文摘

本研究的目的是调查如果实验发现改变软骨细胞体积行为可以解释为在早期骨关节炎软骨细胞外和pericellular矩阵性质的变化。基于我们自己的实验测试和文献,正常的结构和力学参数和骨关节炎软骨中被实现为一个多尺度fibril-reinforced多孔弹性膨胀模型。模型模拟与实验观察到的机械加载软骨细胞体积变化,获得前交叉韧带切断兔的膝盖。我们发现在骨关节炎软骨细胞体积增加了7%以下组织的机械负荷模型。相比之下,细胞体积下降了4%在正常软骨模型。这些研究结果与实验结果一致。增加当地的横向组织应变由于减少胶原原纤维刚度伴随着pericellular矩阵的固定电荷密度可以增加细胞体积高达12%。这些发现表明,细胞体积的增加机械加载骨关节炎软骨中主要是解释为减少pericellular固定电荷密度,而表面的胶原原纤维刚度建议贡献其次细胞体积的行为。

1。介绍

骨关节炎(OA)是一种进行性关节疾病,组织的组成、结构和力学性能都有明显的改变(1- - - - - -3]。前交叉韧带断裂(ACLT)兔子是一种常见的、定义良好的早期OA的模型。改变后膝关节软骨ACLT可以模仿人类OA软骨结构和生理上的变化,虽然疾病进展是兔子的速度比人类4,5]。在OA的早期阶段,表面蛋白聚糖(PG)据报道内容和胶原原纤维取向改变,而胶原蛋白含量仍相对保持不变(1- - - - - -3,6)或者略有减少(7]。此外,有人建议pericellular矩阵(PCM)也改变了早期OA (8- - - - - -10]。ECM和PCM性质和结构的变化导致软骨细胞的渗透和机械环境改变(11- - - - - -15),可能改变软骨细胞体积、形态和生物合成(6,11- - - - - -13,15,16]。PCM的能力来保护细胞也会削弱在OA (9,10,17- - - - - -21),暴露出细胞故障和死亡。

据报道,实验软骨细胞变形响应机械负荷大大不同侧与正常相比在ACL切断联合关节。尤其是细胞体积被证明能增加机械加载ACL断掉的关节软骨,而据报道在侧降低,正常关节软骨(22,23]。结果是推测,细胞体积的增加主要来自改变PCM属性(8- - - - - -10,18,20.,24- - - - - -26]。然而,组织属性细胞体积变化的影响行为无法轻易量化使用的实验技术。有限元分析可以用来评估特定属性的关节软骨软骨细胞功能(3,9,10,18,20.,24- - - - - -27]。具体来说,fibril-reinforced生物力学有限元模型可以区分不同的软骨成分变化的影响(即。、胶原网络、固定电荷密度(FCD)和组织液)ECM和PCM细胞反应和细胞组织的相互作用10,18,20.,24- - - - - -27]。

本研究的目的是找到的原因改变在健康的软骨和软骨细胞变形行为的早期OA使用fibril-reinforced计算建模。模型包括ECM、PCM和细胞占与深度有关的胶原蛋白含量的变化,FCD,和胶原蛋白的定位,从傅里叶变换红外(FTIR)获得的显微镜,数码显微测密术(DD)和偏光显微镜(PLM)的实验样品进行测试。理论上我们模拟加载协议使用的实验和分析相应的细胞数量和形态的变化。此外,我们进行了参数分析,量化FCD的个人贡献,胶原蛋白和水的PCM和ECM细胞体积的变化。我们假设主要是胶原原纤维的性质在ECM和PCM的固定支出影响细胞体积的行为。因此,这项研究提供了更好的对软骨细胞之间的相互作用的理解,PCM, ECM早期OA。

2。材料和方法

2.1。实验分析的细胞体积

在以前的实验研究,以及髌只是成熟的新西兰白兔的收获4周(22和9周23ACLT后)。样本取自实验和侧(CNTRL)关节22,23]。外科手术是根据加拿大动物保护协会的指导方针和动物伦理委员会批准,卡尔加里大学的。

