陳 柯 陳 銘

1.福建中醫(yī)藥大學(xué)針灸學(xué)院，福建福州 350108；2.福建衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)系，福建福州 350101

膝骨性關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）是多發(fā)于中老年人的一種慢性退行性關(guān)節(jié)疾病，其病理變化包括關(guān)節(jié)軟骨退行性病變、繼發(fā)性骨質(zhì)增生、滑膜炎、軟骨下骨改變、關(guān)節(jié)囊纖維變性和增厚以及關(guān)節(jié)周圍肌肉痙攣。其中，關(guān)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(guān)節(jié)軟骨損傷及退變。關(guān)節(jié)軟骨退變，往往可導(dǎo)致軟骨下骨外露硬化，繼發(fā)滑膜組織炎癥、骨質(zhì)增生，引起關(guān)節(jié)囊及關(guān)節(jié)周圍肌肉的改變，從而使關(guān)節(jié)生物應(yīng)力平衡失調(diào)，這些病變又進(jìn)一步促進(jìn)關(guān)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(jī)制。由于關(guān)節(jié)軟骨缺乏血液供應(yīng)，當(dāng)軟骨損傷或退化時(shí)，往往修復(fù)能力十分有限，關(guān)節(jié)功能難以恢復(fù)。目前，多種臨床及基礎(chǔ)研究都表明機(jī)械刺激在軟骨退變中具有重要作用，故從機(jī)械刺激對(duì)軟骨細(xì)胞的影響及其臨床應(yīng)用方面進(jìn)行探討，以期獲得機(jī)械刺激改善膝骨關(guān)節(jié)功能的新認(rèn)識(shí)。

1 軟骨細(xì)胞在不同機(jī)械刺激模式下的效應(yīng)

關(guān)節(jié)軟骨覆蓋于關(guān)節(jié)內(nèi)骨表面，是人體的機(jī)械力敏感組織之一，時(shí)刻承受著不同應(yīng)力模式的機(jī)械刺激。軟骨細(xì)胞作為軟骨組織中唯一的細(xì)胞，在機(jī)械刺激下會(huì)產(chǎn)生效應(yīng)。目前，機(jī)械刺激的應(yīng)力模式主要有壓應(yīng)力、張應(yīng)力、振動(dòng)、電磁力刺激、流體剪切力等，其中壓應(yīng)力、張應(yīng)力、振動(dòng)三種模式較為常見，以下闡述以軟骨細(xì)胞在壓應(yīng)力、張應(yīng)力以及振動(dòng)三種模式刺激下的效應(yīng)為主。

1.1 壓應(yīng)力模式

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

1.2 張應(yīng)力模式

張應(yīng)力是常見的機(jī)體細(xì)胞受力模式。研究表明機(jī)械拉伸力能增加COL-Ⅱ和膠原蛋白結(jié)合的整聯(lián)蛋白亞基α的表達(dá)[7]。Xu 等[8]通過模擬體外循環(huán)拉伸應(yīng)變（CTS）持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)軟骨細(xì)胞的影響，表明CTS是白細(xì)胞介素-1（IL-1β）作用的有效拮抗劑，可能涉及破壞或調(diào)節(jié)mRNA 轉(zhuǎn)錄上游IL-1β的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)，可直接作為軟骨細(xì)胞的抗炎信號(hào)，抑制軟骨降解，但I(xiàn)L-1β的存在是CTS發(fā)揮作用的先決條件。張應(yīng)力刺激在適當(dāng)強(qiáng)度和頻率的條件下，可促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖，影響基質(zhì)合成代謝，維持其正常結(jié)構(gòu)功能，也可通過破壞或調(diào)節(jié)炎癥信號(hào)通路，抑制軟骨細(xì)胞降解。

1.3 振動(dòng)模式

振動(dòng)在維持關(guān)節(jié)軟骨特性方面必不可少。振動(dòng)產(chǎn)生的牽引力與壓迫力，是以營(yíng)養(yǎng)刺激的方式作用于細(xì)胞，促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化。劉杰等[9]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在較高頻率振動(dòng)下（200～300 Hz），能加快軟骨細(xì)胞代謝，而400 Hz以上的振動(dòng)頻率則會(huì)抑制軟骨細(xì)胞DNA 合成；振動(dòng)刺激可以促使軟骨細(xì)胞PG 合成亢進(jìn)，加快軟骨細(xì)胞的凝聚。而劉博等[10]實(shí)驗(yàn)則表明在頻率為5～10 Hz的情況下，振動(dòng)能促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的形成，長(zhǎng)時(shí)間垂直振動(dòng)可改變軟骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)和組成，加速腰椎小關(guān)節(jié)軟骨退變，其退變隨振動(dòng)頻率增加而加重。這些均表明振動(dòng)刺激需適當(dāng)?shù)念l率才能發(fā)揮積極作用。

