郭应禄1 ，辛钟成1△，李辉喜1 ，林桂庭2 ，Tom F． Lue2
( 1． 北京大学第一医院男科中心，北京大学泌尿外科研究所，国家泌尿、男性生殖系肿瘤研究中心，北京 100034;
2． Knuppe Molecular Urology Laboratory，Department of Urology，School of Medicine，University of California，San Fran-
cisco，CA 94143-0738，USA)

［关键词］微能量; 超声波; 冲击波; 电磁场; 生物科学
［中图分类号］Ｒ319 ［文献标志码］ A ［文章编号］1671-167X( 2015) 04-0559-07
doi: 10． 3969 / j． issn． 1671-167X． 2015． 04． 001

　　近年来，以能量为标记的机械生物力学对生命现象的影响受到世界科学界的广泛重视，尤其是来自美国麻省理工学院以 Phillip A Sharp 为首的一批科学家强力倡导，推动该领域的发展。2011 年 1 月 4 日召开的2011 年美国科学促进会年会，明确该领域的发展将成为生命科学的第三次革命，并发表了一份白皮书，提出生命科学、物理学、工程学的融合将会改变我们的世界。微能量体外冲击波作为机械生物力学的一个成功案例，自 20 世纪 90 年代初在临床上应用，已取得很大进展，但是关于该技术的诸多基础理论并没有完全探明，使其临床应用受到一定限制。

　　众所周知，爱因斯坦的质能方程式 E = mc2 ( 其中: E 表示能量，m 代表质量，而 c 则表示光速常量) 揭示了物质就是能量，能量就是波动，因此，不能简单地将生命体以“物”视之，而应该从“能量”的角度出发，检测、采集生命体信息，进而诊断，加以调理施治、预防保健，这便是能量医学。能量医学是未来大健康产业发展的必然趋势，因为生命体是由最基本的细胞构成，能量强则细胞活跃，生命体自然充满活力; 能量低则细胞活力衰减，发病概率增加，因此，能量医学的主要任务就是如何快速启动人体的细胞活力，从而达到健康的目的，其运用高科技的尖端技术使这种高效自然能量服务于人类的生命健康，不但能摒除药物日积月累的副作用，更能迅速与生命体本身的生物能相呼应，提高生命体的免疫力和自愈力。相比于普通医学只能在症状出现后才能诊断，微能量医学只要捕捉到人体内能量磁场的微弱变化，就能够在症状出现之前，超早期发现人体异常状况，并且微能量医学在诊断和治疗的过程中，将其对人体的损害降低到最小。利用微能量医学治疗必将是继药物治疗和手术治疗后的另一类治疗领域，不仅可治疗明确的疾病，还可能与基因组结合做疾病的预测，将治疗前移，做到疾病预防和进行亚健康治疗，这将是健康事业的革命性进展。而且随着新医学理念的确立，医学必将由“治疗医学”、“预防医学”、“康复医学”向强化人体免疫系统的“微能量医学”演进。很明显，微能量医学深化了人们对自然和人身的认识，深化了人们对于疾病和治疗手段的认识，方兴未艾，其越来越广泛的应用必将引领现代医学蓬勃发展至一个全新的科技时代，也必将成为大健康产业发展的主轴。

　　生命科学的发展，总是伴随着工程学的发展。一方面，随着对生命科学的深入探索，我们需要更加优良的工程学设备，就像对基因组大数据的分析，需要运算更快的计算机; 另一方面，工程学的发展也需要更加先进的生命科学知识，就像医疗器械的开发，总是要发挥最大的治疗效果，而尽量避免对正常人体组织的损伤。多学科的发展、交融总是会对人类科学的发展产生巨大的推动力，而融合医学也是未来医学发展的方向之一。

