磁場促進骨折愈合作用的研究進展

周振中*(綜述) 彭建強(審校)

（廣東醫學院附屬福田人民醫院脊柱骨病科，廣東 深圳 518000）

磁的普遍性告訴我們一切生物均具有磁性，任何空間均存在磁場，而在外加磁場作用存在下都會給生物組織活動產生影響。磁場已被證明能影響機體骨代謝，并廣泛運用于臨床上多種骨骼相關疾病的預防和治療，基礎研究和臨床使用均表明磁場在促進骨折愈合、治療骨缺損、骨折不愈合和骨折延遲愈合方面取得了較好的效果。本文從細胞生物學研究、動物實驗研究、臨床應用研究、作用機制等方面關于磁場促進骨折愈合的研究進展做一綜述。

1 細胞生物學研究

骨的代謝活動維持正常狀態需要成骨細胞的骨形成與破骨細胞的骨吸收保持相應的動態平衡。因此，細胞生物學實驗研究大都以成骨細胞和破骨細胞作為磁場促進骨折愈合的研究對象。在骨形成過程中，成骨細胞要經過成骨細胞增殖、胞外基質成熟、胞外基質礦化和成骨細胞凋亡四個階段，從而調控骨的形成。

1.1 磁場刺激可以促進骨生長因子的生成

成骨細胞數量和活性是決定骨形成速率的主要因素，局部骨生長因子對成骨細胞的產生和增殖發揮積極作用。BMP能誘導機體內的間充質細胞，經過趨化、增殖和分化為軟骨細胞和成骨細胞。Zhou等[1]將體外培養的大鼠顱骨成骨細胞置于磁場中研究，結果顯示BMP-2的基因表達水平在暴磁組中明顯高于非暴磁組，并促進體外培養大鼠顱骨成骨細胞分化成熟。IGF能以自分泌方式刺激成骨細胞增殖和分化，并刺激基質合成。Fitzsmmons等[2]將人骨肉瘤分離出的類成骨細胞TE-85暴露于磁場30min時，TE-85細胞膜上IFG-Ⅱ受體數目增加明顯，同時細胞增殖及IGF-ⅡmRNA表達水平增強。TGF-β能刺激骨膜間充質細胞增殖和分化，促進成骨細胞增殖，誘導成骨細胞合成Ⅰ型膠原和骨連接素。Huang等[3]將MG63成骨樣細胞暴露在磁場中培養，結果顯示暴磁組成骨樣細胞的TGF-β產物在各時間點均比非暴磁組多。

1.2 磁場刺激可以促進成骨細胞的增殖

仇麗鴻等[4]將體外培養的大鼠顱骨成骨細胞置于磁場中培養研究，檢測大鼠成骨細胞的增殖情況及不同磁場強度下細胞所處的周期。結果顯示磁場使S期、G2/M期細胞百分比增加，促使靜止態的G1期細胞活躍，向S期轉變，細胞增殖加速。Kim等[5]將人骨肉瘤細胞株TE-85置于磁場中，研究其對鈦的表面附著和增殖的影響，結果顯示暴磁組的成骨細胞附著明顯優于非暴磁組。

1.3 磁場刺激可以促進細胞外基質形成，成熟和細胞外基質礦化

Chiu等[6]將MG63成骨樣細胞暴露于磁場中后，電鏡掃描顯示，在細胞的外周區域有大量的細胞基質分泌，而非暴磁組的細胞外周區域則很少見到細胞基質。Ⅰ型膠原是成骨細胞合成的特異性膠原，骨橋蛋白在成骨細胞與基質起橋連作用，為基質礦化起重要作用，在分化早期主要是堿性磷酸酶表達，堿性磷酸酶被認為是細胞外基質成熟的早期標志。Huang等[3]將MG63成骨樣細胞持續暴露磁場中，發現暴磁組Ⅰ型膠原數量，骨橋蛋白產物，堿性磷酸酶的活性均遠優于非暴磁組，表明磁場能促進成骨細胞外基質的形成和鈣化。

1.4 磁場刺激對成骨細胞凋亡的影響

成骨細胞凋亡的情況直接影響其數目、大小和功能發揮。趙煜等[7]研究發現，將體外培養的大鼠成骨細胞持續暴露于磁場中，各暴磁組細胞凋亡率和非暴磁組相比均差異無統計學意義，磁場并不會誘導成骨細胞凋亡的發生。

