1、低頻電磁場(chǎng)對(duì)骨骼愈合作用綜述自從1977年Bassett等提出采用極低頻電磁場(chǎng)(extremely low frequency electromagnetic fields，ELFEMF)治療骨不連，并在臨床上取得滿(mǎn)意的效果以來(lái)，ELFEMF對(duì)骨組織的作用一直受到相關(guān)學(xué)者的重視。近年來(lái)，有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和臨床應(yīng)用的資料相繼問(wèn)世，并且治愈了很多骨科疾病，所以，低頻電磁場(chǎng)在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(chǎng)促進(jìn)骨愈合方面進(jìn)行綜述。1 低頻電磁場(chǎng)低強(qiáng)度脈沖電磁場(chǎng)，是指頻率1100 Hz，強(qiáng)度低于100 Gs的低頻、低強(qiáng)度調(diào)制磁場(chǎng)，在保留

2、靜態(tài)磁場(chǎng)治療作用的基礎(chǔ)上，使磁療輻射產(chǎn)生強(qiáng)度可調(diào)的交變脈沖動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)；動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度可從5 Hz到100 Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，充分發(fā)揮出各個(gè)頻率磁場(chǎng)的磁療作用；不同的電磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率有不同的生物效應(yīng)。對(duì)骨代謝中成骨作用較有影響的頻率為75 Hz以下，而在正弦磁場(chǎng)影響骨代謝的研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率波動(dòng)在1535 Hz范圍內(nèi)時(shí)所誘導(dǎo)的成骨效應(yīng)最明顯。低頻脈沖電磁場(chǎng)作用于骨組織，不產(chǎn)生熱效應(yīng)，而產(chǎn)生類(lèi)似于流體機(jī)械塑形的作用，并通過(guò)不對(duì)稱(chēng)的寬幅脈沖影響許多異常的生物過(guò)程，進(jìn)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(jìn)骨形成。為利用脈沖電磁場(chǎng)發(fā)送人體生物波治療骨質(zhì)疏松是九十年代末開(kāi)始臨床使用。它采用高能抗諧

3、振低頻變化脈沖電磁場(chǎng)改變?nèi)梭w生物靜電與改善生物場(chǎng)這一原理，作用于成骨細(xì)胞，促使細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂和成熟細(xì)胞的增生來(lái)治療骨質(zhì)疏松?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究證明：電刺激能促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)骨是具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)，當(dāng)它受到機(jī)械壓力后能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生應(yīng)力電位J，負(fù)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(shì)最低，這種負(fù)電環(huán)境十分有利于骨折的愈合。骨的生物電現(xiàn)象與細(xì)胞代謝有關(guān)，若動(dòng)物死亡，2 h就會(huì)消失。由于各種脈沖電會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一定的場(chǎng)強(qiáng)，場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)場(chǎng)壓，這種場(chǎng)壓作用在骨頭上，會(huì)使骨頭的場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化。人體骨頭本身有一定的生物場(chǎng)，而且是一

4、個(gè)穩(wěn)定的生物場(chǎng)，一旦打破了這個(gè)生物場(chǎng)，用外界的生物場(chǎng)去刺激，就會(huì)改變局部生物場(chǎng)的變化，在能量和強(qiáng)度都可以控制的情況下，可以加速骨組織的生長(zhǎng)，達(dá)到預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松及治療骨折的目的，與藥物配合應(yīng)用療效更好。2 生化指標(biāo)的研究血清骨鈣素(bone gla protein，BGP)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)和尿脫氧吡啶諾林(deoxypyridinoline，DPD)是常用的評(píng)價(jià)骨轉(zhuǎn)化的生化指標(biāo)。ALP是成骨細(xì)胞的早期標(biāo)志酶，在成骨過(guò)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(kāi)始 。ALP測(cè)定主要反映骨形成功能，ALP來(lái)自于骨，

