电肌肉刺激减轻急性缺血性卒中小鼠的神经炎症并改善结局

《Neurotherapeutics》：Electric muscle stimulation attenuates neuroinflammation and improves the outcome of acute ischemic stroke in mice

　　

背景：急性缺血性卒中（acute ischemic stroke, AIS）是致死和致残的主要病因之一，许多患者因严重运动障碍无法早期主动活动，长期制动加速骨骼肌萎缩及全身炎症反应，提示肌肉–脑相互作用（muscle–brain crosstalk）可作为潜在治疗靶点。电肌肉刺激（electrical muscle stimulation, EMS）可在无自主收缩条件下激活骨骼肌，可能模拟运动的神经保护特征。本研究探讨超急性期EMS是否通过调节肌肉至脑的信号传导改善卒中结局。方法：对雄性及雌性C57BL/6小鼠建立短暂性大脑中动脉闭塞（transient middle cerebral artery occlusion, tMCAO）模型，术后每日进行神经功能评分，并行连续3天、频率4 Hz的后肢EMS干预。分析肌纤维形态、脑梗死体积、血乳酸水平及肌肉和脑组织基因表达。结果：EMS维持肌纤维横截面积，降低骨骼肌应激反应基因（Hsp25、Hspb8、Atf4）表达；在脑组织中EMS减小梗死体积、限制坏死范围并改善神经功能评分；卒中相关炎症指标（Tnf、Nlrp3及小胶质标记基因Aif1）表达下调；EMS升高循环乳酸水平，卒中组脑组织单羧酸转运蛋白Mct-1表达增加，支持乳酸依赖性代谢偶联机制。结论：超急性期EMS是一种可行、无创的早期干预手段，可通过减轻神经炎症及可能经乳酸介导的肌肉–脑信号传导发挥神经保护作用，有望作为无法早期主动活动的AIS患者的辅助康复治疗。

论文解读：电肌肉刺激(EMS)通过肌肉–脑信号轴减轻急性缺血性卒中小鼠的神经炎症并改善结局

一、研究背景与立题依据

急性缺血性卒中（acute ischemic stroke, AIS）是全球致死和致残的首要原因之一。尽管静脉溶栓和血管内取栓改善了再通率，多数存活者仍遗留持久神经功能缺损。现行指南强调早期活动（early mobilization）有助于功能恢复，但相当比例患者因重度运动障碍、意识障碍或并发症无法参与早期主动康复。长期制动导致患侧及健侧肢体骨骼肌萎缩（sarcopenia/disuse atrophy），并伴随全身炎性因子升高，而肌肉废用与脑损伤严重程度呈正相关，提示存在"肌肉→脑"通讯轴（muscle-to-brain communication axis）——完整的肌肉功能可能通过分泌肌源性因子或代谢产物协助神经保护与再生，反之废用则削弱该保护机制。

现有神经保护策略多未能成功转化至临床，而电肌肉刺激（electrical muscle simulation, EMS；亦称 neuromuscular electrical stimulation, NMES）可在无随意收缩前提下诱发骨骼肌节律性收缩，模拟部分运动诱导的系统性及神经免疫效应。然而EMS在超急性期AIS中的神经保护机制及疗效尚缺乏实验证据。因此研究人员假设：超急性期低频EMS可通过激活骨骼肌、调节肌肉–脑信号传导（特别是乳酸介导的代谢偶联），减轻神经炎症、缩小梗死体积并改善卒中后神经功能，遂在小鼠tMCAO再灌注模型中对此进行了验证。按原文作者信息，该研究成果发表于《Neurotherapeutics》。

二、主要关键技术方法概述

研究人员采用3–7月龄雄性及雌性C57BL/6小鼠（n=90），随机分为四组：对照组（Control）、单纯EMS组（EMS）、卒中组（Stroke，tMCAO再灌注模型）、卒中+EMS组（Stroke+EMS）。tMCAO采用改良Koizumi线栓法，以激光多普勒血流仪确认脑血流下降至基线25%以下并维持60 min后撤线再灌注。EMS采用带式电极骨骼肌电刺激（Belt electrode Skeletal muscle Electrical Stimulation, B-SES）系统，异氟烷吸入麻醉下对双侧后肢施予4 Hz电刺激，强度调至引起可见肌肉收缩，术后第1–3天每日进行（第1天15 min×2次含休息，第2–3天逐步延长至20 min×2次）。神经功能采用Garcia神经评分量表（Garcia Neuroscore Scale, GNS）于术前及术后每日评估。实验终点（Day 3）采集心腔血测血气及乳酸；取脑行TTC（2,3,5-氯化三苯基四氮唑，triphenyltetrazolium chloride）染色计算梗死体积百分比，部分脑及股四头肌（musculus quadriceps）行H&E（苏木精–伊红，hematoxylin-eosin）染色测肌纤维横截面积（cross-sectional area, CSA）及皮质神经元密度；肌肉与缺血侧半球组织提取总RNA，经逆转录及SYBR Green实时荧光定量PCR（RT-qPCR）检测热休克蛋白、内质网应激、自噬、炎症细胞因子、小胶质/星形胶质细胞活化标记及单羧酸转运体（Mct-1）等基因相对表达（ΔΔCt法，以Gapdh为内参）。组间比较根据正态性检验选用Student's t检验或Mann–Whitney U检验，多组比较用ANOVA或Kruskal–Wallis检验，p<0.05为差异有统计学意义。

