脈沖電磁場對體外成骨細胞的作用及影響

許 巍 張延芳*

（廣東醫學院生理學研究室生理學教研室，廣東 東莞 523808）

成骨細胞起源于多能的骨髓基質的間質細胞，是骨形成的主要功能細胞，負責骨基質的合成、分泌和礦化，對于骨損傷的修復與重建至關重要。自從1954年yasuda發現骨的壓電效應后，即骨受到機械壓力后將機械能轉化為電能，產生壓力電位，電刺激影響骨量調節的現象引發了科學家的大量假設，即在功能活性中產生的應力電位可能是真正調節骨中特定的細胞過程的信號[1]。電學環境是骨組織所需要的重要微環境之一，并對骨組織和成骨細胞有重要作用[2]。在1974年Bassett首次應用脈沖電磁場治療骨不連取得成功后，此后很多研究學者進行了大量的實驗研究和臨床實踐，從實驗結果觀察，細胞，分子水平等不同方面驗證脈沖電磁場可以促進骨折的愈合，并探討其作用機制。大量的實驗分析表明脈沖電磁場（pulsed electromagnetic field，PEMF）作用于成骨細胞不僅可以加快成骨細胞的增殖分化，還可以增加生長因子的分泌并促進細胞外基質的合成，并對某些信號通路產生作用。本文就國外近年來關于脈沖電磁場對成骨細胞的研究作一概述。

1 對成骨細胞增殖、分化的影響

大量實驗表明，低脈沖電磁場可以促進成骨細胞的增殖。并且這種作用并非是一種線性關系，在特定的場強和頻率下會產生一個“窗口”效應。但是由于各個學者所使用的儀器設備各不相同，所以產生“窗口”效應的場強、頻率也各不相同。周建等[3]發現頻率為50Hz的正弦電磁場在0.9～3.0mT之間有以促進成骨細胞分化的最佳磁感應強度，即所謂“強度窗”效應。Lorich等[4]用20Mv/cm的電容耦合電場作用于小鼠的成骨細胞或鼠MC3T3-E1成骨樣細胞，發現DNA合成顯著增加。王前[5]等對體外培養的成骨細胞施加脈沖電磁場刺激，實驗組細胞生長曲線前移，細胞第6天長滿培養皿底壁，而對照組第8天才長滿培養皿底壁。張曉軍[6]采用頻率為15Hz、強度為5mT、占空比為15%的極低頻率脈沖電磁場作用于成骨細胞，發現可顯著促進成骨細胞的增殖。并且發現強度過高或是過低均不能引起細胞增殖的改變，只有適中的強度作用才可使細胞增殖能力顯著增加。

堿性磷酸酶作為成骨細胞成熟、分化早期標志酶，參與骨基質的分泌和成熟階段的調節，其表達隨著細胞分化、功能的活躍而增強，代表著細胞的活躍程度和骨形成的狀況。不同強度和頻率的電磁場對成骨細胞的分化能力的影響不同，有些學者認為成骨細胞處在不同的階段也會影響分化能力。張曉軍[6]在給予成骨細胞頻率為15Hz、強度為5mT、占空比為15%的極低頻率脈沖電磁場時，ALP的活性被抑制。Chang[7]認為電磁刺激只是使成骨細胞的數量增加，并沒有促進成骨細胞的分化。Diniz P[8]等用強度7mT，15Hz的脈沖電磁場作用成骨細胞（MC3T3 - E1細胞系），發現可以促進成骨細胞的增殖、分化和礦化，但是和成骨細胞的不同成熟階段有關聯。楊巍[9]在試驗中讓成骨細胞（MC3T3 - E1細胞系）暴露于48Hz，1.53mT的PEMF中24和48h后，ALP活力未受到影響，對于原代成骨細胞暴露于48Hz、1.55mT的脈沖電磁場，在細胞增殖初期具有抑制分化的作用，而在細胞分化期則具有促進分化的作用。

