1.8 mT不同頻率正弦交變電磁場對青年大鼠骨密度及骨形態(tài)計量的影響比較

周延峰，李雪雁，李文苑，秦榮

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1.8 mT不同頻率正弦交變電磁場對青年大鼠骨密度及骨形態(tài)計量的影響比較

周延峰*，李雪雁*，李文苑，秦榮

蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050

周延峰, 李雪雁, 李文苑, 等. 1.8 mT不同頻率正弦交變電磁場對青年大鼠骨密度及骨形態(tài)計量的影響比較. 生物工程學(xué)報, 2017, 33(7): 1158–1167.Zhou YF, Li XY, Li WY, et al. Effects of 1.8 mT sinusoidal electromagnetic fields of different frequencies on bone mineral density and bone histomorphometry of young rats. Chin J Biotech, 2017, 33(7): 1158–1167.

比較不同頻率的正弦交變電磁場對SD青年大鼠骨密度及骨形態(tài)計量指標(biāo)的影響，篩選可有效提升大鼠骨密度的頻率參數(shù)。將32只8周齡SD雌性大鼠隨機(jī)分為4組：對照組、15 Hz組、30 Hz組、45 Hz組；除對照組外，實(shí)驗(yàn)組大鼠每天都給予相應(yīng)頻率的1.8 mT正弦交變電磁場干預(yù)，干預(yù)時間為90 min。磁場干預(yù)8周后，雙能X射線骨密度儀檢測大鼠全身骨密度、右側(cè)股骨骨密度和椎骨骨密度，ELISA分析血清中骨形成與骨吸收生化指標(biāo)的含量，右側(cè)脛骨進(jìn)行熒光間距測量與骨形態(tài)計量分析。相比于對照組，15 Hz組、45 Hz組大鼠的全身骨密度、股骨骨密度、椎骨骨密度均明顯升高 (0.05)，血清中骨鈣素與骨保護(hù)素含量也顯著提升 (0.05)；實(shí)驗(yàn)組大鼠的脛骨雙熒光間距與骨組織靜態(tài)參數(shù)均高于對照組(0.05)。結(jié)果表明，15 Hz、45 Hz正弦交變電磁場可有效提升青年大鼠的骨密度，從而可預(yù)防骨質(zhì)疏松的發(fā)生。

骨密度，正弦交變電磁場，骨形態(tài)計量學(xué)

骨質(zhì)疏松癥 (Osteoporosis，OP) 是一種常見的危害現(xiàn)代人類健康的全身性骨骼疾病，骨微結(jié)構(gòu)的劣化與骨折風(fēng)險的增加，使其具有很高的病后致殘和致死率[1–3]。當(dāng)前對于OP的防治，主要包括服用雙膦酸鹽等藥物并補(bǔ)充鈣劑與維生素D[4–5]，除藥物、膳食與運(yùn)動[6–7]等治療方式外，有研究結(jié)果顯示，電磁場干預(yù)青年大鼠可影響大鼠骨密度并改善骨功能[8]，進(jìn)而可降低或延緩OP的發(fā)生。

作為評價骨質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，骨密度 (Bone mineral density，BMD) 能有效衡量骨含量的高 低[9]，骨密度的升高直接導(dǎo)致峰值骨量 (Peak bone mass) 的提升，而峰值骨量的高低又是誘發(fā)OP的一個主要原因，峰值骨量越高，OP發(fā)生概率越低[10–12]。骨量的多少由骨密度直觀反映，而骨組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣狀況以及骨的代謝情況可由骨形態(tài)計量學(xué)指標(biāo)客觀展現(xiàn)[13]。在眾多新型的物理治療方法中，電磁場干預(yù)因其具有無創(chuàng)傷、無感染、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣 泛[14–15]。通過電磁場的干預(yù)，使生物個體在青春期達(dá)到峰值骨量的最大值，以此來延緩OP發(fā)生的研究具有重要的意義。此外，在本課題組前期的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中證實(shí)1.8 mT正弦交變電磁場能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞成熟與礦化[16]，相關(guān)動物實(shí)驗(yàn)也篩選并獲得了有效的電磁場波形[17]，基于以往實(shí)驗(yàn)的結(jié)論與預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果[18]，本文通過比較50 Hz以內(nèi)的不同頻率1.8 mT正弦交變電磁場對青年大鼠峰值骨量及骨形態(tài)計量指標(biāo)的影響，在篩選最佳電磁場頻率的同時也探究正弦電磁場增加骨量、優(yōu)化骨組織結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制，研究結(jié)果將為電磁場預(yù)防和延緩骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

