1、關節軟骨細胞力學特性研究近況    【關鍵詞】  關節軟骨細胞力學特性研究近況   關節軟骨細胞的力學特性是影響關節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情況，進一步為軟骨損傷的修復提供新的方向。    1  簡介    關節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網，提供主要的張力及剪切力

2、。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。這種膨脹壓影響組織的水合及軟骨細胞的局部物理環境以適應應力加載或變形。    關節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軟骨細胞的代謝1。

3、    軟骨細胞通過對力學信號的反應協同環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機理，可阻止因軟骨內液體過度溢出而發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退行性變的發生和進展。為了闡明力學刺激對關節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

4、維持軟骨細胞外基質的正常生理過程和導致關節疾病（如骨性關節炎）的病理過程的基礎。    2  關節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，通過顯像系統觀察軟骨細胞的局部變形行為。結果發現隨著細胞外基質的變形軟骨細胞的形狀和細胞內空間發生了很大的變化。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。

5、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，結果發現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小沒有發生顯著性的變化。    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生的形狀和體積的顯著變化外，也有證據表明軟骨細

6、胞的變形作為一種力學信號將調控新陳代謝和基因表達。有學者發現在單層培養的軟骨細胞較三維培養的軟骨細胞有較強的成纖維細胞表達及三維立體培養有助于軟骨細胞表型的維持6。基于這些現象，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

7、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。這些研究更進一步證實

8、關節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，大多數學者運用微管吸吮技術對正常及病態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出典型的黏彈性固態蠕變特性。Trickey等10利用微管吸吮技術測得正常

9、軟骨細胞的平衡楊氏模量為（0.24±0.11）kPa，瞬時楊氏模量為（0.41±0.17）kPa，表面黏性為（3.0±1.8）kPas而骨性關節炎的軟骨細胞的平衡楊氏模量為（0.33±0.23）kPa，瞬時楊氏模量為（0.63±0.51）kPa，表面黏性為（5.8±6.5）kPas.顯然，正常軟骨細胞和骨性關節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軟骨細胞骨架結構和組成發生的改變。    5  軟骨細胞骨架對軟骨細胞力學特性的影響    軟骨細胞骨

10、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，軟骨細胞核也發生顯著的變形。相關研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的研究發現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。