低强度振动载荷在缓解放疗骨损伤中的作用研究

马鲲鹏，汪天赐，王 丹，2，封 颖，3，邵 希，刘曦雨，景 达，罗二平，颜泽栋*

（1.空军军医大学军事生物医学工程学系，西安 710032；2.西北大学生命科学院，西安 710069；3.陕西中医药大学基础医学院，西安 712046）

0 引言

肿瘤放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法。目前全世界约70%的肿瘤患者在治疗过程中需要接受放疗，约40%的癌症可以通过放疗根治，放疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出，已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一[1-2]。然而，由于放疗技术的限制以及射线本身的无差别放射性，在对肿瘤患者进行放疗的过程中，放射线不可避免地会对周围的健康组织和细胞产生一定损伤。骨组织是放疗中常见的损伤部位之一，研究表明，放射线能够引起骨骼力学属性的衰退和骨量的持续流失，使得机体患骨质疏松的风险大大增加，从而进一步降低肿瘤患者的生活质量，并显著提高临床致残率和致死率[3-4]。因此，如何在保证肿瘤杀伤效率的同时缓解放疗骨损伤已成为放疗领域关注的重点问题。

现有的对抗放疗骨损伤的药物如双磷酸盐类药物（阿伦磷酸盐、唑来磷酸盐等）和重组人甲状旁腺激素（PTH1-34）能够分别通过抗骨吸收和促骨形成的方式有效对抗放射线造成的骨丢失[5-8]。但是双磷酸盐类药物极易造成胃肠道的反应和严重的食管溃疡，并使得骨折愈合延迟，诱发肾脏损伤和超敏反应等病症，而PTH1-34则有促肿瘤生长和提高癌症发病风险的可能，目前均已被美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）列为慎用药物[9]。因此，探索一种安全、高效、靶向性强、副作用低的物理因子疗法对缓解放疗造成的骨损伤具有重要的临床和社会意义。

低强度全身振动（whole-body vibration，WBV）是一种无创、经济、易操作的抗骨质疏松和促进骨折愈合的物理疗法，其临床作用效果已得到了广泛认可。大量动物实验表明，低强度WBV载荷刺激能够有效促进骨骼生长，加速骨折愈合，提高骨骼力学强度，在缓解骨质疏松和促进骨合成代谢中发挥着重要作用[10-13]。临床实验也进一步证明了WBV载荷刺激能够提高骨质疏松患者骨密度，改善其长骨和腰椎的骨小梁结构，从而降低骨质疏松性骨折发病率[14-15]。然而，WBV载荷刺激对于放疗骨损伤是否具有一定的缓解作用和治疗效果，目前国内外尚未见相关报道。基于此，本文对WBV在缓解放疗骨损伤中的作用效果进行研究分析。

1 低强度WBV载荷系统设计

1.1 硬件设计

低强度WBV载荷系统的硬件主要包括一个用于产生垂直振动的振动控制器和一个电磁吸合式的振动平台，其整体结构框图和实物图如图1、2所示。系统运行前，将实验动物置于振动平台上，使动物在平台上能够自由移动，同时将一透明的聚苯乙烯盒倒扣于振动平台以限制动物离开。聚苯乙烯盒用透明胶带固定并留气孔。系统工作时，由计算机预先选择振动频率和加速度幅值，由振动控制器控制直线电动机带动振动平台振动，从而在动物全身产生轴向的高频率、低强度的WBV。

图1 低强度WBV载荷系统整体结构框图

图2 低强度WBV载荷系统的实物图

1.1.1 振动控制器

在低强度WBV载荷系统中，振动控制器用于调节振动平台的振动强度和频率，可分别由电动机和程序或两者协同控制。系统采用HX/ZD-F型控制器（上海慧夏仪器设备有限公司），其振动幅度和频率分别在1～5 mm和1～400 Hz范围内线性可调，最大加速度可达20g。该控制器能够通过功能调节器输出全波和半波2种波形，并能实现对正弦振动波的往返扫频。同时，控制器内部能够通过闭环反馈使直线电动机工作在“应力控制”模式下，从而保证每个振动周期内的压力值恒定，实现对振动参数的精确控制。

1.1.2 振动平台

振动平台由台体、台面及底座构成，其中台面的尺寸为30 cm×30 cm；台体高约30 cm，最大载质量为100 kg；底座为3 cm厚的生钢制成，通过配备4个固定柱状橡胶环保证台体与台面不发生共振。振动平台中心区域与电动机连接处有一压力传感器，用以将测量到的加速度值传输至计算机控制端，通过闭环反馈控制直线电动机的工作模式，从而实现对振动波各项输出参数的精确控制。为检测由振动控制器控制的振动波参数是否精准，使用VIB-5型振动测量仪（上海星晟检测仪器有限公司）对振动加速度进行测试。

1.2 软件设计

软件部分采用RS485通信接口将控制器与计算机进行连接，并选择RTU（remote terminal unit）数据传输模式和Modbus协议进行互通，通过LabVIEW编程实现计算机对振动平台的控制。压力传感器将采集到的应力信号经滤波、放大后传入数据采集卡，并在上位机进行实时显示。

