電磁脈沖在骨關(guān)節(jié)炎治療中的作用機制研究進展

2021-11-30 10:08:35馬原軍于世賓

醫(yī)學研究雜志 2021年5期

關(guān)鍵詞：信號

馬原軍于世賓

近年來，電磁脈沖(electromagnetic pulse,EMP)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，作為一種高能電磁波，其生物學效應(yīng)及作用機制已經(jīng)成為研究的熱點之一。研究發(fā)現(xiàn),適宜的EMP利用電流通過導體產(chǎn)生的時變磁場對人體機能恢復產(chǎn)生了積極的作用，其中脈沖電磁場(pulsed electromagnetic field,PEMF)療法是一種創(chuàng)新、無創(chuàng)、安全的理療方法，具有良好的應(yīng)用前景。

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是一種常見疾病，主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨的進行性喪失、滑膜炎癥、軟骨下骨吸收/硬化和骨贅形成，好發(fā)于膝關(guān)節(jié)，是導致殘疾的主要原因之一[1]。目前臨床治療OA的方法有多種，包括理療、藥物治療、康復性鍛煉以及手術(shù)治療等[2]。大量研究表明，適宜的PEMF刺激能夠促進軟骨細胞增殖、分化，減少軟骨基質(zhì)降解，維持軟骨下骨的微結(jié)構(gòu)并防止骨丟失，進而抑制OA的進展。然而，截至目前，PEMF防治OA病變的潛在機制尚不明確。本文針對PEMF在OA治療中的效應(yīng)及可能的分子通路做一綜述。

一、電磁脈沖對OA的治療效應(yīng)

關(guān)節(jié)疼痛及運動功能障礙是OA患者的主要癥狀。早在2005年，F(xiàn)ischer 等[3]對71例膝關(guān)節(jié)OA患者進行為期6周的PEMF治療(3.4～13.6mT，16min/d)后，患者膝關(guān)節(jié)活動度和步行距離都顯著增加。2013年Nelson等[4]對34例膝關(guān)節(jié)OA患者進行正弦波型PEMF治療(6.8MHz,15分/次,2次/天)后，患者的疼痛程度(最大視覺模擬評分)顯著下降。2014年Gobbi等[5]對22例膝關(guān)節(jié)OA患者進行為期45天的PEMF治療(1.5mT，75Hz，4h/d)并進行了2年隨訪，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，患者膝關(guān)節(jié)功能及活動度較治療前明顯改善。2015年Wuschech等[6]對57例膝關(guān)節(jié)OA患者進行為期18天的PEMF治療(4～12Hz，2.5分/次，2次/天)，患者涉及疼痛、關(guān)節(jié)僵硬度、關(guān)節(jié)功能等方面的骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)評分顯著降低。2020年Yang等[7]從臨床數(shù)據(jù)庫中篩選出16項PEMF對OA治療效應(yīng)的隨機對照試驗并通過質(zhì)量評估得出，與安慰劑治療比較，PEMF治療對OA患者的疼痛、僵硬和身體功能都有積極作用，而治療的持續(xù)時間可能不是影響疼痛的關(guān)鍵因素。上述臨床研究均表明，適宜的PEMF在緩解OA患者的疼痛、提高關(guān)節(jié)活動度、減少殘疾等方面具有明顯的療效。

二、電磁脈沖對OA軟骨的影響

關(guān)節(jié)主要由關(guān)節(jié)軟骨、軟骨下骨和半月板(關(guān)節(jié)盤)等組織構(gòu)成。作為關(guān)節(jié)的主要表層結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)軟骨在關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)的維持中發(fā)揮著重要作用。關(guān)節(jié)軟骨主要由軟骨細胞和以Ⅱ型膠原(type Ⅱ collagen，Col Ⅱ)、蛋白多糖(proteoglycan，PG)和蛋白聚糖(aggrecan，AGG)為主要成分的細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)構(gòu)成。軟骨細胞死亡和軟骨基質(zhì)降解是OA關(guān)節(jié)軟骨退變的主要表現(xiàn)。

