不同力学环境对构建组织工程软骨影响的研究进展

刘 涛 综述，贾宏伟 审校

（天津医科大学总医院骨科，天津 300052）

因外伤或某些疾病如骨性关节炎、干燥性骨软骨炎都可导致软骨损伤、缺损，临床上十分常见。软骨自身是一种无血管组织，损伤后自行修复能力极为有限，传统的治疗方法有软骨下骨钻孔术、软骨移植、骨膜或软骨膜移植、软骨细胞移植等。小面积的软骨缺损一般行损伤软骨切除术或穿透性治疗，暴露下方的松质骨，使骨髓中的间充质干细胞向上迁移而修复缺损，这也只能在一定程度上缓解疼痛，且当软骨缺损直径大于4mm时已很难修复。由于再生软骨的生物化学和机械性能不等同于正常软骨，容易退变和侵蚀，耐久性差，也不能取得满意临床效果[1]。应用组织工程方法修复软骨缺损展示了令人鼓舞的前景。组织工程修复软骨手段的目的是将修复物质运送到受损部位并且固定于该位置以达到有效的修复。从研究结果来看，虽然研究者们应用了多种方法研究生物材料、种子细胞和修复，但修复软骨的长期效果并不令人满意，存在着组织工程软骨中心强度低、难以和宿主正常软骨整合、软骨和软骨下骨的断裂分层问题等难题，是亟待解决的问题[2]。近期研究表明，适当的力学环境作为一个必要的生理性刺激因素可以在一定程度上克服传统软骨细胞培养条件的不足，满足细胞的营养需要，减少处于中心部位的软骨细胞由于营养不良或代谢不畅而导致的生长迟滞甚至死亡[3]。

1 软骨的结构

软骨由软骨细胞和软骨基质构成，软骨细胞包埋于软骨陷窝内，软骨基质由软骨细胞产生和分泌。基质主要由固相和液相两部分组成。具通透性的多孔固相主要由胶原纤维、凝胶样蛋白多糖组成，其他成分还包括脂肪、磷脂、蛋白质及糖蛋白。细胞外液相由水、离子和营养质组成。总的来说，软骨细胞占组织体积的1%～10%，维持细胞外基质成分合成与分解的平衡。细胞外基质主要为水、胶原和蛋白多糖，其他成分包括脂肪、蛋白质、糖蛋白和无机盐等。水是正常软骨中最丰富的成分，占湿重的65%～80%。胶原是软骨干重的主要成分，占50%～80%，主要组分是3股相同α多肽链螺旋排列而成的Ⅱ型胶原。胶原纤维构成软骨的纤维骨架，与高度含水的蛋白多糖长链结构共同形成网络状基质。当软骨承受外力时，引起液体外流，蛋白多糖浓度增加，渗透压增大以对抗外压力，同时将压力传递给胶原纤维，使压应力转化为张应力。

2 不同的力学环境对软骨细胞及细胞外基质的影响

2.1 压力环境 正常人体所承受的最主要是自身体重产生的压力。在组织工程体外模拟环境中，主要采用的压力为持续静压和动态压力。

2.1.1 持续静压力环境 早期的研究多采用持续静压力的模拟环境，所得到的结果不一。刘文华等[4]应用兔后肢的髌股关节间造成持续及间歇的不同压应力模型，表明关节间持续及间歇的较高压应力可以引起软骨细胞凋亡，并继而出现软骨退变，IL-1β和TNF-α在软骨细胞凋亡过程中可能起重要作用。汉斌等[5]对兔髁突软骨细胞施加静压应力测得II型胶原和结缔组织生长因子mRNA增高。Salter等[6]通过对髁突软骨细胞施加90kPa压强，测得IL-4、IL-6表达增强，由于IL-4可抑制力学刺激下软骨细胞膜的超极化作用故又被称为软骨保护因子，且IL-4是人关节软骨细胞重要的力学信号传导通路之一[7]。而IL-6具有参与骨吸收、抑制成纤维细胞生长、促进多种细胞增殖等多种生物学活性[8]，表明适当压力可保护软骨，促进细胞增殖[9]。

