软骨细胞骨架研究进展

1、文章编号:swgk200生 物 骨 科 材 料 与 临 床 研 究2007年 04月 第 4卷 第 2期O RTHOPAEDIC B IOMECHANICS M A TERIALS A ND C LINICAL S TUDY软 骨 细 胞 骨架研 究 进 展 *李春江卫小春细胞骨架(cytoskel eton , C SK 是指真核细胞中 的蛋白纤维网架体系,它既具有产生主动变形的能力, 又具有抵抗被动变形和受力的能力。 细胞骨架不仅在维 持 细胞形 态,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、 细胞分化等重大生命活动密切

2、相关。 细胞骨架研究 是当前细胞生物学中最为活跃的领域之一, 本文就软骨 细胞骨架目前的研究进展作一综述。 1软骨细胞骨架的基本组成细胞骨架作为细胞的重要组成部分发现较晚, 主要 是 因为 一般电 镜制样 采用 锇酸和 高锰酸 钾低 温 (04 固定,使细胞骨架大多被破坏。直到 20世纪 60年代后, 采用戊二醛常温固定, 才逐渐认识到细胞骨架 的客观存在。 广义的细胞骨架包括细胞核骨架、 细胞质 骨架、细胞膜骨架和细胞外基质(ECM ,形成贯穿于 细胞核和细胞质的网架体系; 1通常所指的细胞骨架是 指狭义的细胞质骨架,由微丝(microfi lament 、微管 (m icrot ubul

3、e 和 中 间纤 维 (i nterm edi ate fi lament 构成 (见图 1 。微丝又称肌动蛋白纤维(actin fil am ent ,是指细 胞中由球形肌动蛋白单体链形成的右手螺旋状、 直径约*基金项目:山西省归国留学人员重点资助项目 5号作者单位:山西医科大学第二医院骨科,山西 太原 0300017nm 的骨架纤维。由于软骨细胞在关节软骨各层所处 的微环境(如生理应力等有所不同,肌动蛋白的分布 在关节软骨各层也有所不同, 有学者研究发现, 肌动蛋白在近关节表面软骨细胞中最多。 2肌动蛋白是微丝的结构成分, 软骨细胞中主要是平滑肌型肌动蛋白。 微丝系统除肌动蛋白纤维外, 还

4、包 括许多微丝结合蛋白, 它参与形成微丝纤维高级结构。 微管是存在于细 胞中的细长而具有一定刚性的圆管状 细胞器结构, 由-微管蛋白亚基形成首 尾相接 交替排 列的异二 聚体结 构。微 管成中 空圆筒 状,平均外径 24nm ,内径 15nm ,在横切面上微管壁 由 13根原纤维排列构成,微管形成松散的贯穿软骨细 胞胞质的网络结构。 除微管蛋白外, 组成微管的化学成 分还包括其它一些蛋白质, 通称为微管关联蛋白。 主要 分为两类:一是微管动力蛋白(马达分子 ,如驱动蛋 白 (kinesis 、胞质动力蛋白 (dyenin 等;二是微管 结合蛋白,已发现两大家族,即 MAP 蛋白类和图 1软骨细

5、胞骨架结构模式图. .242007年 04月 生 物 骨 科 材 料 与 临 床 研 究第 4卷 第 2期 O R THOPAEDIC B IOMECHANICS M ATERIALS A ND C LINICAL S TUDY管和中间纤维网络对剪切力有更大的抵抗能力。 微管参 与细胞形态的维持、 细胞内运输及控制细胞分裂时染色 体的运动等生理活动。 软骨细胞中微管形成松散的贯穿 软骨细胞胞质的网络结构, 这种结构与其胞内物质转运 功能相一致。 中间纤维的功能至今仍不太清楚。 一般认 为, 中间纤维在细胞质中起到支架的作用, 并与细胞核 定位有关。近年来研究发现中间纤维与 mR NA 的运输

6、有关,胞质 mRN A 锚定于中间纤维可能对其在细胞内 的定位及是否翻译起决定作用。同时微丝、微管、中间 纤维之间的动态平衡起着稳定细胞内部结构的作用。 4也有学者研究认为软骨细胞骨架的完整性对细胞的代谢 至关重要。 53细胞骨架与力学信号转导软骨细胞利用力学信号结合基因表达来调控自身的 代谢活动。 6关于软骨细胞力学信号转导的确切机制目 前仍不十分清楚。 有学者认为力学信号通过离子通道影 响细胞生物活动是一条调节途径。 7近年来研究表明, 细胞骨架对力学信号有重要的转导作用。 细胞内细胞骨 架微丝产生原张力, 与细胞内的微管结构形成平衡力。 这样细胞内环境就处于张力平衡之中, 细胞对外界的反

7、 应程度也就取决于细胞原张力的大小。 同时细胞骨架在 胞膜区与跨膜受体(整合素形成的粘附斑也是细胞中 重要的力学作用位点。 细胞骨架在感知细胞外基质的信 号后与细胞膜上的特定位点形成点灶性接触 (粘附斑 , 形成复合体, 再与细胞内的支架结构相互作用, 完成力 学信号的细胞内转导, 8进一步有学者发现细胞骨架可 以把分布应力转化为相应的生化事件。 9但是,力学信 号转导是一个牵涉到整个细胞结构改变、 酶激活以及基 因表达的复杂过程, 而细胞骨架也在受到力学刺激后发 生了复杂的形态改变及生化改变。 所以, 关于细胞骨架 形态改变与跨膜受体、 酶激活之间的相互作用以及它对 基因表达的具体作用机制仍

