脈沖電磁場治療廢用性骨質疏松作用機制的研究進展

摘要：近年來，國內外研究顯示脈沖電磁場(PEMFS)可安全、有效防治廢用性骨質疏松。通過文獻資料查閱法，歸納了廢用性骨質疏松的分類、綜述了脈沖電磁場對廢用性骨質疏松的防治作用、意在探討脈沖電磁場(PEMFS)對廢用性骨質疏松的作用機制。結果認為脈沖電磁場(PEMFS)可能通過作用于破骨細胞、成骨細胞、軟骨內成骨、骨局部調節因子、基因表達及骨代謝達到防治廢用性骨質疏松的目的。

關鍵詞：脈沖電磁場(PEMFS)；廢用性骨質疏松；作用機制；研究進展

中圖分類號：G804.54 文章編號：1009-783X(2008)02-0046-04 文獻標識碼：A

廢用性骨質疏松癥給患者造成很多的麻煩，如何預防和減輕這類骨質疏松的程度已被廣大醫務工作者所重視。隨著生物醫學工程的發展，生物物理療法以其獨特的優勢正越來越多地引起人們的重視并運用于實踐，脈沖電磁場(PEMFS)屬于生物物理干預的重要手段之一。1989年，Bassett在總結了20多年脈沖電磁場治療的臨床和實驗研究基礎上，肯定了脈沖電磁場(PEMFS)的效果，并用Wolf定律歸納其機制，認為生物電在骨的代謝和重建中有十分重要的意義。近年來國外的一些研究已顯示PEMFS可安全、有效地抑制甚至逆轉骨質疏松的效果，使骨量增加而不破壞骨的重建過程。研究顯示PEMFS對絕經期患者骨質疏松及去卵巢大鼠骨質疏松治療有效，但PEMFS對廢用性骨質疏松的影響及其作用機制，文獻少有報道。通過查閱大量文獻資料，本文綜述了脈沖電磁場對廢用性骨質疏松的影響及其作用機制，為廢用性骨質疏松的理論和臨床研究提供指導和參考。

1 廢用性骨質疏松的定義及分類

1．1 廢用性骨質疏松的定義

骨質疏松癥(osteoporosis，簡稱OP)是以骨量減少和骨組織細微結構退變為特征的一種全身性骨骼疾病，伴有骨脆性增加，易于發生骨折，可分為原發性、繼發性和特發性三種類型。廢用性骨質疏松(disuse osteoporosis，簡稱DOP)屬繼發性骨質疏松的一種，是由于運動能力受限或功能障礙而引起全身骨礦物減少所致的骨質疏松。它可見于局部，如癱瘓病人因運動功能減退或喪失、長期臥床、外科中長期實用石膏固定和接骨板內固定等，均可誘發廢用性骨質疏松，為肌肉骨骼系統創傷或手術后的常見并發癥；也可由于太空飛行期間失重所致。

1．2 廢用性骨質疏松的常見分類

長期臥床、制動、失重是導致廢用性骨質疏松發生的三大病因。根據其病因，臨床上將廢用性骨質疏松歸納為以下幾大類。

1．2．1 截癱所致的廢用性骨質疏松

研究報道，外傷性截癱患者應用雙能X線骨密度儀測量雙側股骨近端及腰椎的骨密度，發現均表現不同程度的骨質疏松，臥床時間越長，骨質疏松越嚴重。

1．2．2 偏癱所致的廢用性骨質疏松

研究發現，老年偏癱患者偏癱側的股骨發生骨萎縮和病理性骨折頻率增加，偏癱患者要被迫臥床一段時間，由于偏癱側肢體肌肉麻痹，肢體的運動受到極大的限制，肌肉收縮對骨刺激應力的消失，再加上臥床的免負荷以及癱瘓后內分泌的改變，骨質疏松是不可避免的。

1．2．3 脊髓灰質炎麻痹肢體所致的廢用性骨質疏松

脊髓灰質炎患者下肢肌肉麻痹越嚴重，受累肢體的骨骼發育就越差，骨質疏松就越嚴重，肌肉廣泛麻痹的肢體骨骼變細、變短、骨皮質變薄、骨的形態也發生改變，表現有明顯的骨質疏松。