三、研究结果

EMS attenuates infarct size and improves neurological outcomes after stroke（EMS减小梗死体积并改善卒中后神经功能结局）

TTC染色显示Stroke+EMS组梗死体积占患侧半球比例为30.41±9.22%，显著低于Stroke组的45.24±8.92%；H&E染色示Stroke+EMS组皮质神经元密度（263±76 cells/1000 μm2）高于Stroke组（178±65 cells/1000 μm2），接近对照侧水平。Garcia神经评分在Day 2–3时Stroke+EMS组（14±2分）显著高于Stroke组（12±3分），其中自发活动及侧身转身单项评分亦改善。结论：超急性期EMS可减小缺血梗死范围、减少神经元丢失并改善感觉运动功能。

EMS prevents myofibers and dampens cellular stress in the musculus quadriceps after stroke（EMS防止卒中后股四头肌肌纤维萎缩并减弱细胞应激反应）

H&E染色示Stroke组股四头肌肌纤维CSA显著缩小（955.4±730 vs. Control 1618.7±853.9 μm2），而Stroke+EMS组恢复至对照水平（1529.73±1003.15 μm2）。qPCR显示Stroke组骨骼肌Hsp25、Hspb8、Hsp70及内质网应激基因Xbp1s、Atf4、Chop上调，Stroke+EMS组中Hsp25、Hspb8、Atf4、Chop表达较Stroke组显著降低；自噬标记P62在Stroke组升高而在Stroke+EMS组回落。抗炎细胞因子Il10及Tgfb1在EMS及Stroke+EMS组均上调。结论：EMS防止卒中后废用性肌萎缩，抑制肌细胞蛋白毒性应激与异常自噬，并促进局部抗炎微环境。

EMS diminishes inflammatory gene expression in the brain after stroke（EMS降低卒中后脑内炎性基因表达）

qPCR分析缺血侧半球显示：Stroke组Tnf、Il1b、Il6、Nlrp3及星形胶质/小胶质标记（Gfap、Aif1、Cd68、Itgam）显著升高；Stroke+EMS组中Tnf降至约Stroke组的57%（p=0.053）、Nlrp3降至约25%（p<0.05），Aif1、Cd68、Gfap等小胶质及星形胶质活化标记较Stroke组下降近半（虽未全达统计学显著性但呈一致下降趋势）。Mct-1及羟羧酸受体Hcar1（GPR81）在Stroke及Stroke+EMS组均较对照上调。结论：EMS显著抑制卒中后缺血半球促炎及部分神经胶质活化基因表达，可能经由肌肉源性信号介导。

EMS elevates blood lactate levels（EMS升高血乳酸水平）

血气分析示Control组血乳酸2.27±0.4 mmol/L，Stroke组3.26±0.7 mmol/L（p=0.058趋势），EMS组4.4±0.8 mmol/L（p<0.001 vs. Control），Stroke+EMS组5.18±1.1 mmol/L（p<0.001 vs. Control）。结论：EMS诱发骨骼肌收缩产乳酸入血，结合脑内Mct-1/Hcar1上调，支持乳酸依赖性的肌肉→脑代谢偶联机制参与神经保护。

四、讨论与结论总结（翻译研究结论部分）

本研究表明，电肌肉刺激（EMS）通过对骨骼肌（维持肌纤维结构、减轻细胞应激及全身炎症）和中枢神经系统（减弱缺血半球神经炎症与小胶质/星形胶质活化）的双重抗炎作用，在小鼠缺血性卒中再灌注模型中发挥神经保护作用——减小梗死体积、改善神经功能评分。其潜在机制涉及EMS诱发的骨骼肌收缩升高循环乳酸水平，卒中后脑内单羧酸转运蛋白-1（MCT1/ Mct-1）及乳酸受体HCAR1（Hcar1）表达上调形成血–脑乳酸梯度，使肌肉源性乳酸进入脑内并通过HCAR1信号抑制NF-κB通路及NLRP3炎症小体活化，从而减轻TNF-α等促炎因子释放。此外，EMS可能通过传入神经通路调节中枢神经元稳态，但具体贡献未在本研究中直接验证。研究人员提出超急性期EMS可作为无法早期主动活动的AIS患者在成功再通后的辅助干预手段，但其最佳介入时机、参数及长期功能随访尚需进一步临床前与临床研究明确。综上所述：Hyperacute EMS is a feasible, noninvasive intervention that confers neuroprotective and anti-inflammatory benefits after stroke, potentially via lactate-mediated muscle-to-brain signaling, and may represent a valuable adjunct for patients unable to mobilize during the critical early phase of stroke recovery.（超急性期EMS是一种可行、无创的早期干预措施，可通过乳酸介导的肌肉–脑信号传导在卒中后发挥神经保护及抗炎效益，有望作为无法在超急性期主动活动的缺血性卒中患者的有价值辅助治疗手段。）