脉冲电磁场对骨髓间充质干细胞成骨分化影响的研究进展

2023-07-29刘朝辉邓叶龙孔令俊高文婷李兴国杨德龙唐仲海

中医正骨 2023年4期

刘朝辉,邓叶龙,孔令俊,高文婷,李兴国,杨德龙,唐仲海

(1.甘肃省中医院,甘肃兰州 730050;2.甘肃省人民医院,甘肃兰州 730000)

骨质疏松症(osteoporosis,OP)是一种以骨组织微结构破坏、骨量减少、骨的脆性增加和易于骨折为特征的疾病[1]。骨吸收与骨形成失衡是导致OP的主要原因,而骨质疏松性骨折是OP的严重后果之一[2]。OP多见于中老年人,近年来我国的OP患者逐渐增多。口服抗骨质疏松药物是OP的常用疗法,但长期服用此类药物容易引起胃肠道不良反应,甚至造成颌骨坏死或股骨头坏死[3]。近年来,脉冲电磁场(pulsed electromagnetic fields,PEMFs)在OP的治疗领域应用增多。PEMFs可通过共振效应促进成骨细胞的增殖和分化,从而发挥治疗OP的作用。骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cell,BMSC)是一种具有多向分化能力的干细胞,其对OP的预防和治疗具有重要作用。有关PEMFs促进BMSC成骨分化的报道较多,但具体作用机制尚不明确。本文就PEMFs对BMSC成骨分化影响的研究进展综述如下。

1 PEMFs和BMSC概述

PEMFs是OP物理疗法中的一种,具有无创、安全、有效的特点[4]。PEMFs的电磁效应由电流通过亥姆霍兹线圈产生,PEMFs的相关参数包括频率、强度、波形等[5]。PEMFs能通过不同频率和强度的脉冲电流改变人体的生物电磁场,从而起到改善骨代谢的作用。此外,PEMFs能启动骨重建进程、加速骨发育过程,以及促进成骨细胞增殖、细胞外基质合成[6]。目前,PEMFs多用于骨关节炎和OP等疾病的治疗。BMSC是一种具有自我复制和多向分化能力的干细胞,BMSC主要通过向组织特异性细胞增殖和分化,以及释放生长因子等,达到治疗炎症和创伤的目的[7-9]。BMSC的成骨分化作用对OP的防治有重要价值。PEMFs能够通过不同频率、波形、强度的电流对BMSC产生特殊的生物效应[10],但其具体机制尚不清楚。

2 PEMFs对BMSC的作用

2.1 促进BMSC增殖有多数学者的研究结果表明,PEMFs能够促进BMSC增殖。Dominici等[11]研究发现,PEMFs能通过改变BMSC的细胞周期促进其增殖。Wu等[12]对用超顺磁性氧化铁纳米颗粒标记的大鼠BMSC进行了相关研究,发现暴露于PEMFs中心区的BMSC浓度高于外周区,表明PEMFs可诱导超顺磁性氧化铁纳米颗粒标记的BMSC向磁场迁移。赵敏等[13]研究发现,与未经PEMFs刺激的BMSC相比,经PEMFs刺激的BMSC密度增加,且BMSC的体积随着刺激时间的延长而增大。Simmons等[14]研究发现,采用PEMFs刺激BMSC后,BMSC的增殖速度增加。Jansen等[15]研究发现,PEMFs可能抑制BMSC增殖,认为这可能与细胞初始接种密度不同有关。由上述研究结论可知,PEMFs对 BMSC的作用可能与PEMFs的作用时间,以及BMSC的细胞来源、接种密度等有关。

2.2 促进BMSC成骨分化BMSC是脂肪细胞和成骨细胞的共同来源,BMSC的分化主要由过氧化物酶体增殖物激活受体和Runt相关转录因子(runt related transcription factor,Runx)-2调控,其中过氧化物酶体增殖物激活受体可促进BMSC向脂肪细胞分化,导致骨髓脂肪增加、骨密度降低;Runx-2可以通过调控基质金属蛋白酶的分化,促进骨形成、抑制脂肪细胞生成[16]。Parate等[17]研究发现,使用PEMFs刺激BMSC后,X型胶原沉积增加,有利于BMSC的成骨分化。Li等[18]研究发现,PEMFs促进BMSC的成骨分化作用主要体现在两个方面,一个是通过Runx-2促进成骨分化,一个是通过破骨细胞分化因子抑制破骨细胞形成。

PEMFs对BMSC的增殖和分化作用,因PEMFs的波形、频率、强度、持续时间不同而存在差异。Song等[19]研究发现,兔来源BMSC经15 Hz、正弦波形PEMFs处理4 d后,BMSC的增殖率增加,且能维持约14 d。在PEMFs的所有参数中,频率对细胞的生物学效应影响最大,而能对细胞产生生物学效应的频率为1～100 Hz,这与人体骨骼系统的固有频率接近[20-21]。Ehnert等[22]研究发现,PEMFs的频率与人体固有频率接近时,可以最大程度发挥PEMFs的作用。

