电磁脉冲在骨关节炎治疗中的作用机制研究进展

马原军 于世宾

近年来，电磁脉冲(electromagnetic pulse,EMP)的应用领域不断扩展，作为一种高能电磁波，其生物学效应及作用机制已经成为研究的热点之一。研究发现,适宜的EMP利用电流通过导体产生的时变磁场对人体机能恢复产生了积极的作用，其中脉冲电磁场(pulsed electromagnetic field,PEMF)疗法是一种创新、无创、安全的理疗方法，具有良好的应用前景。

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是一种常见疾病，主要表现为关节软骨的进行性丧失、滑膜炎症、软骨下骨吸收/硬化和骨赘形成，好发于膝关节，是导致残疾的主要原因之一[1]。目前临床治疗OA的方法有多种，包括理疗、药物治疗、康复性锻炼以及手术治疗等[2]。大量研究表明，适宜的PEMF刺激能够促进软骨细胞增殖、分化，减少软骨基质降解，维持软骨下骨的微结构并防止骨丢失，进而抑制OA的进展。然而，截至目前，PEMF防治OA病变的潜在机制尚不明确。本文针对PEMF在OA治疗中的效应及可能的分子通路做一综述。

一、电磁脉冲对OA的治疗效应

关节疼痛及运动功能障碍是OA患者的主要症状。早在2005年，Fischer 等[3]对71例膝关节OA患者进行为期6周的PEMF治疗(3.4～13.6mT，16min/d)后，患者膝关节活动度和步行距离都显着增加。2013年Nelson等[4]对34例膝关节OA患者进行正弦波型PEMF治疗(6.8MHz,15分/次,2次/天)后，患者的疼痛程度(最大视觉模拟评分)显着下降。2014年Gobbi等[5]对22例膝关节OA患者进行为期45天的PEMF治疗(1.5mT，75Hz，4h/d)并进行了2年随访，结果发现，患者膝关节功能及活动度较治疗前明显改善。2015年Wuschech等[6]对57例膝关节OA患者进行为期18天的PEMF治疗(4～12Hz，2.5分/次，2次/天)，患者涉及疼痛、关节僵硬度、关节功能等方面的骨关节炎指数评分显着降低。2020年Yang等[7]从临床数据库中筛选出16项PEMF对OA治疗效应的随机对照试验并通过质量评估得出，与安慰剂治疗比较，PEMF治疗对OA患者的疼痛、僵硬和身体功能都有积极作用，而治疗的持续时间可能不是影响疼痛的关键因素。上述临床研究均表明，适宜的PEMF在缓解OA患者的疼痛、提高关节活动度、减少残疾等方面具有明显的疗效。

二、电磁脉冲对OA软骨的影响

关节主要由关节软骨、软骨下骨和半月板(关节盘)等组织构成。作为关节的主要表层结构，关节软骨在关节稳态的维持中发挥着重要作用。关节软骨主要由软骨细胞和以Ⅱ型胶原(type Ⅱ collagen，Col Ⅱ)、蛋白多糖(proteoglycan，PG)和蛋白聚糖(aggrecan，AGG)为主要成分的细胞外基质(extracellular matrix，ECM)构成。软骨细胞死亡和软骨基质降解是OA关节软骨退变的主要表现。

1.电磁脉冲对软骨细胞的影响:软骨细胞是软骨组织中唯一的细胞类型。早在2009年Luo等[8]研究发现，对卵巢切除大鼠给予PEMF刺激(8Hz，3.8mT，40min/d，持续30天)可以显着减少卵巢切除的雌性大鼠膝关节软骨细胞凋亡，同时增加雌激素的分泌，并降低软骨降解因子MMP13的表达。2011年Guo等[9]研究发现，对患膝关节OA的兔进行PEMF刺激(75Hz，8mW/cm2,30min/d，持续10天)也可以有效抑制软骨细胞凋亡，并降低血清中TNF-α水平。2017年Julia等研究发现，对体外培养的人软骨细胞给予正弦电磁场(sinusoidal electromagnetic field，SEMF)刺激(15Hz，5mT，3次/天，45分/次，持续7天)可以显着上调软骨细胞中COL2A1和ACAN基因的表达，促进其增殖分化[10]。2020年Dinesh等研究发现,PEMF(2～3mT，15Hz，10min/d)可以显着促进人骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSC)向软骨细胞分化，并抑制IL-6、MMP-13、COX-2分泌[11]。由此可见，适宜的PEMF可以促进干细胞向软骨细胞的分化以及软骨细胞的增殖、分化，抑制软骨细胞的凋亡，并显着降低软骨相关炎性、降解因子的表达水平。

