肖逸雯，申秦顥，許艷華，尹康*

（昆明醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院1正畸科，2牙周科，昆明 650106）

關(guān)節(jié)軟骨損傷是導(dǎo)致殘疾的高危因素，隨著人口老齡化，在我國有大量患者承受關(guān)節(jié)病變帶來的痛苦[1]。關(guān)節(jié)軟骨損傷發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明，可能與軟骨細(xì)胞、基質(zhì)或軟骨下骨生成和分解失衡，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生退行性病變有關(guān)[2]，常伴有關(guān)節(jié)區(qū)疼痛、運(yùn)動(dòng)障礙，嚴(yán)重可導(dǎo)致關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)破壞。由于軟骨血供限制，缺乏再生能力，急性或持續(xù)性摩擦?xí)?dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）的發(fā)生，嚴(yán)重可導(dǎo)致關(guān)節(jié)處軟骨組織缺損。目前軟骨病變多采用藥物、非藥物保守方法或關(guān)節(jié)置換術(shù)等進(jìn)行治療，雖有一定療效，但在解決疼痛和改善關(guān)節(jié)功能、降低副作用方面仍不盡如人意。

電磁場(chǎng)作為一種非侵入性物理刺激方法，具有效果佳、副作用少、既可單獨(dú)局部治療、又可配合保守或手術(shù)治療等優(yōu)勢(shì)，已于20世紀(jì)70年代被食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)用于骨病治療。此后有證據(jù)表明，磁場(chǎng)也可作為關(guān)節(jié)炎、軟骨損傷等疾病潛在物理療法，如脈沖電磁場(chǎng)（pulsed electromagnetic field，PEMF）可刺激軟骨細(xì)胞和軟骨外植體合成代謝活性[3,4]，促進(jìn)基質(zhì)分泌[4]，用于OA治療取得了較佳療效。PEMF還可對(duì)軟骨再生工程產(chǎn)生積極作用，如可通過招募細(xì)胞因子促進(jìn)軟骨再生[5,6]；可促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞定向遷移、增殖和分化[7-9]；可降低支架和移植細(xì)胞周圍的炎性微環(huán)境[10]，提高軟骨缺損后修復(fù)再生的質(zhì)量。機(jī)體對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)機(jī)制可能是：磁場(chǎng)對(duì)細(xì)胞膜電位影響，跨膜蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)引起級(jí)聯(lián)反應(yīng)[11,12]；磁機(jī)械相互作用，促使細(xì)胞和膠原沿磁場(chǎng)方向定向排列[13]；自由基對(duì)理論，改變了生物過程中化學(xué)反應(yīng)速率[12]。本文綜述了磁場(chǎng)對(duì)軟骨的體內(nèi)、體外及臨床研究，探究其在軟骨相關(guān)疾病中應(yīng)用前景，為將來磁場(chǎng)在OA治療和促進(jìn)軟骨再生中的臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 體外研究

在體外研究中，學(xué)者多集中于研究磁場(chǎng)對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞和軟骨細(xì)胞生物學(xué)行為的影響，如細(xì)胞增殖、細(xì)胞周期、遷移、分化、凋亡、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝活性等，并顯示出對(duì)其產(chǎn)生了積極作用[7,8,10,17, 27]。

1.1 磁場(chǎng)對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖、遷移、分化的影響

干細(xì)胞是一類具有自我更新、多向分化潛能的細(xì)胞。干細(xì)胞增殖、分化、遷移能力對(duì)干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)和組織工程至關(guān)重要。根據(jù)所處環(huán)境和刺激的不同，干細(xì)胞的生物學(xué)行為發(fā)生相應(yīng)變化。大部分研究表明PEMF可對(duì)細(xì)胞增殖和細(xì)胞周期產(chǎn)生影響，如PEMF能增強(qiáng)干細(xì)胞的增殖能力[14]。Sun等人[8]觀察到，第一次PEMF暴露期間和第一次PEMF暴露后4h，G2/M期細(xì)胞比例增加了3%～4%，處理后10h和16h G0/G1期的細(xì)胞比例增加了13%～16%，即PEMF暴露使新分裂的細(xì)胞明顯增多。而Wang[15]等發(fā)現(xiàn)到PEMF對(duì)干細(xì)胞增殖無明顯影響。甚至有報(bào)道磁場(chǎng)通過增加細(xì)胞內(nèi)活性氧ROS來抑制細(xì)胞的增殖[16]。