雙能X線骨密度儀(GE公司，美國)，Epoch型酶標(biāo)儀(Bio Tek公司，美國)，水合氯醛(天津大茂化學(xué)試劑公司，中國)，鹽酸四環(huán)素與鈣黃綠素 (Enzo Life Sciences Ltd，瑞士)，血清骨鈣素 (Osteocalcin，OC) 試劑盒 (IDS Ltd，英國)、大鼠核因子κB受體活化因子配體 (Receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL)血清試劑盒和大鼠骨保護(hù)素 (Osteoprotegerin，OPG) 血清試劑盒 (上海研吉生物科技有限公司，中國)，抗酒石酸酸性磷酸酶5b (Tartrate resistant acid phosphatase，TRAP-5b) 試劑盒 (IDS Ltd，英國)，Technovit?9100樹脂包埋試劑盒 (Heraeus Kulzer GmbH & Co. KG，德國)，SP1600硬組織切片機(jī) (LEICA公司，德國)，BX53型正置顯微鏡 (Olympus公司，日本)。

1.2 電磁場發(fā)生儀

由中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所研制，磁場發(fā)生儀線圈內(nèi)徑為120 cm，頻率范圍為0?100 Hz，磁場強(qiáng)度為0–5.5 mT，可選波形有正弦、脈沖、三角等，儀器輸出的電磁場波形、強(qiáng)度及頻率均可自由設(shè)定，經(jīng)高斯計檢測，儀器運(yùn)行期間，線圈中軸區(qū)域內(nèi)(d=70 cm) 產(chǎn)生的電磁場均勻穩(wěn)定(誤差率＜4%)，實(shí)驗(yàn)期間，鼠籠每日均放置在線圈正中的固定位置。

1.3 實(shí)驗(yàn)動物分組及磁場處理

32只8周齡SPF級雌性SD大鼠，由甘肅中醫(yī)藥大學(xué)動物實(shí)驗(yàn)中心提供,許可證號：SCXK (甘) 2015-0001，體重(80±5) g。隨機(jī)分成對照組與實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組包括：15 Hz組、30 Hz組和45 Hz組。實(shí)驗(yàn)組大鼠每天給予相應(yīng)頻率的1.8 mT正弦交變電磁場干預(yù)，干預(yù)時間90 min。對照組除不進(jìn)行磁場處理外，其他條件均與實(shí)驗(yàn)組相同。每日觀察大鼠身體與精神狀態(tài)，每周進(jìn)行1次體重測量。

1.4 骨密度檢測

磁場干預(yù)4周后，所有大鼠腹腔麻醉 (10%水合氯醛) 后，經(jīng)雙能X線骨密度儀(GE公司，美國) 檢測大鼠全身BMD。磁場處理8周后，麻醉大鼠并檢測全身BMD，然后經(jīng)腹腔動脈采血，處死動物。剝離大鼠兩側(cè)股骨和整個腰椎后，檢測股骨與腰椎骨 (L1-L6) 的骨密度。

1.5 血清生化指標(biāo)檢測

動脈血樣經(jīng)1 500 r/min離心5 min，分離出血清，–80 ℃凍存?zhèn)溆?。ELISA試劑盒測定大鼠血清中的骨鈣素OC、RANKL及OPG，于酶標(biāo)儀450 nm處測定吸光度值，并通過各自的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出OC含量與RANKL/OPG的值。ELISA試劑盒測定大鼠血清中TRACP-5b，于酶標(biāo)儀405 nm處測定值，并通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出TRACP-5b的含量。

1.6 臟器固定及病理切片

剝離干凈大鼠的肝、腎、心、脾、子宮等臟器后，稱重并計算器官系數(shù)，然后臟器經(jīng)4%甲醛固定，常規(guī)切片，HE染色，由資深病理醫(yī)師進(jìn)行病理學(xué)觀察及診斷。

