磁場對軟骨和骨組織影響的研究進展

肖逸雯，申秦顥，尹康

(昆明醫科大學附屬口腔醫院a.正畸科，b.牙周科，昆明 650106)

地球表面存在20～65 μT的弱磁場。磁場根據強度分為弱磁場(<1 mT)、中磁場(1 mT～1 T)、強磁場(1～5 T)和超強磁場(>5 T)；根據頻率又可分成靜磁場(static magnetic field，SMF)和動磁場，動磁場分成脈動磁場、脈沖磁場和交變磁場，其中脈沖電磁場(pulsed electromagnetic field，PEMF)是由帶電物體產生的一種物理磁場，SMF磁感應強度和方向不隨時間變化。隨著科學技術的發展，磁被廣泛應用于生產和生活的各個方面，生物個體暴露于不同強度磁場的機會增加，因此磁場對生物個體的影響受到廣泛關注。2 000年前，古代中醫用磁石治療風濕、水腫和頭痛。自1979年電磁場被美國食品藥品管理局批準用于治療骨病以來，磁研究涉及心血管、內分泌和骨骼系統等領域，磁場單獨或與其他物理化學物質結合使用可明顯減輕部分疼痛，改善疾病癥狀[1]。自Bassett等[2]首次報道電磁場可加速骨折愈合以來，有研究表明PEMF和SMF治療多種骨病效果滿意，如促進骨折愈合、骨形成、加速骨生長以及抑制骨丟失[3-5]，并可刺激軟骨細胞增殖，增加基質合成，可用于關節炎的治療[6-7]。以上研究提示，PEMF和SMF可作為維持和治療軟骨和骨疾病的潛在物理療法。現就磁場對軟骨和骨組織影響的研究進展予以綜述。

1 磁場對軟骨的影響

1.1磁場對軟骨細胞的影響 軟骨由軟骨細胞和胞外基質組成，其中軟骨細胞合成并分泌Ⅱ型膠原和蛋白聚糖。蛋白聚糖帶負電荷并具有吸水性，能維持軟骨的彈性和關節面潤滑。研究發現，磁場可影響軟骨細胞的生成[8-9]，PEMF通過開放電壓敏感鈣通道以刺激DNA合成，促進人軟骨細胞增殖以及細胞外基質Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的合成[10]，并抑制軟骨細胞凋亡[11]。PEMF可能通過以下途徑發揮作用：①電動勢可改變鈣離子在細胞膜上的通量，導致胞質鈣離子水平升高，一氧化氮合成增加，從而激活一氧化氮-環鳥苷酸-蛋白激酶G通路，促進軟骨細胞增殖[9]；②抑制促分裂原活化的蛋白激酶發揮作用[12]；③上調X連鎖凋亡抑制蛋白以及下調Bax的表達，從而抑制軟骨細胞凋亡[13]。但有研究發現，經PEMF處理后軟骨細胞的增殖和細胞外基質糖胺聚糖的合成無顯著變化[14]，這可能與磁場的強度、暴露時間、細胞來源、治療組合等有關；而細胞增殖效應與血清濃度、細胞密度和生長階段等有關。

1.2磁場可作為腺苷受體A2A和A3的激動劑 腺苷是一種遍布于人體細胞的內源性核苷，其與4種細胞表面腺苷受體亞型(A1、A2A、A2B和A3)結合，這些亞型與不同的G蛋白偶聯，從而抑制單核巨噬細胞釋放炎癥因子，其中腺苷受體A2A的抗炎活性最高。腺苷水平在軟骨中受到嚴格調控，腺苷受體激動劑具有保護關節軟骨的作用[15]。Ongaro等[16]發現，磁場對細胞膜上的腺苷受體A2A和A3有直接作用，PEMF可上調人軟骨細胞中腺苷受體A2A和A3的表達，抑制促炎因子表達，而促炎因子[前列腺素E2、白細胞介素(interleukin，IL)-6、8和IL-10等]的分解代謝作用會引起軟骨退化。另一項研究表明，軟骨外植體暴露于PEMF后蛋白聚糖合成增加，當向培養基中加入IL-1β后，蛋白聚糖的合成顯著減少；但當培養物暴露于PEMF后，蛋白聚糖合成又恢復至基礎水平，表明PEMF可逆轉IL-1β對軟骨基質的分解代謝作用[17]。有學者發現，胰島素生長因子-1與PEMF刺激具有協同增效作用，能促進全厚度軟骨外植體的合成代謝活動，抵消促炎因子IL-1β的分解代謝作用[7]。以上研究表明，PEMF可作為腺苷受體A2A和A3的激動劑發揮抗炎作用。

