脈沖電磁場對肌肉骨組織作用的研究進展△

徐榮達，張赫，段思宇，蔡振存

（沈陽醫(yī)學院附屬中心醫(yī)院，遼寧沈陽 110075）

脈沖電磁場 （pulsed electromagnetic fields,PEMFs）作為一種非侵入性的物理方法，無需體內(nèi)植入電極，即可將微電流誘導(dǎo)到整個身體組織或通過靶向運輸方式傳遞到身體局部組織，從而增強細胞的愈合和再生能力［1，2］。PEMFs 是具有特定波形和振幅的低頻磁場，其特征在于磁場振幅隨時間的恒定變化，不同頻率、波形、強度的電磁場會對組織細胞產(chǎn)生不同的生物效應(yīng)，可用于骨關(guān)節(jié)炎、骨折修復(fù)、肌腱疾病、緩解炎癥以及血管再生等疾病的治療［3，4］。PEMFs 具有無創(chuàng)、簡單、安全、費用低等特點，1979 年已被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準用于治療延遲愈合和不愈合骨折［5］。PEMFs 可通過多種傳導(dǎo)通路及生物效應(yīng)對肌肉骨骼的生長愈合產(chǎn)生積極作用。本文主要針對PEMFs 對肌肉骨組織的作用機制以及應(yīng)用進展作一綜述。

1 PEMFs 對肌肉和骨組織作用

1.1 PEMFs 對肌肉組織的促進生長作用

Tai 等［6］發(fā)現(xiàn)每周短暫暴露于PEMFs 中可增加小鼠氧化性肌肉的表達，經(jīng)過PEMFs 處理的小鼠氧化肌功能適應(yīng)，氧氣被能夠增強線粒體呼吸功能的氧化纖維所攝取，不僅如此，PEMFs 暴露還可以促進肌因子的分泌，從而促進肌肉再生。Tucker 等［7］在研究PEMFs 暴露對肩袖愈合的影響中發(fā)現(xiàn)，PEMFs組小鼠肩袖的機械性能和模量在4 周和8 周時均有改善，PEMFs 組在8 周時肌細胞形狀變得更圓，這與細胞機械性能和代謝活性增加有關(guān)。PEMFs 通過改善肌腱機械性能來改善早期肌腱損傷至骨骼的愈合，從而對小鼠的肩袖愈合起到積極的作用。Stephenson等［8］研究顯示，在經(jīng)過PEMFs 處理后，血漿中包括骨橋蛋白和骨骼肌慢肌肌鈣蛋白T 在內(nèi)能夠預(yù)測肌肉再生和退化的生物標志物得到改善，破壞肌肉功能、提示代謝紊亂的脂質(zhì)代謝物顯著減少。綜上所述，PEMFs 在促進肌肉代謝和改善愈合等方面具有一定的潛力，使其在肌肉組織的輔助治療中更具有吸引力，可能成為一種潛在的治療方式。

1.2 PEMFs 對骨組織的促進生長作用

骨折后的骨愈合過程通常包括4 個不同的階段：骨折炎癥期、血管間充質(zhì)期、骨痂形成期、骨痂改造重塑期，PEMFs 激活的通路在骨愈合階段2、3 和4中發(fā)揮作用，同時抑制階段1 的炎癥期［9］。PEMFs在骨組織中具有刺激骨髓間充質(zhì)干細胞（mesenchymal stem cell,MSC）增殖分化，促進骨缺損修復(fù)以及軟骨再生等作用。MSC 在組織修復(fù)中發(fā)揮主要作用，MSC 具備極強的自我更新和多分化潛能，可直接刺激MSC 向成骨細胞分化，改善組織微循環(huán)，促進信號分子轉(zhuǎn)移到受損組織并通過分泌生長因子、細胞因子等誘導(dǎo)血管再生和組織修復(fù)［10～12］。PEMFs 刺激可以促進肌母細胞融合、增加肌管融合指數(shù)，進而增加肌管的直徑，通過調(diào)節(jié)MSC 的活性來促進非愈合骨折的成骨［13］。在測試PEMFs 對肌母細胞肌生成作用的實驗中，在標準條件下，與未治療的對照組相比，PEMFs 使肌母細胞的融合指數(shù)增加了2～5倍［14］。Coric 等［15］評估脈沖電磁場對頸椎前路椎間盤切除和融合術(shù)手術(shù)治療的影響發(fā)現(xiàn)，PEMFs 顯著提高了術(shù)后6 個月的融合率，通過刺激成骨細胞的功能改變和骨形態(tài)發(fā)生蛋白表達，進而使骨形成以及融合率增加。

