
总结电刺激(EStim)技术治疗骨骼肌肉系统疾病的临床效果及其作用机制方面的研究进展。
在中国知网、万方数据、Springer Link、PubMed等中、英文数据库中,检索自2000年1月以后公开发表的有关EStim与骨骼肌肉系统的文章共2 778篇,最终纳入57篇文献进行系统复习及归纳总结。
EStim技术对骨骼、肌肉、肌腱、韧带、关节软骨等骨骼肌肉系统各组成部分的疾病,如骨折、骨质疏松、肌肉萎缩,以及肌腱、韧带、关节软骨和周围神经损伤等,均有积极的治疗效果,且具备经济性、安全性、便捷性与有效性等优势。EStim对骨骼肌肉系统疾病的作用机制是通过物理、分子生物学等途径,对骨骼肌肉系统的血液循环、细胞分化、机械运动、蛋白质代谢等产生影响,甚至有可能促进软骨细胞增殖、加速神经轴突再生。
采用EStim技术治疗骨骼肌肉系统疾病,其方法可行、疗效肯定;其作用机制是通过物理和生化两个方面的途径来实现的。
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人体的骨骼肌肉系统,由骨骼、肌肉、肌腱、韧带、软骨、筋膜组成,主要为身体提供形态、支撑、稳定性和运动功能。健康的骨骼肌肉系统是人类活动的前提条件,但随着人口老龄化速度的加快,截至2023年,全球60岁及以上人口的数量已经超过11亿,再加上现代交通方式的变化、久坐行为的增加,日常生活中估计有25%的成年人和81%的青少年缺乏足够的身体活动[1, 2]。因衰老带来的骨骼肌肉系统质量下降与长期缺乏运动后因各种事件所引发的急性损伤,使得患有相应骨骼肌肉系统疾病的人越来越多。针对这些疾病目前临床上主要是采取药物与手术治疗。
电刺激(electrical stimulation,EStim)治疗是指在不产生身体可察觉的热与痛的情况下,应用不同频率与强度的电流治疗疾病。EStim可作用于神经、肌肉等组织,在临床上常应用于控制各种原因引起的慢性疼痛症状;它不需要患者进行肢体上的主动配合,仅需要在治疗指定的部位被动附上相应电极即可,相比较其他治疗方法有着天然优势[3]。在许多学科的疾病治疗中,EStim都有着不错的表现,例如在神经病学领域,美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)就明确了EStim治疗难治性癫痫的效果,并批准了相关的EStim治疗设备的使用[4, 5]。临床上针对癫痫的颅内EStim术与迷走神经EStim术的应用也证明了EStim的相对安全与有效。相较于传统的药物与手术,EStim治疗骨骼肌肉系统疾病的优势在于其拥有经济、安全、便捷等优点;而且,作为一种微创甚至无创的治疗方式,确保其有效性的前提下,在应用其他治疗手段的基础上使用EStim治疗可以起到锦上添花的作用。所以,EStim治疗与目前骨科运动医学领域所倡导“功能至上、早期康复、重返运动”的治疗原则是完美契合的。
本研究中,我们以“电刺激”“骨骼肌肉系统/骨骼/肌肉/肌腱/韧带/软骨/筋膜”和“electrical stimulation”“musculoskeletal system/skeleton/muscles/tendons/ligaments/cartilage/ fascia”等为中、英文关键词,在Springer Link、PubMed、中国知网、万方数据等中、英文数据库中,共检索到自2000年1月以来公开发表的有关EStim与骨骼肌肉系统的文献2 778篇。查阅并分析涉及EStim与骨骼肌肉系统疾病治疗的国内外文献,经阅读文章摘要,排除与本研究内容不符、重复性研究、无法获取全文,以及研究质量不高的文献,最终纳入57篇文献。本文通过文献复习,从骨骼肌肉系统的骨骼、肌肉、肌腱、韧带、软骨方面,总结EStim治疗骨骼肌肉系统疾病的临床疗效及其作用机制的相关研究进展,以期为今后该技术的研究发展与应用提供理论参考。
骨骼是骨骼肌肉系统最基础的组成部分,也是骨骼肌肉系统运动、支持和保护功能的主要承担者。因此,骨折、骨质疏松等骨骼疾病对患者造成的影响是多方面的,患者往往面临着长时间的脱产、日常生活障碍、持续卧床等问题。
