電針治療膝骨關節炎的基礎研究進展

馬永圓,郭海云,白福海,李雨衡,張明,鄧姣,熊利澤

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電針治療膝骨關節炎的基礎研究進展

馬永圓,郭海云,白福海,李雨衡,張明,鄧姣,熊利澤

(中國人民解放軍空軍軍醫大學西京醫院,西安 710032)

中國膝骨關節炎(knee osteoarthritis, KOA)整體患病率為8.1%,60歲以上人群高達49%。KOA可由創傷、炎癥、退行性病變等多種因素引起,目前尚無修復關節損傷的有效方法。臨床治療的首要目標在于阻止疾病進展、緩解疼痛、保護關節功能并改善患者生活質量。目前電針已廣泛應用于KOA的臨床治療,并取得較好療效,然而其作用機制仍不清楚,具體治療措施缺乏標準。而用于基礎研究的動物模型與電針治療方法種類繁復,難以綜合進行客觀評價,影響了機制的深入研究,對于臨床實踐的支撐作用很弱。該文從KOA模型構建、電針治療策略和治療機制3個方面對電針治療KOA實驗研究進行綜述,為研究者在動物模型、電針策略選擇和機制研究方面提供參考。

骨關節炎,膝關節;電針;動物模型;綜述;針刺療法

膝關節骨性關節炎(knee osteoarthritis, KOA)是以關節軟骨退行性改變為基礎的疾病。主要臨床癥狀為關節疼痛、功能受限及僵直畸形等。目前尚無修復關節軟骨損傷的有效方法,臨床主要以藥物治療和非藥物治療結合為主。藥物治療以非甾體類抗炎藥為主,可一定程度上緩解疼痛,抑制炎癥反應,但并不能有效阻止膝關節軟骨的退變,且長期服用此類藥物可能對人體消化系統及肝、腎功能造成損害[1-2]。非藥物治療有針灸、按摩、食療、運動療法及手術等。目前,針灸在KOA的治療中已經得到了一定的運用。電針是在針刺得氣基礎上,在針上通以電流來刺激穴位,從而治療疾病的一種療法。國內外臨床研究表明[3-5],電針能有效緩解KOA引起的疼痛、關節僵硬以及功能障礙,具有起效快、遠期療效好、不良反應低、簡便、安全、經濟等優點[4]。但由于治療機理不清,缺乏多中心大樣本的臨床研究驗證,或由于臨床試驗設計不夠規范引起療效差異,電針治療的臨床推廣時常受到挑戰。研究者們為探索有效的電針治療策略、闡明電針治療KOA的內在機制,進行了一系列基礎研究,本文對近10年電針治療KOA的基礎研究進行綜述,擬從中總結經驗,提供優化的、統一的造模方法和治療策略,為進一步闡明電針治療KOA的內在機制,促進其臨床應用提供科學依據。

1 動物模型

KOA動物模型主要分為誘導模型和自發性模型。所用動物有大鼠、小鼠、豚鼠、倉鼠、兔、雞、綿羊、山羊、豬、犬、貓、馬、奶牛和非人靈長類動物等。近年來有關電針治療KOA所用實驗動物主要為大鼠和兔,使用誘導模型,分為非手術誘導模型和手術誘導模型。

1.1 非手術誘導模型

化學誘導膝關節炎模型是指往膝關節內注射毒性或炎性化合物,對膝關節軟骨面造成化學損傷而致模。Guzman RE等[6]研究證明,大鼠膝關節腔內注射1 mg單碘醋酸鹽(monoiodoacetic acid, MIA)后7 d,軟骨細胞退變、壞死,脛骨及股骨關節面變薄;注射后第14天,出現軟骨下骨髓的纖維化;注射后第28天出現關節面破壞,注射后第56天出現大面積骨重建,部分關節出現軟骨下囊及軟骨下硬化,認為此模型快速、無創,是模擬骨關節炎表現的良好模型。目前,MIA模型已經廣泛應用于KOA病因病理和疼痛藥物方面的研究[7]。

