仝昕 李天樂(lè) 于世賓

軍事口腔醫(yī)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，口腔疾病國(guó)家臨床醫(yī)學(xué)研究中心，陜西省口腔疾病國(guó)際聯(lián)合研究中心，第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院解剖生理學(xué)教研室，西安710032

電磁輻射是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交互變化產(chǎn)生的電磁波向空中發(fā)射或泄露的現(xiàn)象，在空間中以波的形式傳遞動(dòng)量和能量。近年來(lái)，隨著無(wú)線電通訊和電磁能設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁輻射對(duì)健康的影響越來(lái)越受到公眾的關(guān)注。電磁輻射對(duì)生物體的影響就像一把雙刃劍，不同強(qiáng)度的電磁輻射作用于生物體，會(huì)產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)。脈沖峰值功率＞1×108W 的高功率微波武器等利用強(qiáng)快電磁脈沖可以瞬時(shí)使機(jī)體失能，造成作戰(zhàn)人員煩躁、頭疼、神經(jīng)錯(cuò)亂、記憶力衰退甚至死亡[1]。雖然電磁輻射對(duì)人體的傷害不可忽視，但是當(dāng)前其治療作用也受到相關(guān)研究者的重視。適宜的電磁脈沖有助于人體機(jī)能的恢復(fù)，低頻脈沖電磁場(chǎng)（pulsed electromagnetic field，PEMF）治療現(xiàn)已成為理療領(lǐng)域的常用方法[2]。

軟骨是人體內(nèi)一種不含血管、淋巴管和神經(jīng)，且再生能力低的特殊彈性結(jié)締組織，是人體關(guān)節(jié)的重要組成部分。軟骨難以再生和修復(fù)，而電磁輻射作為一種非侵入性的措施，可以為軟骨相關(guān)疾病的治療提供新思路。如何在預(yù)防和規(guī)避電磁輻射對(duì)機(jī)體損傷的同時(shí)，充分發(fā)揮電磁輻射的治療作用需得到研究者的重視。近年來(lái)，大量研究圍繞電磁輻射對(duì)軟骨的生物學(xué)效應(yīng)展開(kāi)，我們對(duì)其研究進(jìn)展作一綜述。

1 電磁輻射對(duì)軟骨的生物學(xué)效應(yīng)

1.1 電磁輻射對(duì)軟骨細(xì)胞及其相關(guān)細(xì)胞因子的生物學(xué)效應(yīng)

軟骨細(xì)胞是軟骨組織內(nèi)唯一的細(xì)胞類型，承擔(dān)著合成軟骨細(xì)胞外基質(zhì)和分泌細(xì)胞因子的重任，且軟骨細(xì)胞所分泌的各種細(xì)胞因子在調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的形態(tài)及軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成-降解代謝平衡中發(fā)揮著重要作用。

