关节软骨的生物力学特性
关节软骨的生物力学特性范文第1篇
自从1965年chestman和Smith首先开始软骨细胞体外培养用于软骨缺损修复的研究以来［1］，人们开始对关节软骨损伤不能通过自身的软骨增殖修复的概念有了新的认识。实验证明不仅年幼且年老的关节软骨标本仍可在体外培养出新生透明软骨［2］。虽然软骨细胞增殖能力有限，其质与量直接影响体外培养扩增效果，软骨细胞生长环境不同所表现出的生物学特性也有差别。软骨细胞在悬浮培养或半固体琼脂培养基中生长良好并保持表型稳定，在培养瓶底水凝胶覆盖的四维培养环境中长期培养时软骨细胞可形成结节结构其细胞形态胞外基质分泌和软骨特异性基因表达皆与关节软骨相似。软骨细胞的生长密度对其生长也至关重要。在同样的条件下体外单层培养时，由于细胞密度不同，软骨细胞的生长分裂经过和形态功能完全不同。组织学检查表明，细胞形态不同，其碱性磷酸酶活性、细胞分泌特异性基质的功能及对细胞作用因子的反应也不同，进一步研究表明，软骨细胞靠自分泌或旁分泌信号的方式而存活。
1细胞因子对体外培养软骨细胞的影响
软骨细胞的有限增殖性及存活密度的要求是限制软骨细胞单层培养修复关节软骨缺损及体外大量扩增的因素之一，随着细胞生物学的发展，软骨细胞体外培养特异基因表达的研究日益深入，细胞因子参与调节软骨细胞的增殖、分化过程渐被人们所揭示，这对软骨细胞体外培养研究又提出了一个新方向。近年来，关于细胞因子等多肽蛋白质对软骨细胞体外增殖分化等的影响研究也较多。也有些学者发现软骨细胞内含许多细胞因子及其受体，且表明许多细胞因子通过自分泌或旁分泌两种基本方式来调节软骨细胞。目前认为促进软骨细胞增殖和基质合成代谢的细胞因子有：IGFs.TGF-βs.PDGF,FGF.EGF，对软骨细胞有抑制作用的有IL-1、IL-2、IL-7、TNF-α、IFN-γ等，现就对软骨细胞有显著调节的细胞因子分述如下：
1.1转化生长因子beta(TGF-β)
TGF-β最初是由Robert等学者在1978年作为一种可诱导大鼠成纤维细胞增殖因子而描述。TGF-β可以诱导间充质细胞转化为软骨细胞。现已实验证明TGF-βs具有促进软骨细胞增殖、调节其分化和胞外基质合成的能力［3］。F.Redni等实验证明培养兔关节软骨细胞表达了不同的TGFβ受体且与软骨细胞生长周期功能有关，软骨细胞在S期表现了低亲和力受体表型(kd=appiox1100pm)然而GO/G期的软骨细胞表现了高亲和力受体。因此，TGF-β对软骨细胞的作用有多种受体参与。同时也有实验证明TGF-β更多的结合在GO/G1期比S期的同步化软骨细胞，从而说明TGF-βs对软骨细胞的作用是通过不同的途径［4］。也有学者证明TGF-βs在不同的条件下对成软骨细胞有促进分化或降低分化的双重作用，1-10ng/ml浓度的TGF-β可诱导大鼠胚胎肌细胞分化成软骨细胞，合成特异性的Ⅱ型胶原和蛋白多糖，而在0.4mol/L浓度下，TGF-β可诱导大鼠颅骨成骨细胞的碱性磷酸酶活性，减少软骨细胞Ⅱ型胶原、蛋白多糖的合成［5］。同时也有实验证明TGF-β可抑制培养兔关节软骨细胞的终末分化及钙化。TGF-β可能与多种因素如胞外基质和其它分化调控生长因子参与对细胞的调节作用［6］。TGF-β在细胞对其它各种分化信号的应答过程中同样也有调节作用。Wen-NingQi等实验证明Ⅱ型胶原能特异的调节TGF-β刺激软骨细胞合成Ⅱ型前胶原DNA和蛋白多糖，同时说明Ⅱ型胶原在TGF-β存在的条件下调节软骨细胞特异性基因表达具有剂量依赖性(量效关系)。因此Ⅱ型胶原基因表达的变化在TGF存在条件下受Ⅱ型胶原的调控［7，8］。
体外实验证明，许多细胞因子对软骨细胞有协同或拮抗作用如TGF-βs、IGFs、FGF、BMP、IL-1等，兔关节软骨细胞体外培养时，TGF-β对IGF的分泌作用有三种，(1)减少41KD的IGFBP；(2)增加IGF受体的结合位点；(3)下调了诱导型IGF-1受体的自身磷酸化［9］，从而促进软骨细胞的增殖和特异性基质的合成。也有学者认为TGF-β和IGF可以使反分化的软骨细胞再分化诱导和持久表达Ⅱ型胶原和蛋白多糖［10］。软骨细胞在传代培养中表型的变化可能与软骨细胞自分泌IL-1有关，而TGFβ可作为一种IL-1的拮抗剂，减少了IL-1对胞外基质的分解代谢同时也下调了IL-1受体及其金属蛋白酶的表达［11］。TGFβ可能通过以下两种途径拮抗IL-1的作用，(1)刺激成软骨细胞中蛋白糖抑制剂的产生。(2)抑制软骨细胞蛋白酶的产生，因而对细胞外基质的合成有促进作用［12］。
1.2骨形态发生蛋白(BMP)
BMP是TGFβ的超家族成员之一，BMP-7(OP-1)是BMP家族中的一员，其对无血清培养的高密度单层细胞和悬浮在琼脂糖中的细胞有促进生长和成熟作用，可增加其碱性磷酸酶活性和提高mRNA和Ⅱ型胶原的合成能力。实验rhBMP(OP-1)能有效促进胚胎和成人关节软骨细胞合成蛋白多糖和Ⅱ型胶原而Ⅰ、Ⅲ型胶原没有增加。也有实验证明OP-1对人软骨细胞特异性胶原、蛋白多糖的促合成作用比IGF-Ⅰ、TGF-β和激活素更显著［13］。在培养软骨细胞生长周期的不同时期，BMP的作用也不同，rhBMP调节软骨细胞增殖、分化作用依赖于细胞的成熟状态，且静止区软骨细胞更敏感，同时对软骨细胞的自分泌也有作用［14］。关节软骨细胞原代培养时表达了BMP-4功能性受体。1998年Rach1,venena等实验证明BMP2和维生素C共同作用下培养的软骨细胞没有诱导其肥大，同时BMP-2独自干预下细胞凋亡明显少于维生素C的干预，从而说明软骨细胞向肥大软骨细胞的过度与细胞增殖数量减少而相对高的凋亡水平有关。软骨细胞体外传代培养渐反分化为成纤维样细胞或过度为肥大软骨细胞与细胞生存的微环境有关［15］。
1.3胰岛素样生长因子(IGFs)
