關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞力學(xué)特性研究近況

1、關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞力學(xué)特性研究近況【關(guān)鍵詞】 關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞力學(xué)特性研究近況關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的力學(xué)特性是影響關(guān)節(jié)健康和功能的重要因素。對(duì)軟骨細(xì)胞力學(xué)特性的深入研究將有助于了解軟骨細(xì)胞在正常和病理?xiàng)l件下的調(diào)節(jié)情況，進(jìn)一步為軟骨損傷的修復(fù)提供新的方向。1 簡(jiǎn)介關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞通過(guò)生物學(xué)、力學(xué)及理化相互作用于軟骨細(xì)胞外基質(zhì)從而感知其力學(xué)環(huán)境。細(xì)胞外基質(zhì)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(gè)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(zhì)素和硫酸軟骨素糖胺多糖鏈，其富含帶負(fù)電荷的羧基及硫酸基團(tuán)。這些負(fù)電荷產(chǎn)生的互斥作用及滲透梯度導(dǎo)致組織內(nèi)膨脹壓的出現(xiàn)。這種膨脹壓影響組織的水合及軟骨細(xì)胞的

2、局部物理環(huán)境以適應(yīng)應(yīng)力加載或變形。關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞周基質(zhì)富含型膠原及高濃度的蛋白多糖。細(xì)胞周基質(zhì)通過(guò)結(jié)合于基質(zhì)蛋白的細(xì)胞表面受體與軟骨細(xì)胞相互作用。軟骨細(xì)胞與這層基質(zhì)被多數(shù)學(xué)者命名為Chondron。關(guān)于這個(gè)獨(dú)特結(jié)構(gòu)單元的功能目前仍不太清楚，有學(xué)者認(rèn)為Chondron可作為力學(xué)的轉(zhuǎn)導(dǎo)器，其通過(guò)細(xì)胞周基質(zhì)中型膠原與細(xì)胞膜表面的一些成分的相互作用將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)從而調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的代謝1。軟骨細(xì)胞通過(guò)對(duì)力學(xué)信號(hào)的反應(yīng)協(xié)同環(huán)境因子和遺傳因素共同調(diào)控細(xì)胞的新陳代謝。生理?xiàng)l件下，軟骨具有一定的機(jī)械反饋調(diào)節(jié)機(jī)理，可阻止因軟骨內(nèi)液體過(guò)度溢出而發(fā)生的變形從而保護(hù)軟骨。然而，在病理?xiàng)l件下力學(xué)因素可以導(dǎo)致關(guān)節(jié)退行

3、性變的發(fā)生和進(jìn)展。為了闡明力學(xué)刺激對(duì)關(guān)節(jié)軟骨及軟骨細(xì)胞的作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試了從動(dòng)物體內(nèi)模型到組織、細(xì)胞、分子水平等的體外實(shí)驗(yàn)等不同的研究方法。他們認(rèn)為力學(xué)環(huán)境對(duì)軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、表型的表達(dá)、對(duì)移植物軟骨的生成過(guò)程及修復(fù)組織的生物學(xué)特性有非常重要的作用2。但是，調(diào)控軟骨細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的力學(xué)及生化過(guò)程仍未能徹底闡明。這種調(diào)控途徑的完全認(rèn)識(shí)將是理解維持軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的正常生理過(guò)程和導(dǎo)致關(guān)節(jié)疾?。ㄈ绻切躁P(guān)節(jié)炎）的病理過(guò)程的基礎(chǔ)。2 關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的局部變形行為軟骨細(xì)胞局部的變形行為是理解其力學(xué)特性的基礎(chǔ)。有學(xué)者用一種特殊設(shè)計(jì)的力學(xué)加載設(shè)備對(duì)軟骨的切面施加30的壓力，通過(guò)顯像系統(tǒng)觀察軟骨細(xì)胞的局部變

