低強(qiáng)度高頻率力學(xué)刺激在骨科疾病治療中應(yīng)用價值的研究進(jìn)展

董健 董有海

具備生物力學(xué)意義且對組織細(xì)胞無害的低強(qiáng)度高頻率(LMHF)力學(xué)刺激，是指可引起受力組織發(fā)生微應(yīng)變(≤10 με)或產(chǎn)生加速度≤0.56 g且頻率為20～100 Hz的刺激[1-2]，有振蕩、搏動、拉伸、壓縮等形式。機(jī)械性力學(xué)信號是調(diào)節(jié)成骨與骨塑形不可或缺的影響因素，這些信號通過力傳導(dǎo)和力回饋機(jī)制在細(xì)胞和分子水平傳遞骨骼的機(jī)能負(fù)荷信息，以此刺激骨骼形態(tài)重塑和維持。19世紀(jì)Julius Wolff提出的“Wolff定律”認(rèn)為，骨質(zhì)沉積及骨形態(tài)受生物應(yīng)力機(jī)制調(diào)節(jié)[3]。自此，人們開始對作用于骨和骨骼肌的不同形式力學(xué)刺激開展生物力學(xué)研究。近年來，越來越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)LMHF力學(xué)刺激在組織工程和臨床治療中極具應(yīng)用價值。

1 LMHF力學(xué)刺激的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)

1.1 對LMHF力學(xué)刺激敏感的細(xì)胞

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是骨組織中的主要應(yīng)力感受細(xì)胞，LMHF力學(xué)刺激可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化和增殖，同時抑制其向破骨細(xì)胞和成脂細(xì)胞分化和增殖，由此促進(jìn)膜內(nèi)骨及軟骨內(nèi)骨生成，并抑制脂肪生成。肌肉干細(xì)胞、造血干細(xì)胞、牙周膜干細(xì)胞同樣對LMHF力學(xué)刺激十分敏感[4-6]。

1.2 LMHF力學(xué)刺激的傳導(dǎo)機(jī)制

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，LMHF力學(xué)刺激不足以激發(fā)細(xì)胞膜產(chǎn)生形變，無法將細(xì)胞外的力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的生化信號，因而細(xì)胞力學(xué)感受機(jī)制尚不能反映LMHF力學(xué)刺激的作用。在細(xì)胞感知外界LMHF力學(xué)刺激并對其做出生物學(xué)反應(yīng)時，肌動蛋白細(xì)胞骨架與細(xì)胞核骨架的應(yīng)力性改變更具重要意義。Wu等[7]的研究顯示，成骨細(xì)胞通過細(xì)胞核周圍纖維狀肌動蛋白(F-actin)骨架形態(tài)改變感知LMHF力學(xué)刺激，與細(xì)胞膜形變無關(guān)。Uzer等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，振蕩形式的LMHF力學(xué)刺激可直接引發(fā)骨細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞核的運(yùn)動，進(jìn)而激活蛋白激酶(Akt)，增加骨細(xì)胞間縫隙連接數(shù)量，加強(qiáng)骨細(xì)胞間通訊。Gao等[9]的研究顯示，成骨細(xì)胞內(nèi)絲切蛋白(cofilin)可促進(jìn)肌動蛋白細(xì)胞骨架解聚，引發(fā)細(xì)胞骨架重構(gòu)，同時上調(diào)堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OCN)、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(Runx)2、膠原蛋白(COL)-1等成骨相關(guān)基因和蛋白表達(dá)，進(jìn)而將細(xì)胞外的力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的生化信號。相關(guān)研究還顯示，由LMHF力學(xué)刺激產(chǎn)生的細(xì)胞外的力學(xué)信號首先通過細(xì)胞骨架重建轉(zhuǎn)化為生化信號，再通過細(xì)胞骨架與核骨架之間的機(jī)械偶聯(lián)復(fù)合物傳導(dǎo)至細(xì)胞核膜，引發(fā)核骨架重建，最后反向激活黏著斑激酶(FAK)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，通過調(diào)控進(jìn)入細(xì)胞核的β-鏈蛋白(β-catenin)數(shù)量影響β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的信號傳遞[10-12]。鑒于細(xì)胞感受LMHF力學(xué)刺激的具體機(jī)制尚未明確，細(xì)胞骨架與核骨架應(yīng)力性改變在LMHF力學(xué)傳導(dǎo)機(jī)制中的作用始終是近年的研究重點(diǎn)。

