低强度高频率力学刺激在骨科疾病治疗中应用价值的研究进展

董健 董有海

具备生物力学意义且对组织细胞无害的低强度高频率(LMHF)力学刺激，是指可引起受力组织发生微应变(≤10 με)或产生加速度≤0.56 g且频率为20～100 Hz的刺激[1-2]，有振荡、搏动、拉伸、压缩等形式。机械性力学信号是调节成骨与骨塑形不可或缺的影响因素，这些信号通过力传导和力回馈机制在细胞和分子水平传递骨骼的机能负荷信息，以此刺激骨骼形态重塑和维持。19世纪Julius Wolff提出的“Wolff定律”认为，骨质沉积及骨形态受生物应力机制调节[3]。自此，人们开始对作用于骨和骨骼肌的不同形式力学刺激开展生物力学研究。近年来，越来越多的学者发现LMHF力学刺激在组织工程和临床治疗中极具应用价值。

1 LMHF力学刺激的细胞学基础

1.1 对LMHF力学刺激敏感的细胞

骨髓间充质干细胞是骨组织中的主要应力感受细胞，LMHF力学刺激可促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化和增殖，同时抑制其向破骨细胞和成脂细胞分化和增殖，由此促进膜内骨及软骨内骨生成，并抑制脂肪生成。肌肉干细胞、造血干细胞、牙周膜干细胞同样对LMHF力学刺激十分敏感[4-6]。

1.2 LMHF力学刺激的传导机制

传统理论认为，LMHF力学刺激不足以激发细胞膜产生形变，无法将细胞外的力学信号转化为细胞内的生化信号，因而细胞力学感受机制尚不能反映LMHF力学刺激的作用。在细胞感知外界LMHF力学刺激并对其做出生物学反应时，肌动蛋白细胞骨架与细胞核骨架的应力性改变更具重要意义。Wu等[7]的研究显示，成骨细胞通过细胞核周围纤维状肌动蛋白(F-actin)骨架形态改变感知LMHF力学刺激，与细胞膜形变无关。Uzer等[8]的研究发现，振荡形式的LMHF力学刺激可直接引发骨细胞内细胞核的运动，进而激活蛋白激酶(Akt)，增加骨细胞间缝隙连接数量，加强骨细胞间通讯。Gao等[9]的研究显示，成骨细胞内丝切蛋白(cofilin)可促进肌动蛋白细胞骨架解聚，引发细胞骨架重构，同时上调碱性磷酸酶(ALP)、骨钙素(OCN)、Runt相关转录因子(Runx)2、胶原蛋白(COL)-1等成骨相关基因和蛋白表达，进而将细胞外的力学信号转化为细胞内的生化信号。相关研究还显示，由LMHF力学刺激产生的细胞外的力学信号首先通过细胞骨架重建转化为生化信号，再通过细胞骨架与核骨架之间的机械偶联复合物传导至细胞核膜，引发核骨架重建，最后反向激活黏着斑激酶(FAK)信号转导通路和Akt信号转导通路，通过调控进入细胞核的β-链蛋白(β-catenin)数量影响β-catenin信号转导通路的信号传递[10-12]。鉴于细胞感受LMHF力学刺激的具体机制尚未明确，细胞骨架与核骨架应力性改变在LMHF力学传导机制中的作用始终是近年的研究重点。

