电磁场对骨科治作疗的用.doc

电磁场对骨科治作疗的用 1引言自从19世纪法拉第、麦克斯韦等人建立起电磁场理论，电磁给人类文明的发展带来了巨大的 飞跃。几乎在电磁理论建立的同时，电磁对生物体的作用及影响引起人们的广泛关注。研究 者们研究了各种场强、频率和脉冲波形电磁场的生物效应，并对其在细胞、生理及行为上的 效应做了描述1，表明电、磁场能在各方面影响生物系统。早期的医学研究显示低频电磁场能加速骨折愈合2，但其治疗作用还存 在争议，作用机制仍不清楚。为此，研究者们对电磁场在细胞及分子水平上的作用进行了广泛研究， 提出了一些机理解释，并大胆 地探索了电磁场在治疗骨质疏松等病症上的应用。本文针对电磁技术用于骨科治疗的发展历史、研究进展及发展前景将收集的有关学术性文献 作一客观综述，由于篇幅和作者知识面限制，难以做到面面俱到，望读者谅解。2电磁刺激骨愈合的发展历史早在1812年即曾有人试图将电用于骨科治疗中。1841年Horahorne报道了应用电刺激能促进 骨愈合。到本世纪50年代该领域有了突破性进展，Yasuda等人3陆续发现并证实 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。自 此人们开始重视骨与电的关系。60年代，Friedenberg和Brighton等发现正常有生命的骨骼 具有特定的生物电，即稳态电位，并利用恒定直流电治疗骨不连。1971年Friedenberg等人 报道了用电流治愈一例内踝骨不连2。以后人们陆续研究了恒定直流电、脉冲直 流电、交流电、耦合电容电场、恒定磁场以及脉冲电磁场在骨折、骨不连及骨缺损等治疗中 的意义。1977年Bassett提出应用电磁刺激治疗骨不连4，并将其用于临床，取得 了满意的效果，开始了非创伤(Noninvasive)方法治疗的研究。80年代起国内许多学者也进 行了类似实验和临床研究5，在治疗延期愈合和不愈合的骨折上取得了很大成功 。此外，电磁技术还被用于治疗先天性骨缺损、关节固定失败、骨坏死(如股骨头无菌性坏 死)、骨移植、椎体融合术及顽固的肌腱炎等。电磁场刺激骨愈合的形式多种多样，主要有恒定直流电、脉冲直流电、电容耦合(电场法)和 脉 冲、交变电磁场等等。临床应用方法主要有三种：(1)植入法(Invasive) 2。此法将电极植入骨折部位，并通以微安级直流电，在特定条件下，电极特别 是阴极附近有新骨生成，但这种方法的治疗成功性还有待进一步证实；(2)场植入法6。此法将线圈作 为矫形固定装备的一部分植入骨附近，通过磁场的变化在骨中诱导电流进行治疗。不过场植 入法的重复性不好，临床应用缺乏合适的对照实验，因而很难解释其作用。(3) STBZ电磁场法。 该法是Bassett于70年代末提出的4。它通过变化的电磁场在体内诱导出电场作用 于治疗部位，因此无需手术。据报道，电磁场法已成功地应用于骨折愈合、骨不连及先天性 假关节的治疗中7。但有些研究显示电磁场对骨基质形成没有作用或有副作用 8。综上所述，电磁技术在骨折愈合等骨科治疗中的应用仍有争议，目前还没有确定一种合适的 刺激方式。电磁对骨的作用机制仍不清楚。为此，研究者们进行了大规模的细胞及分子水平 上的探索。3电磁场性质及体外实验系统1831年法拉第发现了电磁感应定律，并提出了场的思想，认为电磁现象不是孤立的，而是统 一的。后来麦克斯韦总结前人的结果得出著名的麦氏方程组，把电磁统一起来，并预言了电 磁波的存在。根据麦氏方程组可以得出：变化的电场产生磁场(基于麦克斯韦位移电流假设) ；变化的磁场激发电场(法拉第电磁感应定律)，变化的电流电荷能激发电磁场，而变化电场 和变化磁场在空间不断地相互激发和转化。即交变电场将产生一个微小的磁场，而交变电磁 场也将诱导一个电场出现。体外实验设计所要考虑的物理、工程及生物方面的因素详见Misakian的综述9。 总之，用于体外实验的电磁场照射系统应遵循两个重要原则：(1)实验装 置所产生的场必须 是稳定的，具有符合实验要求的特性。