磁場促進(jìn)骨折愈合作用的研究進(jìn)展

周振中*(綜述) 彭建強(審校)

（廣東醫(yī)學(xué)院附屬福田人民醫(yī)院脊柱骨病科，廣東 深圳 518000）

磁的普遍性告訴我們一切生物均具有磁性，任何空間均存在磁場，而在外加磁場作用存在下都會給生物組織活動產(chǎn)生影響。磁場已被證明能影響機體骨代謝，并廣泛運用于臨床上多種骨骼相關(guān)疾病的預(yù)防和治療，基礎(chǔ)研究和臨床使用均表明磁場在促進(jìn)骨折愈合、治療骨缺損、骨折不愈合和骨折延遲愈合方面取得了較好的效果。本文從細(xì)胞生物學(xué)研究、動物實驗研究、臨床應(yīng)用研究、作用機制等方面關(guān)于磁場促進(jìn)骨折愈合的研究進(jìn)展做一綜述。

1 細(xì)胞生物學(xué)研究

骨的代謝活動維持正常狀態(tài)需要成骨細(xì)胞的骨形成與破骨細(xì)胞的骨吸收保持相應(yīng)的動態(tài)平衡。因此，細(xì)胞生物學(xué)實驗研究大都以成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞作為磁場促進(jìn)骨折愈合的研究對象。在骨形成過程中，成骨細(xì)胞要經(jīng)過成骨細(xì)胞增殖、胞外基質(zhì)成熟、胞外基質(zhì)礦化和成骨細(xì)胞凋亡四個階段，從而調(diào)控骨的形成。

1.1 磁場刺激可以促進(jìn)骨生長因子的生成

成骨細(xì)胞數(shù)量和活性是決定骨形成速率的主要因素，局部骨生長因子對成骨細(xì)胞的產(chǎn)生和增殖發(fā)揮積極作用。BMP能誘導(dǎo)機體內(nèi)的間充質(zhì)細(xì)胞，經(jīng)過趨化、增殖和分化為軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞。Zhou等[1]將體外培養(yǎng)的大鼠顱骨成骨細(xì)胞置于磁場中研究，結(jié)果顯示BMP-2的基因表達(dá)水平在暴磁組中明顯高于非暴磁組，并促進(jìn)體外培養(yǎng)大鼠顱骨成骨細(xì)胞分化成熟。IGF能以自分泌方式刺激成骨細(xì)胞增殖和分化，并刺激基質(zhì)合成。Fitzsmmons等[2]將人骨肉瘤分離出的類成骨細(xì)胞TE-85暴露于磁場30min時，TE-85細(xì)胞膜上IFG-Ⅱ受體數(shù)目增加明顯，同時細(xì)胞增殖及IGF-ⅡmRNA表達(dá)水平增強。TGF-β能刺激骨膜間充質(zhì)細(xì)胞增殖和分化，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞合成Ⅰ型膠原和骨連接素。Huang等[3]將MG63成骨樣細(xì)胞暴露在磁場中培養(yǎng)，結(jié)果顯示暴磁組成骨樣細(xì)胞的TGF-β產(chǎn)物在各時間點均比非暴磁組多。

1.2 磁場刺激可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖

仇麗鴻等[4]將體外培養(yǎng)的大鼠顱骨成骨細(xì)胞置于磁場中培養(yǎng)研究，檢測大鼠成骨細(xì)胞的增殖情況及不同磁場強度下細(xì)胞所處的周期。結(jié)果顯示磁場使S期、G2/M期細(xì)胞百分比增加，促使靜止態(tài)的G1期細(xì)胞活躍，向S期轉(zhuǎn)變，細(xì)胞增殖加速。Kim等[5]將人骨肉瘤細(xì)胞株TE-85置于磁場中，研究其對鈦的表面附著和增殖的影響，結(jié)果顯示暴磁組的成骨細(xì)胞附著明顯優(yōu)于非暴磁組。