5、另外主要來(lái)自肝臟。在影響肝功能因素較小的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(chǎng)對(duì)去勢(shì)大鼠ALP變化規(guī)律的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，PEMFs治療3個(gè)月的去勢(shì)大鼠血清ALP與去勢(shì)對(duì)照組相比，有顯著性降低，提示脈沖電磁場(chǎng)能使去勢(shì)大鼠血清ALP水平降低。BGP是成骨細(xì)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(jié)合并穩(wěn)定其構(gòu)象，被認(rèn)為是向成骨細(xì)胞分化最特征性的標(biāo)志物u 。申廣浩等 觀察不同強(qiáng)度PEMFs對(duì)去勢(shì)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(chǎng)強(qiáng)度組降低水平優(yōu)于高磁場(chǎng)強(qiáng)度組。尿脫氧吡啶酚(DPD)僅見(jiàn)于細(xì)胞外I型膠原蛋白

6、中，由于I型膠原蛋白轉(zhuǎn)換的主要部位在骨，DPD幾乎僅在骨中存在。DPD作為破骨細(xì)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(biāo)。李晨等 在PEMFs對(duì)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥影響的實(shí)驗(yàn)中測(cè)量大鼠骨轉(zhuǎn)化生化指標(biāo)(血清ALP、破骨細(xì)胞OC、尿脫氧吡啶諾林DPD)，結(jié)果顯示與假手術(shù)組比較，其余各組血清ALP、OC和尿DPD均有所下降。3 極低頻電磁場(chǎng)對(duì)成骨細(xì)胞增殖與分化的影響低頻脈沖電磁場(chǎng)對(duì)成骨細(xì)胞增殖和分化的影響在非OP狀態(tài)下，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞通過(guò)“偶聯(lián)”機(jī)制保持動(dòng)態(tài)平衡，維持正常的骨重建。成骨細(xì)胞不僅是骨形成的直接承擔(dān)者，而且通過(guò)細(xì)胞與細(xì)胞(celltocel1)直接接觸方式調(diào)

7、節(jié)破骨細(xì)胞分化、增殖、生存、融合功能，所以是骨形成的關(guān)鍵因素。在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松狀態(tài)，激活的成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的數(shù)量都會(huì)增加，但單個(gè)成骨細(xì)胞形成新骨的能力下降是導(dǎo)致骨量和骨強(qiáng)度下降的根本原因 。即成骨細(xì)胞的成骨活性對(duì)維持正常的骨量和骨強(qiáng)度有重要意義，因此也成為了目前的研究熱點(diǎn)?；A(chǔ)研究表明PEMFs可以促進(jìn)骨形成，抑制骨吸收，延緩骨量丟失。PEMFs通過(guò)增加成骨細(xì)胞數(shù)量、活性和抑制成骨細(xì)胞凋亡直接促進(jìn)骨形成。PEMFs對(duì)大鼠顱骨成骨細(xì)胞fROB)的影響主要表現(xiàn)在促進(jìn)其分化，且這種作用存在較為敏感的“強(qiáng)度窗”效應(yīng)。李志鋒等 將ROB暴露于50Hz，014mT、016roT和018mT的PEMFs進(jìn)

8、行干預(yù)，測(cè)定細(xì)胞增殖率、ALP活性和BMP一2mRNA的表達(dá)。結(jié)果顯示014mT的PEMFs對(duì)ROB增殖和分化均無(wú)明顯影響；016mT、018mT的PEMFs可明顯提高ALP活性，并上調(diào)BMP一2mRNA表達(dá)。Tsai MT等將大鼠顱骨成骨細(xì)胞分別暴露于磁場(chǎng)為013mT，024mT和032mT的PEMFs中，波寬為300Vs的矩形方波，頻率75Hz。觀察發(fā)現(xiàn)2h組和8h組013mT磁場(chǎng)組細(xì)胞數(shù)量在第6天和第l2天增加，8h組在第18天細(xì)胞數(shù)目減少。ALP表達(dá)在第12天和第18天先減少后增加。而032mT組在觀察時(shí)間內(nèi)抑制了細(xì)胞增殖，但使ALP表達(dá)增高。結(jié)果表明PEMFs在一定的刺激強(qiáng)度下可以影

