教材：Articular Cartilage (2nd Edition)

导读：孙梦瑶博士

笔记整理：赵益童、黄璜

第1章软骨结构与功能

根据生物化学性质，人体软骨一般可分为三种不同类型：透明软骨、弹性软骨和纤维软骨。虽然所有这些软骨都具有相似的基本特征，但它们在组织形态学、生化成分和生物力学特性方面有所不同。就关节软骨而言，其承载和应力耗散的功能直接影响其生化成分、结构和生物力学行为，表现为其拉伸、剪切和压缩特性。本章从细胞和细胞外基质两个层面介绍关节软骨的结构、组成和功能。

1.1人体中的软骨

1.1.1透明软骨

透明软骨是体内最为丰富的软骨类型。Hyaline一词源于对关节软骨外观的描述。关节软骨根，据年龄不同，从有光泽的稍半透明的白色或蓝白色到稍淡黄色的灰白组织不等。透明关节软骨位于骨末端，它提供了一个低摩擦承载面，并能缓冲和分配在移动过程中产生的力。透明关节软骨主要的生化特征包括II型胶原和大量蛋白聚糖的存在。胶原蛋白和蛋白多糖与周围的液体环境相互作用，赋予关节软骨独特的生物力学特性。

透明软骨也见于肋骨、喉部、气管环、支气管、耳朵、眼巩膜和鼻子的末端。另一种透明软骨结构是骺板（生长板），位于干骺端（长骨末端较宽的区域），负责骨骼的伸长生长。生长板组织内的柱状软骨细胞按不同发育时期被分为几个区域：未分化的软骨细胞（静息区）、增殖细胞（导致体积增加）、肥大细胞（细胞增大并排列成列，并开始发生凋亡）和钙化细胞（软骨被骨替代）。随着骨骼发育和成熟的进行，软骨细胞最终分化为肥大的软骨细胞，生长板钙化，最终被骨取代，此时骨停止伸长。生长板的缺陷或损伤通常导致纵向生长受损，引起骨骼缩短，可能导致生长障碍，如软骨发育不全这种最常见的侏儒症。

1.1.2弹性软骨

弹性软骨不同于其他类型的软骨，它有一个含有大量弹性蛋白的基质，弹性蛋白以高度分支的纤维存在。弹性软骨的软骨细胞比其他软骨细胞多，位于弹性蛋白纤维之间。弹性软骨的名字来源于由于弹性蛋白含量而存在于组织中的高弹性，但在胎儿中由透明软骨前体发展而来。在体内，弹性软骨存在于外耳（耳廓）、咽鼓管（咽鼓管）、喉部和会厌等部位，并被软骨膜覆盖。

1.1.3纤维软骨

纤维软骨与透明软骨的区别在于I型胶原的存在，以及在较小程度上II型胶原的存在。纤维软骨的葡氨基葡聚糖（GAGs）含量往往远低于透明软骨。纤维软骨中的软骨细胞散布在结缔组织束中，帮助吸收机械负荷。在体内，纤维软骨存在于耻骨联合、椎间盘纤维环、膝关节半月板、颞下颌关节盘等部位。纤维软骨通常缺乏软骨膜覆盖物，这一特征与透明关节软骨相同。

1.1.4软骨在关节中的作用

可以按运动范围和连接骨骼的组织将关节进行分类。最常被研究的关节是滑膜关节，它是最易移动的关节类型。在滑膜关节内，与骨膜相连的纤维囊包围关节形成滑膜囊，并内衬滑膜；而在关节囊内，关节软骨被负责润滑的滑液包裹。

此外，关节可以根据骨骼和关节表面的数量以及其他解剖结构进行分类，如简单（两个表面，髋关节）、复杂（两个以上表面，手腕）或复合（两个或更多表面和纤维软骨盘、膝盖和半月板）等。

1.2软骨细胞及其特性

软骨中的细胞称为软骨细胞，是透明软骨内唯一的细胞类型，占人体组织体积不到5%，但对维持细胞外基质至关重要。软骨细胞是软骨的基本代谢单位，负责有限的基质重塑。软骨细胞被致密的细胞外基质分隔开，营养主要来源于滑液扩散。尽管关节软骨细胞的表型随区域深度的变化而不同，但所有软骨细胞都由间充质祖细胞分化而来。

1.2.1遗传、合成和机械表型

关节软骨内的所有软骨细胞在基因和蛋白质表达、表面标记和细胞代谢方面具有共同特征。II型胶原和aggrecan是一组主要表达的基因，主要的软骨特异性转录因子是性别决定区Y（SRY）-box-9（Sox9），在间充质干细胞向软骨细胞分化过程中对表型的启动和维持起关键作用。

