電刺激在動脈粥樣硬化中的作用

叢琳，葉婷，李弘，楊力明

(哈爾濱醫科大學基礎醫學院病理生理學教研室，哈爾濱 150081)

動脈粥樣硬化(atherosclerosis，As)是缺血性心臟病、缺血性腦卒中和外周血管疾病的主要病理變化[1]，目前其臨床治療方法分為藥物治療和手術治療。藥物治療包括抗血栓、降脂以及抗高血壓藥物治療等，這些藥物不僅不良反應大，且多數只能延緩As的進展[2]。手術治療支架費用昂貴，且存在支架內再狹窄的風險[3]。生物電現象是生命活動的基本屬性，機體的大部分生理活動伴隨生物電現象。早在100多年前，生物電學的奠基人就提出了內源性電場具有促使損傷愈合的生物學效應[4]，此后相繼出現了大量有關電場引起細胞病理生理反應改變的體內和體外實驗研究。在電場存在的情況下，細胞分裂、分化和遷移等生理行為均發生改變，而電刺激療法是一種應用電流通過不同途徑引起細胞或組織產生形態和功能改變的物理治療手段[5-6]。目前，神經肌肉電刺激療法已被廣泛應用于臨床，其病理生理學機制可能與細胞膜電位的改變和活性氧類的生成等因素有關。有研究顯示，電刺激療法作用于神經肌肉細胞，引起細胞膜對鈉離子、鉀離子和氯離子通透性改變，從而影響靜息電位和動作電位[5]；生理水平的電刺激可以引起C2C12細胞活性氧類生成的變化[6]。現就電刺激在As中的作用予以綜述。

1 電刺激與炎癥反應的關系

在多種致病因素作用下，As易損斑塊破裂形成血栓是導致急性冠狀動脈綜合征和腦卒中發生的主要原因。炎癥反應是導致As斑塊形成和不穩定的中心環節，電刺激通過多種途徑干預炎癥反應，延緩As斑塊的形成與破裂。有證據表明，伴有巨噬細胞浸潤和極化的炎癥反應是導致As斑塊不穩定的主要因素[7-8]。同時，單核-巨噬細胞分化促進動脈血管壁內的炎癥反應發生，引起不良適應性免疫應答，促進As斑塊的形成[9]。因此，抑制炎癥反應的發生成為控制As發展的重要環節。在As發生、發展過程中，斑塊內炎癥細胞聚集，產生大量基質金屬蛋白酶9，進一步刺激斑塊增大以及巨噬細胞增多，而基質金屬蛋白酶9的過度表達可進一步促進炎癥反應的發展；金屬蛋白酶組織抑制物1是基質金屬蛋白酶9的特異性組織抑制劑，電刺激能有效提高金屬蛋白酶組織抑制物1的水平，進而減少基質金屬蛋白酶9的表達，調節兩者的失衡狀態，抑制炎癥反應的發生，從而延緩穩定斑塊向不穩定斑塊的發展，具有抗As的作用[10-11]。

電刺激還可以調控膽堿能抗炎通路抑制炎癥介質的釋放，從而減緩各類炎癥相關疾病的發生和發展。迷走神經及其遞質乙酰膽堿所構成的膽堿能抗炎通路，對炎癥反應的調控具有重要作用，當機體發生損傷時，迷走神經興奮性增加，促使外周神經末梢釋放乙酰膽堿增多，乙酰膽堿通過與免疫受體結合，抑制白細胞介素-1β、腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6及白細胞介素-17等促炎因子釋放，而對白細胞介素-10、轉化生長因子-β等抗炎因子則無抑制作用[12]。另有研究顯示，電刺激能有效減少人工股骨頭置換患者血液中促炎因子腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6等的釋放，同時可以增加抑炎因子白細胞介素-10的表達[13]。電刺激可以減輕由角叉菜膠誘導的大鼠足趾炎癥反應，與其抑制局部促炎因子白細胞介素-1β、腫瘤壞死因子-α的生成及表達相關[14]。此外，電刺激還能夠激活膽堿能抗炎通路，減少多種促炎因子的釋放，達到抑制局部或全身炎癥反應的目的[13]。電刺激也可以在分子水平上改變炎癥細胞的功能，從而抑制炎癥介質的釋放，但對免疫細胞數量無影響[15]。