9、響成骨細(xì)胞的增殖和分化。3.1 不同波形ELEF對(duì)成骨細(xì)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(cè)得的成骨細(xì)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(jìn)成骨細(xì)胞增殖(P0.05)，其中，矩形脈沖ELEF促進(jìn)增殖的作用更明顯(P0.01)。而正弦波ELEF明顯抑制成骨細(xì)胞增殖(P0.05)。3.2 不同波形ELEF對(duì)成骨細(xì)胞分化能力的影響表2為不同波形ELEF作用下，成骨細(xì)胞ALP活性的變化。可以看出，矩形波、矩形脈沖波ELEF可抑制成骨細(xì)胞分化ALP活性(P0.05)，正弦波ELEF可明顯促進(jìn)成骨細(xì)胞AI P活性增強(qiáng)(P0.05)。4 相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究

10、4.1 低頻電磁場(chǎng)對(duì)男性骨密度的影響選取長(zhǎng)期于低頻電磁場(chǎng)下作業(yè)的男性員工140名設(shè)為研究組，同系統(tǒng)非低頻電磁場(chǎng)下作業(yè)的男性員工140名設(shè)為對(duì)照組。對(duì)兩組進(jìn)行了血鈣、血磷、堿性磷酸酶和指骨骨密度的檢查，同時(shí)抽血進(jìn)行了N端骨鈣素(N。MID)、總I型膠原氨基端前肽(tPINP)和p一膠原降解產(chǎn)物(13-CTX)的測(cè)定。以下為此實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，研究組指骨骨密度T值、血磷、NMID均高于對(duì)照組，血鈣、13一CTX低于對(duì)照組， 比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P0.05)；堿性磷酸酶和tPINP水平高于對(duì)照組，但差異不明顯。指骨骨密度與NMID和tPINP呈正相關(guān)，與3-CTX呈負(fù)相關(guān)。結(jié)論：低頻

11、電磁場(chǎng)對(duì)骨質(zhì)疏松有正面影響，血清NMID、tPINP和BCTX檢測(cè)可較好反映骨代謝情況。4.2 低頻脈沖電磁場(chǎng)治療骨關(guān)節(jié)炎的有效性與安全性80例骨關(guān)節(jié)炎患者運(yùn)用低頻脈沖電磁場(chǎng)方法進(jìn)行治療。以患者的疼痛程度視覺(jué)類(lèi)比量表(VAS)評(píng)分、WOMAC骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)評(píng)分在治療開(kāi)始前、治療開(kāi)始后1周、治療開(kāi)始后1個(gè)月、治療開(kāi)始后3個(gè)月的變化對(duì)患者進(jìn)行療效評(píng)估；以患者治療前后重要生命體征和實(shí)驗(yàn)室檢查結(jié)果進(jìn)行安全性評(píng)估。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，我們看到，低頻脈沖電磁場(chǎng)能較快緩解患者的關(guān)節(jié)疼痛及關(guān)節(jié)活動(dòng)受限，在治療開(kāi)始后1周患者的疼痛程度VAS評(píng)分就出現(xiàn)了有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的下降，同時(shí)患者的WOMAC骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)也出

12、現(xiàn)了有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的下降。而在治療開(kāi)始后的1個(gè)月，患者疼痛程度VAS評(píng)分及WOMAC骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)表現(xiàn)出了進(jìn)一步的下降。甚至在治療開(kāi)始后的3個(gè)月，患者疼痛程度VAS評(píng)分及WOMAC骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)仍在進(jìn)一步下降。以上結(jié)果提示，低頻脈沖電磁場(chǎng)療法應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)炎的治療，具有起效快、作用持久的特點(diǎn)。4.3 低頻弱脈沖電磁場(chǎng)作用下成骨細(xì)胞的實(shí)時(shí)表面增強(qiáng)拉曼光譜研究用出生5 d的Wistar品系小鼠的顱骨接種成骨細(xì)胞并傳代。應(yīng)用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)實(shí)時(shí)的方法采集不同磁場(chǎng)作用時(shí)間內(nèi)低頻率(50 Hz)、低強(qiáng)度(0.30 mT)脈沖電磁場(chǎng)作用下的成骨細(xì)胞的拉曼光譜。每隔1 min采集一次，至作用8 min止；并與電

