机械刺激改善膝骨关节功能初探

陈 柯 陈 铭

1.福建中医药大学针灸学院，福建福州 350108；2.福建卫生职业技术学院临床医学系，福建福州 350101

膝骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是多发于中老年人的一种慢性退行性关节疾病，其病理变化包括关节软骨退行性病变、继发性骨质增生、滑膜炎、软骨下骨改变、关节囊纤维变性和增厚以及关节周围肌肉痉挛。其中，关节软骨退变是KOA 最主要与最直观的病理表现。在KOA的发生发展中，多种致病因素相互作用，加速关节软骨损伤及退变。关节软骨退变，往往可导致软骨下骨外露硬化，继发滑膜组织炎症、骨质增生，引起关节囊及关节周围肌肉的改变，从而使关节生物应力平衡失调，这些病变又进一步促进关节软骨损伤及退变，形成恶性循环，加重KOA 病变[1]。因此软骨退变是KOA 发生发展过程中的重要机制。由于关节软骨缺乏血液供应，当软骨损伤或退化时，往往修复能力十分有限，关节功能难以恢复。目前，多种临床及基础研究都表明机械刺激在软骨退变中具有重要作用，故从机械刺激对软骨细胞的影响及其临床应用方面进行探讨，以期获得机械刺激改善膝骨关节功能的新认识。

1 软骨细胞在不同机械刺激模式下的效应

关节软骨覆盖于关节内骨表面，是人体的机械力敏感组织之一，时刻承受着不同应力模式的机械刺激。软骨细胞作为软骨组织中唯一的细胞，在机械刺激下会产生效应。目前，机械刺激的应力模式主要有压应力、张应力、振动、电磁力刺激、流体剪切力等，其中压应力、张应力、振动三种模式较为常见，以下阐述以软骨细胞在压应力、张应力以及振动三种模式刺激下的效应为主。

1.1 压应力模式

压应力通常有两种模式，静态压力和动态压力。静态压力是对组织或细胞施加恒定压力，也是较早被关注的方式，动态压力则更倾向于持续不规则的压力刺激，更为复杂。有研究表明，中等时长与强度的压应力刺激既可抑制软骨细胞中基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPs）家族中MMP-13的表达，促进Ⅱ型胶原（collagen type Ⅱ，COL-Ⅱ）表达；也可促进MMP-3的表达，从而促进COL-Ⅱ和蛋白多糖（proteoglycan，PG）的表达，通过调节MMPs、COL-Ⅱ和PG的含量，影响软骨细胞的代谢状态[2-4]。该条件下的压应力也有助于改善软骨细胞表型去分化，但长时间压应力刺激有负面影响。压应力刺激作用于软骨细胞时，可通过细胞骨架对周围产生牵引力，或促使细胞骨架降解而引起肌动蛋白和波形蛋白重新排列，从而介导软骨细胞形态发生改变[5-6]。

1.2 张应力模式

张应力是常见的机体细胞受力模式。研究表明机械拉伸力能增加COL-Ⅱ和胶原蛋白结合的整联蛋白亚基α的表达[7]。Xu 等[8]通过模拟体外循环拉伸应变（CTS）持续被动运动对软骨细胞的影响，表明CTS是白细胞介素-1（IL-1β）作用的有效拮抗剂，可能涉及破坏或调节mRNA 转录上游IL-1β的信号转导级联，可直接作为软骨细胞的抗炎信号，抑制软骨降解，但IL-1β的存在是CTS发挥作用的先决条件。张应力刺激在适当强度和频率的条件下，可促进软骨细胞增殖，影响基质合成代谢，维持其正常结构功能，也可通过破坏或调节炎症信号通路，抑制软骨细胞降解。

1.3 振动模式

振动在维持关节软骨特性方面必不可少。振动产生的牵引力与压迫力，是以营养刺激的方式作用于细胞，促进细胞增殖和分化。刘杰等[9]实验发现在较高频率振动下（200～300 Hz），能加快软骨细胞代谢，而400 Hz以上的振动频率则会抑制软骨细胞DNA 合成；振动刺激可以促使软骨细胞PG 合成亢进，加快软骨细胞的凝聚。而刘博等[10]实验则表明在频率为5～10 Hz的情况下，振动能促进骨关节炎的形成，长时间垂直振动可改变软骨细胞结构和组成，加速腰椎小关节软骨退变，其退变随振动频率增加而加重。这些均表明振动刺激需适当的频率才能发挥积极作用。

2 机械刺激影响软骨细胞的途径

软骨组织由软骨细胞及细胞外基质构成，其中软骨细胞外基质又主要由COL-Ⅱ、PG 和H2O 构成，共同维持软骨内纤维网架的结构及正常功能。机械刺激主要通过物理途径、化学途径影响软骨细胞形态结构及功能。

