低頻電磁場對骨骼愈合的作用

低頻電磁場對骨骼愈合作用綜述自從1977年Bassett等提出采用極低頻電磁場(extremelylowfrequencyelectromagneticfields，ELFEMF)治療骨不連，并在臨床上取得滿意的效果以來，ELFEMF對骨組織的作用一直受到相關學者的重視。近年來，有關實驗研究和臨床應用的資料相繼問世，并且治愈了很多骨科疾病，所以，低頻電磁場在生物學和醫(yī)學領域中已成為一種重要的研究工具，而且也成為很有發(fā)展前途的一種理療方法。本文就低頻脈沖電磁場促進骨愈合方面進行綜述。1低頻電磁場低強度脈沖電磁場，是指頻率1—100Hz，強度低于100Gs的低頻、低強度調(diào)制磁場，在保留靜態(tài)磁場治療作用的基礎上，使磁療輻射產(chǎn)生強度可調(diào)的交變脈沖動態(tài)磁場；動態(tài)磁場強度可從5Hz到100Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，充分發(fā)揮出各個頻率磁場的磁療作用；不同的電磁場強度和頻率有不同的生物效應。對骨代謝中成骨作用較有影響的頻率為75Hz以下，而在正弦磁場影響骨代謝的研究中發(fā)現(xiàn)當頻率波動在15—35Hz范圍內(nèi)時所誘導的成骨效應最明顯。低頻脈沖電磁場作用于骨組織，不產(chǎn)生熱效應，而產(chǎn)生類似于流體機械塑形的作用，并通過不對稱的寬幅脈沖影響許多異常的生物過程，進而改善骨骼、肌肉和其他系統(tǒng)的病理狀態(tài)，抑制骨吸收，促進骨形成。為利用脈沖電磁場發(fā)送人體生物波治療骨質(zhì)疏松是九十年代末開始臨床使用。它采用高能抗諧振低頻變化脈沖電磁場改變?nèi)梭w生物靜電與改善生物場這一原理，作用于成骨細胞，促使細胞進行有絲分裂和成熟細胞的增生來治療骨質(zhì)疏松?，F(xiàn)代醫(yī)學研究證明：電刺激能促進骨組織生長骨是具有壓電效應的物質(zhì)，當它受到機械壓力后能將機械能轉化為電能，產(chǎn)生應力電位J，負電能刺激新骨的形成。正常有生命的骨骼具有特定的生物電，即穩(wěn)態(tài)電位，這種電位有特定的分布模式，骨折后能立即改變，骨折端電勢最低，這種負電環(huán)境十分有利于骨折的愈合。骨的生物電現(xiàn)象與細胞代謝有關，若動物死亡，2h就會消失。由于各種脈沖電會對人體產(chǎn)生一定的場強，場強出現(xiàn)場壓，這種場壓作用在骨頭上，會使骨頭的場強發(fā)生變化。人體骨頭本身有一定的生物場，而且是一個穩(wěn)定的生物場，一旦打破了這個生物場，用外界的生物場去刺激，就會改變局部生物場的變化，在能量和強度都可以控制的情況下，可以加速骨組織的生長，達到預防和治療骨質(zhì)疏松及治療骨折的目的，與藥物配合應用療效更好。2生化指標的研究血清骨鈣素(boneglaprotein，BGP)、堿性磷酸酶(alka—linephosphatase，ALP)和尿脫氧毗啶諾林(deoxypyridino—line，DPD)是常用的評價骨轉化的生化指標。ALP是成骨細胞的早期標志酶，在成骨過程中水解磷酸酯，為羥基磷灰石的沉積提供必要的磷酸，有利于成骨，表明成骨分化的開始。ALP測定主要反映骨形成功能，人匚?來自于骨，另外主要來自肝臟。在影響肝功能因素較小的動物實驗中，血清總ALP可比較確定地反映骨形成功能狀態(tài)。白孟海等觀察脈沖磁場對去勢大鼠ALP變化規(guī)律的研究時發(fā)現(xiàn)，PEMFs治療3個月的去勢大鼠血清ALP與去勢對照組相比，有顯著性降低，提示脈沖電磁場能使去勢大鼠血清ALP水平降低。BGP是成骨細胞特異性合成并分泌的一種非膠原蛋白，在鈣離子存在條件下，與羥磷灰石結合并穩(wěn)定其構象，被認為是向成骨細胞分化最特征性的標志物u。