向正宗，陳劍鋒(三峽大學人民醫(yī)院宜昌市第一人民醫(yī)院骨科，湖北宜昌443000)

·綜述·

電磁場誘導間充質干細胞成骨分化的研究進展

向正宗，陳劍鋒
(三峽大學人民醫(yī)院宜昌市第一人民醫(yī)院骨科，湖北宜昌443000)

間充質干細胞（MSC）是一種多能成體干細胞，在一定誘導條件下可以分化為成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞等多種功能細胞。在骨科領域為各種組織的修復提供良好的細胞來源，是目前組織工程及再生醫(yī)學領域研究最為深入的種子細胞之一。電磁場(EMF)作為一種非侵入性的物理療法，在治療骨不連、骨缺損及骨質疏松等疾病具有良好的優(yōu)勢。因此，近幾年對電磁場誘導間充質干細胞成骨分化的機制研究較多，本文就電磁場參數(shù)、電磁場類型對不同來源的間充質干細胞誘導成骨分化的相關機制做一綜述。

電磁場；間充質干細胞；成骨分化

電磁場療法在骨病治療中的運用已經(jīng)經(jīng)歷了多年的探索。1989年Bassett總結了電磁場的研究成果，并根據(jù)Wollf定律對其機制進行了歸納，認為生物電在骨代謝和骨重建中具有十分重要的意義。自此對它的成骨效應做了大量研究。雖然電磁場具有操作簡便、無創(chuàng)、適用范圍廣和并發(fā)癥少等優(yōu)點，并且在臨床骨病的預防和康復治療中被廣泛應用，但隨著研究的深入仍有很多問題亟待解決。電磁場成骨效應的最適場強、頻率及作用時間至今存在著較多爭議，特別是誘導間充質干細胞成骨方面。比較有共識的一點是高頻電磁場對機體或細胞的作用主要是熱效應或大多是損害作用，而低頻或低場強電磁場對機體可能產(chǎn)生有益影響。為此，很多學者做了不懈努力，以期找出有效的電磁場參數(shù)范圍，給調控間充質干細胞成骨分化提供重要的參考價值。

1 電磁場參數(shù)對MSC成骨分化的影響

1.1 頻率和場強對MSC成骨的影響研究發(fā)現(xiàn)EMF的生物效應有一定的場強和頻率依耐性，促成骨效應與場強和頻率的關系為非簡單的線性關系，間充質干細胞對EMF場強和頻率的反應具有“窗口效應”。Yang等[1]發(fā)現(xiàn)15 Hz/1m T的正弦電磁場(SEMFs)促進SD大鼠骨髓間充質干細胞(BMSCs)的成骨分化標志物骨形態(tài)蛋白(BMP)、堿性磷酸酶等表達，并抑制成脂肪分化標志物脂肪蛋白酶表達。Lu等[2]利用20Hz/2mT的脈沖電磁場體外作用于SD大鼠BMSCs，發(fā)現(xiàn)20 Hz/2m T的脈沖電磁場能顯著促進骨鈣蛋白和骨橋蛋白的表達，抑制脂肪因子與脂肪細胞結合蛋白。Cheng等[3]用1.4～2.2m T范圍場強，50Hz正弦電磁場暴露大鼠BMSCs，發(fā)現(xiàn)1.8m T具有最強的誘導成骨分化作用。Luo等[4]通過1.1m T、不同頻率的脈沖電磁場(PEMF)誘導人類BMSCs，發(fā)現(xiàn)50Hz誘導其成骨分化效果最顯著，然而Liu等[5]采用1m T正弦電磁場以10 Hz、30Hz、50Hz和70Hz施用到大鼠骨髓間充質干細胞，早期階段的成骨分化標志物堿性磷酸酶(ALP)和骨鈣素(OC)在10Hz表達顯著上調，晚期成骨分化標志基因的表達卻在50 Hz升高顯著。這在一定程度上揭示了低頻電磁場具有誘導成骨分化的作用。

1.2 電磁場作用時間對MSC成骨分化的影響Jansen等[6]認為PEMF刺激人BMSC成骨分化具有時間依賴效應，在體外干預MSCs第9天、第14天BMP2、OPG(骨保護素)等多項指標才有所變化。Yang 等[1]對SD大鼠的MSCs也持續(xù)觀察到21 d，才觀察到顯著的成骨效應，而Tsai等[7]試驗中對人BMSCs的照射時間長達28 d才發(fā)現(xiàn)成骨活動的峰值。

1.3 電磁場種類對MSC成骨分化的影響電磁場主要有靜磁場、脈沖電磁場、正弦波電磁場等。靜磁場的研究報道較少，僅有國內報道靜磁場能夠抑制骨髓間充質干細胞增殖并向成骨分化[8]。Esposito等[9]研究PEMF曝光處理人類骨髓間充質干細胞，觀察到成骨細胞分化標志物如RUNX2蛋白、堿性磷酸酶、骨鈣素、骨橋蛋白表達的增加。Song等[10]對大鼠骨髓間充質干細胞采用15 Hz/1 mT SEMFs處理，骨涎蛋白(BSP)、骨橋蛋白(OPN)表達上升，并表現(xiàn)出時間依賴性。Yan等[11]采用50H/20mT極低頻電磁場(ELF-EMF)照射人類間充質干細胞23 d，發(fā)現(xiàn)hMSC生長代謝受到抑制，但對成骨分化沒有顯著影響。脈沖電磁場作為一個非手術治療骨壞死早期階段的方法，考慮到脈沖電磁場在臨床治療的長期性，每天需要至少10+h的持續(xù)治療時間。Fu等[12]采用20 Hz/1m T的單脈沖電磁場(SPEMF)、3m in/d的處理，經(jīng)過3～7 d的治療后hBMSCs的成骨分化在SPEMF處理組顯著增加，得出SPEMF對hBMSCs的成骨分化7 d的短期效應等同于PEMF 25 d的治療效應，并提出SPEMF用于治療骨修復和早期成骨分化的潛在臨床優(yōu)勢。