2 PEMFs 在肌肉骨骼生物效應(yīng)的常見通路

PEMFs 目前應(yīng)用于肌肉骨骼領(lǐng)域，PEMFs 的主要信號通路包括Wnt/β-連環(huán)蛋白、Notch、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein,BMP）/轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β, TGF-β）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK）、血小板衍生生長因子（platelet derived growth factor, PDGF）、胰島素樣生長因子（insulinlike growth factor,IGF）和Ca2+通路等［16］。PEMFs 的分子途徑為其臨床應(yīng)用提供了科學依據(jù)，在肌肉骨骼疾病的治療和預(yù)后方面發(fā)揮重要作用。

2.1 鈣離子通道

PEMFs 能夠為肌肉組織的重塑過程提供經(jīng)典瞬時感受器電位通道1（classical transient receptor potential channel 1, TRPC1）蛋白，PEMFs 具有調(diào)節(jié)肌細胞鈣離子水平、增強線粒體呼吸能力等功效，進而促進氧化性肌肉的表達，并且TRPC1 的表達隨著氧化性肌肉的表達而增多［17］。同時，線粒體在肌肉和全身代謝中同樣發(fā)揮著重要作用，這是由轉(zhuǎn)錄共激活體過氧化物酶體增殖體激活受體-γ 共激活物-1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha,PGC-1α）所調(diào)控［18］。PGC-1α 是氧化肌肉發(fā)育的主要決定因素，因為它能夠調(diào)節(jié)線粒體的產(chǎn)生，在增強肌肉的線粒體氧化呼吸過程中是必不可少的［19］。脈沖電磁場通過激活PGC-1α 轉(zhuǎn)錄上游的鈣線粒體軸來促進體外肌和線粒體的生成，短暫暴露于PEMFs 中可促使細胞外靜息鈣水平升高，鈣離子通過TRPC1 激活活化的T 細胞的核因子（nuclear factor of activated T cells, NFAT），進而促進TRPC1、PGC-1α 及氧化性肌肉的表達，而NFAT、PGC-1α及TRPC1 三者具有協(xié)同效應(yīng)，能夠共同促進線粒體功能，增加氧化性肌肉的表達［6］。

2.2 Wntβ-catenin 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

PEMFs 可以導(dǎo)致細胞膜電荷發(fā)生改變從而影響膜通道的開放，激活多種細胞內(nèi)途徑進而影響體內(nèi)信號傳導(dǎo)通路的傳遞，此外，PEMFs 在信號傳導(dǎo)通路中可產(chǎn)生多個第二信使，啟動多個細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑［20］。Wntβ-catenin 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活可以促進人基質(zhì)金屬蛋白酶13（matrix metalloproteinase 13,MMP-13）生成，MMP-13 參與胚胎發(fā)育、組織重塑等過程，MMP-13 水平的升高又會導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的破壞，在PEMFs 治療過程中，MMP-13 水平出現(xiàn)顯著下調(diào)，降低了炎癥因子表達，抑制了Wntβ-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，起到修復(fù)軟骨、促進代謝的作用［21］。有幾種重要的信號通路可以調(diào)節(jié)肌肉修復(fù)，其中包括Notch 和Wnt 信號傳導(dǎo)被認為是關(guān)鍵的，Notch 途徑被認為參與肌母細胞增殖和Wnt 信號調(diào)節(jié)分化過程［22］。在肌肉再生過程中，Notch 和Wnt 之間存在相互作用，在增殖階段抑制Notch 信號傳導(dǎo)時觀察到Wnt 信號過早增加，當Notch 激活時Wnt 信號降低［23］。Wnt 途徑通過其外部結(jié)構(gòu)域的抗體強制激活Notch-1，使肌肉修復(fù)恢復(fù)活力，表明Notch 途徑是成人肌生成的重要因素。

2.3 cAMP-PKA-CREB 通路

PEMFs 通過增加細胞內(nèi)cAMP 水平激活cAMPPKA-CREB 信號傳導(dǎo)，在PEMFs 作用下，鈣離子濃度顯著增加，進而激活可溶性腺苷環(huán)化酶（soluble adenylate cyclase, sAC）、環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate, cAMP）、蛋白激酶A（protein kinase A, PKA）和cAMP 響應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cyclic AMP response element binding protein, CREB）信號通路促進骨細胞礦化成熟［24，25］。Li 等［26］在預(yù)防后肢懸吊誘導(dǎo)的大鼠骨質(zhì)流失研究中發(fā)現(xiàn)，PEMFs 顯著緩解了成骨細胞數(shù)量的減少，抑制了骨形成標志物的降低，通過sac/camp/pka/CREB 通路的信號傳導(dǎo)維持骨形成。PEMFs 不僅維持了蛋白激酶A 和cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白的磷酸化水平，可溶性腺苷酸環(huán)化酶的表達水平也得以維持。PEMFs 通過直接或間接激活成骨細胞的sAC-cAMP-PKA-CREB 信號通路來促進體內(nèi)和體外的骨形成。