1．2．4 肢體骨折后所致的廢用性骨質疏松

骨折后由于局部腫脹、疼痛、固定和肢體運動量的明顯減少，下肢骨折長時間的不負重或負重量減少，造成損傷肢體的骨礦物質丟失，引起骨質疏松，這是骨折后最常見的并發癥。骨折后肢體被固定的范圍越廣、時間越長，骨質疏松就越嚴重。

1．2．5 截肢患者殘肢的廢用性骨質疏松

傳統的假肢是末端開放、殘肢插入式假肢，當負重時殘肢的皮膚肌肉等軟組織越塞越緊，而骨端并無負重，殘肢肌肉萎縮，殘肢骨表現骨質疏松。現代假肢是末端閉合的，全面接觸全面承重式假肢，由于骨端負重及肌肉生理功能的發揮，則殘肢的骨質疏松明顯地減輕，但仍有不同程度的表現。

1．2．6 失重所致的廢用性骨質疏松

失重導致廢用性骨質疏松。失重使骨骼處于無負荷、無應力刺激狀態，是骨質疏松發生的基本原因；另外，失重條件下肌萎縮，肌力下降使骨應力刺激減少，也促進廢用性骨質疏松發生。

1．2．7 各種疾病長期臥床引起的廢用性骨質疏松

各種內外婦科疾病只要是迫使患者長期臥床就會造成骨礦物質丟失，引起骨質疏松。臥床時間越長，肢體運動功能越差，引起骨質疏松的程度就越重。

2 脈沖電磁場對廢用性骨質疏松的預防作用

脈沖電磁場在骨形成、骨重建中的作用已經為近30年來的大量研究所證明。國內外研究表明，脈沖電磁場是一種具有較好應用前景的治療骨質疏松的非藥物手段。國外文獻顯示，Simske SJ等研究發現小鼠懸吊尾部2周后后肢骨量明顯丟失，但PEMFS治療組經PEMFS治療后在骨量、空隙率、力學指標方面均優于未行PEMFS治療組。Rubin CT等限制火雞左側尺骨使其免于負重，采用PEMFS對左側進行干預，研究發現PEMFS可改善皮質內骨重建水平、抑制骨內膜吸收、刺激骨膜及骨內膜新骨形成。Jayanand等研究顯示，大鼠坐骨神經切除術后骨量明顯降低，但經PEMFS治療后，股骨及脛骨的骨密度(BMD)顯著增加。Conzalea Riola J等發現電磁場作用可抑制3周齡雌性大鼠的骨吸收。Garland DE等對慢性脊髓損傷患者一側膝部進行PEMFS治療6個月，另一側為對照，治療2個月時被治療側膝部BMD增加5.1％，6個月時治療側BMD返回至接近基線水平。

國內文獻也有報道。趙玉蘭應用低頻電刺激治療腦梗死患者，結果電刺激治療組較常規治療組上下肢肢體運動功能明顯增加。劉忠良將對急性腦卒中患者在常規處理基礎上進行早期康復治療，觀察組同時配合功能性電刺激，結果發現觀察組能有效預防廢用性骨質疏松的發生，優于對照組。高玲臨床研究發現功能性電刺激能促進腦卒中偏癱患者康復，有效預防偏癱所致的廢用性骨質疏松。叢芳對脊髓損傷患者進行PEMFS治療和常規康復治療，結果發現PEMFS治療組較對照組股骨近端總體及股骨大轉子區的骨密度值明顯增加(P＜0.05)。劉文軍等用超低頻脈沖電磁場治療兔領骨骨折，結果表明，PEMFS可促進頜骨愈合。脈沖電磁場作用于胎雞顱骨可刺激顱骨骨生成蛋白2和4的mRNA的表達。以上研究均表明脈沖電磁場對積極防治骨質疏松具有重要意義。

