關節(jié)軟骨細胞力學特性研究近況

1、關節(jié)軟骨細胞力學特性研究近況【關鍵詞】 關節(jié)軟骨細胞力學特性研究近況關節(jié)軟骨細胞的力學特性是影響關節(jié)健康和功能的重要因素。對軟骨細胞力學特性的深入研究將有助于了解軟骨細胞在正常和病理條件下的調節(jié)情況，進一步為軟骨損傷的修復提供新的方向。1 簡介關節(jié)軟骨細胞通過生物學、力學及理化相互作用于軟骨細胞外基質從而感知其力學環(huán)境。細胞外基質的成分包括膠原（主要是型膠原）和蛋白多糖。膠原纖維形成一個密集的交聯(lián)網(wǎng)，提供主要的張力及剪切力。蛋白多糖含有硫酸角質素和硫酸軟骨素糖胺多糖鏈，其富含帶負電荷的羧基及硫酸基團。這些負電荷產生的互斥作用及滲透梯度導致組織內膨脹壓的出現(xiàn)。這種膨脹壓影響組織的水合及軟骨細胞的

2、局部物理環(huán)境以適應應力加載或變形。關節(jié)軟骨細胞周基質富含型膠原及高濃度的蛋白多糖。細胞周基質通過結合于基質蛋白的細胞表面受體與軟骨細胞相互作用。軟骨細胞與這層基質被多數(shù)學者命名為Chondron。關于這個獨特結構單元的功能目前仍不太清楚，有學者認為Chondron可作為力學的轉導器，其通過細胞周基質中型膠原與細胞膜表面的一些成分的相互作用將力學信號轉導入細胞內從而調節(jié)軟骨細胞的代謝1。軟骨細胞通過對力學信號的反應協(xié)同環(huán)境因子和遺傳因素共同調控細胞的新陳代謝。生理條件下，軟骨具有一定的機械反饋調節(jié)機理，可阻止因軟骨內液體過度溢出而發(fā)生的變形從而保護軟骨。然而，在病理條件下力學因素可以導致關節(jié)退行

3、性變的發(fā)生和進展。為了闡明力學刺激對關節(jié)軟骨及軟骨細胞的作用，國內外學者嘗試了從動物體內模型到組織、細胞、分子水平等的體外實驗等不同的研究方法。他們認為力學環(huán)境對軟骨細胞生長、分化、表型的表達、對移植物軟骨的生成過程及修復組織的生物學特性有非常重要的作用2。但是，調控軟骨細胞力學信號轉導的力學及生化過程仍未能徹底闡明。這種調控途徑的完全認識將是理解維持軟骨細胞外基質的正常生理過程和導致關節(jié)疾?。ㄈ绻切躁P節(jié)炎）的病理過程的基礎。2 關節(jié)軟骨細胞的局部變形行為軟骨細胞局部的變形行為是理解其力學特性的基礎。有學者用一種特殊設計的力學加載設備對軟骨的切面施加30的壓力，通過顯像系統(tǒng)觀察軟骨細胞的局部變

4、形行為。結果發(fā)現(xiàn)隨著細胞外基質的變形軟骨細胞的形狀和細胞內空間發(fā)生了很大的變化。隨著壓力的去除，軟骨細胞恢復原形。細胞外基質的膠原的排列隨著壓力的去除也恢復原樣3。近年來，許多學者運用共聚焦激光掃描顯微鏡來觀察軟骨細胞形態(tài)。共聚焦顯微鏡可以對熒光染色的細胞膜和細胞器進行三維成像。通過幾何模型程序確定軟骨細胞的半徑、體積、表面積和形狀等的變化。結果表明，關節(jié)軟骨細胞的形狀和體積的變化與細胞外基質的變形緊密相關4。Wong等5對軟骨進行應力加載和組織學固定再進行幾何檢測，結果發(fā)現(xiàn)軟骨細胞及細胞核的體積和半徑在壓力方向上的減少程度與關節(jié)軟骨厚度的下降程度相一致，垂直于壓力方向上的軟骨細胞及細胞核的大

5、小沒有發(fā)生顯著性的變化。3 軟骨細胞變形與軟骨代謝調控除了可觀察到的軟骨細胞在應力作用下發(fā)生的形狀和體積的顯著變化外，也有證據(jù)表明軟骨細胞的變形作為一種力學信號將調控新陳代謝和基因表達。有學者發(fā)現(xiàn)在單層培養(yǎng)的軟骨細胞較三維培養(yǎng)的軟骨細胞有較強的成纖維細胞表達及三維立體培養(yǎng)有助于軟骨細胞表型的維持6?；谶@些現(xiàn)象，有種假設認為細胞形狀的改變（如變形）是影響軟骨細胞代謝的調控因素之一。在某些局部應力加載模型中，細胞變形引起的效應可以從其他物理因素的影響中分離出來單獨考慮。例如，在微小的剪切應力條件下（如圓柱體的扭轉）可以將細胞外基質的非流動依賴性效應從流動依賴性效應如流體靜壓、滲透壓、液流和電場效

