脈沖電磁場(chǎng)對(duì)體外成骨細(xì)胞的作用及影響

許 巍 張延芳*

（廣東醫(yī)學(xué)院生理學(xué)研究室生理學(xué)教研室，廣東 東莞 523808）

成骨細(xì)胞起源于多能的骨髓基質(zhì)的間質(zhì)細(xì)胞，是骨形成的主要功能細(xì)胞，負(fù)責(zé)骨基質(zhì)的合成、分泌和礦化，對(duì)于骨損傷的修復(fù)與重建至關(guān)重要。自從1954年yasuda發(fā)現(xiàn)骨的壓電效應(yīng)后，即骨受到機(jī)械壓力后將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生壓力電位，電刺激影響骨量調(diào)節(jié)的現(xiàn)象引發(fā)了科學(xué)家的大量假設(shè)，即在功能活性中產(chǎn)生的應(yīng)力電位可能是真正調(diào)節(jié)骨中特定的細(xì)胞過(guò)程的信號(hào)[1]。電學(xué)環(huán)境是骨組織所需要的重要微環(huán)境之一，并對(duì)骨組織和成骨細(xì)胞有重要作用[2]。在1974年Bassett首次應(yīng)用脈沖電磁場(chǎng)治療骨不連取得成功后，此后很多研究學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和臨床實(shí)踐，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察，細(xì)胞，分子水平等不同方面驗(yàn)證脈沖電磁場(chǎng)可以促進(jìn)骨折的愈合，并探討其作用機(jī)制。大量的實(shí)驗(yàn)分析表明脈沖電磁場(chǎng)（pulsed electromagnetic field，PEMF）作用于成骨細(xì)胞不僅可以加快成骨細(xì)胞的增殖分化，還可以增加生長(zhǎng)因子的分泌并促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的合成，并對(duì)某些信號(hào)通路產(chǎn)生作用。本文就國(guó)外近年來(lái)關(guān)于脈沖電磁場(chǎng)對(duì)成骨細(xì)胞的研究作一概述。

1 對(duì)成骨細(xì)胞增殖、分化的影響

大量實(shí)驗(yàn)表明，低脈沖電磁場(chǎng)可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖。并且這種作用并非是一種線性關(guān)系，在特定的場(chǎng)強(qiáng)和頻率下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“窗口”效應(yīng)。但是由于各個(gè)學(xué)者所使用的儀器設(shè)備各不相同，所以產(chǎn)生“窗口”效應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)、頻率也各不相同。周建等[3]發(fā)現(xiàn)頻率為50Hz的正弦電磁場(chǎng)在0.9～3.0mT之間有以促進(jìn)成骨細(xì)胞分化的最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度，即所謂“強(qiáng)度窗”效應(yīng)。Lorich等[4]用20Mv/cm的電容耦合電場(chǎng)作用于小鼠的成骨細(xì)胞或鼠MC3T3-E1成骨樣細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)DNA合成顯著增加。王前[5]等對(duì)體外培養(yǎng)的成骨細(xì)胞施加脈沖電磁場(chǎng)刺激，實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞生長(zhǎng)曲線前移，細(xì)胞第6天長(zhǎng)滿培養(yǎng)皿底壁，而對(duì)照組第8天才長(zhǎng)滿培養(yǎng)皿底壁。張曉軍[6]采用頻率為15Hz、強(qiáng)度為5mT、占空比為15%的極低頻率脈沖電磁場(chǎng)作用于成骨細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)可顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖。并且發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度過(guò)高或是過(guò)低均不能引起細(xì)胞增殖的改變，只有適中的強(qiáng)度作用才可使細(xì)胞增殖能力顯著增加。

堿性磷酸酶作為成骨細(xì)胞成熟、分化早期標(biāo)志酶，參與骨基質(zhì)的分泌和成熟階段的調(diào)節(jié)，其表達(dá)隨著細(xì)胞分化、功能的活躍而增強(qiáng)，代表著細(xì)胞的活躍程度和骨形成的狀況。不同強(qiáng)度和頻率的電磁場(chǎng)對(duì)成骨細(xì)胞的分化能力的影響不同，有些學(xué)者認(rèn)為成骨細(xì)胞處在不同的階段也會(huì)影響分化能力。張曉軍[6]在給予成骨細(xì)胞頻率為15Hz、強(qiáng)度為5mT、占空比為15%的極低頻率脈沖電磁場(chǎng)時(shí)，ALP的活性被抑制。Chang[7]認(rèn)為電磁刺激只是使成骨細(xì)胞的數(shù)量增加，并沒(méi)有促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。Diniz P[8]等用強(qiáng)度7mT，15Hz的脈沖電磁場(chǎng)作用成骨細(xì)胞（MC3T3 - E1細(xì)胞系），發(fā)現(xiàn)可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖、分化和礦化，但是和成骨細(xì)胞的不同成熟階段有關(guān)聯(lián)。楊巍[9]在試驗(yàn)中讓成骨細(xì)胞（MC3T3 - E1細(xì)胞系）暴露于48Hz，1.53mT的PEMF中24和48h后，ALP活力未受到影響，對(duì)于原代成骨細(xì)胞暴露于48Hz、1.55mT的脈沖電磁場(chǎng)，在細(xì)胞增殖初期具有抑制分化的作用，而在細(xì)胞分化期則具有促進(jìn)分化的作用。

