关节软骨细胞力学特性研究近况

《关节软骨细胞力学特性研究近况》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

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

2、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。　　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

3、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。　　2关节软骨细胞的局部变形行为　　软骨细胞局部的

4、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〕。ann等〔9〕将

5、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3μm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

6、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（0.24±0.11）kPa，瞬时杨氏模量为（0.41±0.17）kPa，表面黏性为（3.0±1.8）kPas而骨性关节炎的软骨细胞的平衡杨氏模量为（0.33±0.23）kPa，瞬时杨氏模量为（0.63±0.51）kPa，表面黏性为（5.8±6.5）kPas.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

7、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（cytoskeletonCSK）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

8、的主要黏弹