软骨样本沾右旋糖酐(美国表达载体、分子探针或最终浓度为0.8毫克/毫升(23)和4.8毫克/毫升(22)四到八小时在4°C,在磷酸盐缓冲盐水洗(PBS)为了消除多余的右旋糖酐,在样品架和固定。然后,样本保存在PBS。更多细节,请参阅[22,23]。

激光扫描显微镜(蔡司LSM 510元,卡尔蔡司,Inc .)、德国)与传统共焦和dual-photon模式与一个缩进系统(硬度计压头dia相结合。2毫米)同时被用于细胞成像和机械压痕的样品获得9 (23)和4 (22ACLT)周后。系统的标定是由成像聚苯乙烯微球(美国Polysciences Inc .,沃灵顿,PA,直径)Dextran-stained琼脂糖凝胶。2 MPa压力最初是应用于中间的样本的速度~ 6μ米/秒(23)和~ 10μ米/秒(22]。其次是力放松;即位移持续20分钟举行。细胞数量和形态的分析,图像捕获堆栈为0.5μm增加到60μ米深度的软骨表面,之前和之后的机械负荷。图像阈值被定义为每个单元单独使用中值的强度图像的直方图22,23)和细胞重建的3 d图像。当地的轴向和横向ECM压力计算根据先前的研究(,在那里和是细胞加载前后之间的距离,分别)[22,23,28]。系统校正、三维图像重建、细胞数量和形态分析,确定当地ECM srains详细介绍了在先前的研究22,23,29日]。

2.2。微观组织结构和成分的分析

压痕测试后,成分(胶原蛋白和PG内容),和软骨的胶原蛋白定向样品测定使用红外光谱显微镜,DD,分别和PLM (22]。以及髌在福尔马林固定,EDTA脱钙,脱水,二甲苯在石蜡包埋前处理(详情,请参阅[30.- - - - - -32])。微观部分(每样三个部分,厚度5μ红外光谱的m, 3μm DD和PLM (22]),获得同一地区的机械负荷发生软骨,软骨表面垂直地削减。PLM和红外光谱的部分deparaffinized后卫被移除和透明质酸酶消化(1000 U /毫升透明质酸酶,Sigma-Aldrich,圣路易斯,密苏里州,美国)。与safranin-O DD样本染色。部分红外光谱被放置在奈米的窗户,而PLM和弟弟被放置在标准显微镜幻灯片。红外光谱、DD和PLM技术分析详细介绍了软骨的结构和成分的其他几个研究[3,7,30.,31日,33- - - - - -38];因此,这里只给出了这些方法的简要描述。

空间PG样品确定的内容与DD(光度CH250有限公司,图森,亚利桑那州,美国)的光学密度(OD)量化safranin-O彩色部分(22,33- - - - - -37]。吸光度图像(4 x放大,700 ms曝光时间)被抓获的软骨表面cartilage-bone界面从一个手工绘制~ 400μ米宽矩形轮廓。概要文件是平均水平表示的内容与深度有关的PG样本。

2.3。有限元分析

构造了一个轴对称有限元(FE)模型与fibril-reinforced多孔弹性肿胀属性(24,39]。简而言之,在fibril-reinforced模型中,关节软骨被认为是组成的两相的材料nonfibrillar(动力和流体)和纤维(胶原网络)矩阵。纤维组成的矩阵组织小学和随机二次纤维组织。主要的纤维拥有一个街机风格取向;在浅区纤维平行于表面;在中间区域它们弯曲向深区域纤维软骨表面垂直于(40]。在每个集成点,最初的原纤维取向是由一个单位向量表示。重新组织变形后,原纤维网络和新的纤维取向使用以下公式计算: 在哪里是变形梯度张量。胶原蛋白网络建模使用弹性纤维抗张力;因此,原纤维压力(是由 在哪里纤维模量和网络吗原纤维应变。主要的和次要的原纤维应力可以表示为 在哪里和分别是主要和次要的应力纤维;是一个积极的常数描述之间的密度比中小学纤维;和是胶原蛋白与深度有关的总分数/固体总量(39]。原纤维的数量在每个集成点设置和(39]。

