骨骼肌损伤微波热疗机制的研究进展△

杜田昊，刘佳，杨旭，杨英昕*

（1.辽宁中医药大学，辽宁沈阳 110000；2.中国人民解放军北部战区总医院，辽宁沈阳 110000）

骨骼肌损伤（skeletal muscle injury,SMI）多以患处肿胀、疼痛为主要表现，多以骨骼肌损伤为主。其病理机制是由骨骼肌受创后出现微循环障碍、无菌性炎症，致使局部肿胀疼痛［1］。目前临床治疗急性软组织损伤主要采用口服或局部使用非甾体类抗炎药以缓解患者症状，但这类药物对肝肾功能及胃肠道功能有一定的损害［2］，而微波治疗则不存在这种情况。微波治疗主要依靠其热效应发挥治疗作用，主要作用为缓解或治疗软组织或骨骼肌的损伤。热疗的方式包括水浴热疗与微波热疗，其中微波热疗在临床上较为常用。

微波热疗（microwave hyperthermia treatment，MHT）是一种物理因子治疗，具有操作简单、无创、痛苦小、费用低等优点，可以有效改善局部微循环、活血化瘀、消肿止痛，促进炎症消散，快速修复急性软组织的损伤［3］。微波是指波长为1 mm～1 m 的电磁波，根据国际规定：433 MHz、915 MHz、2 450 MHz 3 个微波频段可用于医疗应用，而微波热疗对骨骼肌损伤的最佳治疗温度为37℃～41℃［1］。现代研究表明，微波加热可以激活更多的特殊分子，包括骨骼肌中蛋白质的基因表达的变化、抗炎和抗氧化作用、热休克蛋白（HSP）表达［4］。

1 微波热疗与骨骼肌热休克蛋白的关系

微波热疗治疗软组织损伤疾病可能与骨骼肌热休克蛋白含量增高有关。热休克蛋白（heat shock proteins, HSP） 是一系列高度保守的应急蛋白的一种，可响应各种生理和环境压力，包括热、冷、缺血、缺氧和能量消耗，作用是保护细胞免受损伤以及分子伴侣功能［5］，具体作用是防止或限制压力引起的细胞蛋白变性和聚集，并促进压力后的蛋白质分子结构上的再折叠［6］。在哺乳动物体内存在的大约10 种小型HSP 中，aB-晶状体蛋白和Hsp25/27 是特征最明显的，HSP25/27 参与防止细胞凋亡，Hsp60 是一种线粒体伴侣，参与线粒体的合成过程。具体小分子热休克蛋白的相对分子质量、存在部位以及作用见表1［7，8］。

表1 微波热疗作用的热休克蛋白Table 1 Heat shock proteins acted under microwave hyperthermia

既往研究表明，HSP 水平的显著增加是启动热休克反应的关键步骤［9］。在微波热疗照射下的小鼠实验当中，小鼠的骨骼肌中过度表达的HSP72 可使小鼠的跑步耐力增加近一倍，线粒体含量增加50%，而在人类骨骼肌中观察到HSP72 的表达与线粒体酶活性呈正相关［10］。与此同时，Ogura 等［11］在实验中发现，MHT 可以增加人骨骼肌中HSP90、HSP72 和HSP27 的水平，这也是在人体实验上首次证明了微波热疗可以增加骨骼肌中热休克蛋白的含量。

众所周知，肌肉的超负荷运动可以持续增加肌肉的质量。无论是肌肉的超负荷运动还是对肌肉进行热应激处理，都可以增加骨骼肌肉中HSP25 和HSP72 的增加，但热应激处理后的肌肉中HSP 含量要远高于超负荷运动后的HSP 含量［12］。通过热疗处理的小鼠比目鱼肌中HSP70 与HSP25 的含量明显增高［13］，而HSP 的增加可以使骨骼肌中蛋白质的空间结构发生改变（主要为氨基酸链的折叠），从而增强蛋白质的耐热性和抗压能力，从宏观上表现为骨骼肌的耐力增加。HSP25 在骨骼肌细胞中的过度表达，通过增加谷胱甘肽水平和谷胱甘肽过氧化物酶的活性来保护其免受氧化应激。这种热诱导的抗氧化剂活性的增加也可能减弱运动诱导的肌肉损伤，使用微波透热法进行区域性热疗的预处理，可能有助于防止人类运动训练中的骨骼肌损伤。

