脈沖電磁場對組織創傷修復效果的研究進展

牛盈盈綜述，焦明克審校

0 引 言

建立合適的再生環境是組織創傷修復的重要手段。再生環境可為適宜的內在環境，如滿足低氧條件的敷料，也可包括脈沖電磁場(pulsed electromagnetic fields，PEMF)在內的外界刺激[1]。PEMF是由脈沖電流通過線圈時產生的瞬態磁場，能在生物的導電組織中產生微電流，從而可影響人體多系統的生理或病理狀態，即電磁場的生物效應[2]。20世紀70年代，Bassett等[3]首次報道了PEMF能促進骨骼愈合。此后，PEMF治療取得了蓬勃發展，目前已經廣泛應用于骨及軟骨、肌腱、創面、神經等領域。盡管PEMF在臨床治療中效果顯著，但作為一種物理刺激，PEMF的生物效應受磁場強度、頻率等參數影響，因此不同組織的優化參數及作用機制仍不清楚。基于此，本文對PEMF應用于不同組織修復的效果及其作用機制作一綜述。

1 PEMF對不同組織修復的效果

1.1 肌肉骨骼修復肌肉骨骼疾病是現代社會嚴重的健康問題，常規治療包括藥物、手術等，療效有限、風險大，并不能滿足患者對疾病預后的期望。目前已有大量文獻證實，PEMF能促進骨骼、肌肉、軟骨等組織修復，還具有安全無創、便捷的優點，因此有望成為肌肉骨骼疾病的替代療法[4]。

Catalano等[5]將22名絕經后骨質疏松者暴露于PEMF儀器下，該電磁設備采用低頻時變場(頻率：16～22 Hz，磁感應強度：3.0～3.6 mT)，治療后發現骨特異性堿性磷酸酶( BSAP)顯著升高，Ⅰ型膠原C端肽(CTX)、核因子κB受體活化因子配體/骨保護素(RANKL/OPG)顯著降低，提示骨細胞代謝活動增加。而骨細胞代謝活躍能促進骨組織修復，保護骨含量，減輕骨質疏松的癥狀[6]。Streit等[7]同樣發現PEMF能激活細胞活性，縮短骨骼組織修復時間。研究員以膝關節骨關節炎者為對象，發現PEMF組視覺模擬疼痛評分(VAS)下降25.5%，而對照組僅下降3.6%；PEMF組骨關節炎指數評分量表(WOMAC)評分下降18.4%，對照組僅下降2.3%[8]。目前研究認為，PEMF的作用效果與刺激間充質干細胞(mesenchymal stem cell，MSC)、成骨細胞等增殖分化有關。Martini等[9]將MSC暴露于PEMF(75 Hz，1.5 mT)中，發現PEMF能促進MSC向成骨細胞分化。在小鼠成骨細胞前體細胞為模型的實驗中，研究員發現PEMF組(50 Hz，0.6 mT)的DNA增多，鈣化明顯，證實成骨細胞也發生增殖分化[10]。

PEMF對肌腱和軟骨修復也有積極作用。Uzun等[11]在動物實驗中發現PEMF(15 Hz，1 mT)能顯著增加肌腱組織的最大負荷、韌性和應力，能調節抗炎因子，使肌腱細胞修復再生。另一體外研究測試了PEMF治療(0.1～10 Hz，0.65～1.95 μT)的軟骨細胞活力、細胞外基質成分、細胞骨架，發現PEMF能促進軟骨細胞增殖，提高細胞功能和機械性能[12]。

以上表明，PEMF可調節肌肉骨骼細胞代謝和微環境，激活組織修復能力。PEMF治療肌肉骨骼疾病是一種可行的方法，應推廣其在臨床中的應用。但以上實驗也表明PEMF在人體、動物實驗及體外中所用參數不盡相同，目前仍需要對PEMF優化參數的研究。

1.2 創面修復創面，尤其是糖尿病傷口、傷口感染等難愈創面，常會面臨藥物治療效果差、植皮手術失敗等情況，需要漫長且痛苦的治療過程[13]。這成為臨床治療的難點，也給家庭和社會造成巨大的經濟負擔。PEMF治療有利于創面修復，且還有非接觸、安全等優勢，可能是潛在的治療創面的新方法。

Khooshideh等[14]對36名剖腹產術后患者的手術創面進行干預后發現，對照組疼痛占72%，PEMF組疼痛僅占36%，且傷口愈合情況優于對照組。另一試驗發現與PEMF組相比，對照組的傷口滲出液高出2倍，炎癥因子白細胞介素1β(IL-1β)高出5倍[15]。這說明PEMF既能減輕術口疼痛，也能減輕局部炎癥反應，提高修復速度。