nonfibrillar矩阵被实现为一个非线性新虎克porohyperelastic材料。新虎克的压力可以表示为 在哪里和体积和剪切模,和张量是团结。磁导率在以前的研究中被实现为(18,39,41根据[]和假定为孔隙比依赖42] 在哪里初始磁导率;和分别是当前和初始孔隙率;和是一个积极的常数。

fibril-reinforced模型还包括渗透肿胀和化学膨胀压力占组织肿胀。唐南渗透肿胀压力梯度可以确定在平衡时,(43), 在哪里,,,是内部和外部的渗透系数和内部和外部活动系数,分别;外部盐浓度(0.15);是摩尔气体常数(8.3145 J /摩尔K);是绝对温度(293 K)。化学膨胀应力可以表示为,44), 在哪里和材料常数(39),是移动离子浓度。

总压力在fibril-reinforced多孔弹性肿胀模型如下,(39]: 在哪里是单独的原纤维应力,合计原纤维的总数,是水的电化学势(44]。

红外光谱是用来确定软骨的胶原蛋白空间内容通过观察软骨的特征红外吸收光谱(3,7,22,23,38,45,46]。样本成像(光谱分辨率= 4厘米⁻¹像素大小= 6.25μ米)从软骨表面的软骨下骨(500μ米宽的矩形区域)。获得的光谱被减去offset-corrected光谱的最小值,并计算出的平均深度方面胶原蛋白含量平均综合吸光度值酰胺我峰(1585 - 1720厘米⁻¹)[3,7在一个平面平行于软骨表面。所有红外光谱测量使用PerkinElmer频谱进行焦点300 FTIR-imaging系统(美国珀金埃尔默,沃尔瑟姆,MA)在传输模式。

PLM是用于分析与深度有关的胶原原纤维取向(22,30.,31日,33]。测量进行了清白的部分(宽度~ 400μ米,高度从表面到cartilage-bone接口)通过使用Leitz则Ortholux II波尔偏光显微镜(Leitz则位于德国)和Peltier-cooled,高性能CCD相机(光度SenSys, Roper科学,图森市阿兹,美国)。4 x放大图像记录,800 ms的曝光时间。最后,一个深度方面胶原原纤维取向地图与斯托克斯参数计算(31日]。

2.3.1。ACL切断和侧模型

有限元模拟的实验测量,一个全球模型构造了一个缩进几何包含1608 4-node轴对称多孔元素(类型CAX4P)和只包括ECM(图1)。硬度计压头是假设模型中的刚性。对称的运动轴在横向方向限制,而样本的底部固定在轴向方向。的边缘软骨和软骨自由表面硬度计压头(不接触),自由流体流动是允许的。在初始位置与软骨表面硬度计压头不在联系。自由膨胀后步骤(组织肿胀(6)和(7))硬度计压头移动到与软骨表面接触。软骨表面之间无摩擦接触被认为和硬度计压头。接触之后,2 MPa压缩步骤和一个20分钟的力量放松期间,所做的实验(22,23]。子模型,位于表面区,由一个节点输出(位移和孔隙压力)从全球模型,获得了ECM的一小部分(398个元素)。它包括PCM(80个元素)和细胞(102个元素(图)1)。单元格高度和宽度确定直接从实验3 d重建。的fibril-reinforced多孔弹性膨胀材料实现对ECM和PCM与用户定义的材料脚本(UMAT),而纤维细胞中被忽略了。仿真和有限元分析进行6.11 - 2(美国普罗维登斯达索系统公司股价,RI)。

首先,成分、结构和侧关节软骨的力学参数得到的显微光谱分析和文学,和实现模型(图2、表1和2CNTRL模型)。分层厚度,从PLM数据获得的侧关节软骨(图2 (b)),7%,18%,和75%的软骨厚度表面,中间,和深区,分别47]。胶原蛋白水分数,分数,和FCD值获得从早期的研究24,48]。PCM胶原刚度假定为10%的ECM和液体分数被认为不变,同样是在早期的研究(10,18]。PCM的FCD被认为是高于ECM (FCD ECM)的1.27倍10,18PCM)和胶原网络方向是平行于细胞膜(21]。细胞的FCD被认为低于ECM (49),它是类似的,是早期的研究(10,18,50]。渗透率是假定为非线性,孔隙比的依赖(,(5在ECM ())10,18)和常数(,(5PCM和细胞)。机械的概述、结构和ECM成分参数,PCM,细胞CNTRL模型提出了表的引用1。