骨折经手术治疗后,其漫长的骨骼重建过程一直是医患双方关注的重要问题,促进骨折愈合是骨折治疗的核心目标。Bhavsar等[6]通过回顾分析1978年至2017年期间发表的有关EStim治疗骨折的72项动物研究和69项临床研究发现,接近80%的研究结果显示EStim能有效促进骨愈合,实验对象能从EStim治疗中获得明确的收益,因此认为EStim促进骨愈合的有效性。
血运重建是骨折愈合的先决条件之一。一项基于形态学观察的研究显示,经过EStim治疗后骨折部位的血管再生进程明显快于对照组,EStim可以通过促进局部血液循环来推进受损骨骼的重建[7]。在细胞功能层面上,研究者主要将目光聚焦于成骨细胞,他们认为EStim会对成骨细胞的黏附、增殖、分化、矿化等产生积极正向的作用,从而获得促进骨愈合的效果[8, 9, 10, 11]。从分子机制方面进行的研究显示,骨骼上分布着密集的感觉神经网络,这些神经可以通过分泌神经肽调节骨骼的代谢活动,其中分布较为广泛的是分泌降钙素基因相关肽(calcitonin gene-related peptide,CGRP)的神经[12];在骨折愈合过程中,如果降低CGRP的表达,骨折的愈合也会受到抑制[13];EStim可以激活神经细胞的Ca2+/CaMKII/CREB信号通路并引发动作电位,进而直接促进CGRP的生物合成和释放,间接促进与骨折愈合密切相关的H型血管的生成,从而促进骨折愈合[14]。
骨质疏松症(osteoporosis,OP)是严重影响老年人(≥65岁)身心健康和生活质量的疾病。有调查显示,我国有32%的老年人患有不同程度的OP,其男女比例约为1∶5[15]。目前临床上常用双膦酸盐、雌激素等抑制骨吸收药物与特立帕肽等促进骨形成的药物来治疗OP,但这些药物都存在一定的副作用[16]。近十年来,支持用EStim技术治疗OP的研究报道逐渐增多。根据目前的研究,EStim的作用途径主要有两种:(1)EStim治疗OP的物理途径在于其可以引起骨骼肌的收缩,这种肌肉收缩会对其支配的骨骼施加一种与运动类似的机械负荷,从而抑制骨小梁丢失以及减缓骨骼力学性能的下降[17]。(2)EStim可通过多条化学途径抑制骨质疏松。对后肢废用性OP大鼠模型的后肢支配神经节实施EStim治疗后,该神经CGRP分泌量明显增加,而且患肢骨小梁密度也明显提高[18];对患有绝经后OP的大鼠的喉上神经进行EStim治疗,可以促进其甲状腺中降钙素的释放,从而减少大鼠骨丢失[19]。
肌肉萎缩是指因衰老、去神经支配、废用等原因所导致的肌肉量减少、肌肉质量下降。研究表明,仅需5 d的肌肉废用就会导致肌肉质量和强度的大量损失[20]。关于肌肉萎缩的治疗,除了要保持基础的蛋白质营养摄入与功能锻炼外,EStim治疗也是一个重要手段。目前,EStim治疗肌肉萎缩的有效性已经得到了广泛的认可,近年有研究显示,EStim可以降低新型冠状病毒感染卧床患者的肌肉萎缩率[21]。
肌肉也遵循用进废退的原则,主动的抗阻运动是对抗肌肉萎缩的首要措施[22]。对于不适合做主动阻抗运动的患者,作为替代或者补充,采用EStim治疗促进肌肉收缩是对抗肌肉质量和力量下降的有效方法[23]。在组织层面,EStim的促肌肉收缩功能可能机制如下:首先,EStim可以使运动神经元的轴突及其分支发生去极化,间接使受该神经支配的运动单位产生肌肉收缩效应,比较直观的例子就是通过膈神经刺激可以明显改善膈肌的功能[24, 25];其次,EStim也可以直接使肌肉产生收缩作用。实验研究表明,即使失去了神经支配,肌肉也可接受EStim的干预而产生收缩[26]。
肌卫星细胞是一种多能干细胞,平常处于静息状态,但在肌肉受损的情况下会被激活并参与肌肉的再生与修复,这是维持肌肉数量与质量的重要途径。Zhang等[27]对肌肉萎缩大鼠的后肢进行组织学染色观察,并对卫星细胞进行静止(M-钙黏蛋白)、增殖(5-溴脱氧尿嘧啶核苷)和分化(肌生成素)的相关标记,结果表明,EStim不仅减轻了肌肉纤维的萎缩,还增加了卫星细胞数量,并很好地维持了卫星细胞的活力。而在肌肉的蛋白质分子代谢方面,肌肉萎缩个体中可以观察到蛋白质合成率/分解率比值的下降[28];经过EStim治疗后,与肌肉中蛋白质分解密切相关的蛋白(肌肉萎缩F-box蛋白与肌肉无名指蛋白1)的mRNA表达量明显下降,这提示EStim可以通过抑制蛋白质分解来对抗肌肉萎缩[29]。