1.3 磁場刺激可以促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)形成，成熟和細(xì)胞外基質(zhì)礦化

Chiu等[6]將MG63成骨樣細(xì)胞暴露于磁場中后，電鏡掃描顯示，在細(xì)胞的外周區(qū)域有大量的細(xì)胞基質(zhì)分泌，而非暴磁組的細(xì)胞外周區(qū)域則很少見到細(xì)胞基質(zhì)。Ⅰ型膠原是成骨細(xì)胞合成的特異性膠原，骨橋蛋白在成骨細(xì)胞與基質(zhì)起橋連作用，為基質(zhì)礦化起重要作用，在分化早期主要是堿性磷酸酶表達(dá)，堿性磷酸酶被認(rèn)為是細(xì)胞外基質(zhì)成熟的早期標(biāo)志。Huang等[3]將MG63成骨樣細(xì)胞持續(xù)暴露磁場中，發(fā)現(xiàn)暴磁組Ⅰ型膠原數(shù)量，骨橋蛋白產(chǎn)物，堿性磷酸酶的活性均遠(yuǎn)優(yōu)于非暴磁組，表明磁場能促進(jìn)成骨細(xì)胞外基質(zhì)的形成和鈣化。

1.4 磁場刺激對成骨細(xì)胞凋亡的影響

成骨細(xì)胞凋亡的情況直接影響其數(shù)目、大小和功能發(fā)揮。趙煜等[7]研究發(fā)現(xiàn)，將體外培養(yǎng)的大鼠成骨細(xì)胞持續(xù)暴露于磁場中，各暴磁組細(xì)胞凋亡率和非暴磁組相比均差異無統(tǒng)計學(xué)意義，磁場并不會誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡的發(fā)生。

1.5 磁場對破骨細(xì)胞功能和凋亡的影響

破骨細(xì)胞的數(shù)目和活性直接影響骨吸收的狀態(tài)。黃晶晶等[8]將體外培養(yǎng)的破骨細(xì)胞置于磁場作用下研究觀察后發(fā)現(xiàn)，暴磁組對破骨細(xì)胞功能分子的表達(dá)有抑制作用，可抑制大鼠破骨細(xì)胞的骨吸收活性。Chang等[9]將體外培養(yǎng)的破骨細(xì)胞置于磁場中發(fā)現(xiàn)，暴磁組中破骨細(xì)胞較非暴磁組形態(tài)明顯改變，包括染色質(zhì)凝聚及核裂解，結(jié)果顯示磁場能促進(jìn)破骨細(xì)胞凋亡。

2 動物實驗研究

在磁場促進(jìn)骨折愈合的動物實驗研究中，大量學(xué)者使用了不同的實驗分析方法研究，最直接的分析方法就是去比較磁場作用后，骨折部位骨的愈合情況和骨斷面機械應(yīng)力測試。

劉朝旭等[10]將實施了右脛腓骨骨折模型的大鼠置于磁場作用下研究，組織學(xué)結(jié)果顯示：當(dāng)非暴磁組的截骨處還是結(jié)締組織的時候，磁場組的截骨處已有新骨填充，血清骨鈣素、骨堿性磷酸酶水平等骨代謝生化指標(biāo)均較非磁暴組高。Bruce等[11]將一定強度的永磁體植入到家兔撓骨骨折處研究，4周后在機械力學(xué)測定結(jié)果中發(fā)現(xiàn)暴磁組的骨折段抗折力較非暴磁組大。Aydin等[12]將磁性髓內(nèi)固定物置入實施兔股骨骨折模型中研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁暴組截骨處比非暴磁組骨痂出現(xiàn)早，骨折愈合速度快，骨量更高。S Xu等[13]將小磁塊置入骨質(zhì)疏松模型鼠腰椎體中研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)暴磁組比非暴磁組骨礦密度（BMD）的增長明顯，其骨小梁的連續(xù)性更好。

