1、低强度脉冲电磁场对大鼠骨密度及骨形态计量学的影响作者：徐巧玲 路丽华 罗二平 申广浩 刘冬焕 化前珍 吴晓明 李丽荣 【关键词】 骨形态计量学 【Abstract】 AIM: To investigate the effects of pulsed electromagnetic fields (PEMFs) on bone mineral density (BMD) and histomorphometry in ovariectomized rats. METHODS: Thirtytwo female SD rats were divided randomly into 4 groups
2、: ovariectomy, control, magnetic A, magnetic B. All the rats were operated on the abdomen and the rats of ovariectomy group and magnetic groups (A, B) were ovariectomized. The rats of control group only had sham operation and were not ovariectomized. The rats in both magnetic groups were exposed to
3、15 Hz PEMFs 6 hours per day, with its pulse duration set to 5 ms. Magnetic group A and group B were exposed to PEMFs with different magnetic intensity, 410-4 T for group A and 810-4 T for group B. All the animals were killed 8 weeks after operation and the changes of BMD and histomorphometric proper
4、ties were observed. RESULTS: The values of BMD, trabecular area, trabecular thickness and trabecular number in ovariectomized group significantly decreased, compared with those of the other three groups（P0.05）, while the trabecular separation in ovariectomized group increased obviously, compared wit
5、h magnetic group A and magnetic group B （P0.05）. Compared with those of control group, no significant differences were found in the values of total body BMD, trabecular area and trabecular number in magnetic group B （P0.05）. But, statistically significant differences were observed in the values of t
6、otal body BMD and trabecular number between the two magnetic groups（P0.05）. CONCLUSION: There are some evident “windoweffects“ during the treatment by PEMFs. PEMFs are effective in improving BMD and histomorphometric values and are favorable to the treatment and prevention of osteoporosis. 【Keywords
7、】 pulsed electromagnetic fields; osteoporosis; bone mineral density; bone histomorphometry 【摘要】 目的：探讨低强度脉冲电磁场对大鼠骨密度及生物力学特性的影响. 方法：将 32 只 3 mo 龄雌性 SD 大鼠随机分为 4 组（n=8）：去势组、对照组、磁场 A 组、磁场 B 组；各组大鼠均采用下腹部切口，去势组及磁场组行双侧卵巢切除术，对照组仅行开腹术. 其中，磁场 A组暴露于强度为 410-4 T 的脉冲磁场环境中，磁场 B 组暴露于强度为810-4 T 的脉冲磁场环境中，两组磁场频率 f 均为 1
8、5 Hz， 为 5 ms，暴磁时间为 6 h/d. 各组动物饲养条件相同，8 wk 后处死，测定全身骨密度及骨形态计量学指标. 结果：与去势组大鼠相比，磁场组全身骨密度、股骨远端骨密度、骨小梁面积百分比、骨小梁宽度、骨小梁数目均有增加（P0.05） ，骨小梁间隙减小（P0.05） ；而与对照组相比，磁场 B 组全身骨密度、骨小梁面积百分比以及骨小梁数目等指标间的差异则没有显著性意义（P0.05） ；两磁场组之间作比较，全身骨密度和骨小梁数目的差异显著（P0.05）. 结论：PEMFs 对卵巢切除大鼠骨质疏松症的发生有一定的预防和治疗作用，磁场生物效应存在明显的窗口效应. 【关键词】 脉冲电磁场
9、；骨质疏松；骨密度；骨形态计量学 0 引言 磁场作为一种可施加于人体的外来物理因子，在临床上应用广泛，国内外进行了许多关于磁场生物效应的基础和应用研究，随着生物医学工程学的快速发展，该领域的相关研究已成为生物工程学界的研究热点1,2. 近年来，课题组针对低强度脉冲电磁场（pulsed electromagnetic fields, PEMFs）非热生物效应开展了大量研究，初步证实低强度 PEMFs 能影响动物骨形成与吸收过程3. 我们通过建立骨质疏松动物模型，经 PEMFs 作用后，观察其对骨密度以及骨形态计量学的影响，以进一步探讨磁疗的作用机制，为临床应用提供理论依据. 1 材料和方法 1.
