脉冲电磁场对卵巢切除大鼠骨生物力学性能的影响论文_马瑛王延谊赵颖英

马瑛王延谊赵颖英

兰州军区兰州总医院肛肠外科甘肃兰州730000

【摘要】目的:研究不同强度脉冲电磁场(pulsed electromagnetic fields,PEMFs)对卵巢切除大鼠骨生物力学性能的影响。方法:60只10月龄雌性SD大鼠随机分为6组,除对照组外,其余均行双侧卵巢切除术。术后1周,将014mT组、016mT组、018mT组暴露于相应的PEMFs下,60min/d,90d;雌激素组行雌激素皮下注射。实验结束后观察大鼠骨生物力学相关的参数。结果:50Hz,016mT和018mT的PEMFs可明显提高骨骼结构力学及材料力学性能;50Hz,014mT的PEMFs可能降低骨组织的强度。结论:016mT和018mT的PEMFs可明显改善去卵巢大鼠的生物力学状态,提高骨骼抗外力冲击的能力;选择合适的PEMFs参数对骨质疏松症的治疗具有重要意义。

【关键词】脉冲电磁场;去势;骨微结构;生物力学

【中图分类号】R31801【文献标识码】B【文章编号】1674-8999(2013)08-0220-01

有研究表明,低强度脉冲电磁场(pulsed electromagnetic fields,PEMFs)具有提高骨密度和减缓骨量丢失的作用[1],但由于电磁干预过程中存在着“频率窗”、强度窗”和“时间窗”等作用特点[2],出于对电磁场治疗骨质疏松安全性的考虑,建议确定治疗参数前应通过细胞水平、动物水平及临床试验三个层次的研究。为明确50Hz,014mT、016mT和018mT的PEMFs对骨质疏松症的治疗效果,笔者所在研究小组前期分别开展了相应PEMFs对成骨细胞增殖与分化的影响[3]、对去势雌性大鼠不同部位骨密度及骨代谢等方面的研究[4、5],现将其对去势雌性大鼠骨生物力学性能影响的结果报道如下,以期为进一步开展临床试验提供依据。

1材料与方法

11主要仪器与试剂:实验所用脉冲电磁场发生装置由兰州军区兰州总医院医学工程中心实验室研制,该装置采用三线圈系统,可提供比亥姆霍兹线圈更为均匀的磁场环境[6]。经中国人民解放军兰州军区医学计量测试研究站(军队法定计量检测机构,授权证书号:[WS]军计机证字第203号)测定,其产生的磁场环境均匀、精确、稳定。报告编号:医计磁字ccqd-2008-01。

万能材料试验机:AGS-10KNG;万分之一电子天平:Mettler Toledo;雌二醇:Sigma,批号:E2758;戊巴比妥钠,北京通县育才精细化工厂,批号:950427;生理盐水:甘肃扶正药业科技股份有限公司,批号:070502。

12实验动物:60只10月龄雌性SD大鼠,体重(286±12)g,甘肃中医学院SPF动物实验中心提供,动物质量合格证号SCXK(甘)2004-0006-152。实验期间,大鼠按组分笼饲养于300×200×200的塑料笼内,每笼5只,笼盖采用通风透气的透明塑料隔板,定期清除笼内异物。标准大鼠饲料喂养,控制食量(20±1)g/d,可自由饮水、活动。

13动物分组、造模与干预:采用随机数字法将实验动物随机分为对照组、去势组、014mT组、016mT组、018mT组和雌激素组。除空白组行假手术外,其余均切除双侧卵巢以建立骨质疏松模型。术后1周开始干预:空白组和去势组分别置于不通电的骨质疏松治疗仪中,60min/d,90d;014mT组、016mT组和018mT组依次暴露于对应的PEMFs下,60min/d,90d;雌激素组以1μg/100g体重/d剂量行皮下注射。

14标本制备与指标检测:90d后处死大鼠,取右侧股骨剥尽软组织后在万能材料试验机上进行三点弯曲试验,支点跨距18mm,加载速度2mm/min。将第3腰椎取下,小心剪去上下椎间盘、棘突等,用细砂纸打磨成上下平面平行且垂直于纵轴的三棱柱,在万能材料试验机上进行压缩试验,加载速度1mm/min。分别自载荷-变形曲线和应力-变形曲线上获得结构力学参数和材料力学参数。

15统计学方法:所有统计分析均采用SPSS130统计软件完成,结果以“均数±标准差”(χ±S)表示。首先用方差分析检验各组间差异是否有统计学意义,当差异存在统计学意义时,再用多参数t-检验验证各均数间差异是否有统计学意义。以P<001为差异有统计学意义。