IGF于1953年由salmon和Danghaday研究表明，IGFs家族由两种相关多肽组成即IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ。在软骨细胞表面有IGF的受体且软骨细胞能合成和分泌这种多肽。IGF-Ⅰ能与软骨细胞膜上的受体结合也以旁分泌和自分泌的方式起作用。IGF-Ⅰ能强烈刺激软骨细胞合成Ⅱ型胶原和蛋白多糖，IGF-Ⅰ还能刺激软骨细胞集落形成和细胞增殖，体内IGF-Ⅰ能促进骨骺软骨生长。而IGF-Ⅱ能刺激软骨细胞DNA和RNA的合成且比IGF-Ⅰ更有效的刺激胚胎细胞的生长。但IGF-Ⅰ对成年软骨细胞的作用强于IGF-Ⅱ，也能促进蛋白多糖的合成。软骨细胞表面的IGF-Ⅱ的受体与IGF-Ⅰ相比，两者的结构与体外活性相似，但体内生物效应不同。而IGF结合蛋白(IGF1BPs)它通过特异性结合IGFs而起作用，尽管目前对IGFBPs的生理功能还不十分清楚，但它们对IGFs的调节作用是肯定的，它们通过结合IGFs减少了IGFs与其受体的相互作用，从而降低了IGFs的活性。onley等人实验表明细胞因子可以调节IGFBPs的产生，IGFBPs反过来调节IGF的作用，同时表明IL-1α、TNF-α降低细胞对IGF-Ⅰ的反应性可能是通过增加IGFBPs而起作用。
1.4成纤维细胞生长因子(FGFs)
FGFs最初是从牛脑垂体分离出来的一种蛋白质，后来发现它在人体组织包括骨、软骨基质中广泛存在，且对胚胎发育及软骨修复起重要作用。体外实验发现它能促进软骨细胞的增殖、成熟和胞外基质的合成，而bFGF是一种强大的软骨细胞有丝分裂原，它能刺激生长板中软骨细胞蛋白多糖的合成。在成人关节软骨中它与IGF有协同作用，两者协同刺激软骨细胞有丝分裂和蛋白多糖的合成，抑制软骨细胞分化为肥大表型。
1.5白介素和肿瘤坏死因子(IL、TNF)
近来报道IL-1对关节软骨细胞代谢的干预作用主要表现为抑制透明软骨特征性Ⅱ、Ⅳ型胶原的合成，而促进Ⅰ、Ⅲ型胶原的合成使软骨细胞变性，抑制软骨细胞增殖和蛋白多糖的合成同时IL-1对关节软骨的降解作用主要表现在促进软骨细胞合成和分泌金属蛋白酶，并提高软骨基质中溶解蛋白分子酶类的活性。TNF是通过IL-1而抑制Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成，但其作用远弱于IL-1。
2力学刺激对培养软骨细胞的影响
关节软骨主要由软骨细胞和胞外基质组成，而胞外基质主要包括胶原和蛋白多糖，其中Ⅱ型胶原占胶原的95%，聚合素是蛋白多糖的主要成分，关节运动时软骨经历循环应力载荷而发生周期性变形和恢复，循环载荷是软骨细胞执行正常功能和维持胞外基质正常表型的基本因素。而体外培养软骨细胞其随传代次数增加而发生代谢、表型的变化伴有Ⅱ、Ⅳ型胶原合成减少，Ⅰ、Ⅲ型胶原合成增加和蛋白多糖分子量的改变，为维持体外培养软骨细胞的正常形态和功能则许多学者进行了软骨细胞培养的力学刺激实验研究。这种压力可分为两种：一种是持续静压力，一种是循环动压力，力学刺激对调控软骨代谢和维持其胞外基质正常表型起重要作用，其中静压力刺激减少了Ⅱ胶原和蛋白多糖的合成，而正常动压力刺激则促进Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成［16，17］，K.Koarninnta［18］实验表明持续高流体静压力抑制蛋白多糖的合成和分泌，减少了聚合素mRNA的表达，改变了高尔基氏器的形态和抑制微丝的组成。在循环压力作用下软骨组织内4种物理特性发生变化；①静水压；②毛细液流；③流能；④组织与细胞变形。低频循环压力促进基质降解而高频循环压力则促进软骨细胞合成代谢。所以力学刺激是软骨细胞的一个重要调节者，但软骨细胞又如何接受力学刺激信号呢自从认识软骨细胞可以分泌整合素以来，整合素就在软骨细胞与胞外基质信号转导方面起着重要作用。整合素是一种异二聚体(α、β)转膜糖蛋白特异性受体，力学刺激使胞外基质与整合素结合同时与细胞骨架相连，从而影响着基因表达和调控细胞生长和分化［19，20］。力学刺激促进胶原合成增加同时整合素合成也上调，力学刺激增加了α2整事素亚单位mRNA表达。实验表明在软骨细胞培养一周后，给予循环压力刺激15次/min，结果3h后，循环压力促进了Ⅱ型胶原和聚合素mRNA的表达，从而说明胞外基质调节整合素来应答力学刺激。α2β1整合素是Ⅱ型胶原受体。软骨基质受体作为一种应力感受器在软骨基质网络中通过力学刺激信号来调控软骨细胞。周期性力学刺激促进基质合成，而静压力则促进基质合成减少［21，22］，所以力学刺激信号可能通过力学刺激、细胞外基质、整合素、细胞骨架(肌动蛋白)而调控软骨细胞的增殖和分化功能。Takahaki-k［23］等实验证鞒咚降木菜褂盏糏L－6和TNF-αmRNA表达增加而缩减了蛋白多糖核心蛋白的表达，生理水平的静水压则增加了蛋白多糖核心蛋白的表达，组织与细胞变形可兴奋ECM受体［24］细胞膜张力受体、细胞网架结构［25］而促进合成功能，总之，机构压力对培养软骨细胞的作用在有效范围内与压力值无关，而与压缩程度(静压力)和频率(循环压力)有关，持续的静压力抑制软骨细胞的合成代谢，一定频率的循环压力则促进软骨细胞的合成功能［26］。
3其它因素对培养软骨细胞的影响
体外培养软骨细胞随其传代而表型整个发生改变，正常的Ⅱ、Ⅳ型胶原合成减少，Ⅰ、Ⅲ型胶原合成增加，在不同的培养条件下(如培养基、PH细胞的接种密度、血清浓度、氧分压及其培养基的离子浓度、培养方式)其表型不同，有时可以反分化或向肥大软骨细胞转化。体外培养只有保持其正常形态才能保持其正常功能。Freed［27］等将软骨细胞移植于DGA、PLA进行三维体外培养，证明三维培养6周后其细胞数扩增了近8.3倍，且传代后细胞产生蛋白多糖和Ⅱ型胶原的能力较佳，所以软骨细胞三维培养有利于维持其形状，常利用胶原纤维蛋白、琼脂、海澡酸盐、PGA、PLA等为附属物进行三维培养。也有学者认为无血清培养可以阻止软骨细胞反分化。培养基PH值轻度偏碱不利于蛋白多糖的合成，偏酸则相反。低钙环境有利于软骨细胞的稳定［28］。1995年Baragi［29］等将IL-Rα和标记基因LacZ分别构建在腺病毒上转染软骨细胞并将它们分别与骨关节炎软骨组织块一起培养，结果表明与IL-1Rα转染软骨细胞培养的组织块能抵制IL-1β的作用而与LacZ细胞培养的软骨细胞块抵制作用明显减弱，从而说明基因转染可以用来调控软骨细胞从而维持其表型。
4结束语
