王帅,王连成,褚晓蕾

1 天津中医药大学 研究生院,天津 301617;2天津医院 康复科,天津300202

周围神经系统是联系中枢神经系统与全身各系统器官之间的桥梁,在脊髓和身体其他终末器官之间传递信号。周围神经损伤包括由钝性压缩力产生的仅伴有局灶性脱髓鞘的神经失用症和可以引发神经损伤远端瓦勒变性的轴突断裂,是当今社会最具破坏性的临床疾病之一。患者通常为年轻人,且以青年男性居多。相关研究表明,2.8%的创伤性患者中会合并有周围神经损伤(Peripheral nerve injury,PNI)[1],面神经、臂丛神经、尺神经比其他神经更容易受伤[2]。即使进行世界上最精细的显微外科修复技术,仍有三分之一的PNI患者显示神经形态和功能的不完全恢复,而且伴有慢性神经病理性疼痛、肌肉萎缩、严重肌无力等一系列并发症,甚至造成肢体功能的永久缺失和终身残疾[3]。与中枢神经系统损伤相比,周围神经损伤具有再生的特质,但这种再生是不完全的,在周围神经再生过程中轴突再生缓慢(1～3 mm/d)、神经元再生能力随时间增长而下降[4]、雪旺细胞不能维持有利于轴突再生的生长环境[5],以及再生轴突以异步、交错的方式穿过充满血液、碎片微环境的损伤修复区造成的长达3～4周的潜伏期,均是周围神经损伤修复的极大限制。自2000年Al-Majed及其同事证明短暂的(1 h)低频(20 Hz)电刺激可加速神经横断和显微手术修复后的轴突再生以来,关于使用低频电刺激疗法来提高受损周围神经轴突再生能力、进而促进功能恢复的动物和人体试验就从未停止。本文综述低频电刺激疗法治疗PNI的分子机制及相关参数研究进展。

1 低频电刺激疗法定义

低频电刺激疗法是指一种向周围组织输送频率为1～1 000 Hz的电流,以达到治疗疾病的目的。感应电疗法、间动电疗法、电睡眠疗法等均属于低频电疗法范畴,而用于调节疼痛的经皮神经电刺激疗法(Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation,TENS)、激活肌肉引发肌肉收缩的神经肌肉电刺激疗法、恢复器官或肢体功能的功能性电刺激疗法是最为常用的低频电刺激疗法。

2 低频电刺激治疗周围神经损伤的分子机制

2.1 周围神经损伤后修复机制

周围神经损伤后,损伤部位的Ca2+快速内流和输入蛋白等延迟逆行信号启动神经节细胞体内的再生反应。初始Ca2+内流将改变膜电位,导致电压门控Ca2+通道打开,增加细胞内Ca2+水平,从而激活Cam 激酶,激活腺苷酸环化酶(Adenylyl cyclase,AC),三磷酸腺苷(ATP)在AC催化作用下转化为CAMP。AC也被g蛋白偶联受体(G-protein-coupled receptor,GPCR)激活,GPCR 通过鸟苷三磷酸(Guanosine triphosphate,GTP)上调g 刺激蛋白(G-stimulatory protein alpha,Gsa)亚基。CAMP使蛋白激酶A(Protein kinase A,PKA)二聚并激活交换蛋白(Exchange protein directed activated by c AMP,EPAC),它们都被转运到细胞核,使转录因子c AMP 反应元件结合蛋白(c AMP response element-binding protein,CREB)磷酸化,转录脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、生长相关蛋白43(Growth associated protein 43,GAP-43)、精氨酸酶-1(Arginase-1,ARG1)和激活转录因子3(Activating transcription factor 3,ATF3)等再生相关基因(Regeneration-associated genes,RAGs)。神经生长因子(Nerve growth factor,NGF)和BDNF 与它们各自的原肌球蛋白相关激酶受体A(Trk A)和酪氨酸受体激酶B(Trk B)受体结合将激活多种细胞内信号通路。激活的Trk A 和Trk B受体可以刺激磷脂酶C-gamma(Phospholipase C-gamma,PLCγ),诱导细胞内钙从内质网、线粒体等内部储存中释放,进一步激活Cam 激酶。激活的Trk A 受体可以激活Ras-Raf丝裂原活化蛋白胞外调节激酶(Ras-Raf-mitogen-activated protein extracellular regulated kinase,MEKERK/MAPk)通路激活CREB[6]。见图1。

