脉冲电磁场对体外成骨细胞的作用及影响

许 巍 张延芳*

（广东医学院生理学研究室生理学教研室，广东 东莞 523808）

成骨细胞起源于多能的骨髓基质的间质细胞，是骨形成的主要功能细胞，负责骨基质的合成、分泌和矿化，对于骨损伤的修复与重建至关重要。自从1954年yasuda发现骨的压电效应后，即骨受到机械压力后将机械能转化为电能，产生压力电位，电刺激影响骨量调节的现象引发了科学家的大量假设，即在功能活性中产生的应力电位可能是真正调节骨中特定的细胞过程的信号[1]。电学环境是骨组织所需要的重要微环境之一，并对骨组织和成骨细胞有重要作用[2]。在1974年Bassett首次应用脉冲电磁场治疗骨不连取得成功后，此后很多研究学者进行了大量的实验研究和临床实践，从实验结果观察，细胞，分子水平等不同方面验证脉冲电磁场可以促进骨折的愈合，并探讨其作用机制。大量的实验分析表明脉冲电磁场（pulsed electromagnetic field，PEMF）作用于成骨细胞不仅可以加快成骨细胞的增殖分化，还可以增加生长因子的分泌并促进细胞外基质的合成，并对某些信号通路产生作用。本文就国外近年来关于脉冲电磁场对成骨细胞的研究作一概述。

1 对成骨细胞增殖、分化的影响

大量实验表明，低脉冲电磁场可以促进成骨细胞的增殖。并且这种作用并非是一种线性关系，在特定的场强和频率下会产生一个“窗口”效应。但是由于各个学者所使用的仪器设备各不相同，所以产生“窗口”效应的场强、频率也各不相同。周建等[3]发现频率为50Hz的正弦电磁场在0.9～3.0mT之间有以促进成骨细胞分化的最佳磁感应强度，即所谓“强度窗”效应。Lorich等[4]用20Mv/cm的电容耦合电场作用于小鼠的成骨细胞或鼠MC3T3-E1成骨样细胞，发现DNA合成显著增加。王前[5]等对体外培养的成骨细胞施加脉冲电磁场刺激，实验组细胞生长曲线前移，细胞第6天长满培养皿底壁，而对照组第8天才长满培养皿底壁。张晓军[6]采用频率为15Hz、强度为5mT、占空比为15%的极低频率脉冲电磁场作用于成骨细胞，发现可显著促进成骨细胞的增殖。并且发现强度过高或是过低均不能引起细胞增殖的改变，只有适中的强度作用才可使细胞增殖能力显著增加。

碱性磷酸酶作为成骨细胞成熟、分化早期标志酶，参与骨基质的分泌和成熟阶段的调节，其表达随着细胞分化、功能的活跃而增强，代表着细胞的活跃程度和骨形成的状况。不同强度和频率的电磁场对成骨细胞的分化能力的影响不同，有些学者认为成骨细胞处在不同的阶段也会影响分化能力。张晓军[6]在给予成骨细胞频率为15Hz、强度为5mT、占空比为15%的极低频率脉冲电磁场时，ALP的活性被抑制。Chang[7]认为电磁刺激只是使成骨细胞的数量增加，并没有促进成骨细胞的分化。Diniz P[8]等用强度7mT，15Hz的脉冲电磁场作用成骨细胞（MC3T3 - E1细胞系），发现可以促进成骨细胞的增殖、分化和矿化，但是和成骨细胞的不同成熟阶段有关联。杨巍[9]在试验中让成骨细胞（MC3T3 - E1细胞系）暴露于48Hz，1.53mT的PEMF中24和48h后，ALP活力未受到影响，对于原代成骨细胞暴露于48Hz、1.55mT的脉冲电磁场，在细胞增殖初期具有抑制分化的作用，而在细胞分化期则具有促进分化的作用。

