脉冲电磁场对骨质疏松的生物效应_关志成
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that the pulsed electromag netic fields are beneficial to the osteopo rosis treatment and can be applied in the near future. Key words:pulsed e lectro magnetic fields ;o steoporo sis ;mechanism ;ce llular ;animal model;clinical research
T he prev entive ex periments demonstrate that the co rrected bone mineral density is hig her than that o f O VX g roup (P <0. 05). I n the further studies, the serum bo ne marker and biomechanics pro per ties w ill be te sted. Based o n the efficacy of cellular level and animal mo del, the effects o f pulsed electro magnetic fields w ere inv estiga ted , the bone mineral density w as improved and the pain level was alleviated significantly after treatment. Consequently , it is concluded
松的防治中发挥重要作用 。
关键词 :脉冲电磁场 ;骨质疏松 ;机理 ;成骨细胞 ;动物模型 ;临床研究
中图分类号 :R681
文献标识码 :A
文章编号 :1003-6520(2007)02-0001-06
Bio-effects of Pulsed Electromagnetic Fields on Osteoporosis
研究发现 , 电磁场能够促进 DN A 的合成 和影响成骨细胞的增殖和 分化 , 且 其效果存 在一定 的窗口 效应 ;骨质疏 松
动物模型研究显示 , 脉冲电磁场能够改善去势诱 导骨质疏松 模型骨 密度 ;初步临 床实验 证实了细 胞研究 和动物 模
型研 究的作用效果 , 并且能够有效改善骨质疏松病人的疼 痛和改善骨密度水平 。 因此认为 脉冲电磁 场将在骨质 疏
究 , 为骨质疏松的防治开辟了新的途径 ———物理疗 法 。1953 年 , 日本学者 Yasuda 采用微安级的电流 作用于兔子股骨 3 周 , 发现负极附近有新骨形成 , 在 报告中 首次提 出了 骨具 有压电 效应(piezoelect ric eff ect), 即在骨组织或肌腱上施加应力可得到极化 电位 ;同时逆压电效应也得到证明 , 即给骨组织施加 电场时 , 正负 极之 间 会产 生应 力和 应 变[ 1] 。 1966 年 , F reidenberg 和 Bright on 等 发现正 常有生 命的 骨骼具有特定的生物电 , 提出了稳态电位的概念 , 并 用恒定直流电治疗骨不连[ 2-6] 。 1977 年 , Basset t 提 出用电磁场刺激治疗骨不连 , 取得了令人满意的效
Abstract :T his paper reviewed the resea rch pro gre ss in the effects o f pulsed electro magnetic fields o n osteopo rosis by our team since 1997. To e stablish the interactio n between osteopor osis and pulsed electromag netic fields , precise cellula r response to the electro magnetic fields in vit ro wa s measured. I n a cellula r level , the e xperimental r esults indicate that DN A sy nthesis of U M R-106 o steo blast-like cells is increased, the prolifer ation leve l is raised using M T T test a nd diffe rentiatio n is affected by specific electr omag netic fields stimulation. In the research o f the differentia tion effects o f pulsed electro magnetic fields o n o steo blast cell-line (SaO S-2), the alkaline phospha ta se activity is impro ved by 156% co mpa red with base line a nd by 53 % with contro l g roup by 15H z, 0. 5 ～ 0. 8 mT pulsed e lectro magnetic fields. T he "window effects"of frequency , mag netic inductio n intensity and ex posure time we re obse rved. T o verify the results in the cellular level, animal mo del was conducted to qualify and o ptimize the therapeutic regimen.
