徐榮達，張赫，段思宇，蔡振存

（沈陽醫(yī)學院附屬中心醫(yī)院，遼寧沈陽 110075）

脈沖電磁場 （pulsed electromagnetic fields,PEMFs）作為一種非侵入性的物理方法，無需體內(nèi)植入電極，即可將微電流誘導到整個身體組織或通過靶向運輸方式傳遞到身體局部組織，從而增強細胞的愈合和再生能力［1，2］。PEMFs 是具有特定波形和振幅的低頻磁場，其特征在于磁場振幅隨時間的恒定變化，不同頻率、波形、強度的電磁場會對組織細胞產(chǎn)生不同的生物效應，可用于骨關節(jié)炎、骨折修復、肌腱疾病、緩解炎癥以及血管再生等疾病的治療［3，4］。PEMFs 具有無創(chuàng)、簡單、安全、費用低等特點，1979 年已被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準用于治療延遲愈合和不愈合骨折［5］。PEMFs 可通過多種傳導通路及生物效應對肌肉骨骼的生長愈合產(chǎn)生積極作用。本文主要針對PEMFs 對肌肉骨組織的作用機制以及應用進展作一綜述。

1 PEMFs 對肌肉和骨組織作用

1.1 PEMFs 對肌肉組織的促進生長作用

Tai 等［6］發(fā)現(xiàn)每周短暫暴露于PEMFs 中可增加小鼠氧化性肌肉的表達，經(jīng)過PEMFs 處理的小鼠氧化肌功能適應，氧氣被能夠增強線粒體呼吸功能的氧化纖維所攝取，不僅如此，PEMFs 暴露還可以促進肌因子的分泌，從而促進肌肉再生。Tucker 等［7］在研究PEMFs 暴露對肩袖愈合的影響中發(fā)現(xiàn)，PEMFs組小鼠肩袖的機械性能和模量在4 周和8 周時均有改善，PEMFs 組在8 周時肌細胞形狀變得更圓，這與細胞機械性能和代謝活性增加有關。PEMFs 通過改善肌腱機械性能來改善早期肌腱損傷至骨骼的愈合，從而對小鼠的肩袖愈合起到積極的作用。Stephenson等［8］研究顯示，在經(jīng)過PEMFs 處理后，血漿中包括骨橋蛋白和骨骼肌慢肌肌鈣蛋白T 在內(nèi)能夠預測肌肉再生和退化的生物標志物得到改善，破壞肌肉功能、提示代謝紊亂的脂質(zhì)代謝物顯著減少。綜上所述，PEMFs 在促進肌肉代謝和改善愈合等方面具有一定的潛力，使其在肌肉組織的輔助治療中更具有吸引力，可能成為一種潛在的治療方式。

1.2 PEMFs 對骨組織的促進生長作用

骨折后的骨愈合過程通常包括4 個不同的階段：骨折炎癥期、血管間充質(zhì)期、骨痂形成期、骨痂改造重塑期，PEMFs 激活的通路在骨愈合階段2、3 和4中發(fā)揮作用，同時抑制階段1 的炎癥期［9］。PEMFs在骨組織中具有刺激骨髓間充質(zhì)干細胞（mesenchymal stem cell,MSC）增殖分化，促進骨缺損修復以及軟骨再生等作用。MSC 在組織修復中發(fā)揮主要作用，MSC 具備極強的自我更新和多分化潛能，可直接刺激MSC 向成骨細胞分化，改善組織微循環(huán)，促進信號分子轉(zhuǎn)移到受損組織并通過分泌生長因子、細胞因子等誘導血管再生和組織修復［10～12］。PEMFs 刺激可以促進肌母細胞融合、增加肌管融合指數(shù)，進而增加肌管的直徑，通過調(diào)節(jié)MSC 的活性來促進非愈合骨折的成骨［13］。在測試PEMFs 對肌母細胞肌生成作用的實驗中，在標準條件下，與未治療的對照組相比，PEMFs 使肌母細胞的融合指數(shù)增加了2～5倍［14］。Coric 等［15］評估脈沖電磁場對頸椎前路椎間盤切除和融合術手術治療的影響發(fā)現(xiàn)，PEMFs 顯著提高了術后6 個月的融合率，通過刺激成骨細胞的功能改變和骨形態(tài)發(fā)生蛋白表達，進而使骨形成以及融合率增加。

