隨著世界以及我國社會人口老齡化的加速，骨關節炎已成為患者和醫療工作者更為關注的健康問題。目前其治療主要靠藥物治療、手術治療和康復治療。脈沖電磁場（pulsed electromagnetic field，PEMF）作為一項安全、無創、簡便的治療方法，已被應用于臨床治療骨質疏松、促進骨折愈合以及改善骨關節炎癥狀。然而 PEMF 治療膝骨關節炎的具體機制尚不明確，據此，該文綜述了動物實驗中 PEMF 對膝骨關節炎的細胞凋亡、細胞因子、軟骨和軟骨下骨的影響，以及細胞實驗中軟骨細胞形態和細胞外基質的變化，旨在使醫療工作者了解當今 PEMF 治療膝骨關節炎基礎實驗研究的現狀與發展方向。
引用本文： 陽筱甜, 何成奇. 脈沖電磁場治療膝骨關節炎的實驗研究進展. 華西醫學, 2018, 33(9): 1186-1190. doi: 10.7507/1002-0179.201702221 復制
骨關節炎是以關節軟骨退化、滑膜炎癥、軟骨下骨重建為主要病理特征，導致關節疼痛、僵硬及功能下降的一種常見慢性退行性關節疾病[1-2]，主要侵襲髖關節和膝關節這樣的大關節[3]。目前骨關節炎尚無統一的治療標準，推薦的治療方法主要包括藥物治療（非甾體類抗炎藥、關節內注射皮質類固醇等）、非藥物治療（運動訓練、患者教育等）和手術治療[4-5]。物理治療作為骨關節炎的治療方法之一應受到重視。脈沖電磁場（pulsed electromagnetic field，PEMF）作為一項安全、無創、簡便的治療方法，已被應用于臨床治療骨質疏松[6-7]、促進骨折愈合[8]以及改善骨關節炎癥狀[9-10]。本文就 PEMF 治療膝骨關節炎的實驗研究現狀作一文獻綜述，以期為膝骨關節炎的治療提供參考。
1 PEMF 在動物實驗中的應用
1.1 PEMF 對細胞因子的影響
腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）是一種參與各種生理和病理過程的炎性細胞因子，包括炎癥、免疫調節、細胞增殖和凋亡[11]。TNF-α 選擇性抑制軟骨膠原蛋白產生、蛋白聚糖合成，并能刺激其他細胞因子，如白細胞介素（interleukin，IL）-8、IL-6 和白血病抑制因子[12]，與骨關節炎軟骨破壞及滑膜炎癥密切相關[13-14]，可作為骨關節炎早期診斷及預后評價的重要指標。Guo 等[15]研究 PEMF 對前交叉韌帶切斷術（anterior cruciate ligament transection，ACLT）后新西蘭大白兔血清 TNF-α 水平的影響，采用頻率為 75 Hz、強度為 8 mW/cm2的 PEMF 治療，每天干預 30 min，共干預 10 d，結果發現 PEMF 組血清 TNF-α 水平較模型對照組有顯著降低，提示 PEMF 對 TNF-α 具有抑制作用，可以很大程度防止關節軟骨退變。
IL-1 是一種廣泛存在的炎性因子，其中，IL-1β 影響軟骨及滑膜代謝，介導關節軟骨損傷，在骨關節炎的發生機制及病理改變中起到重要作用[16]。Ciombor 等[17]研究 PEMF 對骨關節炎的形態學影響，用頻率 1.5 Hz 的 PEMF，每天干預 1 h，共干預 6 個月，發現 PEMF 能降低關節軟骨中 IL-1β 含量，提高 IL-1 受體拮抗蛋白水平，且 IL-1β 的含量與骨關節炎的嚴重程度呈正相關，可見 PEMF 對關節軟骨有保護作用。
轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）是軟骨和骨細胞代謝的調節因子。現已證實，TGF-β 可以下調基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）和 IL-1 活性，能夠抵制 IL-1 介導的軟骨基質降解，并且上調 MMP 抑制劑及蛋白聚糖的基因表達，可抑制 MMP 表達[18-19]，這些觀察表明 TGF-β 可調節軟骨體內穩態，并且維持細胞外基質的形態。Ciombor 等[17]研究發現 PEMF 能顯著提高關節軟骨中 TGF-β 水平，表明 PEMF 可能通過促進 TGF-β 分泌而影響關節軟骨退化的過程。
MMP 是一組具有降解細胞外基質作用的內肽酶的總稱。其中，與骨關節炎成因密切相關的蛋白酶有 5 種，包括 MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-13[20-21]。在骨關節炎的發生和發展過程中，MMP 水平升高和 MMP 抑制因子表達下降，導致關節軟骨細胞外基質中的膠原、蛋白聚糖和彈力纖維等過度降解，使 MMP 成為介導骨關節炎軟骨破壞的重要因子。Ciombor 等[17]的研究結果顯示 PEMF 干預 6 個月能顯著降低 MMP-3 和 MMP-9 的免疫表達，提示 PEMF 能通過抑制這兩項軟骨降解酶的表達改善關節軟骨的破壞。
1.2 PEMF 對細胞凋亡的影響
細胞凋亡是一種在有關基因調控下的自主性細胞死亡方式，在生理狀態下用以清除不需要的或異常細胞。骨關節炎的發生和發展過程與軟骨細胞凋亡增加相關。因此，抑制軟骨細胞的異常凋亡有利于改善骨關節炎關節軟骨退化[22-23]。
Guo 等[15]觀察 PEMF 對 ACLT 新西蘭大白兔軟骨細胞凋亡及凋亡調控蛋白的影響，免疫組織化學檢測軟骨細胞胱天蛋白酶（caspase）-3 和 caspase-8 表達，研究發現 PEMF 組 caspase-3 表達顯著低于 ACLT 組。Caspase 家族在介導細胞凋亡的過程中起著非常重要的作用，其中 caspase-3 為關鍵的執行分子，在凋亡信號傳導的多種途徑中發揮作用[23]。熒光 TUNEL 檢測結果顯示正常組和 PEMF 組軟骨細胞凋亡指數明顯低于 ACLT 組。兩者結果均提示 PEMF 能抑制軟骨細胞凋亡，保護關節軟骨。謝薇等[24]在前人研究基礎上，采用頻率 20 Hz、強度 8 mT 的 PEMF，每天干預 40 min，每周干預 5 d，共干預 2 周，得出結果與前人研究結果相似，也發現 PEMF 可以抑制軟骨細胞凋亡。
1.3 PEMF 對關節軟骨的影響
目前，骨關節炎組織病理學評估方法主要包括 Mankin 評分、改良的 Mankin 評分、國際骨關節炎研究學會評分標準[25-27]和組織形態學測量[28]，主要觀察組織病理染色后關節軟骨的損傷[29-30]。常用的病理染色方法為蘇木精-伊紅染色、番紅 O-固綠染色和甲苯胺藍染色。蘇木精-伊紅染色和甲苯胺藍染色對界定潮線具有較高的敏感性，而番紅 O-固綠染色和甲苯胺藍染色對軟骨中氨基葡萄糖和蛋白聚糖具有特異性，因此常用于評估軟骨損傷。
多項研究表明，PEMF 可以改善骨關節炎動物模型中關節軟骨的組織形態，并與 PEMF 治療的參數和損傷部位有關。De Mattei 等[31-32]在前期研究中發現 PEMF 能刺激牛關節軟骨外植體中蛋白聚糖合成且不影響降解過程，推測 PEMF 誘導蛋白聚糖合成可能起到保護軟骨完整性和功能的作用。