郭長青等[8]采用膝關節腔內注射木瓜蛋白酶溶液的方法制備KOA模型。將4%木瓜蛋白酶溶液與0.3 mol/L半胱氨酸溶液1:1混置,于第1、4、7天進行關節腔內注射,第7天注射后4周成模。Seo BK等[9]采用膝關節腔內注射膠原酶的方法制備KOA模型。具體方法為于造模第1、4天分別向關節腔內注射50mL(4 mg/mL)膠原酶。木瓜蛋白酶和膠原酶模型均需要進行多次關節腔內注射,而單次注射MIA即可誘導KOA模型,方法更為簡單,模型穩定重復性強且對實驗動物的操作干擾更少,因此木瓜蛋白酶和膠原酶已經較少用于誘導KOA模型,而MIA的應用越來越廣泛[10]。

此外,有文獻報道膝關節內注射乙烯亞胺多聚物、透明質酸酶、腎上腺皮質激素、尿激酶型纖溶酶原激活物、異物等也可導致關節軟骨的退行性改變,但報道較少,其可靠性尚未被廣泛印證[11-12]?；瘜W誘導建立KOA模型具有操作簡單、創傷小、成功率高、成模迅速、模型穩定、受其他混雜因素干擾小等優點[13]。模型病理損傷程度與藥物劑量密切相關,可根據實驗需要選擇合適的造模劑量[14-15],且成模時間短,病程進展速度適中,適用于針對疼痛或關節病理進展的藥物及非藥物治療研究。

1.1.2 固定制動造模

兔KOA模型常采用固定制動造模法。按照制動模式可分為伸直位、屈曲位和中間位法。高亮等[16]采用伸直位法,將兔麻醉后,牽拉膝關節伸直到180°,踝關節背屈到60°,并用紗布繃帶和石膏固定6周后成模。研究表明,固定制動造模法與制動時間有關。制動時間少于1個月,有自愈可能;大于1個月,關節軟骨發生進行性破壞;2個月后,關節軟骨的損傷無法逆轉[17-18]。該模型適合用來制造兔子、犬類等較大體型動物的KOA模型。但該法對固定的技術要求較高,成功率低,成模所需時間較長,動物制動造成的精神刺激大,容易發生厭食、腹瀉等不良反應,甚至肢體腫脹、潰瘍感染、缺血壞死等并發癥[19]。

1.2 手術誘導造模

1.2.1 關節內手術

該法通過手術破壞韌帶或關節軟骨,導致關節力學失衡,從而誘發軟骨退變,與臨床創傷后KOA病理過程較為相似。按照破壞組織結構的不同,分為關節劃痕法、半月板切除法、韌帶橫斷法以及Hulth法[20]等。Hulth法為經典手術造模法,由Hulth等在1970年提出,通過橫斷內側副韌帶、前后交叉韌帶及切除內側半月板造成關節力學失衡,增加關節面間磨損,誘發關節軟骨退變。關節內手術法適用于創傷性關節炎、膝關節置換等方面的研究,不適用于藥物研究等需要干預時間窗較長的研究;手術對關節組織結構造成較大破壞,嚴重影響軟骨及滑膜的生化代謝,不適于研究KOA的生化代謝[21]。

4）可操作性原則：在編撰安全檢查表時，要使其納入指標具有代表性，且概念清晰便于理解，同時也要考慮到指標的實際可操作性。才能這樣，才能確保后續應用中評價過程能順利進行。

1.2.2 關節外手術

1.2.2.1 卵巢切除術

Qin Y等[22]切除18月齡新西蘭大白兔雙側卵巢,術后8周,絕經后KOA模型成功。該模型與人類早期骨關節炎軟骨病理表現相似,常用于早期骨關節炎和雌激素類物質對軟骨作用方面的研究。但造模時間較長,且適用范圍較窄,僅能模擬婦女由雌激素缺乏引起的KOA,不適用于廣泛的KOA治療機制研究。