1.7 骨形態(tài)計量分析

大鼠處死前15 d和前5 d，分別于皮下注射雙熒光標(biāo)記物：鹽酸四環(huán)素(5 mg/mL) 和鈣黃綠素(2 mg/mL)。大鼠處死后，剝離的脛骨保存于70%酒精中用于骨形態(tài)分析，將脛骨經(jīng)酒精脫水、二甲苯透明后，采用不脫鈣塑料包埋法包埋。包埋體置于SP1600硬組織切片機(jī)中切片，切片厚度為400 μm，切片用強(qiáng)力膠封固在載玻片后經(jīng)1 000?2 000目的砂紙打磨。取兩張完整的切片，一張用于雙熒光標(biāo)記的觀察及熒光間距的量化分析，另一張經(jīng)苦味酸-品紅 (Van gieson，VG) 染色后，顯微鏡下觀察染色結(jié)果，采用IPP6.0圖片分析軟件進(jìn)行骨形態(tài)計量分析。

1.8 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，檢測數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±) 表示，不同組間差異采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用LSD檢驗(yàn)法。<0.05為差異具有顯著性，<0.01為差異具有極顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 大鼠體重及精神狀況

電磁場干預(yù)實(shí)驗(yàn)大鼠的場景見圖1，整個實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)大鼠與對照組大鼠在體重差異上無統(tǒng)計學(xué)意義，見表1，所有大鼠精神狀況也無明顯差異。

圖1 不同頻率電磁場對實(shí)驗(yàn)大鼠進(jìn)行每日1.5 h的干預(yù)

表1 不同頻率電磁場處理后大鼠的體重變化情況(±s，g)

Table 1 Weight changes of rats treated with different frequency electromagnetic fields (±s,g)

表1 不同頻率電磁場處理后大鼠的體重變化情況(±s，g)

GroupsNumber4 week8 week Control group8151.3±6.264 8184.4±9.157 3 15 Hzgroup8154.5±5.573 1183.0±6.603 2 30 Hz group8151.7±5.316 0182.9±8.243 4 45 Hzgroup8154.2±6.897 4185.2±8.458 1

The weight of the rats in 1.8 mT different frequency sinusoidal electromagnetic field’s interference after one month and two months.

2.2 骨密度檢測結(jié)果

磁場干預(yù)4周后，與對照組大鼠相比，實(shí)驗(yàn)組大鼠全身BMD無統(tǒng)計學(xué)意義 (>0.05)，磁場處理8周后，15 Hz組、45 Hz組全身BMD均顯著高于對照組 (<0.05)。見表2。大鼠離體骨密度的結(jié)果顯示，15 Hz、45 Hz組大鼠在股骨骨密度上相比對照組，有統(tǒng)計學(xué)意義 (<0.05)，實(shí)驗(yàn)組大鼠與對照組大鼠在腰椎骨 (L1–L6) 骨密度上無顯著差異 (>0.05)。見表3。

2.3 血清生化指標(biāo)檢測結(jié)果

15 Hz、45 Hz組的骨形成指標(biāo)OC含量顯著高于對照組 (<0.05)，OPG/RANKL的值有極顯著性差異 (<0.01)；30 Hz組在OC含量上無明顯差異 (>0.05)，在OPG/RANKL的比值上有顯著差異 (<0.05)；在骨吸收指標(biāo)TRACP-5b的含量上，實(shí)驗(yàn)組與對照組比較，無統(tǒng)計學(xué)意義(見表4)。

2.4 臟器病理結(jié)果

實(shí)驗(yàn)組與對照組的大鼠器官系數(shù)上無統(tǒng)計學(xué)差異，所有大鼠臟器病理切片經(jīng)資深病理科醫(yī)師檢查后未發(fā)現(xiàn)異常病理性改變，對照組大鼠臟器的病理切片與骨密度提升最顯著的45 Hz組大鼠臟器的病理切片見圖2。

2.5 雙熒光間距結(jié)果

樹脂包埋的脛骨切片中，量取脛骨同一部位的30處熒光間距值，數(shù)據(jù)統(tǒng)計后得出：15 Hz組大鼠脛骨的雙熒光間距值顯著高于對照組大鼠的熒光間距值 (0.05）；45 Hz組大鼠脛骨的雙熒光間距值極高于對照組熒光間距 (0.01)；30 Hz組大鼠脛骨雙熒光間距與對照組無統(tǒng)計學(xué)差異 (>0.05)。不同組別大鼠脛骨的雙熒光間距值，見表5。