T si ng hua Universi ty , Beijing 100084 , China ;3. Department of Lif e Science , Graduate School at Shenzhen , T si ng hua Universi ty , Shenzhen 518055 , Chi na)
图 1 细胞培养液 ALP 检测 OD 值 Fig. 1 Effects of PEMFs on cell differentiation (ALP activity)
diniz等人的研究发现一氧化氮no在脉冲磁场促进成骨细胞系mc3t3e1增殖和分化的过程中起重要作用在缺乏no合成酶抑制剂的培养基中发现碱性磷酸酶活性增强dna含量和亚硝酸盐浓度2007增加1lohmann等研究了脉冲电磁场对体外两种成骨细胞系分化终末期骨样细胞mloy4化良好的成骨样细胞ros1728的作用发现pemfs能提高mloy4培养基中局部alp活性促进转化生长因子tgf13l和前列腺素e2的产出但对两种细胞系数量和骨钙素均无影rileguerkov在成骨细胞培养早期也发现pemfs能够促进转化生长因子tgf13l的合成释放1fitzsimmons发现100hz的电磁场不仅能够诱导胰岛素样生长因子igfi1还可以增加细胞膜上igf受体数目ezo
3. 清华大学深圳研究生院生命学部 , 深圳 518055)
摘 要 :电磁场作为非创伤性疗法在骨病治疗中已得 到广泛 的关注 , 故清 华大学 深圳研究 生院以 近 10 年的工 作
为基 础 , 从细胞水平 、动物模型和临床研究 3 个方 面总 结了 脉冲电 磁场 应用于 防治 骨质 疏松研 究所 取得的 成果 。
1 脉冲电磁场对分子和细胞的研究
脉冲电磁场对分子和细胞作用机理的实验研究 可精确控制实验条件 , 更好地排除体实验时诸多影 响因素(如受照动物的健康状况 、体液因子 、细胞类 型等)的干扰 ;可精确地控制剂量 , 提供更为直接的 剂量与效应的对应关系 ;还具有重复性好等优势 。
研究者对低能量低频电磁场对骨形成 、骨吸收 和骨重构的作用已趋于认同 , 但对于脉冲电磁场的 生物学机制尚无一致的结论 。 龙英等人研究电磁场 对成骨样细胞 UM R-106 的增殖影响发现 , 电磁场 刺激存 在频 率 、场 强 和作 用时 间 的“ 窗 口” 效应 , 125 H z 、10 V / cm(峰值)、0. 2 ms 脉宽的脉冲电场和 5 H z 、0. 5 m T (有 效 值)的 交变 磁 场 能显 著 提 高 UM R-106 的 DNA 合成水平 , 并对增强细胞的生物 活性有明显作用[ 8] 。 交变电场和交变磁场的有效频 率非常相似(<100 H z , 特别在 10 Hz 附近作用效果 更明显), 只有合适磁感应强度范围的磁场对细胞的 增殖才有作用[ 9] 。极 低磁感应强度 对细胞没有 作 用 , 而当磁感应强度超过某个阈值时 , 细胞的生长会 受到 抑 制 。 脉 冲 电 场和 正 弦交 变 磁 场通 过 影 响 UM R-106 细胞的生物活性 , 包括 DNA 、胶原等生物 大分子的合 成 , 环腺 苷酸(cy clic adeno sing monophosphate , cAM P)、碱性磷酸酶(alkaline phatase , A L P)水平的变化[ 10] , 进而影响细胞的增殖 或其他 代谢水平 , 特别是某些具有分化特征的活性 ;脉冲电 场(P EF)和正弦交变磁场(AMF s)的作用比较实验 显示在作用程度 、作用时间 、细胞反应时间及场能量 等方面 , 磁场的刺激作用比电场更为有效 。
毛静在研究脉冲磁场对 SaOS-2 成骨细胞的影 响中也观察到频率和磁感应强度的“窗口” 效应 , 细 胞只对特定参数范围内的磁场刺激起反应[ 11] 。 促 进 SaOS-2 细胞增殖的主要 有效频率范围为 50H z 以下 , 其中 15H z 频率对细胞增殖水平提高 的作用 最明显 , 提高了 36 %;促进 SaOS-2 细胞增殖的主要 有效磁感应强度为一很窄的窗口 , 为 0. 4 ～ 0. 7m T ; 在此区间 , 磁场对细胞增殖水平的作用很接近 , 提高 率为 17 %。
DO I 牶牨牥牣牨牫牫牫牰牤j牣牨牥牥牫牠牰牭牪牥牣hve牣牪牥牥牱牣牥牪牣牥牥牨
第200373年卷 第 22
期 月
高 电 压 技 术 High V olt age Engineering
V ol . 33 N o. 2
Feb . 2007
1
脉冲电磁场对骨质疏松的生物效应
