Přínosy základního, preklinického a klinického výzkumu k uplatnění indukovaných elektrických proudů v indikacích rehabilitační a fyzikální medicíny

Overview

Aplikace indukovaných elektrických proudů se v současné rehabilitaci a fyzikální medicíně uplatňují ve stále rostoucí míře. Indukované elektrické proudy jsou vytvářeny časově proměnným magnetickým polem a jsou zřejmě jediným nebo alespoň hlavním biologicky účinným faktorem působení nízkofrekvenčních elektromagnetických polí. Kromě již „klasické“ pulzní magnetoterapie, která poskytuje nejmenší hustoty indukovaných elektrických proudů (obvykle tisíciny až setiny A/m2), se stále více prosazuje i tzv. distanční, čili bezkontaktní elektroterapie, v cizině známá spíše pod názvy contactless electrotherapy, electrodeless therapy, inductively coupled electromagnetic field therapy, high-induction electromagnetic field therapy apod., která obvykle pracuje s vyššími proudovými hustotami amplitud impulzů indukovaných elektrických proudů v řádech minimálně desetin až jednotek A/m2. Významný rozvoj zaznamenává i tzv. vysokoindukční magnetická stimulace (high-induction magnetic stimulation) s percepčními i svalově motorickými účinky, která poskytuje v léčených tkáních proudové hustoty řádově desítek až stovek A/m2. V této práci jsme se nejprve zabývali výzkumem vlivu indukovaných elektrických proudů na senzorické neurony zodpovědné za převod podnětů různých modalit, včetně podnětů souvisejících s nocicepcí. U těchto buněk jsme bradykininem modelovali zánět provázený zvýšením koncentrace kalciových iontů v intracelulárním prostoru. Prokázali jsme vliv distanční elektroterapie i vysokoindukční magnetické stimulace na snížení koncentrace kalcia v buňce i na pomalejší nástup a pokles bradykininem indukované kalciové vlny. Indukované elektrické proudové impulzy. produkované vysokoindukční magnetickou stimulací, spontánní neuronální aktivitu primárních aferentních senzorických buněk bez přítomnosti mediátoru zánětu bradykininu však zvyšovaly. Další výzkum byl zaměřen na studium chování endoteliálních buněk, významných z hlediska angiogeneze, pod vlivem indukovaných elektrických proudů. Zde byl prokázán vliv nízkofrekvenčních impulzních indukovaných elektrických proudů na viabilitu těchto buněk a na jejich metabolickou aktivitu. Naopak na mezenchymální stromální buňky neměly impulzní indukované proudy vliv, ale zato se projevil vliv amplitudově modulovaných indukovaných harmonických proudů kiloherzových frekvencí, kdy byla signifikantně zvýšena migrační schopnost těchto kmenových buněk, podílejících se na regenerativních procesech, jakož i jejich schopnost produkovat ve zvýšené míře matrix-metaloproteinázy. V rámci předložené publikace je referováno též o animální studii, kde byla u sus scrofa aplikována vysokoindukční magnetická stimulace na oblast hrudníku. Přes mohutné svalové kontrakce prsních svalů nebyl z analýzy EKG zjištěn jiný vliv nežli mírné změny HRV (heart rate variability). Na zdravých probandech byl studován vliv vysokoindukční magnetické stimulace na elasticitu ligamentum patellae. Pomocí ultrazvukové elastometrie bylo prokázáno snížení Yangova modulu pružnosti tohoto vazu, svědčící o zlepšení jeho elastických vlastností po aplikaci vysokoindukční magnetické stimulace. Na souboru pacientů s degenerativními postiženími pohybového aparátu byl klinicky studován vliv vysokoindukční magnetické stimulace na bolest. Prokázán byl ústup bolesti u chronických pacientů o 1,6 stupně desetistupňové škály.

Klíčová slova:

vysokoindukční magnetická stimulace – indukovaný elektrický proud – elektromagnetické pole – primární senzorický neuron – iontový kanál – bradykinin – ultrazvuková elastografie – endoteliální buňky – stromální mezenchymální buňky – viabilita buněk – migrace buněk – matrix-metaloproteináza – kolenní artróza – vertebrogenní algický syndrom – muskuloskeletární systém – variabilita srdeční frekvence

ÚVOD

V současné fyzikální medicíně jsou stále častěji využívány fyzikální intervence, založené na aplikaci nejrůznějších typů nízkofrekvenčních periodicky časově proměnných magnetických polí, tedy nízkofrekvenčních polí elektromagnetických. Vzniká však otázka, jaký je mechanismus a účinnost tohoto léčebného působení a jaká fyzikální veličina ve skutečnosti působí na buňky, tkáně a orgány léčeného těla. Směrnice ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: Guidelines for limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields), která je implementována v legislativě Evropského společenství i většiny zemí světa, a v české legislativě je představována nařízením vlády č. 291/2015 Sb., dříve Nařízením vlády č. 1/2008 Sb., o ochraně zdraví před ne­ionizujícím zářením (5). Jasně vymezuje, že tímto biologicky účinným projevem nízkofrekvenčních elektromagnetických polí je indukovaný elektrický proud, jehož amplituda je závislá na velikosti magnetické složky elektromagnetického pole, tedy magnetické indukci, a na rychlosti časových změn této veličiny. Biologická účinnost indukovaného elektrického proudu je přitom dána jeho proudovou hustotou, to znamená velikostí elektrického náboje přeneseného přes jednotku plochy (jednotkou soustavy SI je A/m²). Lidské tkáně jsou vodičem 2. řádu s měrným odporem relativně dobře vodivých tkání (svaly, nervy, tělesné tekutiny) kolem 2 Ωm. Časově proměnné magnetické pole ve tkáních bez ohledu na jejich vodivost vytvoří (indukuje) indukované elektrické pole (jednotka V/m). Ovšem ve vodivých tkáních toto indukované elektrické pole způsobí pohyb nosičů elektrických nábojů, elektrický proud, jehož proudová hustota je biologicky účinným fyzikálním podnětem a představuje fyzikální energii interagující s živou tkání. Upozorňujeme, že stále uvažujeme pouze o nízkofrekvenčním působení, definovaném podle (5) do frekvence 100 kHz. V případě distanční elektroterapie a vysokoindukční magnetické stimulace se však obvykle pohybujeme řádově maximálně do jednotek až desítek kHz. Ve světle těchto skutečností lze vytvořit graf (obr. 1), na kterém vodorovná osa popisuje rychlost časových změn časově proměnného magnetického pole, a svislá osa velikost magnetické indukce (v jednotkách Tesla, T). Šikmo položené úsečky pak představují amplitudu indukovaného elektrického pole, respektive amplitudu hustoty indukovaného elektrického proudu. Podle (5) se biologická účinnost těchto proudů projevuje hraničně již od řádu tisícin A/m², ale zjistitelné biologické efekty lze prokazovat až v řádech desetin až jednotek A/m², percepční projevy až kolem 10 A/m² a motorické efekty (svalové kontrakce) až při několika desítkách až stovkách A/m². Graf na obrázku 1 zároveň vymezuje oblast uplatnění pulzní magnetoterapie, distanční (bezkontaktní) elektroterapie a vysokoindukční magnetické stimulace.

