Применение магнитного поля в регенерации костной ткани: современное состояние вопроса и перспективы развития метода

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Актуальность . Магниты с давних времен использовались для лечения различных заболеваний, особенно при воспалительных процессах. Согласно существующим историческим данным, магнитотерапию применяли уже в древности китайцы, египтяне и греки. Разная сила магнитного поля по-разному влияет на клетки, при этом наиболее широко используются магнитные поля средней силы. В настоящем обзоре литературы представлены краткая история и современное состояние вопроса применения магнитного поля в регенерации костной ткани. Уточнены современные знания о механизмах физиологической и репаративной регенерации, восстановления костной ткани, а также рассмотрены современные направления инженерии костной ткани с учетом особенностей микроциркуляции и влияние магнитного поля на физиологию костной ткани и репаративную регенерацию. Одним из ключевых выводов обзора является то, что магнитное поле улучшает восстановление костной ткани, влияя на метаболическое поведение клеток. Исследования показывают, что магнитотерапия способствует активации клеточных процессов, ускоряет образование новой костной ткани и повышает ее качество. Также отмечается, что магнитное поле оказывает положительное влияние на микроциркуляцию, улучшая кровоснабжение тканей и способствуя лучшему поступлению питательных веществ к месту повреждения. Это способствует более быстрому заживлению ран и ранней реабилитации пациентов. Выводы. Магнитотерапия является одним из эффективных физических и реабилитационных методов лечения, которые будут приобретать все большее значение в современной медицине. Однако необходимо проводить дальнейшие исследования для более полного понимания механизмов действия магнитного поля на костную ткань и определения оптимальных параметров его применения.

Об авторах

А. А. Мураев

Российский университет дружбы народов

Email: ms.s.karina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3982-5512
Москва, Российская Федерация

Г. Г. Манукян

Российский университет дружбы народов

Email: ms.s.karina@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-8636-994X
Москва, Российская Федерация

К. М. Салех

Российский университет дружбы народов

Email: ms.s.karina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4415-766X
Москва, Российская Федерация

А. П. Бонарцев

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: ms.s.karina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5894-9524
Москва, Российская Федерация

А. В. Волков

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: ms.s.karina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5611-3990
Москва, Российская Федерация