起初人們認為PEMF對創面修復的作用僅賴于細胞增殖。隨著研究的深入，Patruno等[16]在體外細胞實驗中發現PEMF組(50 Hz，1 mT)和對照組的傷口面積在8 h后分別為23.33%和66.6%，在24 h后分別為0%和16.6%；而使用細胞增殖抑制劑后，PEMF組的傷口面積低于非PEMF組，但大于未使用抑制劑PEMF組。該研究認為PEMF的作用不僅與細胞增殖有關，還可能與組織張力等有關。另一動物實驗中則發現PEMF(25 Hz，10 mT)能促進膠原蛋白沉積，證實了PEMF能提高組織張力[17]。霍博等[18]以糖尿病小鼠的創面為模型也得出了以上結論，并且還發現了PEMF(15 Hz，2 mT)能增加創面處新生毛細血管形成，表明創面修復效果還與血管形成有關。在此基礎上，Selvam等[19]分別用抗菌藥膏、PEMF和電刺激處理大鼠背部II度燒傷創面，發現PEMF組和電刺激組的細胞數、膠原蛋白密度、新生血管等參數均高于對照組，且PEMF組優于電刺激組。

相較于普通創面修復，高原凍傷、深層創面修復則表現出更復雜獨特的病理特征，而PEMF能加速此類組織的生長[20]。焦明克等[21]將PEMF(15 Hz，35 mT)暴露于應激性潰瘍大鼠的胃部區域后，檢測到血清一氧化氮(NO)濃度、循環血液微泡明顯升高，胃壁組織修復速度加快(P<0.05)。在此基礎上，研究員使用高原應激性潰瘍(high-altitude stress ulcer，HSU)大鼠模型，發現PEMF組去甲腎上腺素濃度降低、胃液的PH值升高、潰瘍指數降低、炎癥指標下降，創面周圍毛細血管網和纖維組織豐富，證實了PEMF對深層組織修復的效果[22]。

綜上所述，PEMF治療在多種類型的創面修復中均產生積極作用，目前研究認為可能與細胞增殖、組織張力、新生毛細血管形成等因素有關，作用機制復雜，且多數文獻中缺乏對磁場參數的詳細闡述。因此創面修復的優化參數及具體的作用機制仍需深入研究。

1.3 神經修復外周神經、脊髓、腦等神經修復目前在臨床中仍缺乏有明顯療效的治療方法，一直以來都是臨床治療難點[23]。PEMF治療具有促進神經細胞增殖和營養神經的作用，在神經修復中有巨大的潛力。

研究員將脊髓間充質干細胞經過PEMF(50 Hz，1 mT)照射后注射給外周神經損傷大鼠，2周后發現損傷處生長因子表達、軸突及神經元數目均明顯高于對照組，說明PEMF有利于外周神經的即時修復[24]。一項以坐骨神經損傷并行延遲修復術后的大鼠為模型的研究也得出同樣的結論，說明PEMF對外周神經的延遲修復也有積極作用[25]。PEMF不僅對外周神經修復有效，且對中樞神經修復也有積極效果。脊髓損傷的大鼠經PEMF(60 Hz，10 mT)照射后，其髓鞘神經纖維數量、髓鞘厚度增加，局部炎癥反應減少，神經功能恢復的速度高于對照組[26]。

以上研究證實了PEMF對神經修復的積極效果，并為臨床上治療神經炎、外周神經損傷、脊髓損傷和腦梗死等疾病提供了可靠的數據支持。

2 PEMF生物效應的作用機制

目前已知，PEMF對不同組織創傷修復有明顯的積極作用。現在越來越多證據表明，細胞膜是PEMF治療的起始位點。當PEMF作用于膜上，使膜上電荷發生改變，影響膜通道開閉，繼而影響體內信號傳導通路及小分子物質分泌，最終改變組織細胞的代謝活動軌跡。

