顏旖萌 周永龍 劉藝帆 歐陽志強

（1南昌大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院2020級碩士研究生 江西南昌 330031；2南昌大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院2021級碩士研究生江西南昌 330031；3南昌大學(xué)附屬口腔醫(yī)院 江西南昌 330006）

各種退行性病變或外傷導(dǎo)致的骨缺損嚴重影響患者的生活質(zhì)量，骨組織的替代和再生成為臨床研究的重要內(nèi)容。以往采用的解決方法通常是植入骨粉或骨移植，但骨粉塑性困難且術(shù)后會發(fā)生部分或完全吸收，自體骨移植會損傷供骨部位，并發(fā)癥程度可能因部位和技術(shù)的差異而存在不同，包括出血、神經(jīng)損傷、疼痛、感染和功能喪失等[1]。使用來自骨庫的人體或動物骨移植可以防止供體部位出現(xiàn)并發(fā)癥，但存在病毒或細菌感染的潛在風(fēng)險，以及自身對植入物的免疫排斥反應(yīng)[2]，并不能達到一個穩(wěn)定而持久的預(yù)后效果。近年來，磁性納米顆粒（Magneticnano Particles,MNPs）在生物和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，多項研究證實了其良好的生物相容性[3]，且具有一些獨特的應(yīng)用如磁性藥物輸送[4]。Bock等[5]以功能化MNPs作為載體，利用磁場將生物制劑輸送到磁性支架內(nèi)部，提高生物制劑釋放部位的準(zhǔn)確性以及延長生物制劑作用的時間。本研究從靜磁場（SMF）對骨缺損修復(fù)的作用入手，介紹SMF對骨改建生物學(xué)研究進展，并討論SMF在骨組織工程中的應(yīng)用前景。

1 SMF對骨缺損修復(fù)的作用

磁場包括SMF、脈沖電磁場（PEMF）、旋轉(zhuǎn)磁場（RMF）和交變電磁場。它們有助于種植體與宿主組織的結(jié)合，增加新骨的礦物質(zhì)密度，促進缺損愈合。但電磁場既能產(chǎn)生磁場又能產(chǎn)生電流，對于哪一種因素對骨形成的作用更大，還不能得出明確的結(jié)論，且電磁場可能對組織造成熱和電危害。SMF既沒有誘導(dǎo)電流也沒有引起矢量變化，因而SMF可以直接誘導(dǎo)成骨細胞定向分化，可應(yīng)用于長期的骨骼愈合，如當(dāng)使用永磁體進行刺激時，不需要額外的動力裝置提供外部能量。

研究表明SMF對種植體植入、骨折愈合、骨缺損等均有積極作用，Bambini等[6]發(fā)現(xiàn)在口腔種植體植入的部位周圍施加SMF刺激，可以促進種植體周圍骨組織形成。Aydin等通過對20只植入磁性/非磁性髓內(nèi)裝置的新西蘭大白兔進行組織學(xué)、放射學(xué)和骨密度檢查，結(jié)果表明帶SMF的髓內(nèi)植入物能夠在放射學(xué)上改善前兩周的骨愈合[7]，Meng等將磁性材料引入納米纖維支架中，從而驗證了超順磁性納米纖維支架與外加SMF對體內(nèi)骨缺損的協(xié)同成骨作用[8]。

2 SMF對骨改建的生物學(xué)效應(yīng)

關(guān)于SMF對骨改建的生物學(xué)效應(yīng)，本文將從組織層面、細胞層面以及分子層面綜述近些年的研究情況。

2.1 組織層面骨骼具有多種生理功能，是僅次于血液的第二大移植組織[9]。但臨床中對于大型骨缺損的治療仍不理想，用組織工程化結(jié)構(gòu)修復(fù)大型骨缺損的一個主要挑戰(zhàn)是血管化不足，血管化不足會導(dǎo)致氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，從而影響種子細胞的生存。成功的骨改建，不僅要求重建具有良好生物活性的血管組織，還需要有能配合其運動，協(xié)調(diào)一致的骨骼肌結(jié)締組織，而SMF為這些問題的解決提供了新的思路。

2.1.1 血管組織對于高度血管化的骨組織，重建大型骨骼缺損的組織工程方法往往因為血管化不足而失敗[10～11]。為了研究磁刺激是否可以同時激發(fā)成骨細胞活性和血管生成能力，F(xiàn)ilippi等[12]通過將MNPs摻入到含有間質(zhì)血管組織的聚乙二醇（PEG）的水凝膠中，產(chǎn)生了新型的磁化納米復(fù)合水凝膠，之后研究SMF對成骨細胞和血管生成特性的刺激作用，以單獨應(yīng)用MNPs或SMF作為對照，結(jié)果顯示在小鼠皮下植入復(fù)合水凝膠，磁驅(qū)動作用下形成了更細長的毛細血管樣結(jié)構(gòu)，并且礦化基質(zhì)沉積均較對照組增強。Xu等[13]使用缺血性大鼠股骨模型研究了SMF對骨形成的影響，發(fā)現(xiàn)磁化組1的骨量明顯高于未磁化組，SMF對缺血大鼠股骨骨形成的增強似乎是源自于股骨血液循環(huán)的改善。