Jahns 等[3]對(duì)體外培養(yǎng)的人股骨頭軟骨細(xì)胞給予3.1 mT、100 Hz、時(shí)長(zhǎng)為6 h 或1.7 mT、500 Hz、時(shí)長(zhǎng)為3 h 的電磁輻射，結(jié)果表明，軟骨細(xì)胞的形態(tài)逐漸從星形向紡錘形、球形變化，突觸明顯回縮，且軟骨細(xì)胞與培養(yǎng)皿的平均表面接觸面積也減少了30%，可見(jiàn)電磁輻射可以引起軟骨細(xì)胞形態(tài)的變化。Sunk 等[4]發(fā)現(xiàn)牛關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞暴露于3 T的高能電磁場(chǎng)中后，白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1β 的信使RNA（messenger RNA，mRNA）水平顯著降低，該研究結(jié)果提示高能電磁場(chǎng)能夠損害關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的細(xì)胞因子合成能力。Li 等[5]對(duì)卵巢切除后的大鼠給予為期30 d、每天40 min，8 Hz、3.8 mT 的PEMF 刺激，結(jié)果顯示，PEMF 刺激可以顯著上調(diào)卵巢切除大鼠血清中的雌二醇水平及X 連鎖凋亡抑制蛋白的mRNA 水平，下調(diào)促凋亡因子B 淋巴細(xì)胞瘤-2 基因相關(guān)X 蛋白（Bax）的mRNA 水平。Zou 等[6]對(duì)大鼠髓核軟骨細(xì)胞給予頻率為2 Hz、強(qiáng)度為0.5～3.0 A/m 的低頻PEMF 刺激，結(jié)果顯示，PEMF 刺激組細(xì)胞的培養(yǎng)上清液中IL-1β 和TNF-α 含量顯著降低，但細(xì)胞的增殖能力無(wú)明顯變化。Chan 等[7]通過(guò)針刺法造成大鼠尾部椎間盤(pán)軟骨急性損傷，然后模擬臨床常用的生理刺激電磁脈沖理療儀，分別給予大鼠時(shí)長(zhǎng)為4、7 d，頻率為3.846 kHz 的PEMF 刺激，結(jié)果表明，PEMF 刺激可以顯著降低大鼠急性損傷椎間盤(pán)中炎癥細(xì)胞因子（IL-6、IL-1β 和TNF-α）的表達(dá)水平。Ye 等[8]對(duì)12 周齡的雄性小鼠行內(nèi)側(cè)半月板切除以構(gòu)建骨關(guān)節(jié)炎模型，之后給予其為期4 周，每天1 h，75 Hz、1.6 mT 的PEMF 刺激，結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，PEMF 刺激組小鼠軟骨中的聚蛋白多糖酶（ADAMTS）4、基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）13 和炎癥因子IL-1β 的表達(dá)水平顯著降低。

由此可見(jiàn)，電磁輻射可以直接作用于軟骨細(xì)胞，引起軟骨細(xì)胞形態(tài)及其與周圍基質(zhì)接觸面積的變化。適宜的電磁輻射可以有效抑制軟骨細(xì)胞所分泌的炎癥因子和降解因子的表達(dá)，進(jìn)而維持軟骨的穩(wěn)態(tài)；而高強(qiáng)度的電磁輻射可以影響軟骨細(xì)胞的形態(tài)，進(jìn)而降低細(xì)胞因子的分泌能力。

1.2 電磁輻射對(duì)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的生物學(xué)效應(yīng)

關(guān)節(jié)軟骨主要由以Ⅱ型膠原、蛋白多糖和蛋白聚糖為主要成分的軟骨細(xì)胞外基質(zhì)和軟骨細(xì)胞構(gòu)成。無(wú)論從所占體積還是從干重上來(lái)講，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)都是軟骨的主要組成部分，其合成-降解平衡對(duì)于關(guān)節(jié)軟骨的穩(wěn)態(tài)維持至關(guān)重要。

Fini 等[9]對(duì)患有嚴(yán)重骨關(guān)節(jié)炎的15 個(gè)月齡的大鼠給予為期6 周，每天6 h，75 Hz、1.6 mT 的PEMF 刺激，結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，PEMF 刺激組大鼠軟骨中蛋白多糖的丟失顯著減少，軟骨厚度增加，軟骨表面光滑規(guī)則，骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)程顯著減緩。Chang 等[10]將豬原代軟骨細(xì)胞接種于殼聚糖膜上，每天暴露于75 Hz、脈沖寬度1.3 ms、1.8～3 mT 的PEMF 中2 h，為期3 周，結(jié)果顯示，PEMF 刺激組軟骨細(xì)胞中糖胺聚糖和Ⅱ型膠原的合成量分別較對(duì)照組高28%和27%。Mayer-Wagner 等[11]在人間充質(zhì)干細(xì)胞的成軟骨誘導(dǎo)過(guò)程中給予低頻的5 mT 電磁場(chǎng)刺激，結(jié)果顯示，電磁場(chǎng)刺激組細(xì)胞的Ⅱ型膠原合成量以及糖胺聚糖與DNA 含量的比值均顯著高于對(duì)照組，該結(jié)果提示適宜的電磁輻射有助于刺激和維持間充質(zhì)干細(xì)胞的軟骨形成潛能，有望用于組織工程學(xué)的體內(nèi)外軟骨再生。Veronesi 等[12]在體外通過(guò)50 ng/ml 的高濃度IL-1β 刺激牛軟骨塊以模擬體內(nèi)的骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)程，同時(shí)給予其75 Hz、1.5 mT 的持續(xù)性PEMF 刺激，結(jié)果顯示，與IL-1β 組相比，IL-1β+PEMF 刺激組牛軟骨塊的蛋白多糖和Ⅱ型膠原含量顯著升高，且轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（transforming growth factor，TGF）β1 的表達(dá)水平顯著升高。Hilz 等[13]將原代牛軟骨細(xì)胞接種于3D 聚氨酯支架中立體培養(yǎng)，并給予1、2、3 mT 的60 Hz 的正弦波電磁場(chǎng)和（或）機(jī)械應(yīng)力刺激，結(jié)果顯示，電磁場(chǎng)刺激組牛軟骨細(xì)胞的糖胺聚糖與DNA 含量的比值顯著升高，且電磁場(chǎng)與機(jī)械應(yīng)力聯(lián)合刺激的軟骨合成效應(yīng)更強(qiáng)。Ye 等[8]對(duì)12 周齡的雄性小鼠行內(nèi)側(cè)半月板切除以構(gòu)建骨關(guān)節(jié)炎模型，之后給予其為期4 周、每天1 h，75 Hz、1.6 mT 的PEMF 刺激，結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，PEMF 刺激組軟骨中的蛋白聚糖含量顯著增高，骨關(guān)節(jié)炎評(píng)分也顯著降低。

