脈沖電磁場成骨生物學效應的研究進展

卓祥龍(綜述)，胡建中(審校)

(1.柳州工人醫院脊柱外科，廣西 柳州545005； 2.中南大學湘雅醫院脊柱外科，長沙 410008)

電磁場是相互聯系、相互依存的電場和磁場的統一體，變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，兩者互為因果形成電磁場。根據磁場強度和方向變化規律動磁場分為交變磁場、脈動磁場、脈沖磁場等。脈沖電磁場(pulsed electromagnetic fields,PEMFs)對成骨的影響被廣泛研究。現就PEMFs在骨形成和骨吸收過程中的調節機制及其在臨床骨科中的應用進行探討和綜述。

1 PEMFs體外成骨生物學效應

1.1骨髓間質干細胞 PEMFs能夠通過調節相關基因的表達促進骨髓間質干細胞增殖和成骨分化，提高成骨效應。研究發現，PEMFs能夠促進人骨髓間質干細胞增殖，主要發生在指數生長期，縮短滯后期，促進早期成骨分化，提高堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)產物和鈣鹽沉積[1-3]。PEMFs能夠直接刺激成骨祖細胞向成骨細胞分化，有利于體內成骨反應，但PEMFs刺激能夠提高分化中的骨髓間質干細胞礦化，誘導成骨分化，上調成骨標志基因，促進礦物質的沉積[4]。

基因參與了骨骼的形成，骨鹽代謝、細胞增殖、分化和細胞黏附等。PEMFs能夠刺激骨髓間質干細胞成骨調控基因核結合因子α1表達，提高骨形成蛋白2(bone morphogentic protein 2，BMP-2)、轉化生長因子β1(transforming growth factor β1，TGF-β1)、骨保護素(osteoprotegerin,OPG)、基質金屬蛋白酶1或3、骨鈣素和骨誕蛋白的信使RNA(mRNA)水平[4-5]，調節成骨早期相關基因(Runx2/Cbfa1和ALP)表達[3]。PEMFs能夠調節骨髓培養細胞的核因子κB受體因子和碳酸酐酶同工酶Ⅱ mRNA表達[6]。Chang等[7]研究發現，不同強度PEMFs對OPG、核因子κB受體活化因子和巨噬細胞集落刺激因子表達影響也不同，4.8 μV/cm顯著抑制破骨細胞增殖,而12.2 μV/cm則顯著刺激其增殖，對成骨細胞形成則相反。當PEMFs與BMP-2聯合具有協同作用，當刺激人骨髓間質細胞時能夠提高ALP和降鈣素水平，PEMFs還能影響BMP-2對前列腺素E2的作用，潛在地激活TGF-β1和OPG。PEMFs增強了BMP-2人骨髓基質細胞的成骨效應，說明PEMFs能夠改善體內骨內骨髓間質細胞對BMP-2的反應[8]。

1.2成骨細胞 PEMFs能夠刺激人初級成骨細胞顯著增殖，但不能促進成骨細胞和骨細胞增殖和分化，加速來源于成骨祖細胞和骨髓間充質細胞的成骨細胞凋亡[9-11]。PEMFs能夠顯著促進成骨祖細胞增殖和分化，刺激48 h可以顯著提高成骨祖細胞中S和G2、M期細胞比例和ALP活性，在增殖節段促進增殖，抑制分化，分化節段促進分化[10,12]。然而，Diniz等[13]研究結果顯示，PEEMs刺激成骨細胞系能夠顯著提高一氧化氮濃度、DNA含量，顯著增加細胞增殖節段和分化階段的ALP活性，對成骨細胞的影響是通過一氧化氮合成進行調節的。Zhang等[14]認為，電磁場波形是誘導成骨細胞反應的關鍵因素，采用不同的波形刺激新生鼠顱骨細胞，矩形波電磁場刺激促進細胞增殖，降低ALP活性，三角形波電磁場促進細胞礦化結節形成，正弦波電磁場降低細胞增殖，提高ALP活性，抑制礦化結節形成。PEMFs促進細胞增殖，抑制其分化，增加礦化結節形成。而且PEMF刺激對成骨細胞產生的效應與細胞外鈣、細胞膜上P2受體和磷脂酶C路徑有關。

