脉冲电磁场对破骨细胞和成骨细胞影响的实验研究进展

李艺敏 陈 健(福建中医药大学，福建 福州 35008)

脉冲电磁场(PEMFs)作为一种非创伤性的物理疗法，对骨质疏松有重要的治疗作用。1978年Martin等〔1〕发现PEMFs对骨质疏松的效应。1989年Bassett〔2〕也提出PEMFs可能对骨质疏松产生治疗作用。在近年来的临床研究中，PEMFs也被证实可有效提高骨质疏松患者桡骨远端、脊柱以及膝部的骨矿密度〔3〕。PEMFs具有见效快、操作简便、适用范围广和无不良反应等优点，在临床上(尤其是康复科)得到广泛的应用。近几年PEMFs对破骨细胞和成骨细胞的实验研究逐渐增多，但是还有很多疑惑，其复杂的作用机制尚存争议。本文就PEMFs对破骨细胞和成骨细胞的生物学影响和作用机制做一综述，旨在为PEMFs预防和治疗骨质疏松的研究提供理论依据。

1 PEMFs对破骨细胞的生物学影响

1.1 对细胞数量和功能的影响 破骨细胞的数量和活性直接关系到骨吸收的状态，从而影响骨重建。白孟海等〔4，5〕的研究观察到电磁场能降低去势大鼠血清ALP水平和抑制骨髓细胞体外培养破骨细胞形成，使用频率分别为1.5、2、75 Hz的PEMFs，1次/d，每次30 min，对培养的破骨细胞进行治疗2 w后观察到大鼠骨髓体外培养破骨细胞形成数量减少，频率为2 Hz的效果最佳。Kyle等〔6〕在PEMFs刺激破骨细胞的形成研究中采用了 4.8、8.7、12.2 μV/cm 共 3 组磁感应强度变化率，感应电场强度为4.8和12.2 μV/cm时，破骨细胞的数量分别有明显减少和增加。黄晶晶等〔7〕在PEMFs对大鼠破骨细胞功能分子的影响研究中发现，去卵巢大鼠活体在接受PEMFs作用后，应用αβ、RANK、cathepsinK免疫荧光染色显示 PEMFs组较对照组阳性表达破骨细胞均明显减少，说明PEMFs对骨质疏松时破骨细胞活性具有抑制作用。赵吉等〔8〕实验表明PEMFs对OC的分化和功能有抑制作用，可以抑制OC与骨吸收有关的生物活性。张小云等〔9〕的研究也证实PEMFs能够抑制破骨细胞生长和破骨功能，从而提高骨密度及骨强度，对于骨质疏松有较好的干预效果。以上研究说明了不同频率的电磁场对破骨细胞数量和活性的调节作用，不同参数值的PEMFs对破骨细胞具有抑制和促进双重作用。至于PEMFs发挥抑制破骨细胞效应的最适频率范围是多少，尚无定论，有待进一步研究。

1.2 对破骨细胞的作用机制探讨

1.2.1 对细胞凋亡机制研究 细胞凋亡又称程序性死亡，是由于内外环境激发所致细胞自身主动、有序的死亡方式，其过程涉及精确的基因转录和蛋白质合成。破骨细胞凋亡能够间接促进骨形成。Chang等〔10〕研究PEMFs对破骨细胞凋亡的影响中发现破骨细胞形态发生变化，包括染色质凝聚和核裂解，且暴露PEMFs 8 h或16 h组后破骨细胞凋亡率增加，8 h组作用更明显，说明不同时长的电磁场促进破骨细胞凋亡的作用效果不同。谢肇等〔11〕观察PEMFs对去卵巢骨质疏松症大鼠成骨细胞和破骨细胞凋亡的影响，作者采用原位DNA末端标记染色法(TUNEL法)和透射电镜检测成骨细胞、破骨细胞的凋亡情况，结果表明PEMFs对OVX-OP大鼠成骨细胞凋亡具有抑制作用，而对破骨细胞凋亡则具有促进作用。Brighton〔12〕推测电磁场刺激能通过细胞膜压力依赖性钙通道或者胞内贮存池来提高细胞质Ca2+浓度，改变膜电位，增强胞内生物酶活性，导致细胞凋亡。以上研究局限于动物实验、体外试验，目前关于电磁场对人体破骨细胞凋亡的临床研究相对匮乏，须进一步研究，以阐明其凋亡机制，为PEMFs的临床应用提供可靠依据。

