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关节软骨钙化层相关研究进展

归档日期:07-17       文本归类:分布透明性      文章编辑:爱尚语录

  关节软骨属于透明软骨,具有重要的生理功能。钙化层(CCZ)是介于透明软骨和软骨下骨之间的重要界面结构,有着重要的理化功能,在传导关节机械应力、维持软骨组织微环境、调控骨与软骨组织间液交换等方面起着重要作用。近年来,对软骨缺损的修复基础研究和骨关节炎病理机制研究取得重要进展,研究发现,钙化层组织在软骨缺损修复和骨关节炎(OA)病情演变中有着关键作用,本文对此进展进行综述,以期对未来新的治疗提供参考。

  成人正常的关节软骨组织在生长成熟前,仅含两层成软骨细胞增殖区,在不断发育过程中,近关节面一侧的浅层增殖区向外增殖,同时,深层的增殖区向内成骨形成软骨下骨。在此过程中,软骨基质中钙盐沉积和吸收为相持状态,以达到使骨骼生长发育的目的。当骨骼成熟后,不再吸收沉积的钙盐,便在两层结构间形成钙化层结构。

  成熟后的关节软骨组织,根据糖胺聚糖(GAG)和胶原蛋白(COL)含量的不同,以及胶原纤维取向和细胞密度的差异,在结构上自关节面由浅至深可大致分为非钙化软骨层和钙化软骨层,其中,非钙化软骨层又称透明软骨层,包含浅表层、过渡层、辐射层、钙化软骨层,再往深面为软骨下骨。钙化层向上与辐射层通过波浪状的潮线结构相连,此结构是透明软骨层与钙化层矿化缘之间的生理分界线,潮线结构的出现,表明关节软骨已基本发育成熟。钙化层向下与软骨下骨通过紧密的梳齿状黏合线结构相连,这种紧密的交互锚合方式,极大地组织界面之间的接触面积,也强化了界面之间的连接强度,使得关节软骨得以强有力地固定于软骨下骨之上,同时有利于向软骨下骨传导分散关节软骨承受的瞬时应力。

  关节软骨钙化层处于潮线和黏合线之间,其结构较为致密,在正常成人,其平均厚度约为20~243μm,根据年龄、关节部位和受力的不同而变化。成人关节软骨钙化层组成分为有机成分与无机成分,其中有机成分主要是Ⅱ型胶原,约占钙化层组织干重的20.16%±0.96%,显著低于透明软骨的Ⅱ型胶原含量(61.39%±0.38%),Ⅰ型胶原主要存在于软骨下骨,占其干重的13.69%±0.45%;无机成分主要是低晶态羟基磷灰石,约占组织干重的65.09%±2.31%,显著低于其在软骨下骨的含量(85.78%±3.42%)。因各层组成成分、含量的不同,导致了不同的力学特性。最上层的透明软骨层弹性模量约为1.9~15MPa,钙化层弹性模量约为(0.32±0.25)GPa,而软骨下骨弹性模量高达4GPa,各层之间差异显著。

  关节软骨各层组织的不同,一方面是因为糖胺聚糖和胶原含量的不同,另一方面是由于胶原纤维排列方向和细胞致密度的不同。Antons等通过纳米压痕技术以及阿新蓝染色对人体内侧后股骨髁软骨结构进行研究发现,从软骨浅表层到过渡层,糖胺聚糖的含量呈现递增的趋势,从过渡层到潮线结构,其含量递减。这些组成成分、结构的不同,从根本上影响了其材料特性。

  作为连接软骨-骨组织的“桥梁”在既往研究中发现,软骨下骨组织通过其血液循环进行营养物质供给及氧供,提供组织新陈代谢所需;丰富的血供及氧供使得骨组织具有极强的自我修复能力。而软骨组织的微环境中缺乏氧供、血供,主要通过关节腔内的关节液供给营养,故而软骨组织修复再生能力较之于骨组织较弱。在软骨下骨组织与软骨组织之间,存在致密钙化层结构,将二者连接起来,同时形成一道屏障,阻止髓腔内液体进入关节腔内,从而使软骨及软骨下骨的微环境保持稳定。钙化层的这种屏障功能,有利于不同组织的生长发育。

  但是,最近的相关研究表明,钙化层的这种屏障也可以允许部分物质通过。Arbabi等通过实验与计算机模型的结合,对中性溶质在骨软骨界面的通透性进行研究,发现因钙化层多孔性的存在,中性溶质(大小为1550Da)可自由通过。这一研究结果与之前Arkill等利用定量荧光显微镜研究的结果相一致,表明部分信号分子仍可在软骨组织与软骨下骨之间通行。同时,Pouran等通过对人和马进行mi⁃cro-CT定量、定性分析,可见小分子溶质通过钙化层进行扩散。

  综合上述研究结果,表明软骨钙化层组织形成的屏障,具有类似于半透膜的作用。在正常机体状态下,一方面,钙化层的屏障作用可阻止O2随意透过钙化层,保持软骨组织特殊的缺氧微环境;另一方面,钙化层的半透膜效应,可以允许小分子物质与信号分子透过钙化层。钙化层在骨-软骨连接中必不可少,二者通过钙化层形成了一个互相独立又密不可分的功能单位。

