整合素介導(dǎo)的力化學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)作用機制的研究進展

張婷婷 李雪萍

關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞作為一種力效應(yīng)細(xì)胞，接受應(yīng)力刺激并產(chǎn)生力學(xué)信號，調(diào)控基因表達以及組織和細(xì)胞的生長發(fā)育[1]。軟骨細(xì)胞的力效應(yīng)取決于機械負(fù)荷的多種因素，例如：頻率、應(yīng)變率、載荷時間關(guān)系曲線圖、幅度等。一方面，適宜的力學(xué)刺激對于維持軟骨細(xì)胞的生理功能起著重要的作用，另一方面，異常的應(yīng)力刺激可導(dǎo)致并加重軟骨細(xì)胞退行性變[2]。肥胖、關(guān)節(jié)不穩(wěn)、關(guān)節(jié)負(fù)荷的增加所導(dǎo)致的生物力學(xué)改變，是誘發(fā)關(guān)節(jié)軟骨退行性變的常見重要因素[3]。研究發(fā)現(xiàn)，異常的應(yīng)力刺激可以導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡、軟骨外基質(zhì)表達降解等一系列病理改變[4-5]。承受超過生理負(fù)荷 20% 以上對軟骨細(xì)胞外基質(zhì)并無刺激生長作用，但是靜態(tài)、低頻率負(fù)荷也會抑制細(xì)胞外基質(zhì)的合成[6]。與此同時，特定形式的力學(xué)刺激，如低強度脈沖超聲、周期性壓力負(fù)荷、流體靜壓等力學(xué)刺激又可以起到保護關(guān)節(jié)軟骨的作用[7-8]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，整合素作為關(guān)節(jié)軟骨表面的機械敏感受體，充當(dāng)著外界力學(xué)信號向細(xì)胞內(nèi)化學(xué)信號的轉(zhuǎn)換器作用，介導(dǎo)著外界各種應(yīng)力刺激，并最終引起細(xì)胞內(nèi)相關(guān)信號發(fā)生改變[9-10]。其介導(dǎo)的外界應(yīng)力的軟骨細(xì)胞修復(fù)作用涉及了抑制軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的降解、增加細(xì)胞外基質(zhì)合成、抑制軟骨細(xì)胞凋亡、促進軟骨細(xì)胞增殖與遷移、抑制炎癥及疼痛相關(guān)因子表達等一系列機制[11-12]。分析整合素介導(dǎo)的力化學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，即關(guān)節(jié)軟骨表面力學(xué)刺激信號向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)的途徑，以及探討適宜形式的力學(xué)刺激對于關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)作用機制，對于進一步了解力學(xué)刺激對軟骨細(xì)胞的修復(fù)機制具有重要的參考價值。現(xiàn)就近年來關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞表面整合素介導(dǎo)的各種力化學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑對于軟骨細(xì)胞修復(fù)作用可能機制的研究進展綜述如下，以為骨性關(guān)節(jié)炎的治療和軟骨組織工程學(xué)研究提供新思路。

