关节软骨细胞力学特性研究近况.doc

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Ⅱ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***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局部物理环境以适应应力加载或变形。 2 关节软骨细胞周基质富含Ⅵ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Ⅵ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。 3 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 4 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 48h, 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,D晣 Andrea 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 5 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。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