低頻脈沖電磁場對骨骼相關(guān)疾病的生物學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)展

李天樂 盧 倩 苗 輝 仝 昕 于世賓

2021年世界衛(wèi)生組織的報(bào)告顯示，肌肉骨骼疾病是導(dǎo)致人類殘疾的主要原因，這類疾病常伴有不同程度的疼痛和活動(dòng)受限，這不僅嚴(yán)重影響患者自身的生活質(zhì)量，還會給整個(gè)社會帶來沉重的負(fù)擔(dān)。目前骨骼相關(guān)疾病治療方法主要包括手術(shù)和藥物治療，而對于自身愈合能力較差的患者，尤其是最常發(fā)生骨骼疾病的老年人來說，手術(shù)這一侵入式的療法有時(shí)會給患者造成額外的傷害，例如傷口感染或延遲不愈等。相比手術(shù)治療，藥物也存在給患者帶來不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

脈沖電磁場(pulsed electromagnetic field，PEMF)的概念最早是由美國矯形外科專家Bassett提出的，低頻PEMF是指頻率1～100Hz，峰值磁場<10mT的低頻、低強(qiáng)度磁場，其作用原理是采用高能抗諧振低頻變化PEMF改變?nèi)梭w生物電、改善生物場，從而達(dá)到治療的目的。具有不同參數(shù)(如頻率、波形、幅度)的PEMF可以引起機(jī)體骨組織不同的生物反應(yīng)，達(dá)到不同的治療效果[1～3]。早在20世紀(jì)70年代PEMF就已經(jīng)被美國FDA批準(zhǔn)用于臨床治療并取得了不錯(cuò)的療效。因此，探究PEMF對骨骼相關(guān)疾病的治療現(xiàn)狀，對臨床上患者的診治和更深層次的相關(guān)研究開展具有重要意義。本文試對低頻PEMF在骨骼相關(guān)疾病的研究進(jìn)展和可能的分子機(jī)制進(jìn)行綜述。

一、低頻脈沖電磁場在骨相關(guān)疾病治療中的作用

1.骨折延遲愈合和骨不連：骨折延遲愈合是指骨折在正常愈合所需的時(shí)間(一般為4個(gè)月)內(nèi)仍未達(dá)到骨折完全愈合標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，骨不連則是指骨折發(fā)生后9個(gè)月仍然沒有愈合的現(xiàn)象，二者都是骨折治療過程中的嚴(yán)重并發(fā)癥。針對這類并發(fā)癥，臨床上多需采用二次手術(shù)的方式促進(jìn)骨骼愈合，但二次手術(shù)不僅難以保證治療效果，還有可能給患者帶來較大的傷害。有研究對45例脛骨骨折后合并萎縮性骨不連、局部感染的患者給予PEMF刺激(0.008Wb/m2，每天12h，6～12周)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PEMF能夠促使約35%(16例)的骨不連在10周內(nèi)愈合，85%(38例)的骨不連在4個(gè)月內(nèi)愈合，臨床療效顯著[4]。2020年P(guān)eng等[5]圍繞PEMF刺激對患者骨折愈合效應(yīng)的Meta分析結(jié)果顯示，PEMF刺激可以顯著加快骨折愈合速度，有效緩解骨折相關(guān)的疼痛。在一項(xiàng)雙盲隨機(jī)試驗(yàn)中有研究者嘗試?yán)肞EMF對第五跖骨骨不連進(jìn)行輔助治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)伴隨著局部胎盤生長因子、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)-5和BMP-7等水平的顯著升高，PEMF可以使愈合時(shí)間從14.7周縮短到8.9周[6]。以上結(jié)果均顯示，PEMF療法能夠顯著改善骨折延遲愈合甚至不愈合的情況，在臨床上具有重要的推廣意義。

