脈沖電磁場對骨髓間充質干細胞成骨分化影響的研究進展

劉朝輝,鄧葉龍,孔令俊,高文婷,李興國,楊德龍,唐仲海

(1.甘肅省中醫院,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省人民醫院,甘肅 蘭州 730000)

骨質疏松癥(osteoporosis,OP)是一種以骨組織微結構破壞、骨量減少、骨的脆性增加和易于骨折為特征的疾病[1]。骨吸收與骨形成失衡是導致OP的主要原因,而骨質疏松性骨折是OP的嚴重后果之一[2]。OP多見于中老年人,近年來我國的OP患者逐漸增多。口服抗骨質疏松藥物是OP的常用療法,但長期服用此類藥物容易引起胃腸道不良反應,甚至造成頜骨壞死或股骨頭壞死[3]。近年來,脈沖電磁場(pulsed electromagnetic fields,PEMFs)在OP的治療領域應用增多。PEMFs可通過共振效應促進成骨細胞的增殖和分化,從而發揮治療OP的作用。骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cell,BMSC)是一種具有多向分化能力的干細胞,其對OP的預防和治療具有重要作用。有關PEMFs促進BMSC成骨分化的報道較多,但具體作用機制尚不明確。本文就PEMFs對BMSC成骨分化影響的研究進展綜述如下。

1 PEMFs和BMSC概述

PEMFs是OP物理療法中的一種,具有無創、安全、有效的特點[4]。PEMFs的電磁效應由電流通過亥姆霍茲線圈產生,PEMFs的相關參數包括頻率、強度、波形等[5]。PEMFs能通過不同頻率和強度的脈沖電流改變人體的生物電磁場,從而起到改善骨代謝的作用。此外,PEMFs能啟動骨重建進程、加速骨發育過程,以及促進成骨細胞增殖、細胞外基質合成[6]。目前,PEMFs多用于骨關節炎和OP等疾病的治療。BMSC是一種具有自我復制和多向分化能力的干細胞,BMSC主要通過向組織特異性細胞增殖和分化,以及釋放生長因子等,達到治療炎癥和創傷的目的[7-9]。BMSC的成骨分化作用對OP的防治有重要價值。PEMFs能夠通過不同頻率、波形、強度的電流對BMSC產生特殊的生物效應[10],但其具體機制尚不清楚。

2 PEMFs對BMSC的作用

2.1 促進BMSC增殖有多數學者的研究結果表明,PEMFs能夠促進BMSC增殖。Dominici等[11]研究發現,PEMFs能通過改變BMSC的細胞周期促進其增殖。Wu等[12]對用超順磁性氧化鐵納米顆粒標記的大鼠BMSC進行了相關研究,發現暴露于PEMFs中心區的BMSC濃度高于外周區,表明PEMFs可誘導超順磁性氧化鐵納米顆粒標記的BMSC向磁場遷移。趙敏等[13]研究發現,與未經PEMFs刺激的BMSC相比,經PEMFs刺激的BMSC密度增加,且BMSC的體積隨著刺激時間的延長而增大。Simmons等[14]研究發現,采用PEMFs刺激BMSC后,BMSC的增殖速度增加。Jansen等[15]研究發現,PEMFs可能抑制BMSC增殖,認為這可能與細胞初始接種密度不同有關。由上述研究結論可知,PEMFs對 BMSC的作用可能與PEMFs的作用時間,以及BMSC的細胞來源、接種密度等有關。

2.2 促進BMSC成骨分化BMSC是脂肪細胞和成骨細胞的共同來源,BMSC的分化主要由過氧化物酶體增殖物激活受體和Runt相關轉錄因子(runt related transcription factor,Runx)-2調控,其中過氧化物酶體增殖物激活受體可促進BMSC向脂肪細胞分化,導致骨髓脂肪增加、骨密度降低;Runx-2可以通過調控基質金屬蛋白酶的分化,促進骨形成、抑制脂肪細胞生成[16]。Parate等[17]研究發現,使用PEMFs刺激BMSC后,X型膠原沉積增加,有利于BMSC的成骨分化。Li等[18]研究發現,PEMFs促進BMSC的成骨分化作用主要體現在兩個方面,一個是通過Runx-2促進成骨分化,一個是通過破骨細胞分化因子抑制破骨細胞形成。

PEMFs對BMSC的增殖和分化作用,因PEMFs的波形、頻率、強度、持續時間不同而存在差異。Song等[19]研究發現,兔來源BMSC經15 Hz、正弦波形PEMFs處理4 d后,BMSC的增殖率增加,且能維持約14 d。在PEMFs的所有參數中,頻率對細胞的生物學效應影響最大,而能對細胞產生生物學效應的頻率為1～100 Hz,這與人體骨骼系統的固有頻率接近[20-21]。Ehnert等[22]研究發現,PEMFs的頻率與人體固有頻率接近時,可以最大程度發揮PEMFs的作用。