2 對Ca2+的影響

細胞內的鈣離子作為細胞信使，是機體各項生理活動重要的離子。當細胞受到外界刺激時細胞內的鈣離子就會升高，而引起細胞的某些代謝活動。有實驗表明[10]在電磁場刺激下，細胞可能會通過電壓門控通道開放發生Ca2+的內流，細胞內Ca2+濃度升高。陳建庭等[11]在給予成骨細胞施加脈沖電磁場的實驗中，發現PEMF作用于成骨細胞引致細胞出現去極化，從而開放電壓依賴型鈣離子通道，使細胞內的鈣離子濃度升高，鈣離子作為細胞的第二信使，調節多種生理功能。

實驗表明，電磁刺激鼠成骨樣細胞，DNA合成顯著增加，促進同時摻入細胞中的鈣離子也大大增加。當鈣離子的濃度達到一定閾值的時候才會促進細胞DNA的合成[12]。還有學者認為鈣離子濃度升高可直接或通過激活鈣調蛋白間接激活一些蛋白激酶，影響細胞的增殖情況。

3 對生長因子的影響

細胞因子有促進成骨細胞的增殖，抑制破骨細胞，誘導成骨，參與骨的重建作用。給予成骨細胞施加適當頻率和強度的電磁場，可以促進成骨細胞分泌一些生長因子。

3.1 胰島素樣生長因子（IGF）

胰島素樣生長因子（IGF）可分為兩種，即IGF-Ⅰ，IGF-Ⅱ。IGF-Ⅰ可誘導成骨細胞通過自分泌和旁分泌的方式刺激成骨細胞的增殖和基質合成，參與骨的改建的功能。IGF-Ⅱ對成骨細胞的作用與IGF-Ⅰ相似但較弱。有實驗證明脈沖電磁場刺激成骨細胞不僅可以促進骨細胞膜分泌胰島素樣生長因子，還上調骨細胞膜表面的胰島素樣生長因子的受體的數目，從而達到促進成骨細胞的增殖。

3.2 β-轉化生長因子（TGF-β）

TGF-β是一種多功能的多肽，廣泛的存在于正常組織細胞中，以血小板和骨組織中的含量多。已有證明TGF-β可刺激骨間充質細胞增殖、分化，促進骨和成軟骨細胞的增生，誘導Ⅰ型膠原、骨橋蛋白（osteopotin）和骨連接素（osteonectin）的合成。Guerkov[13]在成骨細胞培養早期發現PEMFs能夠促進轉化生長因子TGF-β1的合成釋放，從而促進成骨細胞的增生。Zhuang[14]等給成骨樣細胞（MC3T3-E1）施加電容耦合電場，發現TGF-β1mRNA的水平高于對照組，說明電磁刺激可以促進TGF-β1mRNA的生成，從而促進成骨細胞的增殖分化。

3.3 骨形態蛋白（BMP）

骨形態蛋白的主要生物學作用是誘導未分化的間充質細胞分化為軟骨和骨，即誘導成骨作用。其中，BMP-2是促進骨形成和誘導成骨細胞分化最重要的細胞外信號分子之一[15]。Nagai[16]用15Hz，2mT 的脈沖電磁場作用于雞胚顱骨，結果發現比對照組相比，及胚顱骨組織的BMP-2H和BMP-4mRNA表達水平明顯的增加。Jansen[17]等給成骨細胞施加脈沖電磁場刺激，到第9天的時，PEMF治療組的成骨細胞的BMP-2 mRNA和TGF-β1水平明顯升高。李志鋒[18]0.16、0.18mT的PEMFs可上調BMP-2 mRNA的表達。這說明電磁刺激可以促進成骨細胞BMP的生成，從而促進了骨的形成。

4 總 結

脈沖電磁場刺激成骨細胞有很多年的歷史，在各個方面都取得很大的成就，尤其在臨床上廣泛應用于骨折的愈合和重建，骨質疏松等方面的疾病。但是，脈沖電磁場作用的成骨細胞還存在一些尚未解決的問題，相信隨著科學的進步和科學家的不斷探索，相信脈沖電磁場必將促進骨組織工程的發展及應用，給臨床的治療帶來更大的幫助，為骨組織工程帶來更多更好的種子細胞。

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