電磁場(chǎng)可促進(jìn)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移[7]，其促遷移作用主要通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度并激活黏著斑激酶FAK / Rho GTPases信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架，促進(jìn)細(xì)胞收縮。此外，干細(xì)胞在軟骨微環(huán)境中培養(yǎng)時(shí)，磁場(chǎng)能促進(jìn)干細(xì)胞軟骨向分化[17]，還可通過影響分化的早期階段縮短軟骨向分化時(shí)間[18]。并且磁場(chǎng)還可通過磁驅(qū)動(dòng)效應(yīng)促使組織中II型膠原蛋白（collagen type II，COL II）和蛋白聚糖（proteoglycan，PG）的表達(dá)顯著增加[19]，表明磁場(chǎng)可促進(jìn)分化的軟骨細(xì)胞合成胞外基質(zhì)。以上研究提示，磁場(chǎng)可促進(jìn)干細(xì)胞增殖、定向遷移和軟骨向分化，為干細(xì)胞的治療及組織工程的發(fā)展提供了一個(gè)新思路。

1.2 磁場(chǎng)與軟骨細(xì)胞

軟骨細(xì)胞是軟骨中的功能細(xì)胞，能夠合成和分泌細(xì)胞外基質(zhì)，細(xì)胞外基質(zhì)中含有豐富的COL II、PG和糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG），為軟骨提抗壓性能。軟骨細(xì)胞的增殖、分泌及凋亡在軟骨退行性病變發(fā)病機(jī)制中起重要作用。大部分研究表明PEMF促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖和分泌活動(dòng)[2,21]，如有學(xué)者發(fā)現(xiàn)PEMF通過開放電壓敏感的Ca2+通道刺激人正常及OA軟骨細(xì)胞增殖和DNA的合成[4,24]；PEMF也可促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的合成[4]，并對(duì)單層培養(yǎng)體系中軟骨細(xì)胞形態(tài)的保持產(chǎn)生積極作用[23]；暴露于75Hz、1.5mT的PEMF促進(jìn)了牛軟骨外植體培養(yǎng)中基質(zhì)的合成[25]。但Sadoghi等人[26]發(fā)現(xiàn)PEMFs對(duì)人軟骨細(xì)胞的增殖和GAG合成無顯著影響。此外，研究發(fā)現(xiàn)PEMFs可通過抑制基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMP）-13的表達(dá)[28]，或上調(diào)XIAP和下調(diào)Bax的表達(dá)，通過線粒體信號(hào)通路[29]來抑制軟骨細(xì)胞凋亡[27]。以上結(jié)果提示磁場(chǎng)可促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)的合成及抑制其凋亡，但細(xì)胞類型、培養(yǎng)條件和磁場(chǎng)參數(shù)的不同，可能導(dǎo)致研究結(jié)果的差異[2]。

1.3 磁場(chǎng)的抗炎作用

關(guān)節(jié)炎中關(guān)節(jié)功能障礙與軟骨膠原纖維受損，聚集素丟失有關(guān)[30]，腺苷水平則在維持軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。內(nèi)源性腺苷耗盡可導(dǎo)致MMPs、前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）和NO等的產(chǎn)生，使GAG減少，引起軟骨基質(zhì)降解[31]，腺苷受體激動(dòng)劑能有效防治軟骨退變[32,33]。Vincenzi等研究發(fā)現(xiàn)，PEMF能顯著增加軟骨細(xì)胞A2A和A3腺苷受體表達(dá)水平，抑制NF-κB通路介導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β的合成和活化[33,34]。同時(shí)PEMF在滑膜細(xì)胞中也具有激動(dòng)A2A和A3腺苷受體的作用[35]。此外，PEMF能減少炎性因子PGE2、IL-6、IL-8和環(huán)氧合酶-2的釋放[10,36]，減緩軟骨基質(zhì)降解。因此，磁場(chǎng)對(duì)腺苷的調(diào)節(jié)在控制關(guān)節(jié)炎癥中起重要作用。

利用軟骨外植體模型研究骨關(guān)節(jié)炎時(shí)，可觀察到IL-1β抑制細(xì)胞外基質(zhì)的合成。而PEMF可通過抑制IL-1β的作用，增加軟骨基質(zhì)的合成[25]。PEMF刺激軟骨外植體PG合成的量甚至與生長因子IGF-I誘導(dǎo)的效果相當(dāng)[3]。在干細(xì)胞研究中，也發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)會(huì)通過抑制IL-1β，從而上調(diào)細(xì)胞外基質(zhì)PG和COL II的表達(dá)[37]。