不同組別大鼠的脛骨雙熒光標(biāo)記情況見圖3。

表2 不同頻率電磁場干預(yù)后大鼠全身BMD變化情況(±s，g/cm2)

Table 2 Changes of rats’ BMD after the intervention with different frequency electromagnetic fields (±s, g/cm2)

表2 不同頻率電磁場干預(yù)后大鼠全身BMD變化情況(±s，g/cm2)

GroupsNumber4 week8 week Control group80.119 7±0.005 6250.127 2±0.007 260 15 Hz group80.122 3±0.005 0840.134 2±0.007 503* 30 Hz group80.121 4±0.006 4470.131 7±0.006 334 45 Hz group80.123 3±0.006 5210.134 6±0.008 095*

Compared with the control group,*<0.05.

表3 不同頻率電磁場干預(yù)后大鼠離體骨密度值(±s，g/cm2)

Table 3 Bone mineral density of rats after intervention with different frequency electromagnetic fields (±s, g/cm2)

表3 不同頻率電磁場干預(yù)后大鼠離體骨密度值(±s，g/cm2)

GroupsNumberFemur (R)Lumbar vertebra (L1-L6) Control group80.131 44±0.007 2660.129 47±0.007 262 15 Hz group80.137 25±0.007 563*0.135 01±0.009 356 30 Hz group80.134 06±0.006 6270.129 45±0.008 637 45 Hz group80.139 42±0.008 099*0.135 16±0.006 913

Compared with the control group,*<0.05.

表4 大鼠血清中骨相關(guān)生化指標(biāo)的檢測結(jié)果(±s)

Table 4 Detection results of serum biochemical parameters in rats (±s)

表4 大鼠血清中骨相關(guān)生化指標(biāo)的檢測結(jié)果(±s)

GroupsNumberOC (ng/mL)OPG/RANKL (%)TRACP-5b (U/L) Control group817.471 0±3.022 710.241 8±1.036 50.382 1±0.038 1 15 Hz group818.443 9±2.178 7*15.687 2±1.436 4**0.377 6±0.028 4 30 Hz group818.067 2±3.462 413.343 1±0.957 1*0.378 3±0.023 3 45 Hz group818.961 3±2.560 8*16.272 4±1.608 1**0.380 2±0.034 2

OC: osteocalcin; OPG: osteoprotegerin; RANKL: receptor activator for nuclear factor-κB ligand; TRACP-5b: tartrate resistant acid phosphatase 5b. Compared with the control group, *<0.05,**<0.01.

表5 大鼠脛骨雙熒光間距值(±s)

Table 5 The interval values of double fluorescence in rats tibia (±s)

表5 大鼠脛骨雙熒光間距值(±s)

GroupsNumberInterval values of fluorescence (μm) Control group82.862 0±0.237 1 15 Hz group84.187 5±0.417 3* 30 Hz group83.493 7±0.440 8 45 Hz group84.929 1±0.521 6**

Compared with the control group,*<0.05,**<0.01.

圖2 對照組大鼠與45 Hz組大鼠的不同臟器病理圖片

2.6 脛骨骨形態(tài)計量分析結(jié)果

大鼠脛骨的近骺端骨組織染色結(jié)果顯示：15 Hz組、30 Hz組、45 Hz組的紅色骨小梁數(shù)量明顯多于對照組，而骨小梁的分離度則明顯降低，見圖4。軟件量化的骨小梁數(shù)量、厚度、分離度、面積百分比值見表6，其中15 Hz組、40 Hz組大鼠脛骨的骨小梁數(shù)量、分離度、面積百分比相比于對照組，均有極顯著的差異 (<0.01)；30 Hz組的骨小梁數(shù)量、分離度、面積百分比與對照組相比，有顯著性差異 (<0.05)；實(shí)驗(yàn)組大鼠與對照組大鼠在骨小梁厚度上無顯著差異 (>0.05)。

A

B

C

D

圖3 不同組別大鼠脛骨的雙熒光標(biāo)記圖(×40)

Fig. 3 Double fluorescent markers of tibia in different groups (×40). (A) Control group. (B) 15 Hz group. (C) 30 Hz group. (D) 45 Hz group. Yellow fluorescence is tetracycline hydrochloride, green fluorescence is calcein fluorescence, and the spacing is the growth in ten days of rat tibia.

