低频电磁场对骨骼愈合的作用

低频电磁场对骨骼愈合作用综述自从1977年Bassett等提出采用极低频电磁场(extremelylowfrequencyelectromagneticfields，ELFEMF)治疗骨不连，并在临床上取得满意的效果以来，ELFEMF对骨组织的作用一直受到相关学者的重视。近年来，有关实验研究和临床应用的资料相继问世，并且治愈了很多骨科疾病，所以，低频电磁场在生物学和医学领域中已成为一种重要的研究工具，而且也成为很有发展前途的一种理疗方法。本文就低频脉冲电磁场促进骨愈合方面进行综述。1低频电磁场低强度脉冲电磁场，是指频率1—100Hz，强度低于100Gs的低频、低强度调制磁场，在保留静态磁场治疗作用的基础上，使磁疗辐射产生强度可调的交变脉冲动态磁场；动态磁场强度可从5Hz到100Hz范围内调节，充分发挥出各个频率磁场的磁疗作用；不同的电磁场强度和频率有不同的生物效应。对骨代谢中成骨作用较有影响的频率为75Hz以下，而在正弦磁场影响骨代谢的研究中发现当频率波动在15—35Hz范围内时所诱导的成骨效应最明显。低频脉冲电磁场作用于骨组织，不产生热效应，而产生类似于流体机械塑形的作用，并通过不对称的宽幅脉冲影响许多异常的生物过程，进而改善骨骼、肌肉和其他系统的病理状态，抑制骨吸收，促进骨形成。为利用脉冲电磁场发送人体生物波治疗骨质疏松是九十年代末开始临床使用。它采用高能抗谐振低频变化脉冲电磁场改变人体生物静电与改善生物场这一原理，作用于成骨细胞，促使细胞进行有丝分裂和成熟细胞的增生来治疗骨质疏松。现代医学研究证明：电刺激能促进骨组织生长骨是具有压电效应的物质，当它受到机械压力后能将机械能转化为电能，产生应力电位J，负电能刺激新骨的形成。正常有生命的骨骼具有特定的生物电，即稳态电位，这种电位有特定的分布模式，骨折后能立即改变，骨折端电势最低，这种负电环境十分有利于骨折的愈合。骨的生物电现象与细胞代谢有关，若动物死亡，2h就会消失。由于各种脉冲电会对人体产生一定的场强，场强出现场压，这种场压作用在骨头上，会使骨头的场强发生变化。人体骨头本身有一定的生物场，而且是一个稳定的生物场，一旦打破了这个生物场，用外界的生物场去刺激，就会改变局部生物场的变化，在能量和强度都可以控制的情况下，可以加速骨组织的生长，达到预防和治疗骨质疏松及治疗骨折的目的，与药物配合应用疗效更好。2生化指标的研究血清骨钙素(boneglaprotein，BGP)、碱性磷酸酶(alka—linephosphatase，ALP)和尿脱氧吡啶诺林(deoxypyridino—line，DPD)是常用的评价骨转化的生化指标。ALP是成骨细胞的早期标志酶，在成骨过程中水解磷酸酯，为羟基磷灰石的沉积提供必要的磷酸，有利于成骨，表明成骨分化的开始。ALP测定主要反映骨形成功能，ALP来自于骨，另外主要来自肝脏。在影响肝功能因素较小的动物实验中，血清总ALP可比较确定地反映骨形成功能状态。白孟海等观察脉冲磁场对去势大鼠ALP变化规律的研究时发现，PEMFs治疗3个月的去势大鼠血清ALP与去势对照组相比，有显著性降低，提示脉冲电磁场能使去势大鼠血清ALP水平降低。BGP是成骨细胞特异性合成并分泌的一种非胶原蛋白，在钙离子存在条件下，与羟磷灰石结合并稳定其构象，被认为是向成骨细胞分化最特征性的标志物u。申广浩等观察不同强度PEMFs对去势后大鼠骨质疏松症的影响，发现PEMFs可以降低血清BGP水平，低磁场强度组降低水平优于高磁场强度组。尿脱氧吡啶酚(DPD)仅见于细胞外I型胶原蛋白中，由于I型胶原蛋白转换的主要部位在骨，DPD几乎仅在骨中存在。DPD作为破骨细胞降解的副产品被释放人血，并在尿中排泄。尿DPD是反映骨吸收的生化指标。