Sollazzo等[15]用PEMFs刺激人成骨細胞樣細胞結果發現，PEMFs刺激能夠上調成骨相關基因(同源框基因A10、蘇氨酸蛋向激酶1)，轉導水平相關基因(鈣調蛋白基因、P2X7受體)，細胞骨架成分相關基因(纖維蛋白1、黏著斑蛋白)，膠原形成相關基因(Ⅰ型膠原蛋白α2鏈)及非膠原的基質成分形成相關基因(富含半胱氨酸分泌性酸性蛋白)的表達，下調細胞外基質蛋白降解相關基因(MMP-11、基質金屬蛋白酶11、雙特異性磷酸酶4)表達；能夠誘導細胞增殖和分化，促進細胞外基質產生和礦化，同時降低基質的降解和吸收。PEMFs還能刺激成骨細胞OPG增加，上調OPG mRNA，增加OPG/核因子κB受體活化因子配體比例，從理論上支持PEMFs成骨效應[16]，刺激前列腺素E和TGF-β1增高，通過前列腺素依賴機制中環加氧酶1調節TGF-β1，顯著降低Cx43和Cx43 mRNA水平[17]。

PEMFs 刺激不影響成骨細胞的代謝活動和細胞數，能夠增強成骨細胞的礦化，增加細胞ALP活性和礦化結節[17-18]，刺激α(Ⅰ)骨膠原素，降鈣素mRNA表達增加[19]。PEMFs刺激成骨具有表面依賴性，而且能夠提高雌激素的表面依賴，能夠調節成骨細胞合成代謝調節器成骨反應，然而PEMFs的這些效應在傳統的塑料培養皿培養的細胞不明顯[16]。組織修復過程包括蛋白合成和細胞分化。PEMFs刺激能夠促進成骨樣細胞蛋白和DNA合成和促進細胞分化。De Mattei等[20]用PEMFs刺激成骨樣細胞63(MG-63)，顯著增加[H-3]胸苷摻入，顯著降低腐胺，而亞精胺和精胺不受影響。C-myc 1 h后被激活下調，然而c-fos mRNA在0.5 h后增加然后降低。腐胺、亞精胺、精胺變化趨勢和[H-3]胸苷摻入與PEMFs治療顯著相關。可見,PEMFs影響了MG-63細胞內腐胺和DNA合成，調節了c-myc和c-fos基因表達。胰島素和類胰島素生長因子1被認為在骨形成中發揮主要合成作用，胰島素受體底物1、內皮一氧化氮合酶和S6參與骨合成代謝。PEMFs刺激促進成骨細胞合成代謝作用可能是部分通過激活蛋白進行調節的，PEMFs能夠像胰島素、甲狀旁素一樣對胰島素受體底物1、S6核糖體亞單位激酶和內皮細胞一氧化氮合酶進行磷酸化，而且效果、時相相同[21]。

PEMFs刺激能夠提高與三維多孔仿生生物支架聯合培養成骨細胞活性，促進基質鈣化，但不影響生物支架的理化性能，而且能夠改善支架表面生物相容性，促進細胞增殖并長入仿生骨生物支架。Torricelli等[22]研究了PEMFs刺激對人成骨樣細胞(MG63)與聚異丁烯酸甲酯(poly-methylmethacrylate，PMMA)和PMMA/α-磷酸三鈣仿生骨支架聯合培養。結果顯示，PMMA對成骨細胞產生不利影響，而PMMA/α-磷酸三鈣提高了ALP、Ⅰ型前膠原羧基端、骨鈣素和TGF-β1水平，降低了白細胞介素6水平。細胞對PEMF刺激反應積極，甚至在存在生物相容性差的PMMA也有積極作用，進一步改善細胞增殖和合成活動。Tsai等[23]研究表明，不同磁場強度和持續時間PEMFs刺激對于成骨細胞與多孔聚乳酸-羥基乙酸共聚物支架聯合培養細胞增殖和分化的調節作用不同，并且隨培養時間延長而變化。