体外培养软骨细胞的优点是可以大量扩增及研究其生命活动的状况，但要维持其正常表型则受到众多复杂因素的调控。就其细胞因子而言，细胞因子对体外培养软骨细胞的作用非单一的，而是一个复杂的网络调节作用，如生长因子的生物学活性是由受体介导的，生长因子在软骨细胞合成分泌后，多为无活性的前体分子需要经过特异性的激活才能发挥作用。生长因子之间存在基因表达及其活性的相互调控TGF-β能促进PDGF的A链和B链的mRNA表达和分泌［30］。bFGF能促进TGF-βmRNA的表达，诱导间充质细胞分化成软骨细胞，增强TGF对软骨细胞的增殖及其基质合成作用。生长因子之间还存在受体水平的调控，胰岛素不影响TGF-Ⅱ型受体的亲和力但增加了Ⅱ型受体的数目引起受体上调效应，从而Ⅱ型受体与Ⅰ型受体竞争，使胰岛素与Ⅰ型受体结合减少。IL-1可使TNF受体下调，而IFN-γ却使TNF受体上调等。但是网络生长因子如何调控体外培养软骨细胞的增殖、分化阻滞反分化或向肥大型转化、维持其正常软骨细胞表型及合成特异性胞外基质还需进一步的研究。总之软骨细胞体外培养维持其正常表型则受到众多因素的影响如培养条件及其方式，细胞的微环境，PH值、细胞密度、力学变化、生长因子等等。随着细胞生物学和分子生物学的发展，软骨细胞体外培养大量扩增、分化维持其正常的表型及代谢的调控因素会渐为人们所明晰，为组织工程化软骨修复软骨缺损、体外培养软骨细胞建立软骨细胞库(永生化软骨细胞)及揭示退变性骨关节病又开拓了一条新的途径。
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关节软骨的生物力学特性范文第2篇
骨性关节炎(osteoarthritis，OA)是一种常见的关节退行性疾病，表现为关节软骨破坏，关节表面形成骨赘，滑膜细胞增生，滑膜炎和关节间隙变窄。病理过程以关节软骨基质的降解破坏为特征，其发病原因至今尚不清楚。近年研究表明，OA关节软骨中的基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)合成增加，基质金属蛋白酶特异性抑制物（Tissue Inhibitor of Metalloproteinases，TIMPs)合成减少，造成软骨细胞外基质 (extracellular matrix，ECM)的合成与降解失衡是导致软骨退变的重要原因 ［1］。本文就MMPs及TIMPs与OA相关性研究作一概述。
1MMPs 的分类及其酶原激活
MMPs是一类广泛存在于结缔组织中结构相似的蛋白酶家族，可由成纤维细胞，上皮细胞，炎症细胞，内皮细胞分泌，是 ECM降解最重要的蛋白水解系统，被认为是机体生理重建和病理破坏的主要基础因素之一。MMPs因能降解几乎所有的软骨细胞外基质而被认为在OA发病过程中起重要作用。根据其蛋白结构和作用底物的特异性可以分为5个亚型：(1)胶原酶(MMP1，8，13)。(2)明胶酶(MMP2，9)。(3)间质溶解素(MMP3，10，11)。(4)模型MTMMPs (MMP14，15，16，17，24，25)。(5)其他亚群(MMP7，12，20，23)。MMPs能直接切断软骨的II型胶原和蛋白聚糖，使软骨的拱形纤维结构破坏、受损，软骨失去弹性，其包绕胶原纤维的分子筛滤过作用下降，关节软骨易受到降解酶的作用而破坏，并且由于MMP特异性地裂解胶原分子，导致胶原网受到破坏，原本被关节软骨ECM包埋的软骨细胞暴露于炎性因子的攻击之下，最终导致骨关节炎的发病［2］。
MMPs在骨关节炎的滑膜、软骨组织均可产生，初始产物为没有活性的酶原形式RPPro-MMPs，当被尿激酶型纤溶酶原激活物(uPA)激活的纤溶酶裂解后，活化为具有活性的形式MMPs。每种MMPs可在细胞内或细胞外被激活，许多有活性的MMPs也能激活其他MMPs酶原，形成瀑布效应。有研究［3］表明在OA的病理过程中，关节滑膜细胞及软骨细胞分泌过量的MMPs，打破了MMPs及其抑制剂TIMPs的平衡，在力学负荷和炎性因子的作用下，关节软骨抗应力的能力降低，软骨细胞发生凋亡，细胞外基质成分游离出软骨，最终软骨被破坏［4］。
2MMPs各亚型在骨关节炎中的作用
由于MMPs不同亚型对各基质成分的降解能力存在很大的差异，许多学者认为它们在软骨退变的不同阶段所起的作用也可能各有侧重［5］。其中胶原酶、基质溶解素和胶原酶的作用是决定性的。
2.1胶原酶目前所发现的3种胶原酶都在关节软骨中成活性状态，即MMP-1、MMP-8、MMP-13。它们以胶原酶原的形式分布在各自所特异性降解的胶原周围，在受到刺激时表达上调，激活并降解这些胶原。(1)MMP-1又名间质胶原酶，分布广泛，其主要由成纤维细胞分泌，是成纤维细胞型胶原酶，可切割I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ、Ⅷ、X型胶原、明胶、可聚蛋白多糖和细胞粘合素。在正常软骨中很难发现，但在OA软骨中则有明显升高，而且其作用对象主要是新生成的II型胶原。在病理状态下，软骨细胞大量产生MMP-1并激活，作用于软骨基质Ⅱ型胶原α链上的Gly775-Leu／Ile776位点，使Ⅱ型胶原裂解，网架结构破坏，固相结构中的蛋白多糖流失或分解，软骨基质降解速度明显加快，软骨发生破坏和缺损，导致骨性关节炎发病［6-7］。有学者发现，只有控制了MMP-1的活性后，培养基中新生成的Il型胶原才明显增加［8］。(2)MMP-8即中性粒细胞胶原酶。其作用是在ASn341-PHe342和GLu373-Ala374位点降解蛋白多糖以及降解基质胶原。正常软骨中可测到MMP-8的表达，但OA时其mRNA的表达明显升高。此时MMP-8降解胶原和黏白多糖的能力增加，说明该酶在OA的病理变化扮演着重要的角色，但也有学者认为MMP-8在OA并无特意性的增长［9］。(3)MMP-13又称为胶原酶-3，与OA关系密切，但滑膜细胞不能合成，可以优先降解透明软骨特征性Ⅱ型胶原，是所知的酶中最有效的Ⅱ型胶原纤维降解酶 ［10］。其降解能力是MMP-8的10倍。它可直接降解软骨基质中Ⅱ型胶原，且其它许多MMPs亚型对Ⅱ型胶原降解需要通过它发挥作用。其可分解Ⅱ型胶原Gly794- Leu795之间的肽键，形成了一个具有794个氨基酸的Ⅱ型胶原3/4片段和具有266个氨基酸的Ⅱ型胶原1/4片段，随后这2个胶原前体片段的三螺旋结构解螺旋，并进一步由其他蛋白水解酶降解。