Studium působení indukovaných elektrických proudů na senzorické nervové buňky

V nedávné době se nám podařilo prokázat účinek těchto indukovaných elektrických proudů na změny koncentrace vápenatých iontů, jako regulačního podnětu v buňkách se simulovaným zánětem, a tak přispět k objasnění mechanismu účinku této fyzikální intervence při sterilních i nesterilních zánětech v oblasti pohybového aparátu a při nervovém přenosu informace o bolesti.

Jako buněčný model účinků bezkontaktně aplikovaných indukovaných elektrických proudů impulzního časového průběhu byly zvoleny primární senzorické nervové buňky, poněvadž klinické efekty fyzioterapeutických přístrojů pro distanční elektroléčbu a vysokoindukční magnetickou stimulaci s vysokou pravděpodobností souvisejí právě s působením indukovaných elektrických proudů na senzorické nervové buňky. Pro studium vlivu indukovaných elektrických proudů byly zvoleny buňky typu F11 (ECACC 08062601), hybridomální buňky, embryonální neurony ganglií zadních míšních kořenů u potkana – tedy model specifické podskupiny senzorických neuronů zodpovědných za převod podnětů různých modalit, včetně podnětů souvisejících s nocicepcí a bolestí, souvisejících se zánětem, úrazem, degenerativním onemocněním lokomočního aparátu, ale také s procesy hojení, reparace a regenerace, tedy s hlavními klinickými účinky aplikace indukovaných elektrických proudů (pulzní magnetoterapie, distanční elektroléčba, vysokoindukční magnetická stimulace) odpovídajícími fyzikálně-léčebnými přístroji. Na této buněčné linii jsme pozorovali následující patrné účinky indukovaných elektrických proudů jako důsledku působení nízkofrekvenčního elektromagnetického pole, na které by bylo vhodné se zaměřit i v dalším výzkumu.

Nejprve byl zkoumán vliv impulzního indukovaného elektrického proudu na modelové senzorické nervové buňky v přítomnosti zánětlivého mediátoru, jehož zvýšená koncentrace je v podmínkách in vivo spojena s typickými projevy bolesti. Sterilní, někdy i nesterilní zánět, je obvyklým stavem provázejícím degenerativní onemocnění pohybového aparátu i následky jeho poškození, což jsou obvyklé indikace přístrojů aplikujících pulzní i harmonické (sinusoidální), respektive interferenční nebo amplitudově modulované indukované elektroléčebné proudy. Zánět byl experimentálně simulován bradykininem, který byl k buněčné kultuře v účinné koncentraci (10 nM) přidán. Bradykinin je nativní vazodilatačně a nocicepčně působící peptid o 9 aminokyselinách, typický zánětlivý mediátor.

Účinek chemicky indukovaných odpovědí byl pozorován jako časový průběh změn koncentrace vápenatých iontů v nitrobuněčném prostředí. Volné kalciové ionty uvnitř buňky jsou odrazem aktivace specifických receptorů, jež vážou bradykinin a aktivují řadu signálních drah v buňce.  Je známo, že tyto signální dráhy ovlivňují aktivitu různých iontových kanálů, jejichž otevření způsobí depolarizaci buněčné membrány a následný výlev neuropřenašečů na centrálních synapsích nervových buněk. V centrálním nervovém systému je signál následně modulován a převeden do vyšších nervových struktur. Snahou fyzikálně terapeutických přístupů je příznivě ovlivnit projevy neuroplasticity, podpořit reparaci buňky a normalizaci buněčných procesů, případně zajistit zánik již neopravitelné buňky apoptózou, tedy bez rizika nekrotických procesů ničících okolní buňky.

Na grafu 2, převzatém z publikace (11), je v části obrázku A vlevo znázorněn průměr časového záznamu změn intracelulární koncentrace volných vápenatých iontů při dvou po sobě následujících třicetivteřinových aplikacích bradykininu na tkáňovou kulturu F11 neuronů. Časový odstup mezi dvěma aplikacemi byl 3 minuty. Bylo sledováno 85 kontrolních buněk (křivka šedé barvy) a 46 buněk exponovaných po celou dobu záznamu časově proměnným nízkofrekvenčním elektromagnetickým polem, produkujícím biologicky potenciálně účinné impulzy indukovaných elektrických proudů (křivka červené barvy). Použit byl přístroj VAS-7 edice „Better Future“, výrobce Embitron s.r.o., s impulzními indukovanými proudy o parametrech typických (1, 2) pro tuto proceduru (proudová hustota 0,1 – 1 A/m², frekvence impulsů 72 Hz, šířka impulsu 340 mikrosekund). Data jsou průměrem tří nezávislých experimentů pro každou skupinu, měření jsou realizována ekvidistantně po 1 sekundě.

Na obrázku 2, v části A vpravo, je vyobrazen průměr časového průběhu odpovědí na stejný chemický podnět, ovšem při působení indukovaných elektrických proudů o proudových hustotách o dva řády vyšších (10–100 A/m²), tedy odpovídajících vysokoindukční magnetické stimulaci s percepčními a motorickými účinky na dráždivé tkáně (použit byl přístroj pro vysokoindukční magnetickou stimulaci typu Saluter Moti, výrobce Embitron s.r.o., max.  magnetická indukce 3 T, harmonický bipolární impulz délky 350 μs (mikrosekund), frekvence 20 Hz, impulzy v paketech o délce 2 s, pauzy doby trvání 5 s, 28 buněk exponovaných, modrá barva křivky, 28 buněk kontrolních, šedá barva křivky).

