靜磁場對骨改建的生物學(xué)研究進(jìn)展

顏旖萌 周永龍 劉藝帆 歐陽志強(qiáng)

（1南昌大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院2020級碩士研究生 江西南昌 330031；2南昌大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院2021級碩士研究生江西南昌 330031；3南昌大學(xué)附屬口腔醫(yī)院 江西南昌 330006）

各種退行性病變或外傷導(dǎo)致的骨缺損嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，骨組織的替代和再生成為臨床研究的重要內(nèi)容。以往采用的解決方法通常是植入骨粉或骨移植，但骨粉塑性困難且術(shù)后會發(fā)生部分或完全吸收，自體骨移植會損傷供骨部位，并發(fā)癥程度可能因部位和技術(shù)的差異而存在不同，包括出血、神經(jīng)損傷、疼痛、感染和功能喪失等[1]。使用來自骨庫的人體或動物骨移植可以防止供體部位出現(xiàn)并發(fā)癥，但存在病毒或細(xì)菌感染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以及自身對植入物的免疫排斥反應(yīng)[2]，并不能達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定而持久的預(yù)后效果。近年來，磁性納米顆粒（Magneticnano Particles,MNPs）在生物和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，多項(xiàng)研究證實(shí)了其良好的生物相容性[3]，且具有一些獨(dú)特的應(yīng)用如磁性藥物輸送[4]。Bock等[5]以功能化MNPs作為載體，利用磁場將生物制劑輸送到磁性支架內(nèi)部，提高生物制劑釋放部位的準(zhǔn)確性以及延長生物制劑作用的時(shí)間。本研究從靜磁場（SMF）對骨缺損修復(fù)的作用入手，介紹SMF對骨改建生物學(xué)研究進(jìn)展，并討論SMF在骨組織工程中的應(yīng)用前景。

1 SMF對骨缺損修復(fù)的作用

磁場包括SMF、脈沖電磁場（PEMF）、旋轉(zhuǎn)磁場（RMF）和交變電磁場。它們有助于種植體與宿主組織的結(jié)合，增加新骨的礦物質(zhì)密度，促進(jìn)缺損愈合。但電磁場既能產(chǎn)生磁場又能產(chǎn)生電流，對于哪一種因素對骨形成的作用更大，還不能得出明確的結(jié)論，且電磁場可能對組織造成熱和電危害。SMF既沒有誘導(dǎo)電流也沒有引起矢量變化，因而SMF可以直接誘導(dǎo)成骨細(xì)胞定向分化，可應(yīng)用于長期的骨骼愈合，如當(dāng)使用永磁體進(jìn)行刺激時(shí)，不需要額外的動力裝置提供外部能量。

研究表明SMF對種植體植入、骨折愈合、骨缺損等均有積極作用，Bambini等[6]發(fā)現(xiàn)在口腔種植體植入的部位周圍施加SMF刺激，可以促進(jìn)種植體周圍骨組織形成。Aydin等通過對20只植入磁性/非磁性髓內(nèi)裝置的新西蘭大白兔進(jìn)行組織學(xué)、放射學(xué)和骨密度檢查，結(jié)果表明帶SMF的髓內(nèi)植入物能夠在放射學(xué)上改善前兩周的骨愈合[7]，Meng等將磁性材料引入納米纖維支架中，從而驗(yàn)證了超順磁性納米纖維支架與外加SMF對體內(nèi)骨缺損的協(xié)同成骨作用[8]。

2 SMF對骨改建的生物學(xué)效應(yīng)

關(guān)于SMF對骨改建的生物學(xué)效應(yīng)，本文將從組織層面、細(xì)胞層面以及分子層面綜述近些年的研究情況。

2.1 組織層面骨骼具有多種生理功能，是僅次于血液的第二大移植組織[9]。但臨床中對于大型骨缺損的治療仍不理想，用組織工程化結(jié)構(gòu)修復(fù)大型骨缺損的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是血管化不足，血管化不足會導(dǎo)致氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，從而影響種子細(xì)胞的生存。成功的骨改建，不僅要求重建具有良好生物活性的血管組織，還需要有能配合其運(yùn)動，協(xié)調(diào)一致的骨骼肌結(jié)締組織，而SMF為這些問題的解決提供了新的思路。