在早期OA软骨的变化属性(即。,reduced collagen fibril stiffness due to increased superficial fibrillation in the ECM and decreased superficial FCD), estimated from our 4-week experimental test group [22),实现了ACLT模型(图2、表2,ACLT模型)。此外,颤动的PCM胶原原纤维胶原原纤维刚度降低,减少了FCD内容在PCM和PCM含水量增加,和ECM,大概出现在ACLT(早期OA)软骨1- - - - - -4),也到ACLT模型实现。然而,符合我们的实验测量22),胶原蛋白含量(见(3在ACLT模型)没有改变。CNTRL和ACLT模型被压缩在上面的实验解释道。然后,分析了归一化细胞体积模型和实验结果。除了细胞体积的行为,当地的轴向和横向ECM菌株,从实验研究获得细胞形态(22,23),与有限元模拟的结果进行了比较。

2.3.2。参数研究

试验加载协议。为了澄清ECM和PCM属性的重要性在细胞体积加载实验应用协议,进行了敏感性分析。的影响ECM胶原原纤维刚度的变化,FCD,和液体分数在细胞体积进行了探讨,在PCM属性保持不变(表2,参数ECM模型)。自从PCM属性被假设进一步调节细胞体积,但他们无法获得直接从实验中,灵敏度分析PCM的重要性(即属性。PCM胶原原纤维刚度不同,FCD和液体分数)在细胞体积进一步(表进行2、参数CNTRL PCM和ACLT PCM模型)。CNTRL PCM属性的影响和ACLT模型模拟有无化学膨胀压力(见(7))。最后,pericellular FCD自由膨胀后的效果一步chondron属性(原纤维细胞体积、平均应变在PCM和平均渗透压PCM)进行了研究。

持续不断的压力。因为主要胶原原纤维模量的减少ECM组织应变显著增加了使用实验加载协议,ECM的影响和PCM属性规范化细胞体积也不断组织应变参数化分析(ε= 16%)产生的实验23]。这样做是通过改变一个ECM单独或PCM矩阵组件(胶原蛋白刚度,FCD、流体分数),同时保持其他参数不变(表2PCM参数ECM模型和参数模型1 - 4)。

2.4。统计分析

所有实验数据提出了均值的平均值±标准误差。单向方差分析应用参数对比组(ACLT侧)。样本之间的结构和成分差异评估魏克森讯号等级测试。SPSS 17.0(美国SPSS Inc .,芝加哥,IL)是用于统计分析。

3所示。结果

3.1。实验结果与有限元模拟

平均表面区细胞体积在稳态后组织压缩(2 MPa压缩紧随其后20分钟放松)降低了5±1%,侧增加24±4% ACLT关节软骨获得ACL横断后4周(22]。在软骨ACL横断面样本获得9周后,机械压缩引起了8±2%减少表面的组织细胞体积增加侧和一个8±3% ACLT关节软骨的表面组织细胞体积(23]。侧之间的体积变化和ACLT组明显不同4周()和9周()的研究。在有限元模型中代表侧软骨(表2CNTRL模型),观察表面的组织细胞体积减少4%的结果组织压缩。在有限元模型中代表ACLT关节软骨(表2ACLT模型),细胞体积增加了7%(图3)。

由于组织压缩,改变细胞高度(轴向细胞株)7百分比低()和变化在细胞宽度(横向细胞株)9高出(、表3Turunen et al。22)在ACLT关节软骨ACLT)(4周后,相比侧组。ACLT关节软骨中获得ACLT 9周后,改变细胞高度是6个基点()低,变化在细胞宽度高出5百分点(、表3,汉族等。23]),而侧组。有限元模型中代表ACLT关节软骨组织压缩单元格高度和宽度的变化增加了9个和16个百分点,分别(表3、模拟),而侧模型。