一、整合素概述

整合素是關(guān)節(jié)軟骨表面的主要應(yīng)力受體之一，其化學(xué)本質(zhì)為細(xì)胞黏附分子，由 α 和 β 兩種亞基構(gòu)成的異二聚體，人類細(xì)胞表面可以表達 18 種 α 亞基和 8 種 β 亞基，不同類型的亞基可以組成多達 24 種的整合素[13]，正常人類關(guān)節(jié)軟骨可以表達 α1β1，α3β1，α5β1，α10β1，αVβ1，αVβ3 及 αVβ5 等不同亞型，而骨性關(guān)節(jié)炎患者會異常表達 α2β1，α4β1，α6β1 等亞型，整合素的胞外結(jié)構(gòu)可與 II 型膠原、VI 型膠原、纖連蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)合，這些細(xì)胞外基質(zhì)成分可將外界應(yīng)力刺激傳遞到整合素，同時整合素的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)可與細(xì)胞內(nèi) FAK ( focal adhesion kinase )、ERK ( extracellular signal-regulated kinas )、JNK( c-Jun N-terminal kinase )、p38 ( p38 mitogen-activated protein kinase ) 等酶類及細(xì)胞內(nèi)踝蛋白、樁蛋白、張力蛋白、肌動蛋白等細(xì)胞骨架蛋白發(fā)生偶聯(lián)，并且將外界應(yīng)力刺激信號轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)信號，進而引起細(xì)胞內(nèi)的一系列級聯(lián)反應(yīng)，實現(xiàn)力化學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[10,14-15]。目前研究認(rèn)為，不同亞型的整合素可能在力化學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中扮演著不同的角色，其中 α5β1，α1β1，α2β1，α10β1 及 α3β1等整合素亞型在軟骨細(xì)胞的力化學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，主要參與了正常軟骨細(xì)胞的生長、分化、黏附、遷移等多種生理過程，而骨性關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞會高表達 β1 亞基及所有類型的 α 亞基[13]，整合素參與了骨性關(guān)節(jié)炎的病理過程，并與骨性關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞外基質(zhì)表達、炎癥因子、細(xì)胞增殖、血管形成等密切相關(guān)[16-19]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，多種形式的外界應(yīng)力刺激，均可以通過激活軟骨細(xì)胞表面的整合素起到修復(fù)軟骨作用[20]。而這些經(jīng)整合素途徑的力化學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)得到了較為廣泛的研究，并且被證明在外界應(yīng)力下促進軟骨修復(fù)過程中發(fā)揮了重要的作用，并為骨性關(guān)節(jié)炎的治療和軟骨組織工程學(xué)的發(fā)展提供了新思路。

二、整合素介導(dǎo)的軟骨修復(fù)作用機制

1. 整合素介導(dǎo)的低強度脈沖式超聲 ( low intensity pulsed ultrasound，LIPUS ) 軟骨修復(fù)作用機制：LIPUS 一般指強度 1～50 mW / cm2，頻率 1～3 MHz 的脈沖式超聲波，目前多數(shù)研究常用處方為 30 mW / cm2、1～1.5 MHz、20 min / 天[21]。Cheng 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用 40 mW / cm2、3 MHz、通斷比 20% 的低強度脈沖超聲照射體外培養(yǎng)的兔膝關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞，超聲治療組整合素 β1 顯著上調(diào)，同時其下游 FAK-PI3K ( phosphatidylinositol-3-kinase ) / Akt( serine / threonine-protein kinase ) 化學(xué)信號通路激活，金屬蛋白酶 MMP-1 ( matrix metallopeptidase-1 )、MMP-13 的表達顯著降低，從而抑制細(xì)胞外基質(zhì)的水解，促進兔膝骨性關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞外基質(zhì) II 型膠原、蛋白多糖的表達，提示 LIPUS 經(jīng)過整合素 β1-FAK-PI3K / Akt 化學(xué)信號通路起到了軟骨保護作用。進一步研究將 3 MHz、通斷比 20%的 LIPUS 的作用強度分為 20 mW / cm2、30 mW / cm2、40 mW / cm2、50 mW / cm24 種不同強度，分別照射正常兔膝關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和兔膝骨性關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LIPUS 可以降低正常軟骨細(xì)胞 MMP-13 的表達，從而抑制細(xì)胞外基質(zhì)的降解，其中以 40 mW / cm2的強度作用效果最為明顯，對于兔膝骨性關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞，30 mW / cm2強度的 LIPUS 軟骨修復(fù)作用最為明顯。該研究提示LIPUS 不僅可以治療骨性關(guān)節(jié)炎，同時對于骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生起到保護作用，并且發(fā)現(xiàn)整合素可以介導(dǎo)低強度脈沖超聲的力學(xué)刺激信號，調(diào)控關(guān)節(jié)軟骨內(nèi) p38 MAPKs( mitogen-activated protein kinases ) 信號通路，促進金屬蛋白酶 MMP-13 的下調(diào)，減少 II 型膠原的水解，從而起到保護關(guān)節(jié)軟骨的作用[17]。但是，對于晚期的兔膝骨性關(guān)節(jié)炎模型，低強度脈沖超聲治療組與骨性關(guān)節(jié)炎模型組相比，MMP-13 的改變不具有統(tǒng)計學(xué)意義。而對于早期骨性關(guān)節(jié)炎模型組與超聲治療組，經(jīng)過超聲治療后，整合素介導(dǎo)的 FAK-MAPKs 通路明顯激活，MMP-13 表達顯著降低，且具有統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＜0.05 )，提示整合素介導(dǎo)的FAK-MAPKs 通路主要對早期骨性關(guān)節(jié)炎有保護作用[22]。同時也有研究發(fā)現(xiàn)整合素 β1 可以介導(dǎo) LIPUS 對骨性關(guān)節(jié)炎骨軟骨軟連接處的血管形成與結(jié)構(gòu)重塑，目前已知該處的血管形成與結(jié)構(gòu)重塑已經(jīng)被證明是促進骨性關(guān)節(jié)炎退行性的主要因素[23]，LIPUS 通過激活整合素引起細(xì)胞內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)最終促進抗血管形成因子 ChM-1 ( chondromodulin-1 )的表達，抑制促血管形成因子 VEGF ( vascular endothelial growth factor ) 的表達，從而緩解骨軟骨連接處血管形成與侵襲，抑制骨性關(guān)節(jié)炎骨軟骨連接處結(jié)構(gòu)重塑，最終起到關(guān)節(jié)軟骨保護作用[19]。

