低強度脈沖超聲在骨關(guān)節(jié)炎研究中的應(yīng)用進展

梁傳財，邱波

武漢大學人民醫(yī)院骨關(guān)節(jié)外科，武漢430060

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種與年齡和關(guān)節(jié)軟骨老化相關(guān)的疾病，也是世界范圍內(nèi)關(guān)節(jié)疼痛和殘疾最常見的原因，其特征為進行性軟骨退化、滑膜炎、關(guān)節(jié)周圍骨贅形成和軟骨下骨硬化［1］。多種風險因素均會導致OA 的發(fā)生，如年齡、肥胖、遺傳因素和后天的關(guān)節(jié)損傷等［2］。據(jù)報道，65 歲以上人群有75%為OA 患者［3］。臨床指南建議使用藥物控制OA，以減輕疼痛和延緩OA進展［4］。OA 的常用治療方法包括口服非甾體類抗炎藥、關(guān)節(jié)內(nèi)注射皮質(zhì)類固醇或透明質(zhì)酸注射液［5-6］，但長期使用這些藥物會引起胃腸道并發(fā)癥和腎毒性等不良反應(yīng)。終末期OA 應(yīng)考慮采取關(guān)節(jié)置換手術(shù)，而關(guān)節(jié)手術(shù)具有組織損傷的風險。因此，需探尋一種效果良好且安全性高的輔助性治療OA 的技術(shù)。低強度脈沖超聲（low intensity pulsed ultrasound，LIPUS）是一種特殊類型的超聲，以低強度發(fā)射并以脈沖波模式輸出。LIPUS由于其低強度和脈沖輸出模式而具有最小的熱效應(yīng)，且保持了聲能向靶組織傳輸［7］。LIPUS用于治療骨折具有明顯的優(yōu)勢，還顯示出對軟組織再生的有效性，如肌腱、韌帶和軟骨［8］。此外，有研究表明，LIPUS 治療膝骨關(guān)節(jié)炎具有可緩解疼痛、促進關(guān)節(jié)功能恢復、無不良反應(yīng)等優(yōu)點［9］。但還需更多的證據(jù)來證明LIPUS 是否可以改善OA 患者的癥狀。本文對LIPUS 在OA 主要病理改變中的作用和臨床研究進展進行綜述，以期為LIPUS 治療OA提供理論依據(jù)。

1 LIPUS的治療機制

LIPUS 是一種機械能，其能以高頻壓力波的形式傳遞至目標組織［10］。LIPUS 的周期性機械聲波會通過介質(zhì)傳播引起振動和碰撞［11］，并通過在目標組織中產(chǎn)生最小的熱效應(yīng)和主要的非熱效應(yīng)，影響細胞的物質(zhì)代謝過程，加快組織的新陳代謝，改善細胞的缺血缺氧狀態(tài)，進而改善組織營養(yǎng)，加快損傷組織的修復［12］。LIPUS 能量主要分為峰值強度為5 000～15 000 mW·cm-2的高強度超聲和峰值強度為0.5～3 000 mW·cm-2的低強度超聲兩種類型。低強度超聲可引起受體阻滯改變，高強度超聲可以使目標組織瞬間壞死，主要應(yīng)用于癌癥消融和姑息治療［13］。目前公認的超聲波治療作用機制有機械效應(yīng)、熱效應(yīng)及空化效應(yīng)。

2 LIPUS治療OA的機制

2.1 LIPUS治療滑膜炎癥的效果

研究表明，滑膜炎癥對關(guān)節(jié)軟骨影響較大，且在OA 病理、生理進展中起關(guān)鍵作用［14］。主要是由于滑膜釋放白細胞介素1（interleukin-1，IL-1）、IL-6、腫瘤壞死因子-α（tumour necrosis factor-α，TNF-α）等炎性因子和生長因子引起一系列骨與關(guān)節(jié)病理變化［15］。研究發(fā)現(xiàn)，LIPUS 可能是抑制滑膜炎癥反應(yīng)的一種有效方式。Nagata 等［16］研究了脈沖超聲波對受傷肌肉模型的影響，結(jié)果表明LIPUS 結(jié)合二甲亞砜凝膠對TNF-α 有抑制作用，LIPUS 與二甲亞砜凝膠組合可降低促炎因子的表達。Nakamura 等［17］研究發(fā)現(xiàn)，LIPUS 能夠下調(diào)環(huán)氧合酶2 和前列腺素E2的產(chǎn)生，還可抑制IL-1 和TNF-α 等促炎因子的產(chǎn)生［18］。Zhang 等［19］研究證明，在動物模型和人體研究中，LIPUS 可以影響巨噬細胞的極化，促進巨噬細胞向具有抗炎作用的M2型巨噬細胞極化，緩解關(guān)節(jié)周圍炎癥反應(yīng)。有研究證明，成骨細胞在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，可以產(chǎn)生趨化因子誘導炎癥反應(yīng)［20］。由于成骨細胞對機械刺激具有敏感性，因此，LIPUS 的機械波對治療OA 滑膜炎癥可能有效［21］。有研究者［22］通過OA 動物模型和細胞試驗證明LIPUS 不僅可以抑制Toll 樣受體-髓樣分化因子的形成，還可通過控制其信號轉(zhuǎn)導來抑制脂多糖引起的關(guān)節(jié)滑膜炎癥反應(yīng)。Chung 等［21］研究表明，LIPUS 作用于OA滑膜可顯著抑制細胞因子誘導性一氧化氮合酶和IL-1β 介導的滑膜細胞的增殖、生長和DNA 裂解；且與對照組相比，LIPUS 治療組的炎癥細胞浸潤、滑膜增生、血管翳形成和軟骨破壞明顯減少，進而延緩了OA關(guān)節(jié)軟骨退化。