Список литературы

  1. Gilbert W. De Magnete. Dover Publication Inc.: New York, NY, USA, 1958.
  2. Von Middendorff AT. Die Isepiptesen Russlands. Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften: St. Petersburg, Russia, 1855.
  3. Schott H. Zur Geschichte der Elektrotherapie und ihrer Beziehung zum Heilmagnetismus. In Naturheilverfahren und Unkonventionelle Medizinische Richtunge. Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 1996.
  4. Талантов П.В. Доказательная медицина от магии до поисков бессмертия. М.: Издательство АСТ: CORPUS, 2019. 560 с.
  5. Pajarinen J, Lin T, Gibon E, Kohno Y, Maruyama M, Nathan K, Lu L, Yao Z, Goodman SB. Mesenchymal stem cell-macrophage crosstalk and bone healing. Biomaterials. 2019;196:80-89. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.12.025
  6. Diomede F, Marconi GD, Fonticoli L, Pizzicanella J, Merciaro I, Bramanti P, Mazzon E, Trubiani O. Functional Relationship between Osteogenesis and Angiogenesis in Tissue Regeneration. Int J Mol Sci. 2020;21(9):3242. doi: 10.3390/ijms21093242
  7. Massari L, Benazzo F, Falez F, Perugia D, Pietrogrande L, Setti S, Osti R, Vaienti E, Ruosi C, Cadossi R. Biophysical stimulation of bone and cartilage: state of the art and future perspectives. Int Orthop. 2019;43(3):539-551. doi: 10.1007/s00264-018-4274-3
  8. Majidinia M, Sadeghpour A, Yousefi B. The roles of signaling pathways in bone repair and regeneration. J Cell Physiol. 2018;233(4):2937-2948. doi: 10.1002/jcp.26042
  9. Shang F, Yu Y, Liu S, Ming L, Zhang Y, Zhou Z, Zhao J, Jin Y. Advancing application of mesenchymal stem cell-based bone tissue regeneration. Bioact Mater. 2020;6(3):666-683. doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.08.014
  10. Zhang S, Li X, Qi Y, Ma X, Qiao S, Cai H, Zhao BC, Jiang HB, Lee ES. Comparison of Autogenous Tooth Materials and Other Bone Grafts. Tissue Eng Regen Med. 2021;18(3):327-341. doi: 10.1007/s13770-021-00333-4
  11. Мураев А.А., Иванов С.Ю., Ивашкевич С.Г., Горшенев В.Н., Телешев А.Т., Кибардин А.В., Кобец К.К., Дубровин В.К. Органотипичные костные трансплантаты - перспектива развития современных остеопластических материалов // Стоматология. 2017. Т. 96. № . 3. С. 36-37.
  12. Chocholata P, Kulda V, Babuska V. Fabrication of Scaffolds for Bone-­Tissue Regeneration. Materials (Basel). 2019;12(4):568. doi: 10.3390/ma12040568
  13. Battafarano G, Rossi M, De Martino V, Marampon F, Borro L, Secinaro A, Del Fattore A. Strategies for Bone Regeneration: From Graft to Tissue Engineering. Int J Mol Sci. 2021;22(3):1128. doi: 10.3390/ijms22031128
  14. Liang B, Liang JM, Ding JN, Xu J, Xu JG, Chai YM. Dimethyloxaloylglycine-­stimulated human bone marrow mesenchymal stem cell-derived exosomes enhance bone regeneration through angiogenesis by targeting the AKT/mTOR pathway. Stem Cell Res Ther. 2019;10(1):335. doi: 10.1186/s13287-019-1410-y
  15. Naudot M, Garcia A, Jankovsky N, Barre A, Zabijak L, Azdad SZ, Collet L, Bedoui F, Hébraud A, Schlatter G, Devauchelle B, Marolleau JP, Legallais C, Le Ricousse S. The combination of a poly-caprolactone/nano-hydroxyapatite honeycomb scaffold and mesenchymal stem cells promotes bone regeneration in rat calvarial defects. J Tissue Eng Regen Med. 2020;14(11):1570-1580. doi: 10.1002/term.3114
  16. Wubneh A, Tsekoura EK, Ayranci C, Uludag H. Current state of fabrication technologies and materials for bone tissue engineering. Acta Biomater. 2018;80:1-30. doi: 10.1016/j.actbio.2018.09.031
  17. Iaquinta MR, Mazzoni E, Bononi I, Rotondo J, Mazziotta C, Montesi M, Sprio S, Tampieri A, Tognon, Martini F. Adult Stem Cells for Bone Regeneration and Repair. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2019;7:268. doi: 10.3389/fcell.2019.00268
  18. Huang X, Das R, Patel A, Nguyen TD. Physical Stimulations for Bone and Cartilage Regeneration. Regen Eng Transl Med. 2018;4(4):216-237. doi: 10.1007/s40883-018-0064-0
  19. Li S, Wei C, Lv Y. Preparation and Application of Magnetic Responsive Materials in Bone Tissue Engineering. Curr Stem Cell Res Ther. 2020;15(5):428-440. doi: 10.2174/1574888X15666200101122505