還有研究發(fā)現(xiàn)，下頜骨髁突軟骨細(xì)胞與 IL-1β( interleukin-1β ) 共培養(yǎng)，其環(huán)氧化酶 2 ( COX-2 ) 相關(guān) mRNA 表達顯著增加，予以 LIPUS 照射后，整合素β1-ERK1 / 2 通路激活，COX-2 相關(guān) mRNA 顯著下降，提示下頜骨 LIPUS 可以通過整合素 β1-ERK1 / 2 通路抑制下頜骨髁突軟骨炎癥反應(yīng)[24]。也有研究顯示 LIPUS 通過抑制人類關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞炎癥相關(guān)因子 IL-1β 表達，促進間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化，但是該作用機制是否與整合素相關(guān)，仍有待進一步研究[25]。

總之，整合素 β1 可以被 LIPUS 激活，并且引起整合素 β1-FAK-PI3K / Akt ( PI3K / Akt )、整合素 β1-FAKMAPK ( p38 / JNK )、整合素 β1-ERK1 / 2 通路等多條力化學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路發(fā)生激活，進而通過抑制細(xì)胞外基質(zhì)金屬蛋白酶的表達、促進細(xì)胞外基質(zhì)的表達、抑制骨性關(guān)節(jié)炎骨軟骨連接處結(jié)構(gòu)重塑與血管形成、抑制炎癥相關(guān)因子等多種途徑促進關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)。目前研究發(fā)現(xiàn) LIPUS 可以促進間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化[26]，但其是否與整合素介導(dǎo)的信號通路相關(guān)仍然需要進一步探索。

2. 整合素介導(dǎo)的周期性壓力負(fù)荷的軟骨修復(fù)作用機制：周期性壓力負(fù)荷是指發(fā)生周期性改變的壓力負(fù)荷，其廣泛應(yīng)用于軟骨組織工程學(xué)的研究中，大量研究提示予以三維培養(yǎng)基培養(yǎng)的關(guān)節(jié)軟骨以特定形式的周期性壓力刺激，整合素相關(guān)力化學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可被激活，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成以及軟骨細(xì)胞增殖發(fā)生明顯改變[20,27-28]。