2 機(jī)械刺激影響軟骨細(xì)胞的途徑

軟骨組織由軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，其中軟骨細(xì)胞外基質(zhì)又主要由COL-Ⅱ、PG 和H2O 構(gòu)成，共同維持軟骨內(nèi)纖維網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)及正常功能。機(jī)械刺激主要通過物理途徑、化學(xué)途徑影響軟骨細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)及功能。

2.1 物理途徑

細(xì)胞形態(tài)既是細(xì)胞內(nèi)力平衡的外在表現(xiàn)，也是細(xì)胞功能的體現(xiàn)形式，并且參與細(xì)胞增殖分化與凋亡等事件。細(xì)胞形態(tài)與力學(xué)環(huán)境關(guān)系密切，研究軟骨細(xì)胞形態(tài)是機(jī)械刺激影響軟骨修復(fù)機(jī)制的基礎(chǔ)。而細(xì)胞骨架是維持軟骨細(xì)胞穩(wěn)定形態(tài)的重要部分，既維持軟骨細(xì)胞固態(tài)特性和細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的有序性，又與外界力學(xué)刺激等密切相關(guān)。細(xì)胞骨架包括微絲、微管和中間纖維，與多種調(diào)控蛋白共同構(gòu)建胞內(nèi)蛋白纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。細(xì)胞骨架與細(xì)胞內(nèi)其他各部分共同作用后，可使細(xì)胞內(nèi)張力維持穩(wěn)定狀態(tài)。適當(dāng)機(jī)械力的刺激作用下，可增強(qiáng)軟骨細(xì)胞的細(xì)胞骨架蛋白表達(dá)，使其排列更緊密。細(xì)胞骨架中肌動(dòng)蛋白微絲結(jié)構(gòu)的破壞可以使Ⅱ型膠原的表達(dá)增加，影響細(xì)胞形態(tài)由扁平梭形改變?yōu)閳A形[11]。李雄峰等[12]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)力學(xué)刺激下，細(xì)胞骨架發(fā)生明顯變化且其變化與力學(xué)刺激的性質(zhì)大小相關(guān)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)骨架蛋白具有自我反饋調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)械刺激下，軟骨細(xì)胞的微管、微絲及中間纖維發(fā)生重排，表明周期性機(jī)械刺激可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞骨架重排，改變軟骨細(xì)胞骨架和細(xì)胞形態(tài)。

2.2 化學(xué)途徑

機(jī)械刺激作用于軟骨細(xì)胞后，軟骨細(xì)胞可通過整合素、離子通道、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等途徑響應(yīng)生物力學(xué)信號(hào)。機(jī)械刺激可以通過調(diào)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(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖及其凋亡，使其維持結(jié)構(gòu)完整性并發(fā)揮正常的細(xì)胞功能。

2.2.1 整合素 整合素連接著細(xì)胞骨架和細(xì)胞外基質(zhì)，是關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中的重要機(jī)械感受器，其受體具有提供配體結(jié)合位點(diǎn)的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域，通過其受體與配體結(jié)合作用，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)成細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)。機(jī)械力刺激可通過整合素受體傳至細(xì)胞內(nèi)，使細(xì)胞骨架發(fā)生重排或解聚，使軟骨細(xì)胞發(fā)生增殖等應(yīng)答反應(yīng)。整合素感應(yīng)機(jī)械刺激后，也可通過轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β3（TGF-β3）依賴性途徑介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，增強(qiáng)蛋白多糖合成，從而促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖[14]。