2.2基质降解素包含基质降解素-1、-2、-3三种。(1)基质降解素-1(MMP-3)在OA中起着很重要的作用。既往研究表明，OA患者的血清和关节液中MMP-3含量较健康人增高，同时有研究［11-13］表明0A关节软骨及滑液中MMP-3表达增高水平与软骨破坏程度相一致。MMP-3可由软骨细胞、成纤维细胞、成骨细胞分泌，MMP-3不能直接降解Ⅱ型胶原，但可参与间质胶原酶的激活而降解Ⅱ型胶原，不仅降解多种细胞外基质，而且还可激活其他蛋白酶原，其它蛋白酶可降解前肽区中的诱饵区从而暴露了MMP-3易于裂解的位点，同时激活MMP-l，-3，-9，-13酶原，从而产生瀑布放大效应，进一步加速了软骨的破坏［14］。在OA时，软骨损伤部位出现缺氧和代谢产物堆积而显示出的酸性环境更有利于MMP-3发挥降解作用。MMP-3还可以通过降低激活纤溶酶原而下调与细胞有关的纤溶酶活性，也可以水解抗纤溶酶(a-AP)，从而促进纤溶酶介导的蛋白酶解［15］。(2)基质降解素-2 (MMP-10)和基质降解素-3 (MMP-11)在关节炎中的相关研究较少。
2.3明胶酶在中性环境下明胶酶(MMP-2，-9)有活性，具有降解变性Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 型胶原明胶的特异能力，也可切割天然Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅺ型胶原，对纤维结合素、弹性蛋白也有一定作用：(1)MMP-2来源于广谱的间质细胞。有的学者发现在正常马关节(软骨和滑膜)只含有MMP-2酶原，而骨关节炎关节中则不仅可见MMP-2酶原和而且有活化的MMP-2［16］。说明MMP-2在关节炎的发生过程中确实起到了一定的作用。(2)MMP-9又称明胶酶13，是一种糖化蛋白酶，可来自外周血中性粒细胞和单核细胞，特别是血多形中性粒细胞分解后可释放大量MMP-9。同时MMP-9也可来源于破骨细胞，表明它除基质消化功能外更是一个重要的骨破坏因素。而且与MMP-1不同，MMP-9的基因表达位于深层软骨而不在表面，显示出它对骨损坏的位置优势。在髋关节炎患者中，可发现MMP-9与髋关节的迅速破坏呈正相关，同样的结果也分别出现在颞颌关节与膝关节［17］。
2.4其他类型的MMPImai报告MMP-7对蛋白多糖的降解活性是MMP-3的1.13～4.17倍，并且可激活MMP-2和MMP-9对型胶原进一步裂解［18］，在 OA软骨的退化中起着一定的作用。刘谟震等人认为 MMP-12在骨关节炎的发病过程中也起到一定的作用［18］。剩余的基质金属蛋白酶在关节炎中的研究很少，尚须进一步探讨。
3TIMPs的分类与作用
机体内存在的基质金属蛋白酶抑制物包括非特异性抑制剂和TIMPs。TIMPs是一种内源性的、分布广泛的低分子蛋白质，能特异性抑制MMPs活性。目前已发现4种亚型(TIMP-1至TIMP-4)。TIMP分子包括2个蛋白质结构域，N端结构域拥有MMP抑制活性，C端结构域可能与明胶酶原的蛋白定位或复合物的形成有关。保守性最强的区域是N端的前22个氨基酸残基(在信号肽断裂位点附近)，在这位点中的第7个组氨酸和第9个甘氨酸与Zn2+的相互作用尤显重要［19］。TIMPs可由滑膜及软骨细胞合成，可与活化的MMPs1: 1形成不可逆的非共价结合，抑制MMPs对基质蛋白质的降解。TIMP-1是N-乙酰糖基化蛋白，能抑制绝大多数的MMP，可与MMP-9前体及有活性的MMP-1，-3，-9形成高度亲和的，非共价键结合的复合物。TIMP-2是一种非糖基化蛋白，与MMP-2有很强的亲和力，主要抑制MMP-2活性，对MMP家族其他成员的活性也有抑制作用，能阻断所有被激活的MMP的水解酶活性［20-21］。TIMP-3也是非糖基化蛋白，是全功能MMP抑制剂，对MMP-2，-9，胶原酶-1及基质溶素的抑制作用相似［22］。它抑制MMP-2，7作用稍强于MMP-1，-3，-9。在正常关节中MMPs与TIMPs的表达量极低，而在OA患者关节软骨和滑膜MMPs的表达明显增高［20］。在OA的病理过程中，关节滑膜细胞及软骨细胞分泌过量的MMPs，打破了MMP-TIMP的平衡，造成对关节软骨ECM的过度降解，使软骨逐渐出现糜烂、溃疡、缺失等一系列退行性变。李德达［23］通过试验研究发现OA组与正常对照组相比，MMP-3升高约10倍，而TIMP-1则升高了5倍，即MMP-3增高的幅度比TIMP-1要大，二者间的平衡被破坏而促进了关节软骨的降解。Handa［24］研究发现，生理程度的静压力是一种能够刺激蛋白多糖和TIMP-1生成的因素。但是当压力过大(＞30atm)或过小(＜1atm)，即软骨面受力不均或异常时，会导致软骨细胞MMP-3分泌增多和TIMP-1分泌减少，从而引起关节软骨退变。在力学负荷和炎性因子的作用下，关节软骨抗应力的能力降低，软骨细胞发生凋亡，细胞外基质成分游离出软骨，最终软骨被破坏［25］。
4展望
MMPs的发现已有40多年．但MMPs在OA中作用的研究最近几年才被重视。随着现代科学的迅猛发展及国内外学者的深入研究，相信未来在分子水平不断研究的基础上，对OA软骨基质大分子物质MMPs的功能、作用机制等方面的探索将会得到进一步发展，为OA理想治疗方案提供理论基础。
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关节软骨的生物力学特性范文第3篇
【关键词】 骨关节炎；含水率；软骨；筋骨失养
骨关节炎（osteoarthritis，OA）的核心病机为本痿标痹，以肝肾亏虚、筋骨失养为本，以腠理空虚易感风寒湿邪为标，主要病位在软骨[1]。关节软骨中的水分在软骨细胞与富含营养物质的滑液之间进行物质交换，有利于营养物质、废料及气体的弥散，部分水与细胞外基质（ECM）中的胶原纤维及蛋白多糖结合成凝胶状，参与软骨组织中的流体静压力的形成，同时维持关节软骨的正常结构。当关节软骨受损时，软骨中水分含量发生改变，以调节软骨细胞内外环境的稳定，维持软骨的生物力学性能，从而起到保护组织细胞的作用[2-3]。软骨ECM降解在软骨退变过程中发挥关键作用，因此阻断软骨ECM降解发生，有可能促进退变软骨修复，从而减缓OA病理进程[4-5]。软骨含水率变化与软骨ECM降解及软骨退变密切相关，提示调控软骨含水率是防治OA筋骨失养的潜在有效途径