1.3成軟骨細胞 PEMFs顯著促進牛軟骨蛋白多糖合成，以1.5 mT效果最好[24]，刺激體外培養的人軟骨細胞改變形態，縮回偽足，由星型、紡錘形向球型轉變[25]。PEMFs刺激支架誘導軟骨細胞移植來源的細胞，顯著增加S、G2和M期細胞，支架聯合誘導軟骨細胞促進2型膠原表達，這為支持軟骨細胞生長和增殖提供生物工程載體。外科移植鑄模誘導軟骨移植聯合物理治療是一個有前途的治療軟骨外傷性缺損又快又安全的方法[26]。PEMFs刺激軟骨細胞能夠顯著上調A(2A)和A(3)受體和熱力學參數，顯著增強A(2A)或A(3)對cAMP的作用，這可能對治療炎性關節疾病有益處[27]。

2 PEMFs體內成骨生物學效應

PEMFs刺激能有效治療骨質疏松，抑制骨丟失，促進骨重建。PEMFs刺激SD大鼠廢用性骨質疏松模型，顯著提高骨礦物質密度，促進TGF-β1分泌和抑制白細胞介素6表達[28]。PEFMs刺激卵巢切除SD大鼠骨質疏松模型，顯著抑制小梁骨丟失和恢復小梁骨結構，降低前列腺素E2水平。但van der Jagt等[29]使用顯微CT研究發現，PEMFs對于去勢大鼠骨質疏松的治療顯示微觀結構沒有改變。臨床隨機對照試驗采用PEMFs和阿侖膦酸鈉治療中國西南部婦女絕經后骨質疏松患者，結果顯示在治療24周內，測量腰椎和股骨近端骨密度、維生素D3、下肢肌力結果兩者無差別[30]。

PEMFs刺激還能提高成年健康大鼠股骨皮質和骨小梁厚度，PEMFs治療大鼠腓骨骨不連模型能夠顯著降低時間依賴性骨量丟失，顯著縮短骨切除后斷端之間的距離。PEMFs刺激能夠加快犬脛骨中段骨缺損骨骼載荷恢復，顯著加快新骨形成，提高機械強度，在骨愈合晚期促進骨小梁生成和成熟[31]。

PEMFs刺激兔脛骨牽張成骨能夠顯著提高新生骨的強度[32]，促進牽張早期(1～2周)礦物質沉積和斷端皮質成骨細胞活性，但對于牽張成骨鞏固階段作用不大[33]。動物實驗也證明,PEMFs能夠顯著改善生物材料的組織學反應，提高生物支架生物相容性，促進自體骨與支架材料骨整合，提高新生骨形成率，顯著改善骨整合力學性能[34]。PEMFs可顯著降低皮質類固醇誘導兔骨壞死發生率，這可能與PEMFs刺激血管形成因子增加和擴張血管有關[35]。

3 PEMFs在骨科的應用

在日常活動中骨骼承受循環載荷在皮質骨產生微損傷，這些微裂紋被破骨細胞清除。然后，潛伏在骨細胞中生長因子被破骨細胞激活并釋放到骨液中，這些生長因子刺激成骨細胞填充這些孔腔。PEMFs作為一種生物物理技術，能夠刺激生長因子增殖和間接促進骨重建過程，調節細胞外基質合成，這可能對于臨床刺激修復骨折和不愈合有用。臨床研究已顯示，PEMFs調節軟骨化骨中的蛋白多糖和膠原合成，體內和體外促進骨形成[36]。也有多個臨床對照試驗證明PEMFs能夠顯著提高臨床骨不連的愈合率，是治療難治性骨不連的有效手段，治愈率可高達91%，還有助于髖關節置換翻修術的臨床康復和骨儲備的恢復[37-40]。

4 展 望

隨著基礎和臨床研究的不斷深入，對于電磁場刺激與組織修復和再生的作用機制進一步認識，將來的研究將集中探索脈沖電磁場在促進組織修復、炎癥消退特別是骨修復應用中更加安全、有效的治療參數，以及電磁場刺激與骨組織工程相結合在骨組織修復中效應的研究。進一步探索其相互作用的機制，推動物理治療和骨組織工程交叉學科的快速發展。

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