3 臨床應(yīng)用研究

磁場促進(jìn)成骨細(xì)胞成長及分泌和抑制破骨細(xì)胞生存及活性的細(xì)胞生物學(xué)研究為臨床應(yīng)用提供了理論依據(jù)，而成功動物實驗研究則為進(jìn)一步的臨床應(yīng)用提供了實例。在磁場治療各類骨折過程中，能明顯提高治愈率，縮短骨折愈合時間。

劉紀(jì)濤等[14]報告，應(yīng)用磁場治療經(jīng)金屬植入物骨折內(nèi)固定術(shù)后的四肢新鮮骨折觀察后發(fā)現(xiàn)，各磁暴組均較非磁暴組骨痂生成明顯增多，血清骨鈣素、骨特異性堿性磷酸酶水平及Ⅰ型前膠原羧基末端前肽等骨代謝生化指標(biāo)均較非磁暴組高。張光君等[15]將磁性外固定夾板置于骨折部位研究中，在與單純石膏固定、切開復(fù)位內(nèi)固定等非磁暴組相比后，結(jié)果顯示磁暴組的消腫時間、骨痂形成時間、骨小梁形成時間都明顯縮短。寶音等[16]在研究觀察磁場對脛腓骨骨折患者骨折愈合的作用時，結(jié)果顯示與AO外固定架及交鎖髓內(nèi)釘治療組相比，永磁外固定架治療組愈合時間明顯縮短。

4 磁場促進(jìn)骨折愈合的作用機制

磁場促進(jìn)骨愈合已被實驗所證實，但其作用機制目前尚不完全明確。Kotani等[17]研究認(rèn)為，磁場作用下成骨細(xì)胞膜發(fā)生變形，致細(xì)胞膜上的離子通道、離子泵等的功能發(fā)生改變，從而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。朱琳琳等[18]研究認(rèn)為：磁場促成骨細(xì)胞增殖的作用與細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的變化有關(guān)。磁場通過活化鈣離子依賴蛋白激酶，改變鈣離子水平，從而調(diào)控包括細(xì)胞周期素在內(nèi)的核內(nèi)因子，調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞增殖。Fini等[19]研究認(rèn)為，磁場是通過作用于細(xì)胞膜上的受體，激活細(xì)胞內(nèi)環(huán)腺苷酸（cAMP）系統(tǒng)，而后觸發(fā)磷酸化信號放大效應(yīng)，在活化酶系統(tǒng)刺激下，對骨細(xì)胞產(chǎn)生生理反應(yīng)，促進(jìn)其增殖分化。張小云等[20]研究認(rèn)為，破骨細(xì)胞黏附在骨表面后，其細(xì)胞骨架發(fā)生改變，致胞膜形成皺褶膜，從而發(fā)揮骨吸收功能。當(dāng)破骨細(xì)胞處于磁場環(huán)境中時，細(xì)胞骨架的主要成分微管、微絲被解聚，從而抑制了皺褶膜的形成，使破骨細(xì)胞喪失其吸收骨質(zhì)的功能。蔡華安等[21]認(rèn)為，在磁場作用下，機體血管擴張，血流加快，改善了局部血液循環(huán)，促進(jìn)滲出物及水分的吸收，為骨折端愈合提供必要營養(yǎng)物資及細(xì)胞生長因子和運送代謝產(chǎn)物的功能。

5 結(jié) 語

對于磁場的生物效應(yīng)，相關(guān)學(xué)者從細(xì)胞到臨床應(yīng)用研究方面已取得了一些有意義的結(jié)果，而磁場促進(jìn)骨形成及愈合的機制是復(fù)雜多方面的，仍未獲得確切公認(rèn)的作用機制。目前臨床應(yīng)用尚處于起步階段，尚需大量動物實驗和臨床研究。還有很多基礎(chǔ)內(nèi)容，特別是作用機制，磁場的定量使用等方面需要進(jìn)一步的深入研究，相信磁場在人類骨科領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

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