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脉冲电磁场治疗膝骨关节炎的实验研究

2018/09/17 阅读:

【摘要】随着世界以及我国社会人口老龄化的加速,骨关节炎已成为患者和医疗工作者更为关注的健康问题。目前其治疗主要靠药物治疗、手术治疗和康复治疗。脉冲电磁场(pulsedelectromagneticfields,PEMF)作为一项安全、无创、简便的治疗方法,已被应用于临床治疗骨质疏松、促进骨折愈合以及改善骨关节炎症状。然而PEMF治疗膝骨关节炎的具体机制尚不明确,据此,该文综述了动物实验中PEMF对膝骨关节炎的细胞凋亡、细胞因子、软骨和软骨下骨的影响,以及细胞实验中软骨细胞形态和细胞外基质的变化,旨在使医疗工作者了解当今PEMF治疗膝骨关节炎基础实验研究的现状与发展方向。

【关键词】骨关节炎;脉冲电磁场;康复治疗

骨关节炎是以关节软骨退化、滑膜炎症、软骨下骨重建为主要病理特征,导致关节疼痛、僵硬及功能下降的一种常见慢性退行性关节疾病[1-2]。主要以侵袭髋关节和膝关节这样的大关节为主[3]。目前骨关节炎尚无统一的治疗标准,推荐的治疗方法主要包括药物治疗(非甾体类抗炎药、关节内注射皮质类固醇等)、非药物治疗(运动训练、患者教育等)和手术治疗[4-5]。物理治疗作为骨关节炎的治疗方法之一应该受到重视。脉冲电磁场(pulsedelectromagneticfields,PEMF)作为一项安全、无创、简便的治疗方法,已被应用于临床治疗骨质疏松[6-7]、促进骨折愈合[8]以及改善骨关节炎症状[9-10]。本文就PEMF治疗膝骨关节炎的研究现状作一文献综述,以期为膝骨关节炎的治疗提供参考。

1PEMF在动物实验中的应用

1.1PEMF对细胞因子的影响

肿瘤坏死因子-α(tumornecrosisfactor-α,TNF-α)是一种参与各种生理和病理过程的炎性细胞因子,包括炎症、免疫调节、细胞增殖和凋亡[11]。TNF-α选择性抑制软骨胶原蛋白产生、蛋白聚糖合成,并能刺激其他细胞因子,如白细胞介素(interleukin,IL)-8、IL-6和白血病抑制因子[12],与骨关节炎软骨破坏及滑膜炎症密切相关[13-14],可作为骨关节炎早期诊断及预后评价的重要指标。Guo等[15]研究PEMF对前交叉韧带切断术(anteriorcruciateligamenttransection,ACLT)后新西兰大白兔血清TNF-α水平的影响,采用频率为75Hz、强度为8mW/cm2的PEMF治疗,每天干预30min,共干预10d,结果发现PEMF组血清TNF-α水平较模型对照组有显著降低,提示PEMF对TNF-α具有抑制作用,可以很大程度防止关节软骨退变。IL-1是一种广泛存在的炎性因子,其中,IL-1β影响软骨及滑膜代谢,介导关节软骨损伤,在骨关节炎的发生机制及病理改变中起到重要作用[16]。Ciombor等[17]研究PEMF对骨关节炎的形态学影响,用频率1.5Hz的PEMF,每天干预1h,共干预6个月,发现PEMF能降低关节软骨中IL-1β含量,提高IL-1受体拮抗蛋白水平,且IL-1β的含量与骨关节炎的严重程度呈正相关,可见PEMF对关节软骨有保护作用。转化生长因子-β(transforminggrowthfactor-β,TGF-β)是软骨和骨细胞代谢的调节因子。现已证实,TGF-β可以下调基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinases,MMP)和IL-1活性,能够抵制IL-1介导的软骨基质降解,并且上调MMP抑制剂及蛋白聚糖的基因表达,可抑制MMP表达[18-19],这些观察表明TGF-β调节软骨体内稳态,并且可维持细胞外基质的形态。Ciombor等[17]研究发现PEMF能显著提高关节软骨中TGF-β水平,表明PEMF可能通过促进TGF-β分泌而影响关节软骨退化的过程。MMP是一组具有降解细胞外基质作用的内肽酶的总称。其中,与骨关节炎成因密切相关的蛋白酶有5种,包括MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-13[20-21]。在骨关节炎的发生和发展过程中,MMP水平升高和MMP抑制因子表达下降,导致关节软骨细胞外基质中的胶原、蛋白聚糖和弹力纤维等过度降解,使MMP成为介导骨关节炎软骨破坏的重要因子。Ciombor等[17]的研究结果显示PEMF干预6个月能显著降低MMP-3和MMP-9的免疫表达,提示PEMF能通过抑制这两项软骨降解酶的表达改善关节软骨的破坏。

