Непрерывный ультразвук низкой интенсивности: обзор терапевтического потенциала



В статье автор провел анализ современных исследований в области использования низкоинтенсивного непрерывного ультразвука в терапевтических целях, включая регенерацию тканей, обезболивание, нейромодуляцию, доставку лекарств.

Ключевые слова: непрерывный низкоинтенсивный ультразвук, регенерация, остеоартрит, обезболивание, сонофорез.

Сфокусированный ультразвук уже более полувека представляет исследовательский и потенциальный клинический интерес как метод терапии. За последние два десятилетия интерес к нему резко возрос.

Ультразвук высокой интенсивности используется, в основном, для лечения рака и хирургических вмешательств. Низкоинтенсивный ультразвук (интенсивностью от 20 до 1000 мВт / см ² ), выделяющий небольшое количество тепла, оказывает стимулирующее действие.

В свою очередь низкоинтенсивный ультразвук может быть импульсным, состоять из циклов включения / выключения акустических волн, и непрерывным, состоящим из непрерывных акустических волн без циклов включения / выключения.

В многочисленных исследованиях изучалась эффективность импульсного ультразвука низкой интенсивности (LIPUS) и непрерывного ультразвука УЗИ низкой интенсивности (LICUS) в качестве потенциальных средств регенерации тканей, лечения болей, тромбозов, переломов, остеопороза и остеоартрита.

Воздействие LIPUS в основном объясняется его механической вибрацией и минимальным тепловым воздействием на тканевом и клеточном уровне. Напротив, стимуляция LICUS оказывает как механическое, так и тепловое воздействие на тканевом и клеточном уровне.

Рассмотрим основные области применения непрерывного низкоинтенсивного ультразвука в терапевтической практике.

Регенерация тканей . Согласно исследованиям Altland et al. непрерывный низкочастотный ультразвук повышает в организме уровень оксида азота, который является важнейшим регулятором во множестве процессов нервной, иммунной и сердечно-сосудистой системах [1]. Повышенный кровоток способствует миграции макрофагов в место повреждения, чтобы снимать воспаление тканей. В указанном исследовании был применен LICUS частотой 27 кГц при интенсивности 0,25 Вт / см ² в течение 10 мин. За это время уровень оксида азота повысился на 102 ± 19 % в эндотелиальных клетках человека.

Karnes et al. обнаружили улучшение мышечной силы поврежденных скелетных мышц крысы после семи дней воздействия LICUS при частоте 1 МГц, интенсивности 0,5 Вт / см ² в течение 5 мин в день. У травмированных крыс наблюдалось значительное улучшение силы сокращения тетанических мышц по сравнению с группой, получавшей плацебо [2].

Эффективность LICUS оценивалась при воздействии на поврежденное ахиллово сухожилие, стимуляция проводилась (1,5 Вт / см ² , 4 мин / день) на 2, 4, 9 и 21 дни после получения травмы. Влияние LICUS оценивалось по количеству образованных коллагеновых волокон. Стимуляция LICUS значительно увеличила прочность и жесткость сухожилия [3].

В клиническом исследовании Best et al. участвовало 20 человек с тендинопатией локтя [4]. Участников эксперимента лечили непрерывным низкоинтенсивным ультразвуком частотой 3 МГц и интенсивностью 0,132 Вт / см ² продолжительностью 4 часов в день в течение шести недель. Через шесть недель пациенты сообщили об уменьшении боли на 3,95 ± 2,15 балла по 11-балльной числовой шкале (NRS) и об улучшении силы захвата на 2,83 ± 5,52 кг. В настоящее время активно изучается эффективность LICUS при лечении травм мягких тканей, связанных со спортом; получены положительные результаты [5].

Положительный результат применения LICUS установлен и при лечении диабетических язв. Примененная Ennis et al. терапия с использованием непрерывного ультразвука низкой интенсивности частотой 40 кГц и интенсивностью 1,25 Вт / см ² в течение 12 минут улучшила скорости заживления на 69 %, что подтверждается уменьшение площади и объема раны после 10 недель лечения [6].

Лечение боли . Несмотря на эффективность лекарств в лечении боли, их длительное использование может привести к неблагоприятным последствиям для организма в целом и его отдельных систем. В связи с этим существует необходимость в разработке новых терапевтических средств для борьбы с болью. В многочисленных исследованиях низкоинтенсивный ультразвук использовался в качестве целенаправленного неинвазивного способа обезболивания в качестве автономной или дополнительной терапии в сочетании с другими традиционными методами лечения, такими как физиотерапия и лечебная физкультура.