2.股骨頭壞死：股骨頭壞死(osteonecrosis of the femoral head，ONFH)是指股骨頭血供中斷或受損，引起骨細(xì)胞、骨髓成分死亡及隨后的修復(fù)，繼而導(dǎo)致股骨頭結(jié)構(gòu)改變、股骨頭塌陷、關(guān)節(jié)功能障礙的疾病，是骨科領(lǐng)域常見的難治性疾病，常表現(xiàn)出疼痛、關(guān)節(jié)活動(dòng)和負(fù)重行走功能障礙等臨床癥狀。ONFH可分為創(chuàng)傷性和非創(chuàng)傷性兩大類，前者主要是由股骨頸骨折、髖關(guān)節(jié)脫位等髖部外傷引起，后者在我國的主要原因?yàn)槠べ|(zhì)類固醇的應(yīng)用及酗酒[7]。Massari等[8]對66例患者的76側(cè)壞死股骨頭進(jìn)行了PEMF治療(2.0±0.5mV、75Hz，每天8h，平均治療周期為5±2個(gè)月)，結(jié)果顯示，PEMF可以在ONFH的早期階段(Ficat Ⅰ期和Ⅱ期)保留髖關(guān)節(jié)或顯著推遲手術(shù)時(shí)間，而且PEMF治療60天后53%的患者疼痛消失，26%的患者疼痛顯著緩解。在通過關(guān)節(jié)腔注射10μg/kg脂多糖和20mg/kg甲基潑尼松龍建立的大鼠ONFH動(dòng)物模型中，給予PEMF治療(0～20Gy、15Hz，每天4h，治療周期為1～8周)，結(jié)果PEMF治療組的ONFH發(fā)生率(29%)遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)組(75%)，且與實(shí)驗(yàn)組比較，PEMF治療組的血脂水平顯著降低，轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor，TGF)-β1 mRNA和蛋白水平顯著升高[9]。與之類似，在同樣的大鼠ONFH模型中，PEMF治療(1.2mT、15Hz，每天4h，治療周期為8周)能夠抑制股骨頭中的成脂相關(guān)因子過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)-γ2表達(dá)，上調(diào)成骨相關(guān)因子Runx2表達(dá)，促進(jìn)成脂與成骨之間的平衡，并將ONFH的發(fā)生率從69%降至31%[10]。以上結(jié)果提示，適宜的PEMF能夠在一定程度上防治ONFH，顯著緩解其臨床癥狀，降低手術(shù)需求。

3.骨質(zhì)疏松：骨質(zhì)疏松是由于多種原因?qū)е碌墓敲芏群凸琴|(zhì)量下降，骨微結(jié)構(gòu)破壞，造成骨脆性增加，從而容易發(fā)生骨折的全身性骨病。夏新蜀等[11]和陳江強(qiáng)等[12]臨床研究發(fā)現(xiàn)，PEMF能夠明顯緩解骨質(zhì)疏松引發(fā)的患者慢性疼痛，是臨床上骨質(zhì)疏松的有效物理治療方法，且無不良反應(yīng)發(fā)生。2020年，Liu等[13]利用鼠尾懸吊法建立大鼠廢用性骨質(zhì)疏松模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PEMF治療(3.82mT、10Hz，每天40min)2周、4周時(shí)療效不及阿侖膦酸鹽，但治療8周時(shí)PEMF在改善骨超微結(jié)構(gòu)參數(shù)、力學(xué)指數(shù)方面的功效與阿侖膦酸鹽相當(dāng)，且PEMF組血清中BMP-2與血清骨鈣素的增長明顯超過阿侖膦酸鹽組，這提示PEMF能比阿倫膦酸鈉更溫和、更持久地改善骨結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性。2021年，Androjna等[14]通過卵巢切除構(gòu)建骨質(zhì)疏松大鼠模型，并給予PEMF治療(10T/s、30T/s、100T/s、300T/s，3850Hz脈沖頻率，15Hz重復(fù)率，每天3h，治療周期為6周)，結(jié)果顯示30T/s的PEMF治療就可以達(dá)到阿倫磷酸鹽拮抗松質(zhì)骨骨量丟失的相當(dāng)療效，而且PEMF治療不會像阿倫磷酸鹽那樣降低骨形成率；30T/s和100T/s的PEMF治療還可以促進(jìn)皮質(zhì)骨骨陷窩-微管形態(tài)的改建。2021年Qian等[15]通過卵巢切除構(gòu)建了兔骨質(zhì)疏松模型，并給予PEMF治療(15Hz，每天40min，每周5天，治療周期為8周)，結(jié)果顯示，與骨質(zhì)疏松組比較，PEMF治療組的椎體骨礦物密度上調(diào)20.3%，從而使椎弓根螺釘?shù)目拱纬隽ι险{(diào)14.0%，該結(jié)果提示PEMF能夠顯著地提高骨密度。綜上所述，適宜的PEMF刺激能夠有效逆轉(zhuǎn)骨丟失，改善骨骼機(jī)械強(qiáng)度，預(yù)防骨質(zhì)疏松。

