脉冲电磁场对骨质疏松症的时间治疗学效应及其机理研究

国内外研究表明脉冲电磁场（PEMFs）对骨质疏松症具有一定的预防和治疗效果。时间治疗学作为一门新兴学科，其临床意义已得到广泛关注，但PEMFs对骨质疏松症的时间治疗学研究国内外鲜有报道。我们拟利用自行研制的PEMFs平台，通过建立骨质疏松症动物模型，采用骨代谢及动物行为学的分析方法，优化PEMFs对骨质疏松症时间治疗学的时间参数和磁场作用参数。在此基础上，通过离体及在体实验，分别对骨代谢、神经内分泌系统的相关腺体及其激素水平进行深入研究，并通过人体PEMFs试验，进一步探讨PEMFs对骨质疏松症患者的时间治疗学作用效果，揭示PEMFs的时间治疗学效果及其机理。本实验对于提高磁场生物效应实验的整体设计水平、提高实验可重复性具有重要意义，并能够为临床上骨质疏松症的治疗提供新的思路和理论依据。

我们首先构建了用于体内实验的基于3-HelmHolz线圈的脉冲电磁场（PEMF）发生平台，研制了用于细胞实验的基于螺线管线圈的PEMF发生平台。其次，分别构建了具有不同骨代谢特征的骨丢失大鼠，包括去势（高骨形成、高骨吸收）、糖尿病（低骨形成）及尾吊（低骨形成、高骨吸收）骨质疏松模型，分别对大鼠行全身PEMF刺激，通过对骨转换血液生化指标、骨力学强度、骨微结构、骨组织形态学及分子生物学的评估深入探讨PEMF对骨质疏松的作用效果及机制。研究结果揭示，对于三种不同骨代谢特征的骨丢失大鼠，PEMF均能显著抑制大鼠骨小梁微结构的衰退，提高大鼠长骨的生物力学性能，显著提高三种骨丢失大鼠骨中成骨细胞的活性及骨生成行为，而对骨吸收的行为影响不明显。PEMF提高成骨细胞活性及骨塑性的主要靶点是成骨相关的Wnt/Lrp5/β-catenin通路，而对RANKL-RANK通路的影响不明显。第三，我们使用旋转磁场刺激尾吊大鼠，并未发现旋转磁场对尾吊大鼠骨量微结构、力学强度及骨代谢产生影响，表明电磁场的促骨生成效应显著依赖于作用的波形参数。第四，我们开发了一套新颖的小鼠胫骨离体培养及原位骨骼细胞钙荧光信号可视化方法，可以实时检测PEMF作用下鼠胫骨中原位骨骼细胞的钙信号响应。结果表明，PEMF刺激下，成骨细胞反应百分比、细胞钙尖峰数量、钙尖峰强度均显著高于无PEMF刺激。而PEMF刺激对于原位破骨细胞钙信号的影响不显著。该结果进一步表明PEMF极有可能通过诱发成骨细胞产生钙信号振荡来提高骨生成行为，这很有可能是PEMF抑制骨丢失的主要作用机制。第五，我们的研究发现，白天PEMF刺激相比于夜间对于去势大鼠血清生长激素和血清PTH的促进作用更为显著。由于生长激素和PTH在大鼠体内的分泌表现为昼高夜低，因此白天PEMF治疗很有可能通过更加显著的促进更多血清生长激素和PTH的分泌来调控去势大鼠体内骨代谢进而调控骨质量的。我们的PEMF时间治疗效应在尾吊大鼠中得到了进一步的验证。本课题研究首次对于PEMF对不同骨代谢特征的骨质疏松动物模型的骨丢失抑制效果及机制进行了系统研究，进一步的明确了PEMF的治疗效果及其作用机制，同时我们创新性的发现了PEMF的时间治疗学效应并明确了调控其效果的神经内分泌系统的调控机制，为PEMF广泛而科学的临床应用提供了充分的科学依据。