之一。
1 关节软骨含水率变化与OA筋骨失养的关系
1.1 关节软骨退变是OA筋骨失养的必经阶段 OA的主要病理特征为软骨退变、骨赘形成，软骨退变属于中医“痿”证，骨赘形成属于中医“痹”证。其中关节软骨属中医“筋”范畴，骨赘属中医“骨”范畴，筋和骨相连，相互作用，共同组成人体的支架结构，具有负重和维持运动的功能[6]。根据中医骨伤的病机演变规律皮-肉-筋-骨，筋痹是OA发展的必经阶段，筋痹继续发展成为骨痹，骨痹是OA的最终表现形式[7]。力学研究表明，软骨的退变可引起关节生物力学稳态失衡，为维护关节力学结构而导致骨赘形成，骨赘是发生于关节边缘的骨和软骨性新生组织，是生物力学失衡的代偿性改变，但因骨赘改变了关节原有的结构，导致关节失稳，又进一步加重了软骨退变[8]。
1.2 含水率变化促进关节软骨退变 软骨ECM的过度丢失对OA软骨退变的病理进程起至关重要的作用，ECM主要由水、蛋白多糖聚合体以及胶原纤维构成，由于蛋白聚糖中的GAG是多阴离子化合物，结合K+、Na+等阳性离子，引起渗透压升高，从而吸收水分子；同时糖的羟基具有亲水特性，因而基质中的蛋白聚糖可以吸引、保留水分，形成水凝胶，容许小分子化合物自由扩散，阻止细菌通过，起到保护ECM的作用[9-11]。
软骨退变早期，软骨内固有的胶原纤维和蛋白多糖同时发生退变，而蛋白多糖在降解的同时代偿性地合成新的蛋白多糖，此类蛋白多糖分子量较小，分子结构也有所改变，难以与水分子结合形成蛋白多糖聚合体，蛋白多糖的生物学性能下降导致水合作用降低，表现为软骨含水率的下降[12]。
软骨退变发展期，软骨结构破坏，进一步导致胶原纤维结构的改变和胶原纤维含量的下降，上述改变导致ECM渗透压持续增高，引起高渗吸水，ECM含水率增加；此时组织损害加重，电荷密度、应力改变和组织渗透性增加引起炎症介质释放，软骨细胞合成和增生作用下降，蛋白多糖聚集体减少，小分子量单体增多，软骨内渗透压持续增大，导致含水率增加[13]。
软骨退变后期，代偿性合成胶原纤维和蛋白多糖进一步增多，但与软骨退变早期一样，新合成的蛋白多糖分子量较小，分子结构改变，难以发挥其水合作用的生物学性能；此时，炎症反应降低，软骨中炎症介质减少，ECM渗透压降低，软骨含水率逐渐减少[14]。
2 关节软骨中水的存在形式 关节软骨中的水可分为大部分的结合水和少量的游离水。结合水是组成细胞和生物体结构的重要成分，可以稳定大分子结构，结合水与胶原纤维和蛋白多糖的阴性离子呈非共价键结合，主要依赖胶原纤维或蛋白多糖的水合作用形成；自由水主要通过渗透作用由关节腔进入，游离于软骨细胞和滑膜之间，因此关节软骨渗透压的大小主要取决于蛋白多糖的数量[15]。结合水和自由水共同维持关节软骨营养物质、废料及气体的弥散和交换。
关节软骨水分的1/3在细胞内，其余的水分与ECM结合。软骨中缺乏血管分布，软骨细胞成行或成群分布，因此软骨细胞通过渗透作用传递代谢所需要的营养物质。渗透作用即血浆中的营养成分透过滑膜内的毛细血管壁滑膜进入滑液，通过滑液将营养物质扩散入ECM供应给软骨细胞。滑液包括细胞和液体两种成分，其中约95%是水。软骨细胞存在于一个高度可变的离子和渗透压环境，并且对这种变化非常敏感，当细胞内外环境中离子和渗透压改变时，软骨细胞会通过调节体积来应答。在细胞体积调节的过程中，水是重要的因素之一[16]。
3 调控关节软骨含水率的机制探讨
3.1 炎症促进软骨ECM的降解 细胞因子是介导OA发病最主要的炎症介质，对关节软骨的退变发挥重要的调控作用。在OA病理过程中，肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-1（IL-1）是介导关节软骨退变的主要细胞因子，它们显著增加软骨基质金属蛋白酶（MMPs，如MMP-3、MMP-9和MMP-13）、聚集蛋白聚糖酶（ADAMTS，如ADAMTS-4、ADAMTS-5）的表达，破坏ECM的合成与降解平衡[17-18]。
OA发生时，蛋白多糖的降解大于合成，软骨弹性和承受负荷的能力丧失，以致关节软骨厚度变薄。其可能的机制是，网络结构的胶原纤维构成了关节软骨的支架，大量高能嗜水性的糖蛋白分子团分布于上述复杂的纤维网架中，TNF-α和IL-1通过激活MAPK通路、一氧化氮（NO）途径和核转录因子-κB通路等，诱导MMPs和ADAMTS的表达，引起胶原纤维网架的局限性破损，造成糖蛋白膨胀以及带负电荷的离子暴露，使关节软骨内含水量增多；此外，蛋白多糖分解后在软骨ECM内产生了更多的小分子单体，增加了ECM内的分子浓度，渗透压持续增大，导致高渗吸水[19-21]。
IL-1β可以激活一氧化氮合氢酶（iNOS）在软骨内产生大量NO[22]。同时，OA患者关节滑膜中含有大量的NO，诱发滑膜组织损伤和血管扩张，导致滑膜肿胀、充血，并且使血管壁的通透性增大而引起渗出等，造成关节腔积液；NO进一步促进炎症介质的释放，上调MMPs活性，促进胶原纤维的降解，引起关节软骨肿胀[23]。
3.2 水通道蛋白调控软骨细胞内外水分子的转运
水通道蛋白是一类选择性高效转运水分子的特异孔道，广泛存在于原核和真核细胞膜上，自由水的被动跨膜转运受该蛋白介导，对软骨细胞保持内外环境的稳态平衡起重要作用[24]。研究表明，水通道蛋白与OA密切相关，主要表达于关节软骨细胞和滑膜细胞，参与调控细胞的形态和体积，维持滑液分泌的稳定[25]。水通道蛋白受离子浓度和渗透压调节，其启动子区包含渗透压反应元件，水通道蛋白在高渗环境中表达量上升[26]。OA发生时，滑膜的上皮屏障破坏，引起关节腔滑液蛋白增加，关节腔内渗透压升高，此时水通道蛋白在滑膜中表达上调，促进滑液分泌，关节腔积液；软骨ECM降解，细胞周围离子浓度和渗透压改变，水通道蛋白在细胞膜上表达升高，水分子从ECM转移到软骨细胞，导致软骨细胞肿胀破裂，OA进一步加重[27-29]。
4 小 结
软骨退变是OA筋骨失养进程中重要的病理变化之一，而含水率在软骨生长发育、维持关节内外渗透压方面发挥关键的调节作用，调节关节软骨含水率变化具有延缓软骨退变的作用，但其具体作用机制尚不明确[30-31]。蛋白聚糖对基质内水分的调控具有重要作用，IL-1、TNF-α、转化生长因子-β和透明质酸等通过诱导蛋白聚糖的降解，引起ECM中内外水分失调，有效抑制ECM中蛋白聚糖的降解，调控软骨含水率水平，从而对关节软骨退变进程进行控制，对OA的发展起延缓作用，为研究OA防治方法提供新的思路。
