脈沖電磁場(chǎng)對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化影響的研究進(jìn)展

劉朝輝,鄧葉龍,孔令俊,高文婷,李興國(guó),楊德龍,唐仲海

(1.甘肅省中醫(yī)院,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省人民醫(yī)院,甘肅 蘭州 730000)

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是一種以骨組織微結(jié)構(gòu)破壞、骨量減少、骨的脆性增加和易于骨折為特征的疾病[1]。骨吸收與骨形成失衡是導(dǎo)致OP的主要原因,而骨質(zhì)疏松性骨折是OP的嚴(yán)重后果之一[2]。OP多見于中老年人,近年來(lái)我國(guó)的OP患者逐漸增多?？诜构琴|(zhì)疏松藥物是OP的常用療法,但長(zhǎng)期服用此類藥物容易引起胃腸道不良反應(yīng),甚至造成頜骨壞死或股骨頭壞死[3]。近年來(lái),脈沖電磁場(chǎng)(pulsed electromagnetic fields,PEMFs)在OP的治療領(lǐng)域應(yīng)用增多。PEMFs可通過(guò)共振效應(yīng)促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化,從而發(fā)揮治療OP的作用。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cell,BMSC)是一種具有多向分化能力的干細(xì)胞,其對(duì)OP的預(yù)防和治療具有重要作用。有關(guān)PEMFs促進(jìn)BMSC成骨分化的報(bào)道較多,但具體作用機(jī)制尚不明確。本文就PEMFs對(duì)BMSC成骨分化影響的研究進(jìn)展綜述如下。

1 PEMFs和BMSC概述

PEMFs是OP物理療法中的一種,具有無(wú)創(chuàng)、安全、有效的特點(diǎn)[4]。PEMFs的電磁效應(yīng)由電流通過(guò)亥姆霍茲線圈產(chǎn)生,PEMFs的相關(guān)參數(shù)包括頻率、強(qiáng)度、波形等[5]。PEMFs能通過(guò)不同頻率和強(qiáng)度的脈沖電流改變?nèi)梭w的生物電磁場(chǎng),從而起到改善骨代謝的作用。此外,PEMFs能啟動(dòng)骨重建進(jìn)程、加速骨發(fā)育過(guò)程,以及促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)合成[6]。目前,PEMFs多用于骨關(guān)節(jié)炎和OP等疾病的治療。BMSC是一種具有自我復(fù)制和多向分化能力的干細(xì)胞,BMSC主要通過(guò)向組織特異性細(xì)胞增殖和分化,以及釋放生長(zhǎng)因子等,達(dá)到治療炎癥和創(chuàng)傷的目的[7-9]。BMSC的成骨分化作用對(duì)OP的防治有重要價(jià)值。PEMFs能夠通過(guò)不同頻率、波形、強(qiáng)度的電流對(duì)BMSC產(chǎn)生特殊的生物效應(yīng)[10],但其具體機(jī)制尚不清楚。

2 PEMFs對(duì)BMSC的作用

2.1 促進(jìn)BMSC增殖有多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果表明,PEMFs能夠促進(jìn)BMSC增殖。Dominici等[11]研究發(fā)現(xiàn),PEMFs能通過(guò)改變BMSC的細(xì)胞周期促進(jìn)其增殖。Wu等[12]對(duì)用超順磁性氧化鐵納米顆粒標(biāo)記的大鼠BMSC進(jìn)行了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)暴露于PEMFs中心區(qū)的BMSC濃度高于外周區(qū),表明PEMFs可誘導(dǎo)超順磁性氧化鐵納米顆粒標(biāo)記的BMSC向磁場(chǎng)遷移。趙敏等[13]研究發(fā)現(xiàn),與未經(jīng)PEMFs刺激的BMSC相比,經(jīng)PEMFs刺激的BMSC密度增加,且BMSC的體積隨著刺激時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。Simmons等[14]研究發(fā)現(xiàn),采用PEMFs刺激BMSC后,BMSC的增殖速度增加。Jansen等[15]研究發(fā)現(xiàn),PEMFs可能抑制BMSC增殖,認(rèn)為這可能與細(xì)胞初始接種密度不同有關(guān)。由上述研究結(jié)論可知,PEMFs對(duì) BMSC的作用可能與PEMFs的作用時(shí)間,以及BMSC的細(xì)胞來(lái)源、接種密度等有關(guān)。