此外，与LMHF力学传导机制相关的调节因子和信号转导通路也尚无定论。Kusuyama等[4]的研究发现，阻断ROCK-Cot/Tpl2-MEK-ERK信号转导通路可减弱低强度搏动性力学刺激对间充质干细胞的成脂抑制作用和促成骨作用。R-脊椎蛋白(Rspo) 1可介导低强度力学刺激调控Wnt/β-catenin信号转导通路[13-14]。Thompson等[15]的研究发现，LMHF力学刺激可明显下调细胞内硬骨素表达。Li等[16]的研究显示，LMHF力学刺激可上调骨形成蛋白(BMP)2、Runx2和OCN等成骨细胞内的信号蛋白表达，并可通过激活ERK1/2信号转导通路促进成骨细胞的合成代谢。Gao等[9]的研究发现，LMHF力学刺激可大幅上调ALP、OCN、Runx2和COL-1等成骨相关基因和蛋白的表达。另有研究发现，低强度搏动性力学刺激可增强BMP2介导的成骨分化[17-18]。目前，已确定的信号转导通路有β-catenin信号转导通路、FAK信号转导通路、Akt信号转导通路、ROCK-Cot/Tpl2-MEK-ERK信号转导通路和ERK1/2信号转导通路，而参与LMHF力学信号转导的信号因子则包括Rspo1、BMP2、Runx2、OCN、ALP、COL-1、cofilin等。

1.3 不同强度或频率的LMHF力学刺激对细胞的影响

不同强度或频率的LMHF力学刺激的细胞力学意义不同，并非所有LMHF力学刺激均有明显的促合成代谢作用。Wu等[7]通过对成骨细胞施以加速度恒为0.04 g且频率为10 Hz、30 Hz、60 Hz或90 Hz的振荡刺激后发现，频率为30 Hz的力学刺激促成骨合成代谢作用最强，而频率为60 Hz、90 Hz的力学刺激促成骨合成代谢作用微弱。Zhang等[18]对牙周膜干细胞施加恒定频率、不同强度的振荡刺激后发现，在接受加速度为0.3 g的力学刺激时，牙周膜干细胞成骨分化能力最强。确定LMHF力学刺激的适合频率和强度对临床治疗意义重大。

2 LMHF力学刺激的骨科临床应用价值

目前，LMHF力学刺激的应用仍处于临床试验阶段，主要包括：①改善骨骼肌功能，提升患者关节稳定性，从而改善患者日常活动质量；②延缓骨质疏松症患者的骨量丢失，降低其骨折风险；③促进人工内置物与患肢骨的骨结合，降低患肢骨不愈或延迟愈合风险。

日常体育锻炼所产生的低强度力学信号可帮助人体改善神经肌肉功能，减轻由老化或神经退行性疾病引起的神经肌肉症状。Mettlach等[19]通过小鼠模型研究发现，低强度振荡信号可增强小鼠半腱肌等长收缩的力量。其机制为低强度力学信号可减弱神经肌肉接头处神经突触的疲劳效应，促进神经递质的释放，但不影响终板电位的振幅和频率。有研究表明，LMHF力学刺激不仅可以改善人体骨骼肌功能，而且对维持人体骨量具有重要意义。Petryk等[20]对杜氏营养不良症患者和肌肉萎缩症患者进行了前瞻性研究，经过0.4 g/30～90 Hz振荡刺激6个月后，患者下肢肌力及骨量有明显改善与恢复。Saito等[21]通过对人体股中间肌施加LMHF力学刺激发现，该方法可增强股中间肌力量，由此间接增强股四头肌等长收缩力量，对于维持人体膝关节稳定性具有重要意义。Toosizadeh等[22]对易摔倒老年人双侧腓肠肌予不同频率的低强度振荡刺激物理治疗后发现，30 Hz低强度振荡刺激可减少受试者踝关节与髋关节角度偏移，降低双下肢轴线线性位移程度，增强踝关节稳定性，进而降低老年高危患者摔倒的风险。1型糖尿病易诱发患者骨量丢失，导致骨修复能力减弱，大大增加患者骨折风险。该类患者常伴有重度骨质疏松症和骨折高危因素。Jing等[23]通过兔1型糖尿病模型研究LMHF振荡刺激对该疾病的治疗价值，结果显示LMHF振荡刺激可改善兔股骨微观结构，通过激活经典Wnt信号转导通路促进钛板内置物与兔患肢骨的骨结合。该研究为解决1型糖尿病患者骨质疏松、骨不愈合及骨折端内置物与自体骨骨结合等临床难题提供了重要思路。Jing等[24]采用兔骨折模型研究了LMHF全身振荡刺激对长骨骨折端与钛合金内置物骨结合的影响，结果显示LMHF力学刺激可促进骨细胞粘附于钛板内置物，且可促进成骨细胞增殖分化，诱导OCN、Runx2、Wnt3a、β-catenin、BMP2等成骨相关基因与蛋白的表达，同时抑制硬骨素和护骨因子表达。该研究结果对内置物植入术后骨折患者的恢复具有重要意义。DiVasta等[25]采用全身LMHF振荡刺激治疗因严重营养不良症而长期卧床的患者，结果显示LMHF力学刺激可有效阻止患者因长期卧床而发生的骨量丢失。