2 電磁場對不同來源的MSC成骨分化的作用

間充質干細胞(MSC)作為具有成骨分化潛力的干細胞，最早在骨髓中發(fā)現(xiàn)，稱為骨髓間質干細胞(BMSC)，隨后在脂肪、滑膜、肺以及羊水、臍帶血等組織中相繼分離得到。在認識到電磁場對骨髓間充質干細胞成骨分化的作用以后，很多學者對其他組織來源的間充質干細胞也做了相關研究，但目前多集中于對骨髓間充質干細胞的成骨分化機制的研究。

2.1 電磁場誘導骨髓間充質干細胞成骨分化對骨髓間充質干細胞的成骨分化機制研究主要通過成骨分化信號通路的調控機制入手。因此大量研究發(fā)現(xiàn)電磁場主要通過PI3K-Akt信號通路、環(huán)腺苷酸激活蛋白激酶A(cAMP-PKA)信號通路、細胞外信號調節(jié)激酶(ERK)信號通路、Wnt信號通路等誘導其成骨分化。Schwartz等[13]通過觀察間充質干細胞整個成骨分化過程發(fā)現(xiàn)，脈沖電磁場可能通過PI3K-Akt信號通路促進BMP-2的分泌，進而刺激Runx2基因表達，最終加速間充質干細胞向成骨細胞的分化。Wu等[14]發(fā)現(xiàn)50 Hz/2m T的電磁場能夠抑制小鼠BMSC增殖，細胞外cAMP水平只在早期增加，電磁場可能是通過激活cAMP-PKA信號通路，從而促進干細胞向成骨細胞方向分化。近年研究表明：電磁場通過激活ERK信號通路從而促進骨髓間充質干細胞的成骨分化。在Song等[10]對大鼠BMSC采用15 Hz/1m T正弦電磁場(SEMFs)處理，骨涎蛋白(BSP)、骨橋蛋白(OPN)表達上升，ALP活性提高及細胞鈣質的沉積，并表現(xiàn)出時間依賴性。同時，ERK信號通路的阻滯劑U0126能夠減弱正弦脈沖電磁場對其成骨分化作用。Yong等[15]研究還顯示，通過ERK信號通路阻滯劑PD98059或者PKA抑制劑H-89處理后能夠顯著降低促進間充質干細胞成骨分化的蛋白表達，從而抑制電磁場對間充質干細胞的成骨分化。周予婧等[16]利用8 Hz/3.8mT PEMF照射體外培養(yǎng)的小鼠骨髓間充質干細胞，發(fā)現(xiàn)PEMF能夠增加Wnt1、Wnt3a、BMP-2、Runx2等基因的表達，并且表達水平呈持續(xù)上升趨勢。

2.2 電磁場誘導脂肪基質干細胞(ADSC)成骨分化盡管有研究顯示脂肪基質干細胞表現(xiàn)出比骨髓間質干細胞較少的成骨分化潛能，但脂肪來源間充質干細胞(ADSC)相對更容易獲得，并可以得到更大的量。因此，Ongaro等[17]通過脈沖電磁場對人類骨髓間充質干細胞和脂肪組織來源的間充質干細胞的對比研究，檢測早期及晚期成骨標記物，并對成骨過程中不同時間進行了差異化分析，結果表明，脈沖電磁場誘導成骨分化，并作用于整個細胞成骨分化過程中。Kang等[18-19]采用不同的培養(yǎng)方式發(fā)現(xiàn)1m T、30/45 Hz的電磁場促進ADSC的成骨分化，同時觀察到Wnt信號通路被激活，表明Wnt信號通路可能參與脈沖電磁場誘導ADSC成骨分化。

2.3 電磁場誘導羊膜上皮細胞(AECs)成骨分化作為一種干細胞治療的潛在細胞來源，已有相關報道證明在體外可被誘導其多向分化，提示在組織工程和細胞替代治療領域的作用。Wang等[20]的研究結果顯示脈沖電磁場刺激能夠單獨誘導AECS的成骨分化，PT-PCR檢測成骨特異性蛋白BMP-2、Runx2、β-連環(huán)蛋白等基因水平均有不同程度上調。

2.4 電磁場誘導人類牙槽骨干細胞(hABMSCs)成骨分化Lim等[21]發(fā)現(xiàn)極低頻脈沖電磁場(ELF-PEMFs)能夠加速hABMSCs早期成骨分化，同時在兩周的成骨分化持續(xù)過程中，Vinculin(紐蛋白)、Vimentin(波形蛋白)和CaM(鈣調蛋白)的表達持續(xù)增加。

3 結語

綜上所述，間充質干細胞在組織工程和再生醫(yī)學領域中的臨床運用有著無可替代的地位，同時聯(lián)合電磁場操作簡便、無創(chuàng)和并發(fā)癥少等優(yōu)點，不斷開拓新的有效的治療手段，仍然是以后研究的重點。但如何優(yōu)化選擇EMFs的有效“生物窗”，是急需解決的關鍵科學問題。同時需進一步理清電磁場對不同來源的間充質干細胞調控的作用靶點、信號通路及相關作用機制，為骨科疾病的預防和治療奠定理論基礎。

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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

陳劍鋒。E-mail：tongjicjf@126.com