2.2.2 離子通道 離子通道是各種無機(jī)離子跨膜運(yùn)輸?shù)耐贰６鴻C(jī)械力敏感性離子通道則能將細(xì)胞膜感受到的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號(hào)或電信號(hào)。當(dāng)機(jī)械刺激作用于細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞通過機(jī)械力敏感離子通道增加Ca2+內(nèi)流，使其濃度上升，并經(jīng)過鈣誘導(dǎo)鈣釋放機(jī)制擴(kuò)大反應(yīng)從而應(yīng)答機(jī)械刺激[15]。Piezo1 蛋白離子通道是目前新發(fā)現(xiàn)的與機(jī)械應(yīng)力刺激信號(hào)有著較強(qiáng)相關(guān)性的信號(hào)通路。Lee 等[16]實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)Piezo1 蛋白和Piezo2 蛋白在應(yīng)力狀態(tài)下的軟骨細(xì)胞中穩(wěn)健表達(dá)，并且Piezo1 蛋白和Piezo2 蛋白之間的協(xié)同作用，可給予軟骨高應(yīng)變機(jī)械敏感性，而使用Piezo 通道抑制劑GsMTx4，則可以減少軟骨細(xì)胞凋亡。Piezo1 蛋白作為一種新發(fā)現(xiàn)的機(jī)械力敏感離子通道，在抑制軟骨細(xì)胞凋亡方面可能成為治療的潛在靶點(diǎn)，其Piezo 通道抑制劑或許可以用于關(guān)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(jī)械刺激和局部缺氧在較高刺激水平條件下，可引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過度激活導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡。Hamamura 等[18]發(fā)現(xiàn)機(jī)械加載可通過Rac1 介導(dǎo)的p38MAPK 信號(hào)通路，抑制軟骨細(xì)胞MMP-13 激活，進(jìn)而保護(hù)軟骨組織。Yang 等[19]實(shí)驗(yàn)說明中度CTS（10%、0.5 Hz、4 h）可通過AMPK/NFκβ 信號(hào)通路，抑制IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞炎癥反應(yīng)。

3 機(jī)械刺激的臨床應(yīng)用

因機(jī)械刺激具有多種應(yīng)力模式，故在臨床上的應(yīng)用形式也十分多樣，如結(jié)合現(xiàn)代儀器的全身振動(dòng)療法（WBV）、超聲波治療，或患者自主鍛煉的功法及康復(fù)運(yùn)動(dòng)，或傳統(tǒng)針灸推拿等。有證據(jù)表明運(yùn)動(dòng)療法對(duì)輕中度KOA患者療效顯著，可維持關(guān)節(jié)生物力學(xué)，改善關(guān)節(jié)功能，但在國(guó)內(nèi)起步較晚，目前仍無法明確最佳運(yùn)動(dòng)形式標(biāo)準(zhǔn)[20-21]。WBV 療法利用振動(dòng)平臺(tái)傳導(dǎo)高頻機(jī)械振動(dòng)，通過不同振動(dòng)方式與參數(shù)引起相對(duì)應(yīng)的生理反應(yīng)[22]。Meta 分析表明WBV 療法能減輕患者疼痛和改善患者關(guān)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(xì)微機(jī)械效應(yīng)，研究表明低強(qiáng)度脈沖超聲可減緩KOA患者疼痛癥狀并促進(jìn)軟骨損傷修復(fù)[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(jī)械刺激在臨床上的相關(guān)應(yīng)用，都能在一定程度上緩解和改善關(guān)節(jié)軟骨損傷退化引起的膝骨關(guān)節(jié)功能障礙。

4 討論

隨著社會(huì)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(guān)節(jié)軟骨自然退變或創(chuàng)傷引起的軟骨損傷，不及時(shí)修復(fù)往往導(dǎo)致KOA的發(fā)生，最終出現(xiàn)關(guān)節(jié)疼痛、僵硬、腫脹甚或畸形等膝關(guān)節(jié)功能障礙，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。