图1 周围神经损伤后修复机制

2.2 低频电疗法促进神经再生的分子机制研究

电疗法促进神经再生的机制涉及一系列复杂的细胞和分子变化,其机制目前仍不完全清楚。研究表明,电刺激介导下失神经远端雪旺细胞会大量表达NGF和BDNF等多种神经营养因子,这些神经营养因子不仅促进轴突断端生长,而且在再生运动神经和感觉神经分别进入适当的运动和感觉通路中发挥重要作用。McGregor等[7]提出电刺激类似起始于轴突切断部位的细胞内钙波,会逆行回到神经元胞体,并增加BDNF及其高亲和力受体Trk B,使促进轴突延长的关键RAG 更早更持续的上调,电刺激后由雪旺细胞产生并上调的BDNF,对突触的正常发育和可塑性至关重要。而且Wong等[8]发现20 Hz、1 h的低频电刺激后,BDNF和Trk B受体上调更快更明显,细胞骨架蛋白、微管蛋白、肌动蛋白和生长相关蛋白-43均以更快的速度上升到更高水平。除此之外,自噬是一种促进维持细胞内环境稳定的机制,在生物体内普遍存在[9]。Brosius、Ko等[10-11]的相关研究发现,神经损伤后雪旺细胞利用自噬降解髓鞘,而低频肌肉电刺激可能会导致自噬水平的提高,有助于激活远端神经段,促进外周神经再生。综上可见,低频电刺激疗法通过激活多条通路的复合作用促进周围神经损伤后的轴突再生。

3 低频电疗法治疗周围神经损伤的临床应用

不同参数的低频直流电刺激、交变电刺激、脉冲电刺激对神经愈合和运动功能的恢复均显示出积极作用,并由数量众多的动物实验走向临床试验,在人类周围神经损伤患者中展示出良好效果。对指神经完全横断的患者进行1 h、20 Hz的短暂低频电刺激之后,和对照组相比,电刺激组在所有感觉模式方面均表现出更大的改善,低频电疗增强了指神经完全横断患者的感觉神经再支配[12]。功能恢复较差的严重肘管综合征术后患者接受低频电刺激疗法之后,患者的捏力比常规治疗组增高了3倍,电刺激组显示出了比常规治疗组更为明显的神经肌肉再生和患者功能恢复,而且这种效果同样出现在尺神经损伤、腕管综合征的患者中[13-15]。这些研究奠定了未来进行更多低频电刺激疗法促进人类周围神经损伤再生的临床试验基础,无论任何节段、任何类型的周围神经,只要电极可以接近,似乎都可以采取低频电刺激疗法的方式来促进轴突再生和神经再支配。

4 低频电疗法的参数研究

3.1 电极

低频电刺激的电极种类按照电刺激的深度可分为植入式电极、表面电极和针电极。

4.1.1 植入式电极

植入式电极可以将电极直接植入受损的神经,具有全天持续刺激、避免表面电极不能精确定位等优点。在长期的跟踪测试中,一种植入式袖带电极在植入运动和感觉神经2～11 a中长期保持功能,未引发人体任何不良反应或变化[16]。直接在神经内膜以里植入电极恢复神经功能是植入式电极研究的前沿,Davis等[17]直接在正中神经和尺神经上植入微电极阵列以恢复患肢功能也已被成功用于人体短期(不到1个月)实验。桥接式电刺激是在受损神经部位植入神经导管以促进周围神经再生,是植入式电极的另一种形式。神经导管在神经再生中起着重要的作用,它可以指导神经纤维的生长,提供机械保护,并为神经再生创造合适的微环境。聚吡咯、聚苯胺、碳纳米管是制备神经导管最常见的材料。最近Sun等[18]制备的神经导管,通过消耗葡萄糖和氧气的方式可以实现自体供电,与传统的聚吡咯神经导管相比减小了发生感染的风险,并显著促进了神经再生。