热休克蛋白（HSPs）还参与了各种活动，调节细胞的生长和死亡，调节内部细胞环境，维持细胞的动态平衡［6］。HSP 还被认为可以通过促进肌肉蛋白的合成和控制肌肉蛋白的降解来保护细胞［14］。HSP70 对人体骨骼肌具有保护作用，负责控制蛋白质质量和减轻对细胞结构的破坏［15］。微波热诱导的HSP72 可保护骨骼肌免受兴奋-收缩耦合机制所造成的损伤，同时可降低一氧化氮（nitric oxide,NO）的毒性。此外，小HSPs 还负责稳定肌动蛋白和肌间纤维以对抗应激。HSP27 和HSP70 对血管紧张素II 诱导的血压升高和心脏中核因子NF-kB 的激活都有明显的抑制作用［16］。有证据表明，HSP72 可能通过阻止蛋白质聚集，帮助受损蛋白质的折叠，来帮助细胞保护免受各种应激的伤害［17］。另外，小HSPs 可能通过与细胞骨架和谷胱甘肽系统相互作用来保护肌细胞［18］，而且αB-晶体蛋白和HSP25/27 在骨骼肌和心肌中都有高水平表达［18］。心脏、骨骼肌和细胞中的HSP70 的增加可能会导致缺血后心脏功能的增强，减少收缩引起的肌肉损伤，以及维持关键肌肉泵的性能［6］。中枢神经系统的耐热性与HSP70 诱导之间是有某种联系存在的［19］。

2 微波热疗对骨骼肌生长发育的分子机制影响

临床上应用的434 MHz 和915 MHz 的微波热疗在肌肉骨骼损伤的短期治疗中是有效的［20］。骨骼肌损通常会引起胶原蛋白含量的失衡，以及纤连蛋白、氨基葡萄糖、蛋白聚糖等物质的增多。这些改变将导致胶原纤维的变性、卷曲，纤维束的直径减少［21］。骨骼肌损伤后的再生包括几个相互依存的阶段：变性和炎症、再生和纤维化［22］。当骨骼肌损伤发生以后，位于肌纤维质膜和基底膜之间处于静止状态的肌肉卫星细胞开始活化、增殖、分化，并与现有纤维融合以修复损伤区域或相互融合以形成新的肌纤维［23］。

众所周知，骨骼肌的离心运动是在肌肉伸长的同时引起肌肉收缩而进行的运动；这种运动通常用于增强和恢复骨骼肌的功能，如果进行得过多，可能会损害肌肉，例如：Z 线、肌丝结构和肌膜的变化可以说明这一点［15］。反复拉伸活跃的骨骼肌（离心性收缩）会导致肌肉纤维损伤、疼痛以及运动能力的丧失。可能的损伤机制包括肌节和其他细胞骨架成分的破坏、膜损伤、钙稳态丧失［24］。微波热疗可以促进大鼠和人类神经末梢的再生，其机制可能与增加髓鞘神经纤维数量、髓鞘厚度和轴突直径有关［25，26］。此外，在肌肉酸痛期间，人体骨骼肌中一氧化氮（NO）的产生显著增加，这可能导致肌肉力量的产生减少［14］；其次，由于肌肉损伤，钙稳态被破坏，细胞内钙离子浓度升高，降低了肌肉功能［27］。因此，为了减轻肌肉损伤、肌肉酸痛和肌肉功能下降，必须控制与此机制相关的过程。

据报道，肌肉再生所需的大部分肌核都是在肌肉生长发育的早期阶段产生的［28］。通过热疗的方法可以使再生肌细胞的生长和成熟速度加快，而且肌肉再生可能需要通过施加热应力来抑制胶原蛋白的合成。微波热疗引起的热应激，不仅抑制了与损伤相关的胶原面积增加，还部分促进了肌肉质量、蛋白质含量以及减少了肌肉纤维化［23］。纤维化的特点是细胞外基质蛋白（尤其是胶原蛋白）过度积聚，并在骨骼肌损伤后发生［29］。纤维化会阻碍肌肉的完全再生，并导致损伤骨骼肌的功能恢复不完全。有研究表明，骨骼肌损伤后再生过程中胶原沉积的减少可能会部分促进肌肉再生［30］。转化生长因子β（transforming growth factor-β, TGF-β） 是最强大的纤维化细胞因子之一，在包括骨骼肌在内的各种组织的纤维化发展过程中发挥着核心作用［29］。TGF-β 可以促进纤维修复和结缔组织的形成，而MHT 可以加快该过程［31］。

在Ichinoseki-Sekine 等［32］的文章中提到了：434 MHz 微波热疗可使局部肌肉温度升高并使得升高的温度保持在6.3℃～11.4℃的范围内，且不会对肌肉造成损伤，并能明显减轻肌肉压痛和主动收缩时的疼痛。有趣的是，在Singal 等［33］的文章中则显示：峰值力量（肌肉的收缩强度）呈剂量依赖性持续下降，基线力量（静息肌张力）短暂增加。但是，在随后的3 h 后恢复期，峰值力量有所改善，基线力量持续恢复到低于微波加热前的水平。

3 微波热疗对骨骼肌炎症和氧化损伤的影响

微波热疗作用在机体上最直接的效果就是使局部组织和肌肉的温度升高。从微观层面来看，是细胞与分子机制的调节，局部加热可使受热区域的营养物质和氧气增加。此外，微波热疗可以增加细胞膜的通透性，使细胞液外渗增加，使巨噬细胞和粒细胞到达受伤区域［20］。如果存在坏死细胞和过量液体，使它们更容易被清除。热能还可以提高肌肉的收缩性能，这可能是因为热能可提高ATP 酶的活性并改变了胶原蛋白的机械性能。