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关节软骨的生物力学特性范文第4篇
[关键词]运动 NO 负重 关节软骨 损伤 修复
中图分类号：Q954.65+7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）27-0125-01
前言
关节软骨细胞为增殖能力低下的终末分化细胞，自身基质包裹在软骨陷窝内，无法主动参与修复，一旦损害修复非常困难。根据关节软骨功能，可将软骨划分为负重区和非负重区[1]，前者胶原密度、厚度、含量及张力明显优于后者，缺损后修复效果也不同。NO是体内重要的信使分子和效应分子，关节软骨破坏后，软骨细胞和滑膜在致炎因子的作用下均可产生NO，从而抑制软骨细胞增殖，促进软骨细胞凋亡，同时破坏软骨基质，影响缺损部位修复。NO由一氧化氮合酶（NOS）催化L-精氨酸而生成，是生物体内信使分子和效应分子，介导许多生物学现象。NO抑制软骨细胞对蛋白聚糖（PG）、胶原合成，促使其分解，这些变化导致关节软骨修复能力下降，增加软骨破坏，加速软骨退变。
NOS抑制剂[2]抑制NO的生成，软骨细胞对力学刺激敏感[3]。不同性质、频率及力量的刺激对软骨细胞代谢及基质蛋白的影响也不同。持续稳定的压力和循环变化的力学刺激对软骨细胞代谢和基质成分的影响也不同[4]，对其作用效果研究较少。
1.材料与方法
1.1 实验动物
健康雌性实验用大耳白兔24只，平均4月龄，体重1.5kg±0.4kg，分笼喂养，喂食及饮水符合实验动物标准。每周测体重1次，适应性喂养2周后开始实验。
1.2 研究方法
（1）实验动物分组
（2）动物关节软骨损伤模型制作
（3）标本采集
（4）标本的处理
（5）统计学分析方法
2.实验结果
2.1 外观及体重的变化
各组实验动物术后3 天内伤肢不负重，1周内跛行，1周后逐渐恢复正常步态。伤口无感染，愈合良好。非运动组12周后皮毛灰暗，活动迟缓，反应迟钝；运动组皮毛光洁，一般状况及活动能力与实验前相同，关节活动自如；各组饮食及体重无显著性差异。
3.讨论
NO为无色气体难溶于水，具有脂溶性。由于带有自由基，化学性质非常活泼，与O2反应后形成有腐蚀性气体NO2。
NO广泛分布于生物体内组织中，为不稳定生物自由基，可透过生物膜扩散，对心、脑血管和神经、免疫调节等方面有十分重要的生物学作用。当体内内毒素或T细胞激活巨噬细胞和多核白细胞时，产生大量诱导型NOS和自由基，合成NO和H2O2，对杀伤入侵细菌、真菌等微生物及在炎症损伤方面起着重要作用。
激活的巨噬细胞释放NO通过抑制靶细胞线粒体三羧酸循环、电子传递和细胞DNA合成途径杀伤靶细胞。NO对邻近组织和NOS 细胞也有毒性作用，都与NO在局部的含量有着密切的关系。关节软骨上皮细胞损伤后，周围的炎性反应至自体免疫导致损伤的不愈合。NO不需任何中间机制就可快速扩散进入生物膜，将细胞产生的信息传递到周围细胞中。NO生成的自由基极易参与传递电子反应，加入机体的氧化还原过程中。分子的配位性使它与血红素和非血红素铁有很高的亲合力，取代O2和CO2的位置。NO清除剂-NO可以失去它附近的碱基而变成自由的原血红素-NO，使自由碱基自由地参与催化反应，自由蛋白质自由地改变构象，自由的血红素自由地从蛋白中扩散。三种变化中的任何一项或它们的组合，将在鸟苷酸环化酶的活化过程中起重要作用，从而弱化NO对缺损的关节软骨组织侵蚀。
理想的关节软骨缺损模型制做应是充分负重、无缺损及骨折危险的部位，且关节软骨能再生与修复及对不同结果进行分析。兔关节软骨缺损修复观察时间长短以其内在修复能力为标准，理想的修复特点是恢复正常关节软骨的体积、形态、结构和位置，产生新的组织，从而恢复关节功能。正常关节软骨的压力来自体重及肌肉收缩，包括动态压力与静态压力交替完成。周期性压力变化，有利于营养物质及组织液通过滑膜孔在关节内的交换，从而刺激软骨细胞代谢，促进软骨基质蛋白合成，减少关节内粘连，促进溶酶体酶和渗出物清除。
由实验可以看出NO清除剂+运动对关节软骨损伤的修复有一定的促进作用，而制动会抑制关节软骨缺损的修复，这可能与促进软骨基质中PG的增加，从而加速关节软骨缺损区的修复有关节。
4.结论：
NO清除剂能够促进兔全层关节软骨缺损的修复；运动能促进兔全层关节软骨缺损的修复，圈养不利于软骨缺损修复；运动状态对关节软骨负重区缺损的修复优于非负重区，而NO清除剂对二者的影响不大；NO清除剂结合运动可以更有效的促进全层关节软骨缺损的修复。
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关节软骨的生物力学特性范文第5篇
自从1965年chestman和smith首先开始软骨细胞体外培养用于软骨缺损修复的研究以来 ［1］，人们开始对关节软骨损伤不能通过自身的软骨增殖修复的概念有了新的认识。 实验证明不仅年幼且年老的关节软骨标本仍可在体外培养出新生透明软骨［2］。虽 然软骨细胞增殖能力有限，其质与量直接影响体外培养扩增效果，软骨细胞生长环境不同所 表现出的生物学特性也有差别。软骨细胞在悬浮培养或半固体琼脂培养基中生长良好并保持 表型稳定，在培养瓶底水凝胶覆盖的四维培养环境中长期培养时软骨细胞可形成结节结构其 细胞形态胞外基质分泌和软骨特异性基因表达皆与关节软骨相似。软骨细胞的生长密度对其 生长也至关重要。在同样的条件下体外单层培养时，由于细胞密度不同，软骨细胞的生长分 裂经过和形态功能完全不同。组织学检查表明，细胞形态不同，其碱性磷酸酶活性、细胞分 泌特异性基质的功能及对细胞作用因子的反应也不同，进一步研究表明，软骨细胞靠自分泌 或旁分泌信号的方式而存活。
1细胞因子对体外培养软骨细胞的影响
