Rola P, W?odarczak A, Barycki M, Doroszko A. Use of the Shock Wave Therapy in Basic Research and Clinical Applications-From Bench to Bedsite. Biomedicines. 2022 Feb 28;10(3):568. doi: 10.3390/biomedicines10030568. PMID: 35327369; PMCID: PMC8944950.

沖擊波 (SW) 是通過攜帶能量的介質傳播的聲學擾動。這些特定的聲波脈沖由兩個階段組成：高正壓、上升時間 < 10 ns 和張力波。最初，沖擊波作為碎石療法的一部分引入臨床實踐，重點是破壞體內的鈣化沉積物。從那時起，沖擊波療法（SWT）已經遠遠超出了與破壞腎結石相關的最初應用。在這篇敘述性綜述中，我們介紹了 SWT 的基本臨床應用以及臨床實踐中的潛在治療應用。

沖擊波 (SW) 是具有獨特物理特性的聲波脈沖 - 高正壓、上升時間 < 10 ns 和張力波。最初，它們在臨床實踐中用作碎石術，以分解和破壞體內的鈣化沉積物[ 1]。1980年，它們在德國（慕尼黑）首次用于腎結石的微創(chuàng)治療。這項技術的快速發(fā)展使得執(zhí)行手術的范圍迅速擴大。將碎石術發(fā)展為治療策略的下一步是將其應用到腎臟疾病以外的領域，并在膽囊和唾液腺疾病中實施。經過短期的集中開發(fā)和優(yōu)化設備相關參數(shù)以盡量減少此類手術的風險效益比后，沖擊波療法現(xiàn)已成為大多數(shù)腎結石的首選治療方法。泌尿科并不是 SW 療法應用于醫(yī)學的唯一領域。由于大量針對沖擊波的研究，新的治療應用正在被發(fā)現(xiàn)并納入臨床實踐。本文旨在回顧最常見的臨床應用，包括快速發(fā)展的基于SW的冠狀動脈介入治療，并重點關注和總結導致臨床效果的潛在基本分子機制。

2. 沖擊波的物理基礎

沖擊波是通過攜帶能量的介質傳播的聲擾動，由兩個階段組成：首先，伴隨著?6dB 的小脈沖寬度的近乎瞬時跳躍到高峰值正壓，甚至高達 100 MPa (500 bar)，但更常見的是大約 50 至 80 MPa。在持續(xù)時間小于10 ns的壓力快速上升后，出現(xiàn)由幾微秒持續(xù)時間的張力波引起的衍射組成的第二相[ 2,3,4 ]。沖擊波可以在很寬的頻率范圍內發(fā)生。

根據(jù)應用方法的不同，沖擊波療法可分為體內療法和體外療法。臨床實踐中使用的絕大多數(shù)應用都涉及體外 SWT。ESWT 分為三種基本類型：聚焦沖擊波療法 (f SWT)、徑向沖擊波療法 (r SWT) 和平面沖擊波療法 (p SWT)。最近，聚焦和徑向SWT應用最為廣泛[ 5 ]。根據(jù)SWT提供的能量水平，我們可以將其分為三個基本類別：低能量、中能量和高能量沖擊波療法。對于這些群體之間的界限沒有達成共識；然而，大多數(shù)研究假設低能量和中能量之間的界限是0.1 mJ/mm 2。中能量和高能量之間的分界點設置為0.28 mJ/mm 2 [ 6 ]。

目前使用三種不同類型的沖擊波發(fā)生器[ 7,8,9 ]。第一種類型是電液發(fā)電機，它使用電極尖端作為點源。尖端之間產生電火花并釋放沖擊波。這些現(xiàn)象與尖端之間的水的蒸發(fā)有關。第二個電磁發(fā)生器使用電磁線圈和相對放置的金屬膜來釋放沖擊波。最后一個與壓電效應有關——許多壓電晶體安裝在球面發(fā)生器中。外部能量為系統(tǒng)供電并迫使壓電晶體收縮，產生沖擊波。

如前所述，聲波以及特定的子類型沖擊波只不過是在攜帶能量的介質中傳播的擾動，而不是永久傳輸物質；因此，決定不同實體中聲波行為的基本物理定律定義了沖擊波特性。一方面，聲速隨著材料（組織）的硬度而增加，但另一方面，它隨著密度的增加而減小。當沖擊波遇到兩個組織之間的邊界線時，它可能會傳播、消散或反射。在人體中，波所攜帶的動能根據(jù)暴露于沖擊波的組織的結構而被吸收。一般來說，SW 在穿過液體和軟組織時衰減很弱，不會造成任何傷害或組織損傷。雖然崩解作用集中于堅硬的鈣化物體，例如腎結石[2、3、4 ]。

