静磁场对骨改建的生物学研究进展

颜旖萌 周永龙 刘艺帆 欧阳志强

（1南昌大学口腔医学院2020级硕士研究生 江西南昌 330031；2南昌大学口腔医学院2021级硕士研究生江西南昌 330031；3南昌大学附属口腔医院 江西南昌 330006）

各种退行性病变或外伤导致的骨缺损严重影响患者的生活质量，骨组织的替代和再生成为临床研究的重要内容。以往采用的解决方法通常是植入骨粉或骨移植，但骨粉塑性困难且术后会发生部分或完全吸收，自体骨移植会损伤供骨部位，并发症程度可能因部位和技术的差异而存在不同，包括出血、神经损伤、疼痛、感染和功能丧失等[1]。使用来自骨库的人体或动物骨移植可以防止供体部位出现并发症，但存在病毒或细菌感染的潜在风险，以及自身对植入物的免疫排斥反应[2]，并不能达到一个稳定而持久的预后效果。近年来，磁性纳米颗粒（Magneticnano Particles,MNPs）在生物和医疗领域的应用越来越广泛，多项研究证实了其良好的生物相容性[3]，且具有一些独特的应用如磁性药物输送[4]。Bock等[5]以功能化MNPs作为载体，利用磁场将生物制剂输送到磁性支架内部，提高生物制剂释放部位的准确性以及延长生物制剂作用的时间。本研究从静磁场（SMF）对骨缺损修复的作用入手，介绍SMF对骨改建生物学研究进展，并讨论SMF在骨组织工程中的应用前景。

1 SMF对骨缺损修复的作用

磁场包括SMF、脉冲电磁场（PEMF）、旋转磁场（RMF）和交变电磁场。它们有助于种植体与宿主组织的结合，增加新骨的矿物质密度，促进缺损愈合。但电磁场既能产生磁场又能产生电流，对于哪一种因素对骨形成的作用更大，还不能得出明确的结论，且电磁场可能对组织造成热和电危害。SMF既没有诱导电流也没有引起矢量变化，因而SMF可以直接诱导成骨细胞定向分化，可应用于长期的骨骼愈合，如当使用永磁体进行刺激时，不需要额外的动力装置提供外部能量。

研究表明SMF对种植体植入、骨折愈合、骨缺损等均有积极作用，Bambini等[6]发现在口腔种植体植入的部位周围施加SMF刺激，可以促进种植体周围骨组织形成。Aydin等通过对20只植入磁性/非磁性髓内装置的新西兰大白兔进行组织学、放射学和骨密度检查，结果表明带SMF的髓内植入物能够在放射学上改善前两周的骨愈合[7]，Meng等将磁性材料引入纳米纤维支架中，从而验证了超顺磁性纳米纤维支架与外加SMF对体内骨缺损的协同成骨作用[8]。

2 SMF对骨改建的生物学效应

关于SMF对骨改建的生物学效应，本文将从组织层面、细胞层面以及分子层面综述近些年的研究情况。

2.1 组织层面骨骼具有多种生理功能，是仅次于血液的第二大移植组织[9]。但临床中对于大型骨缺损的治疗仍不理想，用组织工程化结构修复大型骨缺损的一个主要挑战是血管化不足，血管化不足会导致氧气和营养物质缺乏，从而影响种子细胞的生存。成功的骨改建，不仅要求重建具有良好生物活性的血管组织，还需要有能配合其运动，协调一致的骨骼肌结缔组织，而SMF为这些问题的解决提供了新的思路。

2.1.1 血管组织对于高度血管化的骨组织，重建大型骨骼缺损的组织工程方法往往因为血管化不足而失败[10～11]。为了研究磁刺激是否可以同时激发成骨细胞活性和血管生成能力，Filippi等[12]通过将MNPs掺入到含有间质血管组织的聚乙二醇（PEG）的水凝胶中，产生了新型的磁化纳米复合水凝胶，之后研究SMF对成骨细胞和血管生成特性的刺激作用，以单独应用MNPs或SMF作为对照，结果显示在小鼠皮下植入复合水凝胶，磁驱动作用下形成了更细长的毛细血管样结构，并且矿化基质沉积均较对照组增强。Xu等[13]使用缺血性大鼠股骨模型研究了SMF对骨形成的影响，发现磁化组1的骨量明显高于未磁化组，SMF对缺血大鼠股骨骨形成的增强似乎是源自于股骨血液循环的改善。