1.3磁場對關節軟骨的保護作用 關節軟骨中無血管、神經以及淋巴組織，小幅度重復或長時間超負荷運動可致軟骨損傷，局部軟骨細胞迅速凋亡，隨著關節內部結構的破壞，會引發骨關節炎(osteoarthritis，OA)。炎癥細胞和促炎因子的激活可致細胞外基質降解，損傷軟骨的機械性能。近年來，磁場作為一種非侵入性的治療手段對OA有積極作用，不僅能促進軟骨細胞的合成代謝，還能抑制分解代謝，刺激細胞因子[如轉化生長因子(transforming growth factor，TGF)-β]表達以抑制炎癥過程引起的軟骨細胞和細胞外基質減少。Ciombor等[18]首次報道PEMF能延緩豚鼠OA發展。PEMF通過靶向TGF-β刺激細胞外基質蛋白聚糖表達，并直接抑制基質金屬蛋白酶和IL-1β的活性，加速組織修復，維持關節軟骨形態[18]。有學者利用前交叉韌帶切除術建立兔OA模型發現，電磁場刺激下調了分解代謝因子(如血清腫瘤壞死因子-α和胱天蛋白酶3、8)的表達，從而抑制軟骨細胞凋亡，防止軟骨退化[19]。PEMF有滲透整個關節軟骨及下方軟骨下骨的能力。研究顯示，PEMF通過作用于軟骨和軟骨下骨抑制OA進展，其顯著降低了軟骨組織學Mankin′s評分，減少軟骨不規則表面的產生，提高了蛋白聚糖含量，增加了軟骨厚度；增加軟骨下骨骨小梁厚度和骨小梁間距，減少了骨小梁數目，從而避免OA軟骨下骨骨硬化[20]。其機制可能與Wnt/β聯蛋白和骨保護素/核因子κB受體活化因子配體/核因子κB受體活化因子信號通路激活有關，從而保護軟骨下松質骨的微結構[21]。可見，PEMF具有用于OA輔助治療的潛力，其可抑制軟骨細胞凋亡和炎癥細胞因子生成，同時提高軟骨細胞和軟骨下骨的合成代謝活性，促進基質合成，增強修復反應，最終防止軟骨退化，阻止OA進展。

1.4磁場與軟骨組織工程 干細胞具有獨特的自我更新和分化為多種細胞的能力，在組織再生和維持動態平衡方面發揮重要作用。干細胞在體內受物理和化學因素刺激，如磁場、流體剪切力、營養因子以及底物應變等，根據所處微環境及刺激分化成所需組織。研究表明，PEMF能提高骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC)的增殖率，且BMSC開始增殖時間更早，在指數生長期細胞密度可增加20%～60%[22]。磁場不僅刺激細胞增殖，也可影響細胞周期，磁場刺激后可使代表DNA合成期的S期細胞百分比增加[23]。此外，Ren等[24]觀察到電磁場有促進人間充質干細胞向軟骨細胞分化的能力，軟骨細胞外基質Ⅱ型膠原和蛋白聚糖表達增加，其可能通過上調TGF-β表達實現[25]。以上研究提示，磁場刺激BMSC向軟骨細胞分化，為軟骨組織工程的再生醫學提供了新見解。

關節軟骨因血供限制而缺乏再生能力，組織工程是實現軟骨重建的重要策略。組織工程的三要素為信號、細胞和支架，其中信號因子骨形態發生蛋白和TGF促進關節軟骨細胞和滑膜細胞分泌潤滑脂[26]，為組織工程再生低摩擦關節提供有益條件。磁場可通過上調骨形態發生蛋白2的表達，提高成骨效應[27]。Amin等[25]也報道，PEMF通過TGF-β途徑促進軟骨細胞分化。支架為MSCs的生長或軟骨細胞附著、增殖、活化及胞外基質沉積提供了微環境，但病變炎癥環境中的炎癥細胞因子可使細胞向成纖維表型分化，并引起支架降解，故支架和細胞移植微環境非常重要。PEMF與組織工程結合能促進植入細胞和周圍組織的合成代謝，保護細胞免受炎癥分解影響，PEMF通過增強腺苷受體A2A和A3的表達，從而抑制核因子κB信號轉導途徑[28]。核因子κB不僅在軟骨炎癥應激反應中起核心作用，還調控軟骨細胞外基質蛋白的積累重塑。此外，PEMF還可促進植入的支架與周圍組織融合，如犬膝關節軟骨缺損植入支架后，PEMF有助于骨整合、早期穩定移植物，防止移植后軟骨下骨再吸收，對軟骨再生有積極影響[29]。兔膝關節軟骨缺損植入骨髓濃縮物和支架后，PEMF能明顯增加軟骨細胞密度、基質蛋白聚糖含量，并改善骨小梁結構，有助于軟骨組織的再生[30]。綜上可知，PEMF通過雙重作用促進組織工程再生產：①刺激細胞增殖、支架定植以及組織基質產生；②手術植入支架后防止植入細胞和周圍組織免受炎癥分解代謝的影響。

2 磁場對骨組織的影響

2.1磁場對成骨細胞、BMSC和骨細胞的影響 骨主要由成骨細胞、BMSC、骨細胞和破骨細胞組成，是一種不斷更新的組織。骨折修復和重建需成骨細胞參與。成骨細胞的分化分為三個階段：增殖、基質成熟和礦化，可根據成骨細胞特異性標志物堿性磷酸酶、骨鈣素、Runt相關轉錄因子2、骨形態發生蛋白2以及礦化結節等確定分化程度。目前研究涉及的成骨細胞系有大鼠成骨肉瘤細胞ROS17/2.8、大鼠骨肉瘤細胞UMR 106和人骨肉瘤細胞MG63，磁場可促成骨細胞增殖，但存在一定爭議。如暴露在SMF(160、280、340 mT)下2～10 d對大鼠成骨肉瘤細胞ROS17/2.8和大鼠骨肉瘤細胞UMR 106的增殖率無影響[31]。Huang等[32]將人骨肉瘤細胞MG63暴露于SMF(400 mT)1 d后發現，細胞廣泛突起呈星形，并在表面形成多層結構。同時該研究還發現，SMF可促進人骨肉瘤細胞MG63增殖，但促增殖作用依賴于初始細胞密度，在特定初始密度下接種可促進細胞增殖[32]。其原因可能為當細胞增殖到一定程度時，會產生細胞間接觸抑制。此外，SMF還可上調早期成骨細胞分化標志物骨形態發生蛋白2、Runt相關轉錄因子2信使RNA的表達及基質合成，并促進成骨細胞礦化結節形成[33]。

PEMF能促進BMSC的定向遷移、成骨向分化過程中的細胞增殖，上調成骨相關基因和蛋白(如骨鈣素、堿性磷酸酶和Runt相關轉錄因子2)的表達，并可上調BMSC成骨向分化過程早中期標志物堿性磷酸酶的活性，促進細胞外基質礦化[34]。BMSC是成骨細胞的來源，磁場有助于促進骨組織工程種子細胞向成骨向分化，為骨折的治療提供新思路。

骨細胞鑲嵌于礦化基質中，是成熟骨組織的主要細胞。Qian等[35]體外培養骨細胞MLO-Y4發現，16 T的SMF對細胞突起數量、細胞面積及細胞長度比等無影響，但可提高骨細胞存活率。磁場可促進BMSC向成骨細胞分化，在一定程度上促進成骨細胞遷移、增殖、成熟及基質礦化，并可提高骨細胞存活率。

2.2磁場對骨生成、骨折愈合和骨質疏松的作用 磁場不僅在體外培養的細胞中發揮積極作用，在體內也會產生積極效應。在口腔頜面重建過程中，SMF易于使用且能促進種植體周圍骨形成。Naito等[3]將內部攜帶釹磁體的種植體放置在兔股骨內以研究SMF對骨形成的影響，12周后SMF暴露組骨愈合增強，不僅增加了新骨形成，還顯著提高了骨-種植體接觸率。Kim等[36]在兔脛骨植入內含磁鈦種植體，微計算機斷層掃描技術三維重建顯示SMF促進了植入物周圍骨形成，芯片分析及實時定量聚合酶鏈反應證實，細胞外基質相關基因(Col10a1、Col9a1和Col12a1)和生長因子相關基因(結締組織生長因子和人血小板衍生生長因子D)的表達上調，參與成骨或成骨細胞分化的促分裂原活化的蛋白激酶和Wnt信號通路在種植體愈合過程中發揮積極作用，此外細胞外基質相關基因的上調也促進了骨愈合。