2.2 促進(jìn)BMSC成骨分化BMSC是脂肪細(xì)胞和成骨細(xì)胞的共同來(lái)源,BMSC的分化主要由過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(runt related transcription factor,Runx)-2調(diào)控,其中過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體可促進(jìn)BMSC向脂肪細(xì)胞分化,導(dǎo)致骨髓脂肪增加、骨密度降低;Runx-2可以通過(guò)調(diào)控基質(zhì)金屬蛋白酶的分化,促進(jìn)骨形成、抑制脂肪細(xì)胞生成[16]。Parate等[17]研究發(fā)現(xiàn),使用PEMFs刺激BMSC后,X型膠原沉積增加,有利于BMSC的成骨分化。Li等[18]研究發(fā)現(xiàn),PEMFs促進(jìn)BMSC的成骨分化作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,一個(gè)是通過(guò)Runx-2促進(jìn)成骨分化,一個(gè)是通過(guò)破骨細(xì)胞分化因子抑制破骨細(xì)胞形成。

PEMFs對(duì)BMSC的增殖和分化作用,因PEMFs的波形、頻率、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間不同而存在差異。Song等[19]研究發(fā)現(xiàn),兔來(lái)源BMSC經(jīng)15 Hz、正弦波形PEMFs處理4 d后,BMSC的增殖率增加,且能維持約14 d。在PEMFs的所有參數(shù)中,頻率對(duì)細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)影響最大,而能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的頻率為1～100 Hz,這與人體骨骼系統(tǒng)的固有頻率接近[20-21]。Ehnert等[22]研究發(fā)現(xiàn),PEMFs的頻率與人體固有頻率接近時(shí),可以最大程度發(fā)揮PEMFs的作用。

Ca2+對(duì)人體的各項(xiàng)生理活動(dòng)有重要作用,Ca2+的濃度變化可影響B(tài)MSC的增殖和分化[23]。PEMFs可引起細(xì)胞去極化,開放電壓依賴性Ca2+通道[24]。Wu等[25]研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞外Ca2+的濃度變化可影響B(tài)MSC的成骨分化。Zhang等[26]研究發(fā)現(xiàn),采用PEMFs刺激大鼠成骨細(xì)胞后,細(xì)胞內(nèi)的Ca2+濃度發(fā)生了變化,認(rèn)為PEMFs促進(jìn)成骨細(xì)胞的成骨分化可能與細(xì)胞內(nèi)Ca2+的移動(dòng)導(dǎo)致Ca2+沉積有關(guān)。此外,Ca2+可通過(guò)胰島素樣生長(zhǎng)因子-1誘導(dǎo)BMSC的成骨分化[27];骨橋蛋白特征肽可通過(guò)Ca2+-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶/胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶/活化蛋白-1信號(hào)通路促進(jìn)BMSC的成骨分化[28]。

PEMFs可通過(guò)介導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)合成,增加堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)表達(dá)、促進(jìn)骨鈣素(osteocalcin,OCN)和Ⅰ型膠原分泌。ALP和OCN是與成骨分化有關(guān)的重要指標(biāo),其中ALP是成骨細(xì)胞分化早期的標(biāo)志物,OCN是反映成骨細(xì)胞功能的標(biāo)志物[29]。Luo等[30]研究發(fā)現(xiàn),采用50 Hz的PEMFs刺激BMSC(每日30 min),3 d后PEMFs組ALP的表達(dá)增加,7 d后PEMFs組的OCN表達(dá)增加,而對(duì)照組在同樣時(shí)間點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)ALP或OCN表達(dá)增加,由此認(rèn)為50 Hz的PEMFs對(duì)BMSC的成骨分化作用最為顯著。Zhou等[31]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)PEMFs刺激后,細(xì)胞中的 Runx-2和OCN的表達(dá)增加。Kaivosoja等[32]研究發(fā)現(xiàn),采用15 Hz的PEMFs刺激BMSC后,BMSC內(nèi)Runx-2、ALP和OCN的表達(dá)均增加。除了上述因素,PEMFs對(duì)BMSC的成骨分化作用還與成脂基因 AP-2、骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)(bone morphogenetic protein,BMP)-2、腺苷A2A和A2B受體等有關(guān)[33-36]。

