肖逸雯,申秦顥,尹康
(昆明醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院a.正畸科,b.牙周科,昆明 650106)
地球表面存在20~65 μT的弱磁場(chǎng)。磁場(chǎng)根據(jù)強(qiáng)度分為弱磁場(chǎng)(<1 mT)、中磁場(chǎng)(1 mT~1 T)、強(qiáng)磁場(chǎng)(1~5 T)和超強(qiáng)磁場(chǎng)(>5 T);根據(jù)頻率又可分成靜磁場(chǎng)(static magnetic field,SMF)和動(dòng)磁場(chǎng),動(dòng)磁場(chǎng)分成脈動(dòng)磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng),其中脈沖電磁場(chǎng)(pulsed electromagnetic field,PEMF)是由帶電物體產(chǎn)生的一種物理磁場(chǎng),SMF磁感應(yīng)強(qiáng)度和方向不隨時(shí)間變化。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,磁被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面,生物個(gè)體暴露于不同強(qiáng)度磁場(chǎng)的機(jī)會(huì)增加,因此磁場(chǎng)對(duì)生物個(gè)體的影響受到廣泛關(guān)注。2 000年前,古代中醫(yī)用磁石治療風(fēng)濕、水腫和頭痛。自1979年電磁場(chǎng)被美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)用于治療骨病以來(lái),磁研究涉及心血管、內(nèi)分泌和骨骼系統(tǒng)等領(lǐng)域,磁場(chǎng)單獨(dú)或與其他物理化學(xué)物質(zhì)結(jié)合使用可明顯減輕部分疼痛,改善疾病癥狀[1]。自Bassett等[2]首次報(bào)道電磁場(chǎng)可加速骨折愈合以來(lái),有研究表明PEMF和SMF治療多種骨病效果滿意,如促進(jìn)骨折愈合、骨形成、加速骨生長(zhǎng)以及抑制骨丟失[3-5],并可刺激軟骨細(xì)胞增殖,增加基質(zhì)合成,可用于關(guān)節(jié)炎的治療[6-7]。以上研究提示,PEMF和SMF可作為維持和治療軟骨和骨疾病的潛在物理療法?,F(xiàn)就磁場(chǎng)對(duì)軟骨和骨組織影響的研究進(jìn)展予以綜述。
1.1磁場(chǎng)對(duì)軟骨細(xì)胞的影響 軟骨由軟骨細(xì)胞和胞外基質(zhì)組成,其中軟骨細(xì)胞合成并分泌Ⅱ型膠原和蛋白聚糖。蛋白聚糖帶負(fù)電荷并具有吸水性,能維持軟骨的彈性和關(guān)節(jié)面潤(rùn)滑。研究發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)可影響軟骨細(xì)胞的生成[8-9],PEMF通過(guò)開放電壓敏感鈣通道以刺激DNA合成,促進(jìn)人軟骨細(xì)胞增殖以及細(xì)胞外基質(zhì)Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的合成[10],并抑制軟骨細(xì)胞凋亡[11]。PEMF可能通過(guò)以下途徑發(fā)揮作用:①電動(dòng)勢(shì)可改變鈣離子在細(xì)胞膜上的通量,導(dǎo)致胞質(zhì)鈣離子水平升高,一氧化氮合成增加,從而激活一氧化氮-環(huán)鳥苷酸-蛋白激酶G通路,促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖[9];②抑制促分裂原活化的蛋白激酶發(fā)揮作用[12];③上調(diào)X連鎖凋亡抑制蛋白以及下調(diào)Bax的表達(dá),從而抑制軟骨細(xì)胞凋亡[13]。但有研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)PEMF處理后軟骨細(xì)胞的增殖和細(xì)胞外基質(zhì)糖胺聚糖的合成無(wú)顯著變化[14],這可能與磁場(chǎng)的強(qiáng)度、暴露時(shí)間、細(xì)胞來(lái)源、治療組合等有關(guān);而細(xì)胞增殖效應(yīng)與血清濃度、細(xì)胞密度和生長(zhǎng)階段等有關(guān)。