為模擬磁共振的高能電磁場(chǎng)對(duì)軟骨細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)，Sunk 等[4]將牛關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞暴露于3 T 的高能電磁場(chǎng)中，發(fā)現(xiàn)其蛋白聚糖的合成能力顯著降低，且在暴露結(jié)束后3 d 內(nèi)軟骨細(xì)胞恢復(fù)了蛋白聚糖的合成能力，該研究結(jié)果提示高能電磁場(chǎng)可暫時(shí)性損害關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的軟骨基質(zhì)合成能力。

由此可見(jiàn)，適宜的電磁輻射可以有效促進(jìn)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的分泌，逆轉(zhuǎn)退行性變關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的丟失，進(jìn)而維持軟骨的厚度。但高強(qiáng)度的電磁輻射會(huì)損害軟骨的細(xì)胞外基質(zhì)合成能力。

1.3 電磁輻射在骨關(guān)節(jié)炎治療中的生物學(xué)效應(yīng)

骨關(guān)節(jié)炎是一種常見(jiàn)的慢性關(guān)節(jié)退行性疾病，主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨喪失、滑膜炎癥、軟骨下骨吸收和硬化等[14]。骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生可能最初反映在軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中[15]。目前其治療手段主要包括理療、藥物治療、康復(fù)性鍛煉以及手術(shù)治療等，但都無(wú)法有效阻止疾病進(jìn)程。

Iannitti 等[16]在對(duì)28 例雙側(cè)膝骨關(guān)節(jié)炎老年患者進(jìn)行全身常規(guī)治療的基礎(chǔ)上，對(duì)其右側(cè)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行為期6 周的PEMF 治療（低頻、高頻混合，每次30 min，每周3 次），結(jié)果顯示，與未接受PEMF 治療的左側(cè)膝關(guān)節(jié)相比，治療側(cè)膝關(guān)節(jié)的疼痛指數(shù)、關(guān)節(jié)僵硬度、功能指數(shù)等均顯著改善。Gobbi 等[17]對(duì)22 例膝骨關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行為期45 d 的PEMF 治療（1.5 mT，75 Hz，4 h/d）和2 年隨訪，結(jié)果顯示，患者膝關(guān)節(jié)的功能及活動(dòng)度較治療前明顯改善。Yang 等[18]從臨床數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出16 項(xiàng)PEMF 對(duì)骨關(guān)節(jié)炎治療效應(yīng)的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)并通過(guò)質(zhì)量評(píng)估得出，與假PEMF 處理等安慰治療相比，PEMF 治療對(duì)骨關(guān)節(jié)炎患者的疼痛緩解、僵硬減輕和身體功能恢復(fù)都有積極作用，而治療的持續(xù)時(shí)間可能不是影響疼痛緩解的關(guān)鍵因素。上述臨床研究結(jié)果均表明，適宜的電磁輻射在緩解骨關(guān)節(jié)炎患者的疼痛、提高關(guān)節(jié)活動(dòng)度及減少殘疾等方面具有明顯的療效。