4、形行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)胞外基質(zhì)的變形軟骨細(xì)胞的形狀和細(xì)胞內(nèi)空間發(fā)生了很大的變化。隨著壓力的去除，軟骨細(xì)胞恢復(fù)原形。細(xì)胞外基質(zhì)的膠原的排列隨著壓力的去除也恢復(fù)原樣3。近年來(lái)，許多學(xué)者運(yùn)用共聚焦激光掃描顯微鏡來(lái)觀察軟骨細(xì)胞形態(tài)。共聚焦顯微鏡可以對(duì)熒光染色的細(xì)胞膜和細(xì)胞器進(jìn)行三維成像。通過(guò)幾何模型程序確定軟骨細(xì)胞的半徑、體積、表面積和形狀等的變化。結(jié)果表明，關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的形狀和體積的變化與細(xì)胞外基質(zhì)的變形緊密相關(guān)4。Wong等5對(duì)軟骨進(jìn)行應(yīng)力加載和組織學(xué)固定再進(jìn)行幾何檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞及細(xì)胞核的體積和半徑在壓力方向上的減少程度與關(guān)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(xì)胞及細(xì)胞核的大

5、小沒(méi)有發(fā)生顯著性的變化。3 軟骨細(xì)胞變形與軟骨代謝調(diào)控除了可觀察到的軟骨細(xì)胞在應(yīng)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(xì)胞的變形作為一種力學(xué)信號(hào)將調(diào)控新陳代謝和基因表達(dá)。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在單層培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞較三維培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞有較強(qiáng)的成纖維細(xì)胞表達(dá)及三維立體培養(yǎng)有助于軟骨細(xì)胞表型的維持6?；谶@些現(xiàn)象，有種假設(shè)認(rèn)為細(xì)胞形狀的改變（如變形）是影響軟骨細(xì)胞代謝的調(diào)控因素之一。在某些局部應(yīng)力加載模型中，細(xì)胞變形引起的效應(yīng)可以從其他物理因素的影響中分離出來(lái)單獨(dú)考慮。例如，在微小的剪切應(yīng)力條件下（如圓柱體的扭轉(zhuǎn)）可以將細(xì)胞外基質(zhì)的非流動(dòng)依賴性效應(yīng)從流動(dòng)依賴性效應(yīng)如流體靜壓、滲透壓、液流和電場(chǎng)效

6、應(yīng)中分離出來(lái)7。使用這種模型，在頻率為1 Hz 15的正弦剪切應(yīng)變條件下作用48 h，軟骨細(xì)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(xì)胞變形的效應(yīng)從與基質(zhì)變形的相關(guān)因素中區(qū)別出來(lái)，DAndrea等8通過(guò)對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行顯微操作來(lái)檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)離子的變化。通過(guò)微管直接干擾細(xì)胞膜致使胞漿內(nèi)Ca2+濃度快速上升，據(jù)此推測(cè)Ca2+流動(dòng)是受軟骨細(xì)胞膜的力學(xué)拉伸而調(diào)控的。Buschmann等9將受壓的、經(jīng)放射性標(biāo)記的軟骨板用戊二醛固定，通過(guò)放射自顯影技術(shù)顯示軟骨細(xì)胞及細(xì)胞核的形態(tài)變化與新合成的蛋白多糖的空間分布的關(guān)系。軟骨受壓導(dǎo)致細(xì)胞及細(xì)胞核的半徑和體積的下降，同時(shí)伴有蛋白多糖的合成減少

7、。這些研究更進(jìn)一步證實(shí)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞形狀和體積的變化在軟骨細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞代謝過(guò)程中的影響。4 軟骨細(xì)胞的力學(xué)特性近年來(lái)，大多數(shù)學(xué)者運(yùn)用微管吸吮技術(shù)對(duì)正常及病態(tài)軟骨細(xì)胞進(jìn)行直接的力學(xué)特性的檢測(cè)。這種技術(shù)是用較小的吸吮壓作用于單個(gè)細(xì)胞，應(yīng)用視頻技術(shù)確保細(xì)胞吸入微管有一個(gè)暫時(shí)的變形。使用1根內(nèi)徑約3 m的玻璃微管對(duì)單個(gè)軟骨細(xì)胞施加階段性升高的負(fù)壓，細(xì)胞達(dá)到平衡時(shí)的變形行為可以得到測(cè)量。對(duì)軟骨細(xì)胞利用微管吸吮技術(shù)進(jìn)行黏彈性特性的檢測(cè)，結(jié)果顯示在一階躍式負(fù)壓的作用下軟骨細(xì)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(shù)測(cè)得正常軟骨細(xì)胞的平衡楊氏模量為（0.240.11）kPa，瞬