二、低頻PEMF在骨組織工程中的作用

骨骼在正常情況下具有較強(qiáng)的自愈能力，但在骨缺損體積過大時(shí)就需要借助骨組織工程來解決骨缺損修復(fù)的難題。生物材料能夠?yàn)闄C(jī)體提供一個(gè)促進(jìn)愈合和再生的框架，成骨相關(guān)細(xì)胞與生物材料框架的良好結(jié)合、交互在骨組織工程中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。有研究將成骨細(xì)胞分別接種于普通細(xì)胞培養(yǎng)皿和磷酸鈣材料表面，給予15Hz、每天8h的PEMF刺激，結(jié)果顯示，PEMF能夠顯著上調(diào)磷酸鈣材料表面成骨細(xì)胞的OPG分泌，這提示PEMF具有材料表面依賴性促成骨效應(yīng)[16]。有研究報(bào)道，0.96mT、15Hz的PEMF刺激能夠顯著增加培養(yǎng)在鈦表面成骨細(xì)胞的細(xì)胞黏附，誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生更多偽足，使成骨細(xì)胞沿主軸排列，并促進(jìn)成骨細(xì)胞的礦化[17]。與此類似，Jing等[18]也發(fā)現(xiàn)2mT、15Hz的PEMF刺激不僅能夠增強(qiáng)多孔鈦表面的成骨細(xì)胞附著和增殖，在體外誘導(dǎo)成骨細(xì)胞在多孔鈦表面形成組織良好的細(xì)胞骨架，還能顯著促進(jìn)兔骨缺損的修復(fù)。以上研究結(jié)果顯示，適宜的PEMF能夠有效促進(jìn)骨細(xì)胞與組織工程材料的結(jié)合并有效促進(jìn)相應(yīng)的成骨效應(yīng)，PEMF有望進(jìn)一步完善并促進(jìn)骨組織工程的應(yīng)用與發(fā)展。

三、低頻PEMF參與骨修復(fù)的可能機(jī)制

目前盡管低頻PEMF對骨修復(fù)的作用已經(jīng)越來越被人們所熟知，但其具體機(jī)制尚未被完全闡明?，F(xiàn)有研究中報(bào)道的低頻PEMF參與骨修復(fù)的可能機(jī)制主要包括初級纖毛-PI3K/Akt信號通路、BMP信號通路、可溶性腺苷酸環(huán)化酶(soluble adenylyl cyclases，sAC)-環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)-蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)-環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)信號通路、哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號通路、Wnt-Ca2+/Wnt-β-catenin信號通路等[19～26]。

1.初級纖毛-PI3K/Akt信號通路:初級纖毛是一種存在于大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞表面、以微管為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的特殊細(xì)胞器，其來源于細(xì)胞的母中心粒，錨定在細(xì)胞膜并如“天線”般突出細(xì)胞表面。作為細(xì)胞感受器，初級纖毛從環(huán)境中接受各種信號，轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)引起細(xì)胞反應(yīng)。PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑具有調(diào)控物質(zhì)代謝、基因表達(dá)、增殖等多種生物學(xué)功能，成骨細(xì)胞的礦化成熟過程離不開PI3K/Akt信號途徑的參與。2019年，任茜等利用50Hz、0.6mT的PEMF刺激來源于大鼠顱骨的成骨細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞的初級纖毛變長，細(xì)胞中的PI3K、Akt蛋白水平顯著升高，并伴有成骨標(biāo)志物堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性和成骨相關(guān)基因BMP-2、COL-1、OSX的表達(dá)水平升高；通過RNAi方法干擾初級纖毛發(fā)生后，PEMF刺激無法上調(diào)成骨細(xì)胞中PI3K的蛋白表達(dá)水平，同時(shí)ALP活性和BMP-2、COL-1、OSX的表達(dá)水平不再上調(diào)，PEMF增加鈣化結(jié)節(jié)形成能力的作用也消失；加入PI3K阻斷劑LY294002阻斷PI3K/Akt信號途徑后，PEMF刺激也不再能提高成骨細(xì)胞中ALP活性和BMP-2、COL-1、OSX的表達(dá)[19]。

2.BMP相關(guān)信號通路:BMP屬于TGF-β族，是體內(nèi)誘導(dǎo)骨和軟骨形成的主要因子，對骨骼的胚胎發(fā)育和再生修復(fù)起重要作用。BMP主要通過Smad1/5/8和p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK)的激活來發(fā)揮其成骨分化誘導(dǎo)劑的作用。Xie等[20]研究發(fā)現(xiàn)，0.6mT、50Hz的PEMF刺激可以通過上調(diào)初級纖毛上的BMPⅡ型受體的表達(dá)來激活BMP-Smad1/5/8信號通路，從而促進(jìn)大鼠成骨細(xì)胞的成骨分化和成熟；通過RNAi的方法敲低成骨細(xì)胞中BMPⅡ型受體的表達(dá)可以顯著降低PEMF刺激對成骨分化和成熟的促進(jìn)作用。Martini等[21]研究發(fā)現(xiàn)，1.5mT、75Hz的PEMF刺激可以顯著提高人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化過程中成骨轉(zhuǎn)錄因子DLX5、RUNX2以及骨分化標(biāo)志物ALP、OC的表達(dá)，以及BMP下游的Smad1/5/8和p38MAPK的活化；在細(xì)胞培養(yǎng)體系中加入BMP信號抑制劑多索嗎啡和p38MAPK選擇性抑制劑SB203580可以顯著逆轉(zhuǎn)PEMF刺激對上述成骨相關(guān)因子的上調(diào)作用及hMSCs的成骨分化潛能。

