Введение: Вызов ремонта хряща

Хрящ - это специализированная соединительная ткань, которая выстилает концы костей в диартродиальных суставах, обеспечивая поверхность с низким трением и распределяя нагрузки во время движения. В отличие от многих других тканей в организме, хрящ имеет ограниченную способность к самовосстановлению из-за его сосудистой природы и низкой митотической активности его резидентных клеток, хондроцитов. Травмы хряща, будь то травмы или дегенеративные состояния, такие как остеоартрит, часто приводят к прогрессирующему ухудшению суставов и хронической боли. Разработка эффективных методов лечения, которые могут восстановить функциональный хрящ - будь то с помощью тканевой инженерии, клеточной терапии или реабилитации - требует глубокого понимания факторов, которые приводят к созреванию хряща. Среди этих факторов механическая нагрузка возникла как критический регулятор развития хряща, гомеостаза и восстановления.

Механическая нагрузка относится к физическим силам - сжатию, напряжению и сдвигу - которые накладываются на хрящ во время повседневной деятельности, такой как ходьба, бег и суставная артикуляция. Вдали от того, чтобы быть пассивным пассажиром, хрящ активно реагирует на эти силы, изменяя клеточное поведение и матричную композицию. Было показано, что контролируемое применение физиологической нагрузки улучшает созревание хрящевой ткани как in vivo, так и в инженерных конструкциях. В этой статье исследуются механизмы, с помощью которых механическая нагрузка влияет на созревание хряща, оптимальные параметры для загрузки и трансляционные последствия для тканевой инженерии и клинической реабилитации.

Биомеханика хряща

Чтобы понять, как механическая нагрузка влияет на созревание хряща, необходимо сначала оценить структуру и механические свойства нативного хряща. Суставной хрящ состоит из плотного внеклеточного матрикса (ЭКМ), богатого коллагеном II типа и протеогликана, в первую очередь аггрекана. Сеть коллагена обеспечивает прочность на растяжение, в то время как протеогликаны притягивают воду, создавая гидратированный гель, который сопротивляется сжатию. Эта двуфазная природа — твердая и жидкая фазы — дает хрящу его уникальное вязкоупругое поведение. Под нагрузкой интерстициальная жидкость течет через пористую матрицу, генерируя фрикционное сопротивление и способствуя поддержке нагрузки. Целостность этой структуры имеет важное значение для правильной функции сустава, и ее поддержание сильно зависит от механических сигналов.

В ходе развития образование хряща начинается с мезенхимальной конденсации и прогрессирует через стадии клеточной дифференциации и матричного осаждения. Механическая нагрузка от движений плода и послеродовой весовой подшипник формирует архитектуру и зональную организацию хряща. В зрелом суставе для поддержания матричного гомеостаза необходимы суточные циклы нагрузки. Иммобилизация приводит к атрофии хряща, снижению содержания протеогликанов и размягчению ткани, что подчеркивает необходимость механической стимуляции. И наоборот, чрезмерная или ненормальная нагрузка может вызвать повреждение матрицы и инициировать дегенеративные пути. Таким образом, существует терапевтическое окно механической нагрузки, способствующее созреванию и здоровью.

Как механическая загрузка влияет на поведение хондроцитов

Хондроциты — это механочувствительные клетки, которые преобразуют механические сигналы в биохимические реакции посредством процесса, известного как механотрансдукция. Несколько молекулярных путей опосредуют это преобразование, включая интегрины, ионные каналы, первичные реснички и перицеллулезный матрикс. Когда механическая сила деформирует клеточную мембрану или окружающую ECM, эти датчики активируют внутриклеточные сигнальные каскады, которые модулируют экспрессию генов и синтез белка.

Пути механотрансдукции

Один из наиболее характерных механизмов механотрансдукции в хондроцитах включает активацию фокальных адгезий через интегралы. Эти трансмембранные рецепторы связываются с компонентами ECM, такими как коллаген и фибронектин. Механическая загрузка вызывает кластеризацию интегрина и набор цитоскелетных белков, приводя к активации митоген-активированных протеинкиназ (MAPKs), таких как ERK, JNK и p38. Эти киназы затем фосфорилируют транскрипционные факторы, регулирующие гены, участвующие в продуцировании матрицы, пролиферации клеток и дифференциации. Другим важным путем является кальциевый сигнальный каскад. Механическая деформация может открывать растягиваемые ионные каналы, позволяя приток ионов кальция. Внутриклеточные кальциевые шипы активируют кальцинодулин и нижестоящие эффекторы, такие как кальциневрин и CaMKII, которые влияют на экспрессию генов. Первичный цилий, органелла на основе микротрубочек,

