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背景和目的:由于老龄人口的增多和交通事业的发展,废用性骨质疏松(disuse osteoporosis, DOP)已成为一重要的临床医学问题。有报道在6个月的微重力暴露后,航天员的骨密度(bone mineral density, BMD)减少至25%。由脊髓损伤、偏瘫等原因导致的DOP患者发生骨折的风险,在1年的住院期间内增加了70%。由此可见DOP给家庭和社会造成极大的经济负担。目前临床上的许多治疗药物措施,例如补充钙剂、维生素D和激素替代治疗等,在治疗原发性骨质疏松时被证明是有效的,但其对废用性骨质疏松的作用目前仍不清楚。同时这些治疗药物也存在一些副作用,如高钙血症、乳腺癌等。因此,迫切需要一种更加安全有效的预防治疗药物或措施。脉冲电磁场(pulsed electromagnetic fields, PEMF)作为一种生物物理方法,在过去的几十年里已被用于治疗原发性骨质疏松和某些继发性骨质疏松,如糖皮质激素诱导的骨质疏松。1957年Fukada等在骨组织上发现与特定结晶中典型的压电现象相似的电效应。当对骨表面施加一压力时,其能产生电信号。由此,电与骨生物过程的相互作用引起人们日益增多的研究兴趣。1980年,美国FDA批准首个PEMF设备用于治疗4个月不愈合的骨折这一有限的应用领域。1989年,Bassett预言PEMF将在骨质疏松中发挥重要的作用。目前PEMF对原发性骨质疏松的作用已被很多研究者证实,但其对废用性骨质疏松的作用及其可能的机制并不清楚。骨密度是目前诊断骨质疏松、预测脆性骨折风险和评价药物干预疗效的最佳定量指标。骨密度和骨强度密切相关,骨密度的改变能影响骨强度。许多局部因子都能影响骨重建过程,包括成骨细胞介导的骨形成和破骨细胞介导的骨吸收两方面。同时局部因子本身也是反映骨重建活跃程度的指标之一。白介素-6(interleukin-6, IL-6)通过刺激破骨细胞形成并增强其活性来促进骨吸收。IL-6最起始的作用是刺激成骨细胞下游区效应因子的产生,后者通过核因子κB受体激活因子配体(receptor activator of NF-kappa B ligand, RANKL),即OPG-RANKL-RANK通路激活破骨细胞。转化生长因子-β1(transforming growth factor-beta 1, TGF-β1)是骨形成的有效促进因素,它可以促进成骨细胞增殖、分化。在本实验研究中,我们观察PEMF对废用性骨质疏松大鼠股骨近端骨密度和血清IL-6、TGF-β1浓度等指标的影响,探讨PEMF对DOP有无预防性治疗作用及可能的作用机制,为脉冲电磁场的临床应用提供理论依据。方法:1.取80只4月龄雌性SD大鼠,按体质量随机区组分为四组:正常对照组(INT组)、单纯模型组(DOP组)、降钙素组(CT组)、脉冲电磁场组(PEMF组)。除INT组外,其余大鼠均通过胫骨-尾部固定法将右后肢制动。INT组和DOP组不予以任何干预,CT组大鼠予以鲑鱼降钙素治疗,PEMF组大鼠予以PEMF照射2 h/d治疗。在治疗后1、2、4、8周时进行所有实验标本的收集。2.大鼠右胫骨近段作为骨组织标本,石蜡包埋、切片,苏木素-伊红(HE)染色,显微镜下观察。3.右下肢股骨近端骨密度采用Norland-XR36双能X线骨密度仪(小动物软件)进行检测。4.大鼠右心室穿刺取血,3000 rpm离心后收集血清,采用ELISA方法检测血清IL-6、TGF-β1浓度。结果:1.所有实验大鼠存活良好,无意外死亡和感染。实验结束时INT组大鼠体质量增加虽大于制动组,但差异不具有统计学意义(P >0.05)。2.建模后1周时,各组大鼠胫骨近段切片镜下观察无明显差异,骨小梁粗细均匀,排列密集有序,髓腔大小一致;2周时DOP组即可见骨小梁稀少、中断,区域性消失,CT组骨小梁排列较DOP组明显紧密、有序,PEMF组骨小梁与DOP组无明显差异;建模后4周,CT组、PEMF组骨小梁排列均较DOP组紧密、有序,而CT组与PEMF组间骨小梁无明显差异;8周时DOP组骨小梁排列明显稀疏,大片区域消失,CT组、PEMF组骨小梁排列较密集,PEMF组骨小梁排列较CT组致密。3.建模后1周时各组间制动侧股骨近端骨密度差异不具有统计学意义(P >0.05);2周时DOP组股骨近端骨密度较INT组明显降低(T=-2.54, P <0.01),而CT组骨密度明显高于DOP组(P <0.05),PEMF组与DOP组差异不具有统计学意义(P >0.05);4周时DOP组骨密度较INT组显著降低(T=-2.61, P <0.01),CT组和PEMF组骨密度均较DOP组明显增高(P <0.05),CT组与PEMF组差异不具有统计学意义(P >0.05);8周时DOP组骨密度较INT组明显降低(T=-2.73, P <0.01),CT组和PEMF组骨密度均较DOP组明显增高(P <0.05),且PEMF组骨密度明显高于CT组(P <0.05)。4. DOP组大鼠右后肢制动后1周血清IL-6浓度明显高于正常对照组(P <0.05),2周时IL-6浓度又较1周时明显增高( P <0.05),其后IL-6浓度保持在一较高水平,各时相点间差异不具有统计学意义(P >0.05);1周时CT组IL-6浓度较DOP组、PEMF组明显降低(P <0.05),PEMF组与DOP组差异不具有统计学意义(P >0.05);2、4、8周时CT组与PEMF组大鼠IL-6浓度均明显低于DOP组(P <0.05),8周时CT组IL-6浓度低于PEMF组和INT组,且与PEMF组有显著性差异(P <0.05)。5. DOP组大鼠血清TGF-β1浓度在建模后呈双相变化,1周时明显高于INT组(P <0.05),而后逐渐下降,从建模后4周起明显低于正常水平(P <0.05),且8周时TGF-β1水平与4周时差异不具有统计学意义(P >0.05);1、2、4周时DOP组、CT组和PEMF组三组间差异均不具有统计学意义(P >0.05);8周时PEMF组TGF-β1浓度明显高于CT组、DOP组(P <0.01)。结论:1.通过改良的大鼠右后肢制动方法,可以有效建立废用性骨质疏松大鼠模型,制动2周后股骨近端骨密度降低程度即大于2.5个标准差。2.大鼠右后肢制动后血清IL-6表达呈持续高水平状态,血清TGF-β1浓度呈双相变化(初期增高,而后逐渐降低至正常水平之下),提示废用所致的骨丢失主要是由于骨吸收持续增强所致,而骨形成仅在制动初期(1周内)增高,随后逐渐下降至低水平。3. PEMF及降钙素对废用性骨质疏松均有预防作用,降钙素起效快,但PEMF在后期较降钙素效果更明显。4. PEMF不仅可通过减少血清IL-6表达而抑制破骨细胞介导的骨吸收外,还能促进血清TGF-β1分泌,增强成骨细胞介导的骨形成活动,对废用性骨质疏松的骨重建过程起到双向治疗作用。