2.2 LIPUS對自噬的影響

自噬是一個分解代謝的過程，主要作用是清除受損的細胞器和蛋白質(zhì)，研究表明，細胞自噬水平升高可以抑制細胞凋亡［22］。自噬激活后可以清除受損的線粒體，減少細胞內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS），保護軟骨細胞免受ROS 影響［23］。因此，自噬在保護軟骨細胞方面發(fā)揮重要作用。Wang 等［24］研究證明，LIPUS 對軟骨細胞自噬有一定影響，且證明激活自噬可以促進間充質(zhì)干細胞向軟骨分化。Tanaka 等［25］建立了一個手術(shù)誘導的兔關(guān)節(jié)軟骨損傷模型，并證明在LIPUS的影響下軟骨損傷程度會下降，軟骨細胞自噬標志物Beclin-1、ATG7、成纖維細胞生長因子18 和成纖維細胞生長因子受體4的表達水平升高。LIPUS 對巨噬細胞的自噬功能也具有一定影響，如有研究表明，LIPUS 可通過增強巨噬細胞的自噬功能減少成熟IL-1β 的產(chǎn)生，改善OA 小鼠的滑膜炎癥［26］。以上研究表明，LIPUS 可通過上調(diào)軟骨細胞自噬水平以對OA治療產(chǎn)生有益作用。

2.3 LIPUS對軟骨細胞增殖的作用

軟骨組織對力學的刺激較敏感，有研究報道，LIPUS 能傳遞一種持續(xù)的波能、進而調(diào)控轉(zhuǎn)化生長因子β 的高表達，從而促進牛軟骨組織的增殖及軟骨相關(guān)標志物基質(zhì)金屬蛋白酶-1（matrix metalloproteinase-1，MMP）和人Ⅰ型膠原蛋白-1（human typeⅠcollagen 1，COL-1）的表達上調(diào)［27］。研究證明CCN 蛋白家族2 可以促進OA 損傷關(guān)節(jié)軟骨和成骨細胞的增殖和分化［28］。LIPUS 可以促進CNN 蛋白家族2/結(jié)締組織生長因子的產(chǎn)生，進而促進損傷的關(guān)節(jié)軟骨增殖［28］。Xie 等［29］研究證明，LIPUS 可以通過調(diào)節(jié)磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B 信號通路并上調(diào)細胞周期蛋白D1 表達來促進骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖，且脂肪干細胞在LIPUS 刺激2 周后開始向軟骨細胞分化。有研究者在關(guān)節(jié)軟骨缺損的兔和犬動物模型中發(fā)現(xiàn)，LIPUS 可顯著修復改善軟骨的形態(tài)，并且可顯著促進軟骨細胞的增殖［30］。有研究者使用LIPUS刺激OA 大鼠模型關(guān)節(jié)軟骨細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)軟骨細胞DNA 合成、ERK 信號通路和β1 整合素的表達均顯著上調(diào)，表明LIPUS 可促進損傷關(guān)節(jié)軟骨細胞增殖，加快軟組織修復，進而延緩OA進程［23］。