2 低强度WBV载荷对放疗骨损伤修复效果的实验验证

2.1 放疗骨损伤动物模型的构建

实验选取3月龄骨成熟的雌性SD大鼠32只（购于空军军医大学动物实验中心），体质量（305±15）g，根据是否接受放射损伤和WBV载荷刺激将大鼠随机均分为对照组（Ctrl组）和全身振动组（WBV组），每组均包括放射（R）和未放射（NR）2种处理方式，分别为R组、NR组。对于R组大鼠，使用高能量320 kV生物学X射线辐照仪（Elekta，瑞典）对其右侧股骨远端、胫骨近端施加辐射剂量为10 Gy的X射线（在第1天与第3天分别施加5 Gy剂量的照射），照射区域大小为3 cm×3 cm，辐射剂量率为1.65 Gy/min，左侧作为对照（NR）不施加X射线照射，如图3（a）所示。WBV组中NR组大鼠连续接受45 Hz、0.5g的WBV载荷刺激45 d，每天刺激1 h。WBV组中R组大鼠在经相同剂量的X射线照射后于第3天开始接受与WBV组中NR组同样参数的振动载荷刺激。动物模型构建过程如图3（b）所示。实验全程均严格遵守空军军医大学伦理委员会关于实验动物保护法的相关规定。

2.2 Micro CT成像分析

WBV载荷刺激结束后，对所有大鼠进行安乐死处理，然后取两侧股骨置于85%的乙醇溶液中固定48 h，截取股骨远端约2 cm长度的样本进行Micro CT成像分析。首先，将样本固定在水当量泡沫模具上并将其置于样本杯中，样本与杯轴方向保持一致。其次，将样本杯置于Explore Locus SP型Micro CT成像系统（GE，美国）的样品台上进行扫描。扫描时，保持电压为80 kV、电流为80 μA，设定扫描分辨力为14 μm，样品与固定模具旋转角度为360°，旋转角度增量为0.4°，每个样本扫描600层图像。随后，使用NG Studio 2.2软件（Volume Graphics，德国）对扫描图像进行重建及分析。如图3（c）所示，取生长板下方2.5 mm宽的区域（即从股骨远端生长板最下方出发向股骨近端延伸2.5 mm）作为感兴趣区域（region of interest，ROI），排除ROI内皮质骨和初级骨小梁后，对所选定ROI内次级骨小梁的各项参数指标进行量化分析，包括骨小梁相对体积（bone volume per tissue volume，BV/TV）、骨小梁相对表面积（bone surface per bone volume，BS/BV）、骨小梁厚度（trabecular thickness，Tb.Th）、骨小梁数量（trabecular number，Tb.N）、骨小梁分离度（trabecular separation，Tb.Sp）以及结构模型指数（structure model index，SMI）。

图3 放疗骨损伤动物模型的构建和分析

2.3 统计分析

采用SPSS22.0软件对实验数据进行分析。首先使用Shapiro-Wilk检验判断数据的正态分布情况，并使用Levene检验判断方差齐性，随后采用双因素方差分析（two-way ANOVA）比较4组样本骨小梁的各项参数指标，并使用Bonferroni对每项指标中的4组数据进行两两比较。P<0.05认为差异具有统计学意义。

2.4 WBV载荷对放疗骨损伤修复效果评价

Micro CT扫描结果如图4所示，通过观察扫描样本的矢状面和横断面可以看出，经X射线照射后，Ctrl组中R组较NR组的股骨生长板以下的骨小梁数量明显减少；经WBV载荷刺激45 d后，WBV组中NR组较Ctrl组中NR组的骨小梁数量明显增加，并且WBV组中R组的骨小梁数量也较Ctrl组中R组有明显增加。

对骨小梁相关参数的进一步统计分析如图5所示。由各参数的统计结果可知，经X射线照射后，Ctrl组中R组的BV/TV、Tb.Th和Tb.N统计结果均显著低于Ctrl组中NR组，Tb.Sp和SMI的统计结果显著高于Ctrl组中NR组，差异均具有统计学意义（P＜0.05），而2组之间的 BS/BV 无统计学差异（P＞0.05）。经WBV载荷刺激后，WBV组中NR组的BV/TV和Tb.N显著高于Ctrl组中NR组，SMI显著低于Ctrl组中NR组，差异均具有统计学意义（P＜0.05），而2组之间的BS/BV、Tb.Th和Tb.Sp均无统计学差异（P＞0.05）。此外，WBV组中R组的BV/TV和Tb.N较Ctrl组中R 组显著增加（P＜0.05），Tb.Th和 SMI则较Ctrl组中R组显著降低（P＜0.05），而2组之间的BS/BV和Tb.Sp无统计学差异（P＞0.05）。