1.5 磁場對破骨細胞功能和凋亡的影響

破骨細胞的數目和活性直接影響骨吸收的狀態。黃晶晶等[8]將體外培養的破骨細胞置于磁場作用下研究觀察后發現，暴磁組對破骨細胞功能分子的表達有抑制作用，可抑制大鼠破骨細胞的骨吸收活性。Chang等[9]將體外培養的破骨細胞置于磁場中發現，暴磁組中破骨細胞較非暴磁組形態明顯改變，包括染色質凝聚及核裂解，結果顯示磁場能促進破骨細胞凋亡。

2 動物實驗研究

在磁場促進骨折愈合的動物實驗研究中，大量學者使用了不同的實驗分析方法研究，最直接的分析方法就是去比較磁場作用后，骨折部位骨的愈合情況和骨斷面機械應力測試。

劉朝旭等[10]將實施了右脛腓骨骨折模型的大鼠置于磁場作用下研究，組織學結果顯示：當非暴磁組的截骨處還是結締組織的時候，磁場組的截骨處已有新骨填充，血清骨鈣素、骨堿性磷酸酶水平等骨代謝生化指標均較非磁暴組高。Bruce等[11]將一定強度的永磁體植入到家兔撓骨骨折處研究，4周后在機械力學測定結果中發現暴磁組的骨折段抗折力較非暴磁組大。Aydin等[12]將磁性髓內固定物置入實施兔股骨骨折模型中研究，結果發現磁暴組截骨處比非暴磁組骨痂出現早，骨折愈合速度快，骨量更高。S Xu等[13]將小磁塊置入骨質疏松模型鼠腰椎體中研究，結果發現暴磁組比非暴磁組骨礦密度（BMD）的增長明顯，其骨小梁的連續性更好。

3 臨床應用研究

磁場促進成骨細胞成長及分泌和抑制破骨細胞生存及活性的細胞生物學研究為臨床應用提供了理論依據，而成功動物實驗研究則為進一步的臨床應用提供了實例。在磁場治療各類骨折過程中，能明顯提高治愈率，縮短骨折愈合時間。

劉紀濤等[14]報告，應用磁場治療經金屬植入物骨折內固定術后的四肢新鮮骨折觀察后發現，各磁暴組均較非磁暴組骨痂生成明顯增多，血清骨鈣素、骨特異性堿性磷酸酶水平及Ⅰ型前膠原羧基末端前肽等骨代謝生化指標均較非磁暴組高。張光君等[15]將磁性外固定夾板置于骨折部位研究中，在與單純石膏固定、切開復位內固定等非磁暴組相比后，結果顯示磁暴組的消腫時間、骨痂形成時間、骨小梁形成時間都明顯縮短。寶音等[16]在研究觀察磁場對脛腓骨骨折患者骨折愈合的作用時，結果顯示與AO外固定架及交鎖髓內釘治療組相比，永磁外固定架治療組愈合時間明顯縮短。

4 磁場促進骨折愈合的作用機制

磁場促進骨愈合已被實驗所證實，但其作用機制目前尚不完全明確。Kotani等[17]研究認為，磁場作用下成骨細胞膜發生變形，致細胞膜上的離子通道、離子泵等的功能發生改變，從而產生生物學效應。朱琳琳等[18]研究認為：磁場促成骨細胞增殖的作用與細胞內鈣離子濃度的變化有關。磁場通過活化鈣離子依賴蛋白激酶，改變鈣離子水平，從而調控包括細胞周期素在內的核內因子，調節成骨細胞增殖。Fini等[19]研究認為，磁場是通過作用于細胞膜上的受體，激活細胞內環腺苷酸（cAMP）系統，而后觸發磷酸化信號放大效應，在活化酶系統刺激下，對骨細胞產生生理反應，促進其增殖分化。張小云等[20]研究認為，破骨細胞黏附在骨表面后，其細胞骨架發生改變，致胞膜形成皺褶膜，從而發揮骨吸收功能。當破骨細胞處于磁場環境中時，細胞骨架的主要成分微管、微絲被解聚，從而抑制了皺褶膜的形成，使破骨細胞喪失其吸收骨質的功能。蔡華安等[21]認為，在磁場作用下，機體血管擴張，血流加快，改善了局部血液循環，促進滲出物及水分的吸收，為骨折端愈合提供必要營養物資及細胞生長因子和運送代謝產物的功能。

5 結 語

對于磁場的生物效應，相關學者從細胞到臨床應用研究方面已取得了一些有意義的結果，而磁場促進骨形成及愈合的機制是復雜多方面的，仍未獲得確切公認的作用機制。目前臨床應用尚處于起步階段，尚需大量動物實驗和臨床研究。還有很多基礎內容，特別是作用機制，磁場的定量使用等方面需要進一步的深入研究，相信磁場在人類骨科領域應用前景廣闊。

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