研究者在进行电磁场实验时都尽量避免使用不稳定的 场(含混杂频率或脉冲波形)，同时有意识地降低来自电力系统和实验室设备的背景场及暂态 过程。不过，假如生物反应依赖几种类型波形迭加的相互作用，上述做法可能会屏蔽实验者 观察到一个生物效应的机会。(2)实验系统(包括发生装置、电极等)不能 对细胞产生其它额 外的作用，例如热、振动等。在实验中除电磁处理外，照射组与对照组应保证具有同样的培 养条件，例如，相同温度、湿度、CO2浓度、环境噪声、振动。一般将对照组与实验组置 入相同的孵箱中，并将前者放在零信号输入的电极。体外实验施加电场的方式主要有三种：电流刺激、电容耦合及电磁感应。Misakian等人 9已讨论过这些方法。通常而言，将培养皿置入空气气隙电容式电极的方法并不理想 ，这种方法需要加在电极上的电压很高，并且在计算培养基中的场时需要考虑很多因素 10。将电极直接插入培养基能够产生比较高的电场，但电极的电解作用会把一些不希 望 的离子、气泡及其它电解产物带到培养基中。此外接触电阻会产热，使培养基温度升高。以 上这些都要尽力避免，解决方案之一是利用琼脂桥将电极与培养基隔开11。电磁 感应是另外一种在培养基中产生电场的方式，其理论基础是任何变化的磁场都能诱导出一个 电场。实验者通常利用一组类似亥姆赫兹(Helmholtz)线圈的装置制造电磁实验环境。亥姆 赫兹线圈是由一对相互平行的线圈组成，线圈的间距等于它们的半径，在轴或轴的附近(10% )的区域内能保证一定的均匀性。总之，实验系统的设计和制作在研究工作中占重要位置。4电磁场对骨作用的体外研究体外研究电磁场作用，可以精确控制实验条件，更好地排除体内实验诸多因素(如受照动物 一般健康状况、体液因子、细胞类型等)的干扰，提供更为直接的剂量-效应关系，利于深 入探讨电磁场效应、作用机理及影响因素等等。用于体外研究的实验对象有骨外植体，原代成骨细胞及骨肉瘤细胞。大部分实验研究发现正 弦电场和脉冲电磁场对骨形成的影响依赖场强和频率，并且骨组织对低频电场的反应具有场 强和频率特异性(“窗口”效应)。但这些研究所报道的“窗口”不全相同，这可能和实验条 件及实验的细胞类型不同有关。Fitzsimmos等人10曾观察到电场能增加鸡胚胎胫 骨的骨基质形成，并且提高体外单层贴壁培养的鸡胚颅骨细胞的增殖水平。组织研究表明成 骨细胞数目是骨形成速率的主要决定因素，因此研究电磁场促进细胞增殖与分化是临床应用 电磁场刺激组织修复的理论基础。在以后的研究中，他们给体外培养的鸡颅骨 细胞施加电容耦合式正弦电场，测得16 Hz电场最显著地促进细胞生长12，并且 发现在把照射 过的实验组的培养基换给未经照射组后，后者的细胞生长也显著增加，因此他们认为电场刺 激有丝分裂素释放，进而提高细胞增殖水平。Sollazzo等人13研究了低能量、低 频率脉冲电磁场(PEMFs)对人的成骨样细胞及骨肉瘤细胞MG-63的增殖情况，发现血清浓度 起一定作用。细胞的增殖必然伴有胞内多种生物分子合成，研究者们研究了电磁场对离子流、离子转运方 面以及DNA、RNA、CAMP、胶原蛋白等合成的作用。结果表明特定频率和场强的组织能提高DN A合成水平，增加胶原蛋白的合成。Hongming Zhuang等人14给MC3T3-E1细胞施 加60kHz电容耦合式正弦电场(CCEFs)，发现细胞增殖水平提高，并伴有TGF-1 mRNA水平 提高。他们还发现钙通道阻滞剂异博定和W7也能阻碍CCEFs诱导TGF-1 mRNA水平增加，从 而指出电刺激诱导TGF-1 mRNA变化可能是通过与钙/钙调节蛋白路径相关的机制发挥作用 的。1982年，Luben15给鼠的成骨样细胞分别施加连续脉冲系列磁场(重复率72 Hz)和 经15 Hz调制的周期性触发脉冲，发现电磁场(EMFs)能明显抑制甲状旁腺素(PTH)对鼠成骨样 细胞的作用。但是1，25二羟维生素D3对胶原合成的抑制作用不受EMFs影响。1，25二羟维生 素D3与PTH作用效果相似，但前者直接作用于胞核，后者则首先作用在胞膜上，因而Luben认 为EMFs首先作用于胞膜，进而干扰激素受体作用或阻止膜上受体环化酶偶联。