3 脈沖電磁場對廢用性骨質疏松的作用機制

3．1 對破骨細胞和成骨細胞的影響

文獻報道外加電磁場對骨組織和成骨細胞有重要作用，而成骨細胞作為骨發生細胞對于骨損傷的修復與重建至關重要。成骨細胞分泌骨基質(膠原和糖蛋白)，并參與骨基質與骨鈣的代謝，是骨形成與修復過程中的主要功能細胞。體外實驗顯示脈沖電磁場可以促進成骨細胞的增值和分化，并且不同細胞周期階段的細胞對這一刺激信號的反映不同，處于增殖期的細胞表現為增殖加速，而開始分化的細胞則僅表現分化加速，這一現象或許可以解釋臨床中早期應用電刺激可更好地促進骨愈合的原因。另外，有電磁場刺激的細胞合成能力增強，從而合成更多的胞外基質蛋白，包括骨鈣蛋白、骨粘連蛋白、纖維連接蛋白、蛋白多糖等，同時基質的生物礦化速度也得以加快。

研究顯示，Chang K等應用不同強度的電磁場作用于大鼠初級骨髓細胞培養物，結果發現PEMFS可影響骨髓培養物中破骨細胞樣細胞的形成，并且刺激所產生的細胞因子如腫瘤壞死因子(TNF-α)，白細胞介素1p(IL-1β)與破骨細胞樣細胞數目之間有相關性。Chang K等還發現PEMFS影響去卵巢大鼠骨髓細胞中破骨細胞形成及其有關的細胞因子產量，PEMFS治療組破骨細胞形成顯著減少，TNF-αIL-1pβ及IL-6水平顯著下降，提示電刺激可抑制破骨細胞生成，可能與伴發的局部細胞因子水平下降有關。Lohmann等發現成骨細胞樣細胞MG-63對PEMFS敏感，可使局部自分泌因子如PGF-2及TGF-2含量發生變化，從而改變細胞的活性、使膠原骨鈣素的合成量增加。Chang WH等研究發現PEMFS促進骨組織形成作用可能與成骨細胞數量增多有關，而與增強成骨細胞分化作用無關。Diniz P等研究發現PEMFS(15Hz，峰值70Gs)對培養物早期階段的成骨細胞有刺激效應，可增加骨樣組織形成，并與增強細胞分化有關，但細胞數量未見增多。張曉華實驗研究發現PEMFS(頻率15Hz)能促進成骨細胞的增殖與分化。王和鳴等采用脈沖電磁場治療骨折患者，治療組早期PTH較高，而此時BGP含量亦很高，這可能是因為脈沖電磁場可降低成骨細胞對PTH的敏感度。另外陳璐璐等認為PEMFS能明顯增加成骨細胞數量和活性，并增加單位時間內骨重建中成骨細胞形成骨的頻率，促進成骨的作用大于和早于促骨吸收的作用。以上研究均表明，電流刺激能夠抑制破骨細胞的生成，促進成骨細胞的增殖、分化、促進胞外基質的合成并加速基質的鈣化，從而可促進骨的生成。

3．2 對軟骨內成骨的影響

體外實驗發現在電場和電磁場的刺激下，軟骨細胞數增殖加快，同時其表型不會改變，新生軟骨細胞仍然表達Ⅱ型膠原。國外學者應用脫鈣骨基質誘導軟骨內化骨的模型，發現電磁場可促進軟骨細胞分化，細胞基質蛋白(包括蛋白多糖和Ⅱ型膠原)合成顯著增加，合成速度加快，并伴隨著其mRNA轉錄增加，胞外基質鈣化速度加快。Aaron RK等通過實驗研究發現在電磁場作用下細胞外基質合成增加，骨成熟加快，并與電磁場作用下間質干細胞的分化能力增強有關。Pezzetti F等研究發現75Hz、23Hz的PEMFS可促進人類軟骨細胞的增殖。這些研究表明，電場和電磁場可促進軟骨痂的形成并加速軟骨內化骨的進程，為骨組織的形成提供更大的成骨支架，從而促進骨的形成。