Непрерывный низкоинтенсивный ультразвук может облегчить скелетно-мышечную боль за счет повышения местной температуры, расширения сосудов и ускорения метаболизма. Несколько исследований показали эффективность LICUS в качестве самостоятельной или дополнительной терапии для облегчения боли в мягких тканях. В исследовании Muftic et al. приняли участие 68 пациентов, которые получали воздействие ультразвуком на протяжении 10 сеансов при интенсивности 0,4 Вт / см ² в течение 8 минут или 0,8 Вт / см ² в течение 4 минут. И мужчины, и женщины, участвующие в эксперименте, отметили снижение болевой чувствительности [7].

Клиническое исследование, проведенное Yildirim et al. показало снижение на 30 % боли по визуально-аналоговой шкале (ВАШ), предназначенной для измерения интенсивности боли, после 10 сеансов лечения LICUS на частоте 1 МГц и интенсивности 1,5 Вт / см ² по сравнению с группой плацебо [8].

Draper et al. изучили эффективность LICUS в двойном слепом исследовании у 90 пациентов с остеоартритом коленного сустава [9]. Пациенты были разделены на группы лечения ( n = 55) и плацебо ( n = 35). После шести недель ежедневного 4-часового лечения LICUS частотой 3 МГц и интенсивностью 0,132 Вт / см ² , пациенты, получавшие воздействие ультразвуком, сообщили о снижении боли в среднем на 1,96 по числовой шкале (NRS) по сравнению со снижением NRS на 0,85 в группе плацебо (лечившейся с помощью неактивного ультразвукового устройства). Эти результаты позволяют говорить о том, что LICUS является потенциальным неинвазивным методом лечения остеоартрита.

Нейромодуляция . Стимуляция низкоинтенсивным ультразвуком может активно модулировать центральную и периферическую нервную систему и играть важную роль в активности, подавлении и пролиферации нейронов, что, в свою очередь, может иметь краткосрочные и долгосрочные последствия. Стимуляция ультразвуком активирует нейроны в гиппокампе и контролирует трансляцию нейронального сигнала через синаптические натриевые и кальциевые каналы, далее ультразвук модулирует уровни внеклеточных нейромедиаторов — серотонина, дофамина и γ-аминомасляной кислоты, что потенциально позволяет лечить эпилепсию и другие расстройства, связанные с центральной нервной системы.

Исследования, проведенные Liu et al. и Zhao et al. продемонстрировали долгосрочные нейрозащитные эффекты стимуляции низкоинтенсивным ультразвуком при нейродегенеративных заболеванияхх, таких как болезни Паркинсона и Альцгеймера [10].

King et al. в сравнительном исследовании пришли к выводу о том, что непрерывный низкоинтенсивный ультразвук более эффективен, чем импульсивный в активации мотонейронов у мышей, и его влияние на моторные нейроны коррелирует с интенсивностью и продолжительностью LICUS [11]. Напротив, Kim et al. выразили мнение о том, что сфокусированный импульсивный ультразвук превосходит LICUS в активации двигательных нейронов [12]. Эти исследования демонстрируют эффективность низкоинтенсивного ультразвука в нейромодуляции центральной нервной системы, но остается неясным, какой из видов ультразвука более эффективен.

Стимуляция периферической нервной системы ультразвуком показывает аналогичные результаты. В исследованиях Downs et al. восстановление поврежденного седалищного нерва у крыс происходило значительно лучше после воздействия ультразвуком [13]. Подобные результаты продемонстрировали и другие эксперименты. Хотя также присутствует мнение, подтвержденное клиническими исследованиями, о более активном воздействии на кожные рецепторы импульсного ультразвука [14].

Сонофорез и доставка лекарств . Способность LICUS к кавитации и акустическому течению делает его многообещающим инструментом для доставки лекарств через верхний слой кожи — эпидермис. Для усиления проникновения лекарств через эпидермальный слой применялись различные неинвазивные методы, которые оказались малоэффективны.

Ультразвук, воздействуя на поверхностный слой кожи, разрыхляет соединительную ткань и повышает её проницаемость. Многочисленные исследования показали эффективность LIPUS в доставке лекарств через кожу. Cagnie et al. сообщили о 10-кратном увеличении уровней кетопрофена в синовиальной ткани после воздействия LICUS на частоте 1 МГц и интенсивности 1,5 Вт / см ² в течение 5 минут по сравнению с местным применением кетопрофена [15]. Кроме того, исследование, проведенное Aldwaikat et al. показало, что частота 20 кГц непрерывного ультразвука на 546 % по отношению к контрольной группе увеличила проникновение диклофенака натрия [16].

