电磁场诱导间充质干细胞成骨分化的研究进展

向正宗，陈剑锋(三峡大学人民医院宜昌市第一人民医院骨科，湖北宜昌443000)

·综述·

电磁场诱导间充质干细胞成骨分化的研究进展

向正宗，陈剑锋
(三峡大学人民医院宜昌市第一人民医院骨科，湖北宜昌443000)

间充质干细胞（MSC）是一种多能成体干细胞，在一定诱导条件下可以分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞等多种功能细胞。在骨科领域为各种组织的修复提供良好的细胞来源，是目前组织工程及再生医学领域研究最为深入的种子细胞之一。电磁场(EMF)作为一种非侵入性的物理疗法，在治疗骨不连、骨缺损及骨质疏松等疾病具有良好的优势。因此，近几年对电磁场诱导间充质干细胞成骨分化的机制研究较多，本文就电磁场参数、电磁场类型对不同来源的间充质干细胞诱导成骨分化的相关机制做一综述。

电磁场；间充质干细胞；成骨分化

电磁场疗法在骨病治疗中的运用已经经历了多年的探索。1989年Bassett总结了电磁场的研究成果，并根据Wollf定律对其机制进行了归纳，认为生物电在骨代谢和骨重建中具有十分重要的意义。自此对它的成骨效应做了大量研究。虽然电磁场具有操作简便、无创、适用范围广和并发症少等优点，并且在临床骨病的预防和康复治疗中被广泛应用，但随着研究的深入仍有很多问题亟待解决。电磁场成骨效应的最适场强、频率及作用时间至今存在着较多争议，特别是诱导间充质干细胞成骨方面。比较有共识的一点是高频电磁场对机体或细胞的作用主要是热效应或大多是损害作用，而低频或低场强电磁场对机体可能产生有益影响。为此，很多学者做了不懈努力，以期找出有效的电磁场参数范围，给调控间充质干细胞成骨分化提供重要的参考价值。

1 电磁场参数对MSC成骨分化的影响

1.1 频率和场强对MSC成骨的影响研究发现EMF的生物效应有一定的场强和频率依耐性，促成骨效应与场强和频率的关系为非简单的线性关系，间充质干细胞对EMF场强和频率的反应具有“窗口效应”。Yang等[1]发现15 Hz/1m T的正弦电磁场(SEMFs)促进SD大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)的成骨分化标志物骨形态蛋白(BMP)、碱性磷酸酶等表达，并抑制成脂肪分化标志物脂肪蛋白酶表达。Lu等[2]利用20Hz/2mT的脉冲电磁场体外作用于SD大鼠BMSCs，发现20 Hz/2m T的脉冲电磁场能显著促进骨钙蛋白和骨桥蛋白的表达，抑制脂肪因子与脂肪细胞结合蛋白。Cheng等[3]用1.4～2.2m T范围场强，50Hz正弦电磁场暴露大鼠BMSCs，发现1.8m T具有最强的诱导成骨分化作用。Luo等[4]通过1.1m T、不同频率的脉冲电磁场(PEMF)诱导人类BMSCs，发现50Hz诱导其成骨分化效果最显著，然而Liu等[5]采用1m T正弦电磁场以10 Hz、30Hz、50Hz和70Hz施用到大鼠骨髓间充质干细胞，早期阶段的成骨分化标志物碱性磷酸酶(ALP)和骨钙素(OC)在10Hz表达显著上调，晚期成骨分化标志基因的表达却在50 Hz升高显著。这在一定程度上揭示了低频电磁场具有诱导成骨分化的作用。

1.2 电磁场作用时间对MSC成骨分化的影响Jansen等[6]认为PEMF刺激人BMSC成骨分化具有时间依赖效应，在体外干预MSCs第9天、第14天BMP2、OPG(骨保护素)等多项指标才有所变化。Yang 等[1]对SD大鼠的MSCs也持续观察到21 d，才观察到显著的成骨效应，而Tsai等[7]试验中对人BMSCs的照射时间长达28 d才发现成骨活动的峰值。

