电刺激在动脉粥样硬化中的作用

丛琳，叶婷，李弘，杨力明

(哈尔滨医科大学基础医学院病理生理学教研室，哈尔滨 150081)

动脉粥样硬化(atherosclerosis，As)是缺血性心脏病、缺血性脑卒中和外周血管疾病的主要病理变化[1]，目前其临床治疗方法分为药物治疗和手术治疗。药物治疗包括抗血栓、降脂以及抗高血压药物治疗等，这些药物不仅不良反应大，且多数只能延缓As的进展[2]。手术治疗支架费用昂贵，且存在支架内再狭窄的风险[3]。生物电现象是生命活动的基本属性，机体的大部分生理活动伴随生物电现象。早在100多年前，生物电学的奠基人就提出了内源性电场具有促使损伤愈合的生物学效应[4]，此后相继出现了大量有关电场引起细胞病理生理反应改变的体内和体外实验研究。在电场存在的情况下，细胞分裂、分化和迁移等生理行为均发生改变，而电刺激疗法是一种应用电流通过不同途径引起细胞或组织产生形态和功能改变的物理治疗手段[5-6]。目前，神经肌肉电刺激疗法已被广泛应用于临床，其病理生理学机制可能与细胞膜电位的改变和活性氧类的生成等因素有关。有研究显示，电刺激疗法作用于神经肌肉细胞，引起细胞膜对钠离子、钾离子和氯离子通透性改变，从而影响静息电位和动作电位[5]；生理水平的电刺激可以引起C2C12细胞活性氧类生成的变化[6]。现就电刺激在As中的作用予以综述。

1 电刺激与炎症反应的关系

在多种致病因素作用下，As易损斑块破裂形成血栓是导致急性冠状动脉综合征和脑卒中发生的主要原因。炎症反应是导致As斑块形成和不稳定的中心环节，电刺激通过多种途径干预炎症反应，延缓As斑块的形成与破裂。有证据表明，伴有巨噬细胞浸润和极化的炎症反应是导致As斑块不稳定的主要因素[7-8]。同时，单核-巨噬细胞分化促进动脉血管壁内的炎症反应发生，引起不良适应性免疫应答，促进As斑块的形成[9]。因此，抑制炎症反应的发生成为控制As发展的重要环节。在As发生、发展过程中，斑块内炎症细胞聚集，产生大量基质金属蛋白酶9，进一步刺激斑块增大以及巨噬细胞增多，而基质金属蛋白酶9的过度表达可进一步促进炎症反应的发展；金属蛋白酶组织抑制物1是基质金属蛋白酶9的特异性组织抑制剂，电刺激能有效提高金属蛋白酶组织抑制物1的水平，进而减少基质金属蛋白酶9的表达，调节两者的失衡状态，抑制炎症反应的发生，从而延缓稳定斑块向不稳定斑块的发展，具有抗As的作用[10-11]。

电刺激还可以调控胆碱能抗炎通路抑制炎症介质的释放，从而减缓各类炎症相关疾病的发生和发展。迷走神经及其递质乙酰胆碱所构成的胆碱能抗炎通路，对炎症反应的调控具有重要作用，当机体发生损伤时，迷走神经兴奋性增加，促使外周神经末梢释放乙酰胆碱增多，乙酰胆碱通过与免疫受体结合，抑制白细胞介素-1β、肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-6及白细胞介素-17等促炎因子释放，而对白细胞介素-10、转化生长因子-β等抗炎因子则无抑制作用[12]。另有研究显示，电刺激能有效减少人工股骨头置换患者血液中促炎因子肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-6等的释放，同时可以增加抑炎因子白细胞介素-10的表达[13]。电刺激可以减轻由角叉菜胶诱导的大鼠足趾炎症反应，与其抑制局部促炎因子白细胞介素-1β、肿瘤坏死因子-α的生成及表达相关[14]。此外，电刺激还能够激活胆碱能抗炎通路，减少多种促炎因子的释放，达到抑制局部或全身炎症反应的目的[13]。电刺激也可以在分子水平上改变炎症细胞的功能，从而抑制炎症介质的释放，但对免疫细胞数量无影响[15]。

