脈沖電磁場(chǎng)對(duì)組織創(chuàng)傷修復(fù)效果的研究進(jìn)展

牛盈盈綜述，焦明克審校

0 引 言

建立合適的再生環(huán)境是組織創(chuàng)傷修復(fù)的重要手段。再生環(huán)境可為適宜的內(nèi)在環(huán)境，如滿足低氧條件的敷料，也可包括脈沖電磁場(chǎng)(pulsed electromagnetic fields，PEMF)在內(nèi)的外界刺激[1]。PEMF是由脈沖電流通過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場(chǎng)，能在生物的導(dǎo)電組織中產(chǎn)生微電流，從而可影響人體多系統(tǒng)的生理或病理狀態(tài)，即電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)[2]。20世紀(jì)70年代，Bassett等[3]首次報(bào)道了PEMF能促進(jìn)骨骼愈合。此后，PEMF治療取得了蓬勃發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于骨及軟骨、肌腱、創(chuàng)面、神經(jīng)等領(lǐng)域。盡管PEMF在臨床治療中效果顯著，但作為一種物理刺激，PEMF的生物效應(yīng)受磁場(chǎng)強(qiáng)度、頻率等參數(shù)影響，因此不同組織的優(yōu)化參數(shù)及作用機(jī)制仍不清楚?；诖耍疚膶?duì)PEMF應(yīng)用于不同組織修復(fù)的效果及其作用機(jī)制作一綜述。

1 PEMF對(duì)不同組織修復(fù)的效果

1.1 肌肉骨骼修復(fù)肌肉骨骼疾病是現(xiàn)代社會(huì)嚴(yán)重的健康問(wèn)題，常規(guī)治療包括藥物、手術(shù)等，療效有限、風(fēng)險(xiǎn)大，并不能滿足患者對(duì)疾病預(yù)后的期望。目前已有大量文獻(xiàn)證實(shí)，PEMF能促進(jìn)骨骼、肌肉、軟骨等組織修復(fù)，還具有安全無(wú)創(chuàng)、便捷的優(yōu)點(diǎn)，因此有望成為肌肉骨骼疾病的替代療法[4]。

Catalano等[5]將22名絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松者暴露于PEMF儀器下，該電磁設(shè)備采用低頻時(shí)變場(chǎng)(頻率：16～22 Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度：3.0～3.6 mT)，治療后發(fā)現(xiàn)骨特異性堿性磷酸酶( BSAP)顯著升高，Ⅰ型膠原C端肽(CTX)、核因子κB受體活化因子配體/骨保護(hù)素(RANKL/OPG)顯著降低，提示骨細(xì)胞代謝活動(dòng)增加。而骨細(xì)胞代謝活躍能促進(jìn)骨組織修復(fù)，保護(hù)骨含量，減輕骨質(zhì)疏松的癥狀[6]。Streit等[7]同樣發(fā)現(xiàn)PEMF能激活細(xì)胞活性，縮短骨骼組織修復(fù)時(shí)間。研究員以膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎者為對(duì)象，發(fā)現(xiàn)PEMF組視覺(jué)模擬疼痛評(píng)分(VAS)下降25.5%，而對(duì)照組僅下降3.6%；PEMF組骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)評(píng)分量表(WOMAC)評(píng)分下降18.4%，對(duì)照組僅下降2.3%[8]。目前研究認(rèn)為，PEMF的作用效果與刺激間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSC)、成骨細(xì)胞等增殖分化有關(guān)。Martini等[9]將MSC暴露于PEMF(75 Hz，1.5 mT)中，發(fā)現(xiàn)PEMF能促進(jìn)MSC向成骨細(xì)胞分化。在小鼠成骨細(xì)胞前體細(xì)胞為模型的實(shí)驗(yàn)中，研究員發(fā)現(xiàn)PEMF組(50 Hz，0.6 mT)的DNA增多，鈣化明顯，證實(shí)成骨細(xì)胞也發(fā)生增殖分化[10]。

PEMF對(duì)肌腱和軟骨修復(fù)也有積極作用。Uzun等[11]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PEMF(15 Hz，1 mT)能顯著增加肌腱組織的最大負(fù)荷、韌性和應(yīng)力，能調(diào)節(jié)抗炎因子，使肌腱細(xì)胞修復(fù)再生。另一體外研究測(cè)試了PEMF治療(0.1～10 Hz，0.65～1.95 μT)的軟骨細(xì)胞活力、細(xì)胞外基質(zhì)成分、細(xì)胞骨架，發(fā)現(xiàn)PEMF能促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖，提高細(xì)胞功能和機(jī)械性能[12]。

