王帥,王連成,褚曉蕾

1 天津中醫(yī)藥大學(xué) 研究生院,天津 301617;2天津醫(yī)院 康復(fù)科,天津300202

周圍神經(jīng)系統(tǒng)是聯(lián)系中樞神經(jīng)系統(tǒng)與全身各系統(tǒng)器官之間的橋梁,在脊髓和身體其他終末器官之間傳遞信號(hào)。周圍神經(jīng)損傷包括由鈍性壓縮力產(chǎn)生的僅伴有局灶性脫髓鞘的神經(jīng)失用癥和可以引發(fā)神經(jīng)損傷遠(yuǎn)端瓦勒變性的軸突斷裂,是當(dāng)今社會(huì)最具破壞性的臨床疾病之一?；颊咄ǔ槟贻p人,且以青年男性居多。相關(guān)研究表明,2.8%的創(chuàng)傷性患者中會(huì)合并有周圍神經(jīng)損傷(Peripheral nerve injury,PNI)[1],面神經(jīng)、臂叢神經(jīng)、尺神經(jīng)比其他神經(jīng)更容易受傷[2]。即使進(jìn)行世界上最精細(xì)的顯微外科修復(fù)技術(shù),仍有三分之一的PNI患者顯示神經(jīng)形態(tài)和功能的不完全恢復(fù),而且伴有慢性神經(jīng)病理性疼痛、肌肉萎縮、嚴(yán)重肌無力等一系列并發(fā)癥,甚至造成肢體功能的永久缺失和終身殘疾[3]。與中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷相比,周圍神經(jīng)損傷具有再生的特質(zhì),但這種再生是不完全的,在周圍神經(jīng)再生過程中軸突再生緩慢(1～3 mm/d)、神經(jīng)元再生能力隨時(shí)間增長而下降[4]、雪旺細(xì)胞不能維持有利于軸突再生的生長環(huán)境[5],以及再生軸突以異步、交錯(cuò)的方式穿過充滿血液、碎片微環(huán)境的損傷修復(fù)區(qū)造成的長達(dá)3～4周的潛伏期,均是周圍神經(jīng)損傷修復(fù)的極大限制。自2000年Al-Majed及其同事證明短暫的(1 h)低頻(20 Hz)電刺激可加速神經(jīng)橫斷和顯微手術(shù)修復(fù)后的軸突再生以來,關(guān)于使用低頻電刺激療法來提高受損周圍神經(jīng)軸突再生能力、進(jìn)而促進(jìn)功能恢復(fù)的動(dòng)物和人體試驗(yàn)就從未停止。本文綜述低頻電刺激療法治療PNI的分子機(jī)制及相關(guān)參數(shù)研究進(jìn)展。

1 低頻電刺激療法定義

低頻電刺激療法是指一種向周圍組織輸送頻率為1～1 000 Hz的電流,以達(dá)到治療疾病的目的。感應(yīng)電療法、間動(dòng)電療法、電睡眠療法等均屬于低頻電療法范疇,而用于調(diào)節(jié)疼痛的經(jīng)皮神經(jīng)電刺激療法(Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation,TENS)、激活肌肉引發(fā)肌肉收縮的神經(jīng)肌肉電刺激療法、恢復(fù)器官或肢體功能的功能性電刺激療法是最為常用的低頻電刺激療法。

2 低頻電刺激治療周圍神經(jīng)損傷的分子機(jī)制

2.1 周圍神經(jīng)損傷后修復(fù)機(jī)制

周圍神經(jīng)損傷后,損傷部位的Ca2+快速內(nèi)流和輸入蛋白等延遲逆行信號(hào)啟動(dòng)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞體內(nèi)的再生反應(yīng)。初始Ca2+內(nèi)流將改變膜電位,導(dǎo)致電壓門控Ca2+通道打開,增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平,從而激活Cam 激酶,激活腺苷酸環(huán)化酶(Adenylyl cyclase,AC),三磷酸腺苷(ATP)在AC催化作用下轉(zhuǎn)化為CAMP。AC也被g蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor,GPCR)激活,GPCR 通過鳥苷三磷酸(Guanosine triphosphate,GTP)上調(diào)g 刺激蛋白(G-stimulatory protein alpha,Gsa)亞基。CAMP使蛋白激酶A(Protein kinase A,PKA)二聚并激活交換蛋白(Exchange protein directed activated by c AMP,EPAC),它們都被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核,使轉(zhuǎn)錄因子c AMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(c AMP response element-binding protein,CREB)磷酸化,轉(zhuǎn)錄腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、生長相關(guān)蛋白43(Growth associated protein 43,GAP-43)、精氨酸酶-1(Arginase-1,ARG1)和激活轉(zhuǎn)錄因子3(Activating transcription factor 3,ATF3)等再生相關(guān)基因(Regeneration-associated genes,RAGs)。神經(jīng)生長因子(Nerve growth factor,NGF)和BDNF 與它們各自的原肌球蛋白相關(guān)激酶受體A(Trk A)和酪氨酸受體激酶B(Trk B)受體結(jié)合將激活多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路。激活的Trk A 和Trk B受體可以刺激磷脂酶C-gamma(Phospholipase C-gamma,PLCγ),誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈣從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體等內(nèi)部儲(chǔ)存中釋放,進(jìn)一步激活Cam 激酶。激活的Trk A 受體可以激活Ras-Raf絲裂原活化蛋白胞外調(diào)節(jié)激酶(Ras-Raf-mitogen-activated protein extracellular regulated kinase,MEKERK/MAPk)通路激活CREB[6]。見圖1。