ACLT关节软骨中获得ACLT 4周后,平均当地ECM菌株由于组织压缩高出4和3点在轴向和横向方向,分别比侧组(表3Turunen et al。22])。在ACLT关节软骨ACLT获得9周后,平均当地ECM菌株11 ()和6个基点()在轴向和横向方向,分别比侧组(表3,汉族等。23])。有限元模型中代表ACLT关节软骨,当地ECM菌株9和5高出在轴向和横向方向,分别比侧组(表3、模拟)。

3.2。参数研究

3.2.1之上。试验加载协议

试验荷载作用下协议,分析ECM(表属性的影响2、实验加载协议,参数ECM模型)表明,ECM胶原原纤维刚度的降低10 MPa 7.5 MPa造成大幅提高规范化细胞体积(图4(一))。大量的FCD ECM细胞体积增加,而ECM的液体分数的变化有一个规范化的细胞体积(数据的微不足道的影响4 (b)和4 (c))。

额外的分析的影响ACLT模型(PCM属性表2参数ACLT PCM模型)显示,PCM胶原原纤维刚度的增加对ECM原纤维刚度引起的细胞体积的进一步增加机械加载组织(图5(一个))。另一方面,细胞体积增加的最大(12%)被减少pericellular FCD(图观察5 (b))。孔隙流体变化的PCM只有轻微影响细胞体积(图5 (c))。相同的趋势的行为规范化细胞体积的函数的成分/结构性变化观察侧模型(图5和表2、参数CNTRL PCM模型)。此外,这些趋势保持不变在模拟化学膨胀压力(见(7),图5),即使细胞体积增加减少ACLT模型。

自由膨胀后一步,减少pericellular FCD PCM的平均渗透压降低,增加绝对细胞体积(图6和表2,参数CNTRL PCM参数ACLT PCM模型)。绝对细胞体积增加更多ACLT模型比CNTRL pericellular FCD时低于细胞(< 0.08毫克当量/毫升),渗透压,两个模型都保持不变。pericellular FCD时减少或增加的价值~ 0.07毫克当量/毫升,PCM的原纤维平均应变增加。原纤维株高在ACLT模型比CNTRL模型。

3.2.2。恒应变

在模型中在恒定应变(16%;表2、恒定应变参数ECM模型)20分钟,减少细胞外胶原原纤维模量和FCD规范化细胞体积(数字有所下降4(一)和4 (b)分别)。只有大量的FCD ECM(> 1)细胞体积增加引起的。ECM液体分数的变化可以忽略不计的影响归一化细胞体积(图4 (c))。

模型在恒应变预测时归一化细胞体积减少PCM胶原原纤维模量降低(图7(一))。在模型MPa,机械组织压缩细胞体积增加时(> 1)PCM胶原原纤维模量大于。时没有被观察到为2.5 MPa。相比之下,归一化细胞体积增加pericellular FCD时减少(图7 (b))。在模型MPa,机械组织压缩引起的细胞体积增加时(> 1)pericellular FCD不到~ 0.1毫克当量/毫升。时没有被观察到为2.5 MPa。再次pericellular流体的变化分数只有轻微影响归一化细胞体积和它无法解释细胞体积的增加(> 1)由于组织压缩(图7 (c))。

4所示。讨论

我们调查了在早期OA软骨细胞体积行为使用fibril-reinforced多孔弹性膨胀模型。ECM成分和结构参数得到从微观和光谱分析和文学的影响和改变ECM和PCM细胞数量和形态上的属性。有限元模型模拟正常和OA(原纤维网络刚度降低由于增加胶原原纤维取向角(51),减少了FCD和增加液体分数)软骨复制实验检测机械加载软骨细胞体积变化。增加局部组织菌株由于减少ECM胶原原纤维刚度和减少pericellular FCD被证明最重要影响细胞体积。

OA软骨的fibril-reinforced肿胀模型能够再现实验观察细胞体积增加后机械组织加载。结果明确显示,增加表面胶原网络OA月初颤,降低抗拉强度模拟的表面区域胶原蛋白,增加全球和本地ECM菌株;尤其是地方横向ECM应变增加了3,6和4 - 5百分点和实验ACLT 9周组和ACLT有限元模型,分别比侧组。这些增加的地方横向ECM应变可以解释增加细胞宽度和卷后机械加载;5 - 9 -,宽度和29 -增加16%,16 -,和11%体积的增加在4 - 9周实验观察ACLT团体和ACLT有限元模型,分别比侧组。此外,减少pericellular FCD,大概出现在早期OA,减少了PCM肿胀压力和平衡刚度(52,53]。这进一步放大,细胞体积的增加各向同性的,细胞体积大12%相比模拟noncompressed软骨细胞。