3 LMHF力学刺激的脊柱外科潜在应用价值

3.1 骨质疏松症与骨密度

骨质疏松症是脊柱疾病的主要致病因素之一，直接影响脊柱内固定手术的成败。随着年龄增长，人体骨骼肌会逐渐老化，力量也逐渐减弱，进而导致骨与骨骼肌连接处的机械力学信号发生微小的减弱，由日常体位性运动引发的LMHF力学刺激则会继发性减少。这一观点可以很好地解释骨骼肌减少症患者骨质持续丢失的现象。LMHF力学刺激一般通过低强度振动平台传导到人体骨骼，通过施加近乎恒定的低强度姿势肌应力治疗，骨质减少症及骨骼肌减少症患者均可获得满意的治疗效果[22,26]。对于体质较弱、无法正常进行身体锻炼的患者，该治疗方法更具临床意义。

3.2 人工内置物

相关研究显示，通过在动物体内自体骨与金属内置物之间施加挤压应力和剪切力，LMHF力学刺激可极大地促进二者形成骨性结合[23-24]。LMHF力学刺激的作用机制是，力学信号传导可促进成骨细胞分化，进而促使内置物周围细胞外基质蛋白合成，促进内置物周围骨质形成。

开放性脊柱手术需要分离椎旁肌肉组织，作为传导LMHF信号的重要结构，椎旁肌肉组织可能因此被移除，脊柱力学传导环境因此而改变。重建生理学信号环境是否有利于术后患者椎骨维持及形成仍有待进一步研究。采用LMHF力学刺激发生设备治疗外科患者的可行性和有效性仍有待进一步的研究。

3.3 椎板重建

作为临床常规术式，全椎板或半椎板切除减压术已广泛用于治疗由脊柱病变、外伤等原因导致的椎管狭窄、脊髓和神经根受压等疾病。近年来，尽管椎间孔镜等微创手段逐渐普及，但椎板切除术仍为治疗严重椎管狭窄症、创伤及椎管内肿瘤等的首选方法[27]。然而该术式可能导致术后出现脊柱不稳和硬膜粘连等严重并发症，甚至可能加速脊柱退行性变。有研究发现，哺乳动物脑脊液的搏动性张力可作为LMHF力学刺激来促进椎板成骨与塑形。Li等[26]分别向兔脑脊液搏动性力学刺激干预组和脑脊液搏动性力学刺激隔离组植入兔脐带间充质干细胞，在植入干细胞2 d、4周、8周、12周、16周后运用影像学技术与组织学方法观察干细胞成骨情况。结果显示两组干细胞均发生了高效的成骨分化，且干预组新生骨组织的多孔微观结构参数明显高于隔离组。该结果提示，作为一种低强度力学刺激，脑脊液搏动性张力在椎板成骨分化过程中具有重要促进作用。这将成为以组织工程方法构建人工椎板的力学基础。

4 结语

LMHF机械性力学信号对骨维持、骨形成及骨骼肌功能的完整性具有重要调节作用。如何利用LMHF力学信号传导途径及其与骨外科相关疾病发生发展的联系切实有效地解决临床问题，是现今骨外科研究领域的焦点之一。进一步开展相关研究，将有助于揭示LMHF力学刺激在骨科疾病治疗中的潜在价值。