来自膝盖和踝关节的关节软骨细胞对剪切应变的敏感性不同

《Journal of Biomechanics》：Articular chondrocytes from the knee and ankle have different sensitivities to shear strain

膝关节与踝关节软骨创伤后机械性能及细胞响应差异研究。通过体外联合损伤模型比较新生牛膝踝软骨的细胞死亡、凋亡、线粒体 depolarization 表达及剪切模量变化，发现踝关节软骨剪切模量下降更显著（p<0.0287），且细胞对剪切应变的敏感性存在关节特异性差异：膝关节细胞死亡（873 vs 551）、凋亡（7779 vs 3577）、线粒体 depolarization（848 vs 535）敏感性更高。

　　

Steven Ayala|Michelle L. Delco|Lisa A. Fortier|Itai Cohen|Lawrence J. Bonassar

康奈尔大学生物医学工程学院，美国纽约伊萨卡

摘要

滑膜关节的创伤性损伤会导致软骨组织出现局部缺陷和促炎变化，最终引发创伤后骨关节炎（PTOA）。不同关节之间的PTOA发病率也存在差异，尤其是膝关节和踝关节。我们假设膝关节和踝关节软骨之间PTOA发病率的差异与它们机械性能的固有差异以及软骨细胞对机械负荷的敏感性有关。本研究旨在比较损伤对膝关节和踝关节软骨细胞反应空间模式的影响，并将这些反应与组织机械性能的变化联系起来。我们从新生牛的踝关节距骨顶和膝关节股骨髁处获取软骨样本，使用了一种结合了快速冲击损伤和重复关节运动的体外损伤模型。将样本切开并进行荧光染色，以评估细胞死亡、caspase活性和线粒体去极化的情况。同时通过共聚焦弹性成像技术测定局部剪切应变和剪切模量分布。结果表明，软骨细胞的反应在两种关节之间存在差异：膝关节软骨在表面区域的损伤更为严重。此外，与膝关节相比，踝关节软骨在损伤后的剪切模量下降幅度更大，导致局部剪切应变显著增加（p < 0.0287）。进一步通过回归分析发现，细胞反应与局部剪切应变之间的关系存在关节特异性差异，具体表现为细胞死亡（膝关节：873 vs 踝关节：551）、细胞凋亡（膝关节：7779 vs 踝关节：3577）和线粒体去极化（膝关节：848 vs 踝关节：535）的斜率差异。

引言

创伤后骨关节炎（PTOA）占膝关节骨关节炎的约10%，占踝关节骨关节炎的约80%（Delco等人，2017年）。这种差异表明膝关节和踝关节软骨对创伤性损伤的反应可能不同，这可能是由于软骨细胞结构、生化组成和机械性能的差异所致（Rolauffs等人，2008年）。例如，踝关节软骨中的蛋白聚糖和羟脯氨酸含量较高，使其硬度约为膝关节软骨的10倍（Athanasiou等人，1995年；Treppo等人，2000年）。膝关节软骨较低的硬度会导致更大的剪切应变，进而引发细胞损伤（Bonnevie等人，2018年）。然而，目前尚未比较膝关节和踝关节软骨在损伤后剪切应变与细胞损伤之间的关系。

创伤性关节损伤会导致软骨受到超出生理范围的剪切和压缩，从而损伤软骨细胞及其周围基质。这些损伤包括：线粒体去极化、活性氧增加、caspase活性增强、细胞凋亡和细胞死亡（Delco等人，2018a；Delco等人，2018b；Liu等人，2019年）。此外，创伤性损伤还会导致关节表面出现裂纹、胶原网络受损以及局部缺陷（Bartell等人，2018年；Bonnevie等人，2015a）。一旦膝关节软骨受到损伤，随后的关节运动会进一步加剧软骨细胞的损伤和死亡（Quinn等人，1998年；Sah等人，1990年）。目前尚不清楚踝关节软骨是否也存在类似的趋势。

这种PTOA发病率的差异可能部分源于细胞对损伤的反应差异。我们开发了一种结合快速冲击损伤和后续关节运动的复合损伤模型，以更真实地模拟受伤关节的机械环境（Ayala等人，2020年；Ayala等人，2025年）。该模型有助于研究创伤对任何关节（包括踝关节）软骨组织整体和局部水平的影响。

本研究的目的是比较踝关节距骨顶和膝关节股骨髁软骨的剪切应变与细胞反应之间的关系。我们假设踝关节软骨在损伤后的机械性能下降幅度大于膝关节软骨，从而导致剪切应变增加、细胞死亡和细胞凋亡加剧以及线粒体去极化，从而解释膝关节和踝关节PTOA发病率之间的差异。

样本制备

样本制备

我们从12只混合性新生牛（Copper City Meats）的膝关节和踝关节中无菌采集股骨髁和同侧距骨顶的软骨样本（出生后24小时内，年龄<1个月），用含有抗生素（100 U/ml青霉素-链霉素，Mediatech）的Dulbecco磷酸盐缓冲盐水（DPBS）冲洗后，将其切成直径为6毫米的圆柱形样本。每个关节采集6个软骨样本。

共聚焦显微镜观察

对膝关节和踝关节软骨的细胞死亡、细胞凋亡及线粒体极化情况进行全局分析后发现，与对照组相比，创伤性损伤导致软骨细胞损伤显著增加。膝关节软骨的细胞死亡率从10.70%（标准差=7.14%）增加到43.79%（标准差=22.03%），踝关节软骨的细胞死亡率从7.17%（标准差=5.44%）增加到33.56%（标准差=14.21%）；线粒体去极化率分别从13.35%（标准差=5.41%）增加到46.81%（标准差=21.30%），以及从9.62%（标准差=8.40%）增加到39.66%（标准差=

讨论

本研究比较了膝关节和踝关节软骨的整体和局部损伤反应，以及损伤对软骨组织机械性能的影响。通过我们的复合损伤模型，我们观察到损伤前后两种关节软骨之间的差异。创伤性损伤在膝关节和踝关节软骨中引发了不同的细胞损伤模式：膝关节软骨的损伤主要集中在中间区域，而踝关节软骨的损伤则更为广泛。

未引用的参考文献

Bartell等人，2019年；Bonnevie等人，2014年；Gleghorn等人，2009年。

CRediT作者贡献声明

Steven Ayala：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；实验设计；数据分析；概念构思。 Michelle L. Delco：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；资金申请；数据分析；概念构思。 Lisa A. Fortier：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；实验设计；资金申请；概念构思。 Itai Cohen：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；方法学设计；实验设计；资金申请。

资助

本研究未获得任何公共机构、商业机构或非营利组织的专项资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢康奈尔生物技术资源中心（BRC）在整个项目过程中提供的仪器支持和技术协助，以及康奈尔数据咨询部门在R语言统计模型开发方面的指导。本研究得到了以下机构的支持：国家科学基金会 LEAP HI奖（编号：CMMI 2245367、NIH 5R01AR071394-03、NYSTEM CO29155、NIH S10OD018516、NSF CMMI-1536463、NIH-NIAMS 1R03AR075929-01、NIH-NIAMS 5K08AR068470-02，以及Harry M. Zweig纪念基金的支持。