低频脉冲电磁场对骨骼相关疾病的生物学效应研究进展

李天乐 卢 倩 苗 辉 仝 昕 于世宾

2021年世界卫生组织的报告显示，肌肉骨骼疾病是导致人类残疾的主要原因，这类疾病常伴有不同程度的疼痛和活动受限，这不仅严重影响患者自身的生活质量，还会给整个社会带来沉重的负担。目前骨骼相关疾病治疗方法主要包括手术和药物治疗，而对于自身愈合能力较差的患者，尤其是最常发生骨骼疾病的老年人来说，手术这一侵入式的疗法有时会给患者造成额外的伤害，例如伤口感染或延迟不愈等。相比手术治疗，药物也存在给患者带来不良反应的风险。

脉冲电磁场(pulsed electromagnetic field，PEMF)的概念最早是由美国矫形外科专家Bassett提出的，低频PEMF是指频率1～100Hz，峰值磁场<10mT的低频、低强度磁场，其作用原理是采用高能抗谐振低频变化PEMF改变人体生物电、改善生物场，从而达到治疗的目的。具有不同参数(如频率、波形、幅度)的PEMF可以引起机体骨组织不同的生物反应，达到不同的治疗效果[1～3]。早在20世纪70年代PEMF就已经被美国FDA批准用于临床治疗并取得了不错的疗效。因此，探究PEMF对骨骼相关疾病的治疗现状，对临床上患者的诊治和更深层次的相关研究开展具有重要意义。本文试对低频PEMF在骨骼相关疾病的研究进展和可能的分子机制进行综述。

一、低频脉冲电磁场在骨相关疾病治疗中的作用

1.骨折延迟愈合和骨不连：骨折延迟愈合是指骨折在正常愈合所需的时间(一般为4个月)内仍未达到骨折完全愈合标准的现象，骨不连则是指骨折发生后9个月仍然没有愈合的现象，二者都是骨折治疗过程中的严重并发症。针对这类并发症，临床上多需采用二次手术的方式促进骨骼愈合，但二次手术不仅难以保证治疗效果，还有可能给患者带来较大的伤害。有研究对45例胫骨骨折后合并萎缩性骨不连、局部感染的患者给予PEMF刺激(0.008Wb/m2，每天12h，6～12周)，结果发现PEMF能够促使约35%(16例)的骨不连在10周内愈合，85%(38例)的骨不连在4个月内愈合，临床疗效显著[4]。2020年Peng等[5]围绕PEMF刺激对患者骨折愈合效应的Meta分析结果显示，PEMF刺激可以显著加快骨折愈合速度，有效缓解骨折相关的疼痛。在一项双盲随机试验中有研究者尝试利用PEMF对第五跖骨骨不连进行辅助治疗，结果发现伴随着局部胎盘生长因子、脑源性神经营养因子、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)-5和BMP-7等水平的显著升高，PEMF可以使愈合时间从14.7周缩短到8.9周[6]。以上结果均显示，PEMF疗法能够显著改善骨折延迟愈合甚至不愈合的情况，在临床上具有重要的推广意义。

2.股骨头坏死：股骨头坏死(osteonecrosis of the femoral head，ONFH)是指股骨头血供中断或受损，引起骨细胞、骨髓成分死亡及随后的修复，继而导致股骨头结构改变、股骨头塌陷、关节功能障碍的疾病，是骨科领域常见的难治性疾病，常表现出疼痛、关节活动和负重行走功能障碍等临床症状。ONFH可分为创伤性和非创伤性两大类，前者主要是由股骨颈骨折、髋关节脱位等髋部外伤引起，后者在我国的主要原因为皮质类固醇的应用及酗酒[7]。Massari等[8]对66例患者的76侧坏死股骨头进行了PEMF治疗(2.0±0.5mV、75Hz，每天8h，平均治疗周期为5±2个月)，结果显示，PEMF可以在ONFH的早期阶段(Ficat Ⅰ期和Ⅱ期)保留髋关节或显著推迟手术时间，而且PEMF治疗60天后53%的患者疼痛消失，26%的患者疼痛显著缓解。在通过关节腔注射10μg/kg脂多糖和20mg/kg甲基泼尼松龙建立的大鼠ONFH动物模型中，给予PEMF治疗(0～20Gy、15Hz，每天4h，治疗周期为1～8周)，结果PEMF治疗组的ONFH发生率(29%)远低于实验组(75%)，且与实验组比较，PEMF治疗组的血脂水平显著降低，转化生长因子(transforming growth factor，TGF)-β1 mRNA和蛋白水平显著升高[9]。与之类似，在同样的大鼠ONFH模型中，PEMF治疗(1.2mT、15Hz，每天4h，治疗周期为8周)能够抑制股骨头中的成脂相关因子过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)-γ2表达，上调成骨相关因子Runx2表达，促进成脂与成骨之间的平衡，并将ONFH的发生率从69%降至31%[10]。以上结果提示，适宜的PEMF能够在一定程度上防治ONFH，显著缓解其临床症状，降低手术需求。