　　微能量医学是利用体外设备产生机械波或电磁波对疾病或亚健康状态进行预防和治疗的医学。该学科融合了生命科学、医学、物理学、计算机科学和工程学，具有重大的转化医学价值。近年来随着相关学科的发展，微能量医学在临床的应用更加广泛，包括治疗对某些传统治疗方法效果不佳的疾病，对微能量医学相关的机制研究也更加的深入。微能量医学常用的能量介质包括超声波( ultrasonic wave) 、冲击波( shock wave) 和磁场( electromagnetic field) 。本文主要介绍微能量医学的现状、相关的机制研究以及未来的发展方向，希望共同关注。

1    微能量医学分类和现状

1． 1  超声波

超声波是指频率在 2 × 10⁴ ～ 2 × 10⁹ Hz 的机械振动在弹性介质中的连续性横向或纵向传播，它具有方向性好、穿透能力强、易于获得、能量集中的优点。超声波既是一种波动形式又是一种能量形式( 声能) 。作为波动，它可以探测负载信号; 作为能量，它可以改变媒介的结构和性状。超声医学研究超声对人体的作用和反作用，通常包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超生工程。超声波作为医学诊断工具已有 50 多年的历史。现在，越来越多的实验表明超声波可以作为一种极具潜力的高效能非创伤性治疗工具，而作为治疗的超声波主要依靠其热力学效应 ( thermal effect) 、机械效应 ( mechanical effect) 和空化效应 ( cavitation effect) 。本课题组前期对糖尿病勃起功能障碍( erectile dysfunction，ED) 大鼠动物模型进行研究，发现其经声波固有频率 1． 7 MHz、脉冲频率 1 kHz 和输出间歇比为 1∶ 4 的低能量脉冲超声波( low-intensity pulsed ultra-sound，LIPUS) 治疗后，糖尿病大鼠阴茎海绵体内的压力和阴茎海绵体组织病理变化明显改善，阴茎海绵体内纤维化相关信号通路转化生长因子-β( transforming growth factor-β，TGF-β) / Smad 蛋白下调、内皮型一氧化氮合酶( endothelial nitric oxide synthase，eNOS) 和神经元型一氧化氮合酶 ( neuronal nitric oxide synthase， nNOS) 表达明显升高，这些结果提示 LIPUS 也有望成为治疗 ED 的一种新方法。

　　在美国 超声波被用于治疗皮肤创伤和静脉性溃疡等多种软组织损伤已有 70 余年的历史 。通常临床上将频率小于 1 MHz 的超声称为低频率超声( low frequency ultrasound，LFU) ，将频率大于 1 MHz 的超声称为高频率超声( high frequency ultrasound，HFU) 。用于肿瘤灭活的高强度聚集性超声波( high intensity focused ultrasound，HIFU) 采用的频率就是 0． 5 ～ 5 MHz。按照声波能量密度的不同，用于临床治疗的超声波可分为两组: 能量密度小于 3 W / cm² 的低强度超声波( low-intensity ultrasound) 和能量密度大于 3 W / cm2 的高强度超声波( high-intensity ultrasound) 。当然超声波也被用来研究或治疗多种其他疾病，包括骨关节炎症、疼痛  、肥胖 等。

1． 2    冲击波           

 　　冲击波是自然界一种常见的能量传递方式，其产生和传递都需要特定的介质。这种超音速的空气动力学的扰动通常被认为是独立于波幅的能量传递方式，并且其传播速度通常快于普通的机械波。一个典型的冲击波循环包括一个短时间极高的正向波幅( 10 ns，50 ～ 100 MPa) 和紧随其后的较长时间的低幅度负，但总时间通常小于 10 μs，这是冲击波不同于超声波的主要声波学特征。冲击波拥有更广泛的频向波幅率界限，通常包含从 16 Hz 到 20 MHz 的范围。在自然界，当较大的能量需要在非常短的时间内释放时，就会产生冲击波，包括地震、爆炸和火山爆发等，可谓杀人武器。生物医学所使用的冲击波通常由特定的气体、激光或高电压产生，能量大大弱于前者，可变成为人类健康服务的工具。当冲击波在介质( 包括气体、液体、固体) 传播时，可以瞬间提高介质内的静态压力或温度。冲击波通常包含两种类型: 聚焦和非聚焦。前者将能 量输出到较小的区域( 聚焦点) ，后者能量输出较为分散，临床所使用的冲击波通常是聚焦的。