图4 大鼠股骨远端Micro CT图像扫描结果

3 讨论

放疗作为肿瘤治疗的一种重要手段，对于大部分肿瘤具有较好的治疗效果。虽然放射技术的不断发展使得放疗设备对肿瘤的照射精度和靶向性不断提高，但仍无法避免对邻近组织（尤其是骨组织）产生负向影响[3，16]。放疗骨损伤作为放疗相关的重要并发症，越来越受到医疗工作者和社会群体的广泛关注。放疗骨损伤临床上轻则表现为骨痛、骨裂等症状，重则出现完全骨折和骨坏死，大大降低了患者的生活质量[17]。目前，临床上针对放疗骨损伤的治疗大多采用药物干预（如双磷酸盐、激素、钙制剂等），通过介入机体骨代谢（包括促进骨形成和抑制骨吸收）来缓解相关症状，然而由于这些药物或价格昂贵，或副作用显著，难以实现其广泛和长期的临床应用。这就对医疗工作者寻求一种安全、高效、副作用低、靶向性强的对抗放疗骨损伤的医学干预手段提出了迫切要求。

图5 大鼠股骨远端骨小梁相关参数统计图

低强度WBV载荷作为一种物理因子，已经被广泛应用于骨质疏松和骨折患者的治疗中。研究表明，WBV载荷具有很强的促进骨合成代谢和一定程度的抗骨吸收作用[18-19]。但是关于将WBV载荷运用于放疗骨损伤术后治疗的相关研究，目前国内外尚未见报道。基于此，本研究设计了一套频率和强度精确可控的WBV载荷系统，通过建立放疗骨损伤动物模型，系统研究了低强度WBV载荷刺激对放疗造成的局部骨损伤动物的骨小梁骨量及其微结构的作用效果，旨在为临床上治疗放疗骨损伤寻求新策略和新措施。

本研究首先采用振动控制器和振动平台相结合的方式，通过LabVIEW编程，建立了一套强度和频率分别在0～20g和1～400 Hz范围线性可调的WBV载荷系统。工作时，该系统根据计算机预先设定的振动强度和振动频率，通过直线电动机带动振动平台在大鼠全身产生垂直方向的高频率、低强度的WBV载荷刺激。为较好地模拟临床上肿瘤患者所接受的局部放疗，本研究通过对大鼠股骨远端、胫骨近端施加10 Gy的X射线刺激，建立了局部放疗骨损伤的动物模型（这种辐射剂量下的动物模型能够真实模拟放射性对于骨组织的多种损伤效应，如骨矿化减少、血管结构破坏、骨髓间充质干细胞脂肪化、骨形成迟滞等）[3，5，7]。随后，使用 WBV 载荷系统对事先建立的局部放疗损伤的动物模型进行了连续45 d的振动载荷刺激，并通过高分辨力Micro CT扫描对WBV载荷的作用效果进行了定性观察和定量分析。

Micro CT是一种非破坏性的三维成像技术，能够在不破坏样本的情况下观察到其内部的显微结构[20]。骨骼是Micro CT常用的领域之一，由于松质骨结构的改变与骨质疏松、骨关节炎、骨折等疾病的发生密切相关，而松质骨又是构成骨小梁的主要结构，因此在本研究中通过对股骨远端的骨小梁Micro CT扫描图像进行重建，系统分析了WBV载荷刺激对放疗损伤的股骨骨小梁微结构以及骨组织形态学参数的影响，从而能够科学、合理地评价WBV在放疗骨损伤中的作用效果。

BV/TV是指骨小梁体积占骨组织体积的百分比，是反映骨量多少最直观的参数。Tb.Th和Tb.N是描述骨小梁结构形态的参数，两者的变化均能够影响骨量[21-22]。本研究发现，放疗能够造成大鼠骨小梁BV/TV、Tb.Th与Tb.N的显著降低，而WBV载荷刺激能够使大鼠骨小梁的BV/TV与Tb.N显著增加，表明X射线能够对骨小梁厚度和骨小梁数量产生负向调节作用，而WBV载荷刺激则能够通过促进骨小梁数量的增加来提高骨小梁的骨量。Tb.Sp和BS/BV能够反映骨小梁之间的平均距离（骨表面积越大代表分离度越高），而SMI则是反映骨小梁板状和杆状程度的参数（两者的SMI分别为0和3）[23]，当发生骨质损伤时，Tb.Sp和SMI均增加，骨质由板状向杆状转变。本研究发现，X射线能够显著增加大鼠骨小梁的Tb.Sp与SMI，而WBV载荷刺激能够显著降低骨小梁的SMI，证明WBV载荷能够显著改善放射线造成的骨小梁骨微结构的衰退，但对骨小梁分离程度和骨表面积的增大则没有显著的改善作用。

综上所述，本研究证实了WBV载荷刺激作为一种经济、安全的物理干预手段，能够通过改善大鼠骨小梁数量的减少和骨小梁微结构的衰退发挥对放疗骨损伤的治疗作用。本研究有望为放疗骨损伤的临床治疗提供新思路，从而大大降低放疗骨损伤的临床修复与治疗成本，并显著改善肿瘤患者的术后生存质量。