3.骨质疏松：骨质疏松是由于多种原因导致的骨密度和骨质量下降，骨微结构破坏，造成骨脆性增加，从而容易发生骨折的全身性骨病。夏新蜀等[11]和陈江强等[12]临床研究发现，PEMF能够明显缓解骨质疏松引发的患者慢性疼痛，是临床上骨质疏松的有效物理治疗方法，且无不良反应发生。2020年，Liu等[13]利用鼠尾悬吊法建立大鼠废用性骨质疏松模型，结果发现，PEMF治疗(3.82mT、10Hz，每天40min)2周、4周时疗效不及阿仑膦酸盐，但治疗8周时PEMF在改善骨超微结构参数、力学指数方面的功效与阿仑膦酸盐相当，且PEMF组血清中BMP-2与血清骨钙素的增长明显超过阿仑膦酸盐组，这提示PEMF能比阿伦膦酸钠更温和、更持久地改善骨结构的力学稳定性。2021年，Androjna等[14]通过卵巢切除构建骨质疏松大鼠模型，并给予PEMF治疗(10T/s、30T/s、100T/s、300T/s，3850Hz脉冲频率，15Hz重复率，每天3h，治疗周期为6周)，结果显示30T/s的PEMF治疗就可以达到阿伦磷酸盐拮抗松质骨骨量丢失的相当疗效，而且PEMF治疗不会像阿伦磷酸盐那样降低骨形成率；30T/s和100T/s的PEMF治疗还可以促进皮质骨骨陷窝-微管形态的改建。2021年Qian等[15]通过卵巢切除构建了兔骨质疏松模型，并给予PEMF治疗(15Hz，每天40min，每周5天，治疗周期为8周)，结果显示，与骨质疏松组比较，PEMF治疗组的椎体骨矿物密度上调20.3%，从而使椎弓根螺钉的抗拔出力上调14.0%，该结果提示PEMF能够显著地提高骨密度。综上所述，适宜的PEMF刺激能够有效逆转骨丢失，改善骨骼机械强度，预防骨质疏松。

二、低频PEMF在骨组织工程中的作用

骨骼在正常情况下具有较强的自愈能力，但在骨缺损体积过大时就需要借助骨组织工程来解决骨缺损修复的难题。生物材料能够为机体提供一个促进愈合和再生的框架，成骨相关细胞与生物材料框架的良好结合、交互在骨组织工程中发挥着关键的作用。有研究将成骨细胞分别接种于普通细胞培养皿和磷酸钙材料表面，给予15Hz、每天8h的PEMF刺激，结果显示，PEMF能够显著上调磷酸钙材料表面成骨细胞的OPG分泌，这提示PEMF具有材料表面依赖性促成骨效应[16]。有研究报道，0.96mT、15Hz的PEMF刺激能够显著增加培养在钛表面成骨细胞的细胞黏附，诱导细胞产生更多伪足，使成骨细胞沿主轴排列，并促进成骨细胞的矿化[17]。与此类似，Jing等[18]也发现2mT、15Hz的PEMF刺激不仅能够增强多孔钛表面的成骨细胞附着和增殖，在体外诱导成骨细胞在多孔钛表面形成组织良好的细胞骨架，还能显著促进兔骨缺损的修复。以上研究结果显示，适宜的PEMF能够有效促进骨细胞与组织工程材料的结合并有效促进相应的成骨效应，PEMF有望进一步完善并促进骨组织工程的应用与发展。

三、低频PEMF参与骨修复的可能机制

目前尽管低频PEMF对骨修复的作用已经越来越被人们所熟知，但其具体机制尚未被完全阐明。现有研究中报道的低频PEMF参与骨修复的可能机制主要包括初级纤毛-PI3K/Akt信号通路、BMP信号通路、可溶性腺苷酸环化酶(soluble adenylyl cyclases，sAC)-环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)-蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)-环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)信号通路、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信号通路、Wnt-Ca2+/Wnt-β-catenin信号通路等[19～26]。

1.初级纤毛-PI3K/Akt信号通路:初级纤毛是一种存在于大多数哺乳动物细胞表面、以微管为基础结构的特殊细胞器，其来源于细胞的母中心粒，锚定在细胞膜并如“天线”般突出细胞表面。作为细胞感受器，初级纤毛从环境中接受各种信号，转导至细胞内引起细胞反应。PI3K/Akt信号转导途径具有调控物质代谢、基因表达、增殖等多种生物学功能，成骨细胞的矿化成熟过程离不开PI3K/Akt信号途径的参与。2019年，任茜等利用50Hz、0.6mT的PEMF刺激来源于大鼠颅骨的成骨细胞，结果发现成骨细胞的初级纤毛变长，细胞中的PI3K、Akt蛋白水平显著升高，并伴有成骨标志物碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性和成骨相关基因BMP-2、COL-1、OSX的表达水平升高；通过RNAi方法干扰初级纤毛发生后，PEMF刺激无法上调成骨细胞中PI3K的蛋白表达水平，同时ALP活性和BMP-2、COL-1、OSX的表达水平不再上调，PEMF增加钙化结节形成能力的作用也消失；加入PI3K阻断剂LY294002阻断PI3K/Akt信号途径后，PEMF刺激也不再能提高成骨细胞中ALP活性和BMP-2、COL-1、OSX的表达[19]。