  20. Zhu F, Liu W, Li P, Zhao H, Deng X, Wang HL. Electric/Magnetic Intervention for Bone Regeneration: A Systematic Review and Network Meta-­Analysis. Tissue Eng Part B Rev. 2023;29(3):217-231. doi: 10.1089/ten.TEB.2022.0127
  21. Бинги В.Н. Принципы электромагнитной биофизики. // М.: ФИЗМАТЛИТ. 2011. 592 стр.
  22. Миллер М.А., Суворов Е.В. Лоренца сила // М.: «Советская энциклопедия». 1988. 704 стр.
  23. Булыгин В.С. Сила Лоренца. М.: Большая российская энциклопедия, 2004-2017.
  24. Улащик В.С. Физиотерапия. Новейшие методы и технологии: Справочное пособие. М.: Книжный дом. 2013. 448 с.
  25. Максимов A.B., Шиман А.Г. Лечебное применение магнитных полей: Учебное пособие. Л., 1991. 49 стр.
  26. Binhi VN, Rubin AB. Theoretical Concepts in Magnetobiology after 40 Years of Research. Cells. 2022;11(2):274. doi: 10.3390/cells11020274
  27. Ning C, Zhou Z, Tan G, Zhu Y, Mao C. Electroactive polymers for tissue regeneration: Developments and perspectives. Prog. Polym. Sci. 2018;81:144-162. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2018.01.001
  28. Ribeiro C, Sencadas V, Correia DM, Lanceros-­Méndez S. Piezoelectric polymers as biomaterials for tissue engineering applications. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2015;136:46-55. doi: 10.1016/j.colsurfb.2015.08.043
  29. Halperin C, Mutchnik S, Agronin A, Molotskii M, Urenski P, Salai M, Rosenman G. Piezoelectric effect in human bones studied in nanometer scale. Nano Letters. 2004;4(7):1253-1256, doi: 10.1021/nl049453i
  30. Fukada E, Yasuda I. On the Piezoelectric Effect of Bone. J. Phys. Soc. Jpn. 1957;12:1158-1162. doi: 10.1143/JPSJ.12.1158
  31. Zhou T, Gao B, Fan Y, Liu Y, Feng S, Cong Q, Zhang X, Zhou Y, Yadav PS, Lin J, Wu N, Zhao L, Huang D, Zhou S, Su P, Yang Y. Piezo1/2 mediate mechanotransduction essential for bone formation through concerted activation of NFAT-YAP1-ß-catenin. Elife. 2020;9: e52779. doi: 10.7554/eLife.52779
  32. Wolfenson H, Yang B, Sheetz MP. Steps in Mechanotransduction Pathways that Control Cell Morphology. Annu Rev Physiol. 2019;81:585-605. doi: 10.1146/annurev-physiol-021317-121245
  33. Qin L, Liu W, Cao H, Xiao G. Molecular mechanosensors in osteocytes. Bone Res. 2020;8:23. doi: 10.1038/s41413-020-0099-y
  34. Xu X, Liu S, Liu H, Ru K, Jia Y, Wu Z, Liang S, Khan Z, Chen Z, Qian A, Hu L. Piezo Channels: Awesome Mechanosensitive Structures in Cellular Mechanotransduction and Their Role in Bone. Int J Mol Sci. 2021;22(12):6429. doi: 10.3390/ijms22126429
  35. Qi Y, Zhang S, Zhang M, Zhou Z, Zhang X, Li W, Cai H, Zhao BC, Lee ES, Jiang HB. Effects of Physical Stimulation in the Field of Oral Health. Scanning. 2021;2021:5517567. doi: 10.1155/2021/5517567
  36. Jing D, Zhai M, Tong S, Xu F, Cai J, Shen G, Wu Y, Li X, Xie K, Liu J, Xu Q, Luo E. Pulsed electromagnetic fields promote osteogenesis and osseointegration of porous titanium implants in bone defect repair through a Wnt/β-catenin signaling-­associated mechanism. Sci Rep. 2016;6:32045. doi: 10.1038/srep32045
  37. Umiatin U, Hadisoebroto Dilogo I, Sari P, Kusuma Wijaya S. Histological Analysis of Bone Callus in Delayed Union Model Fracture Healing Stimulated with Pulsed Electromagnetic Fields (PEMF). Scientifica (Cairo). 2021;2021:4791172. doi: 10.1155/2021/4791172
  38. Yuan J, Xin F, Jiang W. Underlying Signaling Pathways and Therapeutic Applications of Pulsed Electromagnetic Fields in Bone Repair. Cell Physiol Biochem. 2018;46(4):1581-1594. doi: 10.1159/000489206
  39. Mansourian M, Shanei A. Evaluation of Pulsed Electromagnetic Field Effects: A Systematic Review and Meta-­Analysis on Highlights of Two Decades of Research In Vitro Studies. Biomed Res Int. 2021;2021:6647497. doi: 10.1155/2021/6647497
  40. Zhai M, Jing D, Tong S, Wu Y, Wang P, Zeng Z, Shen G, Wang X, Xu Q, Luo E. Pulsed electromagnetic fields promote in vitro osteoblastogenesis through a Wnt/β-catenin signaling-­associated mechanism. Bioelectromagnetics. 2016;37(3):152-162. doi: 10.1002/bem.21961