2.电磁脉冲对软骨基质的影响:软骨细胞外基质中含有丰富的Col Ⅱ、PG和氨基多糖(glycosaminoglycan，GAG)成分，这些成分对于维持软骨的抗剪切、抗拉伸、抗压缩性能至关重要。早在2007年De Mattei等[12]就证实，适宜参数的PEMF(75Hz,1.5mT，持续24h)能促进牛关节软骨外植体的PG合成。2011年Chang等[13]研究发现，对体外培养的猪软骨细胞给予PEMF(75Hz,1.8～3.0mT,2h/d，持续3周)刺激可以显着促进软骨细胞GAG和Col Ⅱ的合成。同年Ongaro等[14]将人OA软骨组织块置于1.5mT,75Hz的PEMF中7天发现，软骨组织块的PG合成能力显着提高[14]。2020年Ye等[15]对患膝关节OA的雄性小鼠给予PEMF治疗(75Hz,1.6mT,1h/d，持续4周)，结果发现关节软骨中AGG的合成显着增多，IL-1β、ADAMTS4和 MMP-13的表达水平显着降低。由此可见，适宜的PEMF能够显着促进胶原、蛋白多糖等软骨基质的合成，有效缓解软骨基质的降解。

三、电磁脉冲对软骨下骨的影响

软骨下骨早期的骨吸收、晚期的骨质增生及骨赘形成等是OA的典型病理学变化，因此控制软骨下骨的异常改建可能有助于预防或减缓OA的发展。成骨细胞、破骨细胞是软骨下骨中的主要细胞类型，在软骨下骨内稳态的维持中发挥着关键作用。

1.电磁脉冲对成骨细胞的影响：成骨细胞是骨形成过程中的主体细胞，参与骨基质的合成和矿化进程。早在2010年Shen等[16]研究发现，对患废用性骨质疏松症的大鼠给予PEMF(15Hz，8Gy，2h/d，持续8周)刺激能够显着促进股骨近端成骨细胞中TGF-β1的分泌，抑制IL-6的表达，从而防止骨量流失。2014年Wang等[17]研究发现，15Hz，9.6Gy的PEMF能够促进体外培养的大鼠成骨细胞向骨种植体表面增殖、黏附，并上调成骨相关基因(BMP2、OCN、ColⅠ、ALP、RUNX2、OSX)的表达，有效增强种植体的骨结合能力。2016年Zhai等[18]研究发现，15.38Hz，2mT，2h/d的PEMF刺激可以显着促进小鼠MC3T3-E1成骨细胞的增殖活性。2018年Yang等[19]研究发现，对膝关节OA的大鼠给予PEMF(75Hz,1.6mT,2h/d,持续4周)刺激，显着增加了膝关节软骨下骨骨体积分数(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁数量(Tb.N)，抑制了骨表面积和体积比(BS/BV)和骨小梁间隙(Tb.Sp)，维持了软骨下骨结构。可见，适宜的PEMF可以有效促进成骨细胞的增殖、分化、矿化能力。

2.电磁脉冲对破骨细胞的影响：来源于单核-吞噬细胞的破骨细胞通过分泌酸和胶原酶，在分解骨水合蛋白-矿物质复合体中发挥着关键作用。早在2006年Chang等[20]将分离出的大鼠破骨细胞置于7.5Hz、电场强度3mV/cm的PEMF中，8h及16h后发现大鼠破骨细胞的增殖活动显着降低，凋亡细胞增多。2015年He等[21]研究发现对体外培养的小鼠骨髓给予PEMF(8Hz，3.8mT，40min/d，持续3天)刺激，结果PEMF刺激与使用骨保护素(osteoprotegerin，OPG)和雌二醇的效果相近，都能够显着减少巨噬细胞集落刺激因子联合核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)诱导的破骨细胞样细胞数。2018年Tschon等[22]研究发现PEMF(75Hz，2.5mT，12h/d，持续3天)能够显着下调外周血单核细胞中破骨细胞形成标志物——组织蛋白酶K和活化T细胞核因子1的表达，即抑制破骨细胞的形成。可见，适宜的PEMF对破骨细胞的形成、增殖具有抑制作用。

