关节软骨细胞力学特性研究近况

1、关节软骨细胞力学特性研究近况【关键词】 关节软骨细胞力学特性研究近况关节软骨细胞的力学特性是影响关节健康和功能的重要因素。对软骨细胞力学特性的深入研究将有助于了解软骨细胞在正常和病理条件下的调节情况，进一步为软骨损伤的修复提供新的方向。1 简介关节软骨细胞通过生物学、力学及理化相互作用于软骨细胞外基质从而感知其力学环境。细胞外基质的成分包括胶原（主要是型胶原）和蛋白多糖。胶原纤维形成一个密集的交联网，提供主要的张力及剪切力。蛋白多糖含有硫酸角质素和硫酸软骨素糖胺多糖链，其富含带负电荷的羧基及硫酸基团。这些负电荷产生的互斥作用及渗透梯度导致组织内膨胀压的出现。这种膨胀压影响组织的水合及软骨细胞的

2、局部物理环境以适应应力加载或变形。关节软骨细胞周基质富含型胶原及高浓度的蛋白多糖。细胞周基质通过结合于基质蛋白的细胞表面受体与软骨细胞相互作用。软骨细胞与这层基质被多数学者命名为Chondron。关于这个独特结构单元的功能目前仍不太清楚，有学者认为Chondron可作为力学的转导器，其通过细胞周基质中型胶原与细胞膜表面的一些成分的相互作用将力学信号转导入细胞内从而调节软骨细胞的代谢1。软骨细胞通过对力学信号的反应协同环境因子和遗传因素共同调控细胞的新陈代谢。生理条件下，软骨具有一定的机械反馈调节机理，可阻止因软骨内液体过度溢出而发生的变形从而保护软骨。然而，在病理条件下力学因素可以导致关节退行

3、性变的发生和进展。为了阐明力学刺激对关节软骨及软骨细胞的作用，国内外学者尝试了从动物体内模型到组织、细胞、分子水平等的体外实验等不同的研究方法。他们认为力学环境对软骨细胞生长、分化、表型的表达、对移植物软骨的生成过程及修复组织的生物学特性有非常重要的作用2。但是，调控软骨细胞力学信号转导的力学及生化过程仍未能彻底阐明。这种调控途径的完全认识将是理解维持软骨细胞外基质的正常生理过程和导致关节疾病（如骨性关节炎）的病理过程的基础。2 关节软骨细胞的局部变形行为软骨细胞局部的变形行为是理解其力学特性的基础。有学者用一种特殊设计的力学加载设备对软骨的切面施加30的压力，通过显像系统观察软骨细胞的局部变

4、形行为。结果发现随着细胞外基质的变形软骨细胞的形状和细胞内空间发生了很大的变化。随着压力的去除，软骨细胞恢复原形。细胞外基质的胶原的排列随着压力的去除也恢复原样3。近年来，许多学者运用共聚焦激光扫描显微镜来观察软骨细胞形态。共聚焦显微镜可以对荧光染色的细胞膜和细胞器进行三维成像。通过几何模型程序确定软骨细胞的半径、体积、表面积和形状等的变化。结果表明，关节软骨细胞的形状和体积的变化与细胞外基质的变形紧密相关4。Wong等5对软骨进行应力加载和组织学固定再进行几何检测，结果发现软骨细胞及细胞核的体积和半径在压力方向上的减少程度与关节软骨厚度的下降程度相一致，垂直于压力方向上的软骨细胞及细胞核的大

5、小没有发生显著性的变化。3 软骨细胞变形与软骨代谢调控除了可观察到的软骨细胞在应力作用下发生的形状和体积的显著变化外，也有证据表明软骨细胞的变形作为一种力学信号将调控新陈代谢和基因表达。有学者发现在单层培养的软骨细胞较三维培养的软骨细胞有较强的成纤维细胞表达及三维立体培养有助于软骨细胞表型的维持6。基于这些现象，有种假设认为细胞形状的改变（如变形）是影响软骨细胞代谢的调控因素之一。在某些局部应力加载模型中，细胞变形引起的效应可以从其他物理因素的影响中分离出来单独考虑。例如，在微小的剪切应力条件下（如圆柱体的扭转）可以将细胞外基质的非流动依赖性效应从流动依赖性效应如流体静压、渗透压、液流和电场效