1.電磁脈沖對軟骨細胞的影響:軟骨細胞是軟骨組織中唯一的細胞類型。早在2009年Luo等[8]研究發(fā)現(xiàn)，對卵巢切除大鼠給予PEMF刺激(8Hz，3.8mT，40min/d，持續(xù)30天)可以顯著減少卵巢切除的雌性大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨細胞凋亡，同時增加雌激素的分泌，并降低軟骨降解因子MMP13的表達。2011年Guo等[9]研究發(fā)現(xiàn)，對患膝關(guān)節(jié)OA的兔進行PEMF刺激(75Hz，8mW/cm2,30min/d，持續(xù)10天)也可以有效抑制軟骨細胞凋亡，并降低血清中TNF-α水平。2017年Julia等研究發(fā)現(xiàn)，對體外培養(yǎng)的人軟骨細胞給予正弦電磁場(sinusoidal electromagnetic field，SEMF)刺激(15Hz，5mT，3次/天，45分/次，持續(xù)7天)可以顯著上調(diào)軟骨細胞中COL2A1和ACAN基因的表達，促進其增殖分化[10]。2020年Dinesh等研究發(fā)現(xiàn),PEMF(2～3mT，15Hz，10min/d)可以顯著促進人骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSC)向軟骨細胞分化，并抑制IL-6、MMP-13、COX-2分泌[11]。由此可見，適宜的PEMF可以促進干細胞向軟骨細胞的分化以及軟骨細胞的增殖、分化，抑制軟骨細胞的凋亡，并顯著降低軟骨相關(guān)炎性、降解因子的表達水平。

2.電磁脈沖對軟骨基質(zhì)的影響:軟骨細胞外基質(zhì)中含有豐富的Col Ⅱ、PG和氨基多糖(glycosaminoglycan，GAG)成分，這些成分對于維持軟骨的抗剪切、抗拉伸、抗壓縮性能至關(guān)重要。早在2007年De Mattei等[12]就證實，適宜參數(shù)的PEMF(75Hz,1.5mT，持續(xù)24h)能促進牛關(guān)節(jié)軟骨外植體的PG合成。2011年Chang等[13]研究發(fā)現(xiàn)，對體外培養(yǎng)的豬軟骨細胞給予PEMF(75Hz,1.8～3.0mT,2h/d，持續(xù)3周)刺激可以顯著促進軟骨細胞GAG和Col Ⅱ的合成。同年Ongaro等[14]將人OA軟骨組織塊置于1.5mT,75Hz的PEMF中7天發(fā)現(xiàn)，軟骨組織塊的PG合成能力顯著提高[14]。2020年Ye等[15]對患膝關(guān)節(jié)OA的雄性小鼠給予PEMF治療(75Hz,1.6mT,1h/d，持續(xù)4周)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨中AGG的合成顯著增多，IL-1β、ADAMTS4和 MMP-13的表達水平顯著降低。由此可見，適宜的PEMF能夠顯著促進膠原、蛋白多糖等軟骨基質(zhì)的合成，有效緩解軟骨基質(zhì)的降解。

三、電磁脈沖對軟骨下骨的影響

軟骨下骨早期的骨吸收、晚期的骨質(zhì)增生及骨贅形成等是OA的典型病理學變化，因此控制軟骨下骨的異常改建可能有助于預防或減緩OA的發(fā)展。成骨細胞、破骨細胞是軟骨下骨中的主要細胞類型，在軟骨下骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