2结果

21股骨生物力学指标:如表1、2所示,与对照组相比,去势组股骨结构力学(最大载荷、最大位移和最大能量吸收)和材料力学(最大应力、最大应变和弹性模量)均显著下降(P<001或P<001);014mT组各指标下降程度比去势组更大,最大应力和弹性模量与去势组呈现显著性差异(P<001,P<001);016mT组、018mT组和雌激素组的生物力学性能均较去势组显著改善(P<001)。

表1干预至90d时股骨结构力学指标(χ±S)

注:与对照组相比,△表示P<001,△△表示P<001;与去势组相比,*表示P<001,**表示P<001

22椎体生物力学指标:与对照组相比,去势组椎体结构力学和材料力学性能均显著下降(P<001或P<001);014mT组各指标下降程度比去势组更大,最大载荷和最大应力与去势组均呈现显著性差异(P<001);016mT组、018mT组和雌激素组的生物力学性能均较去势组显著改善(P<001或P<001)。

3讨论

PEMFs防治骨质疏松症的研究始于20世纪90年代,截止目前,电磁场治疗骨质疏松的效果各国学者虽持肯定态度,但在磁场类型、参数选择等方面仍然存在一定争议,尤其认为参数选用不当可能会起到适得其反的效果。Chang等[7]经组织形态法测定得出极低强度、低频脉冲电磁场可抑制切除卵巢大鼠松质骨的丢失,促进骨小梁结构的恢复。而Gonzalez-Riola等[8]采用100Hz,3m T的PEMFs对生长发育期的雌性大鼠进行全天24h,共30d的治疗后,却得出了PEMFs使骨形成减少,骨吸收增加的结论。可见慎重选择磁疗参数对骨质疏松治疗尤为重要。

骨组织是由无机盐和有机质组成的双向复合材料,无机材料与骨的强度有关,有机材料与骨的柔韧性有关。骨在承受外力时,外部形态和内部结构随之改变,这种改变直接反映为骨结构力学与材料力学性能的变化。因此,骨生物力学测试可直接反映骨组织的强度,是衡量骨质疏松防治方法的有效手段之一。结构力学特性反映了整体骨的抗骨折能力,而材料力学特性反映骨自身的强度和韧性,不受骨形状大小的影响,与骨骼中矿物质含量有关[9]。股骨是骨骼系统的主要构成部分,骨量丢失导致的骨生物力学性能下降均可在股骨中明显体现,而对于因雌激素缺乏所引起的骨质疏松而言,腰椎部位更易表现出骨质疏松病态,故本实验全面考察了50Hz,014mT、016mT和018mT的PEMFs对去势雌性大鼠股骨和椎体生物力学特性的影响。研究发现,50Hz,014mT的PEMFs可引起股骨和椎体生物力学性能下降,但与造模组差异不显著,而在016mT和018mT的PEMFs干预下,股骨和椎体的结构力学和材料力学性能均显著升高,基本达到正常水平,说明二者能使骨骼的抗挤压能力增强,韧性提高,从而减少脆性骨折发生的几率。这一研究结果与前期关于50Hz,014mT、016mT和018mT的PEMFs对去势雌性大鼠骨密度及骨代谢影响的报道结果趋于一致[4、5]。

综上所述,三种PEMFs对切除卵巢大鼠股骨及腰椎生物力学性能的影响并不一致50Hz,016mT和018mT的PEMFs可明显提高骨骼结构力学及材料力学性能,结合其对骨密度及骨代谢的影响结果可以确定,这两种参数的PEMFs对去势大鼠的骨质疏松症有肯定的防治作用。但值得注意的是50Hz,014mT的PEMFs却可能降低骨组织的强度,故不宜作为临床治疗骨质疏松的磁疗参数。

参考文献

[1]Zhang XY,Xue Y,Zhang Y.Effects of 04T rotating magnetic field exposure on density,strength,calcium and metabolism of rat thigh bones[J].Bioelectromagnetics(USA),2006,27:19

[2]Blackman CF,Blanchard JP,Benane SG,et al.Double blind test of magnetic field effects on neurite outgrowth[J].Bioelectromagnetics,1998,19:204209

[3]李志锋,陈国政,陈克明,等.不同强度脉冲电磁场对大鼠颅骨成骨细胞增殖与分化的影响[J].西北国防医学杂志,2010,3

[4]李志锋,程国政,翟远坤,等.低强度脉冲电磁场对去卵巢大鼠不同部位骨密度的影响[J].中国骨质疏松杂志,2009,12

[5]李志锋,李志忠,程国政,等.脉冲电磁场干预去势雌性大鼠骨代谢的强度窗效应[J].中华物理医学与康复杂志,2010,11:801804

[6]韦哲,程自峰,白孟海.骨质疏松治疗系统的研制及临床应用[J].中国医疗设备,2008,3:2224

论文作者:马瑛王延谊赵颖英

论文发表刊物:《中医学报》2013年8月第28卷供稿

论文发表时间:2014-3-21

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