四、电磁脉冲发挥生物学效应的可能机制

1.MAPK通路：丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)是将细胞外信号从细胞表面转导到细胞核内部的重要传递者，参与细胞的增殖、分化、迁移和死亡。MAPK信号通路链由3类蛋白激酶MAPKKK-MAPKK-MAPK组成，通过依次的磷酸化将上游信号传递至下游应答分子，包括了ERK、JNK和p38 3个主要的次级信号通路，不同的细胞外刺激可能激活不同的MAPK信号通路，通过其相互调控而介导不同的细胞生物学反应。2016年Zhou等[23]在对行前交叉韧带横断术诱导的膝关节OA大鼠给予PEMF(20Hz,8mT,40min/d,5天/周，持续12周)刺激后发现，与手术组比较，PEMF组ERK1、JNK、p38、MMP-13的mRNA表达显着降低，并且经PEMF治疗后手术组大鼠尿液中较高水平的Ⅱ型胶原交联C末端肽水平(反映软骨基质降解水平)也显着降低，该结果表明OA状态下PEMF可以显着抑制MAPK通路及其介导的降解因子MMP-13的表达，从而减少OA关节软骨的损伤。同年Yong等[24]将体外分离出的大鼠BMSC置于PEMF(15Hz,1mT,8h/d)环境中培养发现，在3、6、9天时BMSC中p-p38、p-ERK1/2以及成骨相关因子RUNX2、BMP2、OCN的表达均显着升高，进一步加入MAPK通路的抑制剂后BMSC成骨标志物的表达明显回落，该结果提示PEMF可以通过调控MAPK信号通路来促进BMSC的成骨分化。因此，PEMF的保护作用可能是通过或至少部分通过调控MAPK信号通路来实现的。

2.Wnt/β-catenin信号通路：细胞外Wnt配体与ARROW/LRP家族的一个共同受体(如LRP5和LRP6)同时与它们7次跨膜的Frizzled受体结合，从而稳定细胞质中的β-catenin，其浓度达到一定水平时向细胞核转移，从而启动经典的Wnt/β-catenin信号通路，该通路对细胞的增殖、分化、自我更新和转归是必不可少的。2016年Zhai等[25]将体外培养的小鼠MC3T3-E1成骨细胞给予15.38Hz,2mT,2h/d的PEMF刺激发现，PEMF在2天(增殖期)和7天(分化期)时显着上调Wnt1、LRP6和β-catenin及成骨细胞中增殖期和分化期相关分子(OCN、ALP、RUNX2、Ccnd1、Ccne1、ColⅠ)的mRNA和蛋白表达。2017年Fathi等[26]在电磁场(EMF)对脂肪间充质干细胞(adipose derived mesenchymal stem cell，ADSC)成骨分化影响的研究中发现，对ADSC给予50Hz,20mT,30min/d,持续21天的EMF刺激可以降低Wnt信号通路抑制剂DKK1的mRNA表达，并上调了β-catenin、Wnt1、Wnt3a、LRP5和ALP、OCN、RUNX2、BMP2的表达。上述结果表明，PEMF通过Wnt/β-catenin信号通路促进了成骨细胞的增殖和分化，并能诱导间充质干细胞向成骨细胞分化，在骨形成和修复过程中起着关键的调节作用。因此Wnt/β-catenin信号通路也可能参与了PEMF防止OA中软骨下骨病变的过程。