2.1.1 血管組織對于高度血管化的骨組織，重建大型骨骼缺損的組織工程方法往往因?yàn)檠芑蛔愣10～11]。為了研究磁刺激是否可以同時(shí)激發(fā)成骨細(xì)胞活性和血管生成能力，F(xiàn)ilippi等[12]通過將MNPs摻入到含有間質(zhì)血管組織的聚乙二醇（PEG）的水凝膠中，產(chǎn)生了新型的磁化納米復(fù)合水凝膠，之后研究SMF對成骨細(xì)胞和血管生成特性的刺激作用，以單獨(dú)應(yīng)用MNPs或SMF作為對照，結(jié)果顯示在小鼠皮下植入復(fù)合水凝膠，磁驅(qū)動作用下形成了更細(xì)長的毛細(xì)血管樣結(jié)構(gòu)，并且礦化基質(zhì)沉積均較對照組增強(qiáng)。Xu等[13]使用缺血性大鼠股骨模型研究了SMF對骨形成的影響，發(fā)現(xiàn)磁化組1的骨量明顯高于未磁化組，SMF對缺血大鼠股骨骨形成的增強(qiáng)似乎是源自于股骨血液循環(huán)的改善。

2.1.2 骨骼肌結(jié)締組織在骨改建的過程中，為了重建患者的生理功能，高度血管化的骨組織至關(guān)重要，骨骼肌運(yùn)動的協(xié)調(diào)也不可或缺。研究證明磁力不僅可以激發(fā)血管生成能力，還可以加強(qiáng)骨骼肌的協(xié)調(diào)收縮。近年來，骨骼肌作為生物致動器備受關(guān)注，天然骨骼肌是由平行排列的橫紋肌管組成，而肌管是主要由膠原蛋白構(gòu)成的一種結(jié)締組織。Yamamoto等[14]利用磁性陽離子脂質(zhì)體對C2C12成肌細(xì)胞進(jìn)行磁性標(biāo)記，在外加磁力的作用下構(gòu)建人工骨骼肌組織，并對該組織的生化和收縮特性進(jìn)行了評估，組織學(xué)檢查可見細(xì)長的多核肌管。結(jié)果證明了磁力對骨骼肌組織生理功能的積極作用。

2.2 細(xì)胞層面骨是一個(gè)不斷更新的組織，主要由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞組成。成骨細(xì)胞促進(jìn)骨形成，破骨細(xì)胞誘發(fā)骨吸收，兩者間保持動態(tài)平衡，也稱為骨重塑。骨重塑對正常的骨代謝、骨完整性和適當(dāng)?shù)墓菑?qiáng)度起著舉足輕重的作用[15]。在細(xì)胞水平上，SMF可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的各項(xiàng)功能，包括增殖、分化、表面形態(tài)改變、基因表達(dá)等。

2.2.1 影響細(xì)胞增殖分化對不同類型的細(xì)胞，如骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、大鼠顱骨細(xì)胞、人骨肉瘤細(xì)胞系MG63、小鼠顱骨成骨細(xì)胞MC3T3-E1等，應(yīng)用適量SMF可增強(qiáng)細(xì)胞分化[16]。根據(jù)Owen等[17]的研究，成骨細(xì)胞分化可分為三個(gè)階段：增殖期、基質(zhì)成熟期和礦化期。與基質(zhì)發(fā)育成熟相關(guān)的膠原合成、堿性磷酸酶（ALP）活性增強(qiáng)，提示細(xì)胞從增殖期向基質(zhì)成熟期過渡。骨鈣素是成骨細(xì)胞礦化期的標(biāo)志，在大鼠顱骨細(xì)胞培養(yǎng)中，高分化的成骨細(xì)胞在礦化期表達(dá)骨鈣素。Yamamoto等[18]通過用SMF處理大鼠顱骨細(xì)胞，研究SMF對成骨細(xì)胞增殖分化的作用，發(fā)現(xiàn)SMF暴露組培養(yǎng)液中，骨鈣素的含量以及ALP活性均增加，并且SMF存在時(shí)，骨結(jié)節(jié)的總面積、個(gè)數(shù)和平均大小均處于較高水平，表明SMF通過促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和/或激活來刺激骨形成。然而，分化效應(yīng)的機(jī)制尚未被很好地描述。Huang等[19]推測SMF通過調(diào)節(jié)細(xì)胞釋放的早期局部因子，從而刺激成骨細(xì)胞的分化。通過比較SMF暴露組和未暴露組中細(xì)胞轉(zhuǎn)化生長因子-β1、I型膠原、骨橋蛋白和堿性磷酸酶水平，表明SMF暴露組的MG63細(xì)胞產(chǎn)生的局部調(diào)節(jié)因子大于對照組細(xì)胞。這些發(fā)現(xiàn)提供了SMF通過上調(diào)早期局部因子影響成骨細(xì)胞成熟的證據(jù)。