在此基礎上研究 PEMF 不同刺激參數對牛關節軟骨外植體蛋白聚糖合成的影響[33]，將頻率和強度固定在 75 Hz、2 mT，選擇不同時間（1、4、9、24 h），或者固定干預時間為 24 h，頻率 75 Hz，選擇不同強度（0.5、1.0、1.5、2.0 mT），和強度 1.5 mT，選擇不同頻率（2、37、75、110 Hz），結果發現干預時間從 4 h 開始，蛋白聚糖合成隨時間延長而逐漸增加，在強度為 1.5 mT 時，PEMF 促進蛋白聚糖合成的效果最強，而不同頻率對蛋白聚糖合成的影響沒有明顯差異，提示 PEMF 刺激參數中的干預時間和強度對軟骨蛋白聚糖合成起主要影響作用，此研究為將來探究 PEMF 治療軟骨損傷研究中的參數選擇提供了理論依據。在體動物實驗中，Guo 等[15]和謝薇等[24]發現 PEMF 能降低兔膝骨關節炎股骨關節軟骨的改良 Mankin 評分，明顯抑制關節軟骨退變。Ciombor 等[17]在自發性膝骨關節炎豚鼠的內側脛骨平臺采用 Mankin 評分法得到相似的結果。Fini 等[34]將 12 月齡具有自發性骨關節炎的豚鼠暴露在強度為 1.6 mT、頻率為 75 Hz 的磁場中作用 6 h/d，共 3 個月，在 Carlson 等[27]改良的 Mankin 評分中顯示 PEMF 組得分在股骨髁內外側和脛骨平臺內外側均明顯低于模型對照組，而在軟骨厚度和原纖化指數兩項指標中，PEMF 組僅在脛骨平臺內側與模型對照組存在差異，提示 PEMF 對自發性骨關節炎的關節軟骨具有保護作用，但與損傷位置存在一定關聯。隨后，Fini 等[35]進一步探究 PEMF 對 15 月齡自發性骨關節炎損傷程度更嚴重的豚鼠是否仍然具有治療效果，PEMF 采用同等參數，僅將干預時間延長至 6 個月。在改良的 Mankin 評分中得到與前期研究相同的結果，而軟骨厚度測量結果顯示 6 個月的 PEMF 治療能在股骨髁內外側和脛骨平臺內外側的位置有效提高軟骨厚度，同時觀察到 PEMF 組脛骨和股骨內側的原纖化指數相比模型對照組降低，表明 PEMF 對更嚴重的自發性骨關節炎仍然具有軟骨保護作用，并且通過適當延長干預周期，加大了治療的有效范圍。Veronesi 等[36]觀察不同頻率的 PEMF 對 21 月齡的自發性骨關節炎，即骨關節炎晚期豚鼠的影響，將豚鼠暴露于頻率分別為 37、75 Hz 的 PEMF 環境中，強度為 1.5 mT，時間為 6 h/d，干預 3 個月后發現 75 Hz 磁場組在股骨和脛骨內側處的由 Carlson 等[27]改良的 Mankin 評分結果中較模型對照組顯著降低，37 Hz 磁場組在股骨外側髁位置的評分明顯低于模型對照組，兩磁場組的原纖化指數均在脛骨平臺內側較對照組降低，并且 75 Hz 磁場組較 37 Hz 磁場組更低，兩組之間存在統計學差異，同時，結果顯示 75 Hz 磁場組可以提高脛骨平臺內側的軟骨厚度，該研究結果提示兩種頻率的 PEMF 均能防治軟骨退化，但 75 Hz 的 PEMF 具有更好的效果。
1.4 PEMF 對骨組織形態的影響
骨關節炎進展過程中骨組織存在各種形式的結構變化，如軟骨下骨硬化和囊腫形成。軟骨下骨小梁具有吸收震蕩、保護關節軟骨的作用，而軟骨下骨硬化會導致震蕩吸收能力下降，造成軟骨損傷，軟骨下骨囊腫形成將造成骨塌陷并進一步形成關節畸形[37]，可見骨組織的微觀結構是決定骨生物性能的重要因素。軟骨下骨微觀結構與生物力學性能的改變可以影響軟骨退變已成為共識[38-40]。
