Mechanical Signal Transduction: A Key Role of Fluid Shear Forces in the Development of Osteoarthritis

Keywords:fluid shear, osteoarthritis, chondrocytes, signal transduction, biomechanics

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是一種以關(guān)節(jié)軟骨退化、邊緣骨增生和滑膜炎癥為特征的退行性疾病，好發(fā)于中老年人，嚴重影響生活質(zhì)量并增加社會醫(yī)療負擔。其病因涉及衰老、創(chuàng)傷、肥胖及高強度運動等，這些因素可破壞關(guān)節(jié)機械環(huán)境。生物力學因素在其發(fā)生發(fā)展中的作用正逐漸受到關(guān)注。其中，流體剪切力作為關(guān)鍵生物力學刺激，因在維持軟骨健康與推動疾病進展中的雙重作用成為研究焦點。

因此，貴州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院骨科的研究團隊在Journal of inflammation research期刊發(fā)表了一篇題為“Mechanical Signal Transduction: A Key Role of Fluid Shear Forces in the Development of Osteoarthritis”的文章。文章旨在深入探討流體剪切力在骨關(guān)節(jié)炎中的作用機制，揭示其如何通過調(diào)控軟骨細胞的生理功能與信號轉(zhuǎn)導通路，影響骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展進程，為理解疾病病理及開發(fā)干預(yù)策略提供理論基礎(chǔ)。

在研究中，常采用內(nèi)側(cè)半月板不穩(wěn)定術(shù)（DMM）等手術(shù)構(gòu)建 OA 動物模型，通過破壞關(guān)節(jié)穩(wěn)定性引發(fā)軟骨損傷與滑膜炎癥，推動疾病進展。近年來，生物力學因素在 OA 發(fā)病機制中的作用備受關(guān)注，機械信號對關(guān)節(jié)細胞和組織的生理病理活動至關(guān)重要。健康狀態(tài)下，適度運動產(chǎn)生的機械應(yīng)力有助于維持軟骨細胞主導的細胞外基質(zhì)（ECM）動態(tài)平衡，保護軟骨組織；而過度機械應(yīng)力則會激活機械敏感細胞信號傳導，產(chǎn)生促炎因子和分解代謝物，造成軟骨破壞、滑膜炎和 ECM 損傷，致使關(guān)節(jié)負荷不均，形成惡性循環(huán)（圖 1）。臨床實踐表明，通過脛骨高位截骨術(shù)等方式矯正下肢力線，改善異常機械環(huán)境，能夠在一定程度上延緩 OA 的發(fā)展。

圖1     異常機械刺激誘導的滑膜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)改變。

關(guān)節(jié)軟骨作為活動關(guān)節(jié)主要承重部分，通過減少摩擦、均勻傳遞負荷至軟骨下骨發(fā)揮支撐保護作用，其結(jié)構(gòu)分鈣化層與非鈣化層，非鈣化層又分表層、中層和深層：深層主要承受壓縮負荷，中層承受壓縮力和流體剪切力，表層主要承受流體剪切力（圖 2） 。研究表明，小鼠骨關(guān)節(jié)炎早期，關(guān)節(jié)軟骨最表層彈性模量在出現(xiàn)組織學損傷前顯著降低，原因是損傷刺激下表層細胞合成代謝下降（增殖分化減弱、Ⅱ 型膠原和聚集蛋白聚糖表達減少）、分解代謝增強（細胞凋亡肥大增加、基質(zhì)降解酶表達升高），導致細胞丟失、軟骨退化及代謝紊亂并形成不可修復(fù)缺損，這表明 OA 早期表層細胞受損致細胞外基質(zhì)破壞，而因表層主要承受流體剪切應(yīng)力，故需研究該應(yīng)力誘導 OA 的潛在機制。

圖2    關(guān)節(jié)軟骨四層結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力。

流體剪切應(yīng)力作為重要的生物力學刺激，對軟骨細胞生理功能及信號轉(zhuǎn)導影響顯著：低水平剪切應(yīng)力（<5 dyne/cm2）對軟骨起保護作用，而高水平（10-20 dyne/cm2）則會誘導炎癥因子和基質(zhì)降解酶表達，導致基質(zhì)分解和骨關(guān)節(jié)炎樣改變。在恒定膝關(guān)節(jié)腔中，關(guān)節(jié)軟骨承受的流體剪切應(yīng)力可通過公式 τ=6μQ/WH2 計算（μ 為滑液動態(tài)黏度，Q 為流速，W 和 H 分別為通道寬度與高度），其大小與滑液黏度、流體流速及通道尺寸密切相關(guān)。臨床研究發(fā)現(xiàn)，高強度大運動量跑步會增加關(guān)節(jié)液流速，而晚期骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)腔液黏度高于正常人和早期患者，提示不同流體剪切力在正常與骨關(guān)節(jié)炎軟骨中作用迥異。