1.2PEMF对细胞凋亡的影响

细胞凋亡是一种在有关基因调控下的自主性细胞死亡方式,在生理状态下用以清除不需要的或异常细胞。骨关节炎的发生和发展过程与软骨细胞凋亡增加相关。因此,抑制软骨细胞的异常凋亡有利于改善骨关节炎关节软骨退化[22-23]。Guo等[15]观察PEMF对ACLT新西兰大白兔软骨细胞凋亡及凋亡调控蛋白的影响,免疫组织化学检测软骨细胞胱天蛋白酶(caspase)-3和caspase-8表达,研究发现PEMF组caspase-3表达显著低于ACLT组。Caspase家族在介导细胞凋亡的过程中起着非常重要的作用,其中caspase-3为关键的执行分子,在凋亡信号传导的多种途径中发挥作用[23]。荧光TUNEL检测结果显示正常组和PEMF组软骨细胞凋亡指数明显低于ACLT组。两者结果均提示PEMF能抑制软骨细胞凋亡,保护关节软骨。谢薇等[24]在前人研究基础上,采用频率20Hz、强度8mT的PEMF,每天干预40min,每周干预5d,共干预2周,得出结果与前人研究结果相似,也发现PEMF可以抑制软骨细胞凋亡。

1.3PEMF对关节软骨的影响

目前,骨关节炎组织病理学评估方法主要包括Mankin评分、改良的Mankin评分、国际骨关节炎研究学会评分标准[25-27]和组织形态学测量[28],主要观察组织病理染色后关节软骨的损伤[29-30]。常用的病理染色方法为苏木精-伊红染色、番红O-固绿染色和甲苯胺蓝染色。苏木精-伊红染色和甲苯胺蓝染色对界定潮线具有较高的敏感性,而番红O-固绿染色和甲苯胺蓝染色对软骨中氨基葡萄糖和蛋白聚糖具有特异性,因此常用于评估软骨损伤。多项研究表明,PEMF可以改善骨关节炎动物模型中关节软骨的组织形态,并与PEMF治疗的参数和损伤部位有关。DeMattei等[31-32]在前期研究中发现PEMF能刺激牛关节软骨外植体中蛋白聚糖合成且不影响降解过程,推测PEMF诱导蛋白聚糖合成可能起到保护软骨完整性和功能的作用。在此基础上研究PEMF不同刺激参数对牛关节软骨外植体蛋白聚糖合成的影响[33],将频率和强度固定在75Hz、2mT,选择不同时间(1、4、9、24h),或者固定干预时间为24h,频率75Hz,选择不同强度(0.5、1.0、1.5、2.0mT)和强度1.5mT,选择不同频率(2、37、75、110Hz),结果发现干预时间从4h开始,蛋白聚糖合成随时间延长而逐渐增加,在强度为1.5mT时,PEMF促进蛋白聚糖合成的效果最强,而不同频率对蛋白聚糖合成的影响没有明显差异,提示PEMF刺激参数中的干预时间和强度对软骨蛋白聚糖合成起主要影响作用,此研究为将来探究PEMF治疗软骨损伤研究中的参数选择提供了理论依据。在体动物实验中,Guo等[15]和谢薇等[24]发现PEMF能降低兔膝骨关节炎股骨关节软骨的改良Mankin评分,明显抑制关节软骨退变。Ciombor等[17]在自发性膝骨关节炎豚鼠的内侧胫骨平台采用Mankin评分法得到相似的结果。Fini等[34]将12月龄具有自发性骨关节炎的豚鼠暴露在强度为1.6mT、频率为75Hz的磁场中作用6h/d,共3个月,在Carlson等[27]改良的Mankin评分中显示PEMF组得分在股骨髁内外侧和胫骨平台内外侧均明显低于模型对照组,而在软骨厚度和原纤化指数两项指标中,PEMF组仅在胫骨平台内侧与模型对照组存在差异,提示PEMF对自发性骨关节炎的关节软骨具有保护作用,但与损伤位置存在一定关联。