圖1 周圍神經(jīng)損傷后修復(fù)機(jī)制

2.2 低頻電療法促進(jìn)神經(jīng)再生的分子機(jī)制研究

電療法促進(jìn)神經(jīng)再生的機(jī)制涉及一系列復(fù)雜的細(xì)胞和分子變化,其機(jī)制目前仍不完全清楚。研究表明,電刺激介導(dǎo)下失神經(jīng)遠(yuǎn)端雪旺細(xì)胞會(huì)大量表達(dá)NGF和BDNF等多種神經(jīng)營養(yǎng)因子,這些神經(jīng)營養(yǎng)因子不僅促進(jìn)軸突斷端生長,而且在再生運(yùn)動(dòng)神經(jīng)和感覺神經(jīng)分別進(jìn)入適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)和感覺通路中發(fā)揮重要作用。McGregor等[7]提出電刺激類似起始于軸突切斷部位的細(xì)胞內(nèi)鈣波,會(huì)逆行回到神經(jīng)元胞體,并增加BDNF及其高親和力受體Trk B,使促進(jìn)軸突延長的關(guān)鍵RAG 更早更持續(xù)的上調(diào),電刺激后由雪旺細(xì)胞產(chǎn)生并上調(diào)的BDNF,對突觸的正常發(fā)育和可塑性至關(guān)重要。而且Wong等[8]發(fā)現(xiàn)20 Hz、1 h的低頻電刺激后,BDNF和Trk B受體上調(diào)更快更明顯,細(xì)胞骨架蛋白、微管蛋白、肌動(dòng)蛋白和生長相關(guān)蛋白-43均以更快的速度上升到更高水平。除此之外,自噬是一種促進(jìn)維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的機(jī)制,在生物體內(nèi)普遍存在[9]。Brosius、Ko等[10-11]的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),神經(jīng)損傷后雪旺細(xì)胞利用自噬降解髓鞘,而低頻肌肉電刺激可能會(huì)導(dǎo)致自噬水平的提高,有助于激活遠(yuǎn)端神經(jīng)段,促進(jìn)外周神經(jīng)再生。綜上可見,低頻電刺激療法通過激活多條通路的復(fù)合作用促進(jìn)周圍神經(jīng)損傷后的軸突再生。

3 低頻電療法治療周圍神經(jīng)損傷的臨床應(yīng)用

不同參數(shù)的低頻直流電刺激、交變電刺激、脈沖電刺激對神經(jīng)愈合和運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)均顯示出積極作用,并由數(shù)量眾多的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)走向臨床試驗(yàn),在人類周圍神經(jīng)損傷患者中展示出良好效果。對指神經(jīng)完全橫斷的患者進(jìn)行1 h、20 Hz的短暫低頻電刺激之后,和對照組相比,電刺激組在所有感覺模式方面均表現(xiàn)出更大的改善,低頻電療增強(qiáng)了指神經(jīng)完全橫斷患者的感覺神經(jīng)再支配[12]。功能恢復(fù)較差的嚴(yán)重肘管綜合征術(shù)后患者接受低頻電刺激療法之后,患者的捏力比常規(guī)治療組增高了3倍,電刺激組顯示出了比常規(guī)治療組更為明顯的神經(jīng)肌肉再生和患者功能恢復(fù),而且這種效果同樣出現(xiàn)在尺神經(jīng)損傷、腕管綜合征的患者中[13-15]。這些研究奠定了未來進(jìn)行更多低頻電刺激療法促進(jìn)人類周圍神經(jīng)損傷再生的臨床試驗(yàn)基礎(chǔ),無論任何節(jié)段、任何類型的周圍神經(jīng),只要電極可以接近,似乎都可以采取低頻電刺激療法的方式來促進(jìn)軸突再生和神經(jīng)再支配。