近年有研究發(fā)現(xiàn)，周期性負(fù)荷壓力通過整合素介導(dǎo)的軟骨修復(fù)作用與磷脂酶 C-γ1 ( phospholipase C-γ1 protein，PLCγ1 ) 密切相關(guān)，PLCγ1 是磷脂酶 C 家族成員之一，普遍存在于多種細(xì)胞中，對于調(diào)控細(xì)胞的黏附、遷徙、細(xì)胞外基質(zhì)合成具有重要作用[29-30]。Nong 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用周期性大氣壓力負(fù)荷 ( 0～200 kPa，0.1 Hz ) 作用于密閉培養(yǎng)環(huán)境下的軟骨細(xì)胞，發(fā)現(xiàn) Src 蛋白、PLC-γ1、ERK1 / 2發(fā)生了顯著的磷酸化水平增高，同時周期性負(fù)荷壓力治療組軟骨細(xì)胞發(fā)生了明顯的遷徙，加入 PLC-γ1 抑制劑共培養(yǎng)后，再予以周期性壓力，軟骨細(xì)胞面積和遷徙程度也發(fā)生了顯著減少，從而提示周期性負(fù)荷壓力可以促進軟骨細(xì)胞遷徙，并且 Src / PLC-γ1 / ERK1 / 2 通路可能參與了這一作用機制。進一步研究發(fā)現(xiàn)，周期性負(fù)荷壓力( 0.2 MPa；0.1 Hz ) 作用下，整合素 α1 也發(fā)生了上調(diào)，并且與 PLC-γ1 發(fā)生偶聯(lián)，從而提示整合素 α1 作為細(xì)胞表面的力化學(xué)轉(zhuǎn)化器，介導(dǎo)了外界周期性負(fù)荷壓力通過調(diào)控PLC-γ1 引起細(xì)胞發(fā)生遷徙及細(xì)胞外基質(zhì)表達增加[32]。Ren等[33]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用周期性空氣壓力負(fù)荷 ( 0～200 kPa，0.1 Hz ) 作用于大鼠軟骨細(xì)胞，可明顯促進軟骨增殖和細(xì)胞外基質(zhì)表達，應(yīng)用軟骨細(xì)胞與抑制劑共培養(yǎng)的方法發(fā)現(xiàn)，MEK1 / 2 ( mitogen-activated protein kinase1 / 2 )、ERK1 / 2 選擇性抑制劑 PD98059 可以顯著降低力學(xué)刺激引起的軟骨細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)的表達，但是其上游的 Src 和 PLC-γ1 的磷酸化水平并沒有受到抑制，而使用PLC-γ1 抑制劑 U73122，Src 的磷酸化水平未受到影響，MEK1 / 2、ERK1 / 2 的磷酸化受到抑制，使用 Src 抑制劑后，PLC-γ1，MEK1 / 2、ERK1 / 2 的磷酸化水平均受到了抑制，從而提示 Src-PLC-γ1-MEK1 / 2-ERK1 / 2 信號通路參與了周期性負(fù)荷壓力介導(dǎo)的軟骨細(xì)胞增殖與細(xì)胞外基質(zhì)表達的增加。進一步研究，整合素 β1 參與了這一作用機制，從而提示外界的周期性負(fù)荷壓力通過整合素β1-Src-PLCγ1 / Rac1-ERK1 / 2 力化學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)信號通路激活了 ERK1 / 2，從而促進了體外培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞的有絲分裂[34]。Liang 等[35]通過基因工程手段，上調(diào)了體外培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞整合素 β1 的表達，再應(yīng)用周期性空氣壓力負(fù)荷( 0～200 kPa，0.1 Hz ) 予以力學(xué)刺激，發(fā)現(xiàn)整合素 β1 過表達實驗組在力學(xué)刺激作用下，發(fā)生了明顯的 ERK1 / 2 磷酸化上調(diào)，其 II 型膠原及蛋白多糖明顯增加，軟骨細(xì)胞也發(fā)生了增殖，從而說明整合素 β1 在介導(dǎo)外界應(yīng)力引起的軟骨細(xì)胞修復(fù)過程中起到重要作用。此外研究發(fā)現(xiàn)，周期性空氣壓力負(fù)荷 ( 0～200 kPa，0.1 Hz )，至少通過整合素 β1-Src-Rac1-FAK [ Tyr ( 576 / 577 ) ]-ERK1 / 2 和整合素 β1-FAK [ Tyr ( 397 ) ]-ERK1 / 2 兩條通路促進軟骨細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)合成[36]。Song 等[37]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用周期性空氣壓力負(fù)荷 ( 0～200 kPa，0.1 Hz ) 作用于大鼠關(guān)節(jié)軟骨，發(fā)現(xiàn)整合素 β1 介導(dǎo)的 ERK1 / 2 信號通路激活，軟骨細(xì)胞發(fā)生明顯增殖，II 型膠原及蛋白多糖 mRNA 轉(zhuǎn)錄明顯增加，應(yīng)用整合素 β1 抑制劑后，ERK1 / 2 信號通路也明顯發(fā)生抑制，其細(xì)胞增殖與細(xì)胞外基質(zhì)合成也受到了抑制，從而提示周期性空氣壓力負(fù)荷可以通過激活整合素β1-ERK1 / 2 信號通路促進細(xì)胞增殖與細(xì)胞外基質(zhì)表達。