关志成1 , 杨小卫1 , 2 , 王黎明1 , 张雅鸥3 , 刘瑛岩2 (1. 清华大学深圳研究生院能源电工实验室 , 深圳 518055 ;2. 清华大学电机系 , 北京 100084 ;
G U A N Z hicheng1 , Y A N G Xiaow ei1 , 2 , WA NG Lim ing 1 , Z H A NG Y aou3 , LIU Yi ngy an2 (1. Labo rato ry of Adv anced Technolo gy of Electrical Engineering and Energy , Graduate School at Shenzhen , T si ng hua Universi ty , Shenzhen 518055 , Chi na ;2. Depart ment of Elect rical E质疏松是一种以骨量减少 , 骨组织微细结构 破坏 , 骨脆性增加和易发生骨折为特征的疾病 , 严重 影响着老年人的生活质量和生存状况 。 在临床骨质 疏松治疗 , 补钙 、维生素 D 和雌激素等药物 治疗由 于其带来的诸多不良反应(如高血钙和乳腺癌)而受 到限制 。
近几十年 , 电磁场技术与生物 、医学等学科的交 叉应用 , 取得了许多重大进展 , 特别是随着极低频脉 冲电磁场对骨病治疗生物医学效应和机制的深入研
2
Feb. 2007
Hig h Vol tage Engineering
Vol. 33 No. 2
果 , 从此开创了治愈骨不连的非侵入性方法研究[ 7] 。 在总结前人工作的基础上 , 结合 Wo lf 定律 , Basset t 预示脉冲电磁场将在骨质疏松治疗中得到应用 。 清 华大学电工新技术课题组从 1997 年开始研究电磁 场对骨质疏松的影响 , 取得了一系列的研究成果 , 以 这些研究成果为主线 , 从细胞分子机理研究 、动物模 型研究和临床应用研究三个方面综述脉冲电磁场对 骨质疏松治疗的研究进展 。
T he prev entive ex periments demonstrate that the co rrected bone mineral density is hig her than that o f O VX g roup (P <0. 05). I n the further studies, the serum bo ne marker and biomechanics pro per ties w ill be te sted. Based o n the efficacy of cellular level and animal mo del, the effects o f pulsed electro magnetic fields w ere inv estiga ted , the bone mineral density w as improved and the pain level was alleviated significantly after treatment. Consequently , it is concluded
松的防治中发挥重要作用 。
关键词 :脉冲电磁场 ;骨质疏松 ;机理 ;成骨细胞 ;动物模型 ;临床研究
中图分类号 :R681
文献标识码 :A
文章编号 :1003-6520(2007)02-0001-06
Bio-effects of Pulsed Electromagnetic Fields on Osteoporosis
研究发现 , 电磁场能够促进 DN A 的合成 和影响成骨细胞的增殖和 分化 , 且 其效果存 在一定 的窗口 效应 ;骨质疏 松
动物模型研究显示 , 脉冲电磁场能够改善去势诱 导骨质疏松 模型骨 密度 ;初步临 床实验 证实了细 胞研究 和动物 模
型研 究的作用效果 , 并且能够有效改善骨质疏松病人的疼 痛和改善骨密度水平 。 因此认为 脉冲电磁 场将在骨质 疏
究 , 为骨质疏松的防治开辟了新的途径 ———物理疗 法 。1953 年 , 日本学者 Yasuda 采用微安级的电流 作用于兔子股骨 3 周 , 发现负极附近有新骨形成 , 在 报告中 首次提 出了 骨具 有压电 效应(piezoelect ric eff ect), 即在骨组织或肌腱上施加应力可得到极化 电位 ;同时逆压电效应也得到证明 , 即给骨组织施加 电场时 , 正负 极之 间 会产 生应 力和 应 变[ 1] 。 1966 年 , F reidenberg 和 Bright on 等 发现正 常有生 命的 骨骼具有特定的生物电 , 提出了稳态电位的概念 , 并 用恒定直流电治疗骨不连[ 2-6] 。 1977 年 , Basset t 提 出用电磁场刺激治疗骨不连 , 取得了令人满意的效