6、應中分離出來7。使用這種模型，在頻率為1 Hz 15的正弦剪切應變條件下作用48 h，軟骨細胞可以提高蛋白多糖的合成率并且可以改變蛋白多糖的合成類型。為了將細胞變形的效應從與基質變形的相關因素中區(qū)別出來，DAndrea等8通過對單個細胞進行顯微操作來檢測細胞內離子的變化。通過微管直接干擾細胞膜致使胞漿內Ca2+濃度快速上升，據(jù)此推測Ca2+流動是受軟骨細胞膜的力學拉伸而調控的。Buschmann等9將受壓的、經放射性標記的軟骨板用戊二醛固定，通過放射自顯影技術顯示軟骨細胞及細胞核的形態(tài)變化與新合成的蛋白多糖的空間分布的關系。軟骨受壓導致細胞及細胞核的半徑和體積的下降，同時伴有蛋白多糖的合成減少

7、。這些研究更進一步證實關節(jié)軟骨細胞形狀和體積的變化在軟骨細胞信號轉導和細胞代謝過程中的影響。4 軟骨細胞的力學特性近年來，大多數(shù)學者運用微管吸吮技術對正常及病態(tài)軟骨細胞進行直接的力學特性的檢測。這種技術是用較小的吸吮壓作用于單個細胞，應用視頻技術確保細胞吸入微管有一個暫時的變形。使用1根內徑約3 m的玻璃微管對單個軟骨細胞施加階段性升高的負壓，細胞達到平衡時的變形行為可以得到測量。對軟骨細胞利用微管吸吮技術進行黏彈性特性的檢測，結果顯示在一階躍式負壓的作用下軟骨細胞表現(xiàn)出典型的黏彈性固態(tài)蠕變特性。Trickey等10利用微管吸吮技術測得正常軟骨細胞的平衡楊氏模量為（0.240.11）kPa，瞬

8、時楊氏模量為（0.410.17）kPa，表面黏性為（3.01.8）kPas而骨性關節(jié)炎的軟骨細胞的平衡楊氏模量為（0.330.23）kPa，瞬時楊氏模量為（0.630.51）kPa，表面黏性為（5.86.5）kPas.顯然，正常軟骨細胞和骨性關節(jié)炎的軟骨細胞的力學特性存在顯著的差異。這些差異反映出病態(tài)軟骨細胞骨架結構和組成發(fā)生的改變。5 軟骨細胞骨架對軟骨細胞力學特性的影響軟骨細胞骨架（cytoskeleton CSK）的研究是當前細胞生物力學中最為活躍的領域之一。CSK不僅在維持軟骨細胞黏彈性固態(tài)特性及保持細胞內部結構的有序性中起重要作用，而且與細胞運動、能量轉換、信息傳遞、基因表達、細胞分

9、化等重大生命活動密切相關。軟骨細胞骨架主要由微絲、微管、中間纖維所組成。最近的研究表明，不論是用細胞松弛素D破壞微絲還是用丙烯酰胺破壞中間纖維都可使彈性模量和表面黏性發(fā)生顯著下降，而用秋水仙堿破壞微管則細胞的力學特性沒有發(fā)生明顯變化11。這些結果表明，微絲和中間纖維提供了軟骨細胞的主要黏彈性固態(tài)特性而微管的作用并不十分明顯。Ko等12證實細胞骨架在應力傳導中扮演非常重要的角色，能將應力由細胞骨架迅速傳導至細胞內的各個部位。由于細胞骨架亦有進入細胞核，近年來有學者針對細胞骨架在受力后對于基因調控的影響進行研究13。6 軟骨細胞核的力學特性伴隨著細胞外基質的受壓，軟骨細胞核也發(fā)生顯著的變形。相關研

10、究結果表明力學刺激可以從細胞外基質通過細胞膜到達細胞核進而影響基因表達。Buschmann等9的研究發(fā)現(xiàn)細胞核形狀的改變與基質的組分如蛋白多糖的生物合成相協(xié)調。因此，有學者認為細胞外基質的變形可以通過與細胞核的連接調控細胞的活性14。Guilak等15利用微管吸吮技術證實軟骨細胞核表現(xiàn)為黏彈性固態(tài)特性樣的蠕變行為。軟骨細胞核的瞬時及平衡彈性模量比軟骨細胞高23倍，表面黏性接近完整軟骨細胞的2倍。軟骨細胞核可以通過機械或化學的方法得以分離。機械分離的軟骨細胞核的瞬時模量明顯較化學分離的高，據(jù)此認為化學分離法改變了軟骨細胞核的力學特性。7 軟骨細胞的滲透性膨脹行為關節(jié)軟骨受壓力時組織間液滲出，細胞