信號通路與關(guān)鍵信號分子

軟骨細胞通過多種機制響應(yīng)流體剪切應(yīng)力，包括離子通道激活、整合素介導的黏著斑信號傳導和 G 蛋白偶聯(lián)受體信號傳導。流體剪切應(yīng)力可誘導細胞內(nèi)鈣離子和三磷酸腺苷（ATP）的快速釋放，進而啟動一氧化氮（NO）和前列腺素等第二信使的生成，從而調(diào)控眾多細胞信號通路并促進細胞功能的多樣化（表 1）。

表1    信號通路及關(guān)鍵信號分子。

Wnt 信號通路

Wnt 信號通路作為由 Wnt 家族脂質(zhì)修飾蛋白激活的細胞間信號傳導鏈，通過旁分泌和自分泌方式在骨形成過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括軟骨分化、軟骨細胞肥大及成骨細胞成熟等，適度激活時可維持關(guān)節(jié)軟骨健康，而失活會導致軟骨退化與細胞凋亡，過度激活則促進骨關(guān)節(jié)炎進展（如 OA 小鼠關(guān)節(jié)軟骨細胞中 β-catenin 顯著上調(diào)）。研究表明，高流體剪切應(yīng)力可強烈激活軟骨細胞的 Wnt/β-catenin 信號，導致 Ⅱ 型膠原（COLII）和 SOX9 表達下降、炎癥因子與基質(zhì)降解酶（COX-2、MMP13）升高，而使用抑制劑 LF3 抑制該通路可緩解損傷；此外，miR-100 通過靶向抑制卷曲受體（FZD5/FZD8）拮抗 Wnt 信號，會加劇軟骨基質(zhì)降解與 OA 病理進程。當前研究主要集中于高流體剪切應(yīng)力的影響，而低應(yīng)力是否通過適度激活 Wnt 信號保護軟骨細胞（如促進增殖、維持基質(zhì)合成）的機制尚不明確，且缺乏對 Wnt 信號激活程度的定量研究，這對 OA 早期干預(yù)中通過調(diào)控該通路激活水平來延緩疾病進展具有重要意義。

TGF-β 信號通路

TGF-β 作為多功能細胞因子，通過與受體結(jié)合激活 Smad 蛋白并調(diào)控靶基因表達，在關(guān)節(jié)軟骨發(fā)育、維持及疾病進程中扮演關(guān)鍵角色，對軟骨細胞增殖分化、凋亡及細胞外基質(zhì)代謝具顯著影響。其作用呈面特征：生理狀態(tài)下促進軟骨細胞合成、抑制凋亡，而在骨關(guān)節(jié)炎等病理狀態(tài)中，異常激活可誘導軟骨退行性改變。研究顯示，流體剪切應(yīng)力能激活 TGF-β 信號通路，如通過促進 Smad 蛋白磷酸化與核轉(zhuǎn)位，部分介導軟骨細胞增殖。該信號通路在骨關(guān)節(jié)炎中的作用復(fù)雜，一方面可通過促進軟骨修復(fù)、抑制炎癥對抗疾病進展，另一方面異常激活又與軟骨基質(zhì)降解、細胞分化異常相關(guān)，尤其在疾病晚期，其失衡會加劇軟骨破壞與關(guān)節(jié)炎癥。當前缺乏高流體剪切應(yīng)力是否導致 TGF-β 信號異常激活，以及低應(yīng)力是否通過激活該通路促進軟骨修復(fù)的研究，而這些探索將為揭示流體剪切應(yīng)力調(diào)控軟骨細胞功能的機制及開發(fā)新型治療策略提供新思路。

NF-κB 信號通路

NF-κB 作為多功能轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)控炎癥反應(yīng)、細胞增殖分化及凋亡等多種細胞過程，其家族成員（RelA/p65、NF-κB1/p50 等）均含保守的 Rel 同源結(jié)構(gòu)域，介導蛋白復(fù)合物活化與核轉(zhuǎn)位。在關(guān)節(jié)軟骨中，NF-κB 信號的作用具有雙重性：生理狀態(tài)下參與軟骨發(fā)育及細胞功能維持，而在骨關(guān)節(jié)炎等病理條件下，其異常激活會促進軟骨細胞分解代謝、加劇凋亡并誘導基質(zhì)降解，最終導致關(guān)節(jié)退行性變。研究表明，流體剪切應(yīng)力可通過激活軟骨表面機械敏感受體觸發(fā) NF-κB 信號，如 2 dyn/cm2 應(yīng)力下 KLF4 能抑制 IL-1β 誘導的 NF-κB 激活。不同強度的剪切應(yīng)力對軟骨的影響差異顯著，NF-κB 在軟骨發(fā)育與損傷的不同階段呈現(xiàn)復(fù)雜調(diào)控模式。未來需深入探究流體剪切應(yīng)力與 NF-κB 信號的互作機制，及其在關(guān)節(jié)軟骨健康維持與骨關(guān)節(jié)炎進展中的具體作用，為疾病干預(yù)提供新靶點。