  41. Okada R, Yamato K, Kawakami M, Kodama J, Kushioka J, Tateiwa D, Ukon Y, Zeynep B, Ishimoto T, Nakano T, Yoshikawa H, Kaito T. Low magnetic field promotes recombinant human BMP-2-induced bone formation and influences orientation of trabeculae and bone marrow-­derived stromal cells. Bone Rep. 2021;14:100757. doi: 10.1016/j.bonr.2021.100757
  42. Kamei N, Adachi N, Ochi M. Magnetic cell delivery for the regeneration of musculoskeletal and neural tissues. Regen Ther. 2018;9:116-119. doi: 10.1016/j.reth.2018.10.001
  43. Peng L, Fu C, Xiong F, Zhang Q, Liang Z, Chen L, He C, Wei Q. Effectiveness of Pulsed Electromagnetic Fields on Bone Healing: A Systematic Review and Meta-­Analysis of Randomized Controlled Trials. Bioelectromagnetics. 2020;41(5):323-337. doi: 10.1002/bem.22271
  44. Zhao H, Liu C, Liu Y, Ding Q, Wang T, Li H, Wu H, Ma T. Harnessing electromagnetic fields to assist bone tissue engineering. Stem Cell Res Ther. 2023;14(1):7. doi: 10.1186/s13287-022-03217-z
  45. Di Bartolomeo M, Cavani F, Pellacani A, Grande A, Salvatori R, Chiarini L, Nocini R, Anesi A. Pulsed Electro-­Magnetic Field (PEMF) Effect on Bone Healing in Animal Models: A Review of Its Efficacy Related to Different Type of Damage. Biology (Basel). 2022;11(3):402. doi: 10.3390/biology11030402
  46. Yang J, Zhou S, Lv H, Wei M, Fang Y, Shang P. Static magnetic field of 0.2-0.4 T promotes the recovery of hindlimb unloading-­induced bone loss in mice. Int J Radiat Biol. 2021;97(5):746-754. doi: 10.1080/09553002.2021.1900944
  47. Naito Y, Yamada S, Jinno Y, Arai K, Galli S, Ichikawa T, Jimbo R. Bone-­Forming Effect of a Static Magnetic Field in Rabbit Femurs. Int J Periodontics Restorative Dent. 2019;39(2):259-264. doi: 10.11607/prd.3220
  48. Zhang J, Ding C, Ren L, Zhou Y, Shang P. The effects of static magnetic fields on bone. Prog Biophys Mol Biol. 2014;114(3):146-52. doi: 10.1016/j.pbiomolbio.2014.02.001
  49. Zhang J, Meng X, Ding C, Shang P. Effects of static magnetic fields on bone microstructure and mechanical properties in mice. Electromagn Biol Med. 2018;37(2):76-83. doi: 10.1080/15368378.2018.1458626
  50. Zhang XY, Xue Y, Zhang Y. Effects of 0.4 T rotating magnetic field exposure on density, strength, calcium and metabolism of rat thigh bones. Bioelectromagnetics. 2006;27(1):1-9. doi: 10.1002/bem.20165
  51. Pan X, Xiao D, Zhang X, Huang Y, Lin B. Study of rotating permanent magnetic field to treat steroid-­induced osteonecrosis of femoral head. Int Orthop. 2009;33(3):617-23. doi: 10.1007/s00264-007-0506-7
  52. Du L, Fan H, Miao H, Zhao G, Hou Y. Extremely low frequency magnetic fields inhibit adipogenesis of human mesenchymal stem cells. Bioelectromagnetics. 2014;35(7):519-30. doi: 10.1002/bem.21873
  53. Jing D, Cai J, Wu Y, Shen G, Zhai M, Tong S, Xu Q, Xie K, Wu X, Tang C, Xu X, Liu J, Guo W, Jiang M, Luo E. Moderate-­intensity rotating magnetic fields do not affect bone quality and bone remodeling in hindlimb suspended rats. PLoS One. 2014;9(7): e102956. doi: 10.1371/journal.pone.0102956.
  54. Lee EJ, Jain M, Alimperti S. Bone Microvasculature: Stimulus for Tissue Function and Regeneration. Tissue Eng Part B Rev. 2021;27(4):313-329. doi: 10.1089/ten.TEB.2020.0154
  55. Lopes D, Martins-­Cruz C, Oliveira MB, Mano JF. Bone physiology as inspiration for tissue regenerative therapies. Biomaterials. 2018;185:240-275. doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.09.028
  56. Wiszniak S, Schwarz Q. Exploring the Intracrine Functions of VEGF-A. Biomolecules. 2021;11(1):128. doi: 10.3390/biom11010128
  57. Li Y, Baccouche B, Olayinka O, Serikbaeva A, Kazlauskas A. The Role of the Wnt Pathway in VEGF/Anti-­VEGF-Dependent Control of the Endothelial Cell Barrier. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2021;62(12):17. doi: 10.1167/iovs.62.12.17
  58. Caliogna L, Medetti M, Bina V, Brancato AM, Castelli A, Jannelli E, Ivone A, Gastaldi G, Annunziata S, Mosconi M, Pasta G. Pulsed Electromagnetic Fields in Bone Healing: Molecular Pathways and Clinical Applications. Int J Mol Sci. 2021;22(14):7403. doi: 10.3390/ijms22147403