總之，近年來關(guān)于周期性壓力負(fù)荷對于軟骨細(xì)胞的作用機制多采用周期性空氣壓力負(fù)荷作用于密封環(huán)境下培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞，所用壓力參數(shù)多為 0～200 kPa，0.1 Hz，大量研究證明周期性空氣壓力負(fù)荷可以激活整合素 α1 和整合素 β1，并且可以通過整合素 α1-PLCγ1 通路、整合素 β1-Src-Rac1-FAK [ Tyr ( 576 / 577 ) ]-ERK1 / 2、整合素 β1-FAK [ Tyr ( 397 ) ]-ERK1 / 2、整合素 β1-Src-PLCγ1 /Rac1-ERK1 / 2 等多種力化學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路引起細(xì)胞發(fā)生遷徙、增殖及細(xì)胞外基質(zhì)表達增加，從而起到促進軟骨細(xì)胞修復(fù)作用。

3. 其它力學(xué)刺激經(jīng)整合素途徑的軟骨修復(fù)作用：其它的力學(xué)刺激形式，比如自身重力負(fù)荷、低強度連續(xù)超聲、流體靜壓、延遲動態(tài)壓力等均可以通過特定形式的刺激作用于軟骨細(xì)胞，起到促進軟骨細(xì)胞修復(fù)作用，而體外沖擊波有可能通過整合素及細(xì)胞表面離子通道等多種途徑促進軟骨細(xì)胞修復(fù)[38-39]。

在整合素介導(dǎo)自身重力負(fù)荷下骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機制研究中[40]，通過比較正常小鼠和整合素 α5 基因緘默的小鼠對手術(shù)造模后關(guān)節(jié)活動引起的骨性關(guān)節(jié)炎的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)整合素 α5 基因緘默的小鼠骨性關(guān)節(jié)炎病理改變較對照組輕，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)丟失較正常對照組明顯減少，提示整合素 α5 可能介導(dǎo)了自身重力促進骨性關(guān)節(jié)炎病理改變。Zhang 等[41]通過觀察手術(shù)所導(dǎo)致的大鼠關(guān)節(jié)軟骨損傷周圍處的整合素 β1 陽性的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)其與空白對照組和假手術(shù)組 ( 僅做關(guān)節(jié)切開縫合 ) 相比，整合素 β1 陽性的細(xì)胞計數(shù)明顯增加，提示整合素 β1 可能介導(dǎo)了損傷軟骨周圍細(xì)胞的增殖和遷徙。Shin 等[42]研究發(fā)現(xiàn)，整合素 α1β1 可以通過介導(dǎo)下調(diào) EGFR ( epidermal growth factor receptor ) 信號通路，對創(chuàng)傷后骨性關(guān)節(jié)炎的雌性小鼠起到軟骨保護作用，但對于雄性小鼠的保護作用不顯著，其性別差異原因不明。

低強度連續(xù)超聲區(qū)別于 LIPUS，其主要對關(guān)節(jié)軟骨產(chǎn)生持續(xù)性大強度力學(xué)刺激，研究發(fā)現(xiàn)，該類型的低強度超聲照射，也可以激活整合素－MAPK / Erk 通路，此外，有研究還觀察到了 FAK、Src、P139Cas ( p130 Crk-associated substrate )、CrkII 的磷酸化水平增加[8]。

Steward 等[43]應(yīng)用流體靜壓可以促進培養(yǎng)在瓊脂糖凝膠中的骨髓源間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化，應(yīng)用整合素抑制劑精氨酸－甘氨酸－天冬氨酸－絲氨酸結(jié)合序列 ( Arg-Gly-Asp-Ser，RGDS ) 后，流體靜壓促進軟骨分化的效應(yīng)明顯受到抑制，提示整合素在介導(dǎo)外界應(yīng)力刺激促進骨髓源間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化的過程中起到重要作用。

Zhang 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，在延遲動態(tài)壓力作用于培養(yǎng)在凝膠支架上的人軟骨細(xì)胞，整合素 / FAK / ERK 參與了壓力刺激對于間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化和軟骨組織形成的過程，延遲動態(tài)壓力可以同時激活 TGF-β ( transforming growth factor-beta ) / Activin / Nodal 信號通路并且抑制 BMP( bone morphogenetic protein ) / GDP ( Guanosine diphosphate )信號通路。

Ji 等[45-46]結(jié)合既往關(guān)于各種力學(xué)刺激對于軟骨細(xì)胞修復(fù)的作用機制研究提出假設(shè)，特定形式的體外沖擊波也可以通過整合素、細(xì)胞表面離子通道等途徑促進軟骨細(xì)胞修復(fù)，但是具體機制仍然有待進一步研究。