3.Ca2+信号：Ca2+是力学刺激信号转导中的重要第2信使，当某种刺激使胞内Ca2+浓度大幅度增加，与胞外Ca2+之间存在浓度梯度时，就起到传递信号的作用，其参与了多种细胞学活动。2008年Robert等研究发现，0.2mV/cm，15Hz的脉冲电场刺激体外培养的正常人软骨细胞30min能在72h后促进细胞增殖及NO和cGMP的增加，仅增加培养基中Ca2+含量同样也可以上调NO水平，而在培养体系中加入Ca2+抑制剂可以阻断PEF对NO和cGMP的促进作用，这些结果提示PEF刺激软骨细胞增殖的转导途径可能是Ca2+、NO、钙调蛋白和cGMP产生的级联反应的结果[27]。2013年Pall[28]研究发现，PEMF信号通过细胞膜与细胞质建立了一个随时间变化的电场，这个电场随后诱导细胞内Ca2+释放，导致胞内Ca2+浓度和活化钙调蛋白增加，从而提高骨细胞的活力。2014年Kim等[29]将体外培养的人BMSC置于45Hz，1mT，8时/次，2次/天的PEMF中持续7天，通过检测发现，PEMF提高了BMSC成骨标志物(BSP、BMP2、RUNX2、Col Ⅰ、Col Ⅲ)的mRNA和蛋白表达、Ca2+通道相关分子(CACNA1C、CACNA1E、CACNA1G、CACNA1I)的mRNA表达及p-ERK的蛋白表达，表明PEMF刺激促进了BMSC的成骨分化并在Ca2+、ERK、PKG信号之间出现了串扰。2017年Tong等[30]研究发现，PEMF(15Hz，5mT)对成骨细胞的作用依赖于胞内的钙瞬变，在细胞出现自发钙瞬变的情况下，PEMF能够促进成骨细胞的增殖、分化，反之则对成骨细胞没有任何影响，并且PEMF无法诱导钙瞬变的发生。由此可见，细胞内Ca2+也是将PEMF信号转化为生物信号的主要途径之一。

4.TGF-β/BMP信号:转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)和骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)作为多功能生长因子，属于TGF-β超家族。TGF-β/BMP与TGF-β特异性1型和2型或BMP丝氨酸/苏氨酸激酶受体相互作用，通过经典途径(Smad依赖途径)和非经典途径(Smad非依赖途径)启动信号级联反应。TGF-β亚型及其受体广泛表达于软骨、骨和滑膜组织，不仅维持整个关节的平衡和稳态，还在骨和软骨的组织工程构建中起重要作用[31]。2014年Amin等[32]研究发现，0.4T，持续14天的静磁场(static magnetic field，SMF)能够促进含有TGF-β3培养基中人BMSC的GAG生成，并且SMF能够提高培养基上清液中TGF-β的含量，而这些效应可被TGF-β受体阻断剂SB-431542所阻断，该结果表明SMF可以通过TGF-β依赖的途径诱导BMSC的成软骨分化。2017年Selvamurugan等[33]将体外分离出的人BMSC置于15Hz，4h/d的PEMF中培养，于第23天(分化期)及第33天(矿化期)通过检测发现PEMF促进了BMSC的pSmad2表达，并提高了分化期细胞中ALP和Col Ⅰ的表达，然而在加入TGF-β通路阻断剂后pSmad2的表达被抑制，ALP和Col Ⅰ的表达随之下降，该结果表明PEMF可以通过Smad2激活在分化和矿化成骨细胞中的TGF-β信号通路，增强成骨细胞分化标志物的表达，从而促进骨形成。因此，TGF-β信号通路可能在PEMF的软骨及骨修复过程中发挥着重要作用。