随后,Fini等[35]进一步探究PEMF对15月龄自发性骨关节炎损伤程度更严重的豚鼠是否仍然具有治疗效果,PEMF采用同等参数,仅将干预时间延长至6个月。在改良的Mankin评分中得到与前期研究相同的结果,而软骨厚度测量结果显示6个月的PEMF治疗能在股骨髁内外侧和胫骨平台内外侧的位置有效提高软骨厚度,同时观察到PEMF组胫骨和股骨内侧的原纤化指数相比模型对照组降低,表明PEMF对更严重的自发性骨关节炎仍然具有软骨保护作用,并且通过适当延长干预周期,加大了治疗的有效范围。Veronesi等[36]观察不同频率的PEMF对21月龄的自发性骨关节炎,即骨关节炎晚期豚鼠的影响,将豚鼠暴露于频率分别为37、75Hz的PEMF环境中,强度为1.5mT,时间为6h/d,干预3个月后发现75Hz磁场组在股骨和胫骨内侧处的由Carlson等[27]改良的Mankin评分结果中较模型对照组显著降低,37Hz磁场组在股骨外侧髁位置的评分明显低于模型对照组,两磁场组的原纤化指数均在胫骨平台内侧较对照组降低,并且75Hz磁场组较37Hz磁场组更低,两组之间存在统计学差异,同时,结果显示75Hz磁场组可以提高胫骨平台内侧的软骨厚度,该研究结果提示两种频率的PEMF均具能防治软骨退化,但75Hz的PEMF具有更好的效果。

1.4PEMF对骨组织形态的影响

骨关节炎进展过程中骨组织存在各种形式的结构变化,如软骨下骨硬化和囊肿形成。软骨下骨小梁具有吸收震荡,保护关节软骨的作用,而软骨下骨硬化会导致震荡吸收能力下降,造成软骨损伤,软骨下骨囊肿形成将造成骨塌陷并进一步形成关节畸形[37],可见骨组织的微观结构是决定骨生物性能的重要因素。软骨下骨微观结构与生物力学性能的改变可以影响软骨退变已成为共识[38-40]。Fini等[34]研究发现PEMF能降低自发性骨关节炎豚鼠软骨下骨厚度,对骨体积分数(bonevolume/tissuevolume,BV/TV)、骨小梁厚度(trabecularthickness,Tb.Th)、骨小梁数量(trabecularnumber,Tb.N)和骨小梁分离度(trabecularseparation,Tb.Sp)尚无明显改变。随后,Fini等[35]在针对骨关节炎晚期的研究中延长了PEMF的干预周期,结果显示PEMF不仅能降低软骨下骨厚度,而且对组织形态计量学各项指标均产生影响,增加大部分膝关节范围的Tb.Sp,减少BV/TV、Tb.Th和Tb.N,从而改善软骨下骨骨小梁的细微结构。Veronesi等[36]研究发现75Hz和37Hz的磁场组均能降低大部分膝关节范围的软骨下骨厚度,两者之间没有明显差异,与频率没有关系。75Hz和37Hz的磁场组的骨组织形态计量学指标与对照组比较,Tb.Th和Tb.Sp显著增加,Tb.N明显减少,两个磁场组之间作比较,75Hz磁场组Tb.N高于37Hz磁场组,Tb.Th低于37Hz磁场组,由于骨关节炎的骨组织形态计量学指标的变化趋势仍存在争议,所以仅能明确两种频率的磁场对软骨下骨厚度具有相同作用。