1.電磁脈沖對成骨細胞的影響：成骨細胞是骨形成過程中的主體細胞，參與骨基質(zhì)的合成和礦化進程。早在2010年Shen等[16]研究發(fā)現(xiàn)，對患廢用性骨質(zhì)疏松癥的大鼠給予PEMF(15Hz，8Gy，2h/d，持續(xù)8周)刺激能夠顯著促進股骨近端成骨細胞中TGF-β1的分泌，抑制IL-6的表達，從而防止骨量流失。2014年Wang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，15Hz，9.6Gy的PEMF能夠促進體外培養(yǎng)的大鼠成骨細胞向骨種植體表面增殖、黏附，并上調(diào)成骨相關(guān)基因(BMP2、OCN、ColⅠ、ALP、RUNX2、OSX)的表達，有效增強種植體的骨結(jié)合能力。2016年Zhai等[18]研究發(fā)現(xiàn)，15.38Hz，2mT，2h/d的PEMF刺激可以顯著促進小鼠MC3T3-E1成骨細胞的增殖活性。2018年Yang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，對膝關(guān)節(jié)OA的大鼠給予PEMF(75Hz,1.6mT,2h/d,持續(xù)4周)刺激，顯著增加了膝關(guān)節(jié)軟骨下骨骨體積分數(shù)(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁數(shù)量(Tb.N)，抑制了骨表面積和體積比(BS/BV)和骨小梁間隙(Tb.Sp)，維持了軟骨下骨結(jié)構(gòu)。可見，適宜的PEMF可以有效促進成骨細胞的增殖、分化、礦化能力。

2.電磁脈沖對破骨細胞的影響：來源于單核-吞噬細胞的破骨細胞通過分泌酸和膠原酶，在分解骨水合蛋白-礦物質(zhì)復合體中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。早在2006年Chang等[20]將分離出的大鼠破骨細胞置于7.5Hz、電場強度3mV/cm的PEMF中，8h及16h后發(fā)現(xiàn)大鼠破骨細胞的增殖活動顯著降低，凋亡細胞增多。2015年He等[21]研究發(fā)現(xiàn)對體外培養(yǎng)的小鼠骨髓給予PEMF(8Hz，3.8mT，40min/d，持續(xù)3天)刺激，結(jié)果PEMF刺激與使用骨保護素(osteoprotegerin，OPG)和雌二醇的效果相近，都能夠顯著減少巨噬細胞集落刺激因子聯(lián)合核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)誘導的破骨細胞樣細胞數(shù)。2018年Tschon等[22]研究發(fā)現(xiàn)PEMF(75Hz，2.5mT，12h/d，持續(xù)3天)能夠顯著下調(diào)外周血單核細胞中破骨細胞形成標志物——組織蛋白酶K和活化T細胞核因子1的表達，即抑制破骨細胞的形成。可見，適宜的PEMF對破骨細胞的形成、增殖具有抑制作用。

四、電磁脈沖發(fā)揮生物學效應(yīng)的可能機制

1.MAPK通路：絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)是將細胞外信號從細胞表面轉(zhuǎn)導到細胞核內(nèi)部的重要傳遞者，參與細胞的增殖、分化、遷移和死亡。MAPK信號通路鏈由3類蛋白激酶MAPKKK-MAPKK-MAPK組成，通過依次的磷酸化將上游信號傳遞至下游應(yīng)答分子，包括了ERK、JNK和p38 3個主要的次級信號通路，不同的細胞外刺激可能激活不同的MAPK信號通路，通過其相互調(diào)控而介導不同的細胞生物學反應(yīng)。2016年Zhou等[23]在對行前交叉韌帶橫斷術(shù)誘導的膝關(guān)節(jié)OA大鼠給予PEMF(20Hz,8mT,40min/d,5天/周，持續(xù)12周)刺激后發(fā)現(xiàn)，與手術(shù)組比較，PEMF組ERK1、JNK、p38、MMP-13的mRNA表達顯著降低，并且經(jīng)PEMF治療后手術(shù)組大鼠尿液中較高水平的Ⅱ型膠原交聯(lián)C末端肽水平(反映軟骨基質(zhì)降解水平)也顯著降低，該結(jié)果表明OA狀態(tài)下PEMF可以顯著抑制MAPK通路及其介導的降解因子MMP-13的表達，從而減少OA關(guān)節(jié)軟骨的損傷。同年Yong等[24]將體外分離出的大鼠BMSC置于PEMF(15Hz,1mT,8h/d)環(huán)境中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，在3、6、9天時BMSC中p-p38、p-ERK1/2以及成骨相關(guān)因子RUNX2、BMP2、OCN的表達均顯著升高，進一步加入MAPK通路的抑制劑后BMSC成骨標志物的表達明顯回落，該結(jié)果提示PEMF可以通過調(diào)控MAPK信號通路來促進BMSC的成骨分化。因此，PEMF的保護作用可能是通過或至少部分通過調(diào)控MAPK信號通路來實現(xiàn)的。