A

B

C

D

圖4 大鼠脛骨骨形態(tài)(×40)

Fig. 4 Bone morphology of tibia in rats (×40). (A) Control group. (B) 15 Hz group. (C) 30 Hz group. (D) 45 Hz group. In pictures, the red is the cortical bone and the trabecular bone, the brown yellow is the bone marrow cavity.

表6 大鼠脛骨近骺端組織計量學(xué)靜態(tài)參數(shù)比較(±s，n=8)

Table 6 Comparison of static parameter histomorphometry in tibial metaphysic of rats (±s, n=8)

表6 大鼠脛骨近骺端組織計量學(xué)靜態(tài)參數(shù)比較(±s，n=8)

GroupsTb.NTb.Th (mm)Tb.Sp (mm)TB/AR(%) Control group2.308 2±0.333 30.144 6±0.004 90.288 4±0.014 038.263 1±4.341 5 15 Hz group3.350 8±0.364 9**0.159 2±0.010 90.194 9±0.004 1**54.746 4±4.192 7** 30 Hz group3.114 3±0.238 2*0.150 3±0.011 60.226 8±0.013 2*47.520 6±4.308 1* 45 Hz group3.528 9±0.385 3**0.158 0±0.024 20.168 3±0.014 7**67.342 2±3.925 4**

Tb.N: number of trabecular bone; Tb.Th: thickness of trabecular bone; Tb.Sp: separation degree of trabecular bone; TB/AR: Area percentage of bone, Compared with the control group, *0.05, **0.01.

3 討論與結(jié)論

電磁場在臨床上對緩解骨質(zhì)疏松引起的疼痛具有顯著的效果，因其副作用小、成本低廉的特點(diǎn)，在物理治療的方法中日益凸顯。有報道表明，電磁場運(yùn)用于去勢大鼠的動物模型，可降低中年大鼠骨量的丟失[19]，但通過提高青春期時生物個體的峰值骨量，以此來延緩生物體OP發(fā)生的實(shí)驗(yàn)尚未報道。此外，不同參數(shù)的電磁場干預(yù)去勢大鼠后，大鼠骨量的變化情況也不盡相同[20]。本文以青年大鼠為對象，結(jié)合本課題組前期細(xì)胞實(shí)驗(yàn)與動物實(shí)驗(yàn)篩選的有效電磁場強(qiáng)度與磁場干預(yù)最佳時間[21]，來比較不同頻率SEMFs對青年大鼠骨密度及骨形態(tài)計量指標(biāo)的影響。

骨密度是衡量骨質(zhì)量的黃金指標(biāo)，骨密度的提升直觀地反映了骨強(qiáng)度的狀況，因此許多與骨相關(guān)的藥物研究和治療方法都以骨密度的提升為評價標(biāo)準(zhǔn)[22-23]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示SEMFs干預(yù)青年大鼠兩個月后，15 Hz組、45 Hz組的青年大鼠全身骨密度與離體骨密度都有顯著性的增加，而不同組別大鼠的體重、器官系數(shù)、臟器病理切片均無明顯差異，說明15 Hz、45 Hz可作為有效的電磁場頻率來安全可靠地提高青年大鼠的峰值骨量。