1.2.2 RANKL/RANK/OPG系统研究 RANKL/RANK/OPG系统是近年来发现的与破骨细胞分化及活化过程密切相关的细胞因子。骨保护素(osteoprotegerin，OPG)是TNF受体超家族成员之一，TNF家族与破骨细胞的形成和凋亡息息相关。电磁场通过影响TNF家族调节因子的表达，而后间接作用于OPG/RANKL/RANK通路，影响破骨细胞的形成。PEMFs对破骨细胞的确切作用机制仍不明确，文献报道较少。Chen等〔13〕对去卵巢大鼠采用电磁场强度为3.8 mT，频率为8 Hz的PEMFs，1 次/d，每次40 min，连续暴露30 d，结果表明 PEMFs可显著增加去卵巢大鼠破骨细胞样细胞的碳酸酐酶Ⅱ和核因子κB受体活化因子的mRNA表达。核因子kB受体活化因子是破骨细胞上RANKL的惟一受体，其功能为传递RANKL信号，与促进破骨细胞分化、成熟及骨吸收功能有关〔14～16〕。碳酸酐酶Ⅱ可通过调节H+的分泌，通过影响破骨细胞的分化和移动影响骨吸收的程度，说明PEMFs可通过RANK和碳酸酐酶Ⅱ作用于破骨细胞。Barnaba等〔17〕分别使用相同强度的静态电磁场和PEMFs对人类破骨细胞进行培养，在培养的第7、10、14天对破骨细胞形态及抗酒石酸酸性磷酸酶的活性进行评价。结果显示PEMFs可影响培养第7天的破骨细胞表型，而其他试验结果阴性。因此，他们推断PEMFs用于治疗骨不连、骨质疏松症等疾病的机制在于其能够促进成骨过程，而不在于其对破骨过程的抑制作用。Zhou等〔18〕将场强为3.8 mT，频率为8 Hz的PEMFs连续作用于去卵巢大鼠破骨细胞12 w，结果表明脉冲电磁场能够增加细胞内OPG蛋白的表达，抑制RANKL蛋白的表达，说明电磁场调节破骨细胞形成和骨吸收，至少部分是通过OPG/RANKL/RANK介导的，但是OPG/RANKL/RANK通路可能并不是脉冲电磁场作用的惟一通路。电磁场调节破骨细胞形成和骨吸收是否通过其他信号通路的介导，尚不十分明确，有待进一步研究。

2 PEMFs对成骨细胞的生物效应

2.1 对细胞增殖和分化的影响 大量基础研究表明，PEMFs能够促进成骨细胞增殖，并且这种增殖作用存在一个“窗口”效应，文献中使用的PEMFs不尽相同，所以产生“窗口”效应的场强、频率也各不相同。俞索静等〔19〕观察PEMFs对大鼠成骨细胞增殖影响的活细胞成像研究，通过活细胞成像技术证实，特定强度的PEMFs可以促进大鼠成骨细胞增殖。于灵芝等〔20〕的实验发现频率12 Hz、强度11 mT的PEMFs干预能明显促进成骨细胞增殖。李飞江等〔21〕对体外培养的成骨细胞行场强1 mT、频率 15 Hz，占空比 10%、20%、40%、60%的 PEMFs作用，8 h/d，持续作用3 d，结果显示所有占空比组均能提高大鼠成骨细胞的增殖和分化，40%和60%占空比组增殖作用效果最显著，60%占空比组的分化效果最为明显。证实了低强度PEMFs对新生大鼠成骨细胞的促增殖和分化作用，而且对成骨细胞的影响有可能存在“占空比”窗口。另外，也有实验研究表明，低强度PEMFs促进成骨细胞的增殖与分化的作用效果存在波形和作用时间的差异性〔22〕。以上研究表明，不同频率、不同占空比的电磁场对成骨细胞的增殖具有正性刺激作用。

