陳 柯 陳 銘

1.福建中醫(yī)藥大學針灸學院，福建福州 350108；2.福建衛(wèi)生職業(yè)技術學院臨床醫(yī)學系，福建福州 350101

膝骨性關節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）是多發(fā)于中老年人的一種慢性退行性關節(jié)疾病，其病理變化包括關節(jié)軟骨退行性病變、繼發(fā)性骨質增生、滑膜炎、軟骨下骨改變、關節(jié)囊纖維變性和增厚以及關節(jié)周圍肌肉痙攣。其中，關節(jié)軟骨退變是KOA 最主要與最直觀的病理表現(xiàn)。在KOA的發(fā)生發(fā)展中，多種致病因素相互作用，加速關節(jié)軟骨損傷及退變。關節(jié)軟骨退變，往往可導致軟骨下骨外露硬化，繼發(fā)滑膜組織炎癥、骨質增生，引起關節(jié)囊及關節(jié)周圍肌肉的改變，從而使關節(jié)生物應力平衡失調，這些病變又進一步促進關節(jié)軟骨損傷及退變，形成惡性循環(huán)，加重KOA 病變[1]。因此軟骨退變是KOA 發(fā)生發(fā)展過程中的重要機制。由于關節(jié)軟骨缺乏血液供應，當軟骨損傷或退化時，往往修復能力十分有限，關節(jié)功能難以恢復。目前，多種臨床及基礎研究都表明機械刺激在軟骨退變中具有重要作用，故從機械刺激對軟骨細胞的影響及其臨床應用方面進行探討，以期獲得機械刺激改善膝骨關節(jié)功能的新認識。

1 軟骨細胞在不同機械刺激模式下的效應

關節(jié)軟骨覆蓋于關節(jié)內骨表面，是人體的機械力敏感組織之一，時刻承受著不同應力模式的機械刺激。軟骨細胞作為軟骨組織中唯一的細胞，在機械刺激下會產(chǎn)生效應。目前，機械刺激的應力模式主要有壓應力、張應力、振動、電磁力刺激、流體剪切力等，其中壓應力、張應力、振動三種模式較為常見，以下闡述以軟骨細胞在壓應力、張應力以及振動三種模式刺激下的效應為主。

1.1 壓應力模式

壓應力通常有兩種模式，靜態(tài)壓力和動態(tài)壓力。靜態(tài)壓力是對組織或細胞施加恒定壓力，也是較早被關注的方式，動態(tài)壓力則更傾向于持續(xù)不規(guī)則的壓力刺激，更為復雜。有研究表明，中等時長與強度的壓應力刺激既可抑制軟骨細胞中基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPs）家族中MMP-13的表達，促進Ⅱ型膠原（collagen type Ⅱ，COL-Ⅱ）表達；也可促進MMP-3的表達，從而促進COL-Ⅱ和蛋白多糖（proteoglycan，PG）的表達，通過調節(jié)MMPs、COL-Ⅱ和PG的含量，影響軟骨細胞的代謝狀態(tài)[2-4]。該條件下的壓應力也有助于改善軟骨細胞表型去分化，但長時間壓應力刺激有負面影響。壓應力刺激作用于軟骨細胞時，可通過細胞骨架對周圍產(chǎn)生牽引力，或促使細胞骨架降解而引起肌動蛋白和波形蛋白重新排列，從而介導軟骨細胞形態(tài)發(fā)生改變[5-6]。

1.2 張應力模式

張應力是常見的機體細胞受力模式。研究表明機械拉伸力能增加COL-Ⅱ和膠原蛋白結合的整聯(lián)蛋白亞基α的表達[7]。Xu 等[8]通過模擬體外循環(huán)拉伸應變（CTS）持續(xù)被動運動對軟骨細胞的影響，表明CTS是白細胞介素-1（IL-1β）作用的有效拮抗劑，可能涉及破壞或調節(jié)mRNA 轉錄上游IL-1β的信號轉導級聯(lián)，可直接作為軟骨細胞的抗炎信號，抑制軟骨降解，但IL-1β的存在是CTS發(fā)揮作用的先決條件。張應力刺激在適當強度和頻率的條件下，可促進軟骨細胞增殖，影響基質合成代謝，維持其正常結構功能，也可通過破壞或調節(jié)炎癥信號通路，抑制軟骨細胞降解。