尽管软骨细胞被归类为属于同一表型的所有细胞，但细胞的遗传、合成和机械特性在其组织起源区方面存在差异。例如，浅层软骨细胞表达蛋白多糖4（PRG4），而中间层软骨细胞表达软骨中间层蛋白（CILP）；浅层软骨细胞附着在组织培养塑料上的速度也比深层软骨细胞附着的速度慢；深区细胞显示较高水平的波形蛋白。软骨细胞的特征基因和蛋白表达与关节软骨基质成分密切相关，不同大小的软骨细胞之间也存在短暂的代谢差异。来自浅、中、深不同区域的关节软骨细胞具有组织内特定区域的形态和表达谱。靠近组织表面的细胞形态为扁平和盘状，而在中间区域，细胞更为圆形；在深部区域，细胞呈椭圆形，垂直于表面排列成柱状。一般来说，在体外培养时，中深层细胞比浅层细胞对软骨主要分子成分的合成能力更强；浅、中、深部软骨细胞也具有不同的生物力学特性。

众所周知，软骨细胞在体外会失去其表型标记，这一点可以从细胞在单层培养时形态特征的暂时丧失和代谢活性的变化中得到证明。然而，包裹在三维凝胶（如琼脂糖）中的软骨细胞则保留其固有的形态和蛋白多糖合成特性。这可能是由于受限的三维环境，迫使细胞形成圆形的形态。此外，机械刺激（如应力、应变和加压）的应用可通过机械传导影响其表型表达。

紧靠软骨细胞周围的细胞周围基质，其组成不同于上述的细胞外基质。在细胞周围基质中，发现了较高水平的decorin和aggrecan以及VI型胶原网络。软骨细胞通过CD44受体、透明质酸蛋白多糖聚集体和整合素锚定在细胞外基质上。软骨细胞表达多种不同的α（1，3，5，10，V）和β（1，3，5）亚单位作为整合素异二聚体（α1β1，α2β1，α3β1，α5β1，α10β1，αVβ3，αVβ5）。这些整合素可作为细胞外基质蛋白的受体，如II型和IV型胶原（α1β1，α2β1，α10β1）、层粘连蛋白（α6β1）、纤维连接蛋白（α5β1）和维生素C（αVβ5）等，可能在机械传导中起作用。

1.2.2细胞骨架结构

在真核细胞中，细胞骨架由三种不同的纤维类型组成，它们可以从可溶性蛋白质单体聚合成三维网络，将细胞内成分与细胞外刺激耦合起来。这些细胞骨架蛋白单体由肌动蛋白微丝、中间丝和微管蛋白微管组成。细胞骨架与多种细胞过程有关，如有丝分裂、迁移、细胞形态、内吞、胞吐和机械传导等。

1.2.2.1微丝

在结构上，肌动蛋白是最小的细胞骨架成分，直径为6纳米。它以一种具有ATPase活性（G-actin）的43kda球状单体存在，能组装成一种极化丝状体（F-actin）。这种纤维的组装与ATP的水解耦合；ATP结合的G-actin在生长的倒钩端聚合，ADP结合形式从尖端释放。这种组装体的组装和拆卸会引起“踩踏”动作，从而驱动运动。

肌动蛋白主要负责细胞迁移、伤口闭合和组织收缩的张力网络，与肌球蛋白相互作用诱导收缩。肌动蛋白还与细胞外基质成分的组装有关。肌动蛋白细胞骨架通过整合素与细胞外基质连接。这些相互作用由小gtpas的Rho家族成员介导，在微管蛋白二聚体柱中至关重要。

与许多其他细胞相比，软骨细胞是独一无二的，除了最上面的表面区域外，它们保持圆形的细胞形状和最小的肌动蛋白细胞骨架应力纤维。这种圆形的细胞形状和肌动蛋白细胞骨架组织已被证明是维持软骨细胞表型的关键。通过单层培养，软骨细胞变平并增加肌动蛋白应力纤维的形成，这导致Rho信号的伴随变化，以及软骨特异性基质成分合成减少。