此外，與LMHF力學(xué)傳導(dǎo)機(jī)制相關(guān)的調(diào)節(jié)因子和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路也尚無定論。Kusuyama等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，阻斷ROCK-Cot/Tpl2-MEK-ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可減弱低強(qiáng)度搏動性力學(xué)刺激對間充質(zhì)干細(xì)胞的成脂抑制作用和促成骨作用。R-脊椎蛋白(Rspo) 1可介導(dǎo)低強(qiáng)度力學(xué)刺激調(diào)控Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[13-14]。Thompson等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，LMHF力學(xué)刺激可明顯下調(diào)細(xì)胞內(nèi)硬骨素表達(dá)。Li等[16]的研究顯示，LMHF力學(xué)刺激可上調(diào)骨形成蛋白(BMP)2、Runx2和OCN等成骨細(xì)胞內(nèi)的信號蛋白表達(dá)，并可通過激活ERK1/2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞的合成代謝。Gao等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，LMHF力學(xué)刺激可大幅上調(diào)ALP、OCN、Runx2和COL-1等成骨相關(guān)基因和蛋白的表達(dá)。另有研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度搏動性力學(xué)刺激可增強(qiáng)BMP2介導(dǎo)的成骨分化[17-18]。目前，已確定的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、FAK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、ROCK-Cot/Tpl2-MEK-ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和ERK1/2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，而參與LMHF力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號因子則包括Rspo1、BMP2、Runx2、OCN、ALP、COL-1、cofilin等。

1.3 不同強(qiáng)度或頻率的LMHF力學(xué)刺激對細(xì)胞的影響

不同強(qiáng)度或頻率的LMHF力學(xué)刺激的細(xì)胞力學(xué)意義不同，并非所有LMHF力學(xué)刺激均有明顯的促合成代謝作用。Wu等[7]通過對成骨細(xì)胞施以加速度恒為0.04 g且頻率為10 Hz、30 Hz、60 Hz或90 Hz的振蕩刺激后發(fā)現(xiàn)，頻率為30 Hz的力學(xué)刺激促成骨合成代謝作用最強(qiáng)，而頻率為60 Hz、90 Hz的力學(xué)刺激促成骨合成代謝作用微弱。Zhang等[18]對牙周膜干細(xì)胞施加恒定頻率、不同強(qiáng)度的振蕩刺激后發(fā)現(xiàn)，在接受加速度為0.3 g的力學(xué)刺激時，牙周膜干細(xì)胞成骨分化能力最強(qiáng)。確定LMHF力學(xué)刺激的適合頻率和強(qiáng)度對臨床治療意義重大。

2 LMHF力學(xué)刺激的骨科臨床應(yīng)用價值

目前，LMHF力學(xué)刺激的應(yīng)用仍處于臨床試驗(yàn)階段，主要包括：①改善骨骼肌功能，提升患者關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，從而改善患者日?；顒淤|(zhì)量；②延緩骨質(zhì)疏松癥患者的骨量丟失，降低其骨折風(fēng)險；③促進(jìn)人工內(nèi)置物與患肢骨的骨結(jié)合，降低患肢骨不愈或延遲愈合風(fēng)險。