Abstract :T his paper reviewed the resea rch pro gre ss in the effects o f pulsed electro magnetic fields o n osteopo rosis by our team since 1997. To e stablish the interactio n between osteopor osis and pulsed electromag netic fields , precise cellula r response to the electro magnetic fields in vit ro wa s measured. I n a cellula r level , the e xperimental r esults indicate that DN A sy nthesis of U M R-106 o steo blast-like cells is increased, the prolifer ation leve l is raised using M T T test a nd diffe rentiatio n is affected by specific electr omag netic fields stimulation. In the research o f the differentia tion effects o f pulsed electro magnetic fields o n o steo blast cell-line (SaO S-2), the alkaline phospha ta se activity is impro ved by 156% co mpa red with base line a nd by 53 % with contro l g roup by 15H z, 0. 5 ～ 0. 8 mT pulsed e lectro magnetic fields. T he "window effects"of frequency , mag netic inductio n intensity and ex posure time we re obse rved. T o verify the results in the cellular level, animal mo del was conducted to qualify and o ptimize the therapeutic regimen.
T si ng hua Universi ty , Beijing 100084 , China ;3. Department of Lif e Science , Graduate School at Shenzhen , T si ng hua Universi ty , Shenzhen 518055 , Chi na)
图 1 细胞培养液 ALP 检测 OD 值 Fig. 1 Effects of PEMFs on cell differentiation (ALP activity)
diniz等人的研究发现一氧化氮no在脉冲磁场促进成骨细胞系mc3t3e1增殖和分化的过程中起重要作用在缺乏no合成酶抑制剂的培养基中发现碱性磷酸酶活性增强dna含量和亚硝酸盐浓度2007增加1lohmann等研究了脉冲电磁场对体外两种成骨细胞系分化终末期骨样细胞mloy4化良好的成骨样细胞ros1728的作用发现pemfs能提高mloy4培养基中局部alp活性促进转化生长因子tgf13l和前列腺素e2的产出但对两种细胞系数量和骨钙素均无影rileguerkov在成骨细胞培养早期也发现pemfs能够促进转化生长因子tgf13l的合成释放1fitzsimmons发现100hz的电磁场不仅能够诱导胰岛素样生长因子igfi1还可以增加细胞膜上igf受体数目ezo
3. 清华大学深圳研究生院生命学部 , 深圳 518055)
摘 要 :电磁场作为非创伤性疗法在骨病治疗中已得 到广泛 的关注 , 故清 华大学 深圳研究 生院以 近 10 年的工 作
为基 础 , 从细胞水平 、动物模型和临床研究 3 个方 面总 结了 脉冲电 磁场 应用于 防治 骨质 疏松研 究所 取得的 成果 。
1 脉冲电磁场对分子和细胞的研究
脉冲电磁场对分子和细胞作用机理的实验研究 可精确控制实验条件 , 更好地排除体实验时诸多影 响因素(如受照动物的健康状况 、体液因子 、细胞类 型等)的干扰 ;可精确地控制剂量 , 提供更为直接的 剂量与效应的对应关系 ;还具有重复性好等优势 。