1.2.2.2 股靜脈雙重結扎術

周景輝等[23]采用股靜脈雙重結扎法造模。結扎切斷大鼠雙側股靜脈,創口愈合后,驅趕大鼠跑步1 h/d,術后1個月成模。雙側股靜脈結扎切斷后,下肢血液瘀滯,關節微循環發生改變,軟骨營養代謝發生障礙,軟骨發生退行性改變,形成KOA。股靜脈雙重結扎KOA模型,常用于關節血液循環和營養代謝導致的關節退變方面的研究。

此外,還有自然發生動物模型,一些實驗動物如Dunkin Hartley豚鼠[24]、敘利亞倉鼠、食蟹猴和狗等可隨著年齡增長患上骨關節炎[25],但是該模型費時、不穩定、成本高;轉基因模型,如STR/ort小鼠[26],此類模型主要用于研究特定基因的功能,常常需要與其他造模方式聯合使用;高脂飲食模型[27],周期長,不穩定,主要用于代謝性關節炎的研究;機械創傷模型[28]。但這些模型在研究電針治療效應方面未見報道。KOA模型分類及特征見表1。

2 電針治療策略

2.1 穴位選取

現代針灸主要的取穴原則包括“辨證取穴”“循經取穴”“局部取穴”以及“按神經節段分布取穴”等。在中國知網、中國生物醫學文獻數據庫和Pubmed數據庫上檢索2007—2017年有關電針和KOA的基礎研究文章,進行分析匯總,選取所有與電針治療膝骨關節相關的基礎研究文獻,共納入27篇。經過統計分析發現,KOA的電針治療使用腧穴分布于4條經脈(見表2),按照使用頻率排序,依次為足陽明胃經(37次)、足太陰脾經(16次)及足少陽膽經(15次)、足太陽膀胱經(3次)。足三陽經和足三陰經都經過膝關節,選取這些經脈符合“經脈所過,主治所及”的循經取穴原則。文獻中腧穴使用頻數前5位依次為陽陵泉(15次)、足三里(14次)、犢鼻(13次)、內膝眼(12次)和梁丘(10次),這些穴位都位于膝關節附近,符合“局部取穴”的原則。

表1 KOA動物模型特征表

KOA屬于中醫學痹證中“骨痹”的范疇,多由于肝腎虧虛,胃失充養,風寒濕氣阻滯導致。陽陵泉是足少陽之脈所入為合的合穴,為八會穴之筋會,具有舒肝利膽、清利濕熱、強健腰膝、通絡止痛之功效;足三里是足陽明胃經之合穴,具有扶正培元、補臟腑之虛損、通經活絡、鎮痛的功效;犢鼻為足陽明胃經的腧穴,也是足陽明脈氣所發,常用來治療膝痛、麻木、屈伸不利;內膝眼位于膝部,具有疏通膝部經絡氣血、止痛的作用;梁丘為足陽明胃經郄穴,《千金要方》:“梁丘、曲泉、陽關主筋攣,膝不得屈伸,不可以行。”

表2 電針治療KOA所用腧穴頻率及歸經

2.2 治療療程、強度、波形、頻率

對相關文獻進行統計發現(具體見圖1),各研究使用的電針治療策略各不相同。電針強度以引起動物肢體局部肌肉抖動為度,在1～5 mA之間。治療療程有每日1次、連續3周[29]和每日1次、每周5次、持續2周[22]以及隔日治療1次、每周3次、持續3周[8]等。單次電針時間有10 min[8]、20 min[30]、25 min[18]或30 min[9]不等。電針時采用的波形有連續波[31-33]和疏密波[29]。疏密波多選擇2/100 Hz[34],連續波選用2 Hz[32]或10 Hz[22,33]。