日常體育鍛煉所產(chǎn)生的低強(qiáng)度力學(xué)信號可幫助人體改善神經(jīng)肌肉功能，減輕由老化或神經(jīng)退行性疾病引起的神經(jīng)肌肉癥狀。Mettlach等[19]通過小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度振蕩信號可增強(qiáng)小鼠半腱肌等長收縮的力量。其機(jī)制為低強(qiáng)度力學(xué)信號可減弱神經(jīng)肌肉接頭處神經(jīng)突觸的疲勞效應(yīng)，促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，但不影響終板電位的振幅和頻率。有研究表明，LMHF力學(xué)刺激不僅可以改善人體骨骼肌功能，而且對維持人體骨量具有重要意義。Petryk等[20]對杜氏營養(yǎng)不良癥患者和肌肉萎縮癥患者進(jìn)行了前瞻性研究，經(jīng)過0.4 g/30～90 Hz振蕩刺激6個月后，患者下肢肌力及骨量有明顯改善與恢復(fù)。Saito等[21]通過對人體股中間肌施加LMHF力學(xué)刺激發(fā)現(xiàn)，該方法可增強(qiáng)股中間肌力量，由此間接增強(qiáng)股四頭肌等長收縮力量，對于維持人體膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性具有重要意義。Toosizadeh等[22]對易摔倒老年人雙側(cè)腓腸肌予不同頻率的低強(qiáng)度振蕩刺激物理治療后發(fā)現(xiàn)，30 Hz低強(qiáng)度振蕩刺激可減少受試者踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)角度偏移，降低雙下肢軸線線性位移程度，增強(qiáng)踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，進(jìn)而降低老年高?；颊咚さ沟娘L(fēng)險。1型糖尿病易誘發(fā)患者骨量丟失，導(dǎo)致骨修復(fù)能力減弱，大大增加患者骨折風(fēng)險。該類患者常伴有重度骨質(zhì)疏松癥和骨折高危因素。Jing等[23]通過兔1型糖尿病模型研究LMHF振蕩刺激對該疾病的治療價值，結(jié)果顯示LMHF振蕩刺激可改善兔股骨微觀結(jié)構(gòu)，通過激活經(jīng)典Wnt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路促進(jìn)鈦板內(nèi)置物與兔患肢骨的骨結(jié)合。該研究為解決1型糖尿病患者骨質(zhì)疏松、骨不愈合及骨折端內(nèi)置物與自體骨骨結(jié)合等臨床難題提供了重要思路。Jing等[24]采用兔骨折模型研究了LMHF全身振蕩刺激對長骨骨折端與鈦合金內(nèi)置物骨結(jié)合的影響，結(jié)果顯示LMHF力學(xué)刺激可促進(jìn)骨細(xì)胞粘附于鈦板內(nèi)置物，且可促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化，誘導(dǎo)OCN、Runx2、Wnt3a、β-catenin、BMP2等成骨相關(guān)基因與蛋白的表達(dá)，同時抑制硬骨素和護(hù)骨因子表達(dá)。該研究結(jié)果對內(nèi)置物植入術(shù)后骨折患者的恢復(fù)具有重要意義。DiVasta等[25]采用全身LMHF振蕩刺激治療因嚴(yán)重營養(yǎng)不良癥而長期臥床的患者，結(jié)果顯示LMHF力學(xué)刺激可有效阻止患者因長期臥床而發(fā)生的骨量丟失。