OC作為骨形成的相關(guān)酶，其高低反映成骨狀況的活躍與否，OPG/RANKL的比值可描述骨形成的快慢，是骨形成的一個重要指標(biāo)；TRACP-5b是反映骨吸收情況的重要指標(biāo)。血清中骨相關(guān)生化指標(biāo)含量的高低可顯示在成骨與吸收骨的動態(tài)過程中，骨量的增加是以骨生成的正向增加為主導(dǎo)，還是以骨吸收的負(fù)向降低為主導(dǎo)。本實(shí)驗(yàn)血清生化結(jié)果顯示，15 Hz、45 Hz的1.8 mT正弦交變電磁場能夠顯著提升骨形成相關(guān)因子OC的表達(dá)，且OPG/RANKL的比值也有明顯的增高，而骨吸收的相關(guān)因子在實(shí)驗(yàn)組和對照組之間卻無明顯差異。結(jié)果預(yù)示電磁場提升青年大鼠峰值骨量主要是以促進(jìn)大鼠成骨活動相關(guān)因子的表達(dá)，進(jìn)而使成骨與吸收骨的動態(tài)平衡傾向于成骨一側(cè)。周建等研究發(fā)現(xiàn)，正弦電磁場能促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化以及骨形成相關(guān)基因的表達(dá)[24]，表明動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果與細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)論存在一定相關(guān)性。

骨的雙熒光標(biāo)記可直接反映某一時段內(nèi)骨量增加的情況，骨形態(tài)計量的指標(biāo)能客觀展現(xiàn)骨微結(jié)構(gòu)與骨代謝的變化狀況，因而它們在研究骨質(zhì)疏松相關(guān)藥物的作用機(jī)理中應(yīng)用十分廣泛[25]。本實(shí)驗(yàn)通過熒光間距的量化比較，從骨量累計的角度上表明，15 Hz、45 Hz的1.8 mT正弦交變電磁場可顯著增加骨的生成。大鼠脛骨的VG染色結(jié)果既直觀展示了骨微結(jié)構(gòu)的差異，又以Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp、Tb/AR%等指標(biāo)來量化反映骨代謝的差異。結(jié)果顯示，電磁場組在脛骨骨小梁數(shù)量、骨小梁分離度、骨小梁面積百分比上，都有不同程度的提升，其中15 Hz組、45 Hz組有極顯著的提升，30 Hz組有顯著提升。然而，實(shí)驗(yàn)組大鼠與對照組大鼠在脛骨的骨小梁厚度上卻沒有明顯差異，這與Milena等發(fā)現(xiàn)的電磁場干預(yù)對天竺鼠脛骨骨小梁的影響結(jié)果近似[26]， 預(yù)示SEMFs在增加青年大鼠骨量的過程中，主要是通過增加骨小梁的密度來實(shí)現(xiàn)的。在骨代謝過程中，成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞交替扮演重要的角色，本實(shí)驗(yàn)中，磁場組大鼠骨小梁數(shù)量與面積百分比的增加以及骨小梁厚度的無變化，預(yù)示 1.8 mT正弦交變電磁場可能在骨代謝的過程中主要促進(jìn)成骨活動，少影響或無影響骨吸收的活動，這與周建等發(fā)現(xiàn)的1.8 mT正弦交變電磁場可明顯促進(jìn)成骨細(xì)胞成熟和礦化的結(jié)論相關(guān)聯(lián)。此外，Hong等發(fā)現(xiàn)7.5 Hz的1.0 mT SEMF能促進(jìn)破骨細(xì)胞生成、提升骨吸收的能力[27]。盡管不同參數(shù)的電磁場作用的主要對象也不同，但它們的總體效果都是骨的生成量大于骨的吸收量，骨量的有效增加也使得大鼠骨微結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步改善。

綜上，15 Hz、45 Hz的1.8 mT正弦交變電磁場能夠有效提升青年大鼠骨密度，改善大鼠的骨微結(jié)構(gòu)，但電磁場頻率不同，改善效果也不同。成骨生化指標(biāo)的提升和骨代謝狀況的變化不僅為電磁場作用機(jī)理的研究提供更為廣闊的思路，也為電磁場預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松提供更有價值的參考，引導(dǎo)我們進(jìn)行更深一步的探究。

REFERENCES

[1] Rachner TD, Khosla S, Hofbauer LC. Osteoporosis: now and the future. Lancet, 2011, 377(9773): 1276–1287.

[2] Henríquez MS, Gómez MJ de Tdjada Romero. Osteoporosis. Medicine, 2016, 12(16): 900–908.

[3] Raquel S, Sabina H, Xavier N, et al. Current and future treatments of secondary osteoporosis. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab, 2014, 28(6): 885–894.

[4] Atsushi H, Sadayuki I, Yasumoto M, et al. Effect of alendronate on muscle mass: investigation in patients with osteoporosis. Osteoporosis and Sarcopenia, 2015, 1(1): 53–58.