6、应中分离出来7。使用这种模型，在频率为1 Hz 15的正弦剪切应变条件下作用48 h，软骨细胞可以提高蛋白多糖的合成率并且可以改变蛋白多糖的合成类型。为了将细胞变形的效应从与基质变形的相关因素中区别出来，DAndrea等8通过对单个细胞进行显微操作来检测细胞内离子的变化。通过微管直接干扰细胞膜致使胞浆内Ca2+浓度快速上升，据此推测Ca2+流动是受软骨细胞膜的力学拉伸而调控的。Buschmann等9将受压的、经放射性标记的软骨板用戊二醛固定，通过放射自显影技术显示软骨细胞及细胞核的形态变化与新合成的蛋白多糖的空间分布的关系。软骨受压导致细胞及细胞核的半径和体积的下降，同时伴有蛋白多糖的合成减少

7、。这些研究更进一步证实关节软骨细胞形状和体积的变化在软骨细胞信号转导和细胞代谢过程中的影响。4 软骨细胞的力学特性近年来，大多数学者运用微管吸吮技术对正常及病态软骨细胞进行直接的力学特性的检测。这种技术是用较小的吸吮压作用于单个细胞，应用视频技术确保细胞吸入微管有一个暂时的变形。使用1根内径约3 m的玻璃微管对单个软骨细胞施加阶段性升高的负压，细胞达到平衡时的变形行为可以得到测量。对软骨细胞利用微管吸吮技术进行黏弹性特性的检测，结果显示在一阶跃式负压的作用下软骨细胞表现出典型的黏弹性固态蠕变特性。Trickey等10利用微管吸吮技术测得正常软骨细胞的平衡杨氏模量为（0.240.11）kPa，瞬

8、时杨氏模量为（0.410.17）kPa，表面黏性为（3.01.8）kPas而骨性关节炎的软骨细胞的平衡杨氏模量为（0.330.23）kPa，瞬时杨氏模量为（0.630.51）kPa，表面黏性为（5.86.5）kPas.显然，正常软骨细胞和骨性关节炎的软骨细胞的力学特性存在显著的差异。这些差异反映出病态软骨细胞骨架结构和组成发生的改变。5 软骨细胞骨架对软骨细胞力学特性的影响软骨细胞骨架（cytoskeleton CSK）的研究是当前细胞生物力学中最为活跃的领域之一。CSK不仅在维持软骨细胞黏弹性固态特性及保持细胞内部结构的有序性中起重要作用，而且与细胞运动、能量转换、信息传递、基因表达、细胞分

9、化等重大生命活动密切相关。软骨细胞骨架主要由微丝、微管、中间纤维所组成。最近的研究表明，不论是用细胞松弛素D破坏微丝还是用丙烯酰胺破坏中间纤维都可使弹性模量和表面黏性发生显著下降，而用秋水仙碱破坏微管则细胞的力学特性没有发生明显变化11。这些结果表明，微丝和中间纤维提供了软骨细胞的主要黏弹性固态特性而微管的作用并不十分明显。Ko等12证实细胞骨架在应力传导中扮演非常重要的角色，能将应力由细胞骨架迅速传导至细胞内的各个部位。由于细胞骨架亦有进入细胞核，近年来有学者针对细胞骨架在受力后对于基因调控的影响进行研究13。6 软骨细胞核的力学特性伴随着细胞外基质的受压，软骨细胞核也发生显著的变形。相关研

10、究结果表明力学刺激可以从细胞外基质通过细胞膜到达细胞核进而影响基因表达。Buschmann等9的研究发现细胞核形状的改变与基质的组分如蛋白多糖的生物合成相协调。因此，有学者认为细胞外基质的变形可以通过与细胞核的连接调控细胞的活性14。Guilak等15利用微管吸吮技术证实软骨细胞核表现为黏弹性固态特性样的蠕变行为。软骨细胞核的瞬时及平衡弹性模量比软骨细胞高23倍，表面黏性接近完整软骨细胞的2倍。软骨细胞核可以通过机械或化学的方法得以分离。机械分离的软骨细胞核的瞬时模量明显较化学分离的高，据此认为化学分离法改变了软骨细胞核的力学特性。7 软骨细胞的渗透性膨胀行为关节软骨受压力时组织间液渗出，细胞