Ca2+对人体的各项生理活动有重要作用,Ca2+的浓度变化可影响BMSC的增殖和分化[23]。PEMFs可引起细胞去极化,开放电压依赖性Ca2+通道[24]。Wu等[25]研究发现,细胞外Ca2+的浓度变化可影响BMSC的成骨分化。Zhang等[26]研究发现,采用PEMFs刺激大鼠成骨细胞后,细胞内的Ca2+浓度发生了变化,认为PEMFs促进成骨细胞的成骨分化可能与细胞内Ca2+的移动导致Ca2+沉积有关。此外,Ca2+可通过胰岛素样生长因子-1诱导BMSC的成骨分化[27];骨桥蛋白特征肽可通过Ca2+-钙调蛋白依赖性蛋白激酶/胞外信号调节激酶/活化蛋白-1信号通路促进BMSC的成骨分化[28]。

PEMFs可通过介导细胞外基质合成,增加碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)表达、促进骨钙素(osteocalcin,OCN)和Ⅰ型胶原分泌。ALP和OCN是与成骨分化有关的重要指标,其中ALP是成骨细胞分化早期的标志物,OCN是反映成骨细胞功能的标志物[29]。Luo等[30]研究发现,采用50 Hz的PEMFs刺激BMSC(每日30 min),3 d后PEMFs组ALP的表达增加,7 d后PEMFs组的OCN表达增加,而对照组在同样时间点未发现ALP或OCN表达增加,由此认为50 Hz的PEMFs对BMSC的成骨分化作用最为显著。Zhou等[31]研究发现,经PEMFs刺激后,细胞中的 Runx-2和OCN的表达增加。Kaivosoja等[32]研究发现,采用15 Hz的PEMFs刺激BMSC后,BMSC内Runx-2、ALP和OCN的表达均增加。除了上述因素,PEMFs对BMSC的成骨分化作用还与成脂基因 AP-2、骨形态发生蛋白质(bone morphogenetic protein,BMP)-2、腺苷A2A和A2B受体等有关[33-36]。

3 PEMFs促进BMSC成骨分化的相关信号通路

PEMFs对BMSC的成骨分化作用机制,目前尚未完全清楚,可能与环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)/cAMP依赖性蛋白激酶(cAMP-dependent protein kinase,PKA)、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)/胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)1/2、磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、Wnt/β-连环蛋白(catenin)信号通路等有关。

3.1 cAMP/PKA信号通路PEMFs可能通过cAMP/PKA信号通路促进BMSC的成骨分化。Siddappa等[37]研究发现,cAMP/PKA信号通路被激活后,白细胞介素-11、胰岛素样生长因子-1、BMP-2等的表达增加,可促进BMSC的增殖和分化。Yong等[38]研究发现,采用PEMFs刺激BMSC后,cAMP、Runx-2、BMP-2、OCN、ALP的表达增加;采用PKA特异性抑制剂H89作用于经PEMFs刺激的BMSC后,Runx-2、BMP-2、ALP的表达降低。

3.2 MAPK/ERK1/2信号通路MAPK是细胞信号转导过程中的重要通路,广泛存在于人体细胞内,与细胞的增殖、分化和凋亡密切相关[39]。MAPK信号通路有3条亚通路,分别是ERK1/2、p38MAPK和Jun激酶(Jun kinase,JNK)通路。PEMFs可能通过MAPK/ERK1/2信号通路促进BMSC的成骨分化[40]。方清清等[41]研究发现,PEMFs可通过p38MAPK通路促进成骨细胞矿化成熟。PEMFs是否能够通过p38MAPK通路和JNK通路调控BMSC的成骨分化,还需进一步研究。

3.3 PI3K/Akt/mTOR信号通路mTOR是PI3K/Akt的下游底物,可通过改变真核细胞启动因子4E结合蛋白和核糖体40S小亚基S6蛋白激酶的磷酸化状态启动细胞的翻译过程,对细胞的生长有重要作用。Ferroni等[42-43]研究发现,PEMFs可以通过mTOR信号通路促进BMSC成骨分化并抑制其成脂分化。Schwartz等[44]研究发现,PEMFs可能通过PI3K/Akt信号通路促进BMP-2的分泌,进而提高 Runx-2的表达,从而加速BMSC的成骨分化。此外,PEMFs可以通过上调Akt、MAPK和ras相关GTP结合蛋白A来激活mTOR信号通路[37]。

3.4 Wnt/β-catenin信号通路Wnt/β-catenin信号通路广泛存在于真核生物中,不仅对骨组织的发育有重要作用,而且在干细胞向成骨细胞分化的过程中起关键作用[45]。Shao等[46]研究发现,PEMFs可提高Wnt/β-catenin信号通路相关基因的表达,如Wnt1a和Wnt3a等。周予婧等[47]研究发现,PEMFs能促进BMSC成骨分化,且作用机制可能与Wnt/β-catenin信号通路被激活有关。