2.1.2 骨骼肌結(jié)締組織在骨改建的過程中，為了重建患者的生理功能，高度血管化的骨組織至關(guān)重要，骨骼肌運動的協(xié)調(diào)也不可或缺。研究證明磁力不僅可以激發(fā)血管生成能力，還可以加強骨骼肌的協(xié)調(diào)收縮。近年來，骨骼肌作為生物致動器備受關(guān)注，天然骨骼肌是由平行排列的橫紋肌管組成，而肌管是主要由膠原蛋白構(gòu)成的一種結(jié)締組織。Yamamoto等[14]利用磁性陽離子脂質(zhì)體對C2C12成肌細胞進行磁性標(biāo)記，在外加磁力的作用下構(gòu)建人工骨骼肌組織，并對該組織的生化和收縮特性進行了評估，組織學(xué)檢查可見細長的多核肌管。結(jié)果證明了磁力對骨骼肌組織生理功能的積極作用。

2.2 細胞層面骨是一個不斷更新的組織，主要由骨髓間充質(zhì)干細胞、骨細胞、成骨細胞和破骨細胞組成。成骨細胞促進骨形成，破骨細胞誘發(fā)骨吸收，兩者間保持動態(tài)平衡，也稱為骨重塑。骨重塑對正常的骨代謝、骨完整性和適當(dāng)?shù)墓菑姸绕鹬e足輕重的作用[15]。在細胞水平上，SMF可以調(diào)節(jié)細胞的各項功能，包括增殖、分化、表面形態(tài)改變、基因表達等。

2.2.1 影響細胞增殖分化對不同類型的細胞，如骨髓間充質(zhì)干細胞、大鼠顱骨細胞、人骨肉瘤細胞系MG63、小鼠顱骨成骨細胞MC3T3-E1等，應(yīng)用適量SMF可增強細胞分化[16]。根據(jù)Owen等[17]的研究，成骨細胞分化可分為三個階段：增殖期、基質(zhì)成熟期和礦化期。與基質(zhì)發(fā)育成熟相關(guān)的膠原合成、堿性磷酸酶（ALP）活性增強，提示細胞從增殖期向基質(zhì)成熟期過渡。骨鈣素是成骨細胞礦化期的標(biāo)志，在大鼠顱骨細胞培養(yǎng)中，高分化的成骨細胞在礦化期表達骨鈣素。Yamamoto等[18]通過用SMF處理大鼠顱骨細胞，研究SMF對成骨細胞增殖分化的作用，發(fā)現(xiàn)SMF暴露組培養(yǎng)液中，骨鈣素的含量以及ALP活性均增加，并且SMF存在時，骨結(jié)節(jié)的總面積、個數(shù)和平均大小均處于較高水平，表明SMF通過促進成骨細胞的分化和/或激活來刺激骨形成。然而，分化效應(yīng)的機制尚未被很好地描述。Huang等[19]推測SMF通過調(diào)節(jié)細胞釋放的早期局部因子，從而刺激成骨細胞的分化。通過比較SMF暴露組和未暴露組中細胞轉(zhuǎn)化生長因子-β1、I型膠原、骨橋蛋白和堿性磷酸酶水平，表明SMF暴露組的MG63細胞產(chǎn)生的局部調(diào)節(jié)因子大于對照組細胞。這些發(fā)現(xiàn)提供了SMF通過上調(diào)早期局部因子影響成骨細胞成熟的證據(jù)。

2.2.2 影響細胞形態(tài)SMF可以直接影響細胞膜、細胞骨架和蛋白質(zhì)分布（如肌動蛋白絲），從而促進細胞形態(tài)的改變。Abadi等[20]歸納了有關(guān)中等強度SMF生物學(xué)效應(yīng)的形態(tài)學(xué)研究數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)細胞凋亡率以及細胞表面形狀都受到SMF刺激的影響。細胞暴露于SMF促進了F-肌動蛋白絲的重排，而F-肌動蛋白絲又可能引起細胞表面修飾，從而導(dǎo)致細胞形狀和質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的改變[21]。

2.2.3 影響細胞基因表達基因表達在細胞代謝、生物合成和細胞應(yīng)激反應(yīng)中起著重要作用[22]。SMF一旦作用于DNA的完整性以及DNA轉(zhuǎn)錄和翻譯，就被引用為這些過程的改變因子。Wang[23]等發(fā)現(xiàn)高磁引力環(huán)境能同時影響成骨細胞基因和細胞骨架相關(guān)基因的表達，之后該研究團隊使用特殊設(shè)計的具有大梯度高磁場（LG-HMF）的超導(dǎo)磁體，研究了LG-HMF對骨細胞樣細胞系MLO-Y4基因表達譜的影響，結(jié)果表明LG-HMF會影響骨細胞中能量代謝相關(guān)基因的表達。廖鐘財[24]研究團隊分析骨樣細胞系MLO-Y4在不同SMF強度下的生物學(xué)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)MLO-Y4細胞在500 nT亞磁場作用下促進了RANKL基因而抑制Cx43基因表達，在0.2 T中強磁場下無明顯生物學(xué)行為變化，而在16 T強磁場下抑制了RANKL基因而促進iNOS基因和Cx43基因表達，據(jù)推測MLO-Y4細胞在磁場中的基因表達可能與連接蛋白半通道有關(guān)[25]。