　　冲击波最早在临床上是用较高能量的冲击波来碎石 。目前对于大多数肾结石患者来说，冲击波碎石均会被作为一种常规的治疗方式，这种微创伤性的治疗方式被认为对 98% 的肾结石均有效，在过去20年冲击波治疗被引用到更广阔的医学领域。在 1998年Rompe率先使用能流密度( energy flux densi-ty，EFD) 来对冲击波的治疗能量进行分级。按照 EFD，较高能量输出的冲击波( 大于 0． 6    mJ / mm² ) 往往用于结石的治疗，而中低能量输出( 低于 0． 1    mJ / mm² ) 的冲击波往往用于骨骼、肌肉、软组织系统疾病的治疗。冲击波目前已被用于医学相关的多个领域，包括泌尿系统结石 、疫苗接种、非创性促血管生成、组织再生、ED、阴茎硬结症和骨骼肌肉系统疾病等。
                     

1． 3    磁疗                                                   
　　磁疗( magnetotherapy) 也是一种常见的非创伤性辅助治疗方法。对磁疗最早的使用可能源自古代希腊、中国和日本的医师，而磁疗最早的记载源自 William Gilbert 于 1600 年所著的 De Magnete。当时这种治疗形式已经被用于治疗普通英国民众以及英国女王的众多疾病 。现代磁疗的临床应用源于二次大战后的日本，之后迅速被传到欧洲国家。1982 年，第一本关于磁疗的系统性著作在保加利亚发表，书中记载了使用磁疗治疗 2700 例不同疾病的临床经验  。在 20 世纪 80 年代，美国食品药品监督管理局( Food and Drug Ad- ministration，FDA) 批准将间断性磁疗( pulsed radiofrequency electromagnetic field) 用于治疗表浅软组织的疼痛和水肿。磁疗现在已经被细分为多个门类的治疗形式，最常见的是低频脉冲电磁场 / 脉冲射频能量( low-， )  frequency sine waves pulsed electromagnetic fields / pulsed radio frequency energy PEMF / PＲFE）一般认为用于治疗的 PEMF 在 3 mT、100H_Z 以下时最有效。目前这种治疗方法操作比较简单，患者可以在家中使用便携式设备自行对目标区域进行治疗。 
　　磁疗，特别是研究较多的 PEMF 已被证明可以调节局部的疼痛介质和炎症介质，改善局部血液循环环，调节免疫和内分泌系统。磁疗目前已被用于试验或治疗疼痛、骨关节炎 、多发性硬化症和帕金森病。皮肤创伤和软组织损伤、乳腺癌、心肌梗死，以及良性前列腺增生。       

2    微能量的生物学效用

2． 1  热效应

　　微能量作为能量的传播方式，会改变传播介质的温度，这是由于在传播过程中部分机械能转化为热能所致。超声波的热效应已被广泛研究，当然热效应也被用于热敏感药物的局部释放。