2 PEMFs 在肌肉骨骼生物效應的常見通路

PEMFs 目前應用于肌肉骨骼領域，PEMFs 的主要信號通路包括Wnt/β-連環(huán)蛋白、Notch、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein,BMP）/轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β, TGF-β）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK）、血小板衍生生長因子（platelet derived growth factor, PDGF）、胰島素樣生長因子（insulinlike growth factor,IGF）和Ca2+通路等［16］。PEMFs 的分子途徑為其臨床應用提供了科學依據(jù)，在肌肉骨骼疾病的治療和預后方面發(fā)揮重要作用。

2.1 鈣離子通道

PEMFs 能夠為肌肉組織的重塑過程提供經(jīng)典瞬時感受器電位通道1（classical transient receptor potential channel 1, TRPC1）蛋白，PEMFs 具有調(diào)節(jié)肌細胞鈣離子水平、增強線粒體呼吸能力等功效，進而促進氧化性肌肉的表達，并且TRPC1 的表達隨著氧化性肌肉的表達而增多［17］。同時，線粒體在肌肉和全身代謝中同樣發(fā)揮著重要作用，這是由轉(zhuǎn)錄共激活體過氧化物酶體增殖體激活受體-γ 共激活物-1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha,PGC-1α）所調(diào)控［18］。PGC-1α 是氧化肌肉發(fā)育的主要決定因素，因為它能夠調(diào)節(jié)線粒體的產(chǎn)生，在增強肌肉的線粒體氧化呼吸過程中是必不可少的［19］。脈沖電磁場通過激活PGC-1α 轉(zhuǎn)錄上游的鈣線粒體軸來促進體外肌和線粒體的生成，短暫暴露于PEMFs 中可促使細胞外靜息鈣水平升高，鈣離子通過TRPC1 激活活化的T 細胞的核因子（nuclear factor of activated T cells, NFAT），進而促進TRPC1、PGC-1α 及氧化性肌肉的表達，而NFAT、PGC-1α及TRPC1 三者具有協(xié)同效應，能夠共同促進線粒體功能，增加氧化性肌肉的表達［6］。

2.2 Wntβ-catenin 信號轉(zhuǎn)導通路

PEMFs 可以導致細胞膜電荷發(fā)生改變從而影響膜通道的開放，激活多種細胞內(nèi)途徑進而影響體內(nèi)信號傳導通路的傳遞，此外，PEMFs 在信號傳導通路中可產(chǎn)生多個第二信使，啟動多個細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導途徑［20］。Wntβ-catenin 信號轉(zhuǎn)導通路的激活可以促進人基質(zhì)金屬蛋白酶13（matrix metalloproteinase 13,MMP-13）生成，MMP-13 參與胚胎發(fā)育、組織重塑等過程，MMP-13 水平的升高又會導致關節(jié)軟骨的破壞，在PEMFs 治療過程中，MMP-13 水平出現(xiàn)顯著下調(diào)，降低了炎癥因子表達，抑制了Wntβ-catenin信號轉(zhuǎn)導，起到修復軟骨、促進代謝的作用［21］。有幾種重要的信號通路可以調(diào)節(jié)肌肉修復，其中包括Notch 和Wnt 信號傳導被認為是關鍵的，Notch 途徑被認為參與肌母細胞增殖和Wnt 信號調(diào)節(jié)分化過程［22］。在肌肉再生過程中，Notch 和Wnt 之間存在相互作用，在增殖階段抑制Notch 信號傳導時觀察到Wnt 信號過早增加，當Notch 激活時Wnt 信號降低［23］。Wnt 途徑通過其外部結構域的抗體強制激活Notch-1，使肌肉修復恢復活力，表明Notch 途徑是成人肌生成的重要因素。

2.3 cAMP-PKA-CREB 通路

PEMFs 通過增加細胞內(nèi)cAMP 水平激活cAMPPKA-CREB 信號傳導，在PEMFs 作用下，鈣離子濃度顯著增加，進而激活可溶性腺苷環(huán)化酶（soluble adenylate cyclase, sAC）、環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate, cAMP）、蛋白激酶A（protein kinase A, PKA）和cAMP 響應元件結合蛋白（cyclic AMP response element binding protein, CREB）信號通路促進骨細胞礦化成熟［24，25］。Li 等［26］在預防后肢懸吊誘導的大鼠骨質(zhì)流失研究中發(fā)現(xiàn)，PEMFs 顯著緩解了成骨細胞數(shù)量的減少，抑制了骨形成標志物的降低，通過sac/camp/pka/CREB 通路的信號傳導維持骨形成。PEMFs 不僅維持了蛋白激酶A 和cAMP 反應元件結合蛋白的磷酸化水平，可溶性腺苷酸環(huán)化酶的表達水平也得以維持。PEMFs 通過直接或間接激活成骨細胞的sAC-cAMP-PKA-CREB 信號通路來促進體內(nèi)和體外的骨形成。