2.3 分子層面SMF對骨改建的生物學(xué)效應(yīng)，無論對于組織層面還是細胞層面來說，必然同時伴有分子層面的改變。SMF對骨改建的調(diào)控可能是SMF影響了細胞膜、細胞內(nèi)鈣離子以及礦物質(zhì)元素等，接下來將從分子層面綜述目前的研究情況。

2.3.1 細胞膜細胞膜是SMF作用的主要靶點之一，主要是因為細胞膜的磷脂雙分子層具有抗磁性各向異性[25]。當(dāng)磁通量密度超過一定閾值時，磷脂雙分子層在SMF中將發(fā)生重排，這可能導(dǎo)致細胞膜變形，改變離子通道、離子泵等，從而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)，影響細胞膜的生物物理特性（如膜流動性）。并且這種作用主要是針對細胞膜親水區(qū)域，而非疏水區(qū)域，膜流動性常被用來評估SMF處理后細胞膜的生物物理特性變化。研究表明SMF可改變細胞膜兩側(cè)的流體靜壓，影響膜流動性從而影響成骨細胞的分化。此外有研究[26]顯示，磁場會作用于細胞膜上的受體，激活cAMP系統(tǒng)，活化酶系統(tǒng)從而促進細胞的增殖分化。

2.3.2 鈣離子目前很多研究認為，SMF通過鈣離子信號通道產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)[27]。鈣離子濃度的變化可以影響細胞骨架之間的相互作用或影響鈣離子結(jié)合蛋白。王勝國等[28]認為，一定強度的SMF可以促進成骨細胞增殖，增加成骨細胞的ALP活性。其機制可能是SMF作用于細胞膜，使表面鈣泵的活性變化，繼而導(dǎo)致成骨細胞活性的改變。此外，王勝國及其他研究人員動態(tài)檢測加載SMF后成骨細胞內(nèi)鈣離子濃度變化，結(jié)果表明一定強度的SMF能夠降低成骨細胞內(nèi)的鈣離子濃度。其他研究也顯示，0.4 T的SMF可通過影響牙髓干細胞的細胞膜和激活細胞內(nèi)鈣離子，從而促進細胞增殖[29]。因此，磁場促成骨細胞增殖可能與鈣離子濃度變化有關(guān)，磁場通過改變鈣離子濃度，調(diào)控核內(nèi)因子，從而調(diào)節(jié)成骨細胞的增殖分化。

2.3.3 礦物質(zhì)元素Zhang等[30]使用500 nT的低磁場（HyMF），0.2 T的中度SMF（MMF）和16 T的高SMF（HiMF）研究SMF對MC3T3-E1細胞礦化過程中礦物元素含量的影響。結(jié)果表明，分化中的成骨細胞比未分化的成骨細胞積累了更多的礦物質(zhì)元素，HyMF降低了成骨細胞的分化能力，但不影響礦物質(zhì)元素的含量；MMF雖降低了成骨細胞分化能力，但仍伴有鐵含量升高；HiMF增強了成骨細胞的分化能力，并增加了除銅外的所有礦物質(zhì)元素含量。這提示SMF作用下成骨細胞分化電位的改變可能與不同礦物質(zhì)元素的參與有關(guān)。Yang等[31]評估了SMF對骨細胞（尤其是成骨細胞）功能的影響并進一步探索了機制，發(fā)現(xiàn)SMF在成骨細胞的增殖和分化過程中改變了鐵元素含量，表明鐵元素可能參與了SMF作用于成骨細胞分化的過程。

3 小結(jié)與展望

在有關(guān)骨組織的外界物理刺激中，SMF因為其療效穩(wěn)定且能克服電磁場電熱效應(yīng)對人體造成的傷害，而得到了極大的關(guān)注。雖然SMF對骨組織的影響機制錯綜復(fù)雜，但是在臨床上利用SMF促進成骨細胞增殖分化，抑制破骨細胞活性，增加骨量，從而開展對于骨移植、骨質(zhì)疏松、骨折愈合、骨關(guān)節(jié)疾病等治療的報道已并不少見。許多研究表明SMF無論在組織、細胞乃至分子層面都對骨組織改建有生物學(xué)效應(yīng)，SMF能夠同時激發(fā)成骨細胞和血管生成能力，促進骨骼肌肌纖維收縮特性。作為新興的生物分子材料，磁性材料應(yīng)用于骨組織工程，使得在磁場作用下，細胞支架可以像磁鐵一樣被激活并發(fā)揮作用，這在克服現(xiàn)有骨替代療法的局限性方面具有巨大的潛力。因此，了解SMF對于骨改建的生物學(xué)效應(yīng)，可以使臨床醫(yī)師更好地利用磁場來滿足醫(yī)學(xué)需求。隨著磁性材料性能的提高以及對SMF作用機制研究的深入，SMF在骨組織工程中的應(yīng)用前景將更加廣泛。