13、磁場(chǎng)作用前采集的拉曼光譜做比對(duì)。圖2給出無(wú)場(chǎng)和電磁場(chǎng)作用8 min內(nèi)的拉曼光譜，以電磁刺激8 min時(shí)的譜圖為例指認(rèn)其中的特征峰，其所代表的化學(xué)基團(tuán)由表1給出。比較電磁場(chǎng)作用前后和作用8 min內(nèi)不同時(shí)刻的拉曼光譜，可知其對(duì)成骨細(xì)胞膜蛋白和磷脂分子的構(gòu)象有一定影響：表征膜蛋白中氨基酸側(cè)鏈和磷脂CC鍵骨架的特征峰的位移只發(fā)生了小幅變化，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)電磁場(chǎng)對(duì)細(xì)胞膜無(wú)損傷作用；在其作用之初的4.05.0 min內(nèi)，表征蛋白質(zhì)構(gòu)象信息的6個(gè)拉曼特征峰的相對(duì)強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸增加。揭示了構(gòu)象發(fā)生改變的膜蛋白數(shù)量隨電磁場(chǎng)作用時(shí)間的延長(zhǎng)而增多。：實(shí)驗(yàn)探測(cè)到成骨細(xì)胞對(duì)低頻脈沖電磁場(chǎng)的最初響應(yīng)機(jī)制，表現(xiàn)為膜蛋白構(gòu)象的有

14、序變化。這為進(jìn)一步探索由電磁刺激而激活的成骨細(xì)胞一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的上游機(jī)制提供了有力的依據(jù)。5 意義和展望經(jīng)過(guò)近2O年的臨床應(yīng)用和基礎(chǔ)研究，脈沖電磁場(chǎng)療法對(duì)骨病的治療作用已得到肯定。由于PEMF刺激成骨效應(yīng)具有無(wú)創(chuàng)性、操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣和并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)，故其在臨床上(尤其是骨科、康復(fù)科)的應(yīng)用日趨廣泛。綜上所述，涉及將電磁技術(shù)用于臨床治療的研究橫跨醫(yī)學(xué)及電磁物理學(xué)領(lǐng)域，這項(xiàng)邊緣、交叉性的研究課題目前仍存著這許多方面的挑戰(zhàn)。關(guān)于磁場(chǎng)治療骨折其最適強(qiáng)度是多少以及長(zhǎng)期暴露于磁場(chǎng)是否對(duì)人體有影響等尚需進(jìn)一步研究。相信隨著現(xiàn)代科技、高新技術(shù)、高新材料的深入發(fā)展，PEMF在醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域中將展現(xiàn)出更為廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1 洪修鄂,江讓.脈沖電磁場(chǎng)促進(jìn)骨愈合 J.物理醫(yī)學(xué)與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué),1982, (4):151.2 張克文.骨質(zhì)疏松與低頻電磁場(chǎng) J.中國(guó)臨床保健雜志,2008,11(4):446.3 張建保,張曉軍.極低頻電磁場(chǎng)對(duì)大鼠成骨細(xì)胞的影響J.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2007, 24(5):1058-1060.4 江嘉昕,陳錦武,黃霖. 低頻電磁場(chǎng)對(duì)男性骨密度的影響分析J.新醫(yī)學(xué),2013,3(44):193.5 火焱, 陳德志等. 低頻脈沖電磁場(chǎng)治療骨關(guān)節(jié)炎的有效性與安全性的觀察J. 中國(guó)醫(yī)藥科學(xué),2013