Fini 等[34]研究發現 PEMF 能降低自發性骨關節炎豚鼠軟骨下骨厚度，對骨體積分數（bone volume/tissue volume，BV/TV）、骨小梁厚度（trabecular thickness，Tb.Th）、骨小梁數量（trabecular number，Tb.N）和骨小梁分離度（trabecular separation，Tb.Sp）尚無明顯改變。隨后，Fini 等[35]在針對骨關節炎晚期的研究中延長了 PEMF 的干預周期，結果顯示 PEMF 不僅能降低軟骨下骨厚度，而且對組織形態計量學各項指標均產生影響，增加大部分膝關節范圍的 Tb.Sp，減少 BV/TV、Tb.Th 和 Tb.N，從而改善軟骨下骨骨小梁的細微結構。Veronesi 等[36]研究發現 75 Hz 和 37 Hz 的磁場組均能降低大部分膝關節范圍的軟骨下骨厚度，兩者之間沒有明顯差異，與頻率沒有關系。75 Hz 和 37 Hz 的磁場組的骨組織形態計量學指標與對照組比較，Tb.Th 和 Tb.Sp 顯著增加，Tb.N 明顯減少，兩個磁場組之間作比較，75 Hz 磁場組 Tb.N 高于 37 Hz 磁場組，Tb.Th 低于 37 Hz 磁場組，由于骨關節炎的骨組織形態計量學指標的變化趨勢仍存在爭議，所以僅能明確兩種頻率的磁場對軟骨下骨厚度具有相同作用。
2 PEMF 在細胞實驗中的應用
PEMF 對軟骨細胞的影響尚存在爭議。Jahns 等[41]研究不同參數組合的 PEMF 對人軟骨細胞形態學影響，結果顯示頻率 100 Hz、強度 3.14 mT 和頻率 500 Hz、強度 1.69 mT 的 PEMF 干預能造成部分軟骨細胞形態從星形到球形的改變，甚至在前者參數條件下干預尚未充分貼壁的軟骨細胞仍能得到相同的結論，提示 PEMF 能誘導人軟骨細胞形態變化，雖然目前機制尚不明確，但仍有各種理論，如跨膜通道和受體、肌動蛋白的重新分配、附著力和環境影響，為治療骨關節炎關節軟骨損傷提供了新思路。Varani 等[42]研究低能量 PEMF 對牛軟骨細胞和成纖維樣滑膜細胞的腺苷受體的影響，發現 75 Hz、1.5 mT 的 PEMF 可上調牛軟骨細胞和成纖維樣滑膜細胞中的 A2A 和 A3 受體并增加其功能活動，但在提高腺苷親和力和藥物-受體相互作用中與對照組比較沒有明顯差異。此研究為未來應用 PEMF 結合腺苷治療干預炎性關節疾病提供了方向。Schmidt-Rohlfing 等[43]研究比較 16.7 Hz、2 mT 的 PEMF 和 50 Hz、2 mT 的正弦電磁場對培養在膠原凝膠中的人軟骨細胞的作用，Ⅱ型膠原和蛋白多糖的基因表達和免疫組織化學檢測結果顯示兩磁場組與對照組相比無明顯差異，表明 PEMF 和正選電磁場治療對人骨關節炎軟骨細胞尚未發現療效。然而，Chang 等[44]將豬軟骨細胞包被在膠原凝膠中暴露在頻率 75 Hz、強度 1.8～3.0 mT 的 PEMF 中 24 h，1 周后發現糖胺聚糖生成增多并促進腔隙形成，3 周后觀察到暴露組的軟骨細胞增殖增多，蛋白聚糖、Ⅰ和Ⅹ型膠原的 mRNA 表達明顯高于對照組，在蛋白聚糖的組織染色和檢測膠原表達的免疫組織化學染色結果中并未得到相同的結果。Chang 等[45]將培養在殼聚糖膜中的豬軟骨細胞暴露在頻率 75 Hz、強度 1.8～3.0 mT 的 PEMF，每天干預 2 h，共 3 周，結果發現 PEMF 較對照組而言，儲存更多的糖胺聚糖和Ⅱ型膠原，可見在此培養條件下，PEMF 能促進軟骨細胞分泌細胞外基質，加速軟骨修復。Sadoghi 等[46]發現選擇頻率 75 Hz、強度 1.6 mT 的 PEMF，每天干預 4 h，共 4 d，PEMF 組的糖胺聚糖及其 DNA 表達較對照組無明顯改變，提示 PEMF 對人骨關節炎軟骨細胞生物活性無顯著影響。
由此可見，由于 PEMF 選擇參數不同、實驗環境各異等因素，PEMF 對軟骨細胞的效果尚不統一，需要進一步探討。
3 結語
