Biological mechanisms of cardiac shock wave therapy
邱荃 何青
作者单位：100730 北京医院心内科 国家老年医学中心
通讯作者：何青，电子信箱：[email protected]
体外心脏震波治疗(cardiac shock wave therapy，CSWT)波为一种低能宽频电磁双向脉冲波，能量仅相当于常用碎石震波的1/10，且在组织中无明显衰减，穿透力较强。在经胸心脏超声引导下，可稳定达到已确定的缺血靶区，在心肌组织细胞内产生机械剪切力和空穴效应，但不造成人体组织损伤，故成为难治性心绞痛的一种有效且无创的全新疗法。欧洲心脏病学会难治性心绞痛治疗联合研究组定义难治性心绞痛为冠状动脉粥样硬化性心脏病(冠心病)患者存在3个月以上的慢性心绞痛，尽管给予优化药物治疗、血管成形术或旁路移植术仍不能缓解并有可逆性心肌缺血证据[1]。另外，针对部分终末期但无经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention，PCI)和冠状动脉旁路移植术(coronary artery bypass graft，CABG)机会的冠心病患者，优化药物治疗不能完全控制心绞痛症状，CSWT同样有效。既往研究证实，CSWT作为传统治疗的补充方式，可改善上述两类人群的心肌缺血，同时改善左心室功能
[2,3]。越来越多的基础研究表明，CSWT疗效具有生物学依据。本文将对CSWT的生物学机制进行归纳总结。CSWT对血管生成和血管舒张的影响
既往研究显示，CSWT能够促进心脏缺血区域血管生成。2004年，Nishida等[4]构建了猪的慢性心肌缺血模型，即将缩窄器放置于冠状动脉左回旋支(left circumflex，LCX)近段，使血管完全闭塞但不发生急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)，4周后移除缩窄器，对心肌缺血区域开始给予震波治疗(shock wave therapy，SWT)，震波治疗方式为0.09 mJ/mm2，200次/点，共9个点，每周3次。1个月后行冠状动脉造影，检查LCX的侧支循环情况并对LCX区域的可见血管进行计数。研究发现，与对照组相比，SWT组的LCX侧支循环数量明显增加，LCX供血区域可见的血管数量也明显增加，提示SWT能够明显改善心肌缺血区域的血流供应。该研究同时发现，SWT组心肌组织中血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表达量较对照组明显增加，而VEGF的主要功能是作用于血管内皮细胞促进血管内皮细胞增殖并增加血管通透性，故VEGF可能在SWT的治疗机制中发挥重要作用。同时，该研究进一步通过对人脐静脉内皮细胞系行震波处理发现，震波能显著增加细胞VEGF及其受体Fms样酪氨酸激酶1蛋白及mRNA的表达，提示震波可能通过上调血管内皮细胞VEGF表达水平促进侧支循环形成。Nurzynska等
[5]通过分离正常人及缺血性心肌病患者心肌组织心脏干细胞给予震波处理发现，无论是对照组还是缺血性心肌病组，震波均能增加心脏干细胞中内皮原始细胞、心肌原始细胞和平滑肌细胞的比例，推测震波可通过促进心脏干细胞向内皮原始细胞分化进而促进血管生成。此外，Yip等[6]研究证实，震波能够促进兔骨髓单个核细胞向CD31＋内皮细胞分化，进一步证实了震波能促进血管内皮生成。另外还有研究发现，震波不仅促进内皮祖细胞增殖，同时通过诱导基质细胞衍生因子(stromal cell-derived factor 1，SDF-1)表达促进内皮祖细胞归巢，在血管生成中发挥重要作用[7]。综上所述，SWT可通过促进VEGF表达及血管内皮细胞增殖分化促进血管生成。一氧化氮(nitric oxide，NO)是血管内皮细胞产生的最重要的舒血管因子，由内皮细胞的NO合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)作用于L-精氨酸产生，在维持血管功能稳态中发挥重要作用。Mariotto等[8]发现，给予人脐静脉内皮细胞系震波处理(0.03 mJ/mm2，1000次)后，NO生成量和eNOS活性显著增加。使用脂多糖/γ干扰素处理人脐静脉内皮细胞系建立急性炎症模型发现，震波能显著逆转脂多糖/γ干扰素导致的eNOS活性及NO产量下降，同时抑制脂多糖/γ干扰素相关核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)与DNA的结合。此外，Ito等
[9]建立猪的左前降支远段AMI模型，并立即给予震波处理，能显著增强eNOS活性并促进VEGF表达。另外值得注意的是，Gotte等[10]研究发现，震波可不依赖eNOS促进NO迅速生成。以上研究表明，CSWT可能通过增加NO生成促进心脏血管舒张。CSWT对心肌原始细胞增殖和分化影响