2.Wnt/β-catenin信號通路：細胞外Wnt配體與ARROW/LRP家族的一個共同受體(如LRP5和LRP6)同時與它們7次跨膜的Frizzled受體結(jié)合，從而穩(wěn)定細胞質(zhì)中的β-catenin，其濃度達到一定水平時向細胞核轉(zhuǎn)移，從而啟動經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號通路，該通路對細胞的增殖、分化、自我更新和轉(zhuǎn)歸是必不可少的。2016年Zhai等[25]將體外培養(yǎng)的小鼠MC3T3-E1成骨細胞給予15.38Hz,2mT,2h/d的PEMF刺激發(fā)現(xiàn)，PEMF在2天(增殖期)和7天(分化期)時顯著上調(diào)Wnt1、LRP6和β-catenin及成骨細胞中增殖期和分化期相關(guān)分子(OCN、ALP、RUNX2、Ccnd1、Ccne1、ColⅠ)的mRNA和蛋白表達。2017年Fathi等[26]在電磁場(EMF)對脂肪間充質(zhì)干細胞(adipose derived mesenchymal stem cell，ADSC)成骨分化影響的研究中發(fā)現(xiàn)，對ADSC給予50Hz,20mT,30min/d,持續(xù)21天的EMF刺激可以降低Wnt信號通路抑制劑DKK1的mRNA表達，并上調(diào)了β-catenin、Wnt1、Wnt3a、LRP5和ALP、OCN、RUNX2、BMP2的表達。上述結(jié)果表明，PEMF通過Wnt/β-catenin信號通路促進了成骨細胞的增殖和分化，并能誘導間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化，在骨形成和修復過程中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。因此Wnt/β-catenin信號通路也可能參與了PEMF防止OA中軟骨下骨病變的過程。

3.Ca2+信號：Ca2+是力學刺激信號轉(zhuǎn)導中的重要第2信使，當某種刺激使胞內(nèi)Ca2+濃度大幅度增加，與胞外Ca2+之間存在濃度梯度時，就起到傳遞信號的作用，其參與了多種細胞學活動。2008年Robert等研究發(fā)現(xiàn)，0.2mV/cm，15Hz的脈沖電場刺激體外培養(yǎng)的正常人軟骨細胞30min能在72h后促進細胞增殖及NO和cGMP的增加，僅增加培養(yǎng)基中Ca2+含量同樣也可以上調(diào)NO水平，而在培養(yǎng)體系中加入Ca2+抑制劑可以阻斷PEF對NO和cGMP的促進作用，這些結(jié)果提示PEF刺激軟骨細胞增殖的轉(zhuǎn)導途徑可能是Ca2+、NO、鈣調(diào)蛋白和cGMP產(chǎn)生的級聯(lián)反應(yīng)的結(jié)果[27]。2013年P(guān)all[28]研究發(fā)現(xiàn)，PEMF信號通過細胞膜與細胞質(zhì)建立了一個隨時間變化的電場，這個電場隨后誘導細胞內(nèi)Ca2+釋放，導致胞內(nèi)Ca2+濃度和活化鈣調(diào)蛋白增加，從而提高骨細胞的活力。2014年Kim等[29]將體外培養(yǎng)的人BMSC置于45Hz，1mT，8時/次，2次/天的PEMF中持續(xù)7天，通過檢測發(fā)現(xiàn)，PEMF提高了BMSC成骨標志物(BSP、BMP2、RUNX2、Col Ⅰ、Col Ⅲ)的mRNA和蛋白表達、Ca2+通道相關(guān)分子(CACNA1C、CACNA1E、CACNA1G、CACNA1I)的mRNA表達及p-ERK的蛋白表達，表明PEMF刺激促進了BMSC的成骨分化并在Ca2+、ERK、PKG信號之間出現(xiàn)了串擾。2017年Tong等[30]研究發(fā)現(xiàn)，PEMF(15Hz，5mT)對成骨細胞的作用依賴于胞內(nèi)的鈣瞬變，在細胞出現(xiàn)自發(fā)鈣瞬變的情況下，PEMF能夠促進成骨細胞的增殖、分化，反之則對成骨細胞沒有任何影響，并且PEMF無法誘導鈣瞬變的發(fā)生。由此可見，細胞內(nèi)Ca2+也是將PEMF信號轉(zhuǎn)化為生物信號的主要途徑之一。