2.BMP相关信号通路:BMP属于TGF-β族，是体内诱导骨和软骨形成的主要因子，对骨骼的胚胎发育和再生修复起重要作用。BMP主要通过Smad1/5/8和p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK)的激活来发挥其成骨分化诱导剂的作用。Xie等[20]研究发现，0.6mT、50Hz的PEMF刺激可以通过上调初级纤毛上的BMPⅡ型受体的表达来激活BMP-Smad1/5/8信号通路，从而促进大鼠成骨细胞的成骨分化和成熟；通过RNAi的方法敲低成骨细胞中BMPⅡ型受体的表达可以显著降低PEMF刺激对成骨分化和成熟的促进作用。Martini等[21]研究发现，1.5mT、75Hz的PEMF刺激可以显著提高人骨髓间充质干细胞成骨分化过程中成骨转录因子DLX5、RUNX2以及骨分化标志物ALP、OC的表达，以及BMP下游的Smad1/5/8和p38MAPK的活化；在细胞培养体系中加入BMP信号抑制剂多索吗啡和p38MAPK选择性抑制剂SB203580可以显著逆转PEMF刺激对上述成骨相关因子的上调作用及hMSCs的成骨分化潜能。

3.sAC-cAMP-PKA-CREB信号通路：cAMP-PKA信号系统可以调节成骨细胞的分化和矿化，从而成骨。在鼠尾悬吊法建立大鼠废用性骨质疏松模型中，PEMF治疗(0.6mT、50Hz，每天90min，治疗周期为4周)在显著提高大鼠股骨、椎骨骨矿物密度、改善骨超微结构的同时，可以维持血清中的cAMP水平以及股骨中的磷酸化PKA、CREB和sAC的水平[22]。2019年Wang等[23]给予3周龄大鼠为期2个月每天90min、50Hz、0.6mT的PEMF刺激，结果大鼠血清中Ⅰ型前胶原氨基端原肽显著增高，同时大鼠颅骨成骨细胞中sAC、cAMP的表达水平，PKA和CREB的磷酸化水平，以及磷酸化CREB的核内转移显著上调；加入sAC特异性抑制剂KH7或者PKA抑制剂KT5720可以显著逆转PEMF的促成骨作用。以上研究表明，sAC-cAMP-PKA-CREB信号通路在PEMF刺激成骨细胞分化和矿化的过程中起着重要作用。

4.mTOR信号通路：mTOR信号通路是调控细胞生长和增殖的关键途径，对细胞的生长、增殖、存活、凋亡等起到十分重要的作用。在骨重建过程中类胰岛素生长因子-1(insulin-like growth factors-1，IGF-1)可通过激活mTOR促进间充质干细胞的成骨分化。2018年Ferroni等[24]研究发现，PEMF能够显著提高间充质干细胞中ALP、BMP2、Runx等成骨标志物，以及AKT、MAPK激酶和RRAGA等mTOR通路相关蛋白的表达；且mTOR通路抑制剂雷帕霉素可以降低PEMF的成骨性能。2019年Miyamoto等[25]也证实持续的PEMF刺激(0.4mT、10Hz，每天8h)可引起mTOR通路的短暂磷酸化，而间歇性PEMF(0.4mT、10Hz，每天3次，每次10min，间隔20min)刺激可使磷酸化降低的mTOR通路恢复活力。以上结果均表明，MTOR通路的激活可能是PEMF刺激成骨分化所必需的。

5.Wnt-Ca2+/Wnt-β-catenin信号通路：Wnt是一种分泌型糖蛋白，其与细胞膜上的Frizzled/FZD和低密度脂蛋白受体相关蛋白6(low density lipoprotein receptor-related protein 4，LRP6)共受体结合后，可使β-catenin从多蛋白复合物中解离，启动LEF/TCF反应元件和基因的转录，从而参与成骨过程。2018年Wu等[26]研究发现，PEMF刺激(每天2h、30Hz、1mT、治疗周期为10天)能显著上调C3H10T1/2间充质干细胞中Wnt-1、β-catenin、磷酸化LRP6、ALP、OSX和Runx2的表达，以及细胞内Ca2+的水平和β-catenin从细胞质向细胞核内的转位活动；钙螯合剂BAPTA-AM处理或在无钙环境中培养可以部分降低细胞内COL-1、Runx2等成骨分化相关基因的表达，并明显减弱基质形成与矿化。以上结果表明，Wnt-Ca2+/Wnt-β-catenin信号通路可能是参与PEMF成骨作用的重要通路之一。

四、展 望

作为一种有前景的、无创的、安全的物理治疗方法，PEMF对骨骼相关疾病治疗的积极作用及其可能的机制已经引起了广大研究者的关注。然而，在相关疾病防治中PEMF的最佳参数及其关键分子信号通路尚不明确。今后需要从高质量的临床研究和基础实验中获得更可靠的证据，进一步明确其最佳治疗参数及具体机制，为未来骨骼相关疾病的治疗提供科学依据。