電磁輻射對軟骨的生物學效應研究進展

仝昕 李天樂 于世賓

軍事口腔醫(yī)學國家重點實驗室，口腔疾病國家臨床醫(yī)學研究中心，陜西省口腔疾病國際聯(lián)合研究中心，第四軍醫(yī)大學口腔醫(yī)院解剖生理學教研室，西安710032

電磁輻射是電場和磁場的交互變化產(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量和能量。近年來，隨著無線電通訊和電磁能設備的廣泛應用，電磁輻射對健康的影響越來越受到公眾的關(guān)注。電磁輻射對生物體的影響就像一把雙刃劍，不同強度的電磁輻射作用于生物體，會產(chǎn)生不同的生物學效應。脈沖峰值功率＞1×108W 的高功率微波武器等利用強快電磁脈沖可以瞬時使機體失能，造成作戰(zhàn)人員煩躁、頭疼、神經(jīng)錯亂、記憶力衰退甚至死亡[1]。雖然電磁輻射對人體的傷害不可忽視，但是當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能的恢復，低頻脈沖電磁場（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，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。如何在預防和規(guī)避電磁輻射對機體損傷的同時，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，大量研究圍繞電磁輻射對軟骨的生物學效應展開，我們對其研究進展作一綜述。

1 電磁輻射對軟骨的生物學效應

1.1 電磁輻射對軟骨細胞及其相關(guān)細胞因子的生物學效應

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

Jahns 等[3]對體外培養(yǎng)的人股骨頭軟骨細胞給予3.1 mT、100 Hz、時長為6 h 或1.7 mT、500 Hz、時長為3 h 的電磁輻射，結(jié)果表明，軟骨細胞的形態(tài)逐漸從星形向紡錘形、球形變化，突觸明顯回縮，且軟骨細胞與培養(yǎng)皿的平均表面接觸面積也減少了30%，可見電磁輻射可以引起軟骨細胞形態(tài)的變化。Sunk 等[4]發(fā)現(xiàn)牛關(guān)節(jié)軟骨細胞暴露于3 T的高能電磁場中后，白細胞介素（interleukin，IL）-1β 的信使RNA（messenger RNA，mRNA）水平顯著降低，該研究結(jié)果提示高能電磁場能夠損害關(guān)節(jié)軟骨細胞的細胞因子合成能力。Li 等[5]對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 淋巴細胞瘤-2 基因相關(guān)X 蛋白（Bax）的mRNA 水平。Zou 等[6]對大鼠髓核軟骨細胞給予頻率為2 Hz、強度為0.5～3.0 A/m 的低頻PEMF 刺激，結(jié)果顯示，PEMF 刺激組細胞的培養(yǎng)上清液中IL-1β 和TNF-α 含量顯著降低，但細胞的增殖能力無明顯變化。Chan 等[7]通過針刺法造成大鼠尾部椎間盤軟骨急性損傷，然后模擬臨床常用的生理刺激電磁脈沖理療儀，分別給予大鼠時長為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中炎癥細胞因子（IL-6、IL-1β 和TNF-α）的表達水平。Ye 等[8]對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 的表達水平顯著降低。

由此可見，電磁輻射可以直接作用于軟骨細胞，引起軟骨細胞形態(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胞所分泌的炎癥因子和降解因子的表達，進而維持軟骨的穩(wěn)態(tài)；而高強度的電磁輻射可以影響軟骨細胞的形態(tài)，進而降低細胞因子的分泌能力。

1.2 電磁輻射對軟骨細胞外基質(zhì)的生物學效應

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胞外基質(zhì)和軟骨細胞構(gòu)成。無論從所占體積還是從干重上來講，軟骨細胞外基質(zhì)都是軟骨的主要組成部分，其合成-降解平衡對于關(guān)節(jié)軟骨的穩(wěn)態(tài)維持至關(guān)重要。

Fini 等[9]對患有嚴重骨關(guān)節(jié)炎的15 個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)炎進程顯著減緩。Chang 等[10]將豬原代軟骨細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 刺激組軟骨細胞中糖胺聚糖和Ⅱ型膠原的合成量分別較對照組高28%和27%。Mayer-Wagner 等[11]在人間充質(zhì)干細胞的成軟骨誘導過程中給予低頻的5 mT 電磁場刺激，結(jié)果顯示，電磁場刺激組細胞的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)干細胞的軟骨形成潛能，有望用于組織工程學的體內(nèi)外軟骨再生。Veronesi 等[12]在體外通過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)炎進程，同時給予其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)化生長因子（transforming growth factor，TGF）β1 的表達水平顯著升高。Hilz 等[13]將原代牛軟骨細胞接種于3D 聚氨酯支架中立體培養(yǎng)，并給予1、2、3 mT 的60 Hz 的正弦波電磁場和（或）機械應力刺激，結(jié)果顯示，電磁場刺激組牛軟骨細胞的糖胺聚糖與DNA 含量的比值顯著升高，且電磁場與機械應力聯(lián)合刺激的軟骨合成效應更強。Ye 等[8]對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)炎評分也顯著降低。