2.1 物理途径

细胞形态既是细胞内力平衡的外在表现，也是细胞功能的体现形式，并且参与细胞增殖分化与凋亡等事件。细胞形态与力学环境关系密切，研究软骨细胞形态是机械刺激影响软骨修复机制的基础。而细胞骨架是维持软骨细胞稳定形态的重要部分，既维持软骨细胞固态特性和细胞内结构的有序性，又与外界力学刺激等密切相关。细胞骨架包括微丝、微管和中间纤维，与多种调控蛋白共同构建胞内蛋白纤维网状结构。细胞骨架与细胞内其他各部分共同作用后，可使细胞内张力维持稳定状态。适当机械力的刺激作用下，可增强软骨细胞的细胞骨架蛋白表达，使其排列更紧密。细胞骨架中肌动蛋白微丝结构的破坏可以使Ⅱ型胶原的表达增加，影响细胞形态由扁平梭形改变为圆形[11]。李雄峰等[12]实验发现力学刺激下，细胞骨架发生明显变化且其变化与力学刺激的性质大小相关，同时发现骨架蛋白具有自我反馈调节机制，不同骨架蛋白的功能不同。王雪冰等[13]发现周期性机械刺激下，软骨细胞的微管、微丝及中间纤维发生重排，表明周期性机械刺激可以促进软骨细胞骨架重排，改变软骨细胞骨架和细胞形态。

2.2 化学途径

机械刺激作用于软骨细胞后，软骨细胞可通过整合素、离子通道、内质网等途径响应生物力学信号。机械刺激可以通过调控MMP-13 蛋白、Ⅱ型胶原、蛋白多糖及软骨组织新陈代谢所需酶的分泌等，促进软骨细胞的增殖及其凋亡，使其维持结构完整性并发挥正常的细胞功能。

2.2.1 整合素 整合素连接着细胞骨架和细胞外基质，是关节软骨细胞中的重要机械感受器，其受体具有提供配体结合位点的细胞外结构域，通过其受体与配体结合作用，将机械信号转导成细胞内生化反应。机械力刺激可通过整合素受体传至细胞内，使细胞骨架发生重排或解聚，使软骨细胞发生增殖等应答反应。整合素感应机械刺激后，也可通过转化生长因子β3（TGF-β3）依赖性途径介导信号转导，增强蛋白多糖合成，从而促进软骨细胞增殖[14]。

2.2.2 离子通道 离子通道是各种无机离子跨膜运输的通路。而机械力敏感性离子通道则能将细胞膜感受到的机械信号转化为化学信号或电信号。当机械刺激作用于细胞时，细胞通过机械力敏感离子通道增加Ca2+内流，使其浓度上升，并经过钙诱导钙释放机制扩大反应从而应答机械刺激[15]。Piezo1 蛋白离子通道是目前新发现的与机械应力刺激信号有着较强相关性的信号通路。Lee 等[16]实验结果发现Piezo1 蛋白和Piezo2 蛋白在应力状态下的软骨细胞中稳健表达，并且Piezo1 蛋白和Piezo2 蛋白之间的协同作用，可给予软骨高应变机械敏感性，而使用Piezo 通道抑制剂GsMTx4，则可以减少软骨细胞凋亡。Piezo1 蛋白作为一种新发现的机械力敏感离子通道，在抑制软骨细胞凋亡方面可能成为治疗的潜在靶点，其Piezo 通道抑制剂或许可以用于关节软骨退化方面的治疗。

2.2.3 其他途径 Huang 等[17]发现机械刺激和局部缺氧在较高刺激水平条件下，可引起内质网应激过度激活导致软骨细胞凋亡。Hamamura 等[18]发现机械加载可通过Rac1 介导的p38MAPK 信号通路，抑制软骨细胞MMP-13 激活，进而保护软骨组织。Yang 等[19]实验说明中度CTS（10%、0.5 Hz、4 h）可通过AMPK/NFκβ 信号通路，抑制IL-1β 诱导的软骨细胞炎症反应。

3 机械刺激的临床应用

因机械刺激具有多种应力模式，故在临床上的应用形式也十分多样，如结合现代仪器的全身振动疗法（WBV）、超声波治疗，或患者自主锻炼的功法及康复运动，或传统针灸推拿等。有证据表明运动疗法对轻中度KOA患者疗效显著，可维持关节生物力学，改善关节功能，但在国内起步较晚，目前仍无法明确最佳运动形式标准[20-21]。WBV 疗法利用振动平台传导高频机械振动，通过不同振动方式与参数引起相对应的生理反应[22]。Meta 分析表明WBV 疗法能减轻患者疼痛和改善患者关节功能[23]。超声波是一种高频率压力波，可作用于人体并产生细微机械效应，研究表明低强度脉冲超声可减缓KOA患者疼痛症状并促进软骨损伤修复[24]。赵明宇等[25]研究表明推拿手法治疗KOA 疗效较佳。综合来看，机械刺激在临床上的相关应用，都能在一定程度上缓解和改善关节软骨损伤退化引起的膝骨关节功能障碍。