1.3 振動模式

振動在維持關節(jié)軟骨特性方面必不可少。振動產(chǎn)生的牽引力與壓迫力，是以營養(yǎng)刺激的方式作用于細胞，促進細胞增殖和分化。劉杰等[9]實驗發(fā)現(xiàn)在較高頻率振動下（200～300 Hz），能加快軟骨細胞代謝，而400 Hz以上的振動頻率則會抑制軟骨細胞DNA 合成；振動刺激可以促使軟骨細胞PG 合成亢進，加快軟骨細胞的凝聚。而劉博等[10]實驗則表明在頻率為5～10 Hz的情況下，振動能促進骨關節(jié)炎的形成，長時間垂直振動可改變軟骨細胞結構和組成，加速腰椎小關節(jié)軟骨退變，其退變隨振動頻率增加而加重。這些均表明振動刺激需適當?shù)念l率才能發(fā)揮積極作用。

2 機械刺激影響軟骨細胞的途徑

軟骨組織由軟骨細胞及細胞外基質構成，其中軟骨細胞外基質又主要由COL-Ⅱ、PG 和H2O 構成，共同維持軟骨內纖維網(wǎng)架的結構及正常功能。機械刺激主要通過物理途徑、化學途徑影響軟骨細胞形態(tài)結構及功能。

2.1 物理途徑

細胞形態(tài)既是細胞內力平衡的外在表現(xiàn)，也是細胞功能的體現(xiàn)形式，并且參與細胞增殖分化與凋亡等事件。細胞形態(tài)與力學環(huán)境關系密切，研究軟骨細胞形態(tài)是機械刺激影響軟骨修復機制的基礎。而細胞骨架是維持軟骨細胞穩(wěn)定形態(tài)的重要部分，既維持軟骨細胞固態(tài)特性和細胞內結構的有序性，又與外界力學刺激等密切相關。細胞骨架包括微絲、微管和中間纖維，與多種調控蛋白共同構建胞內蛋白纖維網(wǎng)狀結構。細胞骨架與細胞內其他各部分共同作用后，可使細胞內張力維持穩(wěn)定狀態(tài)。適當機械力的刺激作用下，可增強軟骨細胞的細胞骨架蛋白表達，使其排列更緊密。細胞骨架中肌動蛋白微絲結構的破壞可以使Ⅱ型膠原的表達增加，影響細胞形態(tài)由扁平梭形改變?yōu)閳A形[11]。李雄峰等[12]實驗發(fā)現(xiàn)力學刺激下，細胞骨架發(fā)生明顯變化且其變化與力學刺激的性質大小相關，同時發(fā)現(xiàn)骨架蛋白具有自我反饋調節(jié)機制，不同骨架蛋白的功能不同。王雪冰等[13]發(fā)現(xiàn)周期性機械刺激下，軟骨細胞的微管、微絲及中間纖維發(fā)生重排，表明周期性機械刺激可以促進軟骨細胞骨架重排，改變軟骨細胞骨架和細胞形態(tài)。

2.2 化學途徑

機械刺激作用于軟骨細胞后，軟骨細胞可通過整合素、離子通道、內質網(wǎng)等途徑響應生物力學信號。機械刺激可以通過調控MMP-13 蛋白、Ⅱ型膠原、蛋白多糖及軟骨組織新陳代謝所需酶的分泌等，促進軟骨細胞的增殖及其凋亡，使其維持結構完整性并發(fā)揮正常的細胞功能。

2.2.1 整合素 整合素連接著細胞骨架和細胞外基質，是關節(jié)軟骨細胞中的重要機械感受器，其受體具有提供配體結合位點的細胞外結構域，通過其受體與配體結合作用，將機械信號轉導成細胞內生化反應。機械力刺激可通過整合素受體傳至細胞內，使細胞骨架發(fā)生重排或解聚，使軟骨細胞發(fā)生增殖等應答反應。整合素感應機械刺激后，也可通過轉化生長因子β3（TGF-β3）依賴性途徑介導信號轉導，增強蛋白多糖合成，從而促進軟骨細胞增殖[14]。