3 PEMFs促進(jìn)BMSC成骨分化的相關(guān)信號(hào)通路

PEMFs對(duì)BMSC的成骨分化作用機(jī)制,目前尚未完全清楚,可能與環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)/cAMP依賴性蛋白激酶(cAMP-dependent protein kinase,PKA)、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)/胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)1/2、磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、Wnt/β-連環(huán)蛋白(catenin)信號(hào)通路等有關(guān)。

3.1 cAMP/PKA信號(hào)通路PEMFs可能通過(guò)cAMP/PKA信號(hào)通路促進(jìn)BMSC的成骨分化。Siddappa等[37]研究發(fā)現(xiàn),cAMP/PKA信號(hào)通路被激活后,白細(xì)胞介素-11、胰島素樣生長(zhǎng)因子-1、BMP-2等的表達(dá)增加,可促進(jìn)BMSC的增殖和分化。Yong等[38]研究發(fā)現(xiàn),采用PEMFs刺激BMSC后,cAMP、Runx-2、BMP-2、OCN、ALP的表達(dá)增加;采用PKA特異性抑制劑H89作用于經(jīng)PEMFs刺激的BMSC后,Runx-2、BMP-2、ALP的表達(dá)降低。

3.2 MAPK/ERK1/2信號(hào)通路MAPK是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的重要通路,廣泛存在于人體細(xì)胞內(nèi),與細(xì)胞的增殖、分化和凋亡密切相關(guān)[39]。MAPK信號(hào)通路有3條亞通路,分別是ERK1/2、p38MAPK和Jun激酶(Jun kinase,JNK)通路。PEMFs可能通過(guò)MAPK/ERK1/2信號(hào)通路促進(jìn)BMSC的成骨分化[40]。方清清等[41]研究發(fā)現(xiàn),PEMFs可通過(guò)p38MAPK通路促進(jìn)成骨細(xì)胞礦化成熟。PEMFs是否能夠通過(guò)p38MAPK通路和JNK通路調(diào)控BMSC的成骨分化,還需進(jìn)一步研究。

3.3 PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路mTOR是PI3K/Akt的下游底物,可通過(guò)改變真核細(xì)胞啟動(dòng)因子4E結(jié)合蛋白和核糖體40S小亞基S6蛋白激酶的磷酸化狀態(tài)啟動(dòng)細(xì)胞的翻譯過(guò)程,對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)有重要作用。Ferroni等[42-43]研究發(fā)現(xiàn),PEMFs可以通過(guò)mTOR信號(hào)通路促進(jìn)BMSC成骨分化并抑制其成脂分化。Schwartz等[44]研究發(fā)現(xiàn),PEMFs可能通過(guò)PI3K/Akt信號(hào)通路促進(jìn)BMP-2的分泌,進(jìn)而提高 Runx-2的表達(dá),從而加速BMSC的成骨分化。此外,PEMFs可以通過(guò)上調(diào)Akt、MAPK和ras相關(guān)GTP結(jié)合蛋白A來(lái)激活mTOR信號(hào)通路[37]。

3.4 Wnt/β-catenin信號(hào)通路Wnt/β-catenin信號(hào)通路廣泛存在于真核生物中,不僅對(duì)骨組織的發(fā)育有重要作用,而且在干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的過(guò)程中起關(guān)鍵作用[45]。Shao等[46]研究發(fā)現(xiàn),PEMFs可提高Wnt/β-catenin信號(hào)通路相關(guān)基因的表達(dá),如Wnt1a和Wnt3a等。周予婧等[47]研究發(fā)現(xiàn),PEMFs能促進(jìn)BMSC成骨分化,且作用機(jī)制可能與Wnt/β-catenin信號(hào)通路被激活有關(guān)。

4 小 結(jié)

PEMFs能影響B(tài)MSC的增殖和分化,但具體作用機(jī)制尚未完全明確,可能與多條細(xì)胞信號(hào)通路有關(guān)。PEMFs對(duì)BMSC的作用,受PEMFs的參數(shù)和BMSC的來(lái)源等影響,未來(lái)可通過(guò)相關(guān)研究探討不同參數(shù)PEMFs對(duì)BMSC的具體作用和作用機(jī)制。