  59. Hyldahl F, Hem-­Jensen E, Rahbek UL, Tritsaris K, Dissing S. Pulsed electric fields stimulate microglial transmitter release of VEGF, IL-8 and GLP-1 and activate endothelial cells through paracrine signaling. Neurochem Int. 2023;163:105469. doi: 10.1016/j.neuint.2022.105469
  60. Peng L, Fu C, Liang Z, Zhang Q, Xiong F, Chen L, He C, Wei Q. Pulsed Electromagnetic Fields Increase Angiogenesis and Improve Cardiac Function After Myocardial Ischemia in Mice. Circ J. 2020;84(2):186-193. doi: 10.1253/circj.CJ-19-0758
  61. Cardoso VF, Francesko A, Ribeiro C, Bañobre-­López M, Martins P, Lanceros-­Mendez S. Advances in Magnetic Nanoparticles for Biomedical Applications. Adv Healthc Mater. 2018;7(5). doi: 10.1002/adhm.201700845
  62. Farzin A, Etesami SA, Quint J, Memic A, Tamayol A. Magnetic Nanoparticles in Cancer Therapy and Diagnosis. Adv Healthc Mater. 2020;9(9): e1901058. doi: 10.1002/adhm.201901058
  63. Shubayev VI, Pisanic TR, Jin S. Magnetic nanoparticles for theragnostics. Adv Drug Deliv Rev. 2009;61(6):467-467. doi: 10.1016/j.addr.2009.03.007
  64. Шустов М.А., Шустова В.А. Физиотерапия в стоматологии и челюстно-­лицевой хирургии. C.: СпецЛит, 2019. 167 с.
  65. Бычков А.И. Электромагнитостимуляция процессов регенерации при дентальной имплантации: дисс. мед. наук. М., 2005. 186 с.
  66. Дагаев Н.Д. Свой­ства магнитных наночастиц оксида железа и области их применения // Наука и образование: актуальные вопросы теории и практики: материалы Международной научно-­методической конференции, Оренбург, 2021. С. 223-225.
  67. Куклина А.С. Наночастицы магнетита: методы получения и свой­ства (литературный обзор) // Modern science. 2019. T. 6. № 2. С. 8-12.
  68. Aghajanian AH, Bigham A, Sanati A, Kefayat A, Salamat MR, Sattary M, Rafienia M. A 3D macroporous and magnetic Mg2SiO4-CuFe2O4 scaffold for bone tissue regeneration: Surface modification, in vitro and in vivo studies. Biomater Adv. 2022;1(37):212809. doi: 10.1016/j.bioadv.2022.212809
  69. Wu D, Chang X, Tian J, Kang L, Wu Y, Liu J, Wu X, Huang Y, Gao B, Wang H, Qiu G, Wu Z. Bone mesenchymal stem cells stimulation by magnetic nanoparticles and a static magnetic field: release of exosomal miR-1260a improves osteogenesis and angiogenesis. J Nanobiotechnology. 2021;19(1):209. doi: 10.1186/s12951-021-00958-6
  70. Xia Y, Chen H, Zhao Y, Zhang F, Li X, Wang L, Weir MD, Ma J, Reynolds MA, Gu N, Xu HHK. Novel magnetic calcium phosphate-stem cell construct with magnetic field enhances osteogenic differentiation and bone tissue engineering. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;98:30-41. doi: 10.1016/j.msec.2018.12.120
  71. Замай Т.Н., Толмачева Т.В. Новые стратегии регенерации костной ткани с помощью магнитомеханической трансдукции // Сибирское медицинское обозрение. 2021. № . 6. С. 5-11.
  72. Lu JW, Yang F, Ke QF, Xie XT, Guo YP. Magnetic nanoparticles modified-­porous scaffolds for bone regeneration and photothermal therapy against tumors. Nanomedicine. 2018;14(3):811-822. doi: 10.1016/j.nano.2017.12.025
  73. Qing L, Gang Z, Tong W, Yongzhao H, Xuliang D, Yan Wei. Investigations into the Biocompatibility of Nano-hydroxyapatite Coated Magnetic Nanoparticles under Magnetic Situation. Journal of Nanomaterials. 2015;10. http://dx.doi.org/10.1155/2015/835604
  74. Galli C, Pedrazzi G, Mattioli-­Belmonte M, Guizzardi S. The Use of Pulsed Electromagnetic Fields to Promote Bone Responses to Biomaterials In Vitro and In Vivo. Int J Biomater. 2018;2018:8935750. doi: 10.1155/2018/8935750

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. Schematic representation of an external therapeutic electromagnetic inductor in the buccal region, the propagation of electromagnetic waves and their effect on soft tissues, bone tissues and dental implants. 1 — external inductor, 2 — magnetic flux, 3 — healing abutment, 4 — dental implant

Скачать (82KB)
Метаданные

© Мураев А.А., Манукян Г.Г., Салех К.М., Бонарцев А.П., Волков А.В., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах