不同年龄兔膝关节软骨单位和软骨细胞生物力学特性分析

研究背景：软骨细胞作为关节软骨组织的唯一细胞成分，其力学环境的变化直接影响关节软骨正常的生理功能。其中，细胞周基质（PCM）、细胞膜及细胞骨架等在维持软骨细胞力学特性的过程中具有重要作用。本实验与软骨细胞比较，利用微管吸吮技术定量分析体外酶解消化兔膝关节软骨单位（chondron）的黏弹性力学特点。同时，通过分析软骨细胞和软骨单位随年龄增长力学特性的变化，探讨软骨单位在关节软骨发育成熟及退变力学机制中的作用。方法：新西兰白兔按年龄分为三组：幼年组（2月龄）、中年组（8月龄）及老年组（31月龄），各组10只。无菌条件下剖取双膝关节全层软骨，其中右膝关节软骨组织采用常规0.4% Pronase酶和0.025% II型胶原酶依次消化为软骨细胞；右膝关节软骨采用0.3% dispase酶和0.2% II型胶原酶联合搅拌消化3h为软骨单位。利用微管吸吮结合半无限体细胞力学模型定量分析急性消化不同年龄软骨细胞及软骨单位黏弹性力学特点，包括平衡模量E∞、瞬间模量E0和表观黏性μ等黏弹性参数。 同时，将不同年龄软骨单位进行体外贴壁单层培养过夜，采用倒置显微镜、HE染色以及Ⅵ型胶原免疫荧光显微镜观察等方法分析不同年龄软骨单位体外组织形态学特点。结果：在0.3～0.4 kPa恒定微管负压状态下，不同年龄软骨细胞均表现为典型的黏弹性固体特性。定量分析表明，老年组软骨细胞黏弹性力学较幼年组和中年组比较明显降低(P<0.001)，但幼年和中年组之间无明显差异(P>0.05)。与软骨细胞比较，体外消化软骨单位细胞周基质成分完整，并且较好地保留了不同年龄软骨单位原位的组织形态学特点。与软骨细胞比较，将微管负压提高到1.0～1.1 kPa，幼年组和中年组软骨单位同样表现为黏弹性蠕变行为。但软骨单位蠕变幅度和时间明显降低，且中年组和幼年组软骨单位黏弹性力学参数（E∞, E0 和μ）较同年龄软骨细胞明显提高(P<0.001)。同时，随年龄增长，软骨单位体外黏弹力学特性逐渐增高。其中，中年组软骨单位较幼年组比较力学特性明显提高(P< 0.001)，老年组软骨单位在同样的负压状态下，未发生任何的蠕变变形行为。结论：本实验建立了一种将体外软骨单位作为整体结构进行定量微观吸吮力学分析的实验方法。同时，研究结果进一步提示软骨单位及细胞周基质在关节软骨发育成熟及退变机制中的力学作用。

Viscoelastic properties of chondrons and chondrocytes isolated from age-related normal rabbit knee