1.2磁場(chǎng)可作為腺苷受體A2A和A3的激動(dòng)劑 腺苷是一種遍布于人體細(xì)胞的內(nèi)源性核苷,其與4種細(xì)胞表面腺苷受體亞型(A1、A2A、A2B和A3)結(jié)合,這些亞型與不同的G蛋白偶聯(lián),從而抑制單核巨噬細(xì)胞釋放炎癥因子,其中腺苷受體A2A的抗炎活性最高。腺苷水平在軟骨中受到嚴(yán)格調(diào)控,腺苷受體激動(dòng)劑具有保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨的作用[15]。Ongaro等[16]發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)對(duì)細(xì)胞膜上的腺苷受體A2A和A3有直接作用,PEMF可上調(diào)人軟骨細(xì)胞中腺苷受體A2A和A3的表達(dá),抑制促炎因子表達(dá),而促炎因子[前列腺素E2、白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-6、8和IL-10等]的分解代謝作用會(huì)引起軟骨退化。另一項(xiàng)研究表明,軟骨外植體暴露于PEMF后蛋白聚糖合成增加,當(dāng)向培養(yǎng)基中加入IL-1β后,蛋白聚糖的合成顯著減少;但當(dāng)培養(yǎng)物暴露于PEMF后,蛋白聚糖合成又恢復(fù)至基礎(chǔ)水平,表明PEMF可逆轉(zhuǎn)IL-1β對(duì)軟骨基質(zhì)的分解代謝作用[17]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),胰島素生長(zhǎng)因子-1與PEMF刺激具有協(xié)同增效作用,能促進(jìn)全厚度軟骨外植體的合成代謝活動(dòng),抵消促炎因子IL-1β的分解代謝作用[7]。以上研究表明,PEMF可作為腺苷受體A2A和A3的激動(dòng)劑發(fā)揮抗炎作用。
1.3磁場(chǎng)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的保護(hù)作用 關(guān)節(jié)軟骨中無(wú)血管、神經(jīng)以及淋巴組織,小幅度重復(fù)或長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)可致軟骨損傷,局部軟骨細(xì)胞迅速凋亡,隨著關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞,會(huì)引發(fā)骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)。炎癥細(xì)胞和促炎因子的激活可致細(xì)胞外基質(zhì)降解,損傷軟骨的機(jī)械性能。近年來(lái),磁場(chǎng)作為一種非侵入性的治療手段對(duì)OA有積極作用,不僅能促進(jìn)軟骨細(xì)胞的合成代謝,還能抑制分解代謝,刺激細(xì)胞因子[如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor,TGF)-β]表達(dá)以抑制炎癥過(guò)程引起的軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)減少。Ciombor等[18]首次報(bào)道PEMF能延緩豚鼠OA發(fā)展。PEMF通過(guò)靶向TGF-β刺激細(xì)胞外基質(zhì)蛋白聚糖表達(dá),并直接抑制基質(zhì)金屬蛋白酶和IL-1β的活性,加速組織修復(fù),維持關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)[18]。有學(xué)者利用前交叉韌帶切除術(shù)建立兔OA模型發(fā)現(xiàn),電磁場(chǎng)刺激下調(diào)了分解代謝因子(如血清腫瘤壞死因子-α和胱天蛋白酶3、8)的表達(dá),從而抑制軟骨細(xì)胞凋亡,防止軟骨退化[19]。PEMF有滲透整個(gè)關(guān)節(jié)軟骨及下方軟骨下骨的能力。研究顯示,PEMF通過(guò)作用于軟骨和軟骨下骨抑制OA進(jìn)展,其顯著降低了軟骨組織學(xué)Mankin′s評(píng)分,減少軟骨不規(guī)則表面的產(chǎn)生,提高了蛋白聚糖含量,增加了軟骨厚度;增加軟骨下骨骨小梁厚度和骨小梁間距,減少了骨小梁數(shù)目,從而避免OA軟骨下骨骨硬化[20]。其機(jī)制可能與Wnt/β聯(lián)蛋白和骨保護(hù)素/核因子κB受體活化因子配體/核因子κB受體活化因子信號(hào)通路激活有關(guān),從而保護(hù)軟骨下松質(zhì)骨的微結(jié)構(gòu)[21]??梢?jiàn),PEMF具有用于OA輔助治療的潛力,其可抑制軟骨細(xì)胞凋亡和炎癥細(xì)胞因子生成,同時(shí)提高軟骨細(xì)胞和軟骨下骨的合成代謝活性,促進(jìn)基質(zhì)合成,增強(qiáng)修復(fù)反應(yīng),最終防止軟骨退化,阻止OA進(jìn)展。