通過沖擊波粉碎和崩解鈣化結石和結節(jié)的能力是SWT的基本臨床應用之一。用沖擊波破碎石頭是由可能單獨或同時發(fā)生的幾種物理現(xiàn)象引起的。首先，沖擊波的壓力幅度會立即超過石頭的壓力阻力，導致其因沖擊波過渡而損壞。第二種現(xiàn)象與由于石頭背面的反射而產生的拉伸波有關。由于礦物質的抗拉強度較低，即使在低振幅下，該附加波也可能導致材料破碎。最后是空化現(xiàn)象。在暴露于波脈沖的石頭表面上，正在形成氣泡，但是隨后，它們的塌陷會產生額外的分解能量，并可能導致局部壓力增加至 10 MPa，從而導致表面侵蝕和石材主干中出現(xiàn)額外的微裂紋。2、3、4 ]。圖 1顯示了沖擊波作用導致結石崩解的所有潛在機制。

圖 1.

與沖擊波作用相關的石材崩解機制。

為了使沖擊波降解力達到最高效果，最大能量脈沖應集中在應進行治療的點上。

沖擊波與鈣化結構相互作用的物理基礎已得到充分探索；然而，沖擊波對不同軟組織和細胞培養(yǎng)物產生的確切影響尚不完全清楚。沖擊波的傳播會對細胞培養(yǎng)物以及組織和器官產生生物效應。物理能量轉化為生物反應是一個多軌級聯(lián)過程。在此過程的初始階段，細胞將聲音信號轉化為生物反應。各種理論 [ 10 , 11] 關于沖擊波療法的能量如何觸發(fā)細胞反應已被提出。一種模型假設細胞的機械變形可以導致膜離子通道的激活以及超極化和膜通透性的調節(jié)。另一個可能涉及的因素是空化過程。由于沖擊波的張力，液體介質中出現(xiàn)氣泡。在空化氣泡內爆期間，會發(fā)出二次沖擊波和微射流，導致分子轉染增加。所有提到的物理力都通過機械傳導途徑通過機械感受器轉化為生物反應。機械感受器被認為是將 SW 攜帶的機械能轉換為影響細胞和組織活動的生化信號的主要轉換點。許多細胞結構都可以發(fā)揮機械感受器的作用——細胞外基質蛋白、拉伸激活離子通道、線粒體、細胞骨架成分和細胞與細胞連接受體只是其中的幾個例子。9、12 ]。沖擊波療法（SWT）通過刺激各種生物分子（主要是三磷酸腺苷（ATP））的合成來增加細胞活性[ 13 ]。在各種類型的細胞中觀察到的 SW 對分子過程的影響已成為設計臨床試驗的基石。對 SW 和細胞信號通路之間相互作用的完整分析超出了本文的范圍；然而，本文的下一部分總結了沖擊波技術的實際臨床意義及其作用的分子基礎。SWT 的基本臨床應用如圖 2所示。

圖 2.

沖擊波療法的基本臨床應用?？s寫：CAD = 冠狀動脈疾病；LVEF = 左心室射血分數(shù)。

3. 臨床應用

3.1.泌尿科

ShockWave技術在腎結石治療中的應用已成熟，體外沖擊波碎石術（ESWL）成為首選方法。ESWL通過物理作用破壞鈣化結構，但其副作用仍受關注。研究表明，ESWL引起的腎損傷與機械性損傷和活性氧（ROS）過量產生有關，但確切機制不明。損傷機制涉及炎癥反應和纖維化過程，與ICAM-1、TNF-α、IL-6等炎癥因子密切相關。MCP-1和IL-18可能與長期腎損傷有關，但非唯一分子。

NFκB，一種關鍵的轉錄因子，與慢性炎癥和纖維化疾病的發(fā)病機制相關，因為它能促進纖維化基因的轉錄。ESWL（體外沖擊波碎石術）導致的腎損傷涉及ROS（活性氧）和炎癥，同時通過激活細胞凋亡信號通路影響細胞活力。此外，ESWL還能激活自噬反應以保護細胞，減少腎小管上皮細胞損傷。自噬的保護作用依賴于Akt/GSK-3β途徑的調節(jié)，該途徑影響氧化應激下的細胞存活。

沖擊波療法（ESWT）除治療腎結石外，也被用于勃起功能障礙（ED）。證據(jù)顯示其對不同程度ED患者有效?？赡軝C制包括：李等提出低能量ESWT促進細胞增殖、組織和神經再生、血管生成；雪旺細胞參與神經再支配和nNOS再生，提高p-Erk1/2和p75標記物活性。Qiu等發(fā)現(xiàn)nNOS活性增加，推測ESWT可能通過促進NO生成刺激神經再生，改善糖尿病相關ED。