Odezva má v obou případech podobný charakter, i když v případě vyšších proudových hustot je charakter změn vyvolaných fyzikální intervencí výraznější. Ovšem rovněž distanční elektroterapie (levá část obr. 2A), aplikující indukované elektrické proudy o proudové hustotě maximálně kolem 1A/m², způsobuje zřetelnou odezvu, což svědčí o tom, že distanční elektroterapie je na buněčné úrovni prokazatelně účinnou metodou, přestože je apercepční. Účinek indukovaných elektrických proudů se projevuje až při druhé odpovědi na bradykinin.  Snížení citlivosti k mediátoru zánětu v důsledku působení nízkofrekvenčního elektromagnetického pole, respektive jím indukovaných elektrických proudů, může v reálných podmínkách představovat obranný mechanismus, který chrání buňku před jejím zánikem nebo poškozením.

Při aplikaci indukovaných elektrických impulzů generovaných přístrojem pro distanční elektroléčbu (proudová hustota indukovaných elektrických proudů v amplitudě jejich pulzů 0,1 – 1 A/m²) je účinnost bradykininu snížena a odeznění druhé bradykininové odpovědi výrazně opožděno (viz dolní část obr. 2A). Tato pozorování mohou vést k hypotéze, že účinky distanční elektroterapie mohou být nejen reparační, resp. apoptické, ale ovlivňují také výlev neuropřenašečů, převádějících informaci o bolesti do centrálního nervového systému. Vlivem aplikovaných indukovaných elektrických proudů může být v podmínkách zánětu snížena účinnost převodu nocicepčního podnětu z periferie do centrálního nervového systému. Tlumená odezva buněčné komunikace v podmínkách modelového zánětu je tedy charakteristická pro působení přístrojů pro distanční elektroterapii. Při aplikaci přístroje primárně určeného pro tzv. vysokoindukční magnetickou stimulaci (proudová hustota indukovaných elektrických proudů v amplitudě jejich pulzů 10–100 A/m²) se dospělo k podobným závěrům, navíc je však patrné, že účinnost bradykininu je snížena ještě výrazněji a doba nástupu odpovědi je signifikantně zpomalena a doba jejího odeznění je zkrácena (obr. 2A dole, obr. 2B).

V případě vysokoindukční magnetické stimulace, charakterizované proudovými hustotami řádu desítek až stovek A/m²,  je redukce nárůstu koncentrace kalcia v buňce vystavené zánětlivému mediátoru výraznější, ovšem tento jev je patrný i při proudových hustotách desetin až jednotek A/m², tedy hodnotách aplikovaných při tzv. distanční elektroterapii. Lze uvažovat o hypotéze, že buňka postižená zánětem nebo i jiným oslabením si pod vlivem indukovaných elektrických proudových impulzů lépe zachovává svoji funkčnost a schopnost reagovat na vnější podněty.

Působení indukovaných elektrických impulzních proudů má vliv nejen na snížení koncentrace kalcia v buňce, ale též na rychlost nárůstu i rychlost poklesu koncentrace kalcia v buňce. Prodloužení poklesu koncentrace vápenatých iontů uvnitř neuronu, jako informačního podnětu pro buněčnou odpověď, je patrné v případě distanční elektroterapie (proudové hustoty v řádu desetin až jednotek A/m²). Buňka tak může aktivovat reparační procesy po delší dobu a s nižším rizikem poškození nebo zničení. Naopak v případě vysokoindukční magnetické stimulace (proudové hustoty v řádu desítek až stovek A/m²) je i nárůst koncentrace kalcia signifikantně zpomalen, takže buňka stačí lépe reagovat informaci v době nástupu této informace.

V zásadě má však distanční (bezkontaktní) elektroterapie i vysokoindukční magnetická stimulace na buněčné úrovni senzorických nervových buněk překvapivě podobný efekt, lišící se především intenzitou reakce s určitými potenciálními výhodami na straně vysokoindukční magnetické stimulace.

Bylo tedy experimentálně potvrzeno, že indukčně vázané nízkofrekvenční impulzní elektrické proudy snižují bradykininem indukovanou vápníkovou odpověď. Pro některé typy vysokoindukční magnetické stimulace (řádově desítky A/m² proudové hustoty a delší pulzní pakety s vyššími frekvencemi kolem 50 Hz a výše) se efekt inhibice bradykininové odpovědi v senzorických neuronech neprojevil až při druhé bradykininové odpovědi, ale bezprostředně při první aplikaci bradykininu, s výrazným projevem inhibice a se signifikantně sníženou rychlostí odpovědi (obr. 3).

Experimentálně byl rovněž studován vliv indukčně vázaných impulzních elektrických proudů o vysokých proudových hustotách (vysokoindukční magnetická stimulace, proudové hustoty v buněčné suspenzi desítky až stovky A/m²) na spontánní aktivitu sledovaných primárních aferentních senzorických buněk, tedy bez ovlivnění mediátorem zánětu bradykininem. Buňky, projevující spontánní aktivitu se ve fluorescenčním mikroskopu jeví jako zeleně svítící, ilustraci poskytuje obr. 4.

Samotné objektivní vyhodnocení tohoto jevu však musí využívat statistických metod, speciálně výpočtu spektrální výkonové hustoty získaného frekvenčního signálu. Tímto analytickým nástrojem byla zcela jednoznačně potvrzena závislost spontánní aktivity buněk na aplikované vysokoindukční magnetické stimulaci. Na obr. 5 je patrné, že v době působení elektrického podnětu a určitou dobu po něm je spontánní buněčná aktivita signifikantně zvýšena.

Tento výsledek poukazuje na klinický význam vysokoindukční magnetické stimulace, týkající se podpory spontánní aktivity neuronů, čímž se otevírají možnosti dalšího testování hypotéz, které by mohly vést ke smysluplnému využití této procedury v celé řadě neurologických indikací. Zdůrazněme, že tento jev byl pozorován pouze u vysokoindukční magnetické stimulace s proudovými hustotami alespoň v řádu desítek A/m², tedy indukovanými elektrickými pulzními proudy klinicky způsobujícími již alespoň percepční efekty. U samotné distanční elektroterapie s proudovými hustotami kolem 1 A/m² nebyl tento jev pozorován.