總之，整合素 α5 及整合素 β1 可能參與了軟骨損傷后，自身重力負(fù)荷下的自我修復(fù)。低強度連續(xù)超聲可通過整合素－MAPKs / Erk 力化學(xué)通路促進軟骨修復(fù)，特定形式的流體靜壓及延遲動態(tài)壓力可通過整合素途徑刺激促進骨髓源間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化，體外沖擊波也可通過整合素途徑促進軟骨細(xì)胞修復(fù)，但其具體機制仍需深入研究。

綜上所述，軟骨細(xì)胞表面整合素介導(dǎo)的力化學(xué)通道可參與包括 LIPUS、周期性壓力負(fù)荷、自身重力負(fù)荷、低強度連續(xù)超聲、流體靜壓、延遲動態(tài)壓力、體外沖擊波等多種力學(xué)刺激促進軟骨修復(fù)，其機制涉及了促進軟骨細(xì)胞外基質(zhì)合成、減少軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的降解、抑制軟骨細(xì)胞凋亡、促進軟骨細(xì)胞增殖與遷移、促進骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化、抑制軟骨下骨血管形成與結(jié)構(gòu)重塑等多種形式。然而由于在體軟骨細(xì)胞具有不可再生性和自我修復(fù)有限性，目前仍缺乏效果滿意的軟骨刺激形式。因此，筆者綜合討論經(jīng)整合素途徑介導(dǎo)的各種力學(xué)刺激對于軟骨細(xì)胞的修復(fù)作用以及尋求最佳力學(xué)刺激方式，同時了解力學(xué)刺激對于軟骨細(xì)胞生長、代謝所起到的作用。而目前研究仍局限于經(jīng)整合素途徑的力學(xué)刺激的強度和形式的研究，尚未對所引起的化學(xué)信號激活閾值以及是否具有反饋機制進行探討。因此，進一步探討化學(xué)信號是否反饋抑制或激活力學(xué)刺激作用而引起軟骨細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的改變，將為軟骨細(xì)胞修復(fù)提供新的思路和潛在的治療手段，同時也為軟骨組織工程學(xué)技術(shù)提供軟骨修復(fù)和再生的新思路。

[1] Tang LL, Wang YL, Sun CX. The stress reaction and its molecular events: splicing variants[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2004, 320(2):287-291.

[2] Bleuel J, Zaucke F, Bruggemann GP, et al. Effects of cyclic tensile strain on chondrocyte metabolism: a systematic review[J]. PLoS One, 2015, 10(3):e0119816.

[3] Johnson VL, Hunter DJ. The epidemiology of osteoarthritis[J].Best Pract Res Clin Rheumatol, 2014, 28(1):5-15.

[4] Sanchez-Adams J, Leddy HA, McNulty AL, et al. The mechanobiology of articular cartilage: bearing the burden of osteoarthritis[J]. Curr Rheumatol Rep, 2014, 16(10):451.

[5] Guilak F. Biomechanical factors in osteoarthritis[J]. Best Pract Res Clin Rheumatol, 2011, 25(6):815-823.

[6] Quinn TM, Grodzinsky AJ, Hunziker EB, et al. Effects of injurious compression on matrix turnover around individual cells in calf articular cartilage explants[J]. J Orthop Res, 1998,16(4):490-499.

[7] DiFederico E, Shelton JC, Bader DL. Complex mechanical conditioning of cell-seeded agarose constructs can influence chondrocyte biosynthetic activity[J]. Biotechnol Bioeng, 2017,114(7):1614-1625.

[8] Whitney NP, Lamb AC, Louw TM, et al. Integrin-mediated mechanotransduction pathway of low-intensity continuous ultrasound in human chondrocytes[J]. Ultrasound Med Biol,2012, 38(10):1734-1743.

[9] Schwartz MA, Ginsberg MH. Networks and crosstalk: integrin signalling spreads[J]. Nat Cell Biol, 2002, 4(4):E65-68.

[10] Roca-Cusachs P, Iskratsch T, Sheetz MP. Finding the weakest link: exploring integrin-mediated mechanical molecular pathways[J]. J Cell Sci, 2012, 125(Pt 13):3025-3038.

[11] Nelson CM, Jean RP, Tan JL, et al. Emergent patterns of growth controlled by multicellular form and mechanics[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2005, 102(33):11594-11599.