10、1 材料 选用健康 3 mo 龄雌性 SD 大鼠 32 只（第四军医大学实验动物中心提供） ，体质量（22510）g. 采用随机数字完全随机等分为 4 组：去势组、对照组、磁场 A 组、磁场 B 组. PEMFs 发生仪由第四军医大学生物医学工程系研制，在实验中利用亥姆霍兹线圈以获得均匀性良好的磁场4. 1.2 方法 1.2.1 模型建立各组大鼠均采用下腹部切口，去势组及磁场组行双侧卵巢切除术，而对照组仅行开腹术. 动物饲养温度 1725，湿度40%50%. 各组大鼠分笼饲养. 其中，磁场 A 组暴露于强度为 410-4 T 的脉冲磁场环境，磁场 B 组暴露于强度为 810-4 T 的脉冲磁场
11、环境. 两组磁场频率 f 均为 15 Hz, 为 5 ms，暴磁时间为 6 h/d. 对照组和去势组饲养于线圈中，但不暴磁. 标准大鼠饲料，自由进水，正常进食，笼中避免金属异物. 1.2.2 指标检测各组大鼠分别于术后 8 wk 处死，处死前用速眠新(1 mL/kg)麻醉，用 Lunar DPXIQ 型骨密度仪（LUNAR 公司，美国） ，附小动物全身骨密度测定软件进行大鼠全身 BMD 测量. 处死后分离完整左股骨，剔净表面软组织后于-20冰箱保存. 用上述软件进行股骨 BMD 测量. 测量时，将离体骨按一定次序放入有机玻璃盒，盒中放入蒸馏水后进行扫描，对股骨远端进行局部测定. 取右股骨远端
12、40 g/L 中性甲醛固定 24 h，90 g/L 甲酸脱钙 21 d，常规石蜡切片，切片厚度 4 m，苏木精伊红染色，采用 Leica DC200 图像分析系统，每只大鼠标本观察切片 3 张，每张参数测量取高倍视野，测量并计算骨小梁面积百分比（Trabecular area, TbAr） 、骨小梁宽度（Trabecular thickness, TbTh） 、骨小梁间隙（Trabecular separation, TbSp）及骨小梁数目（Trabecular number, TbN）5. 统计学处理: 采用 SPSS 10.0 软件行单因素方差分析并采用 LSDt 法对各组均值进行多重比较
13、，处理结果用 xs 表示，以 P0.05 为有显著性差异. 2 结果 2.1 全身及股骨骨密度测量结果与对照组相比去势后大鼠全身骨密度及股骨远端骨密度明显下降（P0.05）. 与去势组相比两个磁场组骨密度明显升高（P0.05）. 其中，磁场 B 组全身骨密度值已接近对照组水平，两组相比没有显著性差异（P0.05）. 两个磁场组之间作比较，骨密度值差异显著（P0.05, Tab 1）.表 1 骨密度检测结果（略）2.2 骨形态计量学检测结果与对照组相比去势后大鼠骨小梁分离度明显升高（P0.05） ，而骨小梁面积百分比、骨小梁宽度、骨小梁数目均明显下降（P0.05）. 与去势组相比两个磁场组骨小梁
14、分离度明显降低（P0.05） ，骨小梁面积百分比、骨小梁宽度、骨小梁数目均明显增加（P0.05）. 磁场 B 组骨小梁面积百分比、骨小梁宽度、骨小梁数目增加最为显著，已经接近对照组，两组相比没有显著性差异（P0.05）. 两个磁场组之间作比较，除骨小梁分离度外，其他几项指标磁场 B 组均优于磁场 A 组（P0.05, Tab 2）.表 2 股骨骨形态计量学检测结果（略） 3 讨论 近几年来在磁生物学中关于磁场与生物系统的相互作用机制以及生物学效应研究的开展比较广泛，在磁场参数的选择上众说纷纭，但磁场的生物效应涉及范围非常广泛，不同的作用表现可能互相影响，甚至互为因果. 由于所用 PEMFs 的