Otázky vzniku a přenosu informace o bolesti a její modulace působením distanční elektroléčby a vysokoindukční magnetické stimulace byly našim výzkumným týmem rovněž studovány na modelu F11 buněk, do kterých byl experimentálně vnesen gen kódující TRPA1 receptory. Aktivita tohoto receptoru zajišťuje převod nocicepčních podnětů na primárních aferentních senzorických neuronech u savců. Tyto iontové kanály mají klíčovou úlohu v mechanismech vzniku bolesti (nocicepce) při zánětu, a cílem bylo zjistit, zda vysokoindukční magnetická stimulace může ovlivnit aktivitu právě těch neuronů, které TRPA1 zvýšeně exprimují. Pod vlivem vysokoindukční magnetické stimulace je zřetelně potlačována neuronální aktivita, viz grafy na obr. 6. Zmiňované výzkumy byly uskutečněny na pracovišti Oddělení buněčné neurofyziologie Fyziologického ústavu Akademie věd České republiky v Praze.

Pochopitelně, že pro vyvolání percepčních nebo dokonce motorických efektů dráždivých nervových a svalových tkání, spojených se vznikem a šířením akčního potenciálu (obr. 7), intenzita indukovaného elektrického pole a indukovaná proudová hustota typická pro distanční elektroterapii není ještě dostačující, takže realizace percepční stimulace nebo svalové stimulace může být dosaženo až vysokoindukční magnetickou stimulací (obr. 7).

Studium působení indukovaných elektrických proudů produkovaných bezkontaktní (distanční) elektroterapií na endoteliální buňky astromální mezenchymální buňky

Další, dosud probíhající biomedicíncký výzkum preklinických účinků indukovaných elektrických proudů, produkovaných zdravotnickými prostředky typu „distanční elektroterapie“ s indukovaným elektrickým polem řádů desetin až jednotek V/m, je zaměřen na:

• a)  výzkum vlivu impulzních i interferenčních indukovaných elektrických proudů na endoteliální buňky,
• b)  výzkum vlivu impulzních i interferenčních indukovaných elektrických proudů na stromální mezenchymální buňky.

Ad a)

Endoteliální buňky jsou vysoce specializované epitelové buňky, které lemují srdce, cévy a lymfatické cévy a které tvoří endotel. Jsou polygonálního tvaru a spojeny jsou tzv. tight junctions. Tight junctions umožňují variabilní propustnost pro specifické makromolekuly, které jsou přepravovány přes endoteliální vrstvy. Endoteliální buňky mají zcela zásadní význam při angiogenezi - procesu nezbytném při jakémkoliv hojení, zánětu i při kompenzaci degenerativních onemocnění tkání, tedy prakticky ve všech indikacích distanční elektroléčby a vysokoindukční magnetické stimulace.

Byly zkoumány lidské i myší endoteliální buňky pod vlivem impulzních indukovaných elektrických proudů typických jako léčebné agens pro přístroje určené k jejich aplikaci (distanční, čili bezkontaktní elektroterapie). V případě těchto impulzních indukovaných elektrických proudů můžeme počítat s následujícími parametry:

• hodnota špička - špička magnetického pole 5 mT,
• šířka impulzu 340 µs; tvar budicího impulzu rektangulární, 
• frekvence 72 Hz, 
• aplikace této frekvence po dobu 2,5 sekundy (burst), pak 0,5 sekundy pauza a dále periodicky. 

Indukované elektrické proudové impulzy, mající hodnotu špička – špička 4,5 mV/cm v buňkách, vytvářejí proudovou hustotu 0,27 A/m² (při předpokládané měrné vodivosti suspenze buněk 0,6 S/m).

Parametry těchto impulzních proudů jsou tedy identické parametrům proudů uplatňovaných ve výzkumných i klinických pracích prof. C.A.L. Bassetta, označovaných jako single pulse (1,2).

Obrázek 8 ukazuje zvýšení metabolické aktivity lidských (obr. 8A) i myších (obr. 8B) endoteliálních buněk pod vlivem indukčně vázaných impulzních elektrických proudů produkovaných přístrojem pro distanční čili bezkontaktní elektroterapii (označeno EM1). Křivka, označená CTR, je neozařovaná kontrolní skupina buněk, křivka označená EM2 představuje v tomto případě neúčinnou formu působení indukovaného proudu s amplitudově modulovaným harmonickým (sinusovým) průběhem, byť se srovnatelnou hodnotou amplitudy proudové hustoty indukovaného elektrického proudu tohoto harmonického průběhu. Metabolická aktivita byla ohodnocena fotometricky prostřednictvím testu MTT.

Kromě zvýšení metabolické aktivity bylo experimentálně prokázáno též celkové zvýšení viability endoteliálních buněk, na které působily induktivně vázané impulzní elektrické proudy produkované přístrojem pro distanční elektroterapii (obr. 9). Bylo tedy prokázáno rovněž zvětšení počtu endoteliálních buněk, tedy jejich usilovnější množení (na obrázku 9 označeno EM1). Celkový počet buněk byl měřen numerací na fluorescenčním mikroskopu po obarvení Calcein AM vitálním barvivem, statistika byla prováděna z 10 zorných polí objektivu 10x, přepočtena na buněčnost/cm², opět pro lidské (obr. 9A) i myší (obr. 9B) endoteliální buňky, a opět ve srovnání s kontrolou (označenou CTR) i s neúčinným působením indukovaného proudu s amplitudově modulovaným harmonickým (sinusovým) průběhem, byť se srovnatelnou hodnotou amplitudy proudové hustoty tohoto indukovaného elektrického proudu (označeno EM2).