肌腱是肌肉末端的结缔组织纤维索,是肌肉的延伸。在骨骼肌肉系统中,肌肉是运动的发起者,骨骼是运动的承担者,肌腱则在这两者之间起到关键的枢纽作用。肌腱损伤的常规治疗包括口服非甾体类抗炎药、按摩、红外光波理疗等,除此之外,也有报道指出EStim治疗肌腱损伤疾病的可行性。
肩袖损伤是常见的肌腱损伤疾病,好发于网球、排球等运动的参与者,其患病率随着年龄的增长而增加,它所导致的运动功能障碍和肩部疼痛会严重影响患者的日常生活和工作,并导致医疗保健资源的大量耗费[30, 31, 32]。EStim对肩袖损伤的治疗作用主要体现在恢复局部运动功能和缓解疼痛两个方面。一项有关EStim与糖皮质激素治疗肩袖损伤的对比研究结果显示,在生活质量量表(SF-36)评分、贝克抑郁自评量表评分、整体治疗成功率和关节活动度等方面,两者并没有明显的差异,这提示EStim在某些方面可以达到近似糖皮质激素的治疗效果[33]。肩峰下撞击综合征的症状主要源于受撞击的肩袖,EStim治疗对此病患者展现出较好的镇痛效果[34, 35];脑部fMRI测量分析显示,EStim这种镇痛效果可能是通过调节大脑痛觉中枢而获得的[36]。
髌腱炎是一种无菌性炎症,好发于对跳跃的速度和力量要求较高的运动中,所以又被称为“跳跃者膝”。髌腱炎保守治疗一般预后较好,但长达6个月的康复期对于有迫切重返运动意愿的运动员来说影响巨大,因此探寻新的治疗策略有着重要意义[37]。与骨骼、肌肉相同,适度的机械负荷也有利于肌腱的健康,能够增加其胶原蛋白的沉积、提高其力学性能[38];EStim能够使肌肉产生收缩,肌腱也同时会受到这种机械牵拉负荷。Basas等[39]在常规肌肉锻炼的基础上结合EStim进行髌腱炎的治疗,治疗后患者VAS评分与最初的测量结果相比显著下降。这提示我们,对患有髌腱炎的运动员的来说,在常规治疗的基础上,将EStim作为一种辅助治疗的策略,确实能产生积极的影响。
与直接参与运动的骨骼、肌肉、肌腱不同,韧带更多时候扮演维持稳定的角色。韧带损伤,尤其是前交叉韧带(anterior cruciate ligaments,ACL)损伤,会导致关节稳定性降低,进一步引起相应关节的慢性损伤,最后导致关节功能缺失。
研究显示,踝关节外侧副韧带损伤的患者在常规的急性期关节冰敷、固定之后,使用EStim治疗能够有效促进受损韧带的康复,减轻关节的疼痛、减少NSAIDs类药物的使用、加速重返运动的进程[40]。掌指关节尺侧副韧带损伤,又称为“滑雪者拇指”,该病术后存在的主要并发症是关节粘连,这可能与韧带的炎症、胶原蛋白沉积有关,临床上常通过主、被动运动来防止该病的术后粘连,但效果有限;然而,Moineau等[41]研究显示,与单独的主动活动相比,在前臂桡侧上下端进行EStim治疗能更大限度地减轻掌指关节尺侧副韧带的术后粘连,扩大该处关节的活动范围。
ACL断裂在临床上常见。ACL的重建常选用与天然韧带性质相似的肌腱作为移植物,其来源包括自体肌腱、同种异体肌腱和人工韧带,其中自体肌腱移植被认为是最佳选择[42]。术后膝关节的稳定性是衡量ACL重建成功与否的重要指标,这种稳定性主要来源于韧带生物力学功能的重建,即移植物形态与功能的顺利韧带化。良好的膝关节环境是移植物顺利韧带化的前提,但ACL的断裂在早期会出现脊髓反射兴奋性的降低,以及在术后出现皮质运动兴奋性的降低,保护性地抑制膝关节周围的肌肉功能(主要是股四头肌)并使其肌力下降,这被称为关节源性肌肉抑制(arthrogenic muscle inhibition,AMI)。AMI的出现破坏了膝关节的环境,增加了ACL术后关节发生粘连、骨关节炎的风险,阻碍ACL功能的重建[43]。近年有研究显示,EStim在对抗AMI方面可能有不错的效果,无论是术侧还是非术侧的EStim治疗,都能够明显加强ACL术后股四头肌的力量[44, 45]。尤其是低强度EStim可以使皮质运动兴奋性的调节正常化,从根本上对抗AMI,从而改善ACL损伤个体的膝关节环境,促进ACL功能的重建[46]。