电刺激的抗炎作用已经应用于多种炎症相关疾病的临床治疗中，对遗传性和退行性视网膜疾病具有良好的治疗效果，电刺激治疗眼部疾病主要通过增强Muller细胞的神经营养潜力和抑制小胶质细胞的促炎作用，进而改善光传感器的变性程度[16-17]。电刺激已广泛用于调节神经元活动和恢复部分视觉功能[18]。腰椎间盘退行性病变是下背部疼痛的主要原因，神经根附近释放的炎症因子影响神经根并导致疼痛，电刺激能降低细胞外基质修饰酶和基质金属蛋白酶1的活性，抑制炎症细胞因子的分泌，达到缓解疼痛的效果[19]。此外，电刺激还可以通过改变细胞膜的极化状态，引起细胞微环境发生变化，进而影响细胞迁移、切口愈合和炎症反应，因此电刺激可以有效减轻腰椎间盘退行性病变的各种症状[20]。银屑病是由免疫功能紊乱引起的慢性皮肤病，与T淋巴细胞和角质形成过程中细胞释放的炎症分子有关，电刺激通过调节细胞内信号转导途径诱导生物反应，可有效抑制炎症因子的释放，适用于皮肤病的长期抗炎治疗[21]。

2 电刺激对血管内皮细胞功能的影响

血管内皮细胞损伤是As发生的初始环节，完整的血管内皮具有调节血管舒张状态、抑制血管内皮细胞与炎症细胞间黏附以及调控血管平滑肌生长等重要功能，所有通过损伤血管内皮细胞导致As发生的因素均被上述功能抑制，成为抗As发生、发展的关键因素[22]。电刺激通过对血管内皮细胞相关因子的调节，可有效抑制血管内皮细胞损伤，因此在As的防治中具有积极意义。正常人体本身存在电场，可影响血管形成、细胞迁移、生长和分化。电刺激可促进血管内皮细胞的定向迁移，微电场作为一种重要的信号，可激活血管内皮生长因子及其胞内信号通路，从而介导血管新生[23]。血管内皮生长因子在体外可促进内皮细胞的生长，在体内可诱导血管的生成，血管内皮生长因子对内皮细胞的直接作用可能通过激活内皮细胞上的磷脂酶短暂地诱导钙离子的释放而发生[24]。血管内皮生长因子是一种分泌性蛋白，其作用于特异性受体(如fms样酪氨酸激酶受体和胎肝激酶受体)，从而保护毛细血管内皮细胞，防止内皮细胞凋亡和毛细血管消失，同时刺激内皮细胞增殖[25]。已有研究表明，电刺激能促进脑梗死大鼠的血管再生，与电刺激产生血管内皮生长因子有关，电刺激通过激活基质细胞衍生因子1/CXC趋化因子受体4轴上调梗死侧脑组织中血管内皮生长因子的水平，从而改善脑梗死大鼠的神经功能[26-27]。钟林等[28]使用频率为25 Hz、强度为0.3 mA的电刺激处理大鼠后发现，大鼠血管内皮生长因子水平增加2倍，血管内皮生长因子信使RNA的表达量增加3倍。肌细胞合成的促血管生成素1发挥介导内皮细胞与细胞外基质网络联系的作用，它通过Tie2受体与血管内皮生长因子共同作用于蛋白激酶B而启动内皮细胞内源性信号转导，最终引起内皮细胞增殖和毛细血管增生[29]。

调节血管的舒张状态是缓解As的常见方法。有理论认为，电刺激引起血管收缩和舒张的机制与一氧化氮有关，一氧化氮是内皮细胞产生的能够降低血管通透性、发挥内皮保护作用的重要舒血管因子，一氧化氮合成减少、生物利用度降低以及一氧化氮通路功能障碍等均参与了As的发病过程[30]。乐安等[31-32]发现，在低幅脉冲电刺激作用下，内皮细胞明显增殖，分泌物也同时增多，但当刺激电压>100 mV后，细胞生长明显抑制；同时，一氧化氮的表达在电刺激后显著增加，并随刺激电压的升高而增加，在刺激电压400 mV左右时，一氧化氮表达量最高，表明电刺激可通过促进内皮细胞增殖和一氧化氮表达产生内皮保护作用。电刺激对血管收缩和舒张的影响具有许多特点，同一频率不同电压的电刺激会引起不同的血管反应[33]。使用电压30～50 V、频率16 Hz、脉宽1 ms的脉冲电刺激会引起血管收缩，收缩从刺激位点传播到整个血管；使用同样的频率，50～80 V的电刺激会在电极附近引起血管圆周性收缩；而80～110 V的电刺激会引起整个血管的舒张并刺激的局部血管圆周性收缩；且30 V直流电刺激与80～110 V脉冲电刺激的结果基本一致，仅局部血管圆周性收缩不明显，若去除内皮细胞，直流电刺激不再引起血管舒张，仅出现局部血管收缩加强[25]。不同电压、频率、波形的电刺激对内皮细胞和功能会产生不同的生理作用，因此严格把控电刺激条件是电刺激治疗As的关键。