2.1.2 动态压力环境 关节软骨细胞是处于关节内特殊的动态压力环境之中，其功能和结构必然受压力的影响和调控[10]。Schulz等[11-12]发现生理范围内的动态载荷可以刺激软骨的细胞外基质合成，形成更有组织性的结构。Smith等[13]采用循环压力对软骨细胞进行加压，发现软骨细胞呈高密度聚集，迅速生长、繁殖，分泌细胞外基质的能力明显增强。Wang等[14]研究表明循环压力下I型胶原表达增加，蛋白聚糖基因活化。蔡俊等[15]通过分离关节软骨种植于PGA支架在循环压力下培养得到的组织工程软骨形态和色泽更加接近正常透明软骨，厚度和组织弹性优于对照组，软骨细胞数量和细胞外基质合成明显增加，分泌Ⅱ型胶原能力更强。Hu等[16.]发现在10MPa的循环压力下，软骨细胞培养8周后仍能在陷窝中维持球形，胶原数量仍然大量增加，而对照组糖胺多糖降低到非常低的水平。Toyoda等[17]也证实了三维琼脂凝胶中的软骨细胞在5MPa的压力下糖胺多糖显著增加，蛋白聚糖mRNA增至4倍。

2.2 张应力环境 在体内牵张应力的作用下，软骨组织变形，附着于软骨基质上的软骨细胞可产生相应的牵拉变形，因此，牵张应力的加载装置主要是通过各种方法对培养基膜的牵拉，使粘附于基膜上的软骨细胞被动伸展[18]。Hirano等[19]发现张应变可导致软骨细胞形态的明显改变，动态性张应变(16%，24h)导致Ⅱ型胶原的合成增加，而静态性张应变(16%，24h)诱导氮氧化物的产量明显增加，引起软骨基质的分解。Ueki等[20]研究发现，在细胞增殖期，间断张应变(0.5或2.5Hz)明显上调软骨细胞的DNA合成，促进了软骨细胞的增殖；在软骨基质形成期，这种间断张应变可以显著促进Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成，并且随着频率的增加，Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成有增加的趋势。Nicodemus等[21]研究表明，交叉连接的多聚水凝胶支架促进了软骨基质Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成。

2.3 剪切力环境 流体剪切力是机体内微环境重要组成部分。Stoddart等[22]报道短时间剪切应力环境下糖胺多糖的mRNA表达增加60%，蛋白聚糖和II型胶原mRNA也有增加。Kessler等[23]对单层培养的牛关节软骨细胞上施加流体剪切力，发现流体剪切力（3.5Pa，96h）可明显增强软骨细胞增殖至3.5倍，且单层细胞形态更圆、更具软骨表型（在软骨组织工程中维持体外软骨细胞表型是第一步的，并可分泌大量的TGF-β）[24]。Waldman等[25-26]联合应用压应力和剪切应力使细胞外基质（胶原和蛋白多糖）大量增加，同时机械性能也有所提高。

2.4 离心力环境 离心力可以促进单层培养的成骨细胞增生，一定程度上刺激碱性磷酸酶的活性。离心力还可以刺激成纤维细胞分泌I型胶原。Inoue等[27]通过将兔生长板和关节软骨细胞置于129～540r/min离心力环境中培养，发现蛋白多糖和DNA合成均有增加。王建等[28]应用兔软骨细胞与各种支架混合，置于离心管内培养，均形成了软骨样组织，说明软骨细胞可在离心管内形成组织工程软骨。孔清泉等[29]报道将兔软骨细胞置于1000r/min离心机上培养，发现糖胺多糖和II型胶原分泌增加，并且软骨组织排列较静态培养具有一定层次。考虑是离心力发挥了类似生物体内应力作用，使细胞在离心力作用下在指甲中形成了一定的初期分布，利于营养物质交换和细胞代谢，促进了细胞增殖。

3 研究展望

体内的力学环境极其复杂，完全模拟体内环境构建组织工程软骨较为困难。适当的压应力、张应力、剪切力、离心力均可以提供一定的力学刺激，促进软骨细胞增殖和细胞外基质的分泌，改善基质的分布，进一步改进组织工程软骨的生物力学性能。

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