以上表明，PEMF可調(diào)節(jié)肌肉骨骼細(xì)胞代謝和微環(huán)境，激活組織修復(fù)能力。PEMF治療肌肉骨骼疾病是一種可行的方法，應(yīng)推廣其在臨床中的應(yīng)用。但以上實(shí)驗(yàn)也表明PEMF在人體、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及體外中所用參數(shù)不盡相同，目前仍需要對(duì)PEMF優(yōu)化參數(shù)的研究。

1.2 創(chuàng)面修復(fù)創(chuàng)面，尤其是糖尿病傷口、傷口感染等難愈創(chuàng)面，常會(huì)面臨藥物治療效果差、植皮手術(shù)失敗等情況，需要漫長(zhǎng)且痛苦的治療過(guò)程[13]。這成為臨床治療的難點(diǎn)，也給家庭和社會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。PEMF治療有利于創(chuàng)面修復(fù)，且還有非接觸、安全等優(yōu)勢(shì)，可能是潛在的治療創(chuàng)面的新方法。

Khooshideh等[14]對(duì)36名剖腹產(chǎn)術(shù)后患者的手術(shù)創(chuàng)面進(jìn)行干預(yù)后發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組疼痛占72%，PEMF組疼痛僅占36%，且傷口愈合情況優(yōu)于對(duì)照組。另一試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與PEMF組相比，對(duì)照組的傷口滲出液高出2倍，炎癥因子白細(xì)胞介素1β(IL-1β)高出5倍[15]。這說(shuō)明PEMF既能減輕術(shù)口疼痛，也能減輕局部炎癥反應(yīng)，提高修復(fù)速度。

起初人們認(rèn)為PEMF對(duì)創(chuàng)面修復(fù)的作用僅賴于細(xì)胞增殖。隨著研究的深入，Patruno等[16]在體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PEMF組(50 Hz，1 mT)和對(duì)照組的傷口面積在8 h后分別為23.33%和66.6%，在24 h后分別為0%和16.6%；而使用細(xì)胞增殖抑制劑后，PEMF組的傷口面積低于非PEMF組，但大于未使用抑制劑PEMF組。該研究認(rèn)為PEMF的作用不僅與細(xì)胞增殖有關(guān)，還可能與組織張力等有關(guān)。另一動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中則發(fā)現(xiàn)PEMF(25 Hz，10 mT)能促進(jìn)膠原蛋白沉積，證實(shí)了PEMF能提高組織張力[17]?；舨┑萚18]以糖尿病小鼠的創(chuàng)面為模型也得出了以上結(jié)論，并且還發(fā)現(xiàn)了PEMF(15 Hz，2 mT)能增加創(chuàng)面處新生毛細(xì)血管形成，表明創(chuàng)面修復(fù)效果還與血管形成有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，Selvam等[19]分別用抗菌藥膏、PEMF和電刺激處理大鼠背部II度燒傷創(chuàng)面，發(fā)現(xiàn)PEMF組和電刺激組的細(xì)胞數(shù)、膠原蛋白密度、新生血管等參數(shù)均高于對(duì)照組，且PEMF組優(yōu)于電刺激組。

相較于普通創(chuàng)面修復(fù)，高原凍傷、深層創(chuàng)面修復(fù)則表現(xiàn)出更復(fù)雜獨(dú)特的病理特征，而PEMF能加速此類組織的生長(zhǎng)[20]。焦明克等[21]將PEMF(15 Hz，35 mT)暴露于應(yīng)激性潰瘍大鼠的胃部區(qū)域后，檢測(cè)到血清一氧化氮(NO)濃度、循環(huán)血液微泡明顯升高，胃壁組織修復(fù)速度加快(P<0.05)。在此基礎(chǔ)上，研究員使用高原應(yīng)激性潰瘍(high-altitude stress ulcer，HSU)大鼠模型，發(fā)現(xiàn)PEMF組去甲腎上腺素濃度降低、胃液的PH值升高、潰瘍指數(shù)降低、炎癥指標(biāo)下降，創(chuàng)面周?chē)?xì)血管網(wǎng)和纖維組織豐富，證實(shí)了PEMF對(duì)深層組織修復(fù)的效果[22]。