申廣浩等觀察不同強度PEMFs對去勢后大鼠骨質(zhì)疏松癥的影響，發(fā)現(xiàn)PEMFs可以降低血清BGP水平，低磁場強度組降低水平優(yōu)于高磁場強度組。尿脫氧毗啶酚(DPD)僅見于細胞外I型膠原蛋白中，由于I型膠原蛋白轉換的主要部位在骨，DPD幾乎僅在骨中存在。DPD作為破骨細胞降解的副產(chǎn)品被釋放人血，并在尿中排泄。尿DPD是反映骨吸收的生化指標。李晨等在PEMFs對絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥影響的實驗中測量大鼠骨轉化生化指標(血清ALP、破骨細胞0。、尿脫氧毗啶諾林DPD)，結果顯示與假手術組比較，其余各組血清ALP、0C和尿DPD均有所下降。3極低頻電磁場對成骨細胞增殖與分化的影響低頻脈沖電磁場對成骨細胞增殖和分化的影響在』EOP狀態(tài)下，成骨細胞和破骨細胞通過“偶聯(lián)”機制保持動態(tài)平衡，維持正常的骨重建。成骨細胞不僅是骨形成的直接承擔者，而且通過細胞與細胞(cell—to—cell)直接接觸方式調(diào)節(jié)破骨細胞分化、增殖、生存、融合功能，所以是骨形成的關鍵因素。在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松狀態(tài)，激活的成骨細胞和破骨細胞的數(shù)量都會增加，但單個成骨細胞形成新骨的能力下降是導致骨量和骨強度下降的根本原因。即成骨細胞的成骨活性對維持正常的骨量和骨強度有重要意義，因此也成為了目前的研究熱點。基礎研究表明PEMFs可以促進骨形成，抑制骨吸收，延緩骨量丟失。PEMFs通過增加成骨細胞數(shù)量、活性和抑制成骨細胞凋亡直接促進骨形成。PEMFs對大鼠顱骨成骨細胞fROB)的影響主要表現(xiàn)在促進其分化，且這種作用存在較為敏感的“強度窗”效應。李志鋒等將ROB暴露于50Hz，0.14mT、0.16roT和0.18mT的PEMFs進行干預，測定細胞增殖率、ALP活性和BMP—2mRNA的表達。結果顯示0.14mT的PEMFs對ROB增殖和分化均無明顯影響；0.16mT、0.18mT的PEMFs可明顯提高ALP活性，并上調(diào)BMP一2mRNA表達。TsaiMT等將大鼠顱骨成骨細胞分別暴露于磁場為0.13mT，0.24mT和0.32mT的PEMFs中，波寬為300Vs的矩形方波，頻率7.5Hz。觀察發(fā)現(xiàn)2h組和8h組0.13mT磁場組細胞數(shù)量在第6天和第l2天增加，8h組在第18天細胞數(shù)目減少。ALP表達在第12天和第18天先減少后增加。而0.32mT組在觀察時間內(nèi)抑制了細胞增殖，但使ALP表達增高。結果表明PEMFs在一定的刺激強度下可以影響成骨細胞的增殖和分化。3.1不同波形ELEF對成骨細胞增殖能力的影響表1為不同波形ELEF作用下，采用MTT方法所測得的成骨細胞增殖率的變化。從表1可以看出，矩形波、矩形脈沖波ELEF均可以促進成骨細胞增殖(P<0.05)，其中，矩形脈沖ELEF促進增殖的作用更明顯(P<0.01)。而正弦波ELEF明顯抑制成骨細胞增殖(P<0.01)；三角波ElEF對成骨細胞增殖無影響(P>0.05)。表1不同波形ELEFs對成骨細胞增殖能力的影響(，=8)Table1EffectofdifferentELEFsontheproliferationofosteoblast(/i=8)逝形波脈沖波三角波正弦波對照紹0.169士0,0370*192士0,0121169土。.0190.150=0.023實驗坦0.186士。.017*0,233±0.047…0<174±0,021。).127二0.014,?3.2不同波形ELEF對成骨細胞分化能力的影響表2為不同波形ELEF作用下，成骨細胞ALP活性的變化?？