[12] Engler AJ, Sen S, Sweeney HL, et al. Matrix elasticity directs stem cell lineage speci fi cation[J]. Cell, 2006, 126(4):677-689.

[13] Tian J, Zhang FJ, Lei GH. Role of integrins and their ligands in osteoarthritic cartilage[J]. Rheumatol Int, 2015, 35(5):787-798.[14] Loeser RF. Integrins and chondrocyte-matrix interactions in articular cartilage[J]. Matrix Biol, 2014, 39:11-16.

[15] Wolfenson H, Lavelin I, Geiger B. Dynamic regulation of the structure and functions of integrin adhesions[J]. Dev Cell,2013, 24(5):447-458.

[16] Perera PM, Wypasek E, Madhavan S, et al. Mechanical signals control SOX-9, VEGF, and c-Myc expression and cell proliferation during inflammation via integrin-linked kinase, B-Raf, and ERK1/2-dependent signaling in articular chondrocytes[J]. Arthritis Res Ther, 2010, 12(3):R106.

[17] Xia P, Ren S, Lin Q, et al. Low-intensity pulsed ultrasound affects chondrocyte extracellular matrix production via an integrin-mediated p38 MAPK signaling pathway[J]. Ultrasound Med Biol, 2015, 41(6):1690-1700.

[18] Cheng K, Xia P, Lin Q, et al. Effects of low-intensity pulsed ultrasound on integrin-FAK-PI3K/Akt mechanochemical transduction in rabbit osteoarthritis chondrocytes[J]. Ultrasound Med Biol, 2014, 40(7):1609-1618.

[19] 楊懷春, 夏鵬, 瞿燕萍, 等. 低強度脈沖超聲對兔膝骨性關(guān)節(jié)炎骨軟骨連接血管形成與侵襲的影響[J]. 中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志, 2016, 38(2):86-91.

[20] Spiteri C, Raizman I, Pilliar RM, et al. Matrix accumulation by articular chondrocytes during mechanical stimulation is influenced by integrin-mediated cell spreading[J]. J Biomed Mater Res A, 2010, 94(1):122-129.

[21] Harrison A, Lin S, Pounder N, et al. Mode & mechanism of low intensity pulsed ultrasound (LIPUS) in fracture repair[J].Ultrasonics, 2016, 70:45-52.

[22] Xia P, Shen S, Lin Q, et al. Low-intensity pulsed ultrasound treatment at an early osteoarthritis stage protects rabbit cartilage from damage via the integrin / focal adhesion kinase / mitogenactivated protein kinase signaling pathway[J]. J Ultrasound Med, 2015, 34(11):1991-1999.

[23] Suri S, Walsh DA. Osteochondral alterations in osteoarthritis[J].Bone, 2012, 51(2):204-211.

[24] Iwabuchi Y, Tanimoto K, Tanne Y, et al. Effects of low-intensity pulsed ultrasound on the expression of cyclooxygenase-2 in mandibular condylar chondrocytes[J]. J Oral Facial Pain Headache, 2014, 28(3):261-268.

[25] Uddin SM, Richbourgh B, Ding Y, et al. Chondro-protective effects of low intensity pulsed ultrasound[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2016, 24(11):1989-1998.

[26] Schumann D, Kujat R, Zellner J, et al. Treatment of human mesenchymal stem cells with pulsed low intensity ultrasound enhances the chondrogenic phenotype in vitro[J]. Biorheology,2006, 43(3-4):431-443.

[27] Chai DH, Arner EC, Griggs DW, et al. Alphav and beta1 integrins regulate dynamic compression-induced proteoglycan synthesis in 3D gel culture by distinct complementary pathways[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2010, 18(2):249-256.

[28] Hasanova GI, Noriega SE, Mamedov TG, et al. The effect of ultrasound stimulation on the gene and protein expression of chondrocytes seeded in chitosan scaffolds[J]. J Tissue Eng Regen Med, 2011, 5(10):815-822.

[29] Shannon LA, Calloway PA, Welch TP, et al. CCR7 / CCL21 migration on fibronectin is mediated by phospholipase Cgamma1 and ERK1/2 in primary T lymphocytes[J]. J Biol Chem, 2010, 285(50):38781-38787.

