关于不同强度脉冲电磁场对大鼠骨质疏松的影响

【摘要】 目的：观察不同强度脉冲电磁场(PEMFs)对去势后大鼠骨质疏松症的影响. 方法：30只雌性SD大鼠行双侧卵巢切除术建立骨质疏松动物模型，随机分为3组（n=10）：磁场组暴露于强度分别为4×10-4 T，15×10-4 T的PEMFs环境中(f=15 Hz， τ=5 ms)，暴磁时间为6 h/d；对照组饲养于线圈中，但不暴磁. 12 wk后，对血清骨钙素、骨密度以及生物力学等参数进行检测. 结果：与对照组相比，实验组骨密度、最大载荷及结构刚度均有增加（P&<0.05），血清骨钙素水平减少（P&<0.05）；两个磁场组之间作比较，各指标的差异也具有统计学意义（P&<0.05）. 结论：PEMFs有益于骨质疏松症的预防和治疗，磁场参数的选择对其疗效有影响.
【关键词】 脉冲电磁场 骨质疏松症 骨密度 骨钙素
　　 0引言
　　随着生物医学工程学的快速发展，脉冲电磁场（pulsed electromagnetic fields，PEMFs）作为一种可施加于人体的外来物理因子，对其热及非热生物效应的研究已成为国内外生物工程学界的研究热点［1-3］. PEMFs在骨科领域已用于治疗假关节、骨不连或延迟愈合、新鲜骨折、骨移植、骨关节炎等，近年来又被用来预防和治疗骨质疏松症 ［4-5］. 本实验我们利用低强度PEMFs，通过建立骨质疏松动物模型，探讨PEMFs对骨质疏松症的影响，以期为骨质疏松症的预防和治疗提供新的思路和理论依据.
　　1材料和方法
　　1.1材料
　　1.1.1仪器骨质疏松治疗仪（GZY型）由第四军医大学生物医学工程系研制（专利号：ZL02224739.4），匀强场的输出采用三个半径均为R的线圈来实现（图1）.
　　图1仪器输出三线圈系统
　　线圈串联在一起，电流为I. 其中，线圈1， 3的匝数相同，均为N，线圈2的匝数为kN，k为比例系数；3个线圈间隔距离为a：
　　据此，可以求出轴向OX的磁场B(x). 其中， B(2)(O)， B(4)(O)分别表示B(x)的二阶、四阶导数在中心点O的值：
　　B(x)=μ0NIR2〖〗2{［R2+(a+x)2］-3/2+［R2+
　　(a-x)2］-3/2+k(R2+x2)-3/2}（1）
　　B(2)(O)=3μ0NIR2〖〗2［2(4a2-R2)〖〗(R2+a2)7/2-k〖〗R5］（2）
　　B(4)(O)=μ0NIR2〖〗2［1890a4〖〗(R2+a2)11/2-1260a2〖〗(R2+a2)9/2+
　　90〖〗(R2+a2)7/2+45k〖〗R7］（3）
　　合理选择a和k的值，使得B(2)(O)， B(4)(O)均为零，即：联立公式（2），（3）求解方程，得：a=0.7601R; k=0.5315;
　　仪器三个输出线圈半径均为R=400 mm，间距a=0.7601R≈300 mm，线圈匝数N=500（2号线圈匝数=0.5315N≈266）， 均采用0.8 mm漆包线绕制.
　　1.1.2动物分组与处理30只3月龄SD雌性大鼠，体质量（225±15）g，第四军医大学实验动物中心提供. 动物随机等分为三组（n=10）：两个磁场组和一个对照组. 三组大鼠均采用下腹部切口、行双侧卵巢切除术，动物分笼饲养（环境温度17～25℃，湿度40%～50%）［6］. 两个磁场组采用GZY型骨质疏松治疗仪进行辐照，磁感应强度分别调节为4×10-4 T和15×10-4 T，时间为6 h/d（9：00～15：00），对照组饲养于线圈中但不暴磁，动物可自由活动、饮水，实验的全过程在第四军医大学实验动物中心完成.