植入式电极对技术要求较高,可能发生电极移位、电池耗损等技术性并发症,以及过敏反应、感染等生物性并发症,而且具有外科手术创口的特性使植入性电极在国内民众的推广中可能并不容易。

4.1.2 表面电极

表面电极具有无痛、无创、无感染风险、适应症广泛等优点。TENS是表面电极的一种,对周围神经损伤后伴有的神经病理性疼痛有良好疗效。Gewandter等[19]的研究显示,以能忍受的最大范围强度为度,进行每天2 次、每次1 h 的TENS 治疗之后,神经病理性疼痛患者在疼痛评分、麻木感、纤维感觉评分等方面均有显著改善。TENS疗法除了调节疼痛之外,亦有关于其促进神经再生的研究。Diana等[20]将小鼠坐骨神经挤压模型分为未干预组、低频TENS(4 Hz)组和高频TENS(100 Hz)组,未干预组不进行干预,低频TENS组和高频TENS组均在手术后立即电刺激2 h,5周后对动物实施安乐死,双侧神经解剖组织形态学分析发现:高频TENS组和未治疗组的神经有相似的轮廓,有广泛的退行性病变的征象;低频TENS组导致神经再生增加。提示我们,使用TENS电刺激方法时,参数选择极其重要:高频率TENS可能对神经造成损伤,而低频TENS治疗似乎可以促进周围神经再生。

表面电极直接接触表皮的特点,使其强度过大容易灼伤皮肤,强度过小又难以透达深层,制约了其在临床上的广泛使用。

4.1.3 针电极

在我国,针电极以电针的方式被广泛应用。针灸是中国的国粹,电针是在传统毫针的基础上加以电刺激,具有传统针刺和现代电刺激功能相结合的效果。Tang等[15]将2根针插入肘管并连接电刺激治疗仪,每周1次沿尺神经损伤部位进行直接定向电刺激治疗,在此过程中均辅以日常康复治疗,结果发现深度割伤的尺神经近端患者显著提高了DASH 上肢功能评分,受伤后仅3个月就回归正常工作岗位。电针在治疗面神经损伤(周围性面瘫)方面已被学术界公认。尺神经、桡神经、正中神经损伤后电针治疗的有效性也不断被相关研究所证实,而且在神经传导速度、振幅、潜伏期及上肢功能评分等方面,电针组均显示出比普通康复组更为明显的改善作用[21-24]。此外,一项meta分析[25]结果显示,在治疗周围神经引起的神经病理性疼痛方面,电针对改善疼痛指数、针刺感、麻木等功能评分方面亦有显著效果。目前电针治疗PNI的机制以及最佳治疗参数配伍逐渐成为电针研究的热点[26-27]。章明星[28]团队最新研究发现,与对照组、模型组、电针100 Hz组、电针变频1组、电针变频2组相比,5 Hz的低频电刺激组对周围神经损伤后再生的疗效显著,预示着低频5 Hz可能是针电极治疗PNI的最佳参数。

电针相对安全、简便、疗效确实的特点,在国内民众中接受程度最高。

4.2 频率

频率是电刺激疗法的一个重要参数,大多数文献认为低频电刺激对周围神经损伤具有显著的再生作用。Chien等[29]在确定不同频率的电刺激对桥接导管内坐骨神经再生的影响实验中,将用硅橡胶腔桥接管和紫杉醇处理的长10 mm 坐骨神经缺损大鼠依电刺激干预的频率分为低频(2 Hz)、中频(20 Hz)、高频(200 Hz)和对照组,对神经电生理、动物行为、神经元连接性、巨噬细胞浸润、降钙素基因相关肽表达水平和形态学等方面进行观察,4周后观察到低频和中频组的再生成功率为90%和80%,明显高于对照组和高频组的60%和50%。Dandan等[30]研究表明,高频率的电刺激会造成神经传导阻滞,虽不造成神经结构性损伤但是会导致神经功能受损。由此可见,2 Hz低频率电刺激可能是治疗PNI既安全又高效的频率选择。