4 低頻電療法的參數(shù)研究

3.1 電極

低頻電刺激的電極種類按照電刺激的深度可分為植入式電極、表面電極和針電極。

4.1.1 植入式電極

植入式電極可以將電極直接植入受損的神經(jīng),具有全天持續(xù)刺激、避免表面電極不能精確定位等優(yōu)點(diǎn)。在長期的跟蹤測試中,一種植入式袖帶電極在植入運(yùn)動(dòng)和感覺神經(jīng)2～11 a中長期保持功能,未引發(fā)人體任何不良反應(yīng)或變化[16]。直接在神經(jīng)內(nèi)膜以里植入電極恢復(fù)神經(jīng)功能是植入式電極研究的前沿,Davis等[17]直接在正中神經(jīng)和尺神經(jīng)上植入微電極陣列以恢復(fù)患肢功能也已被成功用于人體短期(不到1個(gè)月)實(shí)驗(yàn)。橋接式電刺激是在受損神經(jīng)部位植入神經(jīng)導(dǎo)管以促進(jìn)周圍神經(jīng)再生,是植入式電極的另一種形式。神經(jīng)導(dǎo)管在神經(jīng)再生中起著重要的作用,它可以指導(dǎo)神經(jīng)纖維的生長,提供機(jī)械保護(hù),并為神經(jīng)再生創(chuàng)造合適的微環(huán)境。聚吡咯、聚苯胺、碳納米管是制備神經(jīng)導(dǎo)管最常見的材料。最近Sun等[18]制備的神經(jīng)導(dǎo)管,通過消耗葡萄糖和氧氣的方式可以實(shí)現(xiàn)自體供電,與傳統(tǒng)的聚吡咯神經(jīng)導(dǎo)管相比減小了發(fā)生感染的風(fēng)險(xiǎn),并顯著促進(jìn)了神經(jīng)再生。

植入式電極對技術(shù)要求較高,可能發(fā)生電極移位、電池耗損等技術(shù)性并發(fā)癥,以及過敏反應(yīng)、感染等生物性并發(fā)癥,而且具有外科手術(shù)創(chuàng)口的特性使植入性電極在國內(nèi)民眾的推廣中可能并不容易。

4.1.2 表面電極

表面電極具有無痛、無創(chuàng)、無感染風(fēng)險(xiǎn)、適應(yīng)癥廣泛等優(yōu)點(diǎn)。TENS是表面電極的一種,對周圍神經(jīng)損傷后伴有的神經(jīng)病理性疼痛有良好療效。Gewandter等[19]的研究顯示,以能忍受的最大范圍強(qiáng)度為度,進(jìn)行每天2 次、每次1 h 的TENS 治療之后,神經(jīng)病理性疼痛患者在疼痛評分、麻木感、纖維感覺評分等方面均有顯著改善。TENS療法除了調(diào)節(jié)疼痛之外,亦有關(guān)于其促進(jìn)神經(jīng)再生的研究。Diana等[20]將小鼠坐骨神經(jīng)擠壓模型分為未干預(yù)組、低頻TENS(4 Hz)組和高頻TENS(100 Hz)組,未干預(yù)組不進(jìn)行干預(yù),低頻TENS組和高頻TENS組均在手術(shù)后立即電刺激2 h,5周后對動(dòng)物實(shí)施安樂死,雙側(cè)神經(jīng)解剖組織形態(tài)學(xué)分析發(fā)現(xiàn):高頻TENS組和未治療組的神經(jīng)有相似的輪廓,有廣泛的退行性病變的征象;低頻TENS組導(dǎo)致神經(jīng)再生增加。提示我們,使用TENS電刺激方法時(shí),參數(shù)選擇極其重要:高頻率TENS可能對神經(jīng)造成損傷,而低頻TENS治療似乎可以促進(jìn)周圍神經(jīng)再生。