電刺激的抗炎作用已經應用于多種炎癥相關疾病的臨床治療中，對遺傳性和退行性視網膜疾病具有良好的治療效果，電刺激治療眼部疾病主要通過增強Muller細胞的神經營養潛力和抑制小膠質細胞的促炎作用，進而改善光傳感器的變性程度[16-17]。電刺激已廣泛用于調節神經元活動和恢復部分視覺功能[18]。腰椎間盤退行性病變是下背部疼痛的主要原因，神經根附近釋放的炎癥因子影響神經根并導致疼痛，電刺激能降低細胞外基質修飾酶和基質金屬蛋白酶1的活性，抑制炎癥細胞因子的分泌，達到緩解疼痛的效果[19]。此外，電刺激還可以通過改變細胞膜的極化狀態，引起細胞微環境發生變化，進而影響細胞遷移、切口愈合和炎癥反應，因此電刺激可以有效減輕腰椎間盤退行性病變的各種癥狀[20]。銀屑病是由免疫功能紊亂引起的慢性皮膚病，與T淋巴細胞和角質形成過程中細胞釋放的炎癥分子有關，電刺激通過調節細胞內信號轉導途徑誘導生物反應，可有效抑制炎癥因子的釋放，適用于皮膚病的長期抗炎治療[21]。

2 電刺激對血管內皮細胞功能的影響

血管內皮細胞損傷是As發生的初始環節，完整的血管內皮具有調節血管舒張狀態、抑制血管內皮細胞與炎癥細胞間黏附以及調控血管平滑肌生長等重要功能，所有通過損傷血管內皮細胞導致As發生的因素均被上述功能抑制，成為抗As發生、發展的關鍵因素[22]。電刺激通過對血管內皮細胞相關因子的調節，可有效抑制血管內皮細胞損傷，因此在As的防治中具有積極意義。正常人體本身存在電場，可影響血管形成、細胞遷移、生長和分化。電刺激可促進血管內皮細胞的定向遷移，微電場作為一種重要的信號，可激活血管內皮生長因子及其胞內信號通路，從而介導血管新生[23]。血管內皮生長因子在體外可促進內皮細胞的生長，在體內可誘導血管的生成，血管內皮生長因子對內皮細胞的直接作用可能通過激活內皮細胞上的磷脂酶短暫地誘導鈣離子的釋放而發生[24]。血管內皮生長因子是一種分泌性蛋白，其作用于特異性受體(如fms樣酪氨酸激酶受體和胎肝激酶受體)，從而保護毛細血管內皮細胞，防止內皮細胞凋亡和毛細血管消失，同時刺激內皮細胞增殖[25]。已有研究表明，電刺激能促進腦梗死大鼠的血管再生，與電刺激產生血管內皮生長因子有關，電刺激通過激活基質細胞衍生因子1/CXC趨化因子受體4軸上調梗死側腦組織中血管內皮生長因子的水平，從而改善腦梗死大鼠的神經功能[26-27]。鐘林等[28]使用頻率為25 Hz、強度為0.3 mA的電刺激處理大鼠后發現，大鼠血管內皮生長因子水平增加2倍，血管內皮生長因子信使RNA的表達量增加3倍。肌細胞合成的促血管生成素1發揮介導內皮細胞與細胞外基質網絡聯系的作用，它通過Tie2受體與血管內皮生長因子共同作用于蛋白激酶B而啟動內皮細胞內源性信號轉導，最終引起內皮細胞增殖和毛細血管增生[29]。

調節血管的舒張狀態是緩解As的常見方法。有理論認為，電刺激引起血管收縮和舒張的機制與一氧化氮有關，一氧化氮是內皮細胞產生的能夠降低血管通透性、發揮內皮保護作用的重要舒血管因子，一氧化氮合成減少、生物利用度降低以及一氧化氮通路功能障礙等均參與了As的發病過程[30]。樂安等[31-32]發現，在低幅脈沖電刺激作用下，內皮細胞明顯增殖，分泌物也同時增多，但當刺激電壓>100 mV后，細胞生長明顯抑制；同時，一氧化氮的表達在電刺激后顯著增加，并隨刺激電壓的升高而增加，在刺激電壓400 mV左右時，一氧化氮表達量最高，表明電刺激可通過促進內皮細胞增殖和一氧化氮表達產生內皮保護作用。電刺激對血管收縮和舒張的影響具有許多特點，同一頻率不同電壓的電刺激會引起不同的血管反應[33]。使用電壓30～50 V、頻率16 Hz、脈寬1 ms的脈沖電刺激會引起血管收縮，收縮從刺激位點傳播到整個血管；使用同樣的頻率，50～80 V的電刺激會在電極附近引起血管圓周性收縮；而80～110 V的電刺激會引起整個血管的舒張并刺激的局部血管圓周性收縮；且30 V直流電刺激與80～110 V脈沖電刺激的結果基本一致，僅局部血管圓周性收縮不明顯，若去除內皮細胞，直流電刺激不再引起血管舒張，僅出現局部血管收縮加強[25]。不同電壓、頻率、波形的電刺激對內皮細胞和功能會產生不同的生理作用，因此嚴格把控電刺激條件是電刺激治療As的關鍵。