8、時(shí)楊氏模量為（0.410.17）kPa，表面黏性為（3.01.8）kPas而骨性關(guān)節(jié)炎的軟骨細(xì)胞的平衡楊氏模量為（0.330.23）kPa，瞬時(shí)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(xì)胞和骨性關(guān)節(jié)炎的軟骨細(xì)胞的力學(xué)特性存在顯著的差異。這些差異反映出病態(tài)軟骨細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生的改變。5 軟骨細(xì)胞骨架對(duì)軟骨細(xì)胞力學(xué)特性的影響軟骨細(xì)胞骨架（cytoskeleton CSK）的研究是當(dāng)前細(xì)胞生物力學(xué)中最為活躍的領(lǐng)域之一。CSK不僅在維持軟骨細(xì)胞黏彈性固態(tài)特性及保持細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性中起重要作用，而且與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、基因表達(dá)、細(xì)胞分

9、化等重大生命活動(dòng)密切相關(guān)。軟骨細(xì)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(xì)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(xì)胞的力學(xué)特性沒(méi)有發(fā)生明顯變化11。這些結(jié)果表明，微絲和中間纖維提供了軟骨細(xì)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(shí)細(xì)胞骨架在應(yīng)力傳導(dǎo)中扮演非常重要的角色，能將應(yīng)力由細(xì)胞骨架迅速傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)的各個(gè)部位。由于細(xì)胞骨架亦有進(jìn)入細(xì)胞核，近年來(lái)有學(xué)者針對(duì)細(xì)胞骨架在受力后對(duì)于基因調(diào)控的影響進(jìn)行研究13。6 軟骨細(xì)胞核的力學(xué)特性伴隨著細(xì)胞外基質(zhì)的受壓，軟骨細(xì)胞核也發(fā)生顯著的變形。相關(guān)研

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

11、外及細(xì)胞周的電荷密度增加，軟骨細(xì)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(xì)胞體積的變化是組織受壓或滲透性改變的一種反應(yīng)16。已有許多研究證實(shí)滲透性應(yīng)力對(duì)軟骨細(xì)胞新陳代謝和離子轉(zhuǎn)運(yùn)方面的影響。因此，滲透性應(yīng)力及其相關(guān)的細(xì)胞體積的變化對(duì)軟骨細(xì)胞的生理及力學(xué)特性有顯著的影響。當(dāng)軟骨細(xì)胞被從細(xì)胞外基質(zhì)分離后由于細(xì)胞滲透環(huán)境的改變細(xì)胞體積會(huì)明顯增加約3040。在去離子水中（0m0sm），軟骨細(xì)胞發(fā)生膨脹直到細(xì)胞膜皺褶消失發(fā)生溶解。細(xì)胞裂解后，細(xì)胞膜的面積約是原來(lái)等滲環(huán)境下面積的2倍多。由此推測(cè)軟骨細(xì)胞膜除非在細(xì)胞或細(xì)胞外基質(zhì)發(fā)生較大變形情況下不能承受顯著的力學(xué)應(yīng)變。滲透壓對(duì)軟骨細(xì)胞的黏彈性有

12、顯著的影響。在低滲環(huán)境下，軟骨細(xì)胞的瞬時(shí)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(xì)胞的黏彈性沒(méi)有明顯的改變。低滲環(huán)境下軟骨細(xì)胞黏彈性改變的原因或許是因?yàn)榧?xì)胞骨架成分或細(xì)胞間蛋白的含量及結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。例如，Pedersen等17研究顯示在低滲環(huán)境下細(xì)胞骨架中的微絲會(huì)迅速發(fā)生裂解?？傊?，軟骨細(xì)胞生存的滲透環(huán)境的變化是影響軟骨細(xì)胞力學(xué)特性的因素之一。8 細(xì)胞周基質(zhì)（pericellular matrix PCM）的力學(xué)特性軟骨細(xì)胞被一層較薄的細(xì)胞周基質(zhì)所包繞，目前通常將軟骨細(xì)胞及這層組織統(tǒng)稱為Chondron。以前采用多步驟機(jī)械勻化分離，所獲得Chondron量較少（約1%

