心臟震波治療的生物學(xué)機(jī)制

邱荃　何青

100730 北京醫(yī)院心內(nèi)科 國(guó)家老年醫(yī)學(xué)中心

體外心臟震波治療(cardiac shock wave therapy，CSWT)波為一種低能寬頻電磁雙向脈沖波，能量?jī)H相當(dāng)于常用碎石震波的1/10，且在組織中無明顯衰減，穿透力較強(qiáng)。在經(jīng)胸心臟超聲引導(dǎo)下，可穩(wěn)定達(dá)到已確定的缺血靶區(qū)，在心肌組織細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械剪切力和空穴效應(yīng)，但不造成人體組織損傷，故成為難治性心絞痛的一種有效且無創(chuàng)的全新療法。歐洲心臟病學(xué)會(huì)難治性心絞痛治療聯(lián)合研究組定義難治性心絞痛為冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)患者存在3個(gè)月以上的慢性心絞痛，盡管給予優(yōu)化藥物治療、血管成形術(shù)或旁路移植術(shù)仍不能緩解并有可逆性心肌缺血證據(jù)[1]。另外，針對(duì)部分終末期但無經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療(percutaneous coronary intervention，PCI)和冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)(coronary artery bypass graft，CABG)機(jī)會(huì)的冠心病患者，優(yōu)化藥物治療不能完全控制心絞痛癥狀，CSWT同樣有效。既往研究證實(shí)，CSWT作為傳統(tǒng)治療的補(bǔ)充方式，可改善上述兩類人群的心肌缺血，同時(shí)改善左心室功能[2-3]。越來越多的基礎(chǔ)研究表明，CSWT療效具有生物學(xué)依據(jù)。本文將對(duì)CSWT的生物學(xué)機(jī)制進(jìn)行歸納總結(jié)。

1　CSWT對(duì)血管生成和血管舒張的影響

既往研究顯示，CSWT能夠促進(jìn)心臟缺血區(qū)域血管生成。2004年，Nishida等[4]構(gòu)建了豬的慢性心肌缺血模型，即將縮窄器放置于冠狀動(dòng)脈左回旋支(left circumflex，LCX)近段，使血管完全閉塞但不發(fā)生急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)，4周后移除縮窄器，對(duì)心肌缺血區(qū)域開始給予震波治療(shock wave therapy，SWT)，震波治療方式為0.09 mJ/mm2，200次/點(diǎn)，共9個(gè)點(diǎn)，每周3次。1個(gè)月后行冠狀動(dòng)脈造影，檢查L(zhǎng)CX的側(cè)支循環(huán)情況并對(duì)LCX區(qū)域的可見血管進(jìn)行計(jì)數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，SWT組的LCX側(cè)支循環(huán)數(shù)量明顯增加，LCX供血區(qū)域可見的血管數(shù)量也明顯增加，提示SWT能夠明顯改善心肌缺血區(qū)域的血流供應(yīng)。該研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，SWT組心肌組織中血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表達(dá)量較對(duì)照組明顯增加，而VEGF的主要功能是作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖并增加血管通透性，故VEGF可能在SWT的治療機(jī)制中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，該研究進(jìn)一步通過對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞系行震波處理發(fā)現(xiàn)，震波能顯著增加細(xì)胞VEGF及其受體Fms樣酪氨酸激酶1蛋白及mRNA的表達(dá)，提示震波可能通過上調(diào)血管內(nèi)皮細(xì)胞VEGF表達(dá)水平促進(jìn)側(cè)支循環(huán)形成。Nurzynska等[5]通過分離正常人及缺血性心肌病患者心肌組織心臟干細(xì)胞給予震波處理發(fā)現(xiàn)，無論是對(duì)照組還是缺血性心肌病組，震波均能增加心臟干細(xì)胞中內(nèi)皮原始細(xì)胞、心肌原始細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的比例，推測(cè)震波可通過促進(jìn)心臟干細(xì)胞向內(nèi)皮原始細(xì)胞分化進(jìn)而促進(jìn)血管生成。此外，Yip等[6]研究證實(shí)，震波能夠促進(jìn)兔骨髓單個(gè)核細(xì)胞向CD31+內(nèi)皮細(xì)胞分化，進(jìn)一步證實(shí)了震波能促進(jìn)血管內(nèi)皮生成。另外還有研究發(fā)現(xiàn)，震波不僅促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞增殖，同時(shí)通過誘導(dǎo)基質(zhì)細(xì)胞衍生因子(stromal cell-derived factor 1，SDF-1)表達(dá)促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞歸巢，在血管生成中發(fā)揮重要作用[7]。綜上所述，SWT可通過促進(jìn)VEGF表達(dá)及血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖分化促進(jìn)血管生成。