5.OPG/RANK/RANKL信号:OPG/RANK/RANKL信号在破骨细胞成熟和活化中发挥着关键作用。RANKL是一种主要由骨细胞和成骨细胞表达的细胞表面蛋白，它与其特异性核因子κB受体激活蛋白(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)结合。RANK是破骨细胞膜上的一种自主蛋白，可以激活破骨细胞发生相关的信号通路。OPG是主要由成骨细胞分泌的RANKL的可溶性“诱饵受体”，通过阻断RANKL/RANK信号通路的活性来阻止破骨细胞成熟。OPG/RANKL的平衡影响骨重建率，其比值的改变可能导致过度成骨或骨吸收。2013年Vincenzi等[34]将对人永生化软骨细胞及人胎儿成骨细胞分别置于75Hz，1.5mT及2.5mT的PEMF中，24h后PEMF不仅可以显着上调OPG的表达，而且还可以通过激活腺苷受体(A1、A2A、A2B、A3)来抑制活化的单核-吞噬细胞释放炎性细胞因子，以此降低IL-1β诱导的核因子κB p65亚基的活性。2017年Zhou等[35]对双侧卵巢切除的大鼠给予3.8mT，8Hz，40min/d，5天/周，持续12周的PEMF刺激，结果发现与手术组比较，PEMF可以显着降低抗酒石酸酸性磷酸酶和骨小梁间距(Tb.Sp)，增加ALP活性、椎骨骨密度(BMD)、骨小梁体积比(Bv/Tv)、骨小梁数目(Tb.N)和骨小梁厚度(Tb.Th)，并抑制RANKL表达、促进OPG的表达来预防骨质疏松所致的骨量流失。因此，PEMF可能通过OPG/RANK/RANKL信号对破骨细胞的成熟和活化发挥潜在的抑制作用。

6.FGF和VEGF信号：成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor，FGF)和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)信号能够促进新血管形成，修复损害的内皮细胞，其参与血管细胞和骨细胞之间的信号传递并在骨修复过程中是必不可少的。早在2002年Deckers等[36]报道，VEGF信号通路参与了成骨细胞和内皮细胞在成骨过程中的相互作用、功能和调节关系。2010年Yun等[37]证实了FGF信号通路在成骨细胞的增殖以及血管生成中的重要作用。2008年Callaghan等[38]研究发现，15Hz，最大磁场密度12G，8h/d的PEMF能够加速糖尿病小鼠和正常小鼠的创面愈合，并促进了体外培养小鼠内皮细胞的增殖，上调体外人脐静脉内皮细胞培养液中FGF-2的含量，而将FGF基因敲除的小鼠致伤并暴露于PEMF中却没有观察到伤口愈合的显着改善，表明PEMF促进FGF-2的表达是促进伤口愈合的主要机制。综上所述，FGF和VEGF通路在成骨及成血管方面产生积极作用，并可能通过增强两者之间的相互作用来促进骨修复，PEMF通过该信号通路的促血管生成作用，对增进骨修复机制提供了另一种解释。

7.其他信号通路：早在2006年Patterson等[39]研究发现，PEMF(15Hz，0.4mT)可以激活小鼠MC3T3-E1成骨细胞中PI3K/mTOR通路，进而促进成骨细胞成熟和分化。2011年Li等[40]在研究PEMF(8Hz，3.8mT，40min/d，持续30天)对双侧卵巢切除大鼠膝关节软骨细胞凋亡通路影响的研究中发现，PEMF能够上调X连锁凋亡抑制蛋白(X-linked inhibitor of apoptosis protein，XIAP)的表达，下调Bax的mRNA表达并抑制软骨细胞的凋亡。2018年Bagheri等[41]在研究PEMF(75Hz，1.5mT，28天)诱导人BMSC向成骨分化过程中，发现Notch受体(Notch4)及其配体DLL4和胞核靶基因(Hey1、Hes1、Hes5)的表达水平上调。此外，加入Notch通路抑制剂能够有效抑制成骨标志物(RUNX2、Dlx5、Osterix)以及Hes1和Hes5的表达，这表明Notch信号激活在PEMF诱导的成骨分化过程中起着重要的调节作用。2020年杨建成等[42]总结出磁场对细胞骨架及骨铁代谢具有影响。另外，研究发现PEMF在促进软骨和骨形成过程中IGF-1的表达上升[14,43]。以上机制中涉及的信号通路仍有待深入研究。

五、展 望

作为一种有前景的、无创的、安全的物理治疗方法，PEMF对OA治疗的积极作用已经引起了广大学者的关注。大量研究表明，多种分子信号通路可能在PEMF的OA防治中发挥着重要作用。然而，在OA防治中PEMF的最佳参数为何，其关键分子信号通路为何，尚不明确。因此，今后需要从高质量的临床研究和基础实验中获得更可靠的证据，并开展大样本量和长期随访来验证这些发现，进一步明确其最佳治疗参数及具体机制，为未来OA的治疗提供科学依据。