SWT的抗炎鎮(zhèn)痛效果在泌尿外科有廣泛應用，最新研究顯示其對非細菌性前列腺炎具有潛在療效。王等發(fā)現(xiàn)低能沖擊波能降低IL-1β、COX-2、caspase-1、NGF和TNF-α等促炎分子。炎癥生物標志物活性降低可能是IC/BPS癥狀改善的關鍵機制[25, 26]，這一點在CP/CPPS患者的薈萃分析中得到證實[27]。SWT在治療OAB方面也顯示出積極效果[28, 29]。炎癥反應減弱、血管生成蛋白表達增強、ErK1/2、P38和Akt蛋白磷酸化升高以及線粒體功能恢復是這些過程的關鍵因素[30]。SWT還能調節(jié)BoNT/A的給藥方式和增強遞送，常用于膀胱和泌尿道疾病[27, 31]。

3.2.骨科

SW療法在骨科中主要用于治療肌腱炎，已獲FDA批準用于足底筋膜炎和跟腱疾病。其有效性和安全性得到了隨機試驗的支持。治療機制可能涉及改變免疫反應，從M1型巨噬細胞（促炎）轉變?yōu)镸2型（抗炎），促進再生過程和血管生成。動物模型數(shù)據(jù)證實了ESWT后新血管生成的增加，以及生長和新生血管形成標志物的釋放，如VEGF、eNOS、PCNA和BMP-2。

ESWT通過促進血管增殖和直接作用于肌腱細胞來調節(jié)免疫反應并加速肌腱病變愈合。維特拉諾等發(fā)現(xiàn)ESWT能增強細胞增殖和去分化，Ki67水平上升支持此觀點。Han等提出，肌腱病細胞中MMP-1、-2、-13和IL-6水平升高，而ESWT能降低這些表達。ESWT可能通過提高細胞外ATP水平，激活Erk1/2和p38 MAPK信號通路，增強細胞增殖。

治療肌腱病時，緩解疼痛至關重要。研究指出，ESWT具有鎮(zhèn)痛效果，可能通過改變P物質和前列腺素E2的組織濃度實現(xiàn)。此外，ESWT還能通過促進潤滑素合成改善關節(jié)肌腱功能，這一過程涉及調節(jié)TGF-b1表達。

ESWL促進骨科組織再生，多項研究顯示其能縮短骨愈合時間。盡管具體機制未完全明確，但研究表明沖擊波療法可能通過增加硝基一氧化氮和血管生成因子（VEGF、vWF等）以及減少TGF-β來促進成骨。ESWT還保護軟骨，增強II型膠原蛋白合成及VEGF、BMP-2和骨鈣素水平。

3.3.心臟病學

縮寫內容：動物模型和人體實驗表明，沖擊波療法（SWT）在心臟病學中具有治療潛力，已被納入臨床實踐。西田等發(fā)現(xiàn)SWT能改善豬缺血性心肌病模型的心臟功能和局部血流量，與VEGF合成上調相關。Uwatoku等觀察到SWT預防缺血性左心室重構的效果。研究多指向血管生成為SWT的作用機制，如LL37激活TLR3增加血管形成。Assmus等發(fā)現(xiàn)，在慢性心衰患者中，冠狀動脈內注射自體骨髓單核細胞后應用SWT能改善左心室射血分數(shù)，可能與SCDF-1和VEGF表達增加有關，而單純休克療法無效。

臨床研究顯示，沖擊波療法（SWT）對慢性難治性心絞痛患者有益。瓦伊納等發(fā)現(xiàn)SWT能改善癥狀、減輕缺血，減少硝酸鹽使用。Chai等提出SWT可能通過促進血管新生和內皮祖細胞活化抗缺血，IL-8和VEGF可能是關鍵介質。

ShockWave技術適用于嚴重冠狀動脈疾病(CAD)且無法血運重建的患者。盡管經皮冠狀動脈介入技術有進展，但嚴重鈣化仍是挑戰(zhàn)。Shockwave Medical的沖擊波醫(yī)療血管內碎石系統(tǒng)提供了解決方案，基于碎石模型，通過脈沖發(fā)生球囊導管釋放沖擊波脈沖。該技術在外周和冠狀動脈疾病中有效，但存在潛在副作用，尤其是致心律失常風險。血小板活化增加是合理擔憂，但目前無體外或體內模型研究。文獻顯示沖擊波下血小板活化增加導致多種生長因子和細胞因子釋放增加。在冠狀動脈疾病中，外科血運重建期間嘗試使用直接心臟沖擊波療法，動物模型結果有希望，但人類結果未發(fā)表。