一氧化氮(nitric oxide，NO)是血管內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的最重要的舒血管因子，由內(nèi)皮細(xì)胞的NO合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)作用于L-精氨酸產(chǎn)生，在維持血管功能穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。Mariotto等[8]發(fā)現(xiàn)，給予人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞系震波處理(0.03 mJ/mm2，1000次)后，NO生成量和eNOS活性顯著增加。使用脂多糖/γ干擾素處理人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞系建立急性炎癥模型發(fā)現(xiàn)，震波能顯著逆轉(zhuǎn)脂多糖/γ干擾素導(dǎo)致的eNOS活性及NO產(chǎn)量下降，同時(shí)抑制脂多糖/γ干擾素相關(guān)核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)與DNA的結(jié)合。此外，Ito等[9]建立豬的左前降支遠(yuǎn)段AMI模型，并立即給予震波處理，能顯著增強(qiáng)eNOS活性并促進(jìn)VEGF表達(dá)。另外值得注意的是，Gotte等[10]研究發(fā)現(xiàn)，震波可不依賴eNOS促進(jìn)NO迅速生成。以上研究表明，CSWT可能通過增加NO生成促進(jìn)心臟血管舒張。

2　CSWT對(duì)心肌原始細(xì)胞增殖和分化的影響

新近研究證實(shí)，心肌干細(xì)胞治療能有效改善難治性心絞痛患者的預(yù)后，提示心肌原始細(xì)胞在改善心臟功能中發(fā)揮重要作用。目前關(guān)于難治性心絞痛患者心臟中心肌原始細(xì)胞的來源存在兩種假說，部分研究者認(rèn)為，外周循環(huán)中的骨髓單個(gè)核細(xì)胞受多種細(xì)胞外基質(zhì)及細(xì)胞因子作用后，歸巢于缺血的心肌組織，并向心肌原始細(xì)胞分化[5]；另一部分研究學(xué)者指出，心肌原始細(xì)胞來源于心臟干細(xì)胞的分化。Nurzynska等[5]發(fā)現(xiàn)，震波能促進(jìn)分離自活體組織的心臟干細(xì)胞向心肌原始細(xì)胞分化。另一項(xiàng)研究亦發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組比較，在SWT組中大鼠心臟組織中的心肌原始細(xì)胞比例升高了2.65倍[11]。上述研究均支持了第二種假說，提示震波處理在心臟干細(xì)胞向心肌原始細(xì)胞分化中發(fā)揮顯著促進(jìn)作用。此外，德國(guó)一項(xiàng)基于103例慢性心力衰竭患者的隨機(jī)雙盲Ⅰ期臨床試驗(yàn)證實(shí)，CSWT輔助冠狀動(dòng)脈內(nèi)注射骨髓單個(gè)核細(xì)胞療法能夠明顯增加心室壁厚度，改善左心室射血分?jǐn)?shù)[12]，提示骨髓單個(gè)核細(xì)胞在CSWT的心功能保護(hù)機(jī)制中同樣發(fā)揮重要作用。SDF-1作為干細(xì)胞歸巢因子，能夠招募CXC族趨化因子受體4(C-X-C chemokine receptor type 4，CXCR4)陽性干細(xì)胞遷移至損傷部位[13]。既往研究在小鼠心肌梗死模型中證實(shí)，梗死區(qū)與梗死周圍帶中SDF-1表達(dá)升高，促進(jìn)CXCR4陽性骨髓單個(gè)核細(xì)胞向心肌梗死區(qū)域歸巢[14]。Fu等[15]研究中使用縮窄器構(gòu)建心肌缺血豬模型發(fā)現(xiàn)，SWT干預(yù)組心肌組織中SDF-1/CXCR4的mRNA和蛋白表達(dá)量顯著高于假性震波組?；赟DF-1/CXCR4軸在干細(xì)胞歸巢機(jī)制中的重要作用，目前研究者推測(cè)SWT可能通過上調(diào)心肌組織SDF-1表達(dá)，誘導(dǎo)CXCR4陽性干細(xì)胞歸巢，從而促進(jìn)心肌細(xì)胞的增殖和分化，改善心功能。上述研究表明，震波能夠促進(jìn)外周循環(huán)干細(xì)胞向缺血心肌組織歸巢發(fā)揮保護(hù)作用。綜上所述，SWT通過多種機(jī)制促進(jìn)心肌原始細(xì)胞增殖與分化，具體機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