氧化应激反应是一个需要能量的过程，炎症起始阶段包括炎症细胞活化和外渗到损伤肌肉，释放趋化因子和自由基，而自由基是造成细胞氧化损伤的主要原因［18］。自由基可通过脂质过氧化对肌肉-肌腱结构造成损伤，也可改变DNA 和蛋白质，局部加热可限制自由基对肌肉的损伤［20］。一些研究显示急性加热对增加抗氧化酶的活性有影响，包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、过氧化氢酶（catalase,CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase,GSH-Px）［34］，抗氧化酶的活性增加意味着体内的代谢加快，运动产生的机体内有毒物质和代谢废料可以尽快地被排除。

众所周知，力竭运动会增加血清和骨骼肌中IL-6 的浓度。在Joel 等［33］的实验中发现，力竭运动根据肌肉中分析的组织不同而表现出不同的效果，它诱导了抗炎作用，尤其是在2 型纤维中。骨骼肌过度进行离心运动会导致肌肉内肌酸激酶（CK）的增加，会发生延迟性肌肉酸痛，以及肌肉力量的降低［15］。在Nosaka 等［34］的实验中显示：与对照组相比，治疗组的最大等长收缩力量（maximal voluntary isometric contraction strength,MVC）恢复速度明显更快，运动范围（range of motion,ROM）变化更小，肌肉酸痛程度更轻，但效果不如反复热疗那么强。同样的，Saga等［14］的结果显示，MVC 和ROM 的降低可能与热预处理后HSP 表达的增加有关，并且微波热疗可以保护人体骨骼肌免受单次离心运动后肌肉损伤的影响，但似乎不能缓解或治疗第二轮骨骼肌离心运动后的所造成的肌肉损伤。

NF-κB（nuclear factor-kappa B）炎症因子信号通路参与了机体应激与免疫反应、炎症性疾病、细胞增殖和细胞凋亡［36］。骨骼肌的离心性运动可引起肌肉中同时具有促炎和抗炎特性的肌内因子和中性粒细胞的增加。过量骨骼肌的离心运动会使TNF-α 或IL-1 被激活，导致NF-κB 信号通路被诱导，NF-κB转录因子引起许多降解酶的分泌，其中包含蛋白质水解酶，并对蛋白质的空间结构进行水解，从而影响蛋白质的正常功能。骨骼肌中的炎症因子，如IL-6、IL-8 和IL-15，已被证明与炎症和骨骼肌的愈合有关；IL-10 是一种重要的抗炎细胞因子，可以减少促炎症细胞因子的释放，增强免疫耐受，增加骨骼肌的热耐力［37］。在Vardiman 等［15］的实验中，短波透热（short-wave diathermy,SWD） 预热处理对通过高强度离心运动诱发的肌肉内炎性肌动蛋白有一定的治疗效果，但对与剧烈运动和炎症相关的其他因素没有影响。在Evans 等［38］的实验中，发现了在肌肉的离心运动前进行被动热身可能比主动热身或不热身更有利于减轻肿胀。

4 微波热疗与血液流速的关系

运动医学中的微波治疗仪的治疗范围一般为37℃～41℃，影响受损组织愈合的机制可能高度依赖于血液滋养物质的运输和有毒废物的清除［32］。血液与组织发生热量交换通常位于毛细血管，而这类血管内血流速度较低。之前的研究表明［39］，微波照射可显著加快该类血管的血流速度，可导致骨骼肌组织局部血管开放数量提高20%～25%，局部血流变化表现在微波暴露30 min 内，而后随着时间的延长血流改变效应逐渐下降。有趣的是，有文献报道称微波连续辐射20 min，软组织的温度可以从36℃升至45℃，血流灌注提高约15 倍，因此微波在其照射区域可以加快局部血液微循环，可以促进抗炎或者免疫反应，进而达到局部或者全身抗菌或杀菌的效果［40］。因此，在临床情况下，肌肉温度和血流变化的机制，以及它们之间的相关性，应在进一步研究中予以考虑。

5 小结与展望

对骨骼肌细胞的研究表明，微波热疗可以减软组织损伤后的细胞损伤和蛋白质降解。微波热疗还会增加热休克蛋白（HSP）的表达，并上调与肌肉生长和分化有关的基因的表达。在相关大鼠实验中，在肌肉损伤后通过微波加热通常会减少细胞损伤和肌肉萎缩，并促进肌肉生长或再生。在临床实验中，一些研究已经证明了运动前微波热疗或较小程度的水浴热疗，在缓解肌肉酸痛和运动后恢复肌肉功能方面的好处。动物研究表明，微波热疗可以减轻肌肉的萎缩和局部组织的氧化应激反应。热疗后的肌肉有利于增强力量训练并能改善人体肌肉质量。在临床实践中，微波热疗促使局部肌肉温度升高，并提高血液流速，可能是未来对相关机制研究方向的一个切入点。