相比于普通針刺,電針具有多種不同的參數,而不同的刺激參數通過不同的機制發揮不同的生物學效應。文獻報道,在大鼠佐劑性關節炎模型中,1～2 mA組經皮電刺激的療效要優于2～4 mA組[35];3.5 mA組的電針鎮痛效果強于5.5 mA組[36]。而在術后鎮痛臨床研究方面,9～12 mA組經皮電刺激的鎮痛效果強于4～5 mA組[37]。Han JS等[38]研究發現不同頻率的電刺激激活中樞的不同部位釋放不同類型的阿片肽來發揮鎮痛作用。2/100 Hz的電刺激,相比較于單純的2 Hz或者100 Hz具有更好的鎮痛作用[38-40],即疏密波鎮痛效果要強于連續波。在電針刺激時間方面,謝翠微等[41]研究發現短時間的電針即可產生較好的鎮痛效果,而長時間電針的鎮痛效果會減弱,甚至消失。Han JS[42]的研究認為,持續電針30 min可以引發充分的鎮痛效果,而超過1 h鎮痛效果會逐漸下降。Seo BK等[9]給予膠原酶誘導的KOA大鼠30 min的電針刺激,觀察記錄電針期間及停止電針30 min內大鼠甩尾實驗結果,發現電針的鎮痛效果逐漸增強,在第30 min達到最強,停止電針后鎮痛效果可以維持至少30 min。在針刺治療的頻次方面,Liu HX等[35]發現,在大鼠佐劑性踝關節炎模型中,每周1次的經皮穴位電刺激效果強于每周2次,每周5次組鎮痛效果最弱且不明顯;而嵇波等[43]的研究表明,每周3次的電針刺激能明顯提高木瓜蛋白酶誘導的KOA大鼠的痛閾,提示不同的刺激方式不同的模型其最佳治療策略也有差異。在抗炎和促進軟骨修復方面,研究認為不同的針刺頻次(每周1次[22]、每周3次[44]、每周5次[20])均能促進關節軟骨修復。此外,電針的參數之間是相互聯系的,不同的參數之間的組合產生不同的生物學效應。目前,在電針治療策略方面的研究還比較少,主要集中在單參數的研究,參數之間的組合研究更少,不夠深入,亟待進一步系統的研究。

圖1 電針治療KOA治療策略統計圖

3 電針治療機制研究

3.1 電針的促軟骨修復作用

研究表明,KOA患者部分關節軟骨細胞死亡,以凋亡為主[45]。凋亡的軟骨細胞發生蛋白多糖降解,軟骨細胞凋亡率與軟骨基質的降解程度相關,提示軟骨細胞凋亡率與KOA嚴重程度相關,這為通過減少軟骨細胞凋亡來治療KOA提供了依據[46]。彭支蓮等[34]研究發現,電針能降低KOA軟骨細胞的凋亡率。王道海等[31]發現電針能上調KOA大鼠關節軟骨成纖維細胞生長因子(bFGF)的表達,從而促進軟骨的修復。

3.2 電針的抗炎作用

研究發現KOA模型組相比于正常對照組,關節軟骨中白細胞介素-1(IL-1)、腫瘤壞死因子-a(TNF-a)表達上調,電針能明顯抑制IL-1和TNF-a的分泌[47]。周景輝等[23]發現KOA模型組相比于正常對照組,關節滑膜中的轉化生長因子b及其受體Ⅰ和Ⅱ含量增多,電針和藥物治療能下調轉化生長因子b及其受體Ⅰ和Ⅱ含量,認為電針是通過下調轉化生長因子b的含量來改善骨關節炎癥狀,其受體含量的減少有助于KOA的恢復。劉苗苗等[30]發現電針能有效平衡KOA大鼠滑膜組織中基質金屬蛋白酶-3(MMP-3)和基質金屬蛋白酶抑制因子-1(TIMP-1)的異常表達,推測這可能是電針治療KOA有效的機制之一。