3 電刺激與血脂代謝的關系

高脂血癥是As和冠心病的主要致病原因。脂質蓄積貫穿As的整個病理過程，是影響As發生、發展的重要因素。電刺激通過多種途徑減少巨噬細胞內膽固醇蓄積，防止泡沫細胞形成，對抑制As發生、發展具有重要意義。研究顯示，電刺激As家兔能降低家兔血液中三酰甘油、總膽固醇、低密度脂蛋白的水平，并可提高高密度脂蛋白水平；另外，電刺激組家兔的全血黏度、毛細管血漿黏度、全血還原黏度、紅細胞聚集指數以及血細胞比容均顯著低于模型組[34-35]。

轉錄因子膽固醇調節元件結合蛋白1C和膽固醇調節元件結合蛋白2均參與膽固醇合成酶的基因調控，其中膽固醇調節元件結合蛋白2參與脂類和膽固醇的代謝，是肝臟膽固醇生物合成的選擇性激活劑[36-37]。有研究顯示，電刺激可以調節高脂血癥大鼠肝臟中的膽固醇調節元件結合蛋白2的靶基因，降低血清三酰甘油、總膽固醇、低密度脂蛋白的水平；當血脂升高時，膽固醇調節元件結合蛋白2因水解而暴露N端，可與甾醇調節元件1結合，促進低密度脂蛋白受體轉錄，降低總膽固醇和三酰甘油的水平，電刺激治療后膽固醇調節元件結合蛋白2信使RNA的轉錄水平顯著降低[37]。膽汁酸是膽固醇代謝途徑的中間產物，參與調控膽固醇代謝相關基因的表達，膽固醇7α單加氧酶能夠參與調控膽固醇和膽汁酸的代謝過程，膽汁酸又可以經過多種機制抑制膽固醇7α單加氧酶基因的表達，而膽固醇7α單加氧酶表達上調能夠抑制As的發生、發展；電刺激處理As家兔可以導致膽固醇7α單加氧酶信使RNA和蛋白的表達顯著升高，促進膽固醇轉運，減少As斑塊的形成[38]。

4 電刺激與細胞死亡模式的關系

As病理過程中伴隨著多種細胞死亡模式，調控As相關死亡方式已成為治療As的重要手段。電刺激通過電信號促進細胞自噬和凋亡，可有效抑制As的發生、發展。

自噬是細胞內容物再循環以支持下游代謝的一種細胞自我更新形式[39]。As斑塊中的細胞自噬可去除有害的氧化修飾蛋白質和受損組織，進而保護斑塊細胞免于氧化損傷、炎癥反應和代謝應激，有助于細胞在不利環境中的恢復[40]。電刺激療法應用于骨骼肌后，微管相關蛋白1輕鏈3-Ⅱ/Ⅰ比值和unc-51樣自噬激活激酶1活性顯著升高，蛋白酶體泛素連接酶基因以及自噬相關基因信使RNA的表達均顯著上調，表明骨骼肌自噬水平升高，其機制與AMP活化蛋白激酶/unc-51樣自噬激活激酶1介導的信號途徑的調控有關[41]。電刺激不僅能促進自噬，還可以通過不同強度的電刺激對過度自噬產生抑制作用，電刺激預處理能夠使過度自噬的小鼠腦海馬區腦Ras同源蛋白、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白、磷酸化哺乳動物雷帕霉素靶蛋白表達增加，微管相關蛋白1輕鏈3-Ⅱ、胱天蛋白酶3蛋白表達減少，還可通過激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通路抑制過度自噬，最終發揮腦保護效應[42]。

電刺激不僅可以影響As相關的死亡方式自噬，還可以調控凋亡。凋亡是由基因進行調控、自主有序的細胞死亡形式，通過去除不需要的(或異常)的細胞，維持機體生理穩態。內皮細胞和血管平滑肌細胞的凋亡參與了As易損斑塊的形成，且細胞凋亡對As的作用與細胞類型和斑塊階段有關[43]。電刺激可以通過改變細胞的跨膜電位，激活細胞內凋亡相關信號轉導通路，從而調控細胞凋亡，誘導p53上調、Bcl-2下調，這與促分裂原活化的蛋白激酶/胞外信號調節激酶介導的信號途徑的調控有關[44-45]。

5 小 結

電刺激作為一種新興的臨床治療手段，主要通過抑制細胞炎癥反應的發生、促進內皮細胞增殖和保護血管內環境、促進血脂代謝、調節自噬和凋亡等有效抑制As的發生、發展。特別是在危重病患者的治療中，對As患者進行電刺激并檢測其電阻抗，可有效區分正常和病變部位，最大程度地降低患者的創傷，為后續治療提供重要保障。另外，不同的電壓、電流和頻率的電刺激對機體有不同的影響，適宜條件下的電刺激對各類疾病的治療具有積極作用[46]。神經肌肉電刺激對受損神經具有雙重影響，不同電流參數產生不同的生理效應[47]。因此，進一步深入了解電刺激療法的原理和As發生、發展的機制有利于為As的治療打下堅實基礎。