PEMF 作為一種簡便無創的物理治療方法，對治療膝骨關節炎具有一定的效果，但各研究者采用不同的刺激參數，可能導致實驗結果不同，甚至出現相互矛盾的結果，具有明顯的“窗口效應”。動物實驗研究顯示 PEMF 能抑制膝骨關節炎軟骨細胞凋亡，保護關節軟骨，改善軟骨下骨的微觀結構，而對細胞水平的影響尚不統一。總之，目前 PEMF 對膝骨關節炎的基礎研究較少，故本綜述缺乏針對性的分析結論。關于采用 PEMF 治療膝骨關節炎的作用機制和最適參數仍待進一步探討。
骨關節炎是以關節軟骨退化、滑膜炎癥、軟骨下骨重建為主要病理特征，導致關節疼痛、僵硬及功能下降的一種常見慢性退行性關節疾病[1-2]，主要侵襲髖關節和膝關節這樣的大關節[3]。目前骨關節炎尚無統一的治療標準，推薦的治療方法主要包括藥物治療（非甾體類抗炎藥、關節內注射皮質類固醇等）、非藥物治療（運動訓練、患者教育等）和手術治療[4-5]。物理治療作為骨關節炎的治療方法之一應受到重視。脈沖電磁場（pulsed electromagnetic field，PEMF）作為一項安全、無創、簡便的治療方法，已被應用于臨床治療骨質疏松[6-7]、促進骨折愈合[8]以及改善骨關節炎癥狀[9-10]。本文就 PEMF 治療膝骨關節炎的實驗研究現狀作一文獻綜述，以期為膝骨關節炎的治療提供參考。
1 PEMF 在動物實驗中的應用
1.1 PEMF 對細胞因子的影響
腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）是一種參與各種生理和病理過程的炎性細胞因子，包括炎癥、免疫調節、細胞增殖和凋亡[11]。TNF-α 選擇性抑制軟骨膠原蛋白產生、蛋白聚糖合成，并能刺激其他細胞因子，如白細胞介素（interleukin，IL）-8、IL-6 和白血病抑制因子[12]，與骨關節炎軟骨破壞及滑膜炎癥密切相關[13-14]，可作為骨關節炎早期診斷及預后評價的重要指標。Guo 等[15]研究 PEMF 對前交叉韌帶切斷術（anterior cruciate ligament transection，ACLT）后新西蘭大白兔血清 TNF-α 水平的影響，采用頻率為 75 Hz、強度為 8 mW/cm2的 PEMF 治療，每天干預 30 min，共干預 10 d，結果發現 PEMF 組血清 TNF-α 水平較模型對照組有顯著降低，提示 PEMF 對 TNF-α 具有抑制作用，可以很大程度防止關節軟骨退變。
IL-1 是一種廣泛存在的炎性因子，其中，IL-1β 影響軟骨及滑膜代謝，介導關節軟骨損傷，在骨關節炎的發生機制及病理改變中起到重要作用[16]。Ciombor 等[17]研究 PEMF 對骨關節炎的形態學影響，用頻率 1.5 Hz 的 PEMF，每天干預 1 h，共干預 6 個月，發現 PEMF 能降低關節軟骨中 IL-1β 含量，提高 IL-1 受體拮抗蛋白水平，且 IL-1β 的含量與骨關節炎的嚴重程度呈正相關，可見 PEMF 對關節軟骨有保護作用。
轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）是軟骨和骨細胞代謝的調節因子。現已證實，TGF-β 可以下調基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）和 IL-1 活性，能夠抵制 IL-1 介導的軟骨基質降解，并且上調 MMP 抑制劑及蛋白聚糖的基因表達，可抑制 MMP 表達[18-19]，這些觀察表明 TGF-β 可調節軟骨體內穩態，并且維持細胞外基質的形態。Ciombor 等[17]研究發現 PEMF 能顯著提高關節軟骨中 TGF-β 水平，表明 PEMF 可能通過促進 TGF-β 分泌而影響關節軟骨退化的過程。