研究者对低能量低频电磁场对骨形成 、骨吸收 和骨重构的作用已趋于认同 , 但对于脉冲电磁场的 生物学机制尚无一致的结论 。 龙英等人研究电磁场 对成骨样细胞 UM R-106 的增殖影响发现 , 电磁场 刺激存 在频 率 、场 强 和作 用时 间 的“ 窗 口” 效应 , 125 H z 、10 V / cm(峰值)、0. 2 ms 脉宽的脉冲电场和 5 H z 、0. 5 m T (有 效 值)的 交变 磁 场 能显 著 提 高 UM R-106 的 DNA 合成水平 , 并对增强细胞的生物 活性有明显作用[ 8] 。 交变电场和交变磁场的有效频 率非常相似(<100 H z , 特别在 10 Hz 附近作用效果 更明显), 只有合适磁感应强度范围的磁场对细胞的 增殖才有作用[ 9] 。极 低磁感应强度 对细胞没有 作 用 , 而当磁感应强度超过某个阈值时 , 细胞的生长会 受到 抑 制 。 脉 冲 电 场和 正 弦交 变 磁 场通 过 影 响 UM R-106 细胞的生物活性 , 包括 DNA 、胶原等生物 大分子的合 成 , 环腺 苷酸(cy clic adeno sing monophosphate , cAM P)、碱性磷酸酶(alkaline phatase , A L P)水平的变化[ 10] , 进而影响细胞的增殖 或其他 代谢水平 , 特别是某些具有分化特征的活性 ;脉冲电 场(P EF)和正弦交变磁场(AMF s)的作用比较实验 显示在作用程度 、作用时间 、细胞反应时间及场能量 等方面 , 磁场的刺激作用比电场更为有效 。
毛静在研究脉冲磁场对 SaOS-2 成骨细胞的影 响中也观察到频率和磁感应强度的“窗口” 效应 , 细 胞只对特定参数范围内的磁场刺激起反应[ 11] 。 促 进 SaOS-2 细胞增殖的主要 有效频率范围为 50H z 以下 , 其中 15H z 频率对细胞增殖水平提高 的作用 最明显 , 提高了 36 %;促进 SaOS-2 细胞增殖的主要 有效磁感应强度为一很窄的窗口 , 为 0. 4 ～ 0. 7m T ; 在此区间 , 磁场对细胞增殖水平的作用很接近 , 提高 率为 17 %。
DO I 牶牨牥牣牨牫牫牫牰牤j牣牨牥牥牫牠牰牭牪牥牣hve牣牪牥牥牱牣牥牪牣牥牥牨
第200373年卷 第 22
期 月
高 电 压 技 术 High V olt age Engineering
V ol . 33 N o. 2
Feb . 2007
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脉冲电磁场对骨质疏松的生物效应
关志成1 , 杨小卫1 , 2 , 王黎明1 , 张雅鸥3 , 刘瑛岩2 (1. 清华大学深圳研究生院能源电工实验室 , 深圳 518055 ;2. 清华大学电机系 , 北京 100084 ;
G U A N Z hicheng1 , Y A N G Xiaow ei1 , 2 , WA NG Lim ing 1 , Z H A NG Y aou3 , LIU Yi ngy an2 (1. Labo rato ry of Adv anced Technolo gy of Electrical Engineering and Energy , Graduate School at Shenzhen , T si ng hua Universi ty , Shenzhen 518055 , Chi na ;2. Depart ment of Elect rical E质疏松是一种以骨量减少 , 骨组织微细结构 破坏 , 骨脆性增加和易发生骨折为特征的疾病 , 严重 影响着老年人的生活质量和生存状况 。 在临床骨质 疏松治疗 , 补钙 、维生素 D 和雌激素等药物 治疗由 于其带来的诸多不良反应(如高血钙和乳腺癌)而受 到限制 。
近几十年 , 电磁场技术与生物 、医学等学科的交 叉应用 , 取得了许多重大进展 , 特别是随着极低频脉 冲电磁场对骨病治疗生物医学效应和机制的深入研
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Vol. 33 No. 2
果 , 从此开创了治愈骨不连的非侵入性方法研究[ 7] 。 在总结前人工作的基础上 , 结合 Wo lf 定律 , Basset t 预示脉冲电磁场将在骨质疏松治疗中得到应用 。 清 华大学电工新技术课题组从 1997 年开始研究电磁 场对骨质疏松的影响 , 取得了一系列的研究成果 , 以 这些研究成果为主线 , 从细胞分子机理研究 、动物模 型研究和临床应用研究三个方面综述脉冲电磁场对 骨质疏松治疗的研究进展 。