2． 2    机械效应
　　从宏观结构看，微能量作用于机体，都会对器官、组织和细胞产生垂直的正压力和平行的剪切力，而从微观结构来看，这些能量也会作用在更细微的细胞结构上。微能量可能被细胞外基质、细胞膜、细胞骨架和遗传物质捕获，或是被特定的化学基团捕获。冲击波和超声波在传播过程中会产生空化效应。一般认为，微能量的机械效应来自其在声域内直接引起的粒子振动和空化效应导致的能量释放。
　　超声波在液态介质或软组织中传播时可以产生空化效应。微气核在超声波作用下生长、振动、崩溃产生的剪切力可以改变有机物的结构，这被认为是超声波影响构成机体有机物、尤其是多聚结构有机物的机制之一    。Hickenboth 等的研究表明，对机械外力敏感的化学基团可以捕获或利用超声波提供的能量，从而影响化学反应的产物。与常规依赖改变温度、光照等物理或化学参数来控制反应相比较，利用机械力提供的能量来加速或改变化学反应，可以得到不同的产物或不同百分比的产物构成。
　　在较高的拉伸张力下，当特定大小的空化泡在血管壁或细胞膜等生理性边界结构快速增大和破裂时，可以产生冲击波和微型液流。该机制可用于可逆性地在细胞膜表面生成微孔洞，从而用于细胞间大分子的转染，同时这种效应目前已经被用于进行溶栓治疗，可逆性地增加血脑屏障通透性以及心血管疾病的基因治疗  。  
　　此外，Li 等的研究表明，超声波可以被用来在血管中操控直径在 1μm 级别的微粒子。该研究团队采用的技术被称为单波束声镊子( single beam acoustic tweezers，SBAT) ，该技术可用于实现微创情况下，血管内微粒子的位移和细胞水平的筛选。冲击波在液态介质或软组织中传播时，也会产生微气核和空化泡。空化泡在生长阶段会聚集大量能量，在破裂时会以高能液流或热能的方式释放能量。与超声波一样，空化泡在边界结构附近形成、生长，破裂时对周围结构的影响最大，这可能是冲击波导致众多生物学机制的来源。此外，冲击波已被证明会对 DNA 结构产生影响，调节基因表达，或造成 DNA 损伤 。对冲击波治疗机械效应的研究还需要更充分的实验验证。 
 
2． 3  电磁效应   

　　He 等的研究发现，电磁场可以激活钠离子和钙离子通道，这可能进一步激活第二信使并最终影响基因转录 。事实上，大量研究表明电磁波与相关细胞内信号通路的激活往往与离子的结合与运输相关，而钙离子在其中发挥重要的作用。例如 Markov的体外研究表明 PEMF 可以促进钙离子与钙调蛋白的结合，钙离子与钙调蛋白结合触发的包括 NO 合成的下游信号通路，在组织损伤修复中发挥重要作用。在这里，电磁波发挥的作用类似于第一信使。此外，因为参与组织损伤修复的细胞通常是带电的( 非电中性的) ，电磁波作用于带电细胞产生的机械力可能促进相关细胞向损伤区域的迁移。电磁波已被证明对非电中性的组织有更强的作用。事实上，健康组织因为有强大的维持稳态的能力，所以往往呈现电中性; 而病态组织往往呈现非电中性，所以可以对电磁波产生更强的反应 。电磁波如何被不同的细胞识别并捕获，并最终转变为不同的生物学信号，在不同的组织产生不同的效应，这些还没有明确的研究。