15、频率、强度、时间等参数不同，实验结果往往差异很大. Torricelli 等6采用的 PEMFs（75 Hz, 2310-4 T,=1.3 ms）进行体外细胞培养（6 h/d）指出 PEMFs 能显著刺激成骨细胞的增殖，能治疗骨不连及骨延时愈合. 而 Gonzalez 等7应用 100 Hz, 3010-4 T的 PEMFs 对生长发育期的雌性大鼠进行治疗，发现这种 PEMFs 使骨形成减少、骨吸收增加. 游伟等8应用 UNION2000 型脉冲电磁场系统治疗妇女绝经后骨质疏松症，指出 PMEFs 在较短时间内能使骨质疏松患者骨密度逆转，显著增加骨密度、促进骨愈合. Fini 等9报道 75
16、Hz, 1610-4 T 的 PEMFs（6 h/d）能改善兔骨股头骨小梁的显微结构. Leisner 等10报道高强度、短时间的 PEMFs 辐照能显著缩短大鼠尺骨骨折愈合过程. 张鹏等11采用 15 Hz, 410-4 T 的 PEMFs 作用于高脂血症兔（10 h/d） ，指出 PEMFs 能够显著改善股骨头骨密度，增加骺板的成骨活性，改善其生物力学性质. 结合本次实验，就改善骨密度及骨形态计量学而言，810-4 T 磁场组效果要明显优于 410-4 T 磁场组，说明电磁场强度选择的不同对骨细胞作用效果也不相同. PEMFs 预防骨质疏松症的作用主要是和磁场的非热生物效应有关，但其作用机
17、制目前尚不清楚. 有学者指出 PEMFs 可能通过诱导与骨形成有关的细胞因子如：骨形态蛋白 2、骨形态蛋白 4、转化生长因子 和胰岛素样生长因子 2 等的表达，通过调节骨局部因子影响骨形成与骨吸收，从而对绝经后骨质疏松起到治疗作用12. 也有研究证实电磁场可以直接作用于生长因子，即电磁场可以刺激骨组织内有某种或多种细胞生长因子13 ，通过其旁、自分泌机制参与骨代谢的重建偶联过程，介导骨质疏松的发生和发展，影响骨密度，而且在骨折愈合过程中起重要的调节作用. 我们在前期研究中也发现 PEMFs 能改善机体血液流变特性14 ，降低氧张力，增加 pH 值，促进软骨及骨细胞释放大量钙离子，加速钙化过程.
18、 关于 PEMFs 预防骨质疏松症的机制还需进一步探索. 【参考文献】 1 余雷，罗二平，申广浩，等. 低强度脉冲电磁场治疗骨质疏松的作用J. 中国临床康复，2003;7(12)：1801-1802. Yu L，Luo EP，Shen GH，et al. Effect of pulsing electromagnetic fields on treatment of osteoporosisJ. Chin J Clin Rehabil, 2003;7(12)：1801-1802. 2 Chang K, Chang WH. Pulsed electromagnetic fields preven
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20、rosis in ovariectomized ratsJ. Orthop J Chin, 2004;12(1):54-56. 4 罗二平,申广浩,王跃民,等. 低强度脉冲电磁场暴露对兔血液流变学及血脂水平的影响J. 第四军医大学学报, 2002;23(11):994-996. Luo EP, Shen GH, Wang YM, et al. Effects of lowintensity pulsed electromagnetic fields on blood lipid levels and hemorheology in rabbitsJ. J Fourth Mil Med Univ
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