2.1.2 骨骼肌结缔组织在骨改建的过程中，为了重建患者的生理功能，高度血管化的骨组织至关重要，骨骼肌运动的协调也不可或缺。研究证明磁力不仅可以激发血管生成能力，还可以加强骨骼肌的协调收缩。近年来，骨骼肌作为生物致动器备受关注，天然骨骼肌是由平行排列的横纹肌管组成，而肌管是主要由胶原蛋白构成的一种结缔组织。Yamamoto等[14]利用磁性阳离子脂质体对C2C12成肌细胞进行磁性标记，在外加磁力的作用下构建人工骨骼肌组织，并对该组织的生化和收缩特性进行了评估，组织学检查可见细长的多核肌管。结果证明了磁力对骨骼肌组织生理功能的积极作用。

2.2 细胞层面骨是一个不断更新的组织，主要由骨髓间充质干细胞、骨细胞、成骨细胞和破骨细胞组成。成骨细胞促进骨形成，破骨细胞诱发骨吸收，两者间保持动态平衡，也称为骨重塑。骨重塑对正常的骨代谢、骨完整性和适当的骨强度起着举足轻重的作用[15]。在细胞水平上，SMF可以调节细胞的各项功能，包括增殖、分化、表面形态改变、基因表达等。

2.2.1 影响细胞增殖分化对不同类型的细胞，如骨髓间充质干细胞、大鼠颅骨细胞、人骨肉瘤细胞系MG63、小鼠颅骨成骨细胞MC3T3-E1等，应用适量SMF可增强细胞分化[16]。根据Owen等[17]的研究，成骨细胞分化可分为三个阶段：增殖期、基质成熟期和矿化期。与基质发育成熟相关的胶原合成、碱性磷酸酶（ALP）活性增强，提示细胞从增殖期向基质成熟期过渡。骨钙素是成骨细胞矿化期的标志，在大鼠颅骨细胞培养中，高分化的成骨细胞在矿化期表达骨钙素。Yamamoto等[18]通过用SMF处理大鼠颅骨细胞，研究SMF对成骨细胞增殖分化的作用，发现SMF暴露组培养液中，骨钙素的含量以及ALP活性均增加，并且SMF存在时，骨结节的总面积、个数和平均大小均处于较高水平，表明SMF通过促进成骨细胞的分化和/或激活来刺激骨形成。然而，分化效应的机制尚未被很好地描述。Huang等[19]推测SMF通过调节细胞释放的早期局部因子，从而刺激成骨细胞的分化。通过比较SMF暴露组和未暴露组中细胞转化生长因子-β1、I型胶原、骨桥蛋白和碱性磷酸酶水平，表明SMF暴露组的MG63细胞产生的局部调节因子大于对照组细胞。这些发现提供了SMF通过上调早期局部因子影响成骨细胞成熟的证据。

2.2.2 影响细胞形态SMF可以直接影响细胞膜、细胞骨架和蛋白质分布（如肌动蛋白丝），从而促进细胞形态的改变。Abadi等[20]归纳了有关中等强度SMF生物学效应的形态学研究数据，他们发现细胞凋亡率以及细胞表面形状都受到SMF刺激的影响。细胞暴露于SMF促进了F-肌动蛋白丝的重排，而F-肌动蛋白丝又可能引起细胞表面修饰，从而导致细胞形状和质膜结构的改变[21]。

2.2.3 影响细胞基因表达基因表达在细胞代谢、生物合成和细胞应激反应中起着重要作用[22]。SMF一旦作用于DNA的完整性以及DNA转录和翻译，就被引用为这些过程的改变因子。Wang[23]等发现高磁引力环境能同时影响成骨细胞基因和细胞骨架相关基因的表达，之后该研究团队使用特殊设计的具有大梯度高磁场（LG-HMF）的超导磁体，研究了LG-HMF对骨细胞样细胞系MLO-Y4基因表达谱的影响，结果表明LG-HMF会影响骨细胞中能量代谢相关基因的表达。廖钟财[24]研究团队分析骨样细胞系MLO-Y4在不同SMF强度下的生物学效应，发现MLO-Y4细胞在500 nT亚磁场作用下促进了RANKL基因而抑制Cx43基因表达，在0.2 T中强磁场下无明显生物学行为变化，而在16 T强磁场下抑制了RANKL基因而促进iNOS基因和Cx43基因表达，据推测MLO-Y4细胞在磁场中的基因表达可能与连接蛋白半通道有关[25]。