Ad b)

Stromální mezenchymální buňky jsou multipotentní buňky schopné obnovovat poškozené tkáně. Jsou schopné se měnit (diferencovat) na široké spektrum buněčných typů, jako je chondrocyt, adipocyt, osteocyt, osteoblast, myocyt, kardiomyocyt, neuron či inzulin produkující buňka. Stromální mezenchymální buňky jsou proto důležité při jakémkoliv procesu hojení, regenerace a reparace (6), zvláště tkání lokomočního aparátu, kůže a nervových buněk, tedy v celém spektru indikací příslušných metod a fyzikálně-léčebných přístrojů, jejichž účinky se v tomto článku zabýváme. Přitom indukované elektrické proudy, produkované příslušnými fyzikálně-léčebnými přístroji, mohou příznivě ovlivňovat jak vlastní stromální buňky, nacházející se nativně v léčených tkáních pacienta, tak i stromální buňky vpravené do léčené části těla iatrogenně. Experimentální důkaz účinku interferenčních indukovaných elektrických proudů na stromální mezenchymální buňky byl proveden na buňkách získaných z lidské tukové tkáně a s následujícími parametry harmonických (sinusoidálních), amplitudově modulovaných proudů, typických pro distanční elektroléčbu a odpovídající parametrům interferenčních proudů, aplikovaných ve fyzikální léčbě a rehabilitaci:

• hodnota špička - špička magnetického pole 6 mT,
• harmonická nosná frekvence 5000 Hz, amplitudově modulována frekvencí 1 až 100 Hz se 100% promodulací, po dobu 6 sekund frekvenční vzestup (sweep) od 1 Hz do 100 Hz lineárně, po dobu dalších 6 sekund pokles ze 100 Hz na 1 Hz opět lineárně,
• indukované interferenční proudy (špičková hodnota při jedné polaritě) při intenzitě elektrického pole 18,8 mV/cm  vytvářejí proudovou hustotu 1,1 A/m²  (za předpokladu měrné vodivosti suspenze buněk 0,6 S.m).

Veškeré elektrické a magnetické veličiny byly měřeny pomocí přístroje Maschek ESM100 firmy Maschek (BRD) a pomocí přístroje Gaussmeter GM05 fy Hirst Magnetic Instruments Ltd. (GB). Studie byla provedena na společných pracovištích Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně, Veterinární a farmaceutické univerzity v Brně a Biomedicínckého ústavu Fakulty elektrotechniky a informatiky Vysokého učení technického v Brně. Ilustrativní sken v okrsku 200x600 mikrometrů ukazuje signifikantně zvýšenou schopnost stromálních buněk migrovat k místu léze přes kolagenní vrstvu a membránu. Histogram (obr. 10A) pak vystihuje kvantifikaci tohoto jevu dosaženého stimulací sinusoidálními, amplitudově modulovanými, indukčně vázanými proudy s nosnou frekvencí 5 kHz. Na obrázku 10 jsou vyznačeny migrační projevy stimulovaných a kontrolních, nestimulovaných buněk u tří různých dárců stromálních mezenchymálních buněk, získaných ultracentrifugací z tukové tkáně.

Dále bylo experimentálně dokázáno, že indukované elektrické proudy sinusoidálního (harmonického) průběhu, amplitudově modulované po vzoru léčebných interferenčních proudů, určených pro distanční elektroterapii, působí rovněž signifikantní zvýšení produkce matrix-metaloproteináz, enzymů majících význam při hojení tkání a regeneraci. Matrix-metaloproteinázy jsou důležité pro řadu biologických dějů, zahrnujících například buněčnou proliferaci, diferenciaci a remodelaci extracelulární matrix, nebo také angiogenézi a buněčnou migraci. Impulzní indukované elektrické proudy, produkované přístrojem pro distanční elektroterapii, na stromální mezenchymální buňky vliv nevykazovaly. Tyto závěry slouží mimo jiné pro podporu vhodné kombinace impulzních a interferenčních indukčně vázaných elektrických proudů v přístrojích určených pro tzv. distanční (bezkontaktní) elektroterapii.

Předběžné výsledky studia vlivu vysokoindukční magnetické stimulace na bolest při léčbě pacientů s degenerativními onemocněními pohybového aparátu

Zvýšený zájem o léčebné využití indukovaných časově proměnných elektrických proudů a získané preklinické experimentální výsledky vedly k zahájení multicentrické klinické studie na pacientech. První část této studie se uskutečnila v Hamzově odborné léčebně v Luži – Košumberku. Certifikovaným přístrojem pro vysokoindukční magnetickou stimulaci typ Saluter Moti byly aplikovány procedury, a to jednak s vyšší hodnotou magnetické indukce (2 až 2,5 T), a tím i vyšší hodnotou amplitud indukovaných elektrických proudů, jednak s hodnotami magnetické indukce nižšími o hodnotách 1 až 1,5 T. Soubor zahrnoval 32 pacientů, dva z nich léčbu přerušili, jeden pro poruchy přístroje, po níž již odmítal spolupracovat (artróza kolen), druhý pro pocity dyskomfortu psychické povahy (strach) při podávání percepčně působící procedury na CTh oblast páteře (jediná aplikace). Tito pacienti nebyli dále hodnoceni. Ostatní pacienti vyjadřovali spokojenost a často udávali zlepšení hybnosti v léčeném místě pohybového aparátu. Nežádoucí příhody nebyly zaznamenány. Bylo podáváno 15 procedur v sérii, aplikace každý den po dobu 10 minut.

V 16 dokončených případech byly léčeny velké nosné klouby dolních končetin (14 pacientů kolenní, 2 pacienti kyčelní). Ve 13 dokončených případech byla léčena bederní páteř. Jeden pacient byl léčen pro degenerativní onemocnění ramenního kloubu, kde bylo dosaženo velmi dobrého výsledku (ústup bolesti z hodnoty 6 visual analogue scale, VAS, - na hodnotu 4 VAS spolu s objektivním zlepšením hybnosti v ramenním kloubu). Celkově vyhodnocovaných sérií procedur bylo 45. Mnozí pacienti byli léčeni zároveň na obou kolenních kloubech. Pak bylo vždy aplikováno na jedné straně 2 až 2,5 T, na druhé straně 1 až 1,5 T. Zdůrazněme, že v naší studii nebyly hodnoceny jednotlivé procedury, jak je tomu např. v (7), ale celé ukončené série procedur. Tabulka 1 udává základní deskriptivní statistické údaje.

Je patrné, že účinek vysokoindukční magnetické stimulace, podávané přístrojem „Saluter Moti“, je vzhledem k palcebu (pro placebo byl zvolen ústup bolesti o jeden stupeň škály bolesti VAS) vysoce signifikantní (hladina významnosti p = 0,003). Bolest v průměru ustupovala o 1,6 stupně škály.