AMPK 信號通路

AMPK 作為由催化亞基 α 和調(diào)節(jié)亞基 β、γ 組成的異源三聚體復(fù)合物，是細胞能量平衡的關(guān)鍵感應(yīng)酶，當細胞能量不足時，α 亞基 Thr172 磷酸化激活 AMPK 復(fù)合物，調(diào)控代謝穩(wěn)態(tài)。在關(guān)節(jié)軟骨細胞中，AMPK 信號通路可能參與機械刺激下的代謝調(diào)控，其與 Piezo1、TRPV4 等機械活性離子通道介導的 Ca2?信號及 MAPKs 通路存在交互作用，共同影響軟骨代謝。盡管目前流體剪切應(yīng)力通過 AMPK 直接作用于關(guān)節(jié)軟骨的研究證據(jù)有限，但推測其可能通過改變細胞內(nèi) ATP 水平或直接激活 AMPK，調(diào)節(jié)軟骨細胞的合成代謝通路（如基質(zhì)蛋白合成），進而影響軟骨健康與功能。未來研究需深入探索 AMPK 信號通路在流體剪切應(yīng)力誘導的軟骨細胞代謝響應(yīng)中的具體機制，明確其作為能量代謝與機械信號偶聯(lián)節(jié)點的作用。

Hippo 信號通路

Hippo 信號通路作為進化保守的激酶級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，核心由 MST1/2、LATS1/2 及 YAP/TAZ 等組成，通過調(diào)控 YAP/TAZ 核轉(zhuǎn)位參與細胞生長與器官大小調(diào)控，近年研究發(fā)現(xiàn)其在關(guān)節(jié)軟骨生理病理中具重要作用：激活時抑制 YAP/TAZ 入核并促進其降解，未激活時則允許 YAP/TAZ 與 TEAD 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合調(diào)控基因表達。在骨關(guān)節(jié)炎軟骨中，YAP 表達升高且與關(guān)節(jié)損傷程度正相關(guān)，過表達可增強分解代謝基因表達，而抑制 YAP 能減輕 IL-1β 誘導的細胞凋亡與基質(zhì)降解。

Zhong 等研究表明，流體剪切應(yīng)力增加可誘導 YAP 表達增強，導致軟骨細胞去分化及特性喪失，但當前針對流體剪切應(yīng)力（作為機械負荷的一部分）的研究較少，且 Hippo 通路作用存在爭議，可能與不同應(yīng)力下上游信號或下游靶基因的主導性差異，以及與其他通路的復(fù)雜互作有關(guān)。此外，YAP/TAZ 對軟骨細胞分化和軟骨內(nèi)成骨并非必需，其在軟骨發(fā)育中的動態(tài)作用仍需進一步驗證。未來需深入闡明流體剪切應(yīng)力通過 Hippo 信號通路調(diào)控關(guān)節(jié)軟骨生物學過程的具體機制，為骨關(guān)節(jié)炎治療策略開發(fā)提供新方向。

關(guān)鍵信號分子

流體剪切應(yīng)力通過激活軟骨表面機械敏感受體，調(diào)控下游信號通路及靶基因表達，進而影響軟骨細胞代謝與表型。研究表明，低強度（如 1 dyn/cm2、0.05 dyn/cm2）且長時間（3-7 天）的剪切應(yīng)力可促進軟骨細胞合成代謝，顯著增加COL-Ⅱ表達并抑制軟骨肥大；而中等強度（5 dyn/cm2）應(yīng)力可降低 MMP13 等分解代謝因子的表達。相反，高強度（20 dyn/cm2）短時間（2 小時）的剪切應(yīng)力會激活分解代謝通路，導致 MMP13、ADAMTS4/5、COX-2 、IL-6 等因子顯著升高，同時 COL-Ⅱ 表達下降，還會促進 COL-X 等軟骨肥大標志物上調(diào)。這些結(jié)果表明，流體剪切應(yīng)力的強度與作用時間是調(diào)控軟骨細胞合成 / 分解代謝平衡的關(guān)鍵因素，而 COL-Ⅱ、MMP13 等信號分子的動態(tài)表達變化，正是軟骨對不同機械刺激的適應(yīng)性響應(yīng)或病理損傷的分子基礎(chǔ)。

總之，流體剪切力對維持關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)和軟骨健康至關(guān)重要，軟骨細胞通過多種機械感知機制和信號通路來適應(yīng)流體剪切應(yīng)力 。未來研究需進一步明確流體剪切應(yīng)力對相關(guān)信號通路和分子的調(diào)控機制。為實現(xiàn)臨床應(yīng)用，可通過建立體內(nèi)外模型研究流體剪切應(yīng)力對軟骨的影響，測試治療手段效果。通過更深入地了解流體剪切應(yīng)力在骨關(guān)節(jié)炎中的作用機制 ，將為骨關(guān)節(jié)炎患者帶來更有效的治療策略和更高的生活質(zhì)量。

參考文獻：Li H, Wang W, Wang J. Mechanical Signal Transduction: A Key Role of Fluid Shear Forces in the Development of Osteoarthritis. J Inflamm Res. 2024 Dec 3;17:10199-10207. doi: 10.2147/JIR.S498914. PMID: 39649420; PMCID: PMC11624683.

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