李晨等在PEMFs对绝经后骨质疏松症影响的实验中测量大鼠骨转化生化指标(血清ALP、破骨细胞OC、尿脱氧吡啶诺林DPD)，结果显示与假手术组比较，其余各组血清ALP、OC和尿DPD均有所下降。3极低频电磁场对成骨细胞增殖与分化的影响低频脉冲电磁场对成骨细胞增殖和分化的影响在非OP状态下，成骨细胞和破骨细胞通过“偶联”机制保持动态平衡，维持正常的骨重建。成骨细胞不仅是骨形成的直接承担者，而且通过细胞与细胞(cell—to—cel1)直接接触方式调节破骨细胞分化、增殖、生存、融合功能，所以是骨形成的关键因素。在绝经后骨质疏松状态，激活的成骨细胞和破骨细胞的数量都会增加，但单个成骨细胞形成新骨的能力下降是导致骨量和骨强度下降的根本原因。即成骨细胞的成骨活性对维持正常的骨量和骨强度有重要意义，因此也成为了目前的研究热点。基础研究表明PEMFs可以促进骨形成，抑制骨吸收，延缓骨量丢失。PEMFs通过增加成骨细胞数量、活性和抑制成骨细胞凋亡直接促进骨形成。PEMFs对大鼠颅骨成骨细胞fROB)的影响主要表现在促进其分化，且这种作用存在较为敏感的“强度窗”效应。李志锋等将ROB暴露于50Hz，0．14mT、0．16roT和0．18mT的PEMFs进行干预，测定细胞增殖率、ALP活性和BMP一2mRNA的表达。结果显示0．14mT的PEMFs对ROB增殖和分化均无明显影响；0．16mT、0．18mT的PEMFs可明显提高ALP活性，并上调BMP一2mRNA表达。TsaiMT等将大鼠颅骨成骨细胞分别暴露于磁场为0．13mT，0．24mT和0．32mT的PEMFs中，波宽为300Vs的矩形方波，频率7．5Hz。观察发现2h组和8h组0．13mT磁场组细胞数量在第6天和第l2天增加，8h组在第18天细胞数目减少。ALP表达在第12天和第18天先减少后增加。而0．32mT组在观察时间内抑制了细胞增殖，但使ALP表达增高。结果表明PEMFs在一定的刺激强度下可以影响成骨细胞的增殖和分化。3.1不同波形ELEF对成骨细胞增殖能力的影响表1为不同波形ELEF作用下，采用MTT方法所测得的成骨细胞增殖率的变化。从表1可以看出，矩形波、矩形脉冲波ELEF均可以促进成骨细胞增殖(P0.05)，其中，矩形脉冲ELEF促进增殖的作用更明显(P0.01)。而正弦波ELEF明显抑制成骨细胞增殖(P0.01)；三角波ElEF对成骨细胞增殖无影响(P0.05)。3.2不同波形ELEF对成骨细胞分化能力的影响表2为不同波形ELEF作用下，成骨细胞ALP活性的变化。可以看出，矩形波、矩形脉冲波ELEF可抑制成骨细胞分化ALP活性(P0.05)，正弦波ELEF可明显促进成骨细胞AIP活性增强(P0.01)，而三角波ELEF对成骨细胞AIP活性无显著影响(P0.05)。4相关实验研究4.1低频电磁场对男性骨密度的影响选取长期于低频电磁场下作业的男性员工140名设为研究组，同系统非低频电磁场下作业的男性员工140名设为对照组。对两组进行了血钙、血磷、碱性磷酸酶和指骨骨密度的检查，同时抽血进行了N．端骨钙素(N。MID)、总I型胶原氨基端前肽(tPINP)和p一胶原降解产物(13-CTX)的测定。以下为此实验相关数据：实验数据可以看出，研究组指骨骨密度T值、血磷、N—MID均高于对照组，血钙、13一CTX低于对照组，比较差异有统计学意义(P0.05)；碱性磷酸酶和tPINP水平高于对照组，但差异不明显。指骨骨密度与N—MID和tPINP呈正相关，与3-CTX呈负相关。结论：低频电磁场对骨质疏松有正面影响，血清N．MID、tPINP和B—CTX检测可较好反映骨代谢情况。4.2低频脉冲电磁场治疗骨关节炎的有效性与安全性80例骨关节炎患者运用低频脉冲电磁场方法进行治疗。