電磁場誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的研究進(jìn)展

向正宗，陳劍鋒(三峽大學(xué)人民醫(yī)院宜昌市第一人民醫(yī)院骨科，湖北宜昌443000)

·綜述·

電磁場誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的研究進(jìn)展

向正宗，陳劍鋒
(三峽大學(xué)人民醫(yī)院宜昌市第一人民醫(yī)院骨科，湖北宜昌443000)

間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）是一種多能成體干細(xì)胞，在一定誘導(dǎo)條件下可以分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等多種功能細(xì)胞。在骨科領(lǐng)域?yàn)楦鞣N組織的修復(fù)提供良好的細(xì)胞來源，是目前組織工程及再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究最為深入的種子細(xì)胞之一。電磁場(EMF)作為一種非侵入性的物理療法，在治療骨不連、骨缺損及骨質(zhì)疏松等疾病具有良好的優(yōu)勢。因此，近幾年對(duì)電磁場誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的機(jī)制研究較多，本文就電磁場參數(shù)、電磁場類型對(duì)不同來源的間充質(zhì)干細(xì)胞誘導(dǎo)成骨分化的相關(guān)機(jī)制做一綜述。

電磁場；間充質(zhì)干細(xì)胞；成骨分化

電磁場療法在骨病治療中的運(yùn)用已經(jīng)經(jīng)歷了多年的探索。1989年Bassett總結(jié)了電磁場的研究成果，并根據(jù)Wollf定律對(duì)其機(jī)制進(jìn)行了歸納，認(rèn)為生物電在骨代謝和骨重建中具有十分重要的意義。自此對(duì)它的成骨效應(yīng)做了大量研究。雖然電磁場具有操作簡便、無創(chuàng)、適用范圍廣和并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)，并且在臨床骨病的預(yù)防和康復(fù)治療中被廣泛應(yīng)用，但隨著研究的深入仍有很多問題亟待解決。電磁場成骨效應(yīng)的最適場強(qiáng)、頻率及作用時(shí)間至今存在著較多爭議，特別是誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨方面。比較有共識(shí)的一點(diǎn)是高頻電磁場對(duì)機(jī)體或細(xì)胞的作用主要是熱效應(yīng)或大多是損害作用，而低頻或低場強(qiáng)電磁場對(duì)機(jī)體可能產(chǎn)生有益影響。為此，很多學(xué)者做了不懈努力，以期找出有效的電磁場參數(shù)范圍，給調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化提供重要的參考價(jià)值。

1 電磁場參數(shù)對(duì)MSC成骨分化的影響

1.1 頻率和場強(qiáng)對(duì)MSC成骨的影響研究發(fā)現(xiàn)EMF的生物效應(yīng)有一定的場強(qiáng)和頻率依耐性，促成骨效應(yīng)與場強(qiáng)和頻率的關(guān)系為非簡單的線性關(guān)系，間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)EMF場強(qiáng)和頻率的反應(yīng)具有“窗口效應(yīng)”。Yang等[1]發(fā)現(xiàn)15 Hz/1m T的正弦電磁場(SEMFs)促進(jìn)SD大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)的成骨分化標(biāo)志物骨形態(tài)蛋白(BMP)、堿性磷酸酶等表達(dá)，并抑制成脂肪分化標(biāo)志物脂肪蛋白酶表達(dá)。Lu等[2]利用20Hz/2mT的脈沖電磁場體外作用于SD大鼠BMSCs，發(fā)現(xiàn)20 Hz/2m T的脈沖電磁場能顯著促進(jìn)骨鈣蛋白和骨橋蛋白的表達(dá)，抑制脂肪因子與脂肪細(xì)胞結(jié)合蛋白。Cheng等[3]用1.4～2.2m T范圍場強(qiáng)，50Hz正弦電磁場暴露大鼠BMSCs，發(fā)現(xiàn)1.8m T具有最強(qiáng)的誘導(dǎo)成骨分化作用。Luo等[4]通過1.1m T、不同頻率的脈沖電磁場(PEMF)誘導(dǎo)人類BMSCs，發(fā)現(xiàn)50Hz誘導(dǎo)其成骨分化效果最顯著，然而Liu等[5]采用1m T正弦電磁場以10 Hz、30Hz、50Hz和70Hz施用到大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，早期階段的成骨分化標(biāo)志物堿性磷酸酶(ALP)和骨鈣素(OC)在10Hz表達(dá)顯著上調(diào)，晚期成骨分化標(biāo)志基因的表達(dá)卻在50 Hz升高顯著。這在一定程度上揭示了低頻電磁場具有誘導(dǎo)成骨分化的作用。