2.2.2 影響細(xì)胞形態(tài)SMF可以直接影響細(xì)胞膜、細(xì)胞骨架和蛋白質(zhì)分布（如肌動蛋白絲），從而促進(jìn)細(xì)胞形態(tài)的改變。Abadi等[20]歸納了有關(guān)中等強(qiáng)度SMF生物學(xué)效應(yīng)的形態(tài)學(xué)研究數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡率以及細(xì)胞表面形狀都受到SMF刺激的影響。細(xì)胞暴露于SMF促進(jìn)了F-肌動蛋白絲的重排，而F-肌動蛋白絲又可能引起細(xì)胞表面修飾，從而導(dǎo)致細(xì)胞形狀和質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的改變[21]。

2.2.3 影響細(xì)胞基因表達(dá)基因表達(dá)在細(xì)胞代謝、生物合成和細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中起著重要作用[22]。SMF一旦作用于DNA的完整性以及DNA轉(zhuǎn)錄和翻譯，就被引用為這些過程的改變因子。Wang[23]等發(fā)現(xiàn)高磁引力環(huán)境能同時(shí)影響成骨細(xì)胞基因和細(xì)胞骨架相關(guān)基因的表達(dá)，之后該研究團(tuán)隊(duì)使用特殊設(shè)計(jì)的具有大梯度高磁場（LG-HMF）的超導(dǎo)磁體，研究了LG-HMF對骨細(xì)胞樣細(xì)胞系MLO-Y4基因表達(dá)譜的影響，結(jié)果表明LG-HMF會影響骨細(xì)胞中能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)。廖鐘財(cái)[24]研究團(tuán)隊(duì)分析骨樣細(xì)胞系MLO-Y4在不同SMF強(qiáng)度下的生物學(xué)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)MLO-Y4細(xì)胞在500 nT亞磁場作用下促進(jìn)了RANKL基因而抑制Cx43基因表達(dá)，在0.2 T中強(qiáng)磁場下無明顯生物學(xué)行為變化，而在16 T強(qiáng)磁場下抑制了RANKL基因而促進(jìn)iNOS基因和Cx43基因表達(dá)，據(jù)推測MLO-Y4細(xì)胞在磁場中的基因表達(dá)可能與連接蛋白半通道有關(guān)[25]。

2.3 分子層面SMF對骨改建的生物學(xué)效應(yīng)，無論對于組織層面還是細(xì)胞層面來說，必然同時(shí)伴有分子層面的改變。SMF對骨改建的調(diào)控可能是SMF影響了細(xì)胞膜、細(xì)胞內(nèi)鈣離子以及礦物質(zhì)元素等，接下來將從分子層面綜述目前的研究情況。

2.3.1 細(xì)胞膜細(xì)胞膜是SMF作用的主要靶點(diǎn)之一，主要是因?yàn)榧?xì)胞膜的磷脂雙分子層具有抗磁性各向異性[25]。當(dāng)磁通量密度超過一定閾值時(shí)，磷脂雙分子層在SMF中將發(fā)生重排，這可能導(dǎo)致細(xì)胞膜變形，改變離子通道、離子泵等，從而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)，影響細(xì)胞膜的生物物理特性（如膜流動性）。并且這種作用主要是針對細(xì)胞膜親水區(qū)域，而非疏水區(qū)域，膜流動性常被用來評估SMF處理后細(xì)胞膜的生物物理特性變化。研究表明SMF可改變細(xì)胞膜兩側(cè)的流體靜壓，影響膜流動性從而影響成骨細(xì)胞的分化。此外有研究[26]顯示，磁場會作用于細(xì)胞膜上的受體，激活cAMP系統(tǒng)，活化酶系統(tǒng)從而促進(jìn)細(xì)胞的增殖分化。

