力学刺激对软骨细胞影响研究进展
俞云飞 徐宏光 宋俊兴
【摘 要】摘要 软骨细胞作为软骨内唯一的细胞类型，对软骨正常功能及形态维持具有重要作用，软骨缺损的修复也依赖于软骨细胞的增殖和分化。研究证明，力学刺激参与软骨细胞增殖、分化、迁移及凋亡等过程，并在维持软骨细胞功能和形态结构完整性方面起着至关重要的作用。研究表明，软骨细胞主要受来自周围的牵张力和压力作用，大量体外培养模型研究中不同类型力学刺激及不同强度、频率、作用时间和作用方式的力学刺激对软骨细胞损伤修复的作用各有不同。该文重点就不同类型力学刺激对体外培养的软骨细胞的影响作一综述。 【期刊名称】国际骨科学杂志 【年(卷),期】2012(033)005 【总页数】3
【关键词】关键词 生物力学；软骨细胞；细胞代谢；张力；压力
软骨组织是覆盖在关节面上的无血管特殊结缔组织，对正常生物力学功能的维持具有非常重要的作用［1］，但它时刻受到内源性和外源性的力学刺激［2］。近年有研究［3］表明，一定范围的力学刺激可调节间充质干细胞（MSC）基质中特异性标记物质的合成与分解，并诱导MSC分化形成软骨细胞。这提示适当的力学刺激对维持关节软骨结构功能的完整性起着重要作用［4］。但也有研究［5］表明，不适当的力学刺激可能会诱导软骨细胞生物学行为改变，如炎性因子分泌增加、细胞能量代谢障碍、基质合成减少和分解增加、细胞增殖缓慢及细胞老化等。正常情况下，软骨细胞除了承受压力之外，同时还承受来自周围组织的牵张力学刺激。大量研究［3－8］发现，体外培养模型中对软骨细
胞加载不同类型的力学刺激，会产生不同程度的细胞生物形态学变化。
1 软骨组织结构
软骨组织由少量软骨细胞和大量细胞外基质（ECM）共同构成［9］，它是一种固态、半透明、具有弹性的特殊结缔组织，可分为透明软骨、纤维软骨和弹性软骨等3种类型。MSC分化而来的软骨细胞是成熟软骨组织中唯一的细胞类型，具有维持软骨正常代谢、生成及维持ECM的作用，且在软骨损伤及重塑过程中起着维持内环境稳定的作用。ECM由大量水、胶原、糖胺聚糖（GAG）、基质金属蛋白酶（MMP）及其他一些小分子构成，呈半固体凝胶状态，其主要成分是嗜碱性GAG和大量水，具有一定的硬度和弹性，在软骨组织中起着维持自身细胞活性及细胞间信号传递联络的重要作用［10－12］。在众多损伤因子中，由外力引起的损伤是导致软骨组织损伤的常见原因之一［13］，而软骨修复主要依赖于软骨细胞的增殖、分化和ECM 合成［9］。
2 不同力学刺激对软骨组织的影响
组织中软骨细胞的形态和功能深受力学负荷的影响［14］。近年大量研究［3，15－18］发现，体外培养模型中经外置设备对软骨细胞加载剪切应力、循环压力、循环张力等力学刺激，可使细胞表型及相关基质成分发生重要变化，证明不同力学刺激对软骨细胞的作用不尽相同。O’Connor［15］、Kelly等［16］在对静态弹性关节软骨模型快速加载力学刺激的研究中发现，关节软骨受压区软骨所受生物力为张力，而另一软骨下骨界面上关节软骨所受生物力也主要为张力。Vinardell等［17］、Mizuno等［18］分别对软骨细胞加载压力刺激，发现除了来自周围组织的牵张力外，压力刺激对于软骨细胞也存在类似调节作用。近年研究［3］发现，局部高强度张力刺激不仅直接诱导软骨细胞向成纤维
细胞分化，也促进磷酸钙盐结晶沉积，中等强度张力刺激联合低强度静态压力刺激则可诱导MSC分化形成骨祖细胞系，而高强度静态压力可能会抑制软骨细胞增殖。
2.1 张力刺激对软骨组织的影响
软骨组织维持机体正常生物力学功能，时刻承受着来自各方向的载荷影响，参与维持人体运动系统结构功能的完整性。同时，力学负载对软骨组织具有特异性作用，尤其是体内主要生物力学刺激——拉伸张力，与软骨细胞增殖、分化、损伤和修复等生物学过程紧密相关。Xu等［19］对老鼠终板软骨细胞加载间歇循环机械张力（ICMT）（10%强度，0.5 Hz，4 h／d，5 d／w）并置于含有转化生长因子（TGF）－β1的营养液中培养25 d，结果发现终板软骨细胞活力与未加TGF－β1培养相比无明显差异，未加TGF－β1培养的终板软骨细胞中骨钙素与骨桥蛋白mRNA表达上调，内源性TGF－β1和锚蛋白（ANK）基因表达水平下调，但在添加外源性TGF－β1培养后ANK基因表达呈上调趋势，且单纯加载ICMT组碱性磷酸酶（ALP）活性较添加外源性TGF－β1培养对照组明显增强；结果表明内源性TGF－β1可能上调ANK基因表达水平，而ICMT可下调ANK基因表达水平，进而诱导终板软骨细胞钙化。Thomopoulos等［20］对三维体外培养模型中的MSC加载循环拉伸张力（10%强度，1 Hz）并培养7 d，结果发现循环拉伸张力可促进纺锤状细胞形成，上调Ⅰ型胶原和GAG合成，单一张力刺激的细胞则呈圆形及随机定向性，两者Sox9基因mRNA表达和GAG聚集量则无明显差异；在培养液中添加软骨TGF后，Sox9基因表达却上调；结果表明，三维张力环境作为纤维软骨所需的生物学因素，对于维持软骨细胞活性和基因表达特异性起着至关重要的作
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