表面電極直接接觸表皮的特點(diǎn),使其強(qiáng)度過大容易灼傷皮膚,強(qiáng)度過小又難以透達(dá)深層,制約了其在臨床上的廣泛使用。

4.1.3 針電極

在我國,針電極以電針的方式被廣泛應(yīng)用。針灸是中國的國粹,電針是在傳統(tǒng)毫針的基礎(chǔ)上加以電刺激,具有傳統(tǒng)針刺和現(xiàn)代電刺激功能相結(jié)合的效果。Tang等[15]將2根針插入肘管并連接電刺激治療儀,每周1次沿尺神經(jīng)損傷部位進(jìn)行直接定向電刺激治療,在此過程中均輔以日?？祻?fù)治療,結(jié)果發(fā)現(xiàn)深度割傷的尺神經(jīng)近端患者顯著提高了DASH 上肢功能評分,受傷后僅3個(gè)月就回歸正常工作崗位。電針在治療面神經(jīng)損傷(周圍性面癱)方面已被學(xué)術(shù)界公認(rèn)。尺神經(jīng)、橈神經(jīng)、正中神經(jīng)損傷后電針治療的有效性也不斷被相關(guān)研究所證實(shí),而且在神經(jīng)傳導(dǎo)速度、振幅、潛伏期及上肢功能評分等方面,電針組均顯示出比普通康復(fù)組更為明顯的改善作用[21-24]。此外,一項(xiàng)meta分析[25]結(jié)果顯示,在治療周圍神經(jīng)引起的神經(jīng)病理性疼痛方面,電針對改善疼痛指數(shù)、針刺感、麻木等功能評分方面亦有顯著效果。目前電針治療PNI的機(jī)制以及最佳治療參數(shù)配伍逐漸成為電針研究的熱點(diǎn)[26-27]。章明星[28]團(tuán)隊(duì)最新研究發(fā)現(xiàn),與對照組、模型組、電針100 Hz組、電針變頻1組、電針變頻2組相比,5 Hz的低頻電刺激組對周圍神經(jīng)損傷后再生的療效顯著,預(yù)示著低頻5 Hz可能是針電極治療PNI的最佳參數(shù)。

電針相對安全、簡便、療效確實(shí)的特點(diǎn),在國內(nèi)民眾中接受程度最高。

4.2 頻率

頻率是電刺激療法的一個(gè)重要參數(shù),大多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為低頻電刺激對周圍神經(jīng)損傷具有顯著的再生作用。Chien等[29]在確定不同頻率的電刺激對橋接導(dǎo)管內(nèi)坐骨神經(jīng)再生的影響實(shí)驗(yàn)中,將用硅橡膠腔橋接管和紫杉醇處理的長10 mm 坐骨神經(jīng)缺損大鼠依電刺激干預(yù)的頻率分為低頻(2 Hz)、中頻(20 Hz)、高頻(200 Hz)和對照組,對神經(jīng)電生理、動(dòng)物行為、神經(jīng)元連接性、巨噬細(xì)胞浸潤、降鈣素基因相關(guān)肽表達(dá)水平和形態(tài)學(xué)等方面進(jìn)行觀察,4周后觀察到低頻和中頻組的再生成功率為90%和80%,明顯高于對照組和高頻組的60%和50%。Dandan等[30]研究表明,高頻率的電刺激會(huì)造成神經(jīng)傳導(dǎo)阻滯,雖不造成神經(jīng)結(jié)構(gòu)性損傷但是會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)功能受損。由此可見,2 Hz低頻率電刺激可能是治療PNI既安全又高效的頻率選擇。

4.3 振幅

刺激目標(biāo)離電極越遠(yuǎn),越需要更大的刺激電流。電極放置位置、神經(jīng)粗細(xì)均影響振幅選擇,表面電極通常比植入式電極以更高的幅度工作,直徑較大的神經(jīng)自然需要更高的振幅來招募其包含的神經(jīng)纖維。高達(dá)3 100μA 的振幅已安全地用于動(dòng)物周圍神經(jīng)損傷模型中,在人類神經(jīng)電刺激研究中,使用袖帶電極(植入式電極的一種)和針電極對腓神經(jīng)和脛神經(jīng)施加高達(dá)20 mA 的振幅也被成功實(shí)踐。對于神經(jīng)束內(nèi)電極,運(yùn)動(dòng)神經(jīng)和感覺神經(jīng)的振幅選擇通常在10～300μA 的范圍內(nèi)[31]。

4.4 時(shí)間

電刺激的時(shí)間參數(shù)對治療效果至關(guān)重要。相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,4周之后,電針刺激對神經(jīng)損傷大鼠的運(yùn)動(dòng)功能改善已不再明顯[32]。與我們臨床上碰到的患者相類似,對損傷神經(jīng)的同一部位進(jìn)行長期重復(fù)刺激似乎對神經(jīng)恢復(fù)已經(jīng)沒有幫助。然而,時(shí)間較短的電刺激亦對神經(jīng)再生幫助有限。Park[33]等對人工離斷坐骨神經(jīng)的小鼠進(jìn)行為期兩周的20 Hz、1 h電刺激,結(jié)果顯示并未顯著改善運(yùn)動(dòng)神經(jīng)軸突再生。在確定電刺激方式的基礎(chǔ)上,進(jìn)行刺激時(shí)間的橫向?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)研究是電刺激時(shí)間參數(shù)未來的研究方向。