2 電磁輻射對(duì)軟骨生物學(xué)效應(yīng)的可能作用通路

2.1 腺苷受體通路

腺苷是一種嘌呤核苷，通過(guò)與細(xì)胞膜上的腺苷受體結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化、成熟和遷移以及細(xì)胞因子和趨化因子的釋放，從而調(diào)節(jié)局部和全身的炎癥反應(yīng)。腺苷受體屬G 蛋白耦聯(lián)受體，共分A1、A2A、A2B 和A3 4 種類型。研究結(jié)果證實(shí)，人的關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞至少表達(dá)A2A、A2B 2 種腺苷受體，且其在維持骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用[19]。Varani 等[20]發(fā)現(xiàn)4 種腺苷受體均存在于牛關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中，PEMF 刺激可以顯著上調(diào)軟骨細(xì)胞中A2A 和A3 的表達(dá)水平及其熱力學(xué)參數(shù)，PEMF 刺激后的軟骨細(xì)胞對(duì)A2A 和A3 的激動(dòng)劑更加敏感。Vincenzi 等[21]發(fā)現(xiàn)（1.5±0.1）mT 的PEMF 刺激可以顯著上調(diào)軟骨細(xì)胞中A2A和A3 的表達(dá)水平，進(jìn)而使IL-1β 刺激下軟骨細(xì)胞中炎癥因子IL-6、IL-8 的表達(dá)水平分別下降43%和52%，A2A 和A3 的化學(xué)拮抗劑可以逆轉(zhuǎn)該效應(yīng)；且PEMF 刺激的抗炎效應(yīng)與A3 的化學(xué)激動(dòng)劑不相上下?？梢?jiàn)，腺苷受體在電磁輻射所介導(dǎo)的生物學(xué)效應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。

2.2 絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路

MAPK 是參與各種細(xì)胞外刺激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白激酶，參與調(diào)節(jié)多種細(xì)胞的增殖、分化、遷移和死亡[22]。MAPK信號(hào)通路主要包括細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK）、c-Jun 氨基末端激酶（JNK）和p38 3 個(gè)主要的次級(jí)信號(hào)通路，不同的細(xì)胞外刺激信號(hào)可能激活不同的MAPK 信號(hào)通路，通過(guò)相互調(diào)控來(lái)介導(dǎo)細(xì)胞生物學(xué)反應(yīng)。有證據(jù)表明，MAPK 信號(hào)通路與軟骨細(xì)胞的分化、鈣化和凋亡等有關(guān)[23]。Zhou 等[24]對(duì)行前交叉韌帶橫斷術(shù)誘導(dǎo)的膝骨關(guān)節(jié)炎大鼠給予PEMF（20 Hz、8 mT、40 min/d、每周5 d，持續(xù)12 周）刺激后，發(fā)現(xiàn)與單純手術(shù)組相比，手術(shù)+PEMF 刺激組關(guān)節(jié)軟骨中的細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK）1、c-Jun 氨基末端激酶（JNK）、p38 和基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）13 的mRNA 水平顯著降低，且經(jīng)PEMF 刺激后，手術(shù)組大鼠尿液中較高水平的Ⅱ型膠原交聯(lián)C 末端肽水平（反映軟骨基質(zhì)的降解水平）也顯著降低，這表明在骨關(guān)節(jié)炎狀態(tài)下，PEMF 可顯著抑制MAPK通路及其介導(dǎo)的降解因子基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）13 的表達(dá)，從而減少骨關(guān)節(jié)炎軟骨的損傷。因此，電磁輻射的保護(hù)作用可能是通過(guò)或至少部分通過(guò)調(diào)控MAPK 信號(hào)通路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.3 Ca2+-NO 途徑