2 对Ca2+的影响

细胞内的钙离子作为细胞信使，是机体各项生理活动重要的离子。当细胞受到外界刺激时细胞内的钙离子就会升高，而引起细胞的某些代谢活动。有实验表明[10]在电磁场刺激下，细胞可能会通过电压门控通道开放发生Ca2+的内流，细胞内Ca2+浓度升高。陈建庭等[11]在给予成骨细胞施加脉冲电磁场的实验中，发现PEMF作用于成骨细胞引致细胞出现去极化，从而开放电压依赖型钙离子通道，使细胞内的钙离子浓度升高，钙离子作为细胞的第二信使，调节多种生理功能。

实验表明，电磁刺激鼠成骨样细胞，DNA合成显著增加，促进同时掺入细胞中的钙离子也大大增加。当钙离子的浓度达到一定阈值的时候才会促进细胞DNA的合成[12]。还有学者认为钙离子浓度升高可直接或通过激活钙调蛋白间接激活一些蛋白激酶，影响细胞的增殖情况。

3 对生长因子的影响

细胞因子有促进成骨细胞的增殖，抑制破骨细胞，诱导成骨，参与骨的重建作用。给予成骨细胞施加适当频率和强度的电磁场，可以促进成骨细胞分泌一些生长因子。

3.1 胰岛素样生长因子（IGF）

胰岛素样生长因子（IGF）可分为两种，即IGF-Ⅰ，IGF-Ⅱ。IGF-Ⅰ可诱导成骨细胞通过自分泌和旁分泌的方式刺激成骨细胞的增殖和基质合成，参与骨的改建的功能。IGF-Ⅱ对成骨细胞的作用与IGF-Ⅰ相似但较弱。有实验证明脉冲电磁场刺激成骨细胞不仅可以促进骨细胞膜分泌胰岛素样生长因子，还上调骨细胞膜表面的胰岛素样生长因子的受体的数目，从而达到促进成骨细胞的增殖。

3.2 β-转化生长因子（TGF-β）

TGF-β是一种多功能的多肽，广泛的存在于正常组织细胞中，以血小板和骨组织中的含量多。已有证明TGF-β可刺激骨间充质细胞增殖、分化，促进骨和成软骨细胞的增生，诱导Ⅰ型胶原、骨桥蛋白（osteopotin）和骨连接素（osteonectin）的合成。Guerkov[13]在成骨细胞培养早期发现PEMFs能够促进转化生长因子TGF-β1的合成释放，从而促进成骨细胞的增生。Zhuang[14]等给成骨样细胞（MC3T3-E1）施加电容耦合电场，发现TGF-β1mRNA的水平高于对照组，说明电磁刺激可以促进TGF-β1mRNA的生成，从而促进成骨细胞的增殖分化。

3.3 骨形态蛋白（BMP）

骨形态蛋白的主要生物学作用是诱导未分化的间充质细胞分化为软骨和骨，即诱导成骨作用。其中，BMP-2是促进骨形成和诱导成骨细胞分化最重要的细胞外信号分子之一[15]。Nagai[16]用15Hz，2mT 的脉冲电磁场作用于鸡胚颅骨，结果发现比对照组相比，及胚颅骨组织的BMP-2H和BMP-4mRNA表达水平明显的增加。Jansen[17]等给成骨细胞施加脉冲电磁场刺激，到第9天的时，PEMF治疗组的成骨细胞的BMP-2 mRNA和TGF-β1水平明显升高。李志锋[18]0.16、0.18mT的PEMFs可上调BMP-2 mRNA的表达。这说明电磁刺激可以促进成骨细胞BMP的生成，从而促进了骨的形成。

4 总 结

脉冲电磁场刺激成骨细胞有很多年的历史，在各个方面都取得很大的成就，尤其在临床上广泛应用于骨折的愈合和重建，骨质疏松等方面的疾病。但是，脉冲电磁场作用的成骨细胞还存在一些尚未解决的问题，相信随着科学的进步和科学家的不断探索，相信脉冲电磁场必将促进骨组织工程的发展及应用，给临床的治疗带来更大的帮助，为骨组织工程带来更多更好的种子细胞。

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