1.4磁場(chǎng)與軟骨組織工程 干細(xì)胞具有獨(dú)特的自我更新和分化為多種細(xì)胞的能力,在組織再生和維持動(dòng)態(tài)平衡方面發(fā)揮重要作用。干細(xì)胞在體內(nèi)受物理和化學(xué)因素刺激,如磁場(chǎng)、流體剪切力、營(yíng)養(yǎng)因子以及底物應(yīng)變等,根據(jù)所處微環(huán)境及刺激分化成所需組織。研究表明,PEMF能提高骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cell,BMSC)的增殖率,且BMSC開始增殖時(shí)間更早,在指數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞密度可增加20%~60%[22]。磁場(chǎng)不僅刺激細(xì)胞增殖,也可影響細(xì)胞周期,磁場(chǎng)刺激后可使代表DNA合成期的S期細(xì)胞百分比增加[23]。此外,Ren等[24]觀察到電磁場(chǎng)有促進(jìn)人間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化的能力,軟骨細(xì)胞外基質(zhì)Ⅱ型膠原和蛋白聚糖表達(dá)增加,其可能通過(guò)上調(diào)TGF-β表達(dá)實(shí)現(xiàn)[25]。以上研究提示,磁場(chǎng)刺激BMSC向軟骨細(xì)胞分化,為軟骨組織工程的再生醫(yī)學(xué)提供了新見(jiàn)解。
關(guān)節(jié)軟骨因血供限制而缺乏再生能力,組織工程是實(shí)現(xiàn)軟骨重建的重要策略。組織工程的三要素為信號(hào)、細(xì)胞和支架,其中信號(hào)因子骨形態(tài)發(fā)生蛋白和TGF促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞分泌潤(rùn)滑脂[26],為組織工程再生低摩擦關(guān)節(jié)提供有益條件。磁場(chǎng)可通過(guò)上調(diào)骨形態(tài)發(fā)生蛋白2的表達(dá),提高成骨效應(yīng)[27]。Amin等[25]也報(bào)道,PEMF通過(guò)TGF-β途徑促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化。支架為MSCs的生長(zhǎng)或軟骨細(xì)胞附著、增殖、活化及胞外基質(zhì)沉積提供了微環(huán)境,但病變炎癥環(huán)境中的炎癥細(xì)胞因子可使細(xì)胞向成纖維表型分化,并引起支架降解,故支架和細(xì)胞移植微環(huán)境非常重要。PEMF與組織工程結(jié)合能促進(jìn)植入細(xì)胞和周圍組織的合成代謝,保護(hù)細(xì)胞免受炎癥分解影響,PEMF通過(guò)增強(qiáng)腺苷受體A2A和A3的表達(dá),從而抑制核因子κB信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[28]。核因子κB不僅在軟骨炎癥應(yīng)激反應(yīng)中起核心作用,還調(diào)控軟骨細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的積累重塑。此外,PEMF還可促進(jìn)植入的支架與周圍組織融合,如犬膝關(guān)節(jié)軟骨缺損植入支架后,PEMF有助于骨整合、早期穩(wěn)定移植物,防止移植后軟骨下骨再吸收,對(duì)軟骨再生有積極影響[29]。兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損植入骨髓濃縮物和支架后,PEMF能明顯增加軟骨細(xì)胞密度、基質(zhì)蛋白聚糖含量,并改善骨小梁結(jié)構(gòu),有助于軟骨組織的再生[30]。綜上可知,PEMF通過(guò)雙重作用促進(jìn)組織工程再生產(chǎn):①刺激細(xì)胞增殖、支架定植以及組織基質(zhì)產(chǎn)生;②手術(shù)植入支架后防止植入細(xì)胞和周圍組織免受炎癥分解代謝的影響。
2.1磁場(chǎng)對(duì)成骨細(xì)胞、BMSC和骨細(xì)胞的影響 骨主要由成骨細(xì)胞、BMSC、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞組成,是一種不斷更新的組織。骨折修復(fù)和重建需成骨細(xì)胞參與。成骨細(xì)胞的分化分為三個(gè)階段:增殖、基質(zhì)成熟和礦化,可根據(jù)成骨細(xì)胞特異性標(biāo)志物堿性磷酸酶、骨鈣素、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2、骨形態(tài)發(fā)生蛋白2以及礦化結(jié)節(jié)等確定分化程度。目前研究涉及的成骨細(xì)胞系有大鼠成骨肉瘤細(xì)胞ROS17/2.8、大鼠骨肉瘤細(xì)胞UMR 106和人骨肉瘤細(xì)胞MG63,磁場(chǎng)可促成骨細(xì)胞增殖,但存在一定爭(zhēng)議。如暴露在SMF(160、280、340 mT)下2~10 d對(duì)大鼠成骨肉瘤細(xì)胞ROS17/2.8和大鼠骨肉瘤細(xì)胞UMR 106的增殖率無(wú)影響[31]。Huang等[32]將人骨肉瘤細(xì)胞MG63暴露于SMF(400 mT)1 d后發(fā)現(xiàn),細(xì)胞廣泛突起呈星形,并在表面形成多層結(jié)構(gòu)。