2.2.2 離子通道 離子通道是各種無機離子跨膜運輸?shù)耐?。而機械力敏感性離子通道則能將細胞膜感受到的機械信號轉化為化學信號或電信號。當機械刺激作用于細胞時，細胞通過機械力敏感離子通道增加Ca2+內流，使其濃度上升，并經(jīng)過鈣誘導鈣釋放機制擴大反應從而應答機械刺激[15]。Piezo1 蛋白離子通道是目前新發(fā)現(xiàn)的與機械應力刺激信號有著較強相關性的信號通路。Lee 等[16]實驗結果發(fā)現(xiàn)Piezo1 蛋白和Piezo2 蛋白在應力狀態(tài)下的軟骨細胞中穩(wěn)健表達，并且Piezo1 蛋白和Piezo2 蛋白之間的協(xié)同作用，可給予軟骨高應變機械敏感性，而使用Piezo 通道抑制劑GsMTx4，則可以減少軟骨細胞凋亡。Piezo1 蛋白作為一種新發(fā)現(xiàn)的機械力敏感離子通道，在抑制軟骨細胞凋亡方面可能成為治療的潛在靶點，其Piezo 通道抑制劑或許可以用于關節(jié)軟骨退化方面的治療。

2.2.3 其他途徑 Huang 等[17]發(fā)現(xiàn)機械刺激和局部缺氧在較高刺激水平條件下，可引起內質網(wǎng)應激過度激活導致軟骨細胞凋亡。Hamamura 等[18]發(fā)現(xiàn)機械加載可通過Rac1 介導的p38MAPK 信號通路，抑制軟骨細胞MMP-13 激活，進而保護軟骨組織。Yang 等[19]實驗說明中度CTS（10%、0.5 Hz、4 h）可通過AMPK/NFκβ 信號通路，抑制IL-1β 誘導的軟骨細胞炎癥反應。

3 機械刺激的臨床應用

因機械刺激具有多種應力模式，故在臨床上的應用形式也十分多樣，如結合現(xiàn)代儀器的全身振動療法（WBV）、超聲波治療，或患者自主鍛煉的功法及康復運動，或傳統(tǒng)針灸推拿等。有證據(jù)表明運動療法對輕中度KOA患者療效顯著，可維持關節(jié)生物力學，改善關節(jié)功能，但在國內起步較晚，目前仍無法明確最佳運動形式標準[20-21]。WBV 療法利用振動平臺傳導高頻機械振動，通過不同振動方式與參數(shù)引起相對應的生理反應[22]。Meta 分析表明WBV 療法能減輕患者疼痛和改善患者關節(jié)功能[23]。超聲波是一種高頻率壓力波，可作用于人體并產(chǎn)生細微機械效應，研究表明低強度脈沖超聲可減緩KOA患者疼痛癥狀并促進軟骨損傷修復[24]。趙明宇等[25]研究表明推拿手法治療KOA 療效較佳。綜合來看，機械刺激在臨床上的相關應用，都能在一定程度上緩解和改善關節(jié)軟骨損傷退化引起的膝骨關節(jié)功能障礙。

4 討論

隨著社會人口老齡化的影響，KOA的發(fā)病率也在不斷上升。臨床上十分常見由于膝關節(jié)軟骨自然退變或創(chuàng)傷引起的軟骨損傷，不及時修復往往導致KOA的發(fā)生，最終出現(xiàn)關節(jié)疼痛、僵硬、腫脹甚或畸形等膝關節(jié)功能障礙，嚴重影響患者的生活質量。