以上體外研究結(jié)果表明，PEMF不僅能影響B(tài)MSCs增殖、遷移及軟骨向分化，而且能促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖、基質(zhì)分泌和抑制其凋亡。PEMF還能抑制促炎因子的釋放，對(duì)軟骨起保護(hù)作用，PEMF的效應(yīng)依賴于具體參數(shù)，如頻率、曝光時(shí)間、培養(yǎng)條件、其他因素如生長因子和活性氧等[12,20]。

2 體內(nèi)研究

體內(nèi)研究中，學(xué)者多集中于研究病變嚴(yán)重導(dǎo)致軟骨缺損時(shí)磁場(chǎng)對(duì)軟骨組織工程的影響，發(fā)現(xiàn)其在軟骨疾病方面產(chǎn)生較佳治療效果，如可通過維持軟骨形態(tài)、增加軟骨下骨的骨小梁厚度來抑制OA的發(fā)展和提高軟骨組織的再生能力，促進(jìn)軟骨缺損的修復(fù)[38, 39, 46]。

2.1 磁場(chǎng)對(duì)骨關(guān)節(jié)炎的影響

OA是以關(guān)節(jié)功能障礙和慢性殘疾為特征的疾病。目前有許多藥物用于治療OA，如非甾體抗炎藥、皮質(zhì)類固醇和透明質(zhì)酸鈉等；然而大多數(shù)藥物僅能緩解疼痛和改善功能，并不能減緩組織中發(fā)生的復(fù)雜病理進(jìn)程，無法平衡組織分解代謝和合成代謝的通路，且藥物不能直接對(duì)于軟骨下骨的病變產(chǎn)生影響。

在動(dòng)物研究中，近年來已證明PEMF能刺激軟骨細(xì)胞增殖、抑制炎性反應(yīng)、阻止軟骨和軟骨下骨的破壞，最終阻止OA的進(jìn)展。如在12月齡Dunkin-Hartley豚鼠OA模型中，PEMF治療可延緩關(guān)節(jié)病變的進(jìn)展，保留關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)[38]。另有研究者發(fā)現(xiàn)，對(duì)21月齡OA晚期動(dòng)物進(jìn)行治療，經(jīng)PMEF（75Hz，6h/d）暴露3個(gè)月后[39]，與對(duì)照組相比發(fā)現(xiàn)，PEMF可增加軟骨下骨的骨小梁厚度，抑制OA導(dǎo)致軟骨下骨的丟失，也能擴(kuò)大骨小梁間隙，降低骨小梁數(shù)目，防治骨贅的形成，從而顯著降低治療組的國際骨關(guān)節(jié)炎研究協(xié)會(huì)（OARSI）評(píng)分[40]，抑制OA進(jìn)展。以上研究提示PEMFs在預(yù)防關(guān)節(jié)軟骨退變方面發(fā)揮積極作用，其中PEMF對(duì)OA影響的作用機(jī)制可能為：①通過TGF-β途徑刺激軟骨細(xì)胞增殖，減少M(fèi)MP和IL-1β免疫陽性細(xì)胞的數(shù)量，促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化，維持細(xì)胞外基質(zhì)的形態(tài)，加速組織修復(fù)[5,41]；②通過抑制MAPKs信號(hào)通路來抑制炎性因子的表達(dá)，抑制軟骨破壞[28]；③通過Wnt/β-catenin和OPG/RANKL/RANK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的活化，促進(jìn)軟骨下骨的結(jié)構(gòu)完整性[42]。