為模擬磁共振的高能電磁場對軟骨細胞的生物學效應，Sunk 等[4]將牛關(guān)節(jié)軟骨細胞暴露于3 T 的高能電磁場中，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)軟骨細胞恢復了蛋白聚糖的合成能力，該研究結(jié)果提示高能電磁場可暫時性損害關(guān)節(jié)軟骨細胞的軟骨基質(zhì)合成能力。

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

1.3 電磁輻射在骨關(guān)節(jié)炎治療中的生物學效應

骨關(guān)節(jié)炎是一種常見的慢性關(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、康復性鍛煉以及手術(shù)治療等，但都無法有效阻止疾病進程。

Iannitti 等[16]在對28 例雙側(cè)膝骨關(guān)節(jié)炎老年患者進行全身常規(guī)治療的基礎(chǔ)上，對其右側(cè)膝關(guān)節(jié)進行為期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22 例膝骨關(guān)節(jié)炎患者進行為期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)的功能及活動度較治療前明顯改善。Yang 等[18]從臨床數(shù)據(jù)庫中篩選出16 項PEMF 對骨關(guān)節(jié)炎治療效應的隨機對照試驗并通過質(zhì)量評估得出，與假PEMF 處理等安慰治療相比，PEMF 治療對骨關(guān)節(jié)炎患者的疼痛緩解、僵硬減輕和身體功能恢復都有積極作用，而治療的持續(xù)時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)活動度及減少殘疾等方面具有明顯的療效。

2 電磁輻射對軟骨生物學效應的可能作用通路

2.1 腺苷受體通路

腺苷是一種嘌呤核苷，通過與細胞膜上的腺苷受體結(jié)合來調(diào)節(jié)細胞的分化、成熟和遷移以及細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。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，人的關(guān)節(jié)軟骨細胞至少表達A2A、A2B 2 種腺苷受體，且其在維持骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞的穩(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)軟骨細胞中，PEMF 刺激可以顯著上調(diào)軟骨細胞中A2A 和A3 的表達水平及其熱力學參數(shù)，PEMF 刺激后的軟骨細胞對A2A 和A3 的激動劑更加敏感。Vincenzi 等[21]發(fā)現(xiàn)（1.5±0.1）mT 的PEMF 刺激可以顯著上調(diào)軟骨細胞中A2A和A3 的表達水平，進而使IL-1β 刺激下軟骨細胞中炎癥因子IL-6、IL-8 的表達水平分別下降43%和52%，A2A 和A3 的化學拮抗劑可以逆轉(zhuǎn)該效應；且PEMF 刺激的抗炎效應與A3 的化學激動劑不相上下?？梢?，腺苷受體在電磁輻射所介導的生物學效應中發(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 是參與各種細胞外刺激信號轉(zhuǎn)導的蛋白激酶，參與調(diào)節(jié)多種細胞的增殖、分化、遷移和死亡[22]。MAPK信號通路主要包括細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK）、c-Jun 氨基末端激酶（JNK）和p38 3 個主要的次級信號通路，不同的細胞外刺激信號可能激活不同的MAPK 信號通路，通過相互調(diào)控來介導細胞生物學反應。有證據(jù)表明，MAPK 信號通路與軟骨細胞的分化、鈣化和凋亡等有關(guān)[23]。Zhou 等[24]對行前交叉韌帶橫斷術(shù)誘導的膝骨關(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通路及其介導的降解因子基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）13 的表達，從而減少骨關(guān)節(jié)炎軟骨的損傷。因此，電磁輻射的保護作用可能是通過或至少部分通過調(diào)控MAPK 信號通路來實現(xiàn)的。

2.3 Ca2+-NO 途徑

NO 是機體內(nèi)涉及心血管功能、抗菌作用、傷口愈合、組織修復、神經(jīng)遞質(zhì)傳遞、免疫功能、血壓調(diào)節(jié)，細胞毒性等各種生理和病理功能的一種作用廣泛而性質(zhì)獨特的信號分子，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)，給予人軟骨細胞單次4 150 Hz、0.2 mV/cm 的電磁場刺激30 min，72 h 后軟骨細胞中的DNA 含量約增加150%，同時細胞培養(yǎng)基中的NO 和細胞提取物中的環(huán)磷酸鳥苷（cGMP）水平顯著上調(diào)，其作用與未經(jīng)電磁場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的軟骨細胞增殖可能是通過Ca2+-NO 途徑介導的。

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

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

3 小結(jié)與展望

電磁輻射作為一種當前廣泛應用的物理刺激手段，對軟骨細胞外基質(zhì)的合成代謝、軟骨細胞的形態(tài)及其相關(guān)細胞因子的合成分泌都具有顯著影響。適宜的電磁輻射對關(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程，而過量的電磁輻射會破壞軟骨的穩(wěn)態(tài)。以往的多數(shù)研究都集中在電磁輻射對軟骨的良性生物學效應方面，今后的研究應在深入探究電磁輻射對軟骨生物學效應作用機制的同時，更關(guān)注電磁輻射對軟骨的不良生物學效應及其阻斷策略，從而為電磁輻射不良生物學效應的防護奠定基礎(chǔ)。

利益沖突所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻聲明仝昕負責文獻的收集與整理、綜述的撰寫與修訂；李天樂負責文獻的收集與整理、綜述的修訂；于世賓負責綜述的審閱。