NO 是機(jī)體內(nèi)涉及心血管功能、抗菌作用、傷口愈合、組織修復(fù)、神經(jīng)遞質(zhì)傳遞、免疫功能、血壓調(diào)節(jié)，細(xì)胞毒性等各種生理和病理功能的一種作用廣泛而性質(zhì)獨(dú)特的信號(hào)分子，NO 具有不穩(wěn)定、高度嗜脂等特性，在生物體內(nèi)發(fā)揮重要作用[25]。Fitzsimmons 等[26]發(fā)現(xiàn)，給予人軟骨細(xì)胞單次4 150 Hz、0.2 mV/cm 的電磁場(chǎng)刺激30 min，72 h 后軟骨細(xì)胞中的DNA 含量約增加150%，同時(shí)細(xì)胞培養(yǎng)基中的NO 和細(xì)胞提取物中的環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷（cGMP）水平顯著上調(diào)，其作用與未經(jīng)電磁場(chǎng)刺激的情況下增加培養(yǎng)基中的Ca2+或Ca2+載體A23187 含量相似，而且鈣調(diào)蛋白抑制劑W7 可阻止二者水平的上調(diào)。因此，電磁輻射刺激所誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞增殖可能是通過(guò)Ca2+-NO 途徑介導(dǎo)的。

2.4 TGF-β/Small mother against decapentaplegic proteins（Smads）通路

TGF-β 超家族成員由成骨細(xì)胞和其他骨細(xì)胞產(chǎn)生，可促進(jìn)細(xì)胞的增殖、分化等[27]。Wang 等[28]對(duì)體外培養(yǎng)的大鼠軟骨細(xì)胞給予75 Hz、2.3 mT 的正弦波電磁場(chǎng)刺激，結(jié)果表明，電磁場(chǎng)刺激能夠以時(shí)間依賴性促進(jìn)軟骨細(xì)胞中潤(rùn)滑素的合成，同時(shí)上調(diào)TGF-β1 的表達(dá)，TGF-βRⅠ激酶抑制劑SB431542 可以部分逆轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)刺激對(duì)潤(rùn)滑素表達(dá)的上調(diào)作用；此外電磁場(chǎng)刺激可顯著上調(diào)Smad2 的合成水平，但對(duì)抑制性Smads（Smad6 和Smad7）的合成沒(méi)有影響。Chen 等[29]的研究結(jié)果表明，50 Hz，20 mT 的交變脈沖磁場(chǎng)可刺激關(guān)節(jié)軟骨缺損大鼠的間充質(zhì)干細(xì)胞，激活TGF-β/Smads 信號(hào)通路，促進(jìn)其軟骨形成。這些結(jié)果表明TGF-β/Smads 信號(hào)通路至少部分參與了電磁輻射刺激對(duì)大鼠軟骨相關(guān)細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)。

3 小結(jié)與展望

電磁輻射作為一種當(dāng)前廣泛應(yīng)用的物理刺激手段，對(duì)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成代謝、軟骨細(xì)胞的形態(tài)及其相關(guān)細(xì)胞因子的合成分泌都具有顯著影響。適宜的電磁輻射對(duì)關(guān)節(jié)軟骨穩(wěn)態(tài)的維持具有重要意義，有助于緩解軟骨的退行性變進(jìn)程，而過(guò)量的電磁輻射會(huì)破壞軟骨的穩(wěn)態(tài)。以往的多數(shù)研究都集中在電磁輻射對(duì)軟骨的良性生物學(xué)效應(yīng)方面，今后的研究應(yīng)在深入探究電磁輻射對(duì)軟骨生物學(xué)效應(yīng)作用機(jī)制的同時(shí)，更關(guān)注電磁輻射對(duì)軟骨的不良生物學(xué)效應(yīng)及其阻斷策略，從而為電磁輻射不良生物學(xué)效應(yīng)的防護(hù)奠定基礎(chǔ)。

利益沖突所有作者聲明無(wú)利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明仝昕負(fù)責(zé)文獻(xiàn)的收集與整理、綜述的撰寫(xiě)與修訂；李天樂(lè)負(fù)責(zé)文獻(xiàn)的收集與整理、綜述的修訂；于世賓負(fù)責(zé)綜述的審閱。