MMP 是一組具有降解細胞外基質作用的內肽酶的總稱。其中，與骨關節炎成因密切相關的蛋白酶有 5 種，包括 MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-13[20-21]。在骨關節炎的發生和發展過程中，MMP 水平升高和 MMP 抑制因子表達下降，導致關節軟骨細胞外基質中的膠原、蛋白聚糖和彈力纖維等過度降解，使 MMP 成為介導骨關節炎軟骨破壞的重要因子。Ciombor 等[17]的研究結果顯示 PEMF 干預 6 個月能顯著降低 MMP-3 和 MMP-9 的免疫表達，提示 PEMF 能通過抑制這兩項軟骨降解酶的表達改善關節軟骨的破壞。
1.2 PEMF 對細胞凋亡的影響
細胞凋亡是一種在有關基因調控下的自主性細胞死亡方式，在生理狀態下用以清除不需要的或異常細胞。骨關節炎的發生和發展過程與軟骨細胞凋亡增加相關。因此，抑制軟骨細胞的異常凋亡有利于改善骨關節炎關節軟骨退化[22-23]。
Guo 等[15]觀察 PEMF 對 ACLT 新西蘭大白兔軟骨細胞凋亡及凋亡調控蛋白的影響，免疫組織化學檢測軟骨細胞胱天蛋白酶（caspase）-3 和 caspase-8 表達，研究發現 PEMF 組 caspase-3 表達顯著低于 ACLT 組。Caspase 家族在介導細胞凋亡的過程中起著非常重要的作用，其中 caspase-3 為關鍵的執行分子，在凋亡信號傳導的多種途徑中發揮作用[23]。熒光 TUNEL 檢測結果顯示正常組和 PEMF 組軟骨細胞凋亡指數明顯低于 ACLT 組。兩者結果均提示 PEMF 能抑制軟骨細胞凋亡，保護關節軟骨。謝薇等[24]在前人研究基礎上，采用頻率 20 Hz、強度 8 mT 的 PEMF，每天干預 40 min，每周干預 5 d，共干預 2 周，得出結果與前人研究結果相似，也發現 PEMF 可以抑制軟骨細胞凋亡。
1.3 PEMF 對關節軟骨的影響
目前，骨關節炎組織病理學評估方法主要包括 Mankin 評分、改良的 Mankin 評分、國際骨關節炎研究學會評分標準[25-27]和組織形態學測量[28]，主要觀察組織病理染色后關節軟骨的損傷[29-30]。常用的病理染色方法為蘇木精-伊紅染色、番紅 O-固綠染色和甲苯胺藍染色。蘇木精-伊紅染色和甲苯胺藍染色對界定潮線具有較高的敏感性，而番紅 O-固綠染色和甲苯胺藍染色對軟骨中氨基葡萄糖和蛋白聚糖具有特異性，因此常用于評估軟骨損傷。
多項研究表明，PEMF 可以改善骨關節炎動物模型中關節軟骨的組織形態，并與 PEMF 治療的參數和損傷部位有關。De Mattei 等[31-32]在前期研究中發現 PEMF 能刺激牛關節軟骨外植體中蛋白聚糖合成且不影響降解過程，推測 PEMF 誘導蛋白聚糖合成可能起到保護軟骨完整性和功能的作用。在此基礎上研究 PEMF 不同刺激參數對牛關節軟骨外植體蛋白聚糖合成的影響[33]，將頻率和強度固定在 75 Hz、2 mT，選擇不同時間（1、4、9、24 h），或者固定干預時間為 24 h，頻率 75 Hz，選擇不同強度（0.5、1.0、1.5、2.0 mT），和強度 1.5 mT，選擇不同頻率（2、37、75、110 Hz），結果發現干預時間從 4 h 開始，蛋白聚糖合成隨時間延長而逐漸增加，在強度為 1.5 mT 時，PEMF 促進蛋白聚糖合成的效果最強，而不同頻率對蛋白聚糖合成的影響沒有明顯差異，提示 PEMF 刺激參數中的干預時間和強度對軟骨蛋白聚糖合成起主要影響作用，此研究為將來探究 PEMF 治療軟骨損傷研究中的參數選擇提供了理論依據。