3 电刺激与血脂代谢的关系

高脂血症是As和冠心病的主要致病原因。脂质蓄积贯穿As的整个病理过程，是影响As发生、发展的重要因素。电刺激通过多种途径减少巨噬细胞内胆固醇蓄积，防止泡沫细胞形成，对抑制As发生、发展具有重要意义。研究显示，电刺激As家兔能降低家兔血液中三酰甘油、总胆固醇、低密度脂蛋白的水平，并可提高高密度脂蛋白水平；另外，电刺激组家兔的全血黏度、毛细管血浆黏度、全血还原黏度、红细胞聚集指数以及血细胞比容均显著低于模型组[34-35]。

转录因子胆固醇调节元件结合蛋白1C和胆固醇调节元件结合蛋白2均参与胆固醇合成酶的基因调控，其中胆固醇调节元件结合蛋白2参与脂类和胆固醇的代谢，是肝脏胆固醇生物合成的选择性激活剂[36-37]。有研究显示，电刺激可以调节高脂血症大鼠肝脏中的胆固醇调节元件结合蛋白2的靶基因，降低血清三酰甘油、总胆固醇、低密度脂蛋白的水平；当血脂升高时，胆固醇调节元件结合蛋白2因水解而暴露N端，可与甾醇调节元件1结合，促进低密度脂蛋白受体转录，降低总胆固醇和三酰甘油的水平，电刺激治疗后胆固醇调节元件结合蛋白2信使RNA的转录水平显著降低[37]。胆汁酸是胆固醇代谢途径的中间产物，参与调控胆固醇代谢相关基因的表达，胆固醇7α单加氧酶能够参与调控胆固醇和胆汁酸的代谢过程，胆汁酸又可以经过多种机制抑制胆固醇7α单加氧酶基因的表达，而胆固醇7α单加氧酶表达上调能够抑制As的发生、发展；电刺激处理As家兔可以导致胆固醇7α单加氧酶信使RNA和蛋白的表达显著升高，促进胆固醇转运，减少As斑块的形成[38]。

4 电刺激与细胞死亡模式的关系

As病理过程中伴随着多种细胞死亡模式，调控As相关死亡方式已成为治疗As的重要手段。电刺激通过电信号促进细胞自噬和凋亡，可有效抑制As的发生、发展。

自噬是细胞内容物再循环以支持下游代谢的一种细胞自我更新形式[39]。As斑块中的细胞自噬可去除有害的氧化修饰蛋白质和受损组织，进而保护斑块细胞免于氧化损伤、炎症反应和代谢应激，有助于细胞在不利环境中的恢复[40]。电刺激疗法应用于骨骼肌后，微管相关蛋白1轻链3-Ⅱ/Ⅰ比值和unc-51样自噬激活激酶1活性显著升高，蛋白酶体泛素连接酶基因以及自噬相关基因信使RNA的表达均显著上调，表明骨骼肌自噬水平升高，其机制与AMP活化蛋白激酶/unc-51样自噬激活激酶1介导的信号途径的调控有关[41]。电刺激不仅能促进自噬，还可以通过不同强度的电刺激对过度自噬产生抑制作用，电刺激预处理能够使过度自噬的小鼠脑海马区脑Ras同源蛋白、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白、磷酸化哺乳动物雷帕霉素靶蛋白表达增加，微管相关蛋白1轻链3-Ⅱ、胱天蛋白酶3蛋白表达减少，还可通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路抑制过度自噬，最终发挥脑保护效应[42]。

电刺激不仅可以影响As相关的死亡方式自噬，还可以调控凋亡。凋亡是由基因进行调控、自主有序的细胞死亡形式，通过去除不需要的(或异常)的细胞，维持机体生理稳态。内皮细胞和血管平滑肌细胞的凋亡参与了As易损斑块的形成，且细胞凋亡对As的作用与细胞类型和斑块阶段有关[43]。电刺激可以通过改变细胞的跨膜电位，激活细胞内凋亡相关信号转导通路，从而调控细胞凋亡，诱导p53上调、Bcl-2下调，这与促分裂原活化的蛋白激酶/胞外信号调节激酶介导的信号途径的调控有关[44-45]。

5 小 结

电刺激作为一种新兴的临床治疗手段，主要通过抑制细胞炎症反应的发生、促进内皮细胞增殖和保护血管内环境、促进血脂代谢、调节自噬和凋亡等有效抑制As的发生、发展。特别是在危重病患者的治疗中，对As患者进行电刺激并检测其电阻抗，可有效区分正常和病变部位，最大程度地降低患者的创伤，为后续治疗提供重要保障。另外，不同的电压、电流和频率的电刺激对机体有不同的影响，适宜条件下的电刺激对各类疾病的治疗具有积极作用[46]。神经肌肉电刺激对受损神经具有双重影响，不同电流参数产生不同的生理效应[47]。因此，进一步深入了解电刺激疗法的原理和As发生、发展的机制有利于为As的治疗打下坚实基础。