4.TGF-β/BMP信號:轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)作為多功能生長因子，屬于TGF-β超家族。TGF-β/BMP與TGF-β特異性1型和2型或BMP絲氨酸/蘇氨酸激酶受體相互作用，通過經(jīng)典途徑(Smad依賴途徑)和非經(jīng)典途徑(Smad非依賴途徑)啟動信號級聯(lián)反應(yīng)。TGF-β亞型及其受體廣泛表達于軟骨、骨和滑膜組織，不僅維持整個關(guān)節(jié)的平衡和穩(wěn)態(tài)，還在骨和軟骨的組織工程構(gòu)建中起重要作用[31]。2014年Amin等[32]研究發(fā)現(xiàn)，0.4T，持續(xù)14天的靜磁場(static magnetic field，SMF)能夠促進含有TGF-β3培養(yǎng)基中人BMSC的GAG生成，并且SMF能夠提高培養(yǎng)基上清液中TGF-β的含量，而這些效應(yīng)可被TGF-β受體阻斷劑SB-431542所阻斷，該結(jié)果表明SMF可以通過TGF-β依賴的途徑誘導BMSC的成軟骨分化。2017年Selvamurugan等[33]將體外分離出的人BMSC置于15Hz，4h/d的PEMF中培養(yǎng)，于第23天(分化期)及第33天(礦化期)通過檢測發(fā)現(xiàn)PEMF促進了BMSC的pSmad2表達，并提高了分化期細胞中ALP和Col Ⅰ的表達，然而在加入TGF-β通路阻斷劑后pSmad2的表達被抑制，ALP和Col Ⅰ的表達隨之下降，該結(jié)果表明PEMF可以通過Smad2激活在分化和礦化成骨細胞中的TGF-β信號通路，增強成骨細胞分化標志物的表達，從而促進骨形成。因此，TGF-β信號通路可能在PEMF的軟骨及骨修復過程中發(fā)揮著重要作用。