Mezi aplikací 2 T až 2,5 T a 1 T až 2,5 T nebyl v těchto indikacích zjištěn statisticky významný rozdíl, ačkoliv v grafické interpretaci výsledků 3D histogramy se zdá být lepší výsledek při vyšší magnetické indukci 2,5 T, a tím i vyšších hodnotách proudových hustot indukovaných elektrických proudů. Signifikantně lepší účinek procedury se projevoval v aplikacích zaměřených na páteř (v lumbální oblasti). Výsledky detailně ilustrují sloupcové diagramy na obrázku 11.

Ve srovnání s prací (7), která s cílem uplatnit důsledky vrátkové i kódové teorie tlumení bolesti aplikovala vysokoindukční magnetickou stimulaci s vyššími frekvencemi 60 – 150 Hz, byla v naší studii aplikována frekvence 20 Hz, umožňující výrazné svalové kontrakce až do úrovně hladkého až vlnitého tetanu, především s cílem příznivého ovlivnění měkkých tkání kolem léčených kloubů, zvýšení jejich elasticity, snížení svalového hypertonu, eliminace otoku (vliv na mikrosvalovou pumpu), případně efektů na buněčné úrovni popisovaných v předchozích částech této práce. Při použití této frekvence lze ještě uvažovat o vlivu na stimulaci produkce endorfinů, a tím též na ústup bolesti. V souvislosti s motorickými i senzorickými efekty vysokoindukční magnetické stimulace nelze vyloučit ani vliv na fungování autonomního nervového systému, zejména ovlivněním sympatiku na spinální etáži, čemuž by odpovídaly i výsledky (4). Důležitý se zdá být tzv. disperzní efekt (přeměna želatinózní hmoty na kapalnější fázi a rozptýlení pohyblivých složek, zejména v intersticiu), popisovaný například v (9), který souvisí s motorickými efekty podávání vysokoindukční magnetické stimulace, jehož maximum lze předpokládat spíše při nižších frekvencích (10 až 20 Hz). Nižší frekvence při vysokoindukční magnetické stimulaci v indikacích bolestivých degenerativních onemocnění rovněž používali Poděbradský a Poděbradská (9), kteří pracovali s přístrojem typu Salus Talent a při ústupu algických stavů muskuloskeletárního aparátu dosahovali příznivých výsledků (pokles bolestivosti po sérii procedur o 2,7 stupně škály VAS). Práce (7), která využívala přístroj pro vysokoindukční magnetickou stimulaci typu BTL-6000 Super Inductive System, používá sice poněkud jinou metodiku analýzy dat, ale průměrný ústup bolesti podle VAS dosahuje stupně 1,5 škály VAS, v naší studii bylo dosaženo srovnatelné hodnoty 1,6. Šťastný a Prouza (14) ve své studii, provedené rovněž s přístrojem typu 6000 Super Inductive System, aplikovali však na rozdíl od práce (7) převážně nízké frekvence (do 10 Hz), s nimiž dosáhli snížení bolesti z původní průměrné hodnoty 4,9 před první procedurou na 3,1 po poslední proceduře, tedy o 1,8 stupně VAS.

Výsledky naší i ostatních studií svědčí o analgetickém efektu vysokoindukční magnetické stimulace, dosahovaném jak s vyššími, tak i poněkud nižšími hodnotami magnetické indukce, jakož i s využitím vyšších i nižších frekvencí. V našich studiích bylo dosaženo 1,6 stupně VAS škály ústupu bolesti. Ve srovnání s tím je poněkud zarážející, že seriózní výzkum ústupu bolesti při postiženích muskuloskeletárního aparátu, provedený na souboru 340 pacientů a předložený v pracích (8, 10), poukázal na průměrných 5 až 6 stupňů VAS škály ústupu bolesti. Vysvětlení tohoto markantního rozdílu je však poměrně snadné a spočívá v rozdílné metodice sběru dat při použití VAS. V práci (8) všichni pacienti označili svoji iniciální bolest (úroveň bolesti před podáváním procedur) stupněm 10, zatímco v práci (7), jakož i v této naší recentní studii byla iniciální bolest ohodnocena pacientem subjektivně příslušným stupněm v rámci celé VAS. Pokud data z této předložené předběžné studie přepočítáme podle metodiky práce (8), pak průměrný ústup bolesti činí 3,3 stupně VAS (směrodatná odchylka 2,8). Při použití vyšších hodnot magnetické indukce činí takto přepočtený ústup bolesti 2,6 stupně, při použití nižších hodnot magnetické indukce dokonce 4,2 stupně. I po těchto přepočtech, které přibližují výsledky dosažené v ústupu bolesti při aplikaci distanční elektroléčby i vysoko-indukční magnetické stimulace vyznívá však analgetický účinek distanční (bezkontaktní) elektroléčby poněkud lépe.

Získané výsledky zároveň podporují hypotézu předpokládající, že v případech léčby degenerativních onemocnění pohybového aparátu, které jsou spojeny s potřebou svalové stimulace a svalových kontrakcí (jako je tomu například při fyzikální intervenci ligament a šlach – viz dále), požadavkem snížení svalového hypertonu, nebo naopak požadavkem posílení ochablých svalů, účinné podpory perfuze, lokálního metabolismu a trofiky, případně regenerativních a reparativních procesů apod., je vysokoindukční magnetická stimulace účinnou metodou, v některých ohledech působící výrazněji než distanční elektroterapie. Rozdíl v léčebném účinku v indikacích souvisejících s degenerativními onemocněními pohybového aparátu u obou těchto metod není však zcela zásadní a ukazuje se, že zde není nutno dosahovat extrémně vysokých hodnot proudových hustot indukovaných elektrických proudů, tedy používat v těchto indikacích nejvyšších hodnot magnetické indukce. Vysoké hodnoty magnetické indukce, a tím i mimořádně vysoké hodnoty amplitud indukovaných elektrických proudů, jsou naopak žádoucí a z hlediska maximální účinnosti nezbytné v případech, kdy se fyzikální intervencí snažíme docílit účinné myorelaxace, uvolnění hypertonických nebo spastických svalů, případně změn elastických vlastností šlach a vazů a viskoelastických účinků vůbec. Vysoké hodnoty magnetické indukce jsou rovněž nutné zvláště pro účinnou léčbu ochablosti svalstva pánevního dna i ochablosti jakýchkoliv jiných svalů, pro efektivní fyzikální intervenci při polyneuropatiích, při poruchách periferního prokrvení a při podpůrné léčbě následků iktů a úrazů míchy a mozku (hovoříme zde o periferních aplikacích).