4 讨论

随着社会人口老龄化的影响，KOA的发病率也在不断上升。临床上十分常见由于膝关节软骨自然退变或创伤引起的软骨损伤，不及时修复往往导致KOA的发生，最终出现关节疼痛、僵硬、肿胀甚或畸形等膝关节功能障碍，严重影响患者的生活质量。

目前，针对KOA患者软骨退变引起的膝关节功能障碍，其临床治疗方法很多，主要分为手术疗法、生物治疗和保守疗法。手术疗法主要包括人工关节置换术、关节软骨修复术、关节镜下清理术等，主要目的是减轻疼痛、改善关节功能以及矫正关节畸形。但术后可能面临并发症，且治疗费用高，患者自身意愿低，一般适用于非手术疗法基本无效，严重影响日常生活的患者。生物治疗中包含基因治疗、细胞治疗和组织工程软骨，是目前新兴的三项治疗方法，但存在操作难度高、载体安全性和基因表达稳定性等多种问题，短期内无法进入临床普及使用。相比手术疗法及生物疗法，保守疗法的患者接受度较高、费用较低。而临床上保守疗法大多存在机械刺激的身影，这很大程度是基于膝关节是人体重要的承重受力部位，且目前对KOA的生物力学机制研究也在不断深入。另外，与长期口服易带来副作用的药物治疗相比，机械刺激临床应用的副作用较小。由此可见，机械刺激的临床应用具有良好前景。但是对于膝关节软骨退变的患者来说，医学仪器辅助治疗、针灸推拿须时常前往医院，且仪器治疗一般费用较高，而能自主锻炼的传统功法，由于招式复杂且患者自身膝关节功能受限，患者较难完成或长期坚持。为寻找能够改善膝关节功能的简单方案，在梳理文献、观察临床病例的基础上，结合专家建议，有团队从八段锦、太极拳、易筋经三种传统健身功法的招式中提炼整合出简易的专门针对膝关节功能障碍的三步六式健膝功。王雯婷等[26]临床研究表明三步六式健膝功在改善KOA患者膝关节功能及生活质量上效果显著。

三步六式健膝功顾名思义分为三步，共六式。第一步为尖足式与跟足式，是利用自身体重，交替脚尖和脚跟受静态压力。第二步为压腿式和抱膝式锻炼，增加膝关节受张应力。第三式的弓步虚步式则通过交替重心转移，在静态压力基础上又对膝关节施加动态压力。动作完成过程中膝关节不断周期性接受压应力和张应力，从而影响软骨组织中的软骨细胞。软骨细胞感应器接收两种应力后，一方面是通过物理途径以改变软骨细胞形态与细胞骨架为主，从而影响软骨细胞的功能作用，帮助退变软骨组织的修复。另一方面是通过化学途径或其他途径完成力学信号和化学信号之间的传递转变，影响细胞增殖和凋亡所需要的蛋白分子如COL-Ⅱ、PG 等，从而促进软骨细胞增殖、抑制软骨细胞凋亡，参与软骨组织的新陈代谢，以助损伤软骨组织修复。三步六式健膝功通过周期性锻炼，不断从多途径影响软骨细胞功能，促进其新陈代谢，从而逐渐修复受损软骨组织，改善膝关节功能障碍。

机械刺激虽然在临床应用上形式多样，但若想对软骨细胞产生积极的影响，促进软骨组织修复，前提条件都需要适当的强度、频率和时间。中等强度和时间以及较高频率条件下，大多机械刺激模式可有助于软骨细胞修复，长时间、高频率或过低频率、高强度等条件下则可能引起或加重骨关节炎或软骨退变。故临床上三步六式健膝功的运动康复原则也包括舒适无痛和循序渐进，强调锻炼强度不宜过快过大，不宜长时间单一、剧烈或过度运动。同时应当因人而异，根据患者膝关节功能障碍情况，调整强度、时间及频率，以防治疗无效或加重病情。

机械刺激的多种临床应用疗法中，三步六式健膝功具有动作简单易掌握，无需依靠太多工具，可以随时锻炼的优势。但患者的依从性极为重要，临床疗效与其相关。目前三步六式健膝功临床研究样本量较少，仍需纳入更多临床样本进一步证明。而在动物基础实验方面由于动物无依从性，难以施展，或许可以尝试通过剖析三步六式健膝功的应力模式，按其受力顺序、时间及次数条件，模拟功法招式所产生的机械刺激，应用于动物实验，从而填补其基础研究上的空缺。此外，需要注意的是，软骨组织因血液供应的缺乏，自我修复能力有限，即使机械刺激能促进其修复，其修复程度仍具有局限性，临床更适用于KOA 早期或术后康复。当KOA 发展至晚期时，KOA患者的关节软骨损伤和退变较为严重，难以靠保守治疗恢复，可能仍须考虑手术治疗。