5.OPG/RANK/RANKL信號:OPG/RANK/RANKL信號在破骨細胞成熟和活化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。RANKL是一種主要由骨細胞和成骨細胞表達的細胞表面蛋白，它與其特異性核因子κB受體激活蛋白(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)結(jié)合。RANK是破骨細胞膜上的一種自主蛋白，可以激活破骨細胞發(fā)生相關(guān)的信號通路。OPG是主要由成骨細胞分泌的RANKL的可溶性“誘餌受體”，通過阻斷RANKL/RANK信號通路的活性來阻止破骨細胞成熟。OPG/RANKL的平衡影響骨重建率，其比值的改變可能導致過度成骨或骨吸收。2013年Vincenzi等[34]將對人永生化軟骨細胞及人胎兒成骨細胞分別置于75Hz，1.5mT及2.5mT的PEMF中，24h后PEMF不僅可以顯著上調(diào)OPG的表達，而且還可以通過激活腺苷受體(A1、A2A、A2B、A3)來抑制活化的單核-吞噬細胞釋放炎性細胞因子，以此降低IL-1β誘導的核因子κB p65亞基的活性。2017年Zhou等[35]對雙側(cè)卵巢切除的大鼠給予3.8mT，8Hz，40min/d，5天/周，持續(xù)12周的PEMF刺激，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與手術(shù)組比較，PEMF可以顯著降低抗酒石酸酸性磷酸酶和骨小梁間距(Tb.Sp)，增加ALP活性、椎骨骨密度(BMD)、骨小梁體積比(Bv/Tv)、骨小梁數(shù)目(Tb.N)和骨小梁厚度(Tb.Th)，并抑制RANKL表達、促進OPG的表達來預防骨質(zhì)疏松所致的骨量流失。因此，PEMF可能通過OPG/RANK/RANKL信號對破骨細胞的成熟和活化發(fā)揮潛在的抑制作用。

6.FGF和VEGF信號：成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)信號能夠促進新血管形成，修復損害的內(nèi)皮細胞，其參與血管細胞和骨細胞之間的信號傳遞并在骨修復過程中是必不可少的。早在2002年Deckers等[36]報道，VEGF信號通路參與了成骨細胞和內(nèi)皮細胞在成骨過程中的相互作用、功能和調(diào)節(jié)關(guān)系。2010年Yun等[37]證實了FGF信號通路在成骨細胞的增殖以及血管生成中的重要作用。2008年Callaghan等[38]研究發(fā)現(xiàn)，15Hz，最大磁場密度12G，8h/d的PEMF能夠加速糖尿病小鼠和正常小鼠的創(chuàng)面愈合，并促進了體外培養(yǎng)小鼠內(nèi)皮細胞的增殖，上調(diào)體外人臍靜脈內(nèi)皮細胞培養(yǎng)液中FGF-2的含量，而將FGF基因敲除的小鼠致傷并暴露于PEMF中卻沒有觀察到傷口愈合的顯著改善，表明PEMF促進FGF-2的表達是促進傷口愈合的主要機制。綜上所述，F(xiàn)GF和VEGF通路在成骨及成血管方面產(chǎn)生積極作用，并可能通過增強兩者之間的相互作用來促進骨修復，PEMF通過該信號通路的促血管生成作用，對增進骨修復機制提供了另一種解釋。

7.其他信號通路：早在2006年P(guān)atterson等[39]研究發(fā)現(xiàn)，PEMF(15Hz，0.4mT)可以激活小鼠MC3T3-E1成骨細胞中PI3K/mTOR通路，進而促進成骨細胞成熟和分化。2011年Li等[40]在研究PEMF(8Hz，3.8mT，40min/d，持續(xù)30天)對雙側(cè)卵巢切除大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨細胞凋亡通路影響的研究中發(fā)現(xiàn)，PEMF能夠上調(diào)X連鎖凋亡抑制蛋白(X-linked inhibitor of apoptosis protein，XIAP)的表達，下調(diào)Bax的mRNA表達并抑制軟骨細胞的凋亡。2018年Bagheri等[41]在研究PEMF(75Hz，1.5mT，28天)誘導人BMSC向成骨分化過程中，發(fā)現(xiàn)Notch受體(Notch4)及其配體DLL4和胞核靶基因(Hey1、Hes1、Hes5)的表達水平上調(diào)。此外，加入Notch通路抑制劑能夠有效抑制成骨標志物(RUNX2、Dlx5、Osterix)以及Hes1和Hes5的表達，這表明Notch信號激活在PEMF誘導的成骨分化過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用。2020年楊建成等[42]總結(jié)出磁場對細胞骨架及骨鐵代謝具有影響。另外，研究發(fā)現(xiàn)PEMF在促進軟骨和骨形成過程中IGF-1的表達上升[14,43]。以上機制中涉及的信號通路仍有待深入研究。

五、展望