Studium vlivu vysokoindukční magnetické stimulace na elasticitu ligament

Z hlediska experimentálního studia jednoho z posledně jmenovaných aspektů (elasticita vazů a šlach) byla uskutečněna měření (13), která měla přispět k potvrzení možností ovlivnění funkčních vlastností měkkých tkání, které mají afinitu k onemocněním pohybového aparátu, a to prostřednictvím fyzikální intervence vysokoindukční magnetickou stimulací (ve studii uplatněn přístroj typu Saluter Moti).  Zvoleno bylo ligamentum patelae, vysokoindukční magnetická stimulace měla parametry:

• frekvence 20 Hz,
• paket délky 2 s,
• pauza 5 s,
• maximální hodnota magnetické indukce 2,5 T,
• hustota indukovaného elektrického proudu v oblasti šlachy 100 A/m²,
• účinek percepční i šetrný, ale prokazatelně motorický.

Onemocnění lokomočního aparátu jsou často spojena se změnami elasticity měkkých tkání, která by měla být průtokem indukovaných elektrických proudů vysoké proudové hustoty při vysokoindukční magnetické stimulaci příznivě ovlivněna. Jako objektivizační diagnostické metody bylo použito ultrazvukové elastografie typu shear-wave, prováděné přístrojem typu Aixplorer. Obrázek 12 ilustruje měření zvoleného ligamenta.

Box-ploty na obrázku 13 vyjadřují změnu elasticity ligamenta v místě její maximální tuhosti (obr. 13A) a v celém změřeném objemu ligamenta (obr. 13B).

Všechny naměřené změny jsou konzistentní a signifikantní sumární výsledek svědčí pro zvýšení elasticity šlach a vazů vlivem léčebného působení vysokoindukční magnetické stimulace. Tento efekt je připisován mechanickému napínání a uvolňování ligamenta během svalové stimulace, prováděných s relativně vysokou frekvencí 20 Hz, kterou je ovšem sval svými kontrakcemi a uvolněními do určité míry ještě schopný periodicky sledovat, a tak zajistit požadovanou a jinak těžko dosažitelnou mechanicky evokovanou změnu struktury ligamenta, rezultující ve zvýšení elasticity. Lze uvažovat i o uplatnění efektu vlnitého tetanu. Je zřejmé, že pro tyto účely jsou nezbytné dostatečně velké amplitudy stimulujícího indukovaného elektrického proudu, a tím i použití vysokých magnetických indukcí se zřetelným svalově motorickým účinkem. V průměru se Yangův modul pružnosti při měření v celém zobrazeném objemu ligamenta zmenšil z původní hodnoty 207,3 kPa na hodnotu 121,7 kPa a při měření v místě maximální tuhosti se Yangův modul pružnosti snížil z 254,3 kPa na 1473 kPa. Výsledky byly dosaženy na hladině významnosti p=0,03. Snížení Yangova modulu pružnosti vyjadřuje zvýšení elastičnosti, tedy potřebu pro protažení vazu vynaložit menší napětí, tedy menší sílu vztaženou perpendikulárně k ploše, na níž působí. Pro ilustraci je Yangův modul pružnosti gumy může být v řádu jednotek až desítek kPa.

Příspěvek k výzkumu vlivu vysokoindukční magnetické stimulace na činnost srdce

V souvislosti s aplikací vysokoindukční magnetické stimulace vznikají otázky jejího vlivu na srdce – orgán mimořádně úzce související s generováním a vedením nativních a subtilních, avšak vitálně zcela zásadních elektrických signálů. Na rozdíl od vysokoindukční magnetické stimulace mozku (transkraniální magnetická stimulace), která je široce zavedena jako šetrnější náhrada elektrokonvulze i jako metoda fyzikální intervence při některých neurologických a psychiatrických postiženích, se otázkou vlivu vysokoindukční magnetické stimulace na srdce, jakožto „elektrický“ orgán, nezabýval dosud zřejmě nikdo. Námi provedené experimenty (Biomedicínský ústav Lékařské fakulty v Plzni Univerzity Karlovy) využívaly jako animálního modelu (obr. 14) sus scrofa domestica (prase domácí) v anestezii, s působením vysokoindukční magnetické stimulace vysoce nadprahově svalově motorickým (m. pectorales major a ostatní svaly přední části hrudníku pracovaly až do extrémně silných tetanických kontrakcí). Přesto nebyly současným měřením EKG zjištěny žádné zásadní změny v elektrické činnosti srdce. Pouze podrobnou matematickou analýzou záznamů EKG ve smyslu HRV (heart rate variability) byly zjištěny změny ve variabilitě srdeční frekvence prokazující sympatikotonní aktivaci (4).

Získané výsledky jsou jistě příznivým zjištěním podporujícím aspekt bezpečnosti vysokoindukční magnetické stimulace, ale v žádném případě neznamenají, že by se vysokoindukční magnetická stimulace mohla bezrizikově aplikovat na oblast srdce, kde je obvykle kontraindikována, zvláště u kardiaků nebo u rizikových pacientů. Přítomnost kardiostimulátoru nebo jiné elektronické náhrady v těle je přitom zcela primární a naprosto absolutní kontraindikací nejen vysokoindukční magnetické stimulace, ale též distanční elektroléčby a jakékoliv jiné aplikace indukovaných elektrických proudů a elektromagnetických polí, které by mohly funkci kardiostimulátoru nebo jakékoliv jiné elektronické náhrady v těle pacienta nepříznivě a fatálně ovlivnit. Vliv nízkofrekvenčních elektromagnetických polí, rovněž vysokoindukčních, se však se vzdáleností od aplikátoru rychle snižuje. Konkrétní bezpečná vzdálenost závisí na typu přístroje a individuální konfiguraci. Například pro přístroj SALUS Talent uvádí výrobce bezpečnost vzdálenost 150 cm od čela aplikátoru pro všechny osoby, 90 cm pro obsluhu. Vychází přitom z požadavků (5), které však neuvažují přítomnost extrémně citlivé vitálně důležité elektronické náhrady či stimulátoru v těle pacienta.