[5] Sadaoki S, Satoshi T, Masanori S, et al. Treatment with the combination of ibandronate plus eldecalcitol has a synergistic effect on inhibition of bone resorption without suppressing bone formation in ovariectomized rats. Bone, 2015, 81: 449–458.

[6] María J, José L, Santos C, et al. Therapeutic holidays in osteoporosis: long-term strategy of treatment with bisphonates. Med Clín, 2016, 146(1): 24–29.

[7] Ahmet I, Umut C, Sema H, et al. Idiopathic juvenile osteoporosis: a case report and review of the literature. Inter J Surg Case Rep, 2015, 9: 127–129.

[8] Jing D, Shen G, Huang J, et al. Circadian rhythm affects the preventive role of pulsed electromagnetic fields on ovariectomy-induced osteoporosis in rats. Bone, 2010, 46(2): 487–495.

[9] Lorentzon M, Norjavaara E, Kindblom JM. Pubertal timing predicts leg length and childhood body mass index predicts sitting height in young adult men. J Pediatr, 2011, 158(3): 452–457.

[10] Bonjour JP, Chevalley T, Ferrari S, et al. The importance and relevance of peak bone mass in the prevalence of osteoporosis. Salud Pública Méx, 2009, 51(S1): 5–17.

[11] Jing D, Cai J, Wu Y, et al. Pulsed electromagnetic fields partially preserve bone mass, microarchitecture, and strength by promoting bone formation in hindlimb-suspended rats. J Bone Miner Res, 2014, 29(10): 2250–2261.

[12] Anna Daroszewska. Prevention and treatment of osteoporosis in women: an update. Obst Reproduc Med, 2015, 25(7):181–187.

[13] Xing L, Jiao YH, Geng LH, et al. Xianlinggubao for treatment of osteoporotic rats: serological and bone histomorphometric evaluation. J Clin Rehabil Tissue Eng Res, 2011, 15(15): 2786–2789 (in Chinese). 邢磊, 焦穎華, 耿麗華, 等. 仙靈骨葆治療骨質(zhì)疏松大鼠: 血清學(xué)及骨組織形態(tài)計量學(xué)評價. 中國組織工程研究與臨床康復(fù), 2011, 15(15): 2786–2789.

[14] Cao ZS, Chen YJ, Chen YX, et al. Electromagnetic irradiation may be a new approach to therapy for peri-implantitis. Med Hypotheses, 2012, 78(3): 370–372.

[15] Alan AS, Abimael FD, Antonio AN, et al. A new method for topology design of electromagnetic antennas in hyperthermia therapy. App Math Model, 2017, 42: 209–222.

[16] Zhou J, Ming LG, Ge BF, et al. Effects of 50 Hz sinusoidal electromagnetic fields of different intensities on proliferation, differentiation and mineralization potentials of rat osteoblasts. Bone, 2011, 49(4): 753–761.

[17] Gao YH, Cheng K, Ge BF, et al. Effect of different-intensity SEMFs on bone mineral density and histomorphometry in SD rats. China J Orthop Traumatol, 2014, 27(11): 933–937 (in Chinese). 高玉海, 成魁, 葛寶豐, 等. 不同強(qiáng)度正弦交變電磁場對大鼠骨密度及骨形態(tài)計量學(xué)的影響. 中國骨傷, 2014, 27(11): 933–937.

[18] Zhou YF, Ye S, Li SF, et al. Effect of 1.8 mT sinusoidal electromagnetic field with different frequency on peak bone mass of young rats. Med Pharm J Chin PLA, 2016, 28(10): 8–11 (in Chinese). 周延峰, 葉鑠, 李少鋒, 等. 1.8 mT不同頻率正弦交變電磁場對青年大鼠峰值骨量的影響. 解放軍醫(yī)藥雜志, 2016, 28(10): 8–11.

[19] Cheng GZ, Zhai YK, Chen KM, et al. Sinusoidal electromagnetic field stimulates rat osteoblast differentiation and maturation via activation of NO-cGMP-PKG pathway. Nitric Oxide, 2011, 25(3): 316–325.