Fitzsimmons 等人16发现脉冲电场刺激了成骨细胞表面胰岛素样生长因子(IGF-)的释放 ，提出电场照射使预先合成的生长因子释放出来，引起细胞增殖。他们给骨肉瘤细胞TE-85 施加电容耦合式电场，发现细胞增殖水平提高25%。实验还表明增殖与IGF- mRNA水平提 高有关。另外还有些不同结论的实验结果，如Yamada等人17对三种目前已用于医疗的典型 脉冲电磁场(PEMFs)进行了各种体外、体内实验，研究PEMFs对骨形成和再吸收的作用。他们 在实验中没有发现PEMFs对骨代谢的明显作用，暗示了目前使用在医疗上的波形还有争议。总之，(1)生物、医学研究表明低能量、低频率电磁场(电流密度10100 mA/m2，频率小于1 kHz)对骨与骨细胞有作用；(2)电磁场与细胞的 作用并非是一种线性关系，存在着频率、场强(电流密度)及脉宽等的窗口效应。同时，作用 时间也很重要，很多实验指出间断性作用比连续作用的效果更好；(3)同 时存在正、负作用的实验报道，还有很多不可重复的正作用的 实验报道；(4)细胞类型、生长状态、接种密度、血清浓度、照射系统的 稳定 性、外围杂散场等等都会影响实验结果，因而重复实验应首先保证实验条件的一致重复。5作用机制50年代起，Yasuda等人陆续发现骨的电机械特性和自然生物电位，提出压电效应的概念，对 电和机械因素在骨重建中的角色作了初步解释。李起鸿等5通过血管造影发现电 刺激侧微血管比对照侧丰富，指出直流电刺激使生理性关闭的微血管开放，改善血液供应， 加速骨折愈合。Bassett4认为电磁场主要对钙盐产生某种动力学影响，促进Ca 2+向阴极运动并沉积，加速组织钙化。除此之外，许多学者把成骨机制模型建立在电磁场(EMFs)对骨与成骨细胞的作用上，从细胞 及分子水平对机制进行解释。其中一部分模型以“原生质膜是相互作用的主要位置”为基本 原则15，认为EMFs首先作用于胞膜，然后通过酶的级联传给第二信使，从而到达 核，引起DNA变化。但Goodman的实验18显示EMFs能刺激细菌提取液(无原生质膜) 蛋白合成，从而暗示了胞膜不是EMFs作用的唯一途径。Blank19在总结了大量实 验的基础上，也指出EMFs有可能直接作用于DNA。另外还有些模型并未明确要求EMFs对细胞膜的作用。Litovitz等人20认为不论初 始作用如何发生，外加场将最终影响合成及分解代谢速率，他们还观察到一些化学反应速率 的窗口效应，提出有些实验观察不到EMFs作用可能是由于实验者作用时间过长或不够，暗示 了大的生物效应可能发生在短期照射上。有些实验者发现时变场(交变场)与常量场(静态场) 的特定组合会产生类共振的特性，提出回旋共振模型21。大量实验结果支持这一 模型，但也有些不能成功地重复22。另外，这个模型在离子水合作用、与其它分 子碰撞时间间隔，轨道尺寸等理论背景上还存在挑战。6结论与展望电磁技术用于骨科治疗的研究横跨电工技术、生物技术和医学领域。这项边缘交叉性研究目 前存在着很多方面的挑战。首先，同时存在着正作用及负作用结论的实验报道，而且还有一 些不能成功重复的正作用的实验报道；其次，对于电磁场在生物体系中产生如此显著的影响 及其作用机制，目前还没有被广泛接受的生物物理学解释。另外，实验现象显示电磁效应与 作用时间或强度之间不存在线性关系，并且存在频率及强度的窗口效应。为解决这些问题， 研究者们还在不懈的努力，积极探索电磁在骨科治疗中的应用。骨质疏松症(OP)是全球性公共卫生问题之一。传统的治疗方法存在较大的副作用，只能减少 骨量丢失，但不能补充已丢失的骨量。将电磁技术用于OP治疗或辅助治疗无疑是一种创新。 很多实验表明某些特定参数的电磁场能够减少或防止OP模型的骨量丢失23，还有 些实验24发现电磁场能明显恢复因OP丢失的骨量。由此可见，电磁刺激在OP治疗 上具有潜力，它的作用还需要大量实验研究证实。我们期待着进一步研究成果的出现，让电 磁技术为人类作出更大献。作者：关志成龙英蔡国平