4.3 振幅

刺激目标离电极越远,越需要更大的刺激电流。电极放置位置、神经粗细均影响振幅选择,表面电极通常比植入式电极以更高的幅度工作,直径较大的神经自然需要更高的振幅来招募其包含的神经纤维。高达3 100μA 的振幅已安全地用于动物周围神经损伤模型中,在人类神经电刺激研究中,使用袖带电极(植入式电极的一种)和针电极对腓神经和胫神经施加高达20 mA 的振幅也被成功实践。对于神经束内电极,运动神经和感觉神经的振幅选择通常在10～300μA 的范围内[31]。

4.4 时间

电刺激的时间参数对治疗效果至关重要。相关动物实验研究结果表明,4周之后,电针刺激对神经损伤大鼠的运动功能改善已不再明显[32]。与我们临床上碰到的患者相类似,对损伤神经的同一部位进行长期重复刺激似乎对神经恢复已经没有帮助。然而,时间较短的电刺激亦对神经再生帮助有限。Park[33]等对人工离断坐骨神经的小鼠进行为期两周的20 Hz、1 h电刺激,结果显示并未显著改善运动神经轴突再生。在确定电刺激方式的基础上,进行刺激时间的横向对比实验研究是电刺激时间参数未来的研究方向。

5 低频电疗法治疗PNI的局限性与新发现

低频电刺激疗法治疗PNI亦有局限之处:①相关临床研究证据表明,选择不恰当的电刺激频率、振幅、时间等参数,不仅不会促进周围神经再生,而且还会对周围神经造成损伤。②由于伦理学的限制,大多数电刺激研究论文均采取动物实验,而动物和人体的组织学差异使实验结果无法直接应用于人类,给研究成果的推广造成阻碍。③周围神经遍布全身,不同的神经纤维以不同的速度、不同的频率和持续时间传导动作电位,对电刺激有着不同的耐受性,这些因素均阻碍着电刺激参数的统一标准化制定。

大多数关于低频电刺激疗法治疗PNI的研究均是在术后进行,而最近在Senger博士实验室的研究[34-37]中发现术前电刺激在神经移植修复后再生和功能恢复方面甚至优于术后电刺激治疗。Ward等[38]研究发现,对切断的周围神经进行光疗显示出了更强的运动神经和感觉神经再生,并伴随着神经肌肉接头的重组。Larkowski等[39]的研究表明,在低频电刺激过程中加入睾酮会减少神经获得完全恢复所需的时间。补充雄激素似乎是治疗周围神经损伤又一具有前景的治疗手段。此外相应的研究[40]结果已经显示,低频电疗法与运动疗法相结合具有显著的协同效应,可以改善感觉输入,减少反射亢进和神经性疼痛。低频电疗法与新发现的治疗技术相结合使用,有望弥补电刺激疗法治疗PNI患者的局限性。

6 总结与展望

基于现有的临床研究,低频电疗法作为一种治疗PNI的物理治疗手段,仍处于其发展的初期阶段,并且在作为外科手术的辅助治疗及后期康复方面均显示出极大的应用价值。将低频电刺激治疗方法转化到临床广泛使用具重要意义。本文综述了电刺激治疗PNI的分子机制研究进展以及电刺激治疗PNI的相关参数研究。对分子机制研究的阐明将有助于从生理水平理解并控制PNI病理过程,促进神经恢复和功能重建,并为探索新的治疗方法开辟道路;对适用于个体神经最佳并安全的治疗参数进行研究,将提高电刺激效率。然而无论是低频电刺激疗法治疗PNI的机制还是相关参数研究,均仍需要进一步研究确定。

对PNI患者进行围手术期电刺激治疗是电刺激疗法未来的发展趋势之一。术后电刺激已被证明是安全的并具有良好的耐受性,术前电刺激对神经损伤的治疗效果也在神经离断的动物实验中得到证明,但尚需高质量的人类临床研究来证明其有效性。在人类临床实验中设计高质量前瞻性随机对照研究,是电刺激疗法治疗周围神经损伤的未来工作。另一方面,思考如何将光疗法、雄激素疗法、运动疗法治疗PNI与低频电疗法有机结合,实现治疗成果的最大化,不仅是科研工作者有现实意义的研究课题,而且是临床工作者面临如何提升PNI患者疗效亟待解决的现实问题。