2.3.2 鈣離子目前很多研究認(rèn)為，SMF通過鈣離子信號通道產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)[27]。鈣離子濃度的變化可以影響細(xì)胞骨架之間的相互作用或影響鈣離子結(jié)合蛋白。王勝國等[28]認(rèn)為，一定強(qiáng)度的SMF可以促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，增加成骨細(xì)胞的ALP活性。其機(jī)制可能是SMF作用于細(xì)胞膜，使表面鈣泵的活性變化，繼而導(dǎo)致成骨細(xì)胞活性的改變。此外，王勝國及其他研究人員動態(tài)檢測加載SMF后成骨細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度變化，結(jié)果表明一定強(qiáng)度的SMF能夠降低成骨細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度。其他研究也顯示，0.4 T的SMF可通過影響牙髓干細(xì)胞的細(xì)胞膜和激活細(xì)胞內(nèi)鈣離子，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖[29]。因此，磁場促成骨細(xì)胞增殖可能與鈣離子濃度變化有關(guān)，磁場通過改變鈣離子濃度，調(diào)控核內(nèi)因子，從而調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖分化。

2.3.3 礦物質(zhì)元素Zhang等[30]使用500 nT的低磁場（HyMF），0.2 T的中度SMF（MMF）和16 T的高SMF（HiMF）研究SMF對MC3T3-E1細(xì)胞礦化過程中礦物元素含量的影響。結(jié)果表明，分化中的成骨細(xì)胞比未分化的成骨細(xì)胞積累了更多的礦物質(zhì)元素，HyMF降低了成骨細(xì)胞的分化能力，但不影響礦物質(zhì)元素的含量；MMF雖降低了成骨細(xì)胞分化能力，但仍伴有鐵含量升高；HiMF增強(qiáng)了成骨細(xì)胞的分化能力，并增加了除銅外的所有礦物質(zhì)元素含量。這提示SMF作用下成骨細(xì)胞分化電位的改變可能與不同礦物質(zhì)元素的參與有關(guān)。Yang等[31]評估了SMF對骨細(xì)胞（尤其是成骨細(xì)胞）功能的影響并進(jìn)一步探索了機(jī)制，發(fā)現(xiàn)SMF在成骨細(xì)胞的增殖和分化過程中改變了鐵元素含量，表明鐵元素可能參與了SMF作用于成骨細(xì)胞分化的過程。

3 小結(jié)與展望

在有關(guān)骨組織的外界物理刺激中，SMF因?yàn)槠浏熜Х€(wěn)定且能克服電磁場電熱效應(yīng)對人體造成的傷害，而得到了極大的關(guān)注。雖然SMF對骨組織的影響機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，但是在臨床上利用SMF促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化，抑制破骨細(xì)胞活性，增加骨量，從而開展對于骨移植、骨質(zhì)疏松、骨折愈合、骨關(guān)節(jié)疾病等治療的報(bào)道已并不少見。許多研究表明SMF無論在組織、細(xì)胞乃至分子層面都對骨組織改建有生物學(xué)效應(yīng)，SMF能夠同時(shí)激發(fā)成骨細(xì)胞和血管生成能力，促進(jìn)骨骼肌肌纖維收縮特性。作為新興的生物分子材料，磁性材料應(yīng)用于骨組織工程，使得在磁場作用下，細(xì)胞支架可以像磁鐵一樣被激活并發(fā)揮作用，這在克服現(xiàn)有骨替代療法的局限性方面具有巨大的潛力。因此，了解SMF對于骨改建的生物學(xué)效應(yīng)，可以使臨床醫(yī)師更好地利用磁場來滿足醫(yī)學(xué)需求。隨著磁性材料性能的提高以及對SMF作用機(jī)制研究的深入，SMF在骨組織工程中的應(yīng)用前景將更加廣泛。