目前，針對KOA患者軟骨退變引起的膝關節(jié)功能障礙，其臨床治療方法很多，主要分為手術療法、生物治療和保守療法。手術療法主要包括人工關節(jié)置換術、關節(jié)軟骨修復術、關節(jié)鏡下清理術等，主要目的是減輕疼痛、改善關節(jié)功能以及矯正關節(jié)畸形。但術后可能面臨并發(fā)癥，且治療費用高，患者自身意愿低，一般適用于非手術療法基本無效，嚴重影響日常生活的患者。生物治療中包含基因治療、細胞治療和組織工程軟骨，是目前新興的三項治療方法，但存在操作難度高、載體安全性和基因表達穩(wěn)定性等多種問題，短期內無法進入臨床普及使用。相比手術療法及生物療法，保守療法的患者接受度較高、費用較低。而臨床上保守療法大多存在機械刺激的身影，這很大程度是基于膝關節(jié)是人體重要的承重受力部位，且目前對KOA的生物力學機制研究也在不斷深入。另外，與長期口服易帶來副作用的藥物治療相比，機械刺激臨床應用的副作用較小。由此可見，機械刺激的臨床應用具有良好前景。但是對于膝關節(jié)軟骨退變的患者來說，醫(yī)學儀器輔助治療、針灸推拿須時常前往醫(yī)院，且儀器治療一般費用較高，而能自主鍛煉的傳統(tǒng)功法，由于招式復雜且患者自身膝關節(jié)功能受限，患者較難完成或長期堅持。為尋找能夠改善膝關節(jié)功能的簡單方案，在梳理文獻、觀察臨床病例的基礎上，結合專家建議，有團隊從八段錦、太極拳、易筋經(jīng)三種傳統(tǒng)健身功法的招式中提煉整合出簡易的專門針對膝關節(jié)功能障礙的三步六式健膝功。王雯婷等[26]臨床研究表明三步六式健膝功在改善KOA患者膝關節(jié)功能及生活質量上效果顯著。

三步六式健膝功顧名思義分為三步，共六式。第一步為尖足式與跟足式，是利用自身體重，交替腳尖和腳跟受靜態(tài)壓力。第二步為壓腿式和抱膝式鍛煉，增加膝關節(jié)受張應力。第三式的弓步虛步式則通過交替重心轉移，在靜態(tài)壓力基礎上又對膝關節(jié)施加動態(tài)壓力。動作完成過程中膝關節(jié)不斷周期性接受壓應力和張應力，從而影響軟骨組織中的軟骨細胞。軟骨細胞感應器接收兩種應力后，一方面是通過物理途徑以改變軟骨細胞形態(tài)與細胞骨架為主，從而影響軟骨細胞的功能作用，幫助退變軟骨組織的修復。另一方面是通過化學途徑或其他途徑完成力學信號和化學信號之間的傳遞轉變，影響細胞增殖和凋亡所需要的蛋白分子如COL-Ⅱ、PG 等，從而促進軟骨細胞增殖、抑制軟骨細胞凋亡，參與軟骨組織的新陳代謝，以助損傷軟骨組織修復。三步六式健膝功通過周期性鍛煉，不斷從多途徑影響軟骨細胞功能，促進其新陳代謝，從而逐漸修復受損軟骨組織，改善膝關節(jié)功能障礙。

機械刺激雖然在臨床應用上形式多樣，但若想對軟骨細胞產(chǎn)生積極的影響，促進軟骨組織修復，前提條件都需要適當?shù)膹姸?、頻率和時間。中等強度和時間以及較高頻率條件下，大多機械刺激模式可有助于軟骨細胞修復，長時間、高頻率或過低頻率、高強度等條件下則可能引起或加重骨關節(jié)炎或軟骨退變。故臨床上三步六式健膝功的運動康復原則也包括舒適無痛和循序漸進，強調鍛煉強度不宜過快過大，不宜長時間單一、劇烈或過度運動。同時應當因人而異，根據(jù)患者膝關節(jié)功能障礙情況，調整強度、時間及頻率，以防治療無效或加重病情。

機械刺激的多種臨床應用療法中，三步六式健膝功具有動作簡單易掌握，無需依靠太多工具，可以隨時鍛煉的優(yōu)勢。但患者的依從性極為重要，臨床療效與其相關。目前三步六式健膝功臨床研究樣本量較少，仍需納入更多臨床樣本進一步證明。而在動物基礎實驗方面由于動物無依從性，難以施展，或許可以嘗試通過剖析三步六式健膝功的應力模式，按其受力順序、時間及次數(shù)條件，模擬功法招式所產(chǎn)生的機械刺激，應用于動物實驗，從而填補其基礎研究上的空缺。此外，需要注意的是，軟骨組織因血液供應的缺乏，自我修復能力有限，即使機械刺激能促進其修復，其修復程度仍具有局限性，臨床更適用于KOA 早期或術后康復。當KOA 發(fā)展至晚期時，KOA患者的關節(jié)軟骨損傷和退變較為嚴重，難以靠保守治療恢復，可能仍須考慮手術治療。