2.1 鈣離子通道間充質干細胞暴露于PEMF后，鈣離子(Ca2+)熒光強度(F/FO)比基礎值增加6倍，證實PEMF能使膜上Ca2+通道開放[27]。此外，PEMF還能通過Ca2+調節啟動胞內級聯反應。一氧化氮(NO)合酶是一種Ca2+/鈣調素激酶，其酶活性受胞內Ca2+濃度調節。用PEMF處理大鼠成骨細胞后，研究員發現其成骨細胞成熟和礦化程度高于對照組，且培養基中NO合酶水平增加，蛋白激酶、cGMP依賴性蛋白激酶(PKG)也顯著增高[28]。該實驗也證實了PEMF能輔助治療骨折、骨質疏松等疾病。鈣離子通道作為細胞增殖、再生等過程的重要載體，在組織修復過程中扮演重要的角色，這可能也是PEMF激活組織修復的關鍵，但具體的作用機制仍需進一步探索。

2.2 信號轉導通路腺苷酸活化酶(adenylate cyclase，AC)是細胞膜上的G蛋白效應蛋白，能將ATP分解轉化為第二信使cAMP，引發胞內級聯反應，影響細胞代謝。Wang等[29]將PEMF暴露于成骨細胞后，發現細胞數顯著增多，cAMP、蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)、可溶性腺苷酸環化酶(soluble adenylyl cyclase，sAC)和cAMP反應元件結合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)濃度升高，但是分別給予cAMP、PKA、sAC、CREB等特異性抑制劑后，細胞數卻未增多，這說明了PEMF能激活AC/cAMP 信號通路，使激活后的CREB結合相關基因序列，啟動基因的表達，從而治療骨骼肌肉、創面及神經等相關疾病。另一實驗中，研究員發現PEMF組中的β-連環蛋白(β-catenin)、Wnt3a信號蛋白均高于對照組，證實了PEMF與Wnt/β-catenin通路的關系[30]。同樣，也有人發現PEMF的作用機制可能與Notch信號通路的激活有關[31]。因此可知，PEMF的生物學效應與AC/cAMP、Wnt/β-catenin、Notch等通路激活密不可分，但其作用的主次順序以及具體作用機制仍需繼續研究。

2.3 生長因子常見的生長因子有血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor，FGF)、轉化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)等，在組織修復中有重要作用。心肌梗死的小鼠經PEMF治療后梗死邊界區會分泌更多的VEGF和FGF，以誘導細胞增殖分化，減少壞死面積[32]。在體外模型中，人星形膠質細胞在PEMF暴露下能促使VEGF的釋放，改善局部血液供應，起到保護神經的作用[33]。PEMF還能調節組織修復階段。成纖維細胞暴露于PEMF后TGF-β、誘導型一氧化氮合酶(iNOS)增加，表明創傷局部從炎癥階段轉向增殖階段，從而加速組織修復速度[34]。因此，PEMF能調節多種生長因子的分泌，能影響組織修復過程，為臨床治療心肌梗死、神經損傷及創面等疾病提供證據。

2.4 炎癥細胞及炎癥因子組織損傷后，炎癥細胞會被募集、活化、增殖，并釋放炎癥因子，為組織修復清除障礙。但持續的炎癥反應會造成纖維化，影響修復進程。多項研究報道，PEMF可調節炎癥細胞行為和炎癥因子分泌。PEMF暴露于體外肌腱細胞后可以降低局部炎癥因子(IL-6、TNF-α)，增加抗炎因子(IL-4、IL-10)[35-36]。這與巨噬細胞M2表型極化的作用效果相同[37]。為探究PEMF是否與巨噬細胞極化有關，Vinhas等[38]在實驗中監測M2型巨噬細胞相關的精氨酸酶濃度，證實了PEMF能促使巨噬細胞M2表型極化，減少組織炎癥反應和纖維化，從而促進組織修復。由此可知，PEMF可以通過對炎癥細胞和炎癥因子的調節加快組織修復過程，不僅為臨床組織修復提供新的治療方案，同時也為臨床抗炎方面提供了更大的可能性，但深層次的作用機制需進一步探索。

3 結語與展望

綜上研究可知，PEMF不僅能促進多種組織創傷后的再生修復，還有安全、無創、少副作用等優勢，這符合現代醫學發展的趨勢。研究表明，PEMF可減少炎癥反應、提高細胞活力、促進細胞增殖分化、促進新生毛細血管生成和膠原蛋白沉積，從細胞和細胞內在環境兩大方面促進組織創傷修復。而關于PEMF機制的研究主要集中在離子通道、信號傳導通路、生長因子、炎癥細胞及炎癥因子等方面，目前已取得一部分進展，但其確切的PEMF治療參數及生物效應機制仍需繼續研究。相信隨著對PEMF的不斷探索，其在組織創傷修復以及其他疾病的臨床應用會越來越廣泛。