同時(shí)該研究還發(fā)現(xiàn),SMF可促進(jìn)人骨肉瘤細(xì)胞MG63增殖,但促增殖作用依賴于初始細(xì)胞密度,在特定初始密度下接種可促進(jìn)細(xì)胞增殖[32]。其原因可能為當(dāng)細(xì)胞增殖到一定程度時(shí),會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞間接觸抑制。此外,SMF還可上調(diào)早期成骨細(xì)胞分化標(biāo)志物骨形態(tài)發(fā)生蛋白2、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2信使RNA的表達(dá)及基質(zhì)合成,并促進(jìn)成骨細(xì)胞礦化結(jié)節(jié)形成[33]。
PEMF能促進(jìn)BMSC的定向遷移、成骨向分化過(guò)程中的細(xì)胞增殖,上調(diào)成骨相關(guān)基因和蛋白(如骨鈣素、堿性磷酸酶和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2)的表達(dá),并可上調(diào)BMSC成骨向分化過(guò)程早中期標(biāo)志物堿性磷酸酶的活性,促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)礦化[34]。BMSC是成骨細(xì)胞的來(lái)源,磁場(chǎng)有助于促進(jìn)骨組織工程種子細(xì)胞向成骨向分化,為骨折的治療提供新思路。
骨細(xì)胞鑲嵌于礦化基質(zhì)中,是成熟骨組織的主要細(xì)胞。Qian等[35]體外培養(yǎng)骨細(xì)胞MLO-Y4發(fā)現(xiàn),16 T的SMF對(duì)細(xì)胞突起數(shù)量、細(xì)胞面積及細(xì)胞長(zhǎng)度比等無(wú)影響,但可提高骨細(xì)胞存活率。磁場(chǎng)可促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化,在一定程度上促進(jìn)成骨細(xì)胞遷移、增殖、成熟及基質(zhì)礦化,并可提高骨細(xì)胞存活率。
2.2磁場(chǎng)對(duì)骨生成、骨折愈合和骨質(zhì)疏松的作用 磁場(chǎng)不僅在體外培養(yǎng)的細(xì)胞中發(fā)揮積極作用,在體內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生積極效應(yīng)。在口腔頜面重建過(guò)程中,SMF易于使用且能促進(jìn)種植體周圍骨形成。Naito等[3]將內(nèi)部攜帶釹磁體的種植體放置在兔股骨內(nèi)以研究SMF對(duì)骨形成的影響,12周后SMF暴露組骨愈合增強(qiáng),不僅增加了新骨形成,還顯著提高了骨-種植體接觸率。Kim等[36]在兔脛骨植入內(nèi)含磁鈦種植體,微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)三維重建顯示SMF促進(jìn)了植入物周圍骨形成,芯片分析及實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈反應(yīng)證實(shí),細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)基因(Col10a1、Col9a1和Col12a1)和生長(zhǎng)因子相關(guān)基因(結(jié)締組織生長(zhǎng)因子和人血小板衍生生長(zhǎng)因子D)的表達(dá)上調(diào),參與成骨或成骨細(xì)胞分化的促分裂原活化的蛋白激酶和Wnt信號(hào)通路在種植體愈合過(guò)程中發(fā)揮積極作用,此外細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)基因的上調(diào)也促進(jìn)了骨愈合。
1974年,有研究者發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)可加速骨折愈合,并增加骨折間隙的穩(wěn)定性和剛度[2]。Oltean-Dan等[4]也發(fā)現(xiàn)PEMF促進(jìn)了截骨大鼠股骨愈合,與未采用PEMF治療的對(duì)照組相比,持續(xù)2周PEMF治療的實(shí)驗(yàn)組大鼠骨折缺損完全被間充質(zhì)結(jié)締組織、透明軟骨和新生骨填充,并與骨折缺損的兩端結(jié)合。Aydin和Bezer[37]在兔股骨髓腔植入磁棒證實(shí),SMF能促進(jìn)骨折愈合,但對(duì)骨密度影響較小。SMF促進(jìn)骨折愈合的可能機(jī)制為增加骨折部位的血流量,聚集氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),清除緩激肽和前列腺素等炎癥物質(zhì),從而加快整個(gè)愈合過(guò)程。并且,在磁場(chǎng)刺激下貼壁成骨細(xì)胞數(shù)量增加,鈣離子與骨折處血塊的黏附性顯著增強(qiáng),這對(duì)骨痂形成和骨折愈合有積極影響[38]。