1.2.2.2中间纤维

在结构上，中间丝直径为10nm，比微管小，但比肌动蛋白微丝宽。与肌动蛋白一样，它们在抵抗张力方面也发挥着类似的作用，并且也被证明在细胞-细胞相互作用、细胞基质连接和机械传导方面发挥着作用。与肌动蛋白不同，中间丝的三维网络有助于细胞器的内部排列。几种不同的蛋白质根据细胞类型组成中间丝。在皮肤中，中间丝是角蛋白，而在神经细胞中是层粘连蛋白。在软骨细胞和大多数其他细胞中，波形蛋白是最常见的中间丝。波形蛋白细胞骨架在软骨细胞内环境稳定中起着重要作用。

1.2.2.3微管

微管与肌动蛋白和中间丝在大小和结构上都不同。Tubulin是一种由大小为55kda的α/β单体组成的异二聚体。它自组装成直径23nm的中空管，形成内腔直径约为15nm的微管，该组装需要GTP结合。微管蛋白具有GTPase活性，GTP水解驱动微管组装。微管在抵抗力方面的作用也不同，它们的作用是抵抗压力而不是张力。纤毛和鞭毛由一个微管排列组成，称为9+2，其特征是外环有9个微管双倍体，与动力蛋白相连，内环有2个微管排列。除了抵抗压力外，微管在细胞内通过动力蛋白和运动蛋白运输细胞器或囊泡方面的功能也非常重要，微管在细胞内转运作用的一个重要表现是参与有丝分裂进程中的纺锤体组装。

（以上由赵益童整理）

1.2.3软骨组织的机械传导和稳态

机械传导是细胞将物理力转化为生化信号的过程。对机械传导的最早描述之一是19世纪Julius Wolff，提出了同名定律，指出骨骼重塑是由施加于骨骼的物理力造成的，负荷增加的部位骨质沉积，而废止部位在重塑期间骨质吸收。Frost在1960年代将其完善为机械稳压器。关节软骨也可能遵循Wolff定律，表现出负荷增加的解剖区域软骨较厚。

软骨细胞和组织对机械信号（例如剪切应力，压缩载荷，张力，静水压力和流体流动）的响应能力在发育和成熟中具有功能性影响。由于软骨细胞是软骨内唯一的细胞类型，并且大多是单独分离的，因此与环境的相互作用主要限于细胞外基质与细胞的相互作用。机械传导的机制已特别针对包括关节软骨在内的肌肉骨骼组织进行了研究。

已经鉴定出几组对机械敏感的分子，包括细胞粘附受体（例如整合素和钙粘蛋白），细胞骨架成分，离子通道，初级纤毛，酪氨酸激酶受体和生长因子受体。机械传导可以诱导基因表达，细胞外基质重塑和增殖的改变。除了通过整联蛋白介导的粘附与细胞外基质发生生化相互作用外，这些粘附还使细胞能够感知细胞外基质的结构环境，并产生响应内外部的力。机械传感研究的大部分焦点都集中在粘着斑上，其将各种调节分子和酶促分子整合到一个复合物中。粘着斑成分的排列和相互作用是复杂的，并且可以通过信号传递如磷酸化来调节。通过这些粘附分子的机械转导可引发多种下游分子，包括小GTP酶和粘着斑激酶。这种可能不需要次级信号传导级联，因为细胞核可以充当细胞中的机械传感细胞器。在细胞膜上的受体（例如整联蛋白和钙黏着蛋白）可能通过细胞骨架传播信号到核细胞骨架成分和核表面，直接影响核信号或基因转录。最终，这种细胞骨架连接可以通过粘附作用结合到细胞外基质中，从而使内部产生的力转化为外部环境，反之亦然。

关节软骨的维持取决于正确的机械负荷，不适当的负荷会影响关节软骨的基质特性。软骨细胞基因的表达和翻译可以通过细胞周围基质和外围细胞外基质的变形，细胞内细胞器的体积变化以及由于负荷引起的渗透压来改变。通过基质受体（例如CD44）进行的机械传感以及整联蛋白介导的对细胞外基质的粘附，可以激活应力敏感的离子通道。

膜张力的变化会导致应力敏感的离子通道发生构象变化。整合素与应力敏感离子通道之间的相互作用可通过提高细胞内阳离子如Ca2+，Na+和K+的胞浆水平，直接或间接诱导多种细胞内反应。

静水压力也能在软骨细胞中诱导应力敏感的离子通道，即使它没有对细胞施加宏观的应变。但是，在分子水平上，许多蛋白质中氨基酸的分子堆积中存在空隙。随着静水压力的增加，水可以填充这些空间，从而改变蛋白质与周围溶液的静电相互作用。这种变化有利于（1）蛋白质的低能态构象变化，（2）底物占据酶活性位点的方式改变，改变蛋白质功能或者离子通道激活。