2． 4  内源性干细胞的激活与招募   

　　干细胞在组织修复等生理病理学过程中发挥重要作用 。在过去 10 年，没有哪种细胞像干细胞、尤其是间充质干细胞那样，聚集了众多研究者的目光。利用冲击波使内源性干细胞在受损部位聚集将有利于组织修复，之前我们的研究和其他实验室的研究已经证明冲击波对内源性间充质干细胞具有募集作用  。
　　目前更多的研究是关于机械性外作用力的，机械性外作用力可以影响细胞的形态、黏附性以及细胞骨架。干细胞作为对外界机械刺激敏感的细胞，其特性也会受到机械外力的影响    。Fu 等的研究表明，培养于不同机械特性介质的干细胞拥有不同的定向分化能力，培养于刚性较高的介质表面的干细胞拥有较高的成骨分化能力和较低的成脂分化能力，这些研究表明，干细胞所处微环境的机械特性( 包括介质刚性、介质纳米级表面特性、介质微观几何特性以及细胞外作用力) ，可以直接转化为机械信号，调控相关的细胞内信号通路，包括拉伸敏感性离子通道( stretch activated channels，SACs) 、细胞外基质和细胞骨架、Wnt 和 Inte-grin 信号通路 ，这些信号通路最终影响干细胞的生长、分裂、分化以及凋亡。从而决定干细胞的行为和命运。
　　微能量作为机械性外作用力，很有可能通过以上机制影响干细胞。Suhr等的研究表明，一定剂量的冲击波作用于体外培养的骨髓间充质干细胞可以促进其增殖，增强迁移能力，降低凋亡率，维持其多向分化能力。他们进一步的实验表明，冲击波通过影响细胞骨架，影响了干细胞的上述行为。Ｒaabe 等的研究也聚焦于冲击波与干细胞的关系，他们使用聚焦状冲击波处理体外培养的脂肪来源间充质干细胞，发现处理后的细胞增殖加快，并且表达缝隙连接蛋白 43 ( Cx43 ) 增加，与此对应的是细胞内细胞外调节蛋白激酶 ( extracellular regulated protein kinases，EＲK1 /2) 通路的激活，这为改善体外培养干细胞的治疗潜能提供了新的思路，并且为微能量与干细胞的相互关系提供了证据。

3    微能量信号向生物学信号的转化及其机制

　　综合之前的研究，微能量治疗激活的信号通路主要包括: Ca-钙调素-一氧化氮合酶-一氧化氮通，血管内皮生长路因子信号通路，核因子-kappa B 信号通路，三磷酸腺苷-丝裂原活化蛋白激酶信号通路，细胞外基质-整合素与细胞骨架。这些通路主要涉及细胞的增殖、迁移以及能量代谢。但是我们可以发现，代谢通路的激活仍然属于一种现象，微能量作为物理媒介行使了第一信使的功能，这其中需要更深入的研究。一个可能的突破口是细胞内的带电粒子，这些粒子在能量场中表现出的行为学变化可能进一步激活了下游的通路。

4    微能量医学的发展

4． 1    剂量与不良反应

　　在医用超声波领域( 1 ～ 20 MHz) ，机械效应指数( mechanical index) 和热力学效应指数( thermal index) 常常被用来评价暴露的安全性。在诊断剂量水平，超声波没有明显的不良反应。FDA 规定，诊断用超声的机械效应指数不应该超过 1． 9( 如果组织中存在气体，则不应该超过 0． 4) ; 热力学效应指数小于 2 时，长时间暴［49］ ，露安全 热力学效应指数介于 2 和 6 之间时 暴露时间应该小于 30 min 。在医用冲击波领域 目前还缺乏公认的相关安全性评价指标，并且试验和治疗剂量在不同的实验团队间差别较大，这是我们需要进一步完善的。对于磁疗的剂量，学术界已经开发出一些计量手段来检测磁流密度( magnetic flux density) 及其生物学效应，包括肌球蛋白磷酸化法( myosin phosphorylation assay) 等，但关于剂量的研究还处于理论阶段。由于剂量和机制研究的不确定性，大部分微能量治疗手段都作为所有药物治疗效果不佳的患者的备选方案。但是我们很容易发现这种治疗相对于药物治疗的优点，即大部分微能量治疗手段是一种病变局部的治疗，这有效地避免了全身用药带来的非靶器官不良反应，这使得对于微能量剂量与机制的研究更为迫切。对于微能量，我们还会发现其治疗参数具有多样性，同样的治疗介质可能拥有不同的波形、波幅、频率等。不同的组织和细胞可能只对特定的参数产生反应，这就要求临床治疗不同疾病时，应该考虑不同的治疗参数下剂量和不良反应的变化。