1.2 電磁場作用時(shí)間對(duì)MSC成骨分化的影響Jansen等[6]認(rèn)為PEMF刺激人BMSC成骨分化具有時(shí)間依賴效應(yīng)，在體外干預(yù)MSCs第9天、第14天BMP2、OPG(骨保護(hù)素)等多項(xiàng)指標(biāo)才有所變化。Yang 等[1]對(duì)SD大鼠的MSCs也持續(xù)觀察到21 d，才觀察到顯著的成骨效應(yīng)，而Tsai等[7]試驗(yàn)中對(duì)人BMSCs的照射時(shí)間長達(dá)28 d才發(fā)現(xiàn)成骨活動(dòng)的峰值。

1.3 電磁場種類對(duì)MSC成骨分化的影響電磁場主要有靜磁場、脈沖電磁場、正弦波電磁場等。靜磁場的研究報(bào)道較少，僅有國內(nèi)報(bào)道靜磁場能夠抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖并向成骨分化[8]。Esposito等[9]研究PEMF曝光處理人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，觀察到成骨細(xì)胞分化標(biāo)志物如RUNX2蛋白、堿性磷酸酶、骨鈣素、骨橋蛋白表達(dá)的增加。Song等[10]對(duì)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞采用15 Hz/1 mT SEMFs處理，骨涎蛋白(BSP)、骨橋蛋白(OPN)表達(dá)上升，并表現(xiàn)出時(shí)間依賴性。Yan等[11]采用50H/20mT極低頻電磁場(ELF-EMF)照射人類間充質(zhì)干細(xì)胞23 d，發(fā)現(xiàn)hMSC生長代謝受到抑制，但對(duì)成骨分化沒有顯著影響。脈沖電磁場作為一個(gè)非手術(shù)治療骨壞死早期階段的方法，考慮到脈沖電磁場在臨床治療的長期性，每天需要至少10+h的持續(xù)治療時(shí)間。Fu等[12]采用20 Hz/1m T的單脈沖電磁場(SPEMF)、3m in/d的處理，經(jīng)過3～7 d的治療后hBMSCs的成骨分化在SPEMF處理組顯著增加，得出SPEMF對(duì)hBMSCs的成骨分化7 d的短期效應(yīng)等同于PEMF 25 d的治療效應(yīng)，并提出SPEMF用于治療骨修復(fù)和早期成骨分化的潛在臨床優(yōu)勢。

2 電磁場對(duì)不同來源的MSC成骨分化的作用

間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)作為具有成骨分化潛力的干細(xì)胞，最早在骨髓中發(fā)現(xiàn)，稱為骨髓間質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)，隨后在脂肪、滑膜、肺以及羊水、臍帶血等組織中相繼分離得到。在認(rèn)識(shí)到電磁場對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的作用以后，很多學(xué)者對(duì)其他組織來源的間充質(zhì)干細(xì)胞也做了相關(guān)研究，但目前多集中于對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化機(jī)制的研究。

2.1 電磁場誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化機(jī)制研究主要通過成骨分化信號(hào)通路的調(diào)控機(jī)制入手。因此大量研究發(fā)現(xiàn)電磁場主要通過PI3K-Akt信號(hào)通路、環(huán)腺苷酸激活蛋白激酶A(cAMP-PKA)信號(hào)通路、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)信號(hào)通路、Wnt信號(hào)通路等誘導(dǎo)其成骨分化。Schwartz等[13]通過觀察間充質(zhì)干細(xì)胞整個(gè)成骨分化過程發(fā)現(xiàn)，脈沖電磁場可能通過PI3K-Akt信號(hào)通路促進(jìn)BMP-2的分泌，進(jìn)而刺激Runx2基因表達(dá)，最終加速間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化。Wu等[14]發(fā)現(xiàn)50 Hz/2m T的電磁場能夠抑制小鼠BMSC增殖，細(xì)胞外cAMP水平只在早期增加，電磁場可能是通過激活cAMP-PKA信號(hào)通路，從而促進(jìn)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞方向分化。近年研究表明：電磁場通過激活ERK信號(hào)通路從而促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。在Song等[10]對(duì)大鼠BMSC采用15 Hz/1m T正弦電磁場(SEMFs)處理，骨涎蛋白(BSP)、骨橋蛋白(OPN)表達(dá)上升，ALP活性提高及細(xì)胞鈣質(zhì)的沉積，并表現(xiàn)出時(shí)間依賴性。同時(shí)，ERK信號(hào)通路的阻滯劑U0126能夠減弱正弦脈沖電磁場對(duì)其成骨分化作用。Yong等[15]研究還顯示，通過ERK信號(hào)通路阻滯劑PD98059或者PKA抑制劑H-89處理后能夠顯著降低促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的蛋白表達(dá)，從而抑制電磁場對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。周予婧等[16]利用8 Hz/3.8mT PEMF照射體外培養(yǎng)的小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)PEMF能夠增加Wnt1、Wnt3a、BMP-2、Runx2等基因的表達(dá)，并且表達(dá)水平呈持續(xù)上升趨勢。