在软骨细胞中，这些离子通道也可以通过剪切和流体流动而激活，并可以通过Ihh和BMP引起下游信号传导。如在骨骼中首次发现的，可以通过释放胞质中的胞浆中Ca2+水平的升高来传导流体流动的机械传感。L型电压敏感钙离子通道（VSCC）和拉伸激活阳离子通道（SA-CAT）触发储存和流入，这介导了多个下游信号传递事件，例如ERK1 / 2的磷酸化和激活和p130Cas，c-fos转录因子的上调，以及前列腺素E2（PGE2）的释放。

最近，初级纤毛作为流体流动的机械传感器已成为关注的焦点。初级纤毛是几乎所有脊椎动物细胞中都存在的微管的小膜突起，可充当“细胞外天线”以检测外部环境，可调节细胞存活，生长和分化以及组织稳态的分子的信号中心。例如，骨骼中的纤毛在血流中偏转并诱导PGE2释放，在肾脏的内皮或血管系统中，有初级纤毛似乎通过细胞内Ca2+的增加来传导流体流量。在软骨细胞中，初级纤毛的长度可能受机械负荷的调节。

生长因子受体也被认为是机械传感器。在组织加载过程中，细胞周围的空间减少，导致生长浓度局部相对增加。生长因子释放到细胞外的速率，与细胞的产生无关，也可以通过机械负荷来提高。

基质组成的变化也会使组织的生物力学特性发生变化，会导致机械负荷发生变化，从而向软骨细胞发出信号，包括MAPK途径，例如ERK1 / 2，JNK1和P38。Aggrecan，SZP / PRG4，软骨寡聚基质蛋白（COMP）和许多其他细胞外基质成分均通过动态加载而上调剪切或压缩，并通过静态压缩降低。机械负荷会改变关节软骨的代谢，而静态压缩通常会抑制蛋白质以及蛋白聚糖的合成和动态压缩增加了蛋白质和蛋白聚糖的合成。对于蛋白聚糖对动态负荷的反应涉及α5β1整联蛋白和CD47衔接蛋白，K+应力敏感离子通道，通过肌动蛋白细胞骨架，Fak磷酸化和自分泌/旁分泌的信号转导，IL-4信号传导。已在流体剪切诱导的单层软骨细胞增殖中观察到自分泌-旁分泌的转化生长因子β（TGF-β）的诱导。对于SZP，关节软骨的剪切负荷已证明通过I型TGF-β受体介导的SZP蛋白产量增加。

1.2.4细胞周围基质结构

紧邻软骨细胞的区域被称为细胞周围基质，其特征是具有细的胶原纤维（直径为10-15 nm），高浓度的蛋白聚糖和透明质酸；以及存在纤连蛋白，VI和IX型胶原蛋白，连接蛋白，双糖链蛋白聚糖，decorin和层粘连蛋白。IX型胶原调节II型纤维的直径。VI型胶原蛋白是细胞周围基质的关键成分，具有较高的细胞周围浓度，并直接与软骨细胞相互作用。尽管有证据表明它有助于保护压缩软骨过程中软骨细胞的物理完整性，并为基质组分的组装提供了一个封闭的位置，但还没有完全了解其确切功能。软骨细胞与这种细胞周围基质的结合被称为关节软骨，代表关节软骨的一个特定的，可分离的，代谢和解剖学的单元，其形态学差异因区域胶原结构而异。

细胞周围基质依次被区域和细胞间基质包围，这些外部区域通常也被称为细胞外基质。紧邻细胞周围基质（区域基质）的区域由与周围细胞外基质相似的分子成分组成，即II型胶原和高浓度富含硫酸软骨素的蛋白聚糖。在正常软骨中，VI型胶原也显示出局限于该区域。与周围的细胞外基质相比，区域基质显示出更高的蛋白聚糖浓度，并且具有更精细的胶原结构。关节软骨的负荷涉及力传递之前通过细胞外机制，区域基质和细胞周围基质到达软骨细胞。