在體動物實驗中，Guo 等[15]和謝薇等[24]發現 PEMF 能降低兔膝骨關節炎股骨關節軟骨的改良 Mankin 評分，明顯抑制關節軟骨退變。Ciombor 等[17]在自發性膝骨關節炎豚鼠的內側脛骨平臺采用 Mankin 評分法得到相似的結果。Fini 等[34]將 12 月齡具有自發性骨關節炎的豚鼠暴露在強度為 1.6 mT、頻率為 75 Hz 的磁場中作用 6 h/d，共 3 個月，在 Carlson 等[27]改良的 Mankin 評分中顯示 PEMF 組得分在股骨髁內外側和脛骨平臺內外側均明顯低于模型對照組，而在軟骨厚度和原纖化指數兩項指標中，PEMF 組僅在脛骨平臺內側與模型對照組存在差異，提示 PEMF 對自發性骨關節炎的關節軟骨具有保護作用，但與損傷位置存在一定關聯。隨后，Fini 等[35]進一步探究 PEMF 對 15 月齡自發性骨關節炎損傷程度更嚴重的豚鼠是否仍然具有治療效果，PEMF 采用同等參數，僅將干預時間延長至 6 個月。在改良的 Mankin 評分中得到與前期研究相同的結果，而軟骨厚度測量結果顯示 6 個月的 PEMF 治療能在股骨髁內外側和脛骨平臺內外側的位置有效提高軟骨厚度，同時觀察到 PEMF 組脛骨和股骨內側的原纖化指數相比模型對照組降低，表明 PEMF 對更嚴重的自發性骨關節炎仍然具有軟骨保護作用，并且通過適當延長干預周期，加大了治療的有效范圍。Veronesi 等[36]觀察不同頻率的 PEMF 對 21 月齡的自發性骨關節炎，即骨關節炎晚期豚鼠的影響，將豚鼠暴露于頻率分別為 37、75 Hz 的 PEMF 環境中，強度為 1.5 mT，時間為 6 h/d，干預 3 個月后發現 75 Hz 磁場組在股骨和脛骨內側處的由 Carlson 等[27]改良的 Mankin 評分結果中較模型對照組顯著降低，37 Hz 磁場組在股骨外側髁位置的評分明顯低于模型對照組，兩磁場組的原纖化指數均在脛骨平臺內側較對照組降低，并且 75 Hz 磁場組較 37 Hz 磁場組更低，兩組之間存在統計學差異，同時，結果顯示 75 Hz 磁場組可以提高脛骨平臺內側的軟骨厚度，該研究結果提示兩種頻率的 PEMF 均能防治軟骨退化，但 75 Hz 的 PEMF 具有更好的效果。
1.4 PEMF 對骨組織形態的影響
骨關節炎進展過程中骨組織存在各種形式的結構變化，如軟骨下骨硬化和囊腫形成。軟骨下骨小梁具有吸收震蕩、保護關節軟骨的作用，而軟骨下骨硬化會導致震蕩吸收能力下降，造成軟骨損傷，軟骨下骨囊腫形成將造成骨塌陷并進一步形成關節畸形[37]，可見骨組織的微觀結構是決定骨生物性能的重要因素。軟骨下骨微觀結構與生物力學性能的改變可以影響軟骨退變已成為共識[38-40]。
Fini 等[34]研究發現 PEMF 能降低自發性骨關節炎豚鼠軟骨下骨厚度，對骨體積分數（bone volume/tissue volume，BV/TV）、骨小梁厚度（trabecular thickness，Tb.Th）、骨小梁數量（trabecular number，Tb.N）和骨小梁分離度（trabecular separation，Tb.Sp）尚無明顯改變。隨后，Fini 等[35]在針對骨關節炎晚期的研究中延長了 PEMF 的干預周期，結果顯示 PEMF 不僅能降低軟骨下骨厚度，而且對組織形態計量學各項指標均產生影響，增加大部分膝關節范圍的 Tb.Sp，減少 BV/TV、Tb.Th 和 Tb.N，從而改善軟骨下骨骨小梁的細微結構。Veronesi 等[36]研究發現 75 Hz 和 37 Hz 的磁場組均能降低大部分膝關節范圍的軟骨下骨厚度，兩者之間沒有明顯差異，與頻率沒有關系。75 Hz 和 37 Hz 的磁場組的骨組織形態計量學指標與對照組比較，Tb.Th 和 Tb.Sp 顯著增加，Tb.N 明顯減少，兩個磁場組之間作比較，75 Hz 磁場組 Tb.N 高于 37 Hz 磁場組，Tb.Th 低于 37 Hz 磁場組，由于骨關節炎的骨組織形態計量學指標的變化趨勢仍存在爭議，所以僅能明確兩種頻率的磁場對軟骨下骨厚度具有相同作用。