1.3 电磁场种类对MSC成骨分化的影响电磁场主要有静磁场、脉冲电磁场、正弦波电磁场等。静磁场的研究报道较少，仅有国内报道静磁场能够抑制骨髓间充质干细胞增殖并向成骨分化[8]。Esposito等[9]研究PEMF曝光处理人类骨髓间充质干细胞，观察到成骨细胞分化标志物如RUNX2蛋白、碱性磷酸酶、骨钙素、骨桥蛋白表达的增加。Song等[10]对大鼠骨髓间充质干细胞采用15 Hz/1 mT SEMFs处理，骨涎蛋白(BSP)、骨桥蛋白(OPN)表达上升，并表现出时间依赖性。Yan等[11]采用50H/20mT极低频电磁场(ELF-EMF)照射人类间充质干细胞23 d，发现hMSC生长代谢受到抑制，但对成骨分化没有显著影响。脉冲电磁场作为一个非手术治疗骨坏死早期阶段的方法，考虑到脉冲电磁场在临床治疗的长期性，每天需要至少10+h的持续治疗时间。Fu等[12]采用20 Hz/1m T的单脉冲电磁场(SPEMF)、3m in/d的处理，经过3～7 d的治疗后hBMSCs的成骨分化在SPEMF处理组显著增加，得出SPEMF对hBMSCs的成骨分化7 d的短期效应等同于PEMF 25 d的治疗效应，并提出SPEMF用于治疗骨修复和早期成骨分化的潜在临床优势。

2 电磁场对不同来源的MSC成骨分化的作用

间充质干细胞(MSC)作为具有成骨分化潜力的干细胞，最早在骨髓中发现，称为骨髓间质干细胞(BMSC)，随后在脂肪、滑膜、肺以及羊水、脐带血等组织中相继分离得到。在认识到电磁场对骨髓间充质干细胞成骨分化的作用以后，很多学者对其他组织来源的间充质干细胞也做了相关研究，但目前多集中于对骨髓间充质干细胞的成骨分化机制的研究。

2.1 电磁场诱导骨髓间充质干细胞成骨分化对骨髓间充质干细胞的成骨分化机制研究主要通过成骨分化信号通路的调控机制入手。因此大量研究发现电磁场主要通过PI3K-Akt信号通路、环腺苷酸激活蛋白激酶A(cAMP-PKA)信号通路、细胞外信号调节激酶(ERK)信号通路、Wnt信号通路等诱导其成骨分化。Schwartz等[13]通过观察间充质干细胞整个成骨分化过程发现，脉冲电磁场可能通过PI3K-Akt信号通路促进BMP-2的分泌，进而刺激Runx2基因表达，最终加速间充质干细胞向成骨细胞的分化。Wu等[14]发现50 Hz/2m T的电磁场能够抑制小鼠BMSC增殖，细胞外cAMP水平只在早期增加，电磁场可能是通过激活cAMP-PKA信号通路，从而促进干细胞向成骨细胞方向分化。近年研究表明：电磁场通过激活ERK信号通路从而促进骨髓间充质干细胞的成骨分化。在Song等[10]对大鼠BMSC采用15 Hz/1m T正弦电磁场(SEMFs)处理，骨涎蛋白(BSP)、骨桥蛋白(OPN)表达上升，ALP活性提高及细胞钙质的沉积，并表现出时间依赖性。同时，ERK信号通路的阻滞剂U0126能够减弱正弦脉冲电磁场对其成骨分化作用。Yong等[15]研究还显示，通过ERK信号通路阻滞剂PD98059或者PKA抑制剂H-89处理后能够显著降低促进间充质干细胞成骨分化的蛋白表达，从而抑制电磁场对间充质干细胞的成骨分化。周予婧等[16]利用8 Hz/3.8mT PEMF照射体外培养的小鼠骨髓间充质干细胞，发现PEMF能够增加Wnt1、Wnt3a、BMP-2、Runx2等基因的表达，并且表达水平呈持续上升趋势。