3．3 對骨局部調節因子及基因表達的影響

骨生長因子在骨的形成和修復過程中發揮著重要作用，它們具有多種生物活性，包括致有絲分裂作用，分化和趨化作用及溶骨活性，可調節細胞的增殖、分化過程以及基質的合成。許多研究揭示了電磁場和電場對骨生長因子合成的影響，提示電磁場和電場可能是通過刺激骨生長因子的合成來發揮其生物學效應。目前體外實驗已證實電場和電磁場可促進包括IGF-2，BMP-2，BMP-4，TGF-B等多種骨生長因子的合成，并且可將其濃度維持在生理效應水平；同時研究、結果還顯示骨生長因子合成對電磁場刺激具有時間和強度依賴性。Bodamyali T等研究表明PEMFS可促進大鼠顱蓋骨成骨細胞骨小節形成及骨形態發生蛋白(BMP)的2和BMP-4的mRNA表達。Fitzsimmons RJ等研究表明電磁場可提高TE-85細胞系的增殖速率，并與胰島素樣生長因子Ⅱ結合部位的增加及培養基中促細胞分裂素的增加有關。最近的有關DNA的研究表明電磁場可通過直接影響DNA而影響基因表達。Luben等認為電磁場首先作用于胞膜，然后通過酶的級聯傳給第二信使，從而到達細胞核，引起DNA變化。但Goodman的實驗顯示脈沖電磁場能刺激細菌提取液蛋白合成，并指出胞膜不是作用的惟一途徑。Martin Blank在總結了大量實驗的基礎上，也指出脈沖電磁場有可能直接作用于DNA。這一機制可能與內源性的電活動誘導新的蛋白合成有關。這些研究結果表明，刺激骨生長因子的合成是電場和電磁場促進骨形成的機制之一，通過刺激骨生長因子的合成，電信號轉換為生物學信號，并且對電信號的生物學效應可起到放大和維持的作用。

3．4 對骨代謝的影響

PEMFS還對酶、骨礦物質代謝等方面有一定的影響。夏群等臨床研究發現脈沖電磁場使骨折患者血鈣降低，血磷升高，堿性磷酸酶(AKP)活性升高，并認為脈沖電磁場可縮短骨折愈合時間，促進人體磷鈣代謝。游偉等采用UNION-2000型骨質疏松系統對骨質疏松癥患者進行治療，指出電磁場可以激活細胞內的環磷腺苷系統，再依次激活酶系統，然后由各種酶系統激活骨或軟骨細胞形成新骨，并能引起下丘腦的促皮質激素釋放，激素增加，導致細胞內酶促反應，改善局部血液供應，降低氧張力，增加PH值，促進軟骨及骨細胞釋放大量鈣離子，加速鈣化過程。此外，文俊等發現脈沖電磁場可使紅細胞表面電荷增加，全血表觀粘度下降，從而可能改善局部血循環。郭瑞華等發現脈沖電磁場治療能促進周圍神經再生。陳建庭實驗研究發現PEMFS作用于鈉離子通道，以致細胞出現去極化，從而升高細胞內鈣離子濃度，鈣離子作為細胞內第二信使，介導PEMFS對成骨細胞功能的調節作用。綜上所述，PEMFS可使血鈣降低，血磷升高，AKP升高，促進鈣磷代謝，這為PEMFS能防治骨質疏松提供進一步的理論基礎。

4 結論與展望

脈沖電磁場療法相對藥物療法見效快、維持時間長、無副作用，并能顯著增加骨密度。科學研究和臨床試驗證實脈沖電磁場是一種不可多得的防治廢用性骨質疏松的方法。目前，研究認為脈沖電磁場可能通過影響破骨細胞和成骨細胞、影響軟骨內成骨、影響骨局部調節因子及基因表達和骨代謝的作用機制來達到防治廢用性骨質疏松的目的，其他作用機制還有待進一步研究。另外，脈沖電磁場治療使用不同的參數諸如頻率、強度、脈沖等，其對廢用性骨質疏松的影響也各不相同，目前還沒有找到哪種參數配置為最佳配置，這是以后的研究重點。