Il meccanismo fisiologico della risposta delle cellule scheletriche al PEMF è la sintesi di molecole strutturali e di segnalazione ECM nel contesto della riparazione. In un modello in vivo ben caratterizzato di EO, è stato dimostrato che la stimolazione PEMF aumenta la sintesi della cartilagine e dei fattori di crescita della matrice ossea e migliora la proliferazione e la differenziazione delle cellule primarie simili agli osteoblasti. Il modello EO indotto dalla matrice ossea demineralizzata sviluppato da Hari Reddi è stato estremamente utile per esaminare i dettagli della condrogenesi e della formazione ossea endocondrale, inclusa la differenziazione cellulare e la sintesi di ECM. È stato utilizzato in diversi studi per esaminare la risposta al PEMF delle cellule mesenchimali sottoposte a EO. In questo modello, la matrice ossea demineralizzata viene preparata da ossa lunghe di ratto e viene impiantata per via sottocutanea lungo la muscolatura toracica. Induce l'infiltrazione e la differenziazione delle cellule mesenchimali con conseguente osso maturo, o ossicino, attraverso il processo di EO. La condrogenesi raggiunge il picco al giorno 8 dello sviluppo degli ossicini, quindi la matrice cartilaginea viene erosa dagli osteoclasti e sostituita con osso che si forma in trabecole mature nei giorni 18-20 di sviluppo.figura 2 ). L'immunoistochimica dimostra l'aumento spaziale del proteoglicano indotto dall'esposizione a PEMF ( Figura 3 ). L'mRNA per l'aggrecano e il collagene di tipo II, la sintesi dell'aggrecano, il contenuto di glicosaminoglicani, l'area spaziale della cartilagine ECM e il numero di condrociti sono tutti aumentati dall'esposizione a PEMF ( Tabella 1 ). Il rapporto tra condrociti ed ECM è invariato, indicando una morfologia normale con esposizione a PEMF. In uno studio dettagliato della condrogenesi con questo modello, le dimensioni molecolari di proteoglicani e glicosaminoglicani e la composizione chimica erano normali con la stimolazione PEMF. L'aumentata espressione delle macromolecole cartilaginee, una maggiore immunoreattività degli epitopi 3B3 e 5D4 e nessun cambiamento nel contenuto di DNA o nell'incorporazione di 3H-timidina hanno suggerito una maggiore differenziazione cellulare come meccanismo più probabile dell'attività PEMF. Gli studi con questo modello hanno mostrato un aumento dell'mRNA di TGF-β e dei livelli di proteine in associazione con la differenziazione condrogenica con una rapida progressione verso EO e formazione ossea. È stato dimostrato che il luogo della stimolazione della formazione ossea endocondrale da parte del PEMF risiede nella fase mesenchimale iniziale prima della condrogenesi.
| Controllo | PEMF | Per cento | P | |
| mRNA aggrecano | 6.1 | 22.5 | 269 | 0.02 |
| collagene di tipo II mRNA | 11.8 | 21.9 | 86 | 0,05 |
| 35 Incorporazione SO 4 (cpm/mg) | 2166 ± 387 | 4448 ± 293 | 105 | 0,005 |
| Contenuto GAG (μg/mg) | 1,4 ± 0,2 | 2,5 ± 0,2 | 79 | 0.01 |
| Area della cartilagine (mm 2 ) | 24 ± 2.1 | 148 ± 11,7 | 517 | 0,001 |
| Condrociti (n) | 701 ± 227 | 3582 ± 675 | 411 | 0,005 |
| Condrociti/cartilagine | 29.2 | 24.2 | ns |
Wang et al hanno osservato che i PEMF stimolano la differenziazione e la mineralizzazione osteogenica attraverso l'attivazione della via di segnalazione sAC-cAMP-PKA-CREB. Ongaro et al hanno riferito che la stimolazione PEMF aumenta l'attività della fosfatasi alcalina, l'osteocalcina e la mineralizzazione della matrice nelle MSC isolate sia dalle BMSC che dalle MSC derivate dal tessuto adiposo. In particolare, nei BMSC, PEMF ha mostrato un'azione sinergica con BMP-2, un fattore di crescita essenziale per le cellule ossee. Inoltre, è stato dimostrato che i PEMF inducono l'espressione dell'mRNA di BMP-2 nelle cellule stromali del midollo osseo umano. Ehnert et al .ha dimostrato una maggiore proliferazione e differenziazione osteogenica con l'esposizione a PEMF in un sistema di cocoltura di MSC e osteoblasti derivati dal tessuto adiposo. Il risultato dei processi di segnalazione è di istruire le cellule scheletriche a sintetizzare l'ECM strutturale e le molecole di segnalazione, migliorare la capacità dei tessuti scheletrici di rispondere ai mutevoli ambienti fisico-chimici e alle richieste biomeccaniche e facilitare la riparazione.
Altri modelli hanno dimostrato gli effetti PEMF sulla riparazione ossea. Canè et al, in fori praticati nell'osso metacarpale di cavalli maschi, hanno mostrato che la nuova crescita trabecolare era di 3,4 µm/giorno nell'osso esposto a PEMF rispetto a 1,8 µm/giorno nei controlli. In un modello di osteotomia peroneale di ratto, Midura et al hanno osservato, 9 giorni dopo l'intervento chirurgico, un tasso 2 volte più veloce di formazione di calli duri negli arti trattati con PEMF, producendo un aumento di 2 volte del volume del callo da 13 a 20 giorni dopo l'intervento chirurgico . Fassina et al, utilizzando osteoblasti umani SAOS-2 stimolati da PEMF, ha mostrato una maggiore proliferazione cellulare e una maggiore espressione di decorina, fibronectina, osteocalcina, osteopontina, TGF-β1, collagene di tipo I e collagene di tipo III. Insieme, gli studi rappresentano il razionale per l'uso clinico di PEMF nella promozione della guarigione ossea.