Ca2+對人體的各項生理活動有重要作用,Ca2+的濃度變化可影響BMSC的增殖和分化[23]。PEMFs可引起細胞去極化,開放電壓依賴性Ca2+通道[24]。Wu等[25]研究發現,細胞外Ca2+的濃度變化可影響BMSC的成骨分化。Zhang等[26]研究發現,采用PEMFs刺激大鼠成骨細胞后,細胞內的Ca2+濃度發生了變化,認為PEMFs促進成骨細胞的成骨分化可能與細胞內Ca2+的移動導致Ca2+沉積有關。此外,Ca2+可通過胰島素樣生長因子-1誘導BMSC的成骨分化[27];骨橋蛋白特征肽可通過Ca2+-鈣調蛋白依賴性蛋白激酶/胞外信號調節激酶/活化蛋白-1信號通路促進BMSC的成骨分化[28]。

PEMFs可通過介導細胞外基質合成,增加堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)表達、促進骨鈣素(osteocalcin,OCN)和Ⅰ型膠原分泌。ALP和OCN是與成骨分化有關的重要指標,其中ALP是成骨細胞分化早期的標志物,OCN是反映成骨細胞功能的標志物[29]。Luo等[30]研究發現,采用50 Hz的PEMFs刺激BMSC(每日30 min),3 d后PEMFs組ALP的表達增加,7 d后PEMFs組的OCN表達增加,而對照組在同樣時間點未發現ALP或OCN表達增加,由此認為50 Hz的PEMFs對BMSC的成骨分化作用最為顯著。Zhou等[31]研究發現,經PEMFs刺激后,細胞中的 Runx-2和OCN的表達增加。Kaivosoja等[32]研究發現,采用15 Hz的PEMFs刺激BMSC后,BMSC內Runx-2、ALP和OCN的表達均增加。除了上述因素,PEMFs對BMSC的成骨分化作用還與成脂基因 AP-2、骨形態發生蛋白質(bone morphogenetic protein,BMP)-2、腺苷A2A和A2B受體等有關[33-36]。

3 PEMFs促進BMSC成骨分化的相關信號通路

PEMFs對BMSC的成骨分化作用機制,目前尚未完全清楚,可能與環磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)/cAMP依賴性蛋白激酶(cAMP-dependent protein kinase,PKA)、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)/胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)1/2、磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、Wnt/β-連環蛋白(catenin)信號通路等有關。

3.1 cAMP/PKA信號通路PEMFs可能通過cAMP/PKA信號通路促進BMSC的成骨分化。Siddappa等[37]研究發現,cAMP/PKA信號通路被激活后,白細胞介素-11、胰島素樣生長因子-1、BMP-2等的表達增加,可促進BMSC的增殖和分化。Yong等[38]研究發現,采用PEMFs刺激BMSC后,cAMP、Runx-2、BMP-2、OCN、ALP的表達增加;采用PKA特異性抑制劑H89作用于經PEMFs刺激的BMSC后,Runx-2、BMP-2、ALP的表達降低。

3.2 MAPK/ERK1/2信號通路MAPK是細胞信號轉導過程中的重要通路,廣泛存在于人體細胞內,與細胞的增殖、分化和凋亡密切相關[39]。MAPK信號通路有3條亞通路,分別是ERK1/2、p38MAPK和Jun激酶(Jun kinase,JNK)通路。PEMFs可能通過MAPK/ERK1/2信號通路促進BMSC的成骨分化[40]。方清清等[41]研究發現,PEMFs可通過p38MAPK通路促進成骨細胞礦化成熟。PEMFs是否能夠通過p38MAPK通路和JNK通路調控BMSC的成骨分化,還需進一步研究。

3.3 PI3K/Akt/mTOR信號通路mTOR是PI3K/Akt的下游底物,可通過改變真核細胞啟動因子4E結合蛋白和核糖體40S小亞基S6蛋白激酶的磷酸化狀態啟動細胞的翻譯過程,對細胞的生長有重要作用。Ferroni等[42-43]研究發現,PEMFs可以通過mTOR信號通路促進BMSC成骨分化并抑制其成脂分化。Schwartz等[44]研究發現,PEMFs可能通過PI3K/Akt信號通路促進BMP-2的分泌,進而提高 Runx-2的表達,從而加速BMSC的成骨分化。此外,PEMFs可以通過上調Akt、MAPK和ras相關GTP結合蛋白A來激活mTOR信號通路[37]。

3.4 Wnt/β-catenin信號通路Wnt/β-catenin信號通路廣泛存在于真核生物中,不僅對骨組織的發育有重要作用,而且在干細胞向成骨細胞分化的過程中起關鍵作用[45]。Shao等[46]研究發現,PEMFs可提高Wnt/β-catenin信號通路相關基因的表達,如Wnt1a和Wnt3a等。周予婧等[47]研究發現,PEMFs能促進BMSC成骨分化,且作用機制可能與Wnt/β-catenin信號通路被激活有關。

4 小 結

PEMFs能影響BMSC的增殖和分化,但具體作用機制尚未完全明確,可能與多條細胞信號通路有關。PEMFs對BMSC的作用,受PEMFs的參數和BMSC的來源等影響,未來可通過相關研究探討不同參數PEMFs對BMSC的具體作用和作用機制。