4． 2 机制研究的连续性

　　在物理学和工程学领域，机械能量的研究模型往往是质点、足够小的体积元、弹性媒介、理想流体等，研究的内容诸如声波、声压、声阻抗、声能密度、声功率、磁功率等。在生物医学领域我们关注的往往是组织的结构和功能、血管的生成、细胞骨架的改变、细胞膜的改变和基因的调控。我们可以发现，当将两者结合时，中间有许多空白需要填补。我们可以把组织想象成质点，它可以被简化为有机物，有自己的密度和声阻抗，我们可以推算出一定的微能量在组织内传播时，可能会使组织结构和温度发生多大程度的改变; 如果把细胞作为弹性介质，我们可能需要了解声压的改变，这种规整的同向性的外力对细胞的外形和细胞骨架会产生怎样的影响; 最终当我们研究基因表达的改变时，我们可能需要深入到原子的水平，是否由于所含原子的差异造就了不同的共振和基因表达改变。
　　必须承认，目前大部分关于机制的研究还是一种现象的研究，而填补学科之间的沟壑将是未来研究的重点。

4． 3    肌肉与软组织修复

　　综合之前的大量临床研究可以发现，微能量能在肌肉和软组织相关疾病领域发挥治疗作用，此外相关的基础研究也表明了微能量对相关细胞的有利影响。已有众多研究表明，超声可以促进成纤维细胞中蛋白质的合成，促进成纤维细胞增殖等。Conner-Kerr 等发现超声波可以显著改变成纤维细胞的形态和迁移特征。细胞在划痕试验中显示出更多变的迁移角度和迁移路径。此外，也有将冲击波用于软组织修复的相关研究，Leone 等从断裂的肌腱中分离出肌腱细胞，他们发现冲击波可以促进肌腱细胞的增殖和迁移，目这可能有利于在体的损伤肌腱修复。而对于电磁波，其最早的临床应用也是用于骨骼肌肉系统疾病，目前大部分的临床数据来自骨骼肌肉系统疾病的治疗。

　　以上研究为微能量治疗在该领域的应用提供了一定的循证医学证据。事实上，选择肌肉软组织作为微能量机制研究的切入点有其独有的优势: 首先，它有较为充分的临床有效性研究; 其次，这些组织的结构较为统一，细胞构成相对简单; 再次，其功能评价较为直观，临床试验的安全性较高。

4． 4    基因工程与药物

　　微能量用于生物医学工程的研究也有长久的历史。Divya Prakash 等尝试利用冲击波对细菌进行转化，他们通过调整微冲击波的输出能量，将转化效率提高，这种方法与传统的电转化相比，成本更低，更有利于细胞的恢复，并且不受细胞生长周期的影响。Schlafer的研究也表明，超声波可以提高微生物的降解等效率，这可能会对制药工业产生重要的影响。此外，已经证明药物被机械敏感的纳米材料或热敏感的脂质材料包被后 ,在超声作用下实现特定部位或特定时间的释放是可行的，研究表明，基于超声空化作用的非创伤给药系统可以改善抗肿瘤药物的组织分布，这使得系统性给予的抗肿瘤药物更容易渗透到相对缺乏氧气和缺乏血供的肿瘤组织。体外实验中，Wang 等的研究结果也表明低能量超声波可以提高肿瘤细胞，特别是具有耐药性的肿瘤细胞对化疗药物的摄取率。

5    总结

　　微能量医学为人类健康将做出重大的贡献，微能量最核心的作用机制是机械效应、热效应和电磁效应。此外，微能量治疗与干细胞的关系可能是重要的机制，值得进一步深入研究。融合多学科探索机械效应和生物学效应之间的联系将是未来机制研究的重点。面对未来，我们一方面要更深入的研究其作用机制，另一方面要创立微能量医学器官功能修复学科，本着转化医学理念，在现有基础上进行更多的临床实践，探索新的发现，再深入进行机制研究，螺旋式前进，以取得更大发展，在生命科学第三次革命浪潮中做先行者，为人类健康做出贡献。