Применение LICUS не ограничивается сонофорезом через кожу. Непрерывный низкочастотный ультразвук успешно использовался для доставки гидрофильного красителя в роговицу кролика, а также проникновения через ногтевую пластину. Все эти эксперименты продемонстрировали потенциал LICUS для адресной доставки лекарств.

Литература:

1. Altland, O.D.; Dalecki, D.; Suchkova, V.N.; Francis, C. W. Low-intensity ultrasound increases endothelial cell nitric oxide synthase activity and nitric oxide synthesis. J. Thromb. Haemost. 2004, 2, 637–643
2. Karnes, J.L.; Burton, H. W. Continuous therapeutic ultrasound accelerates repair of contraction-induced skeletal muscle damage in rats. Arch. Phys. Med. Rehabil. 2002, 83, 1–4.
3. Sahu, N.; Viljoen, H.J.; Subramanian, A. Continuous low-intensity ultrasound attenuates IL-6 and TNFalpha-induced catabolic effects and repairs chondral fissures in bovine osteochondral explants. BMC Musculoskelet. Disord. 2019, 20, 193
4. Best, T.M.; Moore, B.; Jarit, P.; Moorman, C.T.; Lewis, G. K. Sustained acoustic medicine: Wearable, long duration ultrasonic therapy for the treatment of tendinopathy. Phys. Sportsmed. 2015, 43, 366–374
5. Draper, D.O.; Wells, A.; Wilk, K. Efficacy of Sustained Acoustic Medicine as an Add-on to Traditional Therapy in Treating Sport-related Injuries: Case Reports. Glob. J. Orthop. Res. 2020, 2, 545
6. Ennis, W.J.; Foremann, P.; Mozen, N.; Massey, J.; Conner-Kerr, T.; Meneses, P. Ultrasound therapy for recalcitrant diabetic foot ulcers: Results of a randomized, double-blind, controlled, multicenter study. Ostomy Wound Manag. 2005, 51, 24–39.
7. Muftic, M.; Miladinovic, K. Therapeutic ultrasound and pain in degenerative diseases of musculoskeletal system. Acta Inform. Med. 2013, 21, 170–172.
8. Yildirim, M.A.; Ones, K.; Goksenoglu, G. Effectiveness of Ultrasound Therapy on Myofascial Pain Syndrome of the Upper Trapezius: Randomized, Single-Blind, Placebo-Controlled Study. Arch. Rheumatol. 2018, 33, 418–423.
9. Draper, D.O.; Klyve, D.; Ortiz, R.; Best, T. M. Effect of low-intensity long-duration ultrasound on the symptomatic relief of knee osteoarthritis: A randomized, placebo-controlled double-blind study. J. Orthop. Surg. Res. 2018, 13, 257.
10. Zhao, L.; Feng, Y.; Shi, A.; Zhang, L.; Guo, S.; Wan, M. Neuroprotective Effect of Low-Intensity Pulsed Ultrasound Against MPP(+)-Induced Neurotoxicity in PC12 Cells: Involvement of K2P Channels and Stretch-Activated Ion Channels. Ultrasound Med. Biol. 2017, 43, 1986–1999; Liu, S.H.; Lai, Y.L.; Chen, B.L.; Yang, F. Y. Ultrasound Enhances the Expression of Brain-Derived Neurotrophic Factor in Astrocyte Through Activation of TrkB-Akt and Calcium-CaMK Signaling Pathways. Cereb. Cortex 2017, 27, 3152–3160.
11. King, R.L.; Brown, J.R.; Newsome, W.T.; Pauly, K. B. Effective parameters for ultrasound-induced in vivo neurostimulation. Ultrasound Med. Biol. 2013, 39, 312–331.
12. Kim, H.; Chiu, A.; Lee, S.D.; Fischer, K.; Yoo, S. S. Focused ultrasound-mediated non-invasive brain stimulation: Examination of sonication parameters. Brain Stimul. 2014, 7, 748–756.
13. Downs, M.E.; Lee, S.A.; Yang, G.; Kim, S.; Wang, Q.; Konofagou, E. E. Non-invasive peripheral nerve stimulation via focused ultrasound in vivo. Phys. Med. Biol. 2018, 63, 035011
14. Gavrilov, L. R. Use of focused ultrasound for stimulation of nerve structures. Ultrasonics 1984, 22, 132–138.
15. Cagnie, B.; Vinck, E.; Rimbaut, S.; Vanderstraeten, G. Phonophoresis versus topical application of ketoprofen: Comparison between tissue and plasma levels. Phys. Ther. 2003, 83, 707–712.
16. Aldwaikat, M.; Alarjah, M. Investigating the sonophoresis effect on the permeation of diclofenac sodium using 3D skin equivalent. Ultrason. Sonochem. 2015, 22, 580–587.