[30] Zeng G, Cui X, Liu Z, et al. Disruption of phosphoinositidespeci fi c phospholipases Cgamma1 contributes to extracellular matrix synthesis of human osteoarthritis chondrocytes[J]. Int J Mol Sci, 2014, 15(8):13236-13246.

[31] Nong L, Yin G, Ren K, et al. Periodic mechanical stress enhances rat chondrocyte area expansion and migration through Src-PLCgamma1-ERK1/2 signaling[J]. Eur J Cell Biol, 2010,89(9):705-711.

[32] Gao G, He J, Nong L, et al. Periodic mechanical stress induces the extracellular matrix expression and migration of rat nucleus pulposus cells by upregulating the expression of intergrin alpha1 and phosphorylation of downstream phospholipase Cgamma1[J]. Mol Med Rep, 2016, 14(3):2457-2464.

[33] Ren K, Ma Y, Huang Y, et al. Periodic mechanical stress activates MEK1/2-ERK1/2 mitogenic signals in rat chondrocytes through Src and PLCgamma1[J]. Braz J Med Biol Res, 2011, 44(12):1231-1242.

[34] Ren K, Liu F, Huang Y, et al. Periodic mechanical stress activates integrinbeta1-dependent Src-dependent PLCgamma1-independent Rac1 mitogenic signal in rat chondrocytes through ERK1/2[J]. Cell Physiol Biochem, 2012, 30(4):827-842.

[35] Liang W, Zhu C, Liu F, et al. Integrin beta1 gene therapy enhances in vitro creation of tissue-engineered cartilage under periodic mechanical stress[J]. Cell Physiol Biochem, 2015,37(4):1301-1314.

[36] Liang W, Ren K, Liu F, et al. Periodic mechanical stress stimulates the FAK mitogenic signal in rat chondrocytes through ERK1/2 activity[J]. Cell Physiol Biochem, 2013,32(4):915-930.

[37] Song H, Liang W, Xu S, et al. A novel role for integrinlinked kinase in periodic mechanical stress-mediated ERK1/2 mitogenic signaling in rat chondrocytes[J]. Cell Biol Int, 2016,40(7):832-839.

[38] Ma D, Kou X, Jin J, et al. Hydrostatic compress force enhances the viability and decreases the apoptosis of condylar chondrocytes through integrin-FAK-ERK/PI3K pathway[J]. Int J Mol Sci, 2016, 17(11).

[39] Woltersdorf C, Bonk M, Leitinger B, et al. The binding capacity of alpha1beta1-, alpha2beta1- and alpha10beta1-integrins depends on non-collagenous surface macromolecules rather than the collagens in cartilage fibrils[J]. Matrix Biol,2017, 63:91-105.

[40] Candela ME, Wang C, Gunawardena AT, et al. Alpha 5 integrin mediates osteoarthritic changes in mouse knee joints[J]. PLoS One, 2016, 11(6):e0156783.

[41] Zhang K, Shi J, Li Y, et al. Model establishing of partialthickness articular cartilage injury and relationships between activation of cell and expression of integrin beta(1)in a rat model[J]. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi, 2016,30(4):432-439.

[42] Shin SY, Pozzi A, Boyd SK, et al. Integrin alpha1beta1 protects against signs of post-traumatic osteoarthritis in the female murine knee partially via regulation of epidermal growth factor receptor signalling[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2016,24(10):1795-1806.

[43] Steward AJ, Wagner DR, Kelly DJ. The pericellular environment regulates cytoskeletal development and the differentiation of mesenchymal stem cells and determines their response to hydrostatic pressure[J]. Eur Cell Mater, 2013,25:167-178.

[44] Zhang T, Wen F, Wu Y, et al. Cross-talk between TGF-beta / SMAD and integrin signaling pathways in regulating hypertrophy of mesenchymal stem cell chondrogenesis under deferral dynamic compression[J]. Biomaterials, 2015, 38:72-85.

[45] Ji Q, He C. Extracorporeal shockwave therapy promotes chondrogenesis in cartilage tissue engineering: A hypothesis based on previous evidence[J]. Med Hypotheses, 2016, 91:9-15.

[46] Ji Q, Wang P, He C. Extracorporeal shockwave therapy as a novel and potential treatment for degenerative cartilage and bone disease: Osteoarthritis. A qualitative analysis of the literature[J]. Prog Biophys Mol Biol, 2016, 121(3):255-265.