与我们其他的假说,减少pericellular胶原网络模量无法解释实验观察细胞体积的增加机械负荷。在PCM的胶原原纤维模量减少,导致ECM的硬纤维PCM体验更大的拉伸应变水平方向,从而减少细胞伸长和体积。另一方面,pericellular胶原原纤维刚度可能间接影响细胞体积增加。胶原原纤维抵抗组织扩张造成的FCD,为软骨提供网络和它在一起,在形状(52- - - - - -54]。如果pericellular FCD减少,胶原网络的拉力是减少,导致PCM刚度下降。这可能允许细胞扩大机械加载软骨。可能在动态/冲击荷载pericellular胶原蛋白在细胞体积的影响会更明显,因为胶原原纤维主要是负责关节软骨的动态响应。

在自由膨胀一步,pericellular FCD调制大幅绝对细胞体积,pericellular原纤维应变和渗透压(图6)。如预期,减少pericellular FCD PCM的渗透压下降,因此,允许一个小细胞体积增加。有趣的是,通过减少FCD PCM低于细胞,细胞经历了低渗的挑战与流体流入和大量增产。抛物行为pericellular原纤维应变可能解释为渗透压之间的交互,纤维和细胞。随着pericellular FCD低于FCD的细胞,细胞体积的液体流入和大幅增加增加了PCM的平均纤维应变。另一方面,pericellular FCD值高,渗透压增加了预应力的增加在PCM胶原原纤维。绝对细胞体积的变化和pericellular原纤维应变放大ACLT模型,较弱的胶原原纤维结合起来而CNTRL模型。

ACLT和侧组之间相比,2 MPa压力之后,放松是受到外力的影响。这导致了不同的组织之间的压力团体作为软骨属性被改变。如上所述,特别是减少表面的胶原原纤维模量增加全球及本地菌株,进而导致细胞体积增加。然而,在一个恒定的压力(16%)、ECM成分的变化观察早期OA(即。,a decrease in the collagen fibril modulus, a decrease in FCD, and an increase in the fluid fraction [1- - - - - -4])归一化细胞体积减少。由于胶原蛋白是已知控制抗拉刚度的软骨,这表明,削弱或有原纤维的ECM可能使细胞张力小,横向力和压力。另一方面,ECM的FCD肿胀属性中有一个重要的角色和平衡反应的软骨(53,54]。因此,减少细胞体积的减少细胞外FCD内容可以解释为ECM平衡刚度降低,随后chondron减少压缩和拉伸力。参数分析PCM属性产生的效果相同的结论无论加载协议通过武力(恒定应力松弛或恒定应变);只有减少pericellular FCD细胞体积的增加引起的机械加载软骨。

在实验和模型,平衡态被认为在压缩和20分钟后放松。因此,液体的影响可以忽略不计分数的标准化在组织细胞体积压缩观察。在未来,实验测试应该进行检查细胞变形下的生理行为,动态组织加载,计算模型应该应用于揭示细胞变形行为类似的原因在这里观察稳态条件。

在实验测量,ACLT关节软骨细胞压缩7(4周ACLT)和6个基点(9周ACLT)相比少侧关节软骨。然而,在有限元模型中代表ACLT关节软骨细胞在ACLT压缩9高出软骨模型侧软骨相比模型(表3)。绝对的细胞模型的应变值也高于实验。这是符合最近的一项研究,表明细胞刚度原位可能远远大于测量吗在体外(20.),PCM性质可能改变更多的实验。这表明,我们的选择的材料参数PCM和细胞可能不完全准确。额外的分析表明,50%的减少pericellular FCD引起的轴向抗压细胞株36%和35%的横向细胞株。这些接近实验中观察到的值(表3)。此外,细胞属性例如由于多动症在OA软骨(2,55- - - - - -58)可能增加了细胞刚度实验。这可能进一步增加细胞的不同菌株之间的实验和模型。然而,绝对细胞应变值的差异不会影响细胞的一般行为,本研究的结论。