3 PEMFs 在肌肉骨骼生物效應的機制

3.1 抗炎作用

在組織損傷過程中，受損的組織細胞暴露于炎癥介質(zhì)中，巨噬細胞在面對局部微環(huán)境發(fā)生不同的表型以及功能變化，表現(xiàn)出抗炎和促進愈合活性，還可以啟動后續(xù)修復階段所需的各種信號通路以調(diào)節(jié)組織修復和再生［27，28］。M1 亞型巨噬細胞負責產(chǎn)生如腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor α,TNF-α）、白細胞介素-1β（IL-1β）等促炎因子，這些促炎因子作為趨化因子的信號分子進入修復部位，以促進組織降解，還會刺激M1 極化為M2 巨噬細胞，M2 亞型巨噬細胞參與組織再生過程，通過分泌抗炎介質(zhì)來降低炎癥帶的損傷，同時刺激肌細胞融合成多核肌管，從而促進肌腱修復過程［29～31］。由此可見，PEMFs 可通過調(diào)節(jié)炎癥因子的分泌加快組織修復過程。腺苷受體在炎癥調(diào)節(jié)中具有重要作用，其激活后抑制促炎細胞因子釋放。PEMFs 通過腺苷受體使多種細胞類型的增殖和炎癥的影響之間產(chǎn)生聯(lián)系，其中特別是A2A 和A3表達擴增，通過激活腺苷酸環(huán)化酶和蛋白激酶B 介導的轉(zhuǎn)錄因子β-連環(huán)蛋白的核定位，來抑制TNFα、IL-1β 等促炎細胞因子的合成和活化，增加cAMP 水平，從而在多種細胞類型中誘導抗炎反應［32～34］。因此，PEMFs 對腺苷的調(diào)節(jié)在控制炎癥中起重要作用。IL-1β 是一種關鍵的促炎介質(zhì)，由炎癥部位的免疫細胞所分泌，在穩(wěn)態(tài)和病理機制中起關鍵作用［35］。PEMFs 治療肌腱來源的細胞可能會限制IL-1β 促炎刺激的分解代謝作用，從而誘導更多的組織修復［36］。PEMFs 有望作為新型炎癥調(diào)節(jié)的治療方法，用于促進組織再生。

3.2 生長因子

常見的生長因子有血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、IGF 、TGF-β 等，在組織修復中起到重要作用。VEGF 是血管再生的關鍵調(diào)節(jié)因子，成骨細胞表達高水平的VEGF。VEGF在炎癥期起到旁分泌因子作用來促進巨噬細胞募集和血管再生反應，并且通過膜內(nèi)骨化進行修復［37］。因此，VEGF 在肌肉壞死、骨折部位的新血管生成和血運重建中起著至關重要的作用。PEMFs 刺激可顯著增加成骨細胞中TGF-β 的表達，TGF-β 是調(diào)節(jié)骨再生早期階段的關鍵因素，因為它可以增強骨祖細胞的活力、增殖和遷移，從而誘導成骨分化［38］。IGF-1是一種能夠促進肌肉再生的肌因子，在高度氧化的纖維中表達。這些來自成纖維細胞的IGF-I 通過促進肌母細胞分化和肌管形成參與修復過程，并且可能通過改變蛋白質(zhì)合成促進肌肉再生［39，40］。

4 結語與展望

PEMFs 是一種新型且有廣闊前景的治療方式，在促進肌肉骨骼生長發(fā)育中起著積極作用，PEMFs可通過多種機制及生物效應來調(diào)節(jié)肌肉骨骼細胞代謝，激活組織修復能力，有助于延緩肌肉骨骼疾病的發(fā)展并改善預后，但磁場對肌肉骨組織的確切作用機制尚未完全清楚，還需進一步研究。隨著對PEMFs作用機制研究的深入，PEMFs 在肌肉骨骼疾病中的應用前景將更加廣泛。