3.3 電針抗氧化作用

黃劍等[29]觀察到電針治療可明顯降低KOA關節液中丙二醛(MDA)和一氧化氮(NO)的含量,提高超氧化物歧化酶(SOD)活力,推斷抑制損傷關節過氧化可能是電針治療KOA有效的機制之一。

3.4 電針促進雌激素表達

Qin Y等[22]研究發現,給予雙側卵巢切除誘導的膝關節炎模型新西蘭大白兔電針處理,電針組的雌激素水平高于模型組,從而降低MMP-13的表達。認為電針是一種新的預防和治療絕經后KOA的方法,而這種作用是通過增加內源性的雌激素水平從而抑制MMP-13的表達產生的。

3.5 電針的中樞鎮痛機制

嵇波等[48]發現電針能減輕KOA兔軟骨損傷、緩解疼痛,電針組海馬區3’,5’環磷酸腺苷(cAMP)含量較模型組明顯降低。認為調節海馬內cAMP水平是電針發揮作用的機制之一。Seo BK等[9]研究發現,對于膠原酶誘導的KOA大鼠,低頻(2 Hz)電針足三里具有較好的鎮痛效應,這種鎮痛作用能被提前腹腔注射m和d阿片受體拮抗劑所阻滯,被m和d受體激動劑所增強,而k受體激動劑和拮抗劑對這種鎮痛作用沒有影響。推測電針的鎮痛作用是通過激活m和d受體,而非k受體介導的。KOA還會引起大鼠雙足承重百分比的改變,Li A等[49]研究發現,電針組大鼠造模側和健側雙足承重差異較假電針組明顯改善,提示電針有較好的鎮痛效應;而在電針前30 min,腹腔注射5-羥色胺(5-HT)2A和2C受體阻滯劑,能阻滯電針的這種鎮痛作用。提示電針的鎮痛作用可能是通過5-HT 2A和2C受體介導的。嵇波等[43]發現電針能減輕KOA大鼠關節軟骨損傷,且電針通過調節大鼠中腦、下丘腦、海馬、脊髓等部位5-HT的合成與代謝,調節脊髓、下丘腦和延髓腎上腺素(NA)合成和代謝,調節中腦多巴胺(DA)合成與代謝,發揮鎮痛作用。認為電針可通過調節中樞神經5-HT和兒茶酚胺類神經遞質的合成與代謝的失衡狀態,緩解KOA疼痛。

4 存在問題與展望

目前,國內外對電針治療KOA的作用機制研究主要集中在中樞鎮痛阿片類受體系統、炎癥相關細胞因子及蛋白表達方面。這些研究從不同層面對電針的可能作用途徑進行了探索,但仍然缺乏更加系統和深入的研究。且由于模型的多元化導致難以進行系統綜述,或產生較確切的結論,總結當前電針治療KOA的基礎研究仍有以下幾個問題亟待解決。

4.1 模型種類繁多,研究精力分散

最理想的KOA模型應該是關節大小、結構、軟骨以及關節炎的發生、進展、病理改變、癥狀與人類相似。然而,動物模型并不能完全符合的這些要求。目前,還沒有一個公認的最理想的KOA模型。骨關節炎動物模型的建立方法多種多樣,不同的造模方法、不同的造模動物選擇,所建立的骨關節炎模型有其各自的特點。小鼠適用于與遺傳相關的KOA發病機制研究。而在驗證藥物效應時,由于兔為更大型的哺乳動物,也是臨床前藥物試驗的重要對象,更傾向于以兔為研究對象。在機制研究方面,由于目前的分子生物學和新興的細胞生物學基因編輯等工具在大鼠上較兔更容易實現,我們更推崇大鼠模型。此外,大鼠體型適中,便于進行針灸操作、病理檢測和影像檢查;也有利于行為學觀察,如步態、運動能力、機械痛、熱痛、焦慮等。大鼠模型中,自發模型成模周期長,成本高,模型不穩定。化學誘導模型操作最為簡便,化學刺激對關節腔影響確切可靠,人為誤差較手術方式小;而且化學誘導成模周期短,成功率高,行為學結果穩定;此外化學誘導可引起一個時間劑量依賴的行為學和病理學改變,適合模擬不同程度和階段的關節炎?；瘜W誘導模型中,MIA注射成模周期最短,又避免了其他生物蛋白制劑需反復注射,個體耐受差異大的缺點,是大鼠KOA模型較為理想的操作方式。而注射藥物劑量的研究[50],認為1 mg即可產生明顯的關節損傷,2 mg MIA即可引起中樞神經系統的變化,產生痛敏效應,故推薦1～2 mg關節腔內注射為較好的成模劑量。