3 PEMFs 在肌肉骨骼生物效應(yīng)的機制

3.1 抗炎作用

在組織損傷過程中，受損的組織細胞暴露于炎癥介質(zhì)中，巨噬細胞在面對局部微環(huán)境發(fā)生不同的表型以及功能變化，表現(xiàn)出抗炎和促進愈合活性，還可以啟動后續(xù)修復(fù)階段所需的各種信號通路以調(diào)節(jié)組織修復(fù)和再生［27，28］。M1 亞型巨噬細胞負責產(chǎn)生如腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor α,TNF-α）、白細胞介素-1β（IL-1β）等促炎因子，這些促炎因子作為趨化因子的信號分子進入修復(fù)部位，以促進組織降解，還會刺激M1 極化為M2 巨噬細胞，M2 亞型巨噬細胞參與組織再生過程，通過分泌抗炎介質(zhì)來降低炎癥帶的損傷，同時刺激肌細胞融合成多核肌管，從而促進肌腱修復(fù)過程［29～31］。由此可見，PEMFs 可通過調(diào)節(jié)炎癥因子的分泌加快組織修復(fù)過程。腺苷受體在炎癥調(diào)節(jié)中具有重要作用，其激活后抑制促炎細胞因子釋放。PEMFs 通過腺苷受體使多種細胞類型的增殖和炎癥的影響之間產(chǎn)生聯(lián)系，其中特別是A2A 和A3表達擴增，通過激活腺苷酸環(huán)化酶和蛋白激酶B 介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子β-連環(huán)蛋白的核定位，來抑制TNFα、IL-1β 等促炎細胞因子的合成和活化，增加cAMP 水平，從而在多種細胞類型中誘導(dǎo)抗炎反應(yīng)［32～34］。因此，PEMFs 對腺苷的調(diào)節(jié)在控制炎癥中起重要作用。IL-1β 是一種關(guān)鍵的促炎介質(zhì)，由炎癥部位的免疫細胞所分泌，在穩(wěn)態(tài)和病理機制中起關(guān)鍵作用［35］。PEMFs 治療肌腱來源的細胞可能會限制IL-1β 促炎刺激的分解代謝作用，從而誘導(dǎo)更多的組織修復(fù)［36］。PEMFs 有望作為新型炎癥調(diào)節(jié)的治療方法，用于促進組織再生。

3.2 生長因子

常見的生長因子有血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、IGF 、TGF-β 等，在組織修復(fù)中起到重要作用。VEGF 是血管再生的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，成骨細胞表達高水平的VEGF。VEGF在炎癥期起到旁分泌因子作用來促進巨噬細胞募集和血管再生反應(yīng)，并且通過膜內(nèi)骨化進行修復(fù)［37］。因此，VEGF 在肌肉壞死、骨折部位的新血管生成和血運重建中起著至關(guān)重要的作用。PEMFs 刺激可顯著增加成骨細胞中TGF-β 的表達，TGF-β 是調(diào)節(jié)骨再生早期階段的關(guān)鍵因素，因為它可以增強骨祖細胞的活力、增殖和遷移，從而誘導(dǎo)成骨分化［38］。IGF-1是一種能夠促進肌肉再生的肌因子，在高度氧化的纖維中表達。這些來自成纖維細胞的IGF-I 通過促進肌母細胞分化和肌管形成參與修復(fù)過程，并且可能通過改變蛋白質(zhì)合成促進肌肉再生［39，40］。

4 結(jié)語與展望

PEMFs 是一種新型且有廣闊前景的治療方式，在促進肌肉骨骼生長發(fā)育中起著積極作用，PEMFs可通過多種機制及生物效應(yīng)來調(diào)節(jié)肌肉骨骼細胞代謝，激活組織修復(fù)能力，有助于延緩肌肉骨骼疾病的發(fā)展并改善預(yù)后，但磁場對肌肉骨組織的確切作用機制尚未完全清楚，還需進一步研究。隨著對PEMFs作用機制研究的深入，PEMFs 在肌肉骨骼疾病中的應(yīng)用前景將更加廣泛。