用后肢懸吊模擬失用性骨質(zhì)疏松發(fā)現(xiàn),PEMF增加了骨小梁厚度、緩解了皮質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)惡化,降低了股骨力學(xué)性能,提高了血清骨形成標(biāo)志物(如骨鈣素和Ⅰ型前膠原N端肽)的水平,并通過(guò)Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞向成熟成骨細(xì)胞分化,以增加細(xì)胞的合成代謝活性,從而減輕失用性骨質(zhì)丟失[39]。Zhang等[5]發(fā)現(xiàn),全身暴露SMF持續(xù)16周可抑制鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠骨小梁和皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)退化以及機(jī)械強(qiáng)度的降低,并增加血清骨鈣素的水平以及骨形態(tài)發(fā)生蛋白2、骨鈣素和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2基因的表達(dá),從而防止糖尿病引起的骨質(zhì)疏松、骨結(jié)構(gòu)惡化和骨質(zhì)量下降。可見(jiàn),磁場(chǎng)可促進(jìn)植入體周圍骨生成,對(duì)骨折愈合和骨質(zhì)疏松有積極影響,對(duì)骨病有潛在的輔助治療作用。
機(jī)體與磁場(chǎng)相互作用的物理機(jī)制為:①電動(dòng)相互作用。骨基質(zhì)中的膠原蛋白帶負(fù)電,而帶正電的陽(yáng)離子游離于骨髓間隙的液體中;此外細(xì)胞膜內(nèi)為負(fù)電荷,膜外為正電荷。在磁場(chǎng)作用下帶電離子發(fā)生定向移動(dòng),導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)磁通量變化而產(chǎn)生感應(yīng)生物電流[40],進(jìn)而對(duì)跨膜蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生一定影響,引發(fā)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)[41],從而影響軟骨和骨細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。②磁機(jī)械相互作用。骨組織膠原纖維和無(wú)機(jī)羥基磷灰石具有抗磁性,但磁化系數(shù)比較小,約為10-5,若磁梯度足夠大可使膠原和成骨細(xì)胞沿磁場(chǎng)方向定向排列[38],這也為未來(lái)組織工程干細(xì)胞定向遷移提供可能。③自由基對(duì)效應(yīng)。中等強(qiáng)度磁場(chǎng)可改變自由基反應(yīng)的速率、產(chǎn)率或產(chǎn)物分布[39],有研究表明鳥類在依靠地磁飛行時(shí),自由基對(duì)理論,發(fā)揮重要作用[42],但目前尚不清楚磁場(chǎng)是如何通過(guò)該理論對(duì)軟骨和骨組織發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。
磁場(chǎng)在抑制骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展、促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)發(fā)育、治療某些常見(jiàn)骨病和骨再生醫(yī)學(xué)中起著積極作用。磁場(chǎng)在維持骨健康和骨病治療中具有廣闊的前景。但由于研究有限,磁場(chǎng)暴露導(dǎo)致的生物學(xué)效應(yīng)并不一致,如磁場(chǎng)刺激后軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞增殖反應(yīng)不一,這可能取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)暴露持續(xù)時(shí)間、細(xì)胞類型及治療的組合等,需對(duì)一系列參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,找出原因。磁場(chǎng)對(duì)軟骨和骨組織的確切作用機(jī)制尚不清楚,需進(jìn)一步研究。未來(lái)為更全面地研究磁場(chǎng)對(duì)骨骼系統(tǒng)的影響,磁強(qiáng)度應(yīng)從低到高、從體內(nèi)到體外、從實(shí)驗(yàn)室研究到臨床試驗(yàn)進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究。