2 對(duì)Ca2+的影響

細(xì)胞內(nèi)的鈣離子作為細(xì)胞信使，是機(jī)體各項(xiàng)生理活動(dòng)重要的離子。當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激時(shí)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子就會(huì)升高，而引起細(xì)胞的某些代謝活動(dòng)。有實(shí)驗(yàn)表明[10]在電磁場(chǎng)刺激下，細(xì)胞可能會(huì)通過(guò)電壓門控通道開放發(fā)生Ca2+的內(nèi)流，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高。陳建庭等[11]在給予成骨細(xì)胞施加脈沖電磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)PEMF作用于成骨細(xì)胞引致細(xì)胞出現(xiàn)去極化，從而開放電壓依賴型鈣離子通道，使細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度升高，鈣離子作為細(xì)胞的第二信使，調(diào)節(jié)多種生理功能。

實(shí)驗(yàn)表明，電磁刺激鼠成骨樣細(xì)胞，DNA合成顯著增加，促進(jìn)同時(shí)摻入細(xì)胞中的鈣離子也大大增加。當(dāng)鈣離子的濃度達(dá)到一定閾值的時(shí)候才會(huì)促進(jìn)細(xì)胞DNA的合成[12]。還有學(xué)者認(rèn)為鈣離子濃度升高可直接或通過(guò)激活鈣調(diào)蛋白間接激活一些蛋白激酶，影響細(xì)胞的增殖情況。

3 對(duì)生長(zhǎng)因子的影響

細(xì)胞因子有促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖，抑制破骨細(xì)胞，誘導(dǎo)成骨，參與骨的重建作用。給予成骨細(xì)胞施加適當(dāng)頻率和強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，可以促進(jìn)成骨細(xì)胞分泌一些生長(zhǎng)因子。

3.1 胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGF）

胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGF）可分為兩種，即IGF-Ⅰ，IGF-Ⅱ。IGF-Ⅰ可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞通過(guò)自分泌和旁分泌的方式刺激成骨細(xì)胞的增殖和基質(zhì)合成，參與骨的改建的功能。IGF-Ⅱ?qū)Τ晒羌?xì)胞的作用與IGF-Ⅰ相似但較弱。有實(shí)驗(yàn)證明脈沖電磁場(chǎng)刺激成骨細(xì)胞不僅可以促進(jìn)骨細(xì)胞膜分泌胰島素樣生長(zhǎng)因子，還上調(diào)骨細(xì)胞膜表面的胰島素樣生長(zhǎng)因子的受體的數(shù)目，從而達(dá)到促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖。

3.2 β-轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（TGF-β）

TGF-β是一種多功能的多肽，廣泛的存在于正常組織細(xì)胞中，以血小板和骨組織中的含量多。已有證明TGF-β可刺激骨間充質(zhì)細(xì)胞增殖、分化，促進(jìn)骨和成軟骨細(xì)胞的增生，誘導(dǎo)Ⅰ型膠原、骨橋蛋白（osteopotin）和骨連接素（osteonectin）的合成。Guerkov[13]在成骨細(xì)胞培養(yǎng)早期發(fā)現(xiàn)PEMFs能夠促進(jìn)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子TGF-β1的合成釋放，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的增生。Zhuang[14]等給成骨樣細(xì)胞（MC3T3-E1）施加電容耦合電場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)TGF-β1mRNA的水平高于對(duì)照組，說(shuō)明電磁刺激可以促進(jìn)TGF-β1mRNA的生成，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖分化。

3.3 骨形態(tài)蛋白（BMP）

骨形態(tài)蛋白的主要生物學(xué)作用是誘導(dǎo)未分化的間充質(zhì)細(xì)胞分化為軟骨和骨，即誘導(dǎo)成骨作用。其中，BMP-2是促進(jìn)骨形成和誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化最重要的細(xì)胞外信號(hào)分子之一[15]。Nagai[16]用15Hz，2mT 的脈沖電磁場(chǎng)作用于雞胚顱骨，結(jié)果發(fā)現(xiàn)比對(duì)照組相比，及胚顱骨組織的BMP-2H和BMP-4mRNA表達(dá)水平明顯的增加。Jansen[17]等給成骨細(xì)胞施加脈沖電磁場(chǎng)刺激，到第9天的時(shí)，PEMF治療組的成骨細(xì)胞的BMP-2 mRNA和TGF-β1水平明顯升高。李志鋒[18]0.16、0.18mT的PEMFs可上調(diào)BMP-2 mRNA的表達(dá)。這說(shuō)明電磁刺激可以促進(jìn)成骨細(xì)胞BMP的生成，從而促進(jìn)了骨的形成。

4 總 結(jié)

脈沖電磁場(chǎng)刺激成骨細(xì)胞有很多年的歷史，在各個(gè)方面都取得很大的成就，尤其在臨床上廣泛應(yīng)用于骨折的愈合和重建，骨質(zhì)疏松等方面的疾病。但是，脈沖電磁場(chǎng)作用的成骨細(xì)胞還存在一些尚未解決的問(wèn)題，相信隨著科學(xué)的進(jìn)步和科學(xué)家的不斷探索，相信脈沖電磁場(chǎng)必將促進(jìn)骨組織工程的發(fā)展及應(yīng)用，給臨床的治療帶來(lái)更大的幫助，為骨組織工程帶來(lái)更多更好的種子細(xì)胞。

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