13、2）。最近，Lee等18應(yīng)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(shù)結(jié)合線性雙向有限元模型對(duì)正常及骨性關(guān)節(jié)炎的PCM進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常PCM的楊氏模量（38.716.2）kPa較骨性關(guān)節(jié)炎的PCM（23.512.9）kPa高約40，而兩者的泊松比接近并沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，據(jù)此認(rèn)為在骨性關(guān)節(jié)炎時(shí)PCM發(fā)生了明顯的退變。同時(shí)發(fā)現(xiàn)酶解分離得到的PCM的楊氏模量較完整的軟骨細(xì)胞的高，但較軟骨細(xì)胞外基質(zhì)低約23個(gè)數(shù)量級(jí)，因此認(rèn)為細(xì)胞周基質(zhì)的特性對(duì)軟骨細(xì)胞的力學(xué)特性有顯著的影響。9

14、 軟骨細(xì)胞-基質(zhì)相互作用的理論模型細(xì)胞和組織的理論模型對(duì)軟骨細(xì)胞的局部應(yīng)力及變形的正確認(rèn)識(shí)是非常有意義的，因?yàn)樗麄兛梢蕴峁┰徊荒鼙粚?shí)驗(yàn)測(cè)量的生物參數(shù)信息如：應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)、理化參數(shù)、細(xì)胞附近的瞬時(shí)電位等。各種理論模型的發(fā)展都認(rèn)為軟骨細(xì)胞及其細(xì)胞周基質(zhì)的作用決定軟骨細(xì)胞的應(yīng)力-應(yīng)變和液流特性。目前，有許多方法包括有限元分析用來(lái)解決細(xì)胞與基質(zhì)間的相互作用問(wèn)題。利用線性雙向理論模型可以量化軟骨細(xì)胞在壓應(yīng)力條件下一過(guò)性的應(yīng)力-應(yīng)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(zhì)通過(guò)固液相之間的相互作用調(diào)控黏彈性行為。這種模型可用以預(yù)測(cè)軟骨細(xì)胞和細(xì)胞基質(zhì)的力學(xué)特性及其軟骨細(xì)胞的形態(tài)、內(nèi)在空間、細(xì)

15、胞周圍的力學(xué)環(huán)境等。研究的結(jié)果表明關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的力學(xué)特性存在著時(shí)間變化性和空間不一致性。研究軟骨細(xì)胞變形的的理論模型與顯微實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表現(xiàn)出很好的一致性，理論分析與實(shí)驗(yàn)研究的有機(jī)結(jié)合將為軟骨細(xì)胞力學(xué)特性的研究提供新的前景。10 總結(jié)大量研究表明，軟骨細(xì)胞的力學(xué)特性在研究細(xì)胞與基質(zhì)的相互作用中以及在軟骨細(xì)胞的代謝調(diào)控中起著很重要的作用。軟骨細(xì)胞在正常的生理應(yīng)力條件下形狀和體積發(fā)生明顯的變化。有種假設(shè)認(rèn)為細(xì)胞變形是軟骨細(xì)胞在感知應(yīng)力時(shí)進(jìn)行代謝調(diào)控的生理因素之一。雖然在細(xì)胞變形時(shí)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理還不是十分清楚，但是與諸如Ca2+、IP3和cAMP等信使分子及細(xì)胞骨架、細(xì)胞核等信號(hào)途徑密切相關(guān)。軟骨細(xì)

16、胞的力學(xué)特性受到細(xì)胞、胞周基質(zhì)、胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和特性的影響。同時(shí)受到局部滲透環(huán)境的影響。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究的有機(jī)結(jié)合進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周基質(zhì)在關(guān)節(jié)軟骨中起著舉足輕重的生物力學(xué)作用。這將為研究軟骨細(xì)胞力學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)及軟骨各組分力學(xué)特性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為闡明力學(xué)因素在健康和病變軟骨中的作用從而指導(dǎo)臨床進(jìn)行治療提供理論依據(jù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，對(duì)軟骨細(xì)胞力學(xué)特性的逐步闡明將進(jìn)入軟骨損傷治療的新紀(jì)元?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 Knudson W,LoeserRF.CD44 and integrin matrix receptors participatein cartilage homeostasisJ.Cell Mol

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