2 PEMF 在細胞實驗中的應用
PEMF 對軟骨細胞的影響尚存在爭議。Jahns 等[41]研究不同參數組合的 PEMF 對人軟骨細胞形態學影響，結果顯示頻率 100 Hz、強度 3.14 mT 和頻率 500 Hz、強度 1.69 mT 的 PEMF 干預能造成部分軟骨細胞形態從星形到球形的改變，甚至在前者參數條件下干預尚未充分貼壁的軟骨細胞仍能得到相同的結論，提示 PEMF 能誘導人軟骨細胞形態變化，雖然目前機制尚不明確，但仍有各種理論，如跨膜通道和受體、肌動蛋白的重新分配、附著力和環境影響，為治療骨關節炎關節軟骨損傷提供了新思路。Varani 等[42]研究低能量 PEMF 對牛軟骨細胞和成纖維樣滑膜細胞的腺苷受體的影響，發現 75 Hz、1.5 mT 的 PEMF 可上調牛軟骨細胞和成纖維樣滑膜細胞中的 A2A 和 A3 受體并增加其功能活動，但在提高腺苷親和力和藥物-受體相互作用中與對照組比較沒有明顯差異。此研究為未來應用 PEMF 結合腺苷治療干預炎性關節疾病提供了方向。Schmidt-Rohlfing 等[43]研究比較 16.7 Hz、2 mT 的 PEMF 和 50 Hz、2 mT 的正弦電磁場對培養在膠原凝膠中的人軟骨細胞的作用，Ⅱ型膠原和蛋白多糖的基因表達和免疫組織化學檢測結果顯示兩磁場組與對照組相比無明顯差異，表明 PEMF 和正選電磁場治療對人骨關節炎軟骨細胞尚未發現療效。然而，Chang 等[44]將豬軟骨細胞包被在膠原凝膠中暴露在頻率 75 Hz、強度 1.8～3.0 mT 的 PEMF 中 24 h，1 周后發現糖胺聚糖生成增多并促進腔隙形成，3 周后觀察到暴露組的軟骨細胞增殖增多，蛋白聚糖、Ⅰ和Ⅹ型膠原的 mRNA 表達明顯高于對照組，在蛋白聚糖的組織染色和檢測膠原表達的免疫組織化學染色結果中并未得到相同的結果。Chang 等[45]將培養在殼聚糖膜中的豬軟骨細胞暴露在頻率 75 Hz、強度 1.8～3.0 mT 的 PEMF，每天干預 2 h，共 3 周，結果發現 PEMF 較對照組而言，儲存更多的糖胺聚糖和Ⅱ型膠原，可見在此培養條件下，PEMF 能促進軟骨細胞分泌細胞外基質，加速軟骨修復。Sadoghi 等[46]發現選擇頻率 75 Hz、強度 1.6 mT 的 PEMF，每天干預 4 h，共 4 d，PEMF 組的糖胺聚糖及其 DNA 表達較對照組無明顯改變，提示 PEMF 對人骨關節炎軟骨細胞生物活性無顯著影響。
由此可見，由于 PEMF 選擇參數不同、實驗環境各異等因素，PEMF 對軟骨細胞的效果尚不統一，需要進一步探討。
3 結語
PEMF 作為一種簡便無創的物理治療方法，對治療膝骨關節炎具有一定的效果，但各研究者采用不同的刺激參數，可能導致實驗結果不同，甚至出現相互矛盾的結果，具有明顯的“窗口效應”。動物實驗研究顯示 PEMF 能抑制膝骨關節炎軟骨細胞凋亡，保護關節軟骨，改善軟骨下骨的微觀結構，而對細胞水平的影響尚不統一。總之，目前 PEMF 對膝骨關節炎的基礎研究較少，故本綜述缺乏針對性的分析結論。關于采用 PEMF 治療膝骨關節炎的作用機制和最適參數仍待進一步探討。