[20] Zhou J, Wang JQ, Ge BF, et al. Different electromagnetic field waveforms have different effects on proliferation, differentiation and mineralization of osteoblasts. Bioelectromagnetics, 2014, 35(1): 30–38.

[21] Gao YH, Li SF, Zhou J, et al. Effect of sinusoidal electromagnetic field on bone mineral density and histomorphometry of rats at different time points. Acta Acad Med Sin, 2014, 36(6): 660–667 (in Chinese). 高玉海, 李少鋒, 周建, 等. 不同時間正弦交變電磁場對大鼠骨密度及骨形態(tài)計量指標(biāo)的影響. 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報, 2014, 36(6): 660–667.

[22] Shen WW, Zhao JH. Pulsed electromagnetic fields stimulation affects BMD and local factor production of rats with disuse osteoporosis. Bioelectromagnetics, 2010, 31(2): 113–119.

[23] Cadossi R, Setti S. Low-frequency pulsed electromagnetic fields in orthopedic practice: bone and cartilage repair//Proceedings of 2011 the 30th URSI General Assembly and Scientific Symposium. Istanbul: IEEE, 2011: 1–4.

[24] Ferroni L, Tocco I, De Pieri A, et al. Pulsed magnetic therapy increases osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells only if they are pre-committed. Life Sci, 2016, 152: 44–51.

[25] Liang M, Zhang J, Liang XH, et al. Effects of combining estrogen and progesterone on bone mineral density and histomorphometry in ovariectomized rats. J Clin Rehabil Tissue Eng Res, 2010, 14(24): 4380–4384 (in Chinese). 梁敏, 張劼, 梁杏歡, 等. 雌孕激素聯(lián)合對去卵巢大鼠骨密度和骨形態(tài)計量學(xué)的影響. 中國組織工程研究與臨床康復(fù), 2010, 14(24): 4380–4384.

[26] Fini M, Torricelli P, Giavaresi G, et al. Effect of pulsed electromagnetic field stimulation on knee cartilage, subchondral and epyphiseal trabecular bone of aged Dunkin Hartley guinea pigs. Biomed Pharmacother, 2008, 62(10): 709–715.

[27] Hong JM, Kang KS, Yi HG, et al. Electromagnetically controllable osteoclast activity. Bone, 2014, 62: 99–107.

(本文責(zé)編 陳宏宇)

Effects of 1.8 mT sinusoidal electromagnetic fields of different frequencies on bone mineral density and bone histomorphometry of young rats

Yanfeng Zhou*, Xueyan Li*, Wenyuan Li, and Rong Qin

School of Life Science and Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu, China

To study the effects of different frequency sinusoidal electromagnetic fields on the bone mineral density and bone histomorphometry of SD young rats, and to screen suitable electromagnetic field frequency. In total 32 female SD rats of 8 weeks old were randomly divided into 4 groups: control group, 15 Hz group, 30 Hz group and 45 Hz group. Except for the control group, rats in experimental groups were treated with corresponding frequency of 1.8 mT sinusoidal electromagnetic field 90 minutes every day. Rats were measured for bone mineral density after 8 weeks by dual energy X-ray absorptiometry. Rats’ femur and vertebral bones were measured by analyzing the static and dynamic forms on the right tibia bone for morphometrics. Rat serum was measured to estimate the index of bone formation and bone resorption. Bone mineral density of rats from 15 Hz group and 45 Hz group was higher than that of the control group (<0.05). Serum osteocalcin level of rats from 15 Hz group and 45 Hz group was higher than that of the control group (<0.05). Double fluorescence spacing and static parameters of bone tissue in experimental group rat tibia were higher than that of the control group (<0.05). Our findings imply that 15 Hz and 45 Hz sinusoidal electromagnetic fields can effectively increase bone mineral density in young rats for preventing osteoporosis.

bone mineral density, sinusoidal electromagnetic field, bone histomorphometry

January 12, 2017; Accepted: April 11, 2017

Xueyan Li. Tel: +86-931-8316037; E-mail: lxy@lut.cn

*These authors contributed equally to this study.

Supported by: National Natural Science Foundation of China (Nos. 81270963, 81471090).

國家自然科學(xué)基金 (Nos. 81270963, 81471090) 資助。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-05-03

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1998.Q.20170503.1449.001.html