綜上所述，PEMF治療在多種類型的創(chuàng)面修復(fù)中均產(chǎn)生積極作用，目前研究認(rèn)為可能與細(xì)胞增殖、組織張力、新生毛細(xì)血管形成等因素有關(guān)，作用機(jī)制復(fù)雜，且多數(shù)文獻(xiàn)中缺乏對(duì)磁場(chǎng)參數(shù)的詳細(xì)闡述。因此創(chuàng)面修復(fù)的優(yōu)化參數(shù)及具體的作用機(jī)制仍需深入研究。

1.3 神經(jīng)修復(fù)外周神經(jīng)、脊髓、腦等神經(jīng)修復(fù)目前在臨床中仍缺乏有明顯療效的治療方法，一直以來(lái)都是臨床治療難點(diǎn)[23]。PEMF治療具有促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞增殖和營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)的作用，在神經(jīng)修復(fù)中有巨大的潛力。

研究員將脊髓間充質(zhì)干細(xì)胞經(jīng)過(guò)PEMF(50 Hz，1 mT)照射后注射給外周神經(jīng)損傷大鼠，2周后發(fā)現(xiàn)損傷處生長(zhǎng)因子表達(dá)、軸突及神經(jīng)元數(shù)目均明顯高于對(duì)照組，說(shuō)明PEMF有利于外周神經(jīng)的即時(shí)修復(fù)[24]。一項(xiàng)以坐骨神經(jīng)損傷并行延遲修復(fù)術(shù)后的大鼠為模型的研究也得出同樣的結(jié)論，說(shuō)明PEMF對(duì)外周神經(jīng)的延遲修復(fù)也有積極作用[25]。PEMF不僅對(duì)外周神經(jīng)修復(fù)有效，且對(duì)中樞神經(jīng)修復(fù)也有積極效果。脊髓損傷的大鼠經(jīng)PEMF(60 Hz，10 mT)照射后，其髓鞘神經(jīng)纖維數(shù)量、髓鞘厚度增加，局部炎癥反應(yīng)減少，神經(jīng)功能恢復(fù)的速度高于對(duì)照組[26]。

以上研究證實(shí)了PEMF對(duì)神經(jīng)修復(fù)的積極效果，并為臨床上治療神經(jīng)炎、外周神經(jīng)損傷、脊髓損傷和腦梗死等疾病提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

2 PEMF生物效應(yīng)的作用機(jī)制

目前已知，PEMF對(duì)不同組織創(chuàng)傷修復(fù)有明顯的積極作用?，F(xiàn)在越來(lái)越多證據(jù)表明，細(xì)胞膜是PEMF治療的起始位點(diǎn)。當(dāng)PEMF作用于膜上，使膜上電荷發(fā)生改變，影響膜通道開(kāi)閉，繼而影響體內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路及小分子物質(zhì)分泌，最終改變組織細(xì)胞的代謝活動(dòng)軌跡。

2.1 鈣離子通道間充質(zhì)干細(xì)胞暴露于PEMF后，鈣離子(Ca2+)熒光強(qiáng)度(F/FO)比基礎(chǔ)值增加6倍，證實(shí)PEMF能使膜上Ca2+通道開(kāi)放[27]。此外，PEMF還能通過(guò)Ca2+調(diào)節(jié)啟動(dòng)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。一氧化氮(NO)合酶是一種Ca2+/鈣調(diào)素激酶，其酶活性受胞內(nèi)Ca2+濃度調(diào)節(jié)。用PEMF處理大鼠成骨細(xì)胞后，研究員發(fā)現(xiàn)其成骨細(xì)胞成熟和礦化程度高于對(duì)照組，且培養(yǎng)基中NO合酶水平增加，蛋白激酶、cGMP依賴性蛋白激酶(PKG)也顯著增高[28]。該實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了PEMF能輔助治療骨折、骨質(zhì)疏松等疾病。鈣離子通道作為細(xì)胞增殖、再生等過(guò)程的重要載體，在組織修復(fù)過(guò)程中扮演重要的角色，這可能也是PEMF激活組織修復(fù)的關(guān)鍵，但具體的作用機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。