Provedený experiment poukázal na značnou odolnost fyziologicky fungujícího elektrického převodního srdečního systému a na minimální možnost ovlivnění činnosti sinoatriálního uzlu nízkofrekvenčními elektromagnetickými poli u zdravého srdce. Vysvětlení tohoto jevu můžeme hypoteticky hledat ve vynikající elektrické vodivosti prsních svalů i dobře vodivých serózních tekutin nacházejících se mezi pohrudnicí a poplicnicí i mezi perikardem a epikardem. Do těchto dobře elektricky vodivých prostředí se může soustředit větší část indukovaných elektrických proudů, zde se mohou uzavřít jejich proudové dráhy, vytvořit vysoká proudová hustota a samotné srdce tak může být tímto mechanismem od vlivu indukovaných elektrických proudů do značné míry odstíněno. Jinou hypotézou je představa o samotné „odolnosti“ sinoatriálního uzlu a celého elektrického převodního srdečního systému proti vlivům zvenčí působících elektromagnetických polí. Zdůrazněme však, že se zde jedná o vlivy vysloveně nízkofrekvenční, nikoliv vysokofrekvenční působení elektromagnetických polí, známé ve fyzikální medicíně z použití diatermie.

ZÁVĚR

Předložená práce se pokouší o podání souhrnu informací z několika studií základního, preklinického i klinického výzkumu, vysvětlujících biologické účinky nízkofrekvenčních elektromagnetických polí prostřednictvím působení elektrických proudů bezkontaktně indukovaných těmito poli. K fyzikální intervenci indukovanými elektrickými proudy dochází bez ohledu na to, zda metodu léčby označujeme jako pulzní magnetoterapii, bezkontaktní (distanční) elektroterapii nebo vysokoindukční magnetickou stimulaci. Zásadní rozdíl je však v intenzitě proudové hustoty indukovaných elektrických proudů, s jejíž zvyšující se hodnotou jsou biologické účinky lépe pozorovatelné. Samotné zvyšování magnetické indukce však nemusí být jediným faktorem vedoucím k dosažení lepších léčebných efektů. Na buněčné úrovni jsme v některých aspektech (změny intracelulární koncentrace kalcia vyvolané simulací zánětu bradykininem) zaznamenali značnou podobnost odezvy senzorických nervových buněk na působení distanční (bezkontaktní) elektroterapie i vysokoindukční magnetické stimulace, přestože se liší v jimi generovaných proudových hustotách o dva dekadické řády. V jiných aspektech (zvýšení spontánní aktivity neuronů, naopak tlumení neuronální aktivity při expresi TRPA1 receptorů bolesti) jsme však pozorovali některé efekty pouze při působení silnějších polí, a tím i vyšších hodnot indukovaných elektrických proudů (tedy jen při vysokoindukční magnetické stimulaci).

Svoji důležitost nepochybně hraje časový průběh časově proměnných elektrických vlivů. Zcela jiné efekty u endoteliálních buněk a u buněk stromálních měly indukované proudy impulzního, v zásadě rektangulárního průběhu, a velmi nízké frekvence (příznivý vliv na viabilitu a metabolismus endoteliálních buněk), než tomu bylo u buněk mezenchymálních stromálních, kde pouze amplitudově modulovaný sinusoidální průběh indukovaných elektrických proudů vyšší nosné frekvence účinně podporoval migraci a produkci matrix-metaloproteináz, tedy faktory zásadní pro tyto buňky. Přitom signifikantních efektů bylo dosahováno při indukovaných proudových hustotách řádově desetin až jednotek A/m², tedy při parametrech odpovídajících distanční (bezkontaktní) elektroterapii, která ve srovnání s vysokoindukční magnetickou stimulací produkuje o dva dekadické řády nižší hustoty indukovaného elektrického proudu. Na druhé straně však pracuje s proudovými hustotami indukovaných elektrických proudů o dva řády vyššími než tradiční pulzní magnetoterapie (obr. 1).

Zřetelně motorických účinků vysokoindukční magnetické stimulace bylo však nepochybně zapotřebí k dosažení zvýšené elasticity ligamenta patelae, a to je  nezbytné v celé řadě dalších indikací. Při samotné fyzikální léčbě degenerativních onemocnění pohybového aparátu, kde jsme se v předběžné studii zatím zaměřili především na kolenní a kyčelní artrózu a vertebrogenní potíže, se však ukazuje, že s rostoucí magnetickou indukcí roste vliv na ústup bolesti jen mírně, pokud vůbec, a že v těchto indikacích mohou být účinné i slabší fyzikální podněty. Porovnáním účinnosti vysokoindukční magnetické stimulace na ústup bolesti při degenerativních onemocněních s účinností apercepční distanční elektroterapie produkující indukované elektrické proudy o jeden až dva řády nižší, jsme zatím v předběžné studii nezaznamenali tak významný rozdíl, jaký by mohl být očekáván. Pracovali jsme však zatím s poměrně malým souborem pacientů a nezodpovězenou otázkou zůstává vliv na další možné léčebné efekty (hojení, reparace, regenerace, trofika léčených tkání, jejich metabolismus, zvýšení elastičnosti šlach a vazů, příznivé ovlivnění viskoelastických vlastností tkání, disperzní efekty, dlouhodobý efekt léčby). Nelze vyloučit ani nová zjištění související s magnetorecepcí a vnímáním elektromagnetických polí živými organismy (3). Zajímavým zjištěním je rezistence srdečního elektrického převodního systému proti vlivu vysokoindukčně generovaných indukovaných elektrických proudů, snad zajišťovaná přirozeným odstíněním srdce od zevních vlivů nízkofrekvenčních elektromagnetických polí. K těmto výsledkům se však dospělo na animálních modelech se zcela zdravým srdcem a bylo by jistě předčasné omezit opatrnost při indikování vysokoindukční magnetické stimulace na oblast hrudníku.

Poděkování a zdroje podpory

Tato publikace vznikla za podpory projektu Agentury pro zdravotnický výzkum Ministerstva zdravotnictví České republiky č. 16-28784A a za podpory projektu programu TRIO MPO č. FV20422.

Adresa ke korespondenci:

Doc. PhDr. Ing. Jaroslav Průcha, CSc., Ph.D.

Fakulta biomedicínckého inženýrství ČVUT,

1. LF UK

Studničkova 7

120 00  Praha 2