3　CSWT對(duì)局部炎癥反應(yīng)的影響

既往研究證實(shí)，震波處理能夠顯著拮抗體外炎癥模型中脂多糖/γ干擾素誘導(dǎo)的NO含量和NOS活性下降，抑制NF-κB激活，降低NF-κB依賴炎癥因子(如iNOS、TNF-α、ICAM、VCAM、COX-2、MMP-9)的表達(dá)[16]。Mariotto等[8]在脂多糖/γ干擾素處理人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞體外炎癥模型中發(fā)現(xiàn)，震波同樣能拮抗NO含量及NOS活性的下降，提示CSWT能夠拮抗血管內(nèi)皮細(xì)胞局部炎癥反應(yīng)。Abe等[17]基于AMI的大鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，SWT可以有效減少梗死后心肌缺血部位中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)，并降低炎癥因子(包括IL-1α、IL-4、IL-6、IL-12p70、IL-13、IL-17及IFN-γ)的表達(dá)，提示CSWT能夠抑制缺血心肌局部炎癥反應(yīng)。正常情況下，巨噬細(xì)胞受脂多糖/γ干擾素誘導(dǎo)分化為具有促炎功能的經(jīng)典激活型巨噬細(xì)胞(M1)；受 IL-4、IL-13、IL-10等誘導(dǎo)分化為具有免疫抑制功能的替代激活型巨噬細(xì)胞(M2)[18]。M1通過分泌促炎細(xì)胞因子包括IL-6、IL-12和TNF-α促進(jìn)心臟局部炎癥，而M2通過分泌抑炎因子IL-10抑制局部炎癥，M2能夠與心肌中間充質(zhì)干細(xì)胞相互作用促進(jìn)組織修復(fù)[19]。Sukubo等[20]研究發(fā)現(xiàn)，震波可抑制M1型巨噬細(xì)胞極化，降低IL-1β表達(dá)；可促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞極化，增加IL-10表達(dá)。因此，SWT可通過改變巨噬細(xì)胞的極化狀態(tài)發(fā)揮抑炎作用。綜上所述，CSWT可能通過抑制局部炎癥反應(yīng)發(fā)揮心臟保護(hù)作用，可有效對(duì)抗心肌梗死后的心室重構(gòu)。

4　CSWT對(duì)心肌細(xì)胞凋亡和自噬的影響

Yu等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在H9c2細(xì)胞的缺血缺氧模型中，SWT能夠顯著促進(jìn)磷酸化的AKT及抗凋亡蛋白Bcl-2表達(dá)，而凋亡相關(guān)蛋白Bax和cleaved caspase 3表達(dá)顯著降低，提示SWT可通過調(diào)控PI3K-AKT通路抑制心肌細(xì)胞凋亡。此外，另一項(xiàng)研究中Du等[22]證實(shí)，SWT可通過調(diào)控AMPK/mTOR通路促進(jìn)心肌細(xì)胞自噬，改善代謝，從而提高心肌細(xì)胞生存，并可能通過Sirt1和HIF-1α通路促進(jìn)細(xì)胞存活而發(fā)揮全面的心臟保護(hù)作用。因此，CSWT能夠通過抑制心肌細(xì)胞凋亡、促進(jìn)自噬對(duì)心肌細(xì)胞發(fā)揮保護(hù)作用。

5　CSWT對(duì)心臟的其他保護(hù)機(jī)制

Fu等[14]使用迷你豬心臟缺血模型發(fā)現(xiàn)，SWT能夠增加細(xì)胞能量代謝相關(guān)因子PGC-1α的mRNA表達(dá)量，對(duì)線粒體發(fā)揮保護(hù)作用，同時(shí)線粒體細(xì)胞色素酶C蛋白水平升高，而胞質(zhì)細(xì)胞色素酶C蛋白水平降低，提示SWT能夠減少細(xì)胞內(nèi)線粒體損傷。此外，SWT組氧化指數(shù)明顯低于對(duì)照組，證實(shí)SWT在對(duì)抗氧化應(yīng)激方面起重要作用，而氧化應(yīng)激是當(dāng)細(xì)胞內(nèi)氧自由基產(chǎn)生過度或清除減少，造成活性氧類生成與抗氧化防御之間的平衡紊亂，其在缺血性心肌病發(fā)病過程中可損害細(xì)胞膜，致鈣超載、細(xì)胞凋亡，產(chǎn)生炎性介質(zhì)。

6　小結(jié)

總之，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人們生活方式的改變，吸煙、血脂異常和肥胖等心血管疾病的危險(xiǎn)因素形勢(shì)日益加劇，冠心病患者數(shù)量將進(jìn)一步增加，給醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。CSWT作為一種無創(chuàng)的冠心病治療新措施，可有效緩解難治性心絞痛患者癥狀，但其確切有效的機(jī)制尚未全面闡明，需研究人員進(jìn)一步深入探索，同時(shí)為CSWT治療的可行性和安全性提供更多的理論依據(jù)。

利益沖突：無