11、外及細胞周的電荷密度增加，軟骨細胞的滲透性環(huán)境發(fā)生了變化。共聚焦顯微鏡的研究顯示軟骨細胞體積的變化是組織受壓或滲透性改變的一種反應16。已有許多研究證實滲透性應力對軟骨細胞新陳代謝和離子轉運方面的影響。因此，滲透性應力及其相關的細胞體積的變化對軟骨細胞的生理及力學特性有顯著的影響。當軟骨細胞被從細胞外基質分離后由于細胞滲透環(huán)境的改變細胞體積會明顯增加約3040。在去離子水中（0m0sm），軟骨細胞發(fā)生膨脹直到細胞膜皺褶消失發(fā)生溶解。細胞裂解后，細胞膜的面積約是原來等滲環(huán)境下面積的2倍多。由此推測軟骨細胞膜除非在細胞或細胞外基質發(fā)生較大變形情況下不能承受顯著的力學應變。滲透壓對軟骨細胞的黏彈性有

12、顯著的影響。在低滲環(huán)境下，軟骨細胞的瞬時及平衡模量和表面黏性明顯下降了約2550%，而在高滲環(huán)境下，軟骨細胞的黏彈性沒有明顯的改變。低滲環(huán)境下軟骨細胞黏彈性改變的原因或許是因為細胞骨架成分或細胞間蛋白的含量及結構發(fā)生了變化。例如，Pedersen等17研究顯示在低滲環(huán)境下細胞骨架中的微絲會迅速發(fā)生裂解。總之，軟骨細胞生存的滲透環(huán)境的變化是影響軟骨細胞力學特性的因素之一。8 細胞周基質（pericellular matrix PCM）的力學特性軟骨細胞被一層較薄的細胞周基質所包繞，目前通常將軟骨細胞及這層組織統(tǒng)稱為Chondron。以前采用多步驟機械勻化分離，所獲得Chondron量較少（約1%

13、2）。最近，Lee等18應用酶解法可以得到約80的Chondron。研究發(fā)現(xiàn)，Chondron富含蛋白多糖，型、型、型膠原，其中型膠原為特異性膠原。Alexopoulos等19利用微管吸吮技術結合線性雙向有限元模型對正常及骨性關節(jié)炎的PCM進行研究。結果發(fā)現(xiàn)，正常PCM的楊氏模量（38.716.2）kPa較骨性關節(jié)炎的PCM（23.512.9）kPa高約40，而兩者的泊松比接近并沒有統(tǒng)計學差異，據(jù)此認為在骨性關節(jié)炎時PCM發(fā)生了明顯的退變。同時發(fā)現(xiàn)酶解分離得到的PCM的楊氏模量較完整的軟骨細胞的高，但較軟骨細胞外基質低約23個數(shù)量級，因此認為細胞周基質的特性對軟骨細胞的力學特性有顯著的影響。9

14、 軟骨細胞-基質相互作用的理論模型細胞和組織的理論模型對軟骨細胞的局部應力及變形的正確認識是非常有意義的，因為他們可以提供原位不能被實驗測量的生物參數(shù)信息如：應力-應變參數(shù)、理化參數(shù)、細胞附近的瞬時電位等。各種理論模型的發(fā)展都認為軟骨細胞及其細胞周基質的作用決定軟骨細胞的應力-應變和液流特性。目前，有許多方法包括有限元分析用來解決細胞與基質間的相互作用問題。利用線性雙向理論模型可以量化軟骨細胞在壓應力條件下一過性的應力-應變、液流特性。這種模型可以將軟骨的各種組分作為二相性介質通過固液相之間的相互作用調控黏彈性行為。這種模型可用以預測軟骨細胞和細胞基質的力學特性及其軟骨細胞的形態(tài)、內在空間、細

15、胞周圍的力學環(huán)境等。研究的結果表明關節(jié)軟骨細胞的力學特性存在著時間變化性和空間不一致性。研究軟骨細胞變形的的理論模型與顯微實驗檢測表現(xiàn)出很好的一致性，理論分析與實驗研究的有機結合將為軟骨細胞力學特性的研究提供新的前景。10 總結大量研究表明，軟骨細胞的力學特性在研究細胞與基質的相互作用中以及在軟骨細胞的代謝調控中起著很重要的作用。軟骨細胞在正常的生理應力條件下形狀和體積發(fā)生明顯的變化。有種假設認為細胞變形是軟骨細胞在感知應力時進行代謝調控的生理因素之一。雖然在細胞變形時細胞內的信號轉導機理還不是十分清楚，但是與諸如Ca2+、IP3和cAMP等信使分子及細胞骨架、細胞核等信號途徑密切相關。軟骨細

16、胞的力學特性受到細胞、胞周基質、胞外基質的結構和特性的影響。同時受到局部滲透環(huán)境的影響。通過理論分析與實驗研究的有機結合進一步發(fā)現(xiàn)細胞周基質在關節(jié)軟骨中起著舉足輕重的生物力學作用。這將為研究軟骨細胞力學信號的轉導及軟骨各組分力學特性奠定堅實基礎，也為闡明力學因素在健康和病變軟骨中的作用從而指導臨床進行治療提供理論依據(jù)?？梢灶A見，對軟骨細胞力學特性的逐步闡明將進入軟骨損傷治療的新紀元?！緟⒖嘉墨I】1 Knudson W,LoeserRF.CD44 and integrin matrix receptors participatein cartilage homeostasisJ.Cell Mol

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