软骨细胞的有限增殖性及存活密度的要求是限制软骨细胞单层培养修复关节软骨缺损及体外 大量扩增的因素之一，随着细胞生物学的发展，软骨细胞体外培养特异基因表达的研究日益 深入，细胞因子参与调节软骨细胞的增殖、分化过程渐被人们所揭示，这对软骨细胞体外培 养研究又提出了一个新方向。近年来，关于细胞因子等多肽蛋白质对软骨细胞体外增殖分化 等的影响研究也较多。也有些学者发现软骨细胞内含许多细胞因子及其受体，且表明许多细 胞因子通过自分泌或旁分泌两种基本方式来调节软骨细胞。目前认为促进软骨细胞增殖和基 质合成代谢的细胞因子有：igfs.tgf-βs.pdgf,fgf.egf，对软骨细胞有抑制作用的有il- 1、il-2、il-7、tnf-α、ifn-γ等，现就对软骨细胞有显著调节的细胞因子分述如下 ：
1.1转化生长因子beta(tgf-β)
tgf-β最初是由robert等学者在1978年作为一种可诱导大鼠成纤维细胞增殖因子而描述。t gf-β可以诱导间充质细胞转化为软骨细胞。现已实验证明tgf-βs具有促进软骨细胞增 殖、调节其分化和胞外基质合成的能力［3］。f.redni等实验证明培养兔关 节软骨细胞表达了不同的tgfβ受体且与软骨细胞生长周期功能有关，软骨细胞在s期表现了 低亲和力受体表型(kd=appiox 1100pm)然而go/g期的软骨细胞表现了高亲和力受体。因此 ， tgf-β对软骨细胞的作用有多种受体参与。同时也有实验证明tgf-β更多的结合在go/g1 期比s期的同步化软骨细胞，从而说明tgf-βs对软骨细胞的作用是通过 不同的途径［ 4］。也有学者证明tgf-βs在不同的条件下对成软骨细胞有促进分化或降低分化的双重 作用，1-10ng/ml浓度的tgf-β可诱导大鼠胚胎肌细胞分化成软骨细胞，合成特异性的ⅱ型 胶原和蛋白多糖，而在0.4mol/l浓度下，tgf-β可诱导大鼠颅骨成骨细胞的碱性磷酸酶 活 性，减少软骨细胞ⅱ型胶原、蛋白多糖的合成［5］。同时也有实验证明tgf-β可 抑制培养兔关节软骨细胞的终末分化及钙化。tgf-β可能与多种因素如胞外基质和其它分 化调控生长因子参与对细胞的调节作用［6］。tgf-β在细胞对其它各种分化信号 的应答过程中同样也有调节作用。wen-ning qi等实验证明ⅱ型胶原能特异的调节tgf- β刺激软骨细胞合成ⅱ型前胶原dna和蛋白多糖，同时说明ⅱ型胶原在tgf-β存在的条件下 调节软骨细胞特异性基因表达具有剂量依赖性(量效关系)。因此ⅱ型胶原基因表达的变化在 tgf存在条件下受ⅱ型胶原的调控［7，8］。
体外实验证明，许多细胞因子对软骨细胞有协同或拮抗作用如tgf-βs、igfs、fgf、bmp、 il-1等，兔关节软骨细胞体外培养时，tgf-β对igf的分泌作用有三种，(1)减少41kd的ig fbp；(2)增加igf受体的结合位点；(3)下调了诱导型igf-1受体的自身磷酸化［9］ ，从而促进软骨细胞的增殖和特异性基质的合成。也有学者认为tgf-β和igf可以使反分化 的软骨细胞再分化诱导和持久表达ⅱ型胶原和蛋白多糖［10］。软骨细胞在传代培 养中表型的变化可能与软骨细胞自分泌il-1有关，而tgfβ可作为一种il-1的拮抗剂，减 少了il-1对胞外基质的分解代谢同时也下调了il-1受体及其金属蛋白酶的表达［1 1］。tgfβ可能通过以下两种途径拮抗il-1的作用，(1)刺激成软骨细胞中蛋白糖抑制 剂的产生。(2)抑制软骨细胞蛋白酶的产生，因而对细胞外基质的合成有促进作用［1 2］。
1.2骨形态发生蛋白(bmp)
bmp是tgfβ的超家族成员之一，bmp-7(op-1)是bmp家族中的一员，其对无血清培养的高密 度单层细胞和悬浮在琼脂糖中的细胞有促进生长和成熟作用，可增加其碱性磷酸酶活性和提 高mrna和ⅱ型胶原的合成能力。实验rhbmp(op-1)能有效促进胚胎和成人关节软骨细胞合成 蛋白多糖和ⅱ型胶原而ⅰ、ⅲ型胶原没有增加。也有实验证明op-1对人软骨细胞特异性胶 原、蛋白多糖的促合成作用比igf-ⅰ、tgf-β和激活素更显著［13］。在培养软 骨细胞生长周期的不同时期，bmp的作用也不同，rhbmp调节软骨细胞增殖、分化作用依赖于 细胞的成熟状态，且静止区软骨细胞更敏感，同时对软骨细胞的自分泌也有作用［14 ］。关节软骨细胞原代培养时表达了bmp-4功能性受体。1998年rach1,venena等实 验证明bmp2和维生素c共同作用下培养的软骨细胞没有诱导其肥大，同时bmp-2独自干预下 细胞凋亡明显少于维生素c的干预，从而说明软骨细胞向肥大软骨细胞的过度与细胞增殖数 量减少而相对高的凋亡水平有关。软骨细胞体外传代培养渐反分化为成纤维样细胞或过度为 肥大软骨细胞与细胞生存的微环境有关［15］。
1.3胰岛素样生长因子(igfs)
igf于1953年由salmon和danghaday研究表明，igfs家族由两种相关多肽组成即igf-ⅰ和igf -ⅱ。在软骨细胞表面有igf的受体且软骨细胞能合成和分泌这种多肽。igf-ⅰ能与软骨细 胞膜上的受体结合也以旁分泌和自分泌的方式起作用。igf-ⅰ能强烈刺激软骨细胞合成ⅱ 型胶原和蛋白多糖，igf-ⅰ还能刺激软骨细胞集落形成和细胞增殖，体内igf-ⅰ能促进骨 骺软骨生长。而igf-ⅱ能刺激软骨细胞dna和rna的合成且比igf-ⅰ更有效的刺激胚胎细 胞的生长。但igf-ⅰ对成年软骨细胞的作用强于igf-ⅱ，也能促进蛋白多糖的合成。软骨 细胞表面的igf-ⅱ的受体与igf-ⅰ相比，两者的结构与体外活性相似，但体内生物效应不 同。而igf结合蛋白(igf1bps)它通过特异性结合igfs而起作用，尽管目前对igfbps的生理功 能还不十分清楚，但它们对igfs的调节作用是肯定的，它们通过结合igfs减少了igfs与其受 体的相互作用，从而降低了igfs的活性。onley等人实验表明细胞因子可以调节igfbps的产 生，igfbps反过来调节igf的作用，同时表明il-1α、tnf-α降低细胞对igf-ⅰ的反应 性可能是通过增加igfbps而起作用。
1.4成纤维细胞生长因子(fgfs)
fgfs最初是从牛脑垂体分离出来的一种蛋白质，后来发现它在人体组织包括骨、软骨基质中 广泛存在，且对胚胎发育及软骨修复起重要作用。体外实验发现它能促进软骨细胞的增殖、 成熟和胞外基质的合成，而bfgf是一种强大的软骨细胞有丝分裂原，它能刺激生长板中软骨 细胞蛋白多糖的合成。在成人关节软骨中它与igf有协同作用，两者协同刺激软骨细胞有丝 分裂和蛋白多糖的合成，抑制软骨细胞分化为肥大表型。
1.5白介素和肿瘤坏死因子(il、tnf)