新近研究证实，心肌干细胞治疗能有效改善难治性心绞痛患者的预后，提示心肌原始细胞在改善心脏功能中发挥重要作用。目前关于难治性心绞痛患者心脏中心肌原始细胞的来源存在两种假说，部分研究者认为，外周循环中的骨髓单个核细胞受多种细胞外基质及细胞因子作用后，归巢于缺血的心肌组织，并向心肌原始细胞分化[5]；另一部分研究学者指出，心肌原始细胞来源于心脏干细胞的分化。Nurzynska等[5]发现，震波能促进分离自活体组织的心脏干细胞向心肌原始细胞分化。另一项研究亦发现，与对照组比较，在SWT组中大鼠心脏组织中的心肌原始细胞比例升高了2.65倍[11]。上述研究均支持了第二种假说，提示震波处理在心脏干细胞向心肌原始细胞分化中发挥显著促进作用。此外，德国一项基于103例慢性心力衰竭患者的随机双盲Ⅰ期临床试验证实，CSWT辅助冠状动脉内注射骨髓单个核细胞疗法能够明显增加心室壁厚度，改善左心室射血分数
[12]，提示骨髓单个核细胞在CSWT的心功能保护机制中同样发挥重要作用。SDF-1作为干细胞归巢因子，能够招募CXC族趋化因子受体4(C-X-C chemokine receptor type 4，CXCR4)阳性干细胞迁移至损伤部位[13]。既往研究在小鼠心肌梗死模型中证实，梗死区与梗死周围带中SDF-1表达升高，促进CXCR4阳性骨髓单个核细胞向心肌梗死区域归巢[14]。Fu等[15]研究中使用缩窄器构建心肌缺血猪模型发现，SWT干预组心肌组织中SDF-1/CXCR4的mRNA和蛋白表达量显著高于假性震波组。基于SDF-1/CXCR4轴在干细胞归巢机制中的重要作用，目前研究者推测SWT可能通过上调心肌组织SDF-1表达，诱导CXCR4阳性干细胞归巢，从而促进心肌细胞的增殖和分化，改善心功能。上述研究表明，震波能够促进外周循环干细胞向缺血心肌组织归巢发挥保护作用。综上所述，SWT通过多种机制促进心肌原始细胞增殖与分化，具体机制尚需进一步研究。CSWT对局部炎症反应的影响
既往研究证实，震波处理能够显著拮抗体外炎症模型中脂多糖/γ干扰素诱导的NO含量和NOS活性下降，抑制NF-κB激活，降低NF-κB依赖炎症因子(如iNOS、TNF-α、ICAM、VCAM、COX-2、MMP-9)的表达
[16]。Mariotto等[8]在脂多糖/γ干扰素处理人脐静脉内皮细胞体外炎症模型中发现，震波同样能拮抗NO含量及NOS活性的下降，提示CSWT能够拮抗血管内皮细胞局部炎症反应。Abe等[17]基于AMI的大鼠模型研究发现，SWT可以有效减少梗死后心肌缺血部位中性粒细胞和巨噬细胞浸润，并降低炎症因子(包括IL-1α、IL-4、IL-6、IL-12p70、IL-13、IL-17及IFN-γ)的表达，提示CSWT能够抑制缺血心肌局部炎症反应。正常情况下，巨噬细胞受脂多糖/γ干扰素诱导分化为具有促炎功能的经典激活型巨噬细胞(M1)；受IL-4、IL-13、IL-10等诱导分化为具有免疫抑制功能的替代激活型巨噬细胞(M2)[18]。M1通过分泌促炎细胞因子包括IL-6、IL-12和TNF-α促进心脏局部炎症，而M2通过分泌抑炎因子IL-10抑制局部炎症，M2能够与心肌中间充质干细胞相互作用促进组织修复[19]。Sukubo等[20]研究发现，震波可抑制M1型巨噬细胞极化，降低IL-1β表达；可促进M2型巨噬细胞极化，增加IL-10表达。因此，SWT可通过改变巨噬细胞的极化状态发挥抑炎作用。综上所述，CSWT可能通过抑制局部炎症反应发挥心脏保护作用，可有效对抗心肌梗死后的心室重构。CSWT对心肌细胞凋亡和自噬的影响
Yu等[21]研究发现，在H9c2细胞的缺血缺氧模型中，SWT能够显著促进磷酸化的AKT及抗凋亡蛋白Bcl-2表达，而凋亡相关蛋白Bax和cleaved caspase 3表达显著降低，提示SWT可通过调控PI3K-AKT通路抑制心肌细胞凋亡。此外，另一项研究中Du等[22]证实，SWT可通过调控AMPK/mTOR通路促进心肌细胞自噬，改善代谢，从而提高心肌细胞生存，并可能通过Sirt1和HIF-1α通路促进细胞存活而发挥全面的心脏保护作用。因此，CSWT能够通过抑制心肌细胞凋亡、促进自噬对心肌细胞发挥保护作用。
CSWT对心脏的其他保护机制
Fu等[14]使用迷你猪心脏缺血模型发现，SWT能够增加细胞能量代谢相关因子PGC-1α的mRNA表达量，对线粒体发挥保护作用，同时线粒体细胞色素酶C蛋白水平升高，而胞质细胞色素酶C蛋白水平降低，提示SWT能够减少细胞内线粒体损伤。此外，SWT组氧化指数明显低于对照组，证实SWT在对抗氧化应激方面起重要作用，而氧化应激是当细胞内氧自由基产生过度或清除减少，造成活性氧类生成与抗氧化防御之间的平衡紊乱，其在缺血性心肌病发病过程中可损害细胞膜，致钙超载、细胞凋亡，产生炎性介质。
小结
总之，随着我国经济的发展及人们生活方式的改变，吸烟、血脂异常和肥胖等心血管疾病的危险因素形势日益加剧，冠心病患者数量将进一步增加，给医疗保健系统带来严重负担。CSWT作为一种无创的冠心病治疗新措施，可有效缓解难治性心绞痛患者症状，但其确切有效的机制尚未全面阐明，需研究人员进一步深入探索，同时为CSWT治疗的可行性和安全性提供更多的理论依据。
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本文来源：邱荃, 何青. 心脏震波治疗的生物学机制[J]. 中国心血管杂志, 2018, 23(3): 204-207.
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