卓祥龍(綜述)，胡建中(審校)

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

電磁場是相互聯(lián)系、相互依存的電場和磁場的統(tǒng)一體，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，兩者互為因果形成電磁場。根據(jù)磁場強度和方向變化規(guī)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?，F(xiàn)就PEMFs在骨形成和骨吸收過程中的調(diào)節(jié)機制及其在臨床骨科中的應(yīng)用進行探討和綜述。

1 PEMFs體外成骨生物學(xué)效應(yīng)

1.1骨髓間質(zhì)干細胞 PEMFs能夠通過調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達促進骨髓間質(zhì)干細胞增殖和成骨分化，提高成骨效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，PEMFs能夠促進人骨髓間質(zhì)干細胞增殖，主要發(fā)生在指數(shù)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(chǎn)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(nèi)成骨反應(yīng)，但PEMFs刺激能夠提高分化中的骨髓間質(zhì)干細胞礦化，誘導(dǎo)成骨分化，上調(diào)成骨標志基因，促進礦物質(zhì)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(zhì)干細胞成骨調(diào)控基因核結(jié)合因子α1表達，提高骨形成蛋白2(bone morphogentic protein 2，BMP-2)、轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor β1，TGF-β1)、骨保護素(osteoprotegerin,OPG)、基質(zhì)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(diào)節(jié)成骨早期相關(guān)基因(Runx2/Cbfa1和ALP)表達[3]。PEMFs能夠調(diào)節(jié)骨髓培養(yǎng)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(fā)現(xiàn)，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(lián)合具有協(xié)同作用，當刺激人骨髓間質(zhì)細胞時能夠提高ALP和降鈣素水平，PEMFs還能影響B(tài)MP-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(zhì)細胞的成骨效應(yīng)，說明PEMFs能夠改善體內(nèi)骨內(nèi)骨髓間質(zhì)細胞對BMP-2的反應(yīng)[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(zhì)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(jié)段促進增殖，抑制分化，分化節(jié)段促進分化[10,12]。然而，Diniz等[13]研究結(jié)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(jié)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(diào)節(jié)的。Zhang等[14]認為，電磁場波形是誘導(dǎo)成骨細胞反應(yīng)的關(guān)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(jié)節(jié)形成，正弦波電磁場降低細胞增殖，提高ALP活性，抑制礦化結(jié)節(jié)形成。PEMFs促進細胞增殖，抑制其分化，增加礦化結(jié)節(jié)形成。而且PEMF刺激對成骨細胞產(chǎn)生的效應(yīng)與細胞外鈣、細胞膜上P2受體和磷脂酶C路徑有關(guān)。

Sollazzo等[15]用PEMFs刺激人成骨細胞樣細胞結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PEMFs刺激能夠上調(diào)成骨相關(guān)基因(同源框基因A10、蘇氨酸蛋向激酶1)，轉(zhuǎn)導(dǎo)水平相關(guān)基因(鈣調(diào)蛋白基因、P2X7受體)，細胞骨架成分相關(guān)基因(纖維蛋白1、黏著斑蛋白)，膠原形成相關(guān)基因(Ⅰ型膠原蛋白α2鏈)及非膠原的基質(zhì)成分形成相關(guān)基因(富含半胱氨酸分泌性酸性蛋白)的表達，下調(diào)細胞外基質(zhì)蛋白降解相關(guān)基因(MMP-11、基質(zhì)金屬蛋白酶11、雙特異性磷酸酶4)表達；能夠誘導(dǎo)細胞增殖和分化，促進細胞外基質(zhì)產(chǎn)生和礦化，同時降低基質(zhì)的降解和吸收。PEMFs還能刺激成骨細胞OPG增加，上調(diào)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(yīng)[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(huán)加氧酶1調(diào)節(jié)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(shù)，能夠增強成骨細胞的礦化，增加細胞ALP活性和礦化結(jié)節(jié)[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(diào)節(jié)成骨細胞合成代謝調(diào)節(jié)器成骨反應(yīng)，然而PEMFs的這些效應(yīng)在傳統(tǒng)的塑料培養(yǎng)皿培養(yǎng)的細胞不明顯[16]。組織修復(fù)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(diào)，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(guān)。可見,PEMFs影響了MG-63細胞內(nèi)腐胺和DNA合成，調(diào)節(jié)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(fā)揮主要合成作用，胰島素受體底物1、內(nèi)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(diào)節(jié)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(nèi)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(lián)合培養(yǎng)成骨細胞活性，促進基質(zhì)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(lián)合培養(yǎng)。結(jié)果顯示，PMMA對成骨細胞產(chǎn)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(yīng)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(xù)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(lián)合培養(yǎng)細胞增殖和分化的調(diào)節(jié)作用不同，并且隨培養(yǎng)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(yǎng)的人軟骨細胞改變形態(tài)，縮回偽足，由星型、紡錘形向球型轉(zhuǎn)變[25]。PEMFs刺激支架誘導(dǎo)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(lián)合誘導(dǎo)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(dǎo)軟骨移植聯(lián)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(diào)A(2A)和A(3)受體和熱力學(xué)參數(shù)，顯著增強A(2A)或A(3)對cAMP的作用，這可能對治療炎性關(guān)節(jié)疾病有益處[27]。

2 PEMFs體內(nèi)成骨生物學(xué)效應(yīng)

PEMFs刺激能有效治療骨質(zhì)疏松，抑制骨丟失，促進骨重建。PEMFs刺激SD大鼠廢用性骨質(zhì)疏松模型，顯著提高骨礦物質(zhì)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(zhì)疏松模型，顯著抑制小梁骨丟失和恢復(fù)小梁骨結(jié)構(gòu)，降低前列腺素E2水平。但van der Jagt等[29]使用顯微CT研究發(fā)現(xiàn)，PEMFs對于去勢大鼠骨質(zhì)疏松的治療顯示微觀結(jié)構(gòu)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(jīng)后骨質(zhì)疏松患者，結(jié)果顯示在治療24周內(nèi)，測量腰椎和股骨近端骨密度、維生素D3、下肢肌力結(jié)果兩者無差別[30]。

PEMFs刺激還能提高成年健康大鼠股骨皮質(zhì)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(fù)，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(zhì)沉積和斷端皮質(zhì)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(xué)反應(yīng)，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(xué)性能[34]。PEMFs可顯著降低皮質(zhì)類固醇誘導(dǎo)兔骨壞死發(fā)生率，這可能與PEMFs刺激血管形成因子增加和擴張血管有關(guān)[35]。

3 PEMFs在骨科的應(yīng)用

在日?；顒又泄趋莱惺苎h(huán)載荷在皮質(zhì)骨產(chǎn)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(shù)，能夠刺激生長因子增殖和間接促進骨重建過程，調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)合成，這可能對于臨床刺激修復(fù)骨折和不愈合有用。臨床研究已顯示，PEMFs調(diào)節(jié)軟骨化骨中的蛋白多糖和膠原合成，體內(nèi)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(guān)節(jié)置換翻修術(shù)的臨床康復(fù)和骨儲備的恢復(fù)[37-40]。

4 展 望

隨著基礎(chǔ)和臨床研究的不斷深入，對于電磁場刺激與組織修復(fù)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(fù)、炎癥消退特別是骨修復(fù)應(yīng)用中更加安全、有效的治療參數(shù)，以及電磁場刺激與骨組織工程相結(jié)合在骨組織修復(fù)中效應(yīng)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(xué)科的快速發(fā)展。

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