梢钥闯?，矩形波、矩形脈沖波ELEF可抑制成骨細胞分化ALP活性(P<0.05)，正弦波ELEF可明顯促進成骨細胞AIP活性增強(P<0.01)，而三角波ELEF對成骨細胞AIP活性無顯著影響(P>0.05)。?2不同波形ELEFs對成骨細胞堿性磷酸醇活性的影響(?=8)Table2EffectofdifferentELEFsonALPactivityofosteoblast=8)定形波豚沖波三角波正弦波對照組0.232±0.0140.228士0.0380.227士0.0200-237士0.016實驗蛆0-21910.025-0.200±0,025,0.2171C.OG80,258±0,024?*4相關實驗研究4.1低頻電磁場對男性骨密度的影響選取長期于低頻電磁場下作業(yè)的男性員工140名設為研究組，同系統(tǒng)非低頻電磁場下作業(yè)的男性員工140名設為對照組。對兩組進行了血鈣、血磷、堿性磷酸酶和指骨骨密度的檢查，同時抽血進行了N.端骨鈣素(N。MID)、總I型膠原氨基端前肽(tPINP訐叩一膠原降解產(chǎn)物(13-CTX)的測定。以下為此實驗相關數(shù)據(jù)：表1 兩組基本情況比較組別例數(shù)年齡(歲)體質(zhì)量(k蔚身高(cm)BMI(k心勺研究組14052.7±4.257.4±10.7164±10.522.4±2.84對照組14052.2±3.958.3±9.8165±10.723.7±2.15表2 兩組員工骨密度和各項常規(guī)檢測結果骨密度 堿性磷酸酶血鈣血磷（T值）（L/L） （mmol/L） （mm。"）研究組0*60±0?18,105.7±26*51.85土0.07』1.13士0.04'對照組0.48±0.15103.0±17.51.92±0.011,06±0.03e值2.483 1.576 -2.43 2.198表3兩組員工tPINP,p^CTX和:N-MID檢測結果tPINP（rgZL）印CTX（pl#L）N-MID（瞄ZL）研究組37.3±97.60.377±0.01“16.4±374對照組36.（）±89.J0.412±0.0214.9十32.5，值1.1-2.122.176實驗數(shù)據(jù)可以看出，研究組指骨骨密度T值、血磷、N-MID均高于對照組，血鈣、13一CTX低于對照組，比較差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；堿性磷酸酶和tPINP水平高于對照組，但差異不明顯。指骨骨密度與N—MID和tPINP呈正相關，與3-CTX呈負相關。結論：低頻電磁場對骨質(zhì)疏松有正面影響，血清N.MID、tPINP和B—CTX檢測可較好反映骨代謝情況。4.2低頻脈沖電磁場治療骨關節(jié)炎的有效性與安全性80例骨關節(jié)炎患者運用低頻脈沖電磁場方法進行治療。以患者的疼痛程度視覺類比量表(VAS)評分、WOMAC骨關節(jié)炎指數(shù)評分在治療開始前、治療開始后1周、治療開始后1個月、治療開始后3個月的變化對患者進行療效評估；以患者治療前后重要生命體征和實驗室檢查結果進行安全性評估。實驗數(shù)據(jù)如下：表1治疔前后患者疼痛程度VAS評分3土隊分)項目治療前治療開始后1周治療開始后1個月治療開始后3個月VAS值7.56±2.416一16±1"3.58土1.79a3一43土I."t1.8992.417248。P0.0320W90.（108

