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

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

骨關節(jié)炎（OA）是一種以關節(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注。其中，流體剪切力作為關鍵生物力學刺激，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節(jié)炎中的作用機制，揭示其如何通過調控軟骨細胞的生理功能與信號轉導通路，影響骨關節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展進程，為理解疾病病理及開發(fā)干預策略提供理論基礎。

在研究中，常采用內側半月板不穩(wěn)定術（DMM）等手術構建 OA 動物模型，通過破壞關節(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注，機械信號對關節(jié)細胞和組織的生理病理活動至關重要。健康狀態(tài)下，適度運動產(chǎn)生的機械應力有助于維持軟骨細胞主導的細胞外基質（ECM）動態(tài)平衡，保護軟骨組織；而過度機械應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節(jié)結構改變。

關節(jié)軟骨作為活動關節(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，其結構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，小鼠骨關節(jié)炎早期，關節(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缺損，這表明 OA 早期表層細胞受損致細胞外基質破壞，而因表層主要承受流體剪切應力，故需研究該應力誘導 OA 的潛在機制。

圖2    關節(jié)軟骨四層結構承受的應力。

流體剪切應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導影響顯著：低水平剪切應力（<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降解酶表達，導致基質分解和骨關節(jié)炎樣改變。在恒定膝關節(jié)腔中，關節(jié)軟骨承受的流體剪切應力可通過公式 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。臨床研究發(fā)現(xiàn)，高強度大運動量跑步會增加關節(jié)液流速，而晚期骨關節(jié)炎患者關節(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節(jié)炎軟骨中作用迥異。

信號通路與關鍵信號分子

軟骨細胞通過多種機制響應流體剪切應力，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。流體剪切應力可誘導細胞內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    信號通路及關鍵信號分子。

Wnt 信號通路

Wnt 信號通路作為由 Wnt 家族脂質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節(jié)炎進展（如 OA 小鼠關節(jié)軟骨細胞中 β-catenin 顯著上調）。研究表明，高流體剪切應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，會加劇軟骨基質降解與 OA 病理進程。當前研究主要集中于高流體剪切應力的影響，而低應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 早期干預中通過調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，通過與受體結合激活 Smad 蛋白并調控靶基因表達，在關節(jié)軟骨發(fā)育、維持及疾病進程中扮演關鍵角色，對軟骨細胞增殖分化、凋亡及細胞外基質代謝具顯著影響。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，流體剪切應力能激活 TGF-β 信號通路，如通過促進 Smad 蛋白磷酸化與核轉位，部分介導軟骨細胞增殖。該信號通路在骨關節(jié)炎中的作用復雜，一方面可通過促進軟骨修復、抑制炎癥對抗疾病進展，另一方面異常激活又與軟骨基質降解、細胞分化異常相關，尤其在疾病晚期，其失衡會加劇軟骨破壞與關節(jié)炎癥。當前缺乏高流體剪切應力是否導致 TGF-β 信號異常激活，以及低應力是否通過激活該通路促進軟骨修復的研究，而這些探索將為揭示流體剪切應力調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 作為多功能轉錄因子，參與調控炎癥反應、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 同源結構域，介導蛋白復合物活化與核轉位。在關節(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降解，最終導致關節(jié)退行性變。研究表明，流體剪切應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 應力下 KLF4 能抑制 IL-1β 誘導的 NF-κB 激活。不同強度的剪切應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)復雜調控模式。未來需深入探究流體剪切應力與 NF-κB 信號的互作機制，及其在關節(jié)軟骨健康維持與骨關節(jié)炎進展中的具體作用，為疾病干預提供新靶點。

AMPK 信號通路

AMPK 作為由催化亞基 α 和調節(jié)亞基 β、γ 組成的異源三聚體復合物，是細胞能量平衡的關鍵感應酶，當細胞能量不足時，α 亞基 Thr172 磷酸化激活 AMPK 復合物，調控代謝穩(wěn)態(tài)。在關節(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力通過 AMPK 直接作用于關節(jié)軟骨的研究證據(jù)有限，但推測其可能通過改變細胞內 ATP 水平或直接激活 AMPK，調節(jié)軟骨細胞的合成代謝通路（如基質蛋白合成），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力誘導的軟骨細胞代謝響應中的具體機制，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，核心由 MST1/2、LATS1/2 及 YAP/TAZ 等組成，通過調控 YAP/TAZ 核轉位參與細胞生長與器官大小調控，近年研究發(fā)現(xiàn)其在關節(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 轉錄因子結合調控基因表達。在骨關節(jié)炎軟骨中，YAP 表達升高且與關節(jié)損傷程度正相關，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降解。

Zhong 等研究表明，流體剪切應力增加可誘導 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雜互作有關。此外，YAP/TAZ 對軟骨細胞分化和軟骨內成骨并非必需，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力通過 Hippo 信號通路調控關節(jié)軟骨生物學過程的具體機制，為骨關節(jié)炎治療策略開發(fā)提供新方向。

關鍵信號分子

流體剪切應力通過激活軟骨表面機械敏感受體，調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。這些結果表明，流體剪切應力的強度與作用時間是調控軟骨細胞合成 / 分解代謝平衡的關鍵因素，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性響應或病理損傷的分子基礎。

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

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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