11、外及细胞周的电荷密度增加，软骨细胞的渗透性环境发生了变化。共聚焦显微镜的研究显示软骨细胞体积的变化是组织受压或渗透性改变的一种反应16。已有许多研究证实渗透性应力对软骨细胞新陈代谢和离子转运方面的影响。因此，渗透性应力及其相关的细胞体积的变化对软骨细胞的生理及力学特性有显著的影响。当软骨细胞被从细胞外基质分离后由于细胞渗透环境的改变细胞体积会明显增加约3040。在去离子水中（0m0sm），软骨细胞发生膨胀直到细胞膜皱褶消失发生溶解。细胞裂解后，细胞膜的面积约是原来等渗环境下面积的2倍多。由此推测软骨细胞膜除非在细胞或细胞外基质发生较大变形情况下不能承受显著的力学应变。渗透压对软骨细胞的黏弹性有

12、显著的影响。在低渗环境下，软骨细胞的瞬时及平衡模量和表面黏性明显下降了约2550%，而在高渗环境下，软骨细胞的黏弹性没有明显的改变。低渗环境下软骨细胞黏弹性改变的原因或许是因为细胞骨架成分或细胞间蛋白的含量及结构发生了变化。例如，Pedersen等17研究显示在低渗环境下细胞骨架中的微丝会迅速发生裂解。总之，软骨细胞生存的渗透环境的变化是影响软骨细胞力学特性的因素之一。8 细胞周基质（pericellular matrix PCM）的力学特性软骨细胞被一层较薄的细胞周基质所包绕，目前通常将软骨细胞及这层组织统称为Chondron。以前采用多步骤机械匀化分离，所获得Chondron量较少（约1%

13、2）。最近，Lee等18应用酶解法可以得到约80的Chondron。研究发现，Chondron富含蛋白多糖，型、型、型胶原，其中型胶原为特异性胶原。Alexopoulos等19利用微管吸吮技术结合线性双向有限元模型对正常及骨性关节炎的PCM进行研究。结果发现，正常PCM的杨氏模量（38.716.2）kPa较骨性关节炎的PCM（23.512.9）kPa高约40，而两者的泊松比接近并没有统计学差异，据此认为在骨性关节炎时PCM发生了明显的退变。同时发现酶解分离得到的PCM的杨氏模量较完整的软骨细胞的高，但较软骨细胞外基质低约23个数量级，因此认为细胞周基质的特性对软骨细胞的力学特性有显著的影响。9

14、 软骨细胞-基质相互作用的理论模型细胞和组织的理论模型对软骨细胞的局部应力及变形的正确认识是非常有意义的，因为他们可以提供原位不能被实验测量的生物参数信息如：应力-应变参数、理化参数、细胞附近的瞬时电位等。各种理论模型的发展都认为软骨细胞及其细胞周基质的作用决定软骨细胞的应力-应变和液流特性。目前，有许多方法包括有限元分析用来解决细胞与基质间的相互作用问题。利用线性双向理论模型可以量化软骨细胞在压应力条件下一过性的应力-应变、液流特性。这种模型可以将软骨的各种组分作为二相性介质通过固液相之间的相互作用调控黏弹性行为。这种模型可用以预测软骨细胞和细胞基质的力学特性及其软骨细胞的形态、内在空间、细

15、胞周围的力学环境等。研究的结果表明关节软骨细胞的力学特性存在着时间变化性和空间不一致性。研究软骨细胞变形的的理论模型与显微实验检测表现出很好的一致性，理论分析与实验研究的有机结合将为软骨细胞力学特性的研究提供新的前景。10 总结大量研究表明，软骨细胞的力学特性在研究细胞与基质的相互作用中以及在软骨细胞的代谢调控中起着很重要的作用。软骨细胞在正常的生理应力条件下形状和体积发生明显的变化。有种假设认为细胞变形是软骨细胞在感知应力时进行代谢调控的生理因素之一。虽然在细胞变形时细胞内的信号转导机理还不是十分清楚，但是与诸如Ca2+、IP3和cAMP等信使分子及细胞骨架、细胞核等信号途径密切相关。软骨细

16、胞的力学特性受到细胞、胞周基质、胞外基质的结构和特性的影响。同时受到局部渗透环境的影响。通过理论分析与实验研究的有机结合进一步发现细胞周基质在关节软骨中起着举足轻重的生物力学作用。这将为研究软骨细胞力学信号的转导及软骨各组分力学特性奠定坚实基础，也为阐明力学因素在健康和病变软骨中的作用从而指导临床进行治疗提供理论依据。可以预见，对软骨细胞力学特性的逐步阐明将进入软骨损伤治疗的新纪元。【参考文献】1 Knudson W,LoeserRF.CD44 and integrin matrix receptors participatein cartilage homeostasisJ.Cell Mol

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