表2治療前后患者WOMAC評分怎上s,分）項目治疔前治療開始后1周治療開始后1月治療開始后3月WOMAC?57.21±10.68t尸47.26*9.8KL9770.02626.5±7.45*2.4160.00916.57±32.9900.002表3 治療前后重要生命體征和實驗室檢查結果（頊?。╉椖恐委熐爸委熀髏P收縮壓(mmHg)1263±125I2j.lil2.fi1).626004tf張壓(mmHg)72.3zl11.473.2±11.2D..58205fS3心率.（次知in）70.0±5,8?L5=6.00.%9().345白細胞計數(shù)〔ion）5.05±1.675.37-1761.3960.172血既蛋白（磯J13咨±13.8]31.2±154*7230.473血小板計數(shù)（10孔）221.5±76-22243±80.71.1720.254谷草轉氨酶（IU/L）】土9土&5216土9.60877。一％6谷丙轉氨酶（IU/L）22.5±9.723.8±10.21.259。一2】5肌 mnl/l.)614±21262.2±22.30.6280.532通過本實驗，我們看到，低頻脈沖電磁場能較快緩解患者的關節(jié)疼痛及關節(jié)活動受限，在治療開始后1周患者的疼痛程度VAS評分就出現(xiàn)了有統(tǒng)計學意義的下降，同時患者的WOMAC骨關節(jié)炎指數(shù)也出現(xiàn)了有統(tǒng)計學意義的下降。而在治療開始后的1個月，患者疼痛程度VAS評分及WOMAC骨關節(jié)炎指數(shù)表現(xiàn)出了進一步的下降。甚至在治療開始后的3個月，患者疼痛程度VAS評分及WOMAC骨關節(jié)炎指數(shù)仍在進一步下降。以上結果提示，低頻脈沖電磁場療法應用于骨關節(jié)炎的治療，具有起效快、作用持久的特點。4.3低頻弱脈沖電磁場作用下成骨細胞的實時表面增強拉曼光譜研究用出生5d的Wistar品系小鼠的顱骨接種成骨細胞并傳代。應用表面增強拉曼光譜技術實時的方法采集不同磁場作用時間內(nèi)低頻率（50Hz）、低強度（0.30mT）脈沖電磁場作用下的成骨細胞的拉曼光譜。每隔1min采集一次，全作用8min止；并與電磁場作用前采集的拉曼光譜做比對。圖2給出無場和電磁場作用8min內(nèi)的拉曼光譜，以電磁刺激8min時的譜圖為例指認其中的特征峰，其所代表的化學基團由表1給出。

波長(cm-1)拉曼譜峰的指認599忌波長(cm-1)拉曼譜峰的指認599忌s2362783142g559^11J1甲毓氫酸GS鍵的反式構象峰酷基酸對羥苯基環(huán)呼吸振動峰笨丙氨酸單基取代苯環(huán)的共振呼吸峰請脂和策白質(zhì)反式OC鍵構象峰蛋白質(zhì)B-片層酰胺峰置白質(zhì)陽螺旋酰胺皿特征峰蛋白質(zhì)纖維酰胺u特征峰色氨酸哩噪環(huán)特征峰罅脂CH,變形振動峰蛋白質(zhì)（B-N折,4片層、隨機結梅）酸胺U特征峰,色氨酸印噪環(huán)特征峰芳香環(huán)OC-H伸編振動峰，色機酸嘖噪環(huán)特征峰比較電磁場作用前后和作用8min內(nèi)不同時刻的拉曼光譜，可知其對成骨細胞膜蛋白和磷脂分子的構象有一定影響：表征膜蛋白中氨基酸側鏈和磷脂C-C鍵骨架的特征峰的位移只發(fā)生了小幅變化，說明實驗電磁場對細胞膜無損傷作用；在其作用之初的4.0?5.0min內(nèi)，表征蛋白質(zhì)構象信息的6個拉曼特征峰的相對強度隨時間逐漸增加。揭示了構象發(fā)生改變的膜蛋白數(shù)量隨電磁場作用時間的延長而增多。：實驗探測到成骨細胞對低頻脈沖電磁場的最初響應機制，表現(xiàn)為膜蛋白構象的有序變化。這為進一步探索由電磁刺激而激活的成骨細胞一系列信號轉導通路的上游機制提供了有力的依據(jù)。5意義和展望經(jīng)過近2O年的臨床應用和基礎研究，脈沖電磁場療法對骨病的治療作用已得到肯定。由于PE