不同强度和频率的电磁场对成骨细胞的分化能力的影响也不同。黄晶晶等〔23〕实验表明PEMFs作用成骨细胞可促进成骨细胞功能分化，增强成骨细胞的细胞外基质矿化。宋晋刚等〔24〕选用场强 1.1 mT，频率分别为 5，25，50，75，100 和 150 Hz的PEMFs作用于MSCs，每日30 min，连续作用21 d，结果提示:不同频率PEMFs作用组均能诱导MSCs向成骨细胞分化;从5～50 Hz频段，PEMFs的成骨诱导作用随着频率的增加而增强;从50～150 Hz频段，PEMFs的成骨诱导作用随着频率的增加而减弱，他们推测，频率是PEMFs成骨诱导的重要影响因素之一，PEMFs的作用频率不同，对细胞的成骨诱导作用不一，50 Hz可能为诱导体外 MSCs向成骨细胞分化的适合频率。Zhou等〔25〕发现频率为50 Hz的正弦电磁场在 0.9 ～4.8 mT 之间，呈强度依赖性抑制成骨细胞增殖，但可促进成骨细胞分化和矿化，在磁感应强度1.8 mT and 3.6 mT时效果最佳。上述研究表明，低强度、低频率的PEMFs对成骨细胞的分化和矿化均起作用，但最佳参数设置应为多少，尚无标准，需深入研究。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。李志锋等〔26〕对 ROB 采用 50 Hz，0.14 mT、0.16 mT 和 0.18 mT 的PEMFs进行干预，结果显示0.14 mT的PEMFs对ROB增殖和分化均无明显影响;0.16 mT、0.18 mT的 PEMFs可明显提高ALP活性。说明PEMFs可促进成骨细胞分化，且这种作用存在较为敏感的“强度窗”效应。Tsai等〔27〕使用 300 ms，频率7.5 Hz的矩形方波刺激hMSCs，在试验后期阶段，磁场组观察到成骨细胞数目增多，并且成骨细胞早期表达基因Runx2/Cbfa1和ALP上调。

2.2 对细胞Ca2+的影响 钙离子作为细胞信使，对细胞各项生理功能至关重要。当成骨细胞内的钙离子升高，成骨代谢活动就会增强。陈建庭等〔28〕在探讨PEMFs对成骨细胞-破骨细胞复合培养体系中成骨细胞膜电位及细胞内钙离子的影响的实验中，发现PEMFs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，介导PMEF对成骨细胞功能的调节作用。Zhang等〔29〕采用磁场强度0.8 mT、频率50 Hz的极低频PEMFs刺激大鼠成骨样细胞，发现细胞内的钙离子浓度发生改变，实验证实了强度0.8 mT、频率50 Hz的极低频PEMFs能提高细胞内游离钙的摄取量，并首次描绘了EMF作用效果的量化地图，对EMF的临床应用有很大参考价值。说明PEMFs是通过影响细胞内钙离子的移动，促进成骨细胞内钙离子的沉积而发挥成骨作用的。

2.3 对成骨细胞的作用机制初探 Bodamyali等〔30〕采用磁场强度1.8 mT、频率15 Hz的锯齿形电磁场作用于大鼠颅骨成骨细胞，发现矿化结节的数量和大小比对照组分别增加了30%和70%，细胞表达的BMP-2 mRNA和BMP-4 mRNA也增加，而且这种效应与暴露时间直接相关。Sollazzo等〔31〕证实了PEMF可促进成骨细胞合成Ⅰ型胶原，并认为PEMF在促进人骨肉瘤细胞株MG-63增殖时上调了成骨相关基因(HOXA10、AKT1)的表达。在针对PEMFs作用机制的研究中，Cheng等〔32〕采用频率为50 Hz，强度为1.8 mT的正弦电磁场作用于大鼠成骨细胞，发现SEMF暴露组一氧化氮合酶(NOS)、鸟甘酸环化酶(sGC)、蛋白激酶G(PKG)的蛋白含量较其他试验组明显上调，他们推断正弦电磁场能激活NO-cGMP-PKG信号途径，阻断此信号途径，正弦电磁场刺激成骨细胞分化和矿化的作用也随之衰减。Jansen等〔33〕对成骨细胞施加 PEMFs刺激，持续 9 d，PEMFs治疗组的成骨细胞的BMP-2 mRNA和TGF-β1水平明显升高。这些研究部分地揭示了PEMFs作用于成骨细胞的潜在机制。

3 小结

上述大量研究从动物实验和离体细胞培养表明，PEMFs对破骨细胞和成骨细胞均有生物学影响，但是PEMFs发挥生物效应的最佳参数设置，最适场强、频率、作用时间等尚无定论，作用于破骨细胞和成骨细胞的细胞学和分子生物学机制也有待进一步阐明。随着实验的进行，其复杂的作用机制将逐步明确。有资料显示，骨质疏松症和骨免疫细胞也有关联，而PEMFs对此类细胞的研究几乎是空白，可加强这个领域的研究工作，以便为PEMFs的临床应用提供更多的理论依据。

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