3.sAC-cAMP-PKA-CREB信號通路：cAMP-PKA信號系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化和礦化，從而成骨。在鼠尾懸吊法建立大鼠廢用性骨質(zhì)疏松模型中，PEMF治療(0.6mT、50Hz，每天90min，治療周期為4周)在顯著提高大鼠股骨、椎骨骨礦物密度、改善骨超微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可以維持血清中的cAMP水平以及股骨中的磷酸化PKA、CREB和sAC的水平[22]。2019年Wang等[23]給予3周齡大鼠為期2個(gè)月每天90min、50Hz、0.6mT的PEMF刺激，結(jié)果大鼠血清中Ⅰ型前膠原氨基端原肽顯著增高，同時(shí)大鼠顱骨成骨細(xì)胞中sAC、cAMP的表達(dá)水平，PKA和CREB的磷酸化水平，以及磷酸化CREB的核內(nèi)轉(zhuǎn)移顯著上調(diào)；加入sAC特異性抑制劑KH7或者PKA抑制劑KT5720可以顯著逆轉(zhuǎn)PEMF的促成骨作用。以上研究表明，sAC-cAMP-PKA-CREB信號通路在PEMF刺激成骨細(xì)胞分化和礦化的過程中起著重要作用。

4.mTOR信號通路：mTOR信號通路是調(diào)控細(xì)胞生長和增殖的關(guān)鍵途徑，對細(xì)胞的生長、增殖、存活、凋亡等起到十分重要的作用。在骨重建過程中類胰島素生長因子-1(insulin-like growth factors-1，IGF-1)可通過激活mTOR促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。2018年Ferroni等[24]研究發(fā)現(xiàn)，PEMF能夠顯著提高間充質(zhì)干細(xì)胞中ALP、BMP2、Runx等成骨標(biāo)志物，以及AKT、MAPK激酶和RRAGA等mTOR通路相關(guān)蛋白的表達(dá)；且mTOR通路抑制劑雷帕霉素可以降低PEMF的成骨性能。2019年Miyamoto等[25]也證實(shí)持續(xù)的PEMF刺激(0.4mT、10Hz，每天8h)可引起mTOR通路的短暫磷酸化，而間歇性PEMF(0.4mT、10Hz，每天3次，每次10min，間隔20min)刺激可使磷酸化降低的mTOR通路恢復(fù)活力。以上結(jié)果均表明，MTOR通路的激活可能是PEMF刺激成骨分化所必需的。

5.Wnt-Ca2+/Wnt-β-catenin信號通路：Wnt是一種分泌型糖蛋白，其與細(xì)胞膜上的Frizzled/FZD和低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白6(low density lipoprotein receptor-related protein 4，LRP6)共受體結(jié)合后，可使β-catenin從多蛋白復(fù)合物中解離，啟動(dòng)LEF/TCF反應(yīng)元件和基因的轉(zhuǎn)錄，從而參與成骨過程。2018年Wu等[26]研究發(fā)現(xiàn)，PEMF刺激(每天2h、30Hz、1mT、治療周期為10天)能顯著上調(diào)C3H10T1/2間充質(zhì)干細(xì)胞中Wnt-1、β-catenin、磷酸化LRP6、ALP、OSX和Runx2的表達(dá)，以及細(xì)胞內(nèi)Ca2+的水平和β-catenin從細(xì)胞質(zhì)向細(xì)胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)位活動(dòng)；鈣螯合劑BAPTA-AM處理或在無鈣環(huán)境中培養(yǎng)可以部分降低細(xì)胞內(nèi)COL-1、Runx2等成骨分化相關(guān)基因的表達(dá)，并明顯減弱基質(zhì)形成與礦化。以上結(jié)果表明，Wnt-Ca2+/Wnt-β-catenin信號通路可能是參與PEMF成骨作用的重要通路之一。

四、展 望

作為一種有前景的、無創(chuàng)的、安全的物理治療方法，PEMF對骨骼相關(guān)疾病治療的積極作用及其可能的機(jī)制已經(jīng)引起了廣大研究者的關(guān)注。然而，在相關(guān)疾病防治中PEMF的最佳參數(shù)及其關(guān)鍵分子信號通路尚不明確。今后需要從高質(zhì)量的臨床研究和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中獲得更可靠的證據(jù)，進(jìn)一步明確其最佳治療參數(shù)及具體機(jī)制，為未來骨骼相關(guān)疾病的治療提供科學(xué)依據(jù)。