3.4.皮膚科

沖擊波療法（ESWT）在皮膚科中主要用于促進組織再生。研究表明，ESWT對治療慢性腿部潰瘍有效且安全，尤其是非糖尿病患者。慢性足潰瘍病因多樣，包括糖尿病和非糖尿病因素。治療需多學科合作，有時還需替代療法。王等人的研究顯示，ESWT能顯著改善皮膚血流灌注，促進血管生成和成骨生長因子的上調。

ESWT在皮膚科的應用不僅限于潰瘍。沙登等研究了非聚焦、低能量ESWT對急性或慢性軟組織傷口患者的效果，證實其在臨床實踐中安全有效。SWT的優(yōu)勢包括易操作、微創(chuàng)、低副作用（感染和藥物相互作用風險小）及無痛（無需額外麻醉）。

燒傷疤痕可能導致功能和外觀問題。菲奧拉蒙蒂等發(fā)現(xiàn)沖擊波治療（SW）可改善燒傷后病理性疤痕的外觀。Cui等研究了沖擊波療法（ESWT）對人類增生性疤痕成纖維細胞的影響，發(fā)現(xiàn)ESWT不影響細胞活力，但減少遷移，抑制TGF-β1、α-SMA、膠原蛋白I、纖連蛋白和twist-1的表達，并增加E-鈣粘蛋白表達，減少N-鈣粘蛋白表達。他們提出ESWT可能通過抑制上皮-間質轉化發(fā)揮抗疤痕作用，是燒傷后疤痕治療的潛在靶點。

3.5.神經病學

     中風是致殘主因，患者生活質量下降常因痙攣。盡管治療方法多樣，痙攣仍是臨床難題。ESWT在神經系統(tǒng)疾病中顯示出潛力，尤其在治療中風后肌肉痙攣方面。研究表明ESWT可改善痙攣肌肉流變特性，機制涉及細胞外基質和纖維化。薈萃分析顯示治療無重大并發(fā)癥或副作用。PHN和PHI常規(guī)治療不足，需新方法。ESW可能降低PHN和PHI，但機制不明。ESWT也用于腰痛（LBP），一項隨機試驗顯示其對減輕慢性腰痛有長期影響，并可能改善LBP患者姿勢搖擺。

      沖擊波療法（SWT）因其促進代謝活性和細胞增殖的能力而被用于周圍神經再生。研究表明，SWT能顯著提升軸突再生和髓鞘化表達，與YAP/TAZ蛋白表達增加相關。此外，SWT的再生和神經保護特性在脊髓損傷模型中發(fā)揮作用，涉及TLR3信號傳導和VEGF機制。SWT還能激活干細胞，預示著其在再生醫(yī)學領域的廣泛應用潛力。同時，SWT在結構性脊柱疾病如脊柱側彎中的應用也得到了一些數(shù)據(jù)支持。

圖3總結了沖擊波療法的所有臨床應用以及作用機制。

圖 3.沖擊波療法的臨床應用及其作用機制。

縮寫：SW=沖擊波；ICAM1 = 細胞內粘附分子 1；TNF-α = 腫瘤壞死因子-α；IL-6=白細胞介素6；ROS = 活性氧；NFκB = 激活 B 的核因子 kappa-輕鏈增強子；NOS = 一氧化氮合酶；ATP=三磷酸腺苷；TGF = 轉化生長因子；MMP = 基質金屬蛋白酶；VEGF = 血管內皮生長因子；SCDF = 基質細胞衍生因子；TLR = Toll 樣受體；SMA = 平滑肌肌動蛋白；vWF = 血友病因子；BMP = 骨形態(tài)發(fā)生蛋白；IGF = 胰島素樣生長因子；NO = 一氧化氮；MCP = 單核細胞趨化蛋白。

4. 未來展望

縮寫內容：沖擊波療法（SWT）臨床應用不斷拓展，目前正進行多項新試驗，評估其在中度腎衰竭（NCT02515461）、冠狀動脈疾病手術（NCT03859466）、前列腺切除術后康復（NCT03862599）、化療后恢復（NCT05111730）和泌尿道腫瘤治療（NCT04644835）中的安全性與有效性。這些研究可能為SWT提供新視角。盡管SWT至今未出現(xiàn)嚴重并發(fā)癥，但對其安全性的關注仍然存在。SWT能調節(jié)細胞增殖和免疫反應，常用于惡性腫瘤患者的康復。未來研究將關注SWT對腫瘤生物學的影響及潛在致癌機制。

5. 結論

沖擊波療法（SWT）自發(fā)明以來，已超越了僅用于腎結石治療的原始用途，現(xiàn)在在臨床實踐中廣泛應用。隨著技術進步和成本降低，SWT有望成為治療多種慢性疾病的有效工具。盡管需要進一步的臨床研究來驗證其機制和安全性，尤其是關注副作用和體內治療的安全性，如SIVL-PCI在經皮冠狀動脈介入治療中的應用。