由于轴对称模型,细胞在硬度计压头的中心位置,因此,当地ECM菌株和细胞形态也定义在这个位置。在实验中,分析了细胞位于任意硬度计压头下。这可能部分解释了差异绝对值的细胞菌株之间的有限元模型和实验。而且,一个真正的3 d几何与软骨和不同细胞的分裂线宽度和深度模型中并不占(18]。3 d建模肯定会使更好地评估和建模的细胞形态(28,59]。尤其是软骨载荷作用下细胞宽度和深度的变化,和分裂的关系线,可以分别研究。然而,分模线实现和真正的3 d几何不会改变本研究的结论。

实验调查同时细胞体积和合成的研究表明~ 30 ~ 50%的静态压缩软骨细胞容积减少,PG合成约40 ~ 30 - 40% ~ - 70%,分别为(13- - - - - -15]。我们发现只有4%的减少侧关节软骨的细胞体积下静态压缩16%,这可能表明只有一个小改变细胞的合成。另一方面,细胞体积增加了7%在ACL断掉的关节软骨。近似早些时候,软骨细胞的细胞外渗透环境的变化从280年~ 350 mOsm ~ mOsm可导致细胞体积增加10 - 17% ~ ~ 30%胶原蛋白的合成率下降和动力12,60]。当我们研究静态机械载荷作用下的软骨细胞体积行为,细胞体积增加,细胞合成的关系可能不是直接相关的结果渗透加载实验。事实上,可能是实验检测细胞体积增加在目前的研究中是一个失败的结果在PCM的保护机制,揭示细胞异常信号,甚至死亡。

Huyghe和威尔逊的研究(61年)表示,当前的化学配方扩张压力(见(7)不满足热力学第二定律。然而,正是这篇论文讨论了渗透压本身并不是能够描述软骨的膨胀行为。一致,我们的有限元模拟表明,忽略了化学膨胀压力减少了细胞体积增加OA软骨(ACLT模型),因此,增加模型和实验结果之间的差异。然而,它并不改变这项研究的结论。这将是重要的为这个属性找到一个精确的制定为了准确模型细胞和软骨肿胀的行为。

几项研究已经表明,PCM可能保护软骨细胞从外部压力(8- - - - - -10,18,19,24]。ECM和PCM属性的变化,由于早期OA,可能削弱这种保护能力,这可能使软骨细胞异常的外部压力和紧张。本研究的结果表明,有各种同步过程软骨在OA进展,特别是胶原网络(PG损失和变化1- - - - - -4),这有助于调节细胞的体积和变形行为。增加组织变形由于胶原纤维性颤动,随后胶原原纤维刚度降低,并减少pericellular FCD提出细胞体积的主要调节器,可能影响细胞生物合成和生存能力11- - - - - -15]。这表明FCD可能有一个重要的角色在细胞体积的规定,并向预应力的贡献FCD胶原网络可能发生重要的防止“overswelling”的细胞。如果这种状态改变细胞体积的持续下去,它可能导致进步的改变,甚至在PCM和ECM降解,导致办公自动化的发展。因此,如果可以更快地重新生成胶原蛋白,细胞也可以加快生产FCD早期OA(被认为发生在OA (2,55- - - - - -58]),早期OA的变化可能被逆转。

5。结论

我们的研究结果表明PCM的FCD和颤动的肤浅的ECM导致机械压缩早期OA软骨细胞体积增加。细胞数量的增加可能改变软骨细胞生物合成,甚至导致细胞死亡,从而暴露软骨基质降解和办公自动化的发展。

利益冲突

作者没有利益冲突。

确认

研究导致这些结果已收到资金从欧洲研究理事会在欧盟第七框架计划(FP / 2007 - 2013),伦理委员会批准的协议。281180年,芬兰科学院(拨款140730,218038),Sigrid Juselius基金会Kuopio大学医院(格兰特5041729),阿尔伯塔省Innovates-Health解决方案团队格兰特OA是承认。CSC-IT科学中心,芬兰,被公认为技术支持。