2.2 電磁場誘導(dǎo)脂肪基質(zhì)干細(xì)胞(ADSC)成骨分化盡管有研究顯示脂肪基質(zhì)干細(xì)胞表現(xiàn)出比骨髓間質(zhì)干細(xì)胞較少的成骨分化潛能，但脂肪來源間充質(zhì)干細(xì)胞(ADSC)相對(duì)更容易獲得，并可以得到更大的量。因此，Ongaro等[17]通過脈沖電磁場對(duì)人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和脂肪組織來源的間充質(zhì)干細(xì)胞的對(duì)比研究，檢測早期及晚期成骨標(biāo)記物，并對(duì)成骨過程中不同時(shí)間進(jìn)行了差異化分析，結(jié)果表明，脈沖電磁場誘導(dǎo)成骨分化，并作用于整個(gè)細(xì)胞成骨分化過程中。Kang等[18-19]采用不同的培養(yǎng)方式發(fā)現(xiàn)1m T、30/45 Hz的電磁場促進(jìn)ADSC的成骨分化，同時(shí)觀察到Wnt信號(hào)通路被激活，表明Wnt信號(hào)通路可能參與脈沖電磁場誘導(dǎo)ADSC成骨分化。

2.3 電磁場誘導(dǎo)羊膜上皮細(xì)胞(AECs)成骨分化作為一種干細(xì)胞治療的潛在細(xì)胞來源，已有相關(guān)報(bào)道證明在體外可被誘導(dǎo)其多向分化，提示在組織工程和細(xì)胞替代治療領(lǐng)域的作用。Wang等[20]的研究結(jié)果顯示脈沖電磁場刺激能夠單獨(dú)誘導(dǎo)AECS的成骨分化，PT-PCR檢測成骨特異性蛋白BMP-2、Runx2、β-連環(huán)蛋白等基因水平均有不同程度上調(diào)。

2.4 電磁場誘導(dǎo)人類牙槽骨干細(xì)胞(hABMSCs)成骨分化Lim等[21]發(fā)現(xiàn)極低頻脈沖電磁場(ELF-PEMFs)能夠加速hABMSCs早期成骨分化，同時(shí)在兩周的成骨分化持續(xù)過程中，Vinculin(紐蛋白)、Vimentin(波形蛋白)和CaM(鈣調(diào)蛋白)的表達(dá)持續(xù)增加。

3 結(jié)語

綜上所述，間充質(zhì)干細(xì)胞在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的臨床運(yùn)用有著無可替代的地位，同時(shí)聯(lián)合電磁場操作簡便、無創(chuàng)和并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)，不斷開拓新的有效的治療手段，仍然是以后研究的重點(diǎn)。但如何優(yōu)化選擇EMFs的有效“生物窗”，是急需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。同時(shí)需進(jìn)一步理清電磁場對(duì)不同來源的間充質(zhì)干細(xì)胞調(diào)控的作用靶點(diǎn)、信號(hào)通路及相關(guān)作用機(jī)制，為骨科疾病的預(yù)防和治療奠定理論基礎(chǔ)。

[1]Yang Y,Tao C,Zhao D,etal.EMF acts on ratbonemarrow mesenchymal stem cells to promote differentiation to osteoblasts and to inhibit differentiation to adipocytes[J].Bioelectromagnetics,2010,31 (4)∶277-285.

[2]Lu T,Huang YX,Zhang C,et al.Effect of pulsed electromagnetic field therapy on the osteogenic and adipogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells[J].Genetics and Molecular Research,2015,14(3)∶11535-11542.

[3]Cheng G,Chen K,Li Z,etal.Enhancementof osteoblastic differentiation of bonemarrow mesenchymal stem cells in rats by sinusoidal electromagnetic fields[J].Journal of Biomedical Engineering,2011, 28(4)∶683-688.

[4]Luo F,Hou T,Zhang Z,etal.Effects of pulsed electromagnetic field frequencies on the osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells[J].Orthopedics,2012,35(4)∶e526-531.

[5]Liu C,Yu J,Yang Y,et al.Effect of 1m T sinusoidal electromagnetic fields on proliferation and osteogenic differentiation of ratbonemarrow mesenchymal stromal cells[J].Bioelectromagnetics,2013,34 (6)∶453-464.

[6]Jansen JH,VanDer JagtOP,Punt BJ,etal.Stimulation of osteogenic differentiation in human osteoprogenitor cells by pulsed electromagnetic fields∶an in vitro study[J].BMC Musculoskeletal Disorders, 2010,11(1)∶1-11

[7]Tsai MT,LiWJ,Tuan RS,et al.Modulation of osteogenesis in human mesenchymal stem cells by specific pulsed electromagnetic field stimulation[J].Journal of Orthopaedic Research,2009,27(9)∶1169-1174.