2.2 电磁场诱导脂肪基质干细胞(ADSC)成骨分化尽管有研究显示脂肪基质干细胞表现出比骨髓间质干细胞较少的成骨分化潜能，但脂肪来源间充质干细胞(ADSC)相对更容易获得，并可以得到更大的量。因此，Ongaro等[17]通过脉冲电磁场对人类骨髓间充质干细胞和脂肪组织来源的间充质干细胞的对比研究，检测早期及晚期成骨标记物，并对成骨过程中不同时间进行了差异化分析，结果表明，脉冲电磁场诱导成骨分化，并作用于整个细胞成骨分化过程中。Kang等[18-19]采用不同的培养方式发现1m T、30/45 Hz的电磁场促进ADSC的成骨分化，同时观察到Wnt信号通路被激活，表明Wnt信号通路可能参与脉冲电磁场诱导ADSC成骨分化。

2.3 电磁场诱导羊膜上皮细胞(AECs)成骨分化作为一种干细胞治疗的潜在细胞来源，已有相关报道证明在体外可被诱导其多向分化，提示在组织工程和细胞替代治疗领域的作用。Wang等[20]的研究结果显示脉冲电磁场刺激能够单独诱导AECS的成骨分化，PT-PCR检测成骨特异性蛋白BMP-2、Runx2、β-连环蛋白等基因水平均有不同程度上调。

2.4 电磁场诱导人类牙槽骨干细胞(hABMSCs)成骨分化Lim等[21]发现极低频脉冲电磁场(ELF-PEMFs)能够加速hABMSCs早期成骨分化，同时在两周的成骨分化持续过程中，Vinculin(纽蛋白)、Vimentin(波形蛋白)和CaM(钙调蛋白)的表达持续增加。

3 结语

综上所述，间充质干细胞在组织工程和再生医学领域中的临床运用有着无可替代的地位，同时联合电磁场操作简便、无创和并发症少等优点，不断开拓新的有效的治疗手段，仍然是以后研究的重点。但如何优化选择EMFs的有效“生物窗”，是急需解决的关键科学问题。同时需进一步理清电磁场对不同来源的间充质干细胞调控的作用靶点、信号通路及相关作用机制，为骨科疾病的预防和治疗奠定理论基础。

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Research progress on electrom agnetic fields-induced osteogenic differentiation ofmesenchymal stem cells.

XIANG Zheng-zong,CHEN Jian-feng.Department of Orthopedics,People's Hospital of China Three Gorges University,the First People’sHospitalof Yichang,Yichang 443000,Hubei,CHINA

Mesenchymalstem cells(MSCs)aremultipotentadultstem cellswhich can differentiate into various functional cells such as osteocytes,chondrocytes,adipocytes under certain induced conditions.In the field of orthopedics,MSCs provide a variety of cellsources for the organization repair,and are one of themoststudied seed cells for tissue engineering and medical fields of regeneration currently.Electromagnetic field(EMF),as a non-invasive physical therapy,has advantages in the treatmentof nonunion,bone defects and osteoporosis and other diseases.In recent years, themechanism on osteogenic differentiation of MSCs induced by electromagnetic field has been frequently reported.In this paper,wemake a review on the relevantmechanism of the osteogenic differentiation of MSCs from differentsources induced by electromagnetic field of differentparametersand types.

Electromagnetic fields;Mesenchymalstem cells;Osteogenic differentiation

R329.2+5

A

1003—6350（2016）16—2674—03

2015-11-20)

doi∶10.3969/j.issn.1003-6350.2016.16.032

陈剑锋。E-mail：tongjicjf@126.com