2.2 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路腺苷酸活化酶(adenylate cyclase，AC)是細(xì)胞膜上的G蛋白效應(yīng)蛋白，能將ATP分解轉(zhuǎn)化為第二信使cAMP，引發(fā)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，影響細(xì)胞代謝。Wang等[29]將PEMF暴露于成骨細(xì)胞后，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞數(shù)顯著增多，cAMP、蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)、可溶性腺苷酸環(huán)化酶(soluble adenylyl cyclase，sAC)和cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)濃度升高，但是分別給予cAMP、PKA、sAC、CREB等特異性抑制劑后，細(xì)胞數(shù)卻未增多，這說(shuō)明了PEMF能激活A(yù)C/cAMP 信號(hào)通路，使激活后的CREB結(jié)合相關(guān)基因序列，啟動(dòng)基因的表達(dá)，從而治療骨骼肌肉、創(chuàng)面及神經(jīng)等相關(guān)疾病。另一實(shí)驗(yàn)中，研究員發(fā)現(xiàn)PEMF組中的β-連環(huán)蛋白(β-catenin)、Wnt3a信號(hào)蛋白均高于對(duì)照組，證實(shí)了PEMF與Wnt/β-catenin通路的關(guān)系[30]。同樣，也有人發(fā)現(xiàn)PEMF的作用機(jī)制可能與Notch信號(hào)通路的激活有關(guān)[31]。因此可知，PEMF的生物學(xué)效應(yīng)與AC/cAMP、Wnt/β-catenin、Notch等通路激活密不可分，但其作用的主次順序以及具體作用機(jī)制仍需繼續(xù)研究。

2.3 生長(zhǎng)因子常見(jiàn)的生長(zhǎng)因子有血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)等，在組織修復(fù)中有重要作用。心肌梗死的小鼠經(jīng)PEMF治療后梗死邊界區(qū)會(huì)分泌更多的VEGF和FGF，以誘導(dǎo)細(xì)胞增殖分化，減少壞死面積[32]。在體外模型中，人星形膠質(zhì)細(xì)胞在PEMF暴露下能促使VEGF的釋放，改善局部血液供應(yīng)，起到保護(hù)神經(jīng)的作用[33]。PEMF還能調(diào)節(jié)組織修復(fù)階段。成纖維細(xì)胞暴露于PEMF后TGF-β、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)增加，表明創(chuàng)傷局部從炎癥階段轉(zhuǎn)向增殖階段，從而加速組織修復(fù)速度[34]。因此，PEMF能調(diào)節(jié)多種生長(zhǎng)因子的分泌，能影響組織修復(fù)過(guò)程，為臨床治療心肌梗死、神經(jīng)損傷及創(chuàng)面等疾病提供證據(jù)。

2.4 炎癥細(xì)胞及炎癥因子組織損傷后，炎癥細(xì)胞會(huì)被募集、活化、增殖，并釋放炎癥因子，為組織修復(fù)清除障礙。但持續(xù)的炎癥反應(yīng)會(huì)造成纖維化，影響修復(fù)進(jìn)程。多項(xiàng)研究報(bào)道，PEMF可調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞行為和炎癥因子分泌。PEMF暴露于體外肌腱細(xì)胞后可以降低局部炎癥因子(IL-6、TNF-α)，增加抗炎因子(IL-4、IL-10)[35-36]。這與巨噬細(xì)胞M2表型極化的作用效果相同[37]。為探究PEMF是否與巨噬細(xì)胞極化有關(guān)，Vinhas等[38]在實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)M2型巨噬細(xì)胞相關(guān)的精氨酸酶濃度，證實(shí)了PEMF能促使巨噬細(xì)胞M2表型極化，減少組織炎癥反應(yīng)和纖維化，從而促進(jìn)組織修復(fù)。由此可知，PEMF可以通過(guò)對(duì)炎癥細(xì)胞和炎癥因子的調(diào)節(jié)加快組織修復(fù)過(guò)程，不僅為臨床組織修復(fù)提供新的治療方案，同時(shí)也為臨床抗炎方面提供了更大的可能性，但深層次的作用機(jī)制需進(jìn)一步探索。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

綜上研究可知，PEMF不僅能促進(jìn)多種組織創(chuàng)傷后的再生修復(fù)，還有安全、無(wú)創(chuàng)、少副作用等優(yōu)勢(shì)，這符合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。研究表明，PEMF可減少炎癥反應(yīng)、提高細(xì)胞活力、促進(jìn)細(xì)胞增殖分化、促進(jìn)新生毛細(xì)血管生成和膠原蛋白沉積，從細(xì)胞和細(xì)胞內(nèi)在環(huán)境兩大方面促進(jìn)組織創(chuàng)傷修復(fù)。而關(guān)于PEMF機(jī)制的研究主要集中在離子通道、信號(hào)傳導(dǎo)通路、生長(zhǎng)因子、炎癥細(xì)胞及炎癥因子等方面，目前已取得一部分進(jìn)展，但其確切的PEMF治療參數(shù)及生物效應(yīng)機(jī)制仍需繼續(xù)研究。相信隨著對(duì)PEMF的不斷探索，其在組織創(chuàng)傷修復(fù)以及其他疾病的臨床應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。