2.3 分子层面SMF对骨改建的生物学效应，无论对于组织层面还是细胞层面来说，必然同时伴有分子层面的改变。SMF对骨改建的调控可能是SMF影响了细胞膜、细胞内钙离子以及矿物质元素等，接下来将从分子层面综述目前的研究情况。

2.3.1 细胞膜细胞膜是SMF作用的主要靶点之一，主要是因为细胞膜的磷脂双分子层具有抗磁性各向异性[25]。当磁通量密度超过一定阈值时，磷脂双分子层在SMF中将发生重排，这可能导致细胞膜变形，改变离子通道、离子泵等，从而产生生物学效应，影响细胞膜的生物物理特性（如膜流动性）。并且这种作用主要是针对细胞膜亲水区域，而非疏水区域，膜流动性常被用来评估SMF处理后细胞膜的生物物理特性变化。研究表明SMF可改变细胞膜两侧的流体静压，影响膜流动性从而影响成骨细胞的分化。此外有研究[26]显示，磁场会作用于细胞膜上的受体，激活cAMP系统，活化酶系统从而促进细胞的增殖分化。

2.3.2 钙离子目前很多研究认为，SMF通过钙离子信号通道产生生物学效应[27]。钙离子浓度的变化可以影响细胞骨架之间的相互作用或影响钙离子结合蛋白。王胜国等[28]认为，一定强度的SMF可以促进成骨细胞增殖，增加成骨细胞的ALP活性。其机制可能是SMF作用于细胞膜，使表面钙泵的活性变化，继而导致成骨细胞活性的改变。此外，王胜国及其他研究人员动态检测加载SMF后成骨细胞内钙离子浓度变化，结果表明一定强度的SMF能够降低成骨细胞内的钙离子浓度。其他研究也显示，0.4 T的SMF可通过影响牙髓干细胞的细胞膜和激活细胞内钙离子，从而促进细胞增殖[29]。因此，磁场促成骨细胞增殖可能与钙离子浓度变化有关，磁场通过改变钙离子浓度，调控核内因子，从而调节成骨细胞的增殖分化。

2.3.3 矿物质元素Zhang等[30]使用500 nT的低磁场（HyMF），0.2 T的中度SMF（MMF）和16 T的高SMF（HiMF）研究SMF对MC3T3-E1细胞矿化过程中矿物元素含量的影响。结果表明，分化中的成骨细胞比未分化的成骨细胞积累了更多的矿物质元素，HyMF降低了成骨细胞的分化能力，但不影响矿物质元素的含量；MMF虽降低了成骨细胞分化能力，但仍伴有铁含量升高；HiMF增强了成骨细胞的分化能力，并增加了除铜外的所有矿物质元素含量。这提示SMF作用下成骨细胞分化电位的改变可能与不同矿物质元素的参与有关。Yang等[31]评估了SMF对骨细胞（尤其是成骨细胞）功能的影响并进一步探索了机制，发现SMF在成骨细胞的增殖和分化过程中改变了铁元素含量，表明铁元素可能参与了SMF作用于成骨细胞分化的过程。

3 小结与展望

在有关骨组织的外界物理刺激中，SMF因为其疗效稳定且能克服电磁场电热效应对人体造成的伤害，而得到了极大的关注。虽然SMF对骨组织的影响机制错综复杂，但是在临床上利用SMF促进成骨细胞增殖分化，抑制破骨细胞活性，增加骨量，从而开展对于骨移植、骨质疏松、骨折愈合、骨关节疾病等治疗的报道已并不少见。许多研究表明SMF无论在组织、细胞乃至分子层面都对骨组织改建有生物学效应，SMF能够同时激发成骨细胞和血管生成能力，促进骨骼肌肌纤维收缩特性。作为新兴的生物分子材料，磁性材料应用于骨组织工程，使得在磁场作用下，细胞支架可以像磁铁一样被激活并发挥作用，这在克服现有骨替代疗法的局限性方面具有巨大的潜力。因此，了解SMF对于骨改建的生物学效应，可以使临床医师更好地利用磁场来满足医学需求。随着磁性材料性能的提高以及对SMF作用机制研究的深入，SMF在骨组织工程中的应用前景将更加广泛。