5 低頻電療法治療PNI的局限性與新發(fā)現(xiàn)

低頻電刺激療法治療PNI亦有局限之處:①相關(guān)臨床研究證據(jù)表明,選擇不恰當(dāng)?shù)碾姶碳ゎl率、振幅、時(shí)間等參數(shù),不僅不會(huì)促進(jìn)周圍神經(jīng)再生,而且還會(huì)對周圍神經(jīng)造成損傷。②由于倫理學(xué)的限制,大多數(shù)電刺激研究論文均采取動(dòng)物實(shí)驗(yàn),而動(dòng)物和人體的組織學(xué)差異使實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法直接應(yīng)用于人類,給研究成果的推廣造成阻礙。③周圍神經(jīng)遍布全身,不同的神經(jīng)纖維以不同的速度、不同的頻率和持續(xù)時(shí)間傳導(dǎo)動(dòng)作電位,對電刺激有著不同的耐受性,這些因素均阻礙著電刺激參數(shù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化制定。

大多數(shù)關(guān)于低頻電刺激療法治療PNI的研究均是在術(shù)后進(jìn)行,而最近在Senger博士實(shí)驗(yàn)室的研究[34-37]中發(fā)現(xiàn)術(shù)前電刺激在神經(jīng)移植修復(fù)后再生和功能恢復(fù)方面甚至優(yōu)于術(shù)后電刺激治療。Ward等[38]研究發(fā)現(xiàn),對切斷的周圍神經(jīng)進(jìn)行光療顯示出了更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)和感覺神經(jīng)再生,并伴隨著神經(jīng)肌肉接頭的重組。Larkowski等[39]的研究表明,在低頻電刺激過程中加入睪酮會(huì)減少神經(jīng)獲得完全恢復(fù)所需的時(shí)間。補(bǔ)充雄激素似乎是治療周圍神經(jīng)損傷又一具有前景的治療手段。此外相應(yīng)的研究[40]結(jié)果已經(jīng)顯示,低頻電療法與運(yùn)動(dòng)療法相結(jié)合具有顯著的協(xié)同效應(yīng),可以改善感覺輸入,減少反射亢進(jìn)和神經(jīng)性疼痛。低頻電療法與新發(fā)現(xiàn)的治療技術(shù)相結(jié)合使用,有望彌補(bǔ)電刺激療法治療PNI患者的局限性。

6 總結(jié)與展望

基于現(xiàn)有的臨床研究,低頻電療法作為一種治療PNI的物理治療手段,仍處于其發(fā)展的初期階段,并且在作為外科手術(shù)的輔助治療及后期康復(fù)方面均顯示出極大的應(yīng)用價(jià)值。將低頻電刺激治療方法轉(zhuǎn)化到臨床廣泛使用具重要意義。本文綜述了電刺激治療PNI的分子機(jī)制研究進(jìn)展以及電刺激治療PNI的相關(guān)參數(shù)研究。對分子機(jī)制研究的闡明將有助于從生理水平理解并控制PNI病理過程,促進(jìn)神經(jīng)恢復(fù)和功能重建,并為探索新的治療方法開辟道路;對適用于個(gè)體神經(jīng)最佳并安全的治療參數(shù)進(jìn)行研究,將提高電刺激效率。然而無論是低頻電刺激療法治療PNI的機(jī)制還是相關(guān)參數(shù)研究,均仍需要進(jìn)一步研究確定。

對PNI患者進(jìn)行圍手術(shù)期電刺激治療是電刺激療法未來的發(fā)展趨勢之一。術(shù)后電刺激已被證明是安全的并具有良好的耐受性,術(shù)前電刺激對神經(jīng)損傷的治療效果也在神經(jīng)離斷的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到證明,但尚需高質(zhì)量的人類臨床研究來證明其有效性。在人類臨床實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)高質(zhì)量前瞻性隨機(jī)對照研究,是電刺激療法治療周圍神經(jīng)損傷的未來工作。另一方面,思考如何將光療法、雄激素療法、運(yùn)動(dòng)療法治療PNI與低頻電療法有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)治療成果的最大化,不僅是科研工作者有現(xiàn)實(shí)意義的研究課題,而且是臨床工作者面臨如何提升PNI患者療效亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。