[8]宋國麗,周翠紅,張宇,等.靜磁場對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖及骨向分化的影響[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2014,4(5)∶322-326.

[9]Esposito M,Lucariello A,Riccio I,etal.Differentiation of human osteoprogenitor cells increases after treatmentw ith pulsed electromagnetic fields[J].In vivo,2012,26(2)∶299-304.

[10]Song MY,Yu JZ,Zhao DM,et al.The time-dependentmanner of sinusoidal electromagnetic fields on rat bone marrow mesenchymal stem cells proliferation,differentiation,and m ineralization[J].Cell Biochem istry and Biophysics,2014,69(1)∶47-54.

[11]Yan J,Dong L,Zhang B,et al.Effects of extremely low-frequency magnetic field on grow th and differentiation of humanmesenchymal stem cells[J].Electromagnetic Biology and Medicine,2010,29(4)∶ 165-176.

[12]Fu YC,Lin CC,Chang JK,etal.A novelsingle pulsed electromagnetic field stimulates osteogenesis of bone marrow mesenchymal stem cellsand bone repair[J].PLoSOne,2014,9(3)∶e91581.

[13]Schwartz Z,Simon BJ,Duran MA,et al.Pulsed electromagnetic fields enhance BMP-2 dependent osteoblastic differentiation of human mesenchymal stem cells[J].Journal of Orthopaedic Research, 2008,26(9)∶1250-1255.

[14]Wu H,Ren K,ZhaoW,etal.Effectof electromagnetic fields on proliferation and differentiation of culturedmouse bonemarrow mesenchymal stem cells[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology Medicalsciences,2005,25(2)∶185-187.

[15]Yong Y,M ing ZD,Feng L,et al.Electromagnetic fields promote osteogenesis of rat mesenchymal stem cells through the PKA and ERK1/2 pathways[J].Journal of Tissue Engineering and RegenerativeMedicine,2014,22∶2344-2356.

[16]周予婧,王樸,陳紅英,等.脈沖電磁場對(duì)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖、成骨分化和Wnt/β-catenin信號(hào)通路的影響[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2015,46(3)∶347-353.

[17]Ongaro A,Pellati A,Bagheri L,et al.Pulsed electromagnetic fields stimulate osteogenic differentiation in human bonemarrow and adipose tissue derivedmesenchymalstem cells[J].Bioelectromagnetics, 2014,35(6)∶426-436.

[18]Kang KS,Hong JM,Kang JA,et al.Regulation of osteogenic differentiation of human adipose-derived stem cells by controlling electromagnetic field conditions[J].Experimental&Molecular Medicine, 2013,45(1)∶e6

[19]Kang KS,Hong JM,Seol YJ,et al.Short-term evaluation of electromagnetic field pretreatmentof adipose-derived stem cells to improve bone healing[J].Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine,2015,9(10)∶1161-1171.

[20]Wang Q,Wu W,Han X,et al.Osteogenic differentiation of amniotic epithelial cells∶synergism of pulsed electromagnetic field and biochemical stimuli[J].BMCMusculoskeletal Disorders,2014,15(18)∶1092-1096.

[21]Lim K,Hexiu J,Kim J,etal.Effects of electromagnetic fields on osteogenesis of human alveolar bone-derived mesenchymal stem cells [J].BioMed Research International,2013,3∶e296019.

Research progress on electrom agnetic fields-induced osteogenic differentiation ofmesenchymal stem cells.

XIANG Zheng-zong,CHEN Jian-feng.Department of Orthopedics,People's Hospital of China Three Gorges University,the First People’sHospitalof Yichang,Yichang 443000,Hubei,CHINA

Mesenchymalstem cells(MSCs)aremultipotentadultstem cellswhich can differentiate into various functional cells such as osteocytes,chondrocytes,adipocytes under certain induced conditions.In the field of orthopedics,MSCs provide a variety of cellsources for the organization repair,and are one of themoststudied seed cells for tissue engineering and medical fields of regeneration currently.Electromagnetic field(EMF),as a non-invasive physical therapy,has advantages in the treatmentof nonunion,bone defects and osteoporosis and other diseases.In recent years, themechanism on osteogenic differentiation of MSCs induced by electromagnetic field has been frequently reported.In this paper,wemake a review on the relevantmechanism of the osteogenic differentiation of MSCs from differentsources induced by electromagnetic field of differentparametersand types.

Electromagnetic fields;Mesenchymalstem cells;Osteogenic differentiation

R329.2+5

A

1003—6350（2016）16—2674—03

2015-11-20)

doi∶10.3969/j.issn.1003-6350.2016.16.032

陳劍鋒。E-mail：tongjicjf@126.com