目前，針對(duì)KOA患者軟骨退變引起的膝關(guān)節(jié)功能障礙，其臨床治療方法很多，主要分為手術(shù)療法、生物治療和保守療法。手術(shù)療法主要包括人工關(guān)節(jié)置換術(shù)、關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)術(shù)、關(guān)節(jié)鏡下清理術(shù)等，主要目的是減輕疼痛、改善關(guān)節(jié)功能以及矯正關(guān)節(jié)畸形。但術(shù)后可能面臨并發(fā)癥，且治療費(fèi)用高，患者自身意愿低，一般適用于非手術(shù)療法基本無效，嚴(yán)重影響日常生活的患者。生物治療中包含基因治療、細(xì)胞治療和組織工程軟骨，是目前新興的三項(xiàng)治療方法，但存在操作難度高、載體安全性和基因表達(dá)穩(wěn)定性等多種問題，短期內(nèi)無法進(jìn)入臨床普及使用。相比手術(shù)療法及生物療法，保守療法的患者接受度較高、費(fèi)用較低。而臨床上保守療法大多存在機(jī)械刺激的身影，這很大程度是基于膝關(guān)節(jié)是人體重要的承重受力部位，且目前對(duì)KOA的生物力學(xué)機(jī)制研究也在不斷深入。另外，與長(zhǎng)期口服易帶來副作用的藥物治療相比，機(jī)械刺激臨床應(yīng)用的副作用較小。由此可見，機(jī)械刺激的臨床應(yīng)用具有良好前景。但是對(duì)于膝關(guān)節(jié)軟骨退變的患者來說，醫(yī)學(xué)儀器輔助治療、針灸推拿須時(shí)常前往醫(yī)院，且儀器治療一般費(fèi)用較高，而能自主鍛煉的傳統(tǒng)功法，由于招式復(fù)雜且患者自身膝關(guān)節(jié)功能受限，患者較難完成或長(zhǎng)期堅(jiān)持。為尋找能夠改善膝關(guān)節(jié)功能的簡(jiǎn)單方案，在梳理文獻(xiàn)、觀察臨床病例的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家建議，有團(tuán)隊(duì)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(jiǎn)易的專門針對(duì)膝關(guān)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(guān)節(jié)功能及生活質(zhì)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(guān)節(jié)受張應(yīng)力。第三式的弓步虛步式則通過交替重心轉(zhuǎn)移，在靜態(tài)壓力基礎(chǔ)上又對(duì)膝關(guān)節(jié)施加動(dòng)態(tài)壓力。動(dòng)作完成過程中膝關(guān)節(jié)不斷周期性接受壓應(yīng)力和張應(yīng)力，從而影響軟骨組織中的軟骨細(xì)胞。軟骨細(xì)胞感應(yīng)器接收兩種應(yīng)力后，一方面是通過物理途徑以改變軟骨細(xì)胞形態(tài)與細(xì)胞骨架為主，從而影響軟骨細(xì)胞的功能作用，幫助退變軟骨組織的修復(fù)。另一方面是通過化學(xué)途徑或其他途徑完成力學(xué)信號(hào)和化學(xué)信號(hào)之間的傳遞轉(zhuǎn)變，影響細(xì)胞增殖和凋亡所需要的蛋白分子如COL-Ⅱ、PG 等，從而促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖、抑制軟骨細(xì)胞凋亡，參與軟骨組織的新陳代謝，以助損傷軟骨組織修復(fù)。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(xì)胞功能，促進(jìn)其新陳代謝，從而逐漸修復(fù)受損軟骨組織，改善膝關(guān)節(jié)功能障礙。

機(jī)械刺激雖然在臨床應(yīng)用上形式多樣，但若想對(duì)軟骨細(xì)胞產(chǎn)生積極的影響，促進(jìn)軟骨組織修復(fù)，前提條件都需要適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、頻率和時(shí)間。中等強(qiáng)度和時(shí)間以及較高頻率條件下，大多機(jī)械刺激模式可有助于軟骨細(xì)胞修復(fù)，長(zhǎng)時(shí)間、高頻率或過低頻率、高強(qiáng)度等條件下則可能引起或加重骨關(guān)節(jié)炎或軟骨退變。故臨床上三步六式健膝功的運(yùn)動(dòng)康復(fù)原則也包括舒適無痛和循序漸進(jìn)，強(qiáng)調(diào)鍛煉強(qiáng)度不宜過快過大，不宜長(zhǎng)時(shí)間單一、劇烈或過度運(yùn)動(dòng)。同時(shí)應(yīng)當(dāng)因人而異，根據(jù)患者膝關(guān)節(jié)功能障礙情況，調(diào)整強(qiáng)度、時(shí)間及頻率，以防治療無效或加重病情。

機(jī)械刺激的多種臨床應(yīng)用療法中，三步六式健膝功具有動(dòng)作簡(jiǎn)單易掌握，無需依靠太多工具，可以隨時(shí)鍛煉的優(yōu)勢(shì)。但患者的依從性極為重要，臨床療效與其相關(guān)。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(jìn)一步證明。而在動(dòng)物基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方面由于動(dòng)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(yīng)力模式，按其受力順序、時(shí)間及次數(shù)條件，模擬功法招式所產(chǎn)生的機(jī)械刺激，應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，從而填補(bǔ)其基礎(chǔ)研究上的空缺。此外，需要注意的是，軟骨組織因血液供應(yīng)的缺乏，自我修復(fù)能力有限，即使機(jī)械刺激能促進(jìn)其修復(fù)，其修復(fù)程度仍具有局限性，臨床更適用于KOA 早期或術(shù)后康復(fù)。當(dāng)KOA 發(fā)展至晚期時(shí)，KOA患者的關(guān)節(jié)軟骨損傷和退變較為嚴(yán)重，難以靠保守治療恢復(fù)，可能仍須考慮手術(shù)治療。