8、需要进一步的研究。4软骨细胞骨架对软骨细胞力学特性的影响细胞力学问题的核心是阐述细胞抵抗变形并保持结 构稳定的机制, 以及细胞结构变化与细胞功能之间的关 系。 细胞骨架 的肌动 蛋白网 络是由 少量可 伸长纤 维构 成, 其主要功能是承受由细胞收缩装置及粘附基的拉伸 和液体胞质膨胀引起的张力。 大量肌动蛋白构成的微丝 结构可承 受拉伸和压 缩力。 10微管 在抵抗相连 肌动蛋 白网络收 缩时承受压 力。 11中间纤 维仅在相对 大应变 (20% , 且对细胞刚度贡献较为显著时才承受张力。 12细胞骨架 在维持软骨细胞的粘弹性固态特性方面起 到积极的作用。 Tri ckey 等 13利用细胞松弛

9、素 D 、丙 烯酰胺、秋水仙碱等化学试剂分别对微丝、中间纤维、 微管进行破坏, 然后通过微管吸吮技术结合细胞的粘弹 性固态模型对正常及骨性关节炎的软骨细胞进行粘弹性 分析。结果发现,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正常及骨性关节炎的 软骨细胞弹性模量和表面粘性发生显著下降, 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。 这 些结果表明, 微丝和中间纤维提供了软骨细胞的主要粘 弹性固态特性而微管的作用并不十分明显。5软骨细胞骨架与关节软骨疾病软骨细胞骨架对关节疾病的发生、 发展有很重要的 影响。 软骨细胞具体应力传导的生物机械或生物化学途 径尚不清楚

10、, 但有研究表明细胞骨架在其中起着重要的 作用。 Kouri 等 14认为软骨细胞骨架的破坏是导致关 节软骨发生退行性变的重要因素之一。 Benjami n 等 15的研究表明在大鼠骨性关节炎模型中, 先于其它可以检 测到的变化即出现中间纤维表达减少。 H ol low ay 等 16对正常及骨性关节炎患者的关节软骨进行形态及细胞骨 架方面的检测, 认为软骨细胞在形态及相关细胞骨架方 面的变化将改变软骨细胞的机械转导途径及对关节应力 的反应,进而导致各种关节疾病的发生。 Knudson 等 17的研 究显示软骨细胞表达整合 素及 CD 44,两种受 体都可以调节微丝蛋白与细胞外基质的相互作用及

11、其信 号传导。骨性关节炎时, CD44或整合素介导的软骨细 胞的微丝蛋白与细胞外基质的相互作用被破坏, 软骨的 新陈代谢受到影响。 也有研究表明破坏微丝蛋白导致软 骨细胞周围基质装配及蛋白多糖含量减少, 其机制可能 是微丝蛋白的破坏导致锚接于细胞膜上的 CD44减少, 并且 CD 44与其配体的结合能力降低。 186细胞骨架的激光共聚焦研究技术激光扫描共聚焦显微镜(LCSM 是研究细胞骨架 的一种新手段, 通过荧光探针对细胞骨架的成分进行标 记, 然后利用激光扫描共聚焦显微镜系统对标记的细胞 进行图像采集, 最后对采集到的图像进行处理和数据分 析从而得到所需要的图像和数据。 通常对微管使用间接

12、 标记 的方法 ,一抗 为抗 -tubul in 单抗 ,二抗 为抗小 鼠 IgG 的荧光抗体, 就可以展现出固定细胞冰冻切片的微 管结构;对微丝使用鬼笔环肽(phall oi din 标记,荧 光标记的鬼笔环肽在纳克水平就可与微丝选择性的结合 且易溶于水, 为检测组织切片, 培养细胞和无细胞体系 的微丝的定位和定量提供了非常方便的标记方法; 对中 . . 25生 物 骨 科 材 料 与 临 床 研 究 2007年 04月 第 4卷 第 2期 O RTHOPAEDIC B IOMECHANICS M ATERIALS A ND C LINICAL S TUDY间纤维使用抗波形蛋白抗体进行标记。

13、 研究发现对软骨 细胞同时进行固定和标记较先固定后标记更好的显示细 胞 骨架的 结构, 且细胞 皱缩和 骨架结 构溶解的 机率更 低 。 19利用荧 光探针标记及 激光扫描共 聚焦显微镜对 细胞骨架进行研究较其它方法有许多优势:一是有效的 排除了非焦平面的信息, 提高了分辨率, 使细胞骨架的 图像更加清晰。 二是激光扫描共聚焦显微镜实现了对样 品的不同层面进行扫描从而产生不同层面的共焦图像, 同时可以对图像进行三维重组。 三是彻底消除荧光串色 的影响, 最大限度减少样品荧光信号的损失。 四是标本 制备简单方便, 省时省力, 还可以避免标本制备过程中 的假阳性。 总之, 激光扫描共聚焦显微镜因其

14、独特的成 像原理决定了它在细胞骨架研究中的重要地位, 这项技 术的开展为人类更好的认识和研究细胞骨架的功能及其 与疾病的关系提供了良好的研究手段。 综上所述, 随着 科 学技术 的不断 向前发 展,对 关节软 骨的研究 已从器 官、组织水平深入到细胞、分子甚至基因水平。软骨细 胞骨架作为细胞力学研究中的一门新型学科虽然才刚刚 起步, 尚存在诸多未知的问题等待探索和解答, 但已显 示出巨大的发展前景和科学意义。 新技术、 新方法的应 用结合多学科之间的相互渗透、 交叉和合作, 将使软骨 细胞骨架领域的研究更深一步, 为软骨疾病的发生、 发 展过程提供新的认识。参 考 文 献1翟中和, 王喜中,

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