近来报道il-1对关节软骨细胞代谢的干预作用主要表现为抑制透明软骨特征性ⅱ、ⅳ型胶 原的合成，而促进ⅰ、ⅲ型胶原的合成使软骨细胞变性，抑制软骨细胞增殖和蛋白多糖的合 成同时il-1对关节软骨的降解作用主要表现在促进软骨细胞合成和分泌金属蛋白酶，并提 高软骨基质中溶解蛋白分子酶类的活性。tnf是通过il-1而抑制ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成 ，但其作用远弱于il-1。
2力学刺激对培养软骨细胞的影响
关节软骨主要由软骨细胞和胞外基质组成，而胞外基质主要包括胶原和蛋白多糖，其中ⅱ型 胶原占胶原的95%，聚合素是蛋白多糖的主要成分，关节运动时软骨经历循环应力载荷而发 生周期性变形和恢复，循环载荷是软骨细胞执行正常功能和维持胞外基质正常表型的基本因 素。而体外培养软骨细胞其随传代次数增加而发生代谢、表型的变化伴有ⅱ、ⅳ型胶原合成 减少，ⅰ、ⅲ型胶原合成增加和蛋白多糖分子量的改变，为维持体外培养软骨细胞的正常形 态和功能则许多学者进行了软骨细胞培养的力学刺激实验研究。这种压力可分为两种：一种 是持续静压力，一种是循环动压力，力学刺激对调控软骨代谢和维持其胞外基质正常表型起 重要作用，其中静压力刺激减少了ⅱ胶原和蛋白多糖的合成，而正常动压力刺激则促进ⅱ型 胶 原和蛋白多糖的合成［16，17］，k.koarninnta［18］实验表明持 续高流体静压力抑制蛋白多糖的合成和分泌，减少了聚合素mrna的表达，改变了高尔基氏器 的形态和抑制微丝的组成。在循环压力作用下软骨组织内4种物理特性发生变化；①静水压 ；②毛细液流；③流能；④组织与细胞变形。低频循环压力促进基质降解而高频循环压力则 促进软骨细胞合成代谢。所以力学刺激是软骨细胞的一个重要调节者，但软骨细胞又如何接 受力学刺激信号呢自从认识软骨细胞可以分泌整合素以来，整合素就在软骨细胞与胞外基 质信号转导方面起着重要作用。整合素是一种异二聚体(α、β)转膜糖蛋白特异性受体，力 学刺激使胞外基质与整合素结合同时与细胞骨架相连，从而影响着基因表达和调控细胞生长 和分化［19，20］。力学刺激促进胶原合成增加同时整合素合成也上调，力学刺激 增加了α2整事素亚单位mrna表达。实验表明在软骨细胞培养一周后，给予循环压力刺激 15次/min，结果3h后，循环压力促进了ⅱ型胶原和聚合素mrna的表达，从而说明胞外基 质 调节整合素来应答力学刺激。α2 β1整合素是ⅱ型胶原受体。软骨基质受体作为一 种 应力感受器在软骨基质网络中通过力学刺激信号来调控软骨细胞。周期性力学刺激促进基质 合成，而静压力则促进基质合成减少［21，22］，所以力学刺激信号可能通过力学 刺激、细胞外基质、整合素、细胞骨架(肌动蛋白)而调控软骨细胞的增殖和分化功能。taka haki-k［23］等实验证鞒咚降木菜褂盏糏l－6和tnf-α mrna表达增加 而缩减了蛋白多糖核心蛋白的表达，生理水平的静水压则增加了蛋白多糖核心蛋白的表达， 组织与细胞变形可兴奋ecm受体［24］细胞膜张力受体、细胞网架结构［25 ］而促进合成功能，总之，机构压力对培养软骨细胞的作用在有效范围内与压力值无关， 而与压缩程度(静压力)和频率(循环压力)有关，持续的静压力抑制软骨细胞的合成代谢，一 定频率的循环压力则促进软骨细胞的合成功能［26］。
3其它因素对培养软骨细胞的影响
体外培养软骨细胞随其传代而表型整个发生改变，正常的ⅱ、ⅳ型胶原合成减少，ⅰ、ⅲ 型胶原合成增加，在不同的培养条件下(如培养基、ph细胞的接种密度、血清浓度、氧分压 及其培养基的离子浓度、培养方式)其表型不同，有时可以反分化或向肥大软骨细胞转化。 体外培养只有保持其正常形态才能保持其正常功能。freed［27］等将软骨细胞移 植于dga、pla进行三维体外培养，证明三维培养6周后其细胞数扩增了近8.3倍，且传代后细 胞产生蛋白多糖和ⅱ型胶原的能力较佳，所以软骨细胞三维培养有利于维持其形状，常利用 胶原纤维蛋白、琼脂、海澡酸盐、pga、pla等为附属物进行三维培养。也有学者认为无血清 培养可以阻止软骨细胞反分化。培养基ph值轻度偏碱不利于蛋白多糖的合成，偏酸则相反。 低钙环境有利于软骨细胞的稳定［28］。1995年baragi［29］等将il - rα和标记基因lacz分别构建在腺病毒上转染软骨细胞并将它们分别与骨关节炎软骨组织块 一起培养，结果表明与il-1rα转染软骨细胞培养的组织块能抵制il-1β的作用而与lacz 细胞培养的软骨细胞块抵制作用明显减弱，从而说明基因转染可以用来调控软骨细胞从而维 持其表型。
4结束语
体外培养软骨细胞的优点是可以大量扩增及研究其生命活动的状况，但要维持其正常表型则 受到众多复杂因素的调控。就其细胞因子而言，细胞因子对体外培养软骨细胞的作用非单一 的，而是一个复杂的网络调节作用，如生长因子的生物学活性是由受体介导的，生长因子在 软骨细胞合成分泌后，多为无活性的前体分子需要经过特异性的激活才能发挥作用。生长因 子之间存在基因表达及其活性的相互调控tgf-β能促进pdgf的a链和b链的mrna表达和分泌 ［30］。bfgf能促进tgf-β mrna的表达，诱导间充质细胞分化成软骨细胞，增强 tgf对软骨细胞的增殖及其基质合成作用。生长因子之间还存在受体水平的调控，胰岛素不 影响tgf-ⅱ型受体的亲和力但增加了ⅱ型受体的数目引起受体上调效应，从而ⅱ型受体与 ⅰ型受体竞争，使胰岛素与ⅰ型受体结合减少。il-1可使tnf受体下调，而ifn-γ却使tnf 受体上调等。但是网络生长因子如何调控体外培养软骨细胞的增殖、分化阻滞反分化或向肥 大型转化、维持其正常软骨细胞表型及合成特异性胞外基质还需进一步的研究。总之软骨细 胞体外培养维持其正常表型则受到众多因素的影响如培养条件及其方式，细胞的微环境，ph 值、细胞密度、力学变化、生长因子等等。随着细胞生物学和分子生物学的发展，软骨细胞 体外培养大量扩增、分化维持其正常的表型及代谢的调控因素会渐为人们所明晰，为组织工 程化软骨修复软骨缺损、体外培养软骨细胞建立软骨细胞库(永生化软骨细胞)及揭示退变性 骨关节病又开拓了一条新的途径。
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