骨骼肌肉系统中的软骨主要指关节软骨,关节软骨可以分泌滑液润滑关节,并且在运动过程中能起到缓冲震动和冲击的作用。骨关节炎是困扰许多老年人的疾病,其主要的致病机制是关节软骨的退化损伤,又因关节软骨中没有血管、淋巴管或神经穿过,所以关节软骨受到破坏之后的恢复能力较差。《中国骨关节炎诊疗指南》推荐使用的骨关节炎治疗方法主要有外用/口服非甾体抗炎药、关节腔内注射糖皮质激素等[47],但这些方法并不能有效逆转软骨的破坏。此外,临床上使用的硫酸氨基葡萄糖、硫酸软骨素等软骨保护剂的主要作用是延缓病情加剧,而有关其逆转关节软骨破坏的证据相对有限[48]。
间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)具有成软骨分化的能力,是再生医学领域的重要治疗工具,有望成为关节软骨损伤治疗的新选择。大量研究表明,EStim在修复关节软骨方面有着巨大的潜力,这主要体现在EStim能够提高MSCs的成软骨分化能力[49]。MSCs的体外实验已经证明,EStim可以显著增强软骨形成标志物相关基因COL2A1、AGC和SOX9的表达,并通过TGF-β、P2X4信号通路来驱动ATP/Ca2+振荡,从而促进MSCs凝聚,随后通过TGF-β、BMP、P2X4三条信号通路诱导MSCs的成软骨分化[50, 51]。此外,EStim还被证明能通过促进TGF-β1和PDGF-AA的分泌来诱导人真皮成纤维细胞直接转化为软骨细胞[52]。无论是MSCs还是人真皮成纤维细胞,两者都具备体外大量培养增殖的能力,且都可以在EStim的作用下分化为软骨细胞,因此EStim在关节软骨损伤的细胞治疗方面的前景可期。
如上所述,对于骨骼肌肉系统主要组成部分的相应疾病,EStim都有着较好的治疗效果。除此之外,在其他一些与骨骼肌肉系统密切相关的疾病的治疗中,EStim也有亮眼的表现。
对于有严重的骨骼肌肉系统疾病的患者来说,他们所要接受的最终治疗手段往往是截肢。截肢术后除了功能上的不便之外,80%以上的患者还会出现幻肢痛[53]。目前对幻肢痛的发生原理尚无定论,临床上通常选用镇痛药物与抗抑郁药物治疗,但效果有限。Tilak等[54]的短期单盲研究与Giuffrida等[55]的病例报告均显示,EStim对侧肢体可以有效缓解患侧幻肢痛症状。这种镇痛作用的机制可能与疼痛门控理论有关,EStim可能通过选择性激活A-β纤维,关闭A-δ和C类纤维上的疼痛门,阻止与幻肢痛相关的信号到达大脑,从而达到治疗目的[56]。上述研究结果表明,EStim可能为解决截肢术后幻肢痛问题提供了新的思路。
要注意的是,EStim的治疗并非没有缺点。例如在针对肌肉萎缩的治疗中,尽管EStim能使发生萎缩的肌肉产生收缩运动,但它本质上并不如主动运动有效,而且较低频率的EStim可能会导致神经肌肉的疲劳,即低频疲劳。此外,还有报道称EStim治疗可导致肌肉发生横纹肌溶解症[60]。
并非所有骨骼肌肉系统疾病患者都完全适合EStim治疗。EStim在治疗的过程中会产生电磁干扰,因此一直被认为不适用于使用植入式心脏复律除颤器(implantable cardioverter-defibrillators,ICD)的患者。考虑到原有研究数据可能已经过时,在2023年开展的一项旨在重新评估对装有现代ICD的患者使用EStim的安全性的试点研究结果表明,尽管现代ICD的开发与使用已经有了巨大进步,大大降低了电磁干扰的发生,但仍无法做到完全避免EStim治疗过程中产生的电磁干扰;因此,在对ICD患者应用EStim时,仍需要专业治疗团队多次评估确认后才可进行[61]。
EStim治疗骨骼肌肉系统疾病的有效性已经得到证实,其方法可行、疗效肯定,潜力巨大,具有理想的临床应用价值。目前的动物实验及临床研究结果表明,EStim治疗的作用机制是通过物理和生化两个方面的途径来实现的。未来,我们可基于人工智能编程、生物相容性电极等技术与材料,设计开发多功能治疗仪器、便携穿戴治疗设备,从而实现覆盖全类目骨骼肌肉系统疾病的精准化、个体化、人性化EStim治疗。
吴泽霖, 陈紫航, 艾斯玛尔古丽·艾斯克尔, 等. 电刺激治疗骨骼肌肉疾病的应用研究进展[J]. 中华解剖与临床杂志, 2024, 29(6): 421-426. DOI: 10.3760/cma.j.cn101202-20231211-00169.
所有作者声明不存在利益冲突





