  生物力学功能如上所说,钙化层在骨-软骨组织的连接中起着至关重要的作用,通过黏合线和潮线结构使非钙化软骨紧密锚定于软骨下骨,钙化层内垂直分布的胶原纤维在应力的传导分散方面也更具优势。软骨组织弹性模量的梯度是因成分不同导致的,Antons等通过纳米压痕技术对人股骨髁软骨进行研究发现,软骨组织弹性模量随着深度加深而加大,软骨浅表层弹性模量为(0.020±0.003)MPa,而软骨钙化层为(6.44±1.02)MPa,这可能是因为在软骨深层,胶原纤维含量更多、直径更粗。

  在关节的应力传导分散方面,钙化层起着至关重要的作用,潮线和黏合线使钙化层上下的接触面增大,这有利于应力的分散。为了传导关节负荷,一定厚度的钙化层才能满足这种生理功能需要,钙化层通过自身结构重塑,使其厚度维持在一个相对稳定的范围。同时,钙化层的硬度比非钙化软骨层高,而低于软骨下骨,这种生理结构有利于软骨承受的应力负荷向软骨下骨传导。在此传导过程中,会形成强大的剪切力,潮线与黏合线的存在,使剪切力得以分散转化,防止软骨被撕脱。

  Li等通过对3D打印支架的研究发现,具有钙化层的打印支架最大抗压强度为(89.2±16.4)kPa,而不带钙化的支架最大抗压强度仅为(46.1±10.5)kPa,具有钙化层的支架抗压强度是无钙化层支架的1.9倍;抗剪切强度分别为(109.7±12.3)kPa和(51.8±11.4)kPa,具有钙化层的支架抗剪切强度是无钙化层支架的2.1倍。这种显著的力学特性差异表明钙化层在加强软骨应力传导方面具有至关重要的生理意义。

  OA的起始变化多发生在非钙化软骨层,进而引起软骨钙化层的病理性改变。随着OA的发生,非钙化软骨层蛋白聚糖和胶原纤维的大分子结构被破坏,胶原纤维肿胀、张力减小,导致结合水减少,自由水增多。钙化层作为传导软骨应力的重要结构,其与非钙化软骨交界处的潮线结构承受较大压力。钙化层在反复受压的环境之下,结构上发生病理变化,出现类微骨折状的微裂隙,在主要负重区尤其严重。此类微裂隙的产生,导致钙化层被新生血管组织侵入、潮线组织矿化,加剧了非钙化层软骨的退化进程。

  在OA早期发展,钙化层和生长板发生重塑、软骨变薄,这可以作为OA早期进展的一个特征性改变。钙化层内细胞表达肥大软骨细胞表型,并同时分泌Ⅹ型胶原,随后软骨基质发生矿化改变,导致潮线前移、软骨下骨发生病理性改变。随着OA的进展,软骨细胞基质金属肽酶(MMP-1,MMP-3)的分泌显著增多,软骨渗透性增强。

  Ley等在马的跗骨关节观察OA与钙化层退变的关系,发现钙化层的退变导致非钙化软骨层与软骨下骨的直接接触,这对软骨细胞有着极为不利的影响。非钙化软骨层中软骨细胞的缺失,与透明软骨纤维化有着重要的正相关性,而这些细胞的缺失,则是软骨细胞坏死的结果。Hargrave-Thomas等利用牛构建OA模型,发现随着OA的进展,软骨组织中蛋白聚糖(PGs)的丢失加剧,钙化层变薄,微裂隙形成增多,一部分新生毛细血管入侵钙化层,导致软骨组织失去钙化层的保护,形成恶性循环,加速OA进程。

  通过界面组织工程修复软骨缺损的策略在近年提出,并迅速成为研究热点,具有深远的临床意义。因为钙化层独特的生理功能,在软骨缺损的修复中,重建钙化层结构必定是要重点研究的问题。Atesok等通过对多层支架的研究发现,具有钙化层的复合支架对于软骨组织的再生修复,起着积极的促进作用,并且也具有更好的生物力学特性,例如在抗压强度、抗剪切力方面。Chen等利用兔骨髓基质细胞(MSCs)在体外进行双室联合培养修复软骨结构,发现可促进钙化层结构的形成,产生更多的细胞外基质以及具有生理意义的肥大软骨细胞,Ⅱ型和Ⅹ型胶原的生成也更多。逐步深入的有关钙化层的研究表明,钙化层在软骨修复方面,除了独特的机械力学优势,其生物化学作用对于软骨再生具有重要意义。

  钙化层作为连接非钙化软骨与软骨下骨的重要结构,具有不可或缺的生理意义与力学特性,是正常骨组织发挥生理效应的重要功能结构。既往对钙化层的研究不够深入、细致,随着研究的加深,钙化层结构在OA研究、软骨组织工程修复中的现实意义逐渐凸显。其对于OA进展的影响,相关的分子机制,对软骨组织的保护作用,有待更深入的研究。钙化层对于软骨组织生长发育的各种影响,决定了其在软骨组织修复中的重要地位。钙化层的研究有着良好的应用前景,同时也具有重要临床意义,随着研究的深入,对OA进展的防治,组织工程修复软骨结构等这一系列问题也将迎刃而解。

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