1.3软骨基质的特征和组织

尽管关节软骨是一种代谢活跃的组织，其细胞外基质维持在恒定的周转状态，但并非所有分子成分都以相同的速率重构，并且基于组织内的空间位置而存在差异。疾病和损伤会改变软骨的生理机能和组织的更新，从而逐渐加速组织的破裂，稀疏的细胞群体无法在任何程度上修复软骨。降解和合成集中在紧邻软骨细胞的区域，而不是在区域和区域间组织区域。这可能是由于组织内软骨细胞的稀疏性质，以及需要源自软骨细胞的基于扩散的机制来扩散新合成的基质或基质重塑酶。胶原蛋白的周转速度估计很慢（> 100年），而聚集蛋白聚糖的周转速度更快，兔子的半衰期为8-300天。因此，这种聚集蛋白聚糖转换的失调可导致组织生物力学性能降低和最终失败的开始。基质的生化结构，无论是液体部分还是固体部分，都与软骨的机械功能密切相关。

1.3.1流体成分

水是关节软骨以及关节囊中滑液的主要液体成分。滑液是关节内具有非牛顿特性的粘性液体。滑液从组织液中以血液超滤液的形式产生的，提供营养和废物的去除，并且在润滑方面具有关键作用。滑液含有大量的透明质酸（~3 mg / ml）和其他润滑分子（例如SZP / lubricin / PRG4）。滑液通过填充软骨表面的凹窝来为关节软骨提供光滑层，该层不仅从关节腔中的储备液中补充，而且从软骨基质中渗出的流体中补充。这些使关节表面上保持了一层流体，使“持续润滑”产生了软骨功能所需的低摩擦表面。滑液的非牛顿特性（主要由透明质酸的粘度增强提供）可在施加剪切力时随着流体粘度的增加吸收。然而，滑液随后会立即降低粘度并随着应力的延长而变薄。

滑液中还含有大量无机盐，例如钠，钾，钙和氯化物。关节软骨中的大多数水都在细胞外基质的分子孔空间中，渗透到整个组织中。由于关节软骨没有血管，软骨细胞通过从关节间隙扩散而获得营养。作为主要载体，滑液在组织内营养物和废物的运输中起着重要作用。

渗入软骨基质的流体也起着重要的机械作用。压力负荷是关节软骨的持续压力源。如果水含量不高，在持续压力下，组织会更快分解。压缩负荷会迫使液体从组织中流出，并在一天内减少了总水分含量。但是，对于短时间的加载和大约100s的卸载，水与固体基质之间的摩擦阻力需要高压才能引起间隙液流动。从功能上讲，软骨的机械压缩会导致组织中液体的快速加压，进而支撑负荷。这种作为时间因素的负荷再分配取决于软骨的渗透性，并且主要由胶原网的孔径和蛋白聚糖大分子聚集体的大电荷密度的存在来介导。由于载荷是由流体而不是固-固相互作用来承担的，因此这种机制可以使软骨在反复压缩下的寿命更长，从而导致软骨内的循环静水压力。

1.3.2软骨内的带状变化

从关节表面到软骨下骨的关节软骨区域在细胞形态，胶原纤维取向和生化组成方面存在带状变化，可以通过细胞外基质的结构和组成以及组织内的细胞形状和排列来识别。这种具有特色的带状结构与生物学和机械功能密切相关。反过来，组成的变化会导致关节软骨的特定区域生物力学特性改变。压缩，剪切和静水压力的类型和模式的差异会导致各种基质成分的分布，组织，合成和周转率发生变化。

关节软骨的组成随着组织的发展而变化。成熟的关节软骨主要由水组成，约占重量的70-80％，固体部分主要是胶原蛋白（50-75％）和蛋白聚糖（15-30％），其余包括次要蛋白质分子和软骨细胞。胶原蛋白和蛋白聚糖的这种混合物形成了一个完整的网络，为在关节软骨中观察到的生物力学特性提供了基础。

1.3.2.1关节面

关节软骨表面被一层非常薄的蛋白质层所覆盖，称为薄层，为无细胞的且主要为非纤维的区域，厚度为数百纳米至几微米。其形成方式及其功能的假设包括：（1）该层存促进低摩擦并保护软骨表面的磨损，（2）由于滑膜液中蛋白质和分子的逐渐积累而形成。

1.3.2.2表面/切向区

关节软骨的表面/切向区占组织的上部10-20％，特征是具有平行于软骨表面定向的细直径，密集堆积的胶原纤维，基质具有相对较低的蛋白聚糖含量，以及较低的渗透性，允许压缩力沿软骨径向分布。该关节软骨区域负责发生发长，似乎含有祖细胞。表层区域的细胞分泌专门的蛋白质（例如SZP），其被认为可以改善组织的磨损和摩擦特性。流体渗出和压缩应变与剪切一致，这直接与胶原蛋白原纤维在区域内的分布有关。

（以上由黄璜整理）