以患者的疼痛程度视觉类比量表(VAS)评分、WOMAC骨关节炎指数评分在治疗开始前、治疗开始后1周、治疗开始后1个月、治疗开始后3个月的变化对患者进行疗效评估；以患者治疗前后重要生命体征和实验室检查结果进行安全性评估。实验数据如下：通过本实验，我们看到，低频脉冲电磁场能较快缓解患者的关节疼痛及关节活动受限，在治疗开始后1周患者的疼痛程度VAS评分就出现了有统计学意义的下降，同时患者的WOMAC骨关节炎指数也出现了有统计学意义的下降。而在治疗开始后的1个月，患者疼痛程度VAS评分及WOMAC骨关节炎指数表现出了进一步的下降。甚至在治疗开始后的3个月，患者疼痛程度VAS评分及WOMAC骨关节炎指数仍在进一步下降。以上结果提示，低频脉冲电磁场疗法应用于骨关节炎的治疗，具有起效快、作用持久的特点。4.3低频弱脉冲电磁场作用下成骨细胞的实时表面增强拉曼光谱研究用出生5d的Wistar品系小鼠的颅骨接种成骨细胞并传代。应用表面增强拉曼光谱技术实时的方法采集不同磁场作用时间内低频率(50Hz)、低强度(0.30mT)脉冲电磁场作用下的成骨细胞的拉曼光谱。每隔1min采集一次，至作用8min止；并与电磁场作用前采集的拉曼光谱做比对。图2给出无场和电磁场作用8min内的拉曼光谱，以电磁刺激8min时的谱图为例指认其中的特征峰，其所代表的化学基团由表1给出。比较电磁场作用前后和作用8min内不同时刻的拉曼光谱，可知其对成骨细胞膜蛋白和磷脂分子的构象有一定影响：表征膜蛋白中氨基酸侧链和磷脂C—C键骨架的特征峰的位移只发生了小幅变化，说明实验电磁场对细胞膜无损伤作用；在其作用之初的4.0～5.0min内，表征蛋白质构象信息的6个拉曼特征峰的相对强度随时间逐渐增加。揭示了构象发生改变的膜蛋白数量随电磁场作用时间的延长而增多。：实验探测到成骨细胞对低频脉冲电磁场的最初响应机制，表现为膜蛋白构象的有序变化。这为进一步探索由电磁刺激而激活的成骨细胞一系列信号转导通路的上游机制提供了有力的依据。5意义和展望经过近2O年的临床应用和基础研究，脉冲电磁场疗法对骨病的治疗作用已得到肯定。由于PEMF刺激成骨效应具有无创性、操作简便、适用范围广和并发症少等优点，故其在临床上(尤其是骨科、康复科)的应用日趋广泛。综上所述，涉及将电磁技术用于临床治疗的研究横跨医学及电磁物理学领域，这项边缘、交叉性的研究课题目前仍存着这许多方面的挑战。关于磁场治疗骨折其最适强度是多少以及长期暴露于磁场是否对人体有影响等尚需进一步研究。相信随着现代科技、高新技术、高新材料的深入发展，PEMF在医学治疗领域中将展现出更为广阔的应用前景。参考文献：[1]洪修鄂,江让.脉冲电磁场促进骨愈合[J].物理医学与运动医学,1982,(4):151.[2]张克文.骨质疏松与低频电磁场[J].中国临床保健杂志,2008,11(4):446.[3]张建保,张晓军.极低频电磁场对大鼠成骨细胞的影响[J].生物医学工程学杂志,2007,24(5):1058-1060.[4]江嘉昕,陈锦武,黄霖.低频电磁场对男性骨密度的影响分析[J].新医学,2013,3(44):193.[5]火焱,陈德志等.低频脉冲电磁场治疗骨关节炎的有效性与安全性的观察[J].中国医药科学,2013,13(3):9.[6]吴华.脉冲电磁场促进骨愈合的研究现状[J].医学研究生学报,2008,1(1):3.[7]夏璐,何成奇.低频脉冲电磁场治疗原发性骨质疏松症的实验研究进展[J].中国医学康复杂志,2011,26(12):1190.[8]宋昆,宋纪勇.低频弱脉冲电磁场作用下成骨细胞的实时表面增强拉曼光谱研究[J].基础医学,2007,40(11):431.[9]许巍,张廷芳.脉冲电磁场对体外成骨细胞的作用及影响[J].中国医药指南,2012,17(10):431.