4.2 電針治療策略不統一

由于模型的差異、損傷程度的區別、研究方向以及實驗室治療經驗的不同,報道的電針選穴、治療療程、波形、頻率、單次電針時間各異,沒有規范統一的標準。在今后的研究中,若能夠統一研究模型,或在單一研究模型中總結出重復性強的電針治療方案或策略,可使更多實驗室實施可比較的電針治療機制研究,以實現對電針治療KOA作用機制更系統更深層次的研究。

4.3 缺少統一的觀察指標和療效評價標準

臨床上療效觀察指標以WOMAC評分量表和VAS視覺模擬評分法為主進行疼痛和功能評價,但在實驗室研究中,這兩個量表不適用于實驗動物。有學者以關節病理評分[22]或關節活動度的改善作為療效指標[51],也有以細胞因子的水平[23]或熱痛敏表現為損傷評判標準[43]。目前,常用來評估關節炎模型痛感覺和功能的指標有足底機械痛(測量方法為Von Frey纖維絲,電子測痛儀)、靜態承重測試(測量方法為雙足平衡儀)、足底熱痛敏(測量方法為熱板,輻射熱)、運動誘發痛(測量方法為步態分析,關節收縮擴展實驗,滾軸實驗)和爪握力(測量方法為爪壓測試儀)[52]。為在治療過程中可以實時觀察療效標準,筆者推薦以后足機械痛敏閾值以及后足承重百分比(雙足平衡測痛)兩種使用最為廣泛、測量方便、結果穩定、對動物刺激損傷小的行為學指標[53]作為痛行為判定指標。關節炎患者常常因為長期的疼痛伴有焦慮和抑郁等癥狀。目前,針灸對疼痛誘發的情緒和認知的干預研究,已經引起人們廣泛關注。曠場實驗通過測試實驗動物自主行為、探究行為與緊張度等情況來判斷大鼠的認知能力、緊張度、興趣度和焦慮等;高架十字或O型迷宮試驗是非條件反射模型,以動物自發的恐懼樣反應為行為學基礎,是國際上公認的經典測量焦慮反應的方法。這兩種實驗可作為關節炎模型的痛情緒的評價方法。而在治療周期結束后,病理損傷評估的OARSI評分[54]可作為針對病因治療效果的金標準。

本文匯總分析了2007年以來有關電針和KOA的基礎研究文章,綜述了現有的KOA動物模型、電針治療策略以及機制,發現目前動物模型種類繁多、尚無統一標準的電針治療策略和療效評價指標。為廣泛深入展開電針治療KOA的機制研究,筆者建議在未來研究中采用統一的動物模型,遵循“循經取穴”“局部取穴”的選穴原則;或在單一研究模型中總結出重復性強的電針治療方案或策略;進一步深入探索電針治療KOA的機制與最佳的治療和聯合治療策略,為推動電針的臨床應用提供堅實可靠的科學證據。

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2017-12-28

國家重點基礎研究發展計劃(2014CB543202);國家自然科學基金重大項目(81590954)

馬永圓(1989—),男,2015級碩士生,Email:mzkmyy@163.com

熊利澤(1962—),男,教授,博士生導師,Email:mzkxlz@126.com

1005-0957(2018)07-0833-08

R246.2

A

10.13460/j.issn.1005-0957.2018.07.0833