2.2 磁場(chǎng)與關(guān)節(jié)軟骨組織工程

軟骨組織工程因移植物易于獲取，尺寸可塑，不造成供體損傷，成為軟骨缺損修復(fù)研究的新領(lǐng)域。體外實(shí)驗(yàn)已證明，磁場(chǎng)可以通過促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖、遷移和分化[7-9]、降低炎性微環(huán)境[10]，促進(jìn)軟骨缺損后修復(fù)再生。Stefani等[44]將軟骨細(xì)胞包埋在瓊脂糖水凝膠支架中，植入膝關(guān)節(jié)缺損模型犬體內(nèi)，術(shù)后進(jìn)行PEMF暴露（6h/d，持續(xù)3個(gè)月），發(fā)現(xiàn)垂直于磁場(chǎng)方向的軟骨基質(zhì)GAG沉積增加，即PEMF促進(jìn)軟骨的早期修復(fù)。同樣，Boopalan等[45]研究PEMF對(duì)兔膝關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)性軟骨缺損影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在磷酸鈣支架的全層關(guān)節(jié)軟骨缺損中，PEMF治療能有效形成透明軟骨，表現(xiàn)為軟骨表面光滑，輪廓正常，軟骨愈合的總組織學(xué)評(píng)分顯著提高，這可能與PEMF上調(diào)生長因子TGF-β的表達(dá)[43]、抑制炎性細(xì)胞因子的作用[10]有關(guān) ；而對(duì)照組因不能形成足夠的軟骨細(xì)胞，支架仍清晰可見。Veronesi等[46]在兔軟骨缺損處植入膠原支架和骨髓基質(zhì)細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)，PEMF能明顯改善軟骨細(xì)胞密度、細(xì)胞外PG含量和骨小梁結(jié)構(gòu)，增加潮標(biāo)下鈣化軟骨的量，促進(jìn)了軟骨下骨的重建，提高再生組織質(zhì)量。以上研究提示，PEMF是一種潛在的低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、無創(chuàng)性的治療方式，不僅能促進(jìn)支架定植、細(xì)胞增殖和軟骨基質(zhì)產(chǎn)生；而且能防治外科手術(shù)植入構(gòu)建體后周圍細(xì)胞和組織的炎性反應(yīng)，從而提高軟骨組織的再生能力，加速軟骨修復(fù)。

3 臨床應(yīng)用

磁場(chǎng)療法因可有效減輕疼痛和改善功能引起了人們關(guān)注。許多指南建議可采用磁場(chǎng)療法作為一種前瞻性、非侵入性治療，以促進(jìn)骨修復(fù)[47]。近年來，磁場(chǎng)療法也逐漸應(yīng)用于OA的治療。Bagnato等[48]對(duì)60例OA患者進(jìn)行PEMF治療，經(jīng)4周和8周隨訪，利用定量、客觀感覺測(cè)試方法—視覺模擬量表VAS和WOMAC評(píng)分發(fā)現(xiàn)：與對(duì)照組相比，PEMF可明顯緩解患者疼痛。另有研究者[49]對(duì)57例OA患者進(jìn)行連續(xù)18d的PEMF治療，發(fā)現(xiàn)PEMF可緩解患者疼痛、僵硬，對(duì)日?；顒?dòng)度產(chǎn)生積極影響，為OA患者在家中治療疼痛和改善身體健康提供了可能性。Reilingh等[50]對(duì)關(guān)節(jié)病患者進(jìn)行關(guān)節(jié)鏡手術(shù)和PEMF聯(lián)合治療，發(fā)現(xiàn)術(shù)后2周PEMF治療組的功能評(píng)分明顯優(yōu)于非PEMF治療組，術(shù)后1年P(guān)EMF治療組完全康復(fù)的患者數(shù)量明顯高于非PEMF治療組。

此外，磁場(chǎng)療法也應(yīng)用于口腔正畸領(lǐng)域。Phelan等[51]利用永磁體制作功能矯治器用于II類骨性畸形。治療結(jié)束后X線分析該矯治器糾正了上下頜骨位置關(guān)系，患者ANB角減少1°，而對(duì)照組增加0.3°，表明永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)可促進(jìn)顳下頜關(guān)節(jié)軟骨下成骨，糾正骨性II類畸形。

以上臨床研究結(jié)果表明，磁在OA患者保守治療上可緩解疼痛，OA手術(shù)后輔助治療長期療效也較好，并能應(yīng)用于口腔功能矯形，促進(jìn)髁突軟骨成骨。

4 小結(jié)

磁場(chǎng)能促進(jìn)干細(xì)胞軟骨向分化、軟骨細(xì)胞增殖、胞外基質(zhì)產(chǎn)生和抑制其凋亡；其獨(dú)特的磁性可作用于跨膜蛋白腺苷受體，產(chǎn)生一定抗炎作用。保守治療時(shí)PEMF可抑制OA軟骨退化；聯(lián)合手術(shù)治療，PEMF能減少局部炎癥反應(yīng)，有效保護(hù)軟骨或軟骨組織工程的機(jī)械生物學(xué)特性；術(shù)后輔以PEMF治療能抑制炎癥過程，改善慢性疼痛和功能限制。作為一種非侵入性治療，磁療相比藥物或外科治療副作用更小，因此磁場(chǎng)對(duì)骨關(guān)節(jié)炎及軟骨再生有一定潛在的臨床運(yùn)用價(jià)值，但其最佳暴露參數(shù)需繼續(xù)優(yōu)化，對(duì)關(guān)節(jié)組織的作用機(jī)制也需進(jìn)一步深入研究。