1974年，有研究者發現電磁場可加速骨折愈合，并增加骨折間隙的穩定性和剛度[2]。Oltean-Dan等[4]也發現PEMF促進了截骨大鼠股骨愈合，與未采用PEMF治療的對照組相比，持續2周PEMF治療的實驗組大鼠骨折缺損完全被間充質結締組織、透明軟骨和新生骨填充，并與骨折缺損的兩端結合。Aydin和Bezer[37]在兔股骨髓腔植入磁棒證實，SMF能促進骨折愈合，但對骨密度影響較小。SMF促進骨折愈合的可能機制為增加骨折部位的血流量，聚集氧氣和營養物質，清除緩激肽和前列腺素等炎癥物質，從而加快整個愈合過程。并且，在磁場刺激下貼壁成骨細胞數量增加，鈣離子與骨折處血塊的黏附性顯著增強，這對骨痂形成和骨折愈合有積極影響[38]。

用后肢懸吊模擬失用性骨質疏松發現，PEMF增加了骨小梁厚度、緩解了皮質骨微結構惡化，降低了股骨力學性能，提高了血清骨形成標志物(如骨鈣素和Ⅰ型前膠原N端肽)的水平，并通過Wnt信號轉導通路促進間充質干細胞向成熟成骨細胞分化，以增加細胞的合成代謝活性，從而減輕失用性骨質丟失[39]。Zhang等[5]發現，全身暴露SMF持續16周可抑制鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠骨小梁和皮質骨結構退化以及機械強度的降低，并增加血清骨鈣素的水平以及骨形態發生蛋白2、骨鈣素和Runt相關轉錄因子2基因的表達，從而防止糖尿病引起的骨質疏松、骨結構惡化和骨質量下降。可見，磁場可促進植入體周圍骨生成，對骨折愈合和骨質疏松有積極影響，對骨病有潛在的輔助治療作用。

3 磁場作用于軟骨和骨組織的機制

機體與磁場相互作用的物理機制為：①電動相互作用。骨基質中的膠原蛋白帶負電，而帶正電的陽離子游離于骨髓間隙的液體中；此外細胞膜內為負電荷，膜外為正電荷。在磁場作用下帶電離子發生定向移動，導致細胞內磁通量變化而產生感應生物電流[40]，進而對跨膜蛋白信號轉導產生一定影響，引發信號級聯反應[41]，從而影響軟骨和骨細胞的結構和功能。②磁機械相互作用。骨組織膠原纖維和無機羥基磷灰石具有抗磁性，但磁化系數比較小，約為10-5，若磁梯度足夠大可使膠原和成骨細胞沿磁場方向定向排列[38]，這也為未來組織工程干細胞定向遷移提供可能。③自由基對效應。中等強度磁場可改變自由基反應的速率、產率或產物分布[39]，有研究表明鳥類在依靠地磁飛行時，自由基對理論，發揮重要作用[42]，但目前尚不清楚磁場是如何通過該理論對軟骨和骨組織發揮生物學效應。

4 小 結

磁場在抑制骨關節炎進展、促進骨骼生長發育、治療某些常見骨病和骨再生醫學中起著積極作用。磁場在維持骨健康和骨病治療中具有廣闊的前景。但由于研究有限，磁場暴露導致的生物學效應并不一致，如磁場刺激后軟骨細胞和成骨細胞增殖反應不一，這可能取決于磁場強度、磁場暴露持續時間、細胞類型及治療的組合等，需對一系列參數進行系統分析，找出原因。磁場對軟骨和骨組織的確切作用機制尚不清楚，需進一步研究。未來為更全面地研究磁場對骨骼系統的影響，磁強度應從低到高、從體內到體外、從實驗室研究到臨床試驗進行更加系統的研究。