3 LMHF力學(xué)刺激的脊柱外科潛在應(yīng)用價值

3.1 骨質(zhì)疏松癥與骨密度

骨質(zhì)疏松癥是脊柱疾病的主要致病因素之一，直接影響脊柱內(nèi)固定手術(shù)的成敗。隨著年齡增長，人體骨骼肌會逐漸老化，力量也逐漸減弱，進(jìn)而導(dǎo)致骨與骨骼肌連接處的機(jī)械力學(xué)信號發(fā)生微小的減弱，由日常體位性運(yùn)動引發(fā)的LMHF力學(xué)刺激則會繼發(fā)性減少。這一觀點(diǎn)可以很好地解釋骨骼肌減少癥患者骨質(zhì)持續(xù)丟失的現(xiàn)象。LMHF力學(xué)刺激一般通過低強(qiáng)度振動平臺傳導(dǎo)到人體骨骼，通過施加近乎恒定的低強(qiáng)度姿勢肌應(yīng)力治療，骨質(zhì)減少癥及骨骼肌減少癥患者均可獲得滿意的治療效果[22,26]。對于體質(zhì)較弱、無法正常進(jìn)行身體鍛煉的患者，該治療方法更具臨床意義。

3.2 人工內(nèi)置物

相關(guān)研究顯示，通過在動物體內(nèi)自體骨與金屬內(nèi)置物之間施加擠壓應(yīng)力和剪切力，LMHF力學(xué)刺激可極大地促進(jìn)二者形成骨性結(jié)合[23-24]。LMHF力學(xué)刺激的作用機(jī)制是，力學(xué)信號傳導(dǎo)可促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，進(jìn)而促使內(nèi)置物周圍細(xì)胞外基質(zhì)蛋白合成，促進(jìn)內(nèi)置物周圍骨質(zhì)形成。

開放性脊柱手術(shù)需要分離椎旁肌肉組織，作為傳導(dǎo)LMHF信號的重要結(jié)構(gòu)，椎旁肌肉組織可能因此被移除，脊柱力學(xué)傳導(dǎo)環(huán)境因此而改變。重建生理學(xué)信號環(huán)境是否有利于術(shù)后患者椎骨維持及形成仍有待進(jìn)一步研究。采用LMHF力學(xué)刺激發(fā)生設(shè)備治療外科患者的可行性和有效性仍有待進(jìn)一步的研究。

3.3 椎板重建

作為臨床常規(guī)術(shù)式，全椎板或半椎板切除減壓術(shù)已廣泛用于治療由脊柱病變、外傷等原因?qū)е碌淖倒塥M窄、脊髓和神經(jīng)根受壓等疾病。近年來，盡管椎間孔鏡等微創(chuàng)手段逐漸普及，但椎板切除術(shù)仍為治療嚴(yán)重椎管狹窄癥、創(chuàng)傷及椎管內(nèi)腫瘤等的首選方法[27]。然而該術(shù)式可能導(dǎo)致術(shù)后出現(xiàn)脊柱不穩(wěn)和硬膜粘連等嚴(yán)重并發(fā)癥，甚至可能加速脊柱退行性變。有研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物腦脊液的搏動性張力可作為LMHF力學(xué)刺激來促進(jìn)椎板成骨與塑形。Li等[26]分別向兔腦脊液搏動性力學(xué)刺激干預(yù)組和腦脊液搏動性力學(xué)刺激隔離組植入兔臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞，在植入干細(xì)胞2 d、4周、8周、12周、16周后運(yùn)用影像學(xué)技術(shù)與組織學(xué)方法觀察干細(xì)胞成骨情況。結(jié)果顯示兩組干細(xì)胞均發(fā)生了高效的成骨分化，且干預(yù)組新生骨組織的多孔微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)明顯高于隔離組。該結(jié)果提示，作為一種低強(qiáng)度力學(xué)刺激，腦脊液搏動性張力在椎板成骨分化過程中具有重要促進(jìn)作用。這將成為以組織工程方法構(gòu)建人工椎板的力學(xué)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

LMHF機(jī)械性力學(xué)信號對骨維持、骨形成及骨骼肌功能的完整性具有重要調(diào)節(jié)作用。如何利用LMHF力學(xué)信號傳導(dǎo)途徑及其與骨外科相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展的聯(lián)系切實(shí)有效地解決臨床問題，是現(xiàn)今骨外科研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一。進(jìn)一步開展相關(guān)研究，將有助于揭示LMHF力學(xué)刺激在骨科疾病治療中的潛在價值。