　　1.2方法大鼠饲养12 wk后处死，处死前用速眠新(1 mL/kg)麻醉，用Lunar DPXIQ型骨密度仪（LUNAR公司，美国），附小动物全身骨密度（Bone mineral density，BMD）测定软件进行大鼠全身BMD测量. 从心脏抽取血标本，离心后取血清，至于-20℃冰箱保存，用放免法测定血清骨钙素（bone carboxyglutamic acid containing prorein，BGP）浓度，试剂盒由解放军总医院放免所提供. 取左胫骨近端（1/3）置于4081型光测弹性仪（北京科学仪器厂）上进行三点弯曲试验. 支点跨距为20 mm，加载速度为2 mm/min. 用函数记录仪（上海自动化仪表二厂）描绘载荷变形曲线，并根据该曲线计算得出最大载荷和结构刚度［7］.
　　统计学处理： 所有数据以x±s表示， 组间比较采用SPSS 10.0软件进行方差分析及LSDt检验， 以P&<0.05为有统计学差异.
　　2结果
　　与对照组比较，两磁场组BMD、最大载荷、结构刚度均有增加（P&<0.05），血清BGP明显减少（P&<0.05）；两磁场组之间比较，各指标的差异也具有统计学意义（P&<0.05，表1）.表1各组间检测指标的比较
　　3讨论
　　骨质疏松症是一种全身性的骨骼疾病，其特点是骨质减少，骨组织的细微结构被破坏，结果使骨的脆性增加，骨折的危险性增加. 骨质疏松症的发病率随着人口的老龄化而逐渐增高，依照世界卫生组织的资料说明，全世界绝经后的妇女有近30%的人患有骨质疏松症，世界范围内妇女由于患有骨质疏松而有骨折危险的高达40%［8-9］. 另外，空间飞行中的航天员由于受微重力(失重)影响的原因，相应的骨骼负荷减少，即微重力诱导的骨质减少，从而导致航天员骨质丢失，造成骨质疏松［10］.
　　妇女绝经后骨质疏松防治中备受关注且疗效确切的治疗方案是雌激素替代疗法，但雌激素替代疗法的副作用使其在临床上的应用仍存疑虑［11］. 也有许多措施被用来防治空间飞行中微重力引起的骨质疏松，但是用于治疗常人骨质疏松的药物如口服双膦酸盐(抑制骨吸收活性) 等对于空间飞行或卧床试验导致的骨质疏松并无明显疗效［12］. 因此，探索防治骨质疏松的新途径十分必要.
　　磁疗的最大优点是无创伤、无感染、费用低廉. 低强度PEMFs在生物体内引起一系列的生物学效应为今后临床上骨质疏松症的预防和治疗提供了新的思路和理论依据［13-14］. 我们采用GZY型骨质疏松治疗仪，设计制作了输出线圈，获得了更大的匀场范围，满足开展动物实验的需求，提高了实验设计的整体水平. 通过建立绝经后骨质疏松大鼠模型开展实验，结果显示低强度PEMFs可以提高卵巢切除大鼠的BMD，改善骨的生物力学特性，降低血清BGP，提示对骨质疏松症有预防和治疗作用. 结合本次实验，就其疗效而言， 4×10-4 T磁场组效果要明显优于15×10-4 T磁场组，说明PEMFs强度选择的不同疗效也不相同.

国内外学者所做的大量研究工作从不同角度探讨了电磁场对骨质疏松的影响，但是由于实验环境（个体差异、照射系统和外围杂散场等等）及磁场参数的选择上存在差异，势必影响实验的结果和可重复性，对电磁场影响骨重建作用机制的解释还不透彻，但详细作用机制还需进一步探索［15-16］，这也是以后研究的难点和重点.
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