2.4 LIPUS對軟骨代謝的影響

在OA 軟骨代謝中，當分解代謝活動比合成代謝活動活躍時，則會破壞關(guān)節(jié)組織。OA關(guān)節(jié)軟骨ECM 降解明顯增加，其中MMP-13 對ECM 的降解發(fā)揮重要作用［31］；同時，基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制劑-2 在OA 關(guān)節(jié)軟骨中表達下降，導致軟骨細胞合成代謝下降，進而減緩軟骨組織損傷［32］。有研究證明，LIPUS 刺激OA 關(guān)節(jié)軟骨還可以降低軟骨細胞分解代謝相關(guān)的酶MMP-13 和血小板反應(yīng)蛋白解整合素金屬肽酶5 的表達［33］。超聲是一種可以傳播到生物組織的機械波［34］。有研究證明，超聲可能觸發(fā)機械傳導細胞信號通路，刺激軟骨細胞產(chǎn)生Ⅱ型膠原蛋白和蛋白多糖或間充質(zhì)干細胞促進OA 關(guān)節(jié)損傷組織修復［35］。Cook 等［36］研究發(fā)現(xiàn)，增加LIPUS治療時間可以更好地改善OA關(guān)節(jié)功能，促進OA 關(guān)節(jié)功能恢復，且使用LIPUS 刺激OA 軟骨，Ⅱ型膠原蛋白合成和Ⅱ型膠原蛋白mRNA 表達均顯著增加，進而加快了軟組織修復。研究證明，用LIPUS刺激軟骨細胞，可增加細胞內(nèi)ERK 的表達水平，ERK 可激活結(jié)締組織生長因子促進Ⅱ型膠原蛋白和蛋白聚糖的表達［23］。研究表明，LIPUS 刺激OA 關(guān)節(jié)軟骨，可促進細胞Ⅱ型膠原蛋白和整聯(lián)蛋白β1 的表達，促進OA 關(guān)節(jié)軟組織修復［37］。進一步證明LIPUS刺激OA關(guān)節(jié)，可以促進關(guān)節(jié)合成代謝和抑制關(guān)節(jié)分解代謝，延緩OA的進程。

3 LIPUS在骨關(guān)節(jié)炎治療中的臨床研究

LIPUS 用于骨折治療的時間較長，技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)已比較成熟，且LIPUS 用于骨折和骨折不愈合的治療方式均已獲得美國FAD 的批準。Uddin等［38］使用不同類型的超聲治療膝骨性關(guān)節(jié)炎，并監(jiān)測短期療效，結(jié)果顯示不同類型的超聲治療后，患者疼痛的視覺模擬評分量表評分及功能的西安大略和曼徹斯特大學評分均較治療前明顯改善，但僅使用脈沖超聲的治療組與對照組比較差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。Lovola-Sanchez 等［39］研究表明，患有膝關(guān)節(jié)炎并且膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙1級或2級的患者，進行LIPUS 照射20 個療程后，患者脛骨內(nèi)側(cè)軟骨體積、厚度明顯增加。表明，LIPUS 對輕度至中度膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者的軟骨修復過程有積極的影響作用。岳恒等［40］使用LIPUS治療輕度創(chuàng)傷性膝骨關(guān)節(jié)炎患者，結(jié)果表明，持續(xù)治療3 個月后能明顯改善患者關(guān)節(jié)疼痛和功能。紀京博等［41］比較了LIPUS與雙氯芬酸鈉治療膝骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)疼痛程度、膝關(guān)節(jié)功能和軟骨細胞代謝相關(guān)的組織金屬蛋白酶抑制因子-2 和MMP-13在血液中的變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LIPUS 治療膝骨關(guān)節(jié)炎的療效明顯優(yōu)于雙氯芬酸鈉。有研究者通過比較LIPUS 治療前后膝骨性關(guān)節(jié)炎患者的Lequesne 指數(shù)、疼痛評分及膝關(guān)節(jié)液內(nèi)炎癥指標IL-1 的變化情況，發(fā)現(xiàn)LIPUS 能夠明顯緩解膝骨性關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)局部的疼痛、改善患者關(guān)節(jié)功能、抑制關(guān)節(jié)滑膜炎癥，且治療效果優(yōu)于非甾體類藥物［37］。以上研究表明，LIPUS 可作為一種治療OA安全有效的物理方法。

4 展望

LIPUS 機械刺激對延緩OA 的發(fā)展和改善骨關(guān)節(jié)功能有重要的作用。在體外研究中，總結(jié)與OA病理相關(guān)的炎癥反應(yīng)，軟骨細胞代謝相關(guān)的力學物理參數(shù)，有助于開發(fā)更為有效的OA 治療策略。LIPUS 有望成為未來預防關(guān)節(jié)軟骨退變的一種潛在治療選擇。然而，由于體外實驗的局限性，仍存在以下亟待解決的問題：①雖然大量研究已證明適當?shù)腖IPUS刺激可改善OA癥狀，但仍無法完全模擬體內(nèi)環(huán)境；②在體外研究中，組織培養(yǎng)板的材料特性和實驗設(shè)置會影響波的傳播，并可能對細胞接收到的信號有重要影響；③由LIPUS 刺激引起的OA 相關(guān)蛋白表達的改變，其機制尚不完全清楚；④骨與關(guān)節(jié)軟骨細胞所處的外環(huán)境也是一個復雜的影響因素，應(yīng)當充分考慮LIPUS 和外環(huán)境的協(xié)同作用。以上現(xiàn)象均存在于LIPUS治療OA 的研究中，仍需更多的基礎(chǔ)和臨床研究進一步明確LIPUS對OA的臨床療效和作用機制。