2PEMF在细胞实验中的应用

PEMF对软骨细胞的影响尚存在争议。Jahns等[41]研究不同参数组合的PEMF对人软骨细胞形态学影响,结果显示频率100Hz、强度3.14mT和频率500Hz、强度1.69mT的PEMF干预能造成部分软骨细胞形态从星形到球形的改变,甚至在前者参数条件下干预尚未充分贴壁的软骨细胞仍能得到相同的结论,提示PEMF能诱导人软骨细胞形态变化,虽然目前机制尚不明确,但仍有各种理论,如跨膜通道和受体、肌动蛋白的重新分配、附着力和环境影响,为治疗骨关节炎关节软骨损伤提供了新思路。Varani等[42]研究低能量PEMF对牛软骨细胞和成纤维样滑膜细胞的腺苷受体的影响,发现75Hz、1.5mT的PEMF可上调牛软骨细胞和成纤维样滑膜细胞中的A2A和A3受体并增加其功能活动,但在提高腺苷亲和力和药物-受体相互作用中与对照组比较没有明显差异。此研究为未来应用PEMF结合腺苷治疗干预炎性关节疾病提供了方向。Schmidt-Rohlfing等[43]研究比较16.7Hz、2mT的PEMF和50Hz、2mT的正弦电磁场对培养在胶原凝胶中的人软骨细胞的作用,发现Ⅱ型胶原和蛋白多糖的基因表达和免疫组织化学检测结果显示两磁场组与对照组相比无明显差异,表明PEMF和正选电磁场治疗对人骨关节炎软骨细胞尚未发现疗效。然而,Chang等[44]将猪软骨细胞包被在胶原凝胶中暴露在频率75Hz、强度1.8~3.0mT的PEMF中24h,1周后发现糖胺聚糖生成增多并促进腔隙形成,3周后观察到暴露组的软骨细胞增殖增多,蛋白聚糖、Ⅰ和Ⅹ型胶原的mRNA表达明显高于对照组,在蛋白聚糖的组织染色和检测胶原表达的免疫组织化学染色结果中并未得到相同的结果。Chang等[45]将培养在壳聚糖膜中的猪软骨细胞暴露在频率75Hz、强度1.8~3.0mT的PEMF,每天干预2h,共3周,结果发现PEMF较对照组而言,储存更多的糖胺聚糖和Ⅱ型胶原,可见在此培养条件下,PEMF能促进软骨细胞分泌细胞外基质,加速软骨修复。Sadoghi等[46]发现选择频率75Hz、强度1.6mT的PEMF,每天干预4h,共4d,PEMF组的糖胺聚糖及其DNA表达较对照组无明显改变,提示PEMF对人骨关节炎软骨细胞生物活性无显著影响。由此可见,由于PEMF选择参数不同、实验环境各异等因素,PEMF对软骨细胞的效果尚不统一,需要进一步探讨。

3结语

PEMF作为一种简便无创的物理治疗方法,对治疗膝骨关节炎具有一定的效果,但由于各研究者采用不同的刺激参数,可能导致实验结果不同,甚至出现相互矛盾的结果,具有明显的“窗口效应”。动物实验研究显示PEMF能抑制膝骨关节炎软骨细胞凋亡、保护关节软骨、改善软骨下骨的微观结构,而对细胞水平的影响尚不统一。总之,目前PEMF对膝骨关节炎的基础研究较少,故本综述缺乏针对性的分析结论。关于采用PEMF治疗膝骨关节炎的作用机制和最适参数仍待进一步探讨。

作者:阳筱甜;何成奇 单位:四川大学华西医院康复医学中心

脉冲电磁场治疗膝骨关节炎的实验研究

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