Генная экспрессия изменяется при загрузке

Непосредственная реакция на физиологически релевантную механическую нагрузку включает в себя повышение регуляции генов, кодирующих компоненты ECM, такие как аггрекан и коллаген типа II. Кроме того, нагрузка стимулирует экспрессию матричных металлопротеиназ (ММР) и их ингибиторов (ТИМП) сбалансированным образом, способствуя обороту матрицы без деградации. Факторы роста, такие как трансформация фактора роста-бета (TGF-β) и костные морфогенетические белки (BMPs), также индуцируются, дополнительно поддерживая синтез матрицы. Интересно, что картина загрузки - статическая против динамической, непрерывная против прерывистой - определяет специфический профиль экспрессии генов. Динамическая сжимающая нагрузка на частотах, подобных ходьбе (0,5-1 Гц) благоприятствует анаболическим реакциям, в то время как статическая нагрузка может подавлять синтез матрицы. Этот дифференциальный ответ подчеркивает важность выбора соответствующих параметров загрузки для терапевтических применений.

Виды механической нагрузки и их последствия

Различные режимы механической нагрузки оказывают различное влияние на созревание хряща. В физиологической среде хрящ испытывает сочетание сжимающих, сдвиговых и растягивающих напряжений. Понимание вклада каждого может направлять разработку протоколов загрузки для тканевой инженерии и реабилитации.

Сжатая погрузка

Компрессия является доминирующим режимом нагрузки во время подшипника веса. При сжатии суставных поверхностей хрящ подвергается объемной деформации, приводящей к увеличению интерстициального давления жидкости и экссудации воды. Этот поток жидкости создает потоковый потенциал и генерирует механические сигналы, которые ощущаются хондроцитами. Многочисленные исследования показали, что циклическая сжимающая нагрузка при умеренных величинах (например, 10-20% деформации, 0,5-1 Гц) стимулирует синтез протеогликана и производство коллагена как в культурах эксплантата, так и в культурах конструирования. Например, исследование Buschmann et al. (1999) показало, что динамическое сжатие усиливает механические свойства хондроцит-сеянных агарозных гелей. Сжимающая нагрузка также способствует выравниванию коллагеновых волокон и улучшает зональную организацию инженерного хряща, имитируя нативную тканевую архитектуру.

Стресс стрижка

Стресс сдвига возникает из-за скольжения движения сочленяющихся поверхностей. В то время как величина сдвига, испытываемого хрящом in vivo, относительно низка по сравнению с сжатием, исследования показывают, что силы сдвига могут модулировать метаболизм хондроцитов. В системах биореакторов, применяя осцилляционный сдвиг через поток жидкости или движение поверхности, было показано, что они увеличивают передачу сигналов кальция и повышают экспрессию аггрекана и коллагена. Сдвигающий стресс может также влиять на фенотип клеток, способствуя более поверхностной зоноподобной морфологии хондроцитов. В сочетании с сжатием сдвига может синергетически усиливать синтез матрицы, поскольку компонент потока жидкости увеличивает транспорт питательных веществ и удаление отходов. Исследования Гродзинского и др. (1996) обеспечили фундаментальное понимание роли сдвига в хрящевой механобиологии.

Стресс на растяжение

Растягивающее напряжение возникает, когда связки и сухожилия тянут хрящ во время совместного движения или когда коллагеновая сеть сопротивляется отеку. Чистая растягивающая нагрузка на хрящевые экспланты или клеточные семенные каркасы индуцирует клеточное удлинение и активирует опосредованную интегрином сигнализацию. Сообщается, что растягивающие штаммы 5-15% стимулируют коллагены, особенно тип I, но также могут способствовать фиброкартилагинозному фенотипу, если их применять ненадлежащим образом. В контексте созревания контролируемая растягивающая нагрузка может помочь выровнять коллагеновые волокна и улучшить растягивающую жесткость инженерных конструкций. Однако чрезмерное напряжение может быть вредным, приводя к разрыву матрицы или гибели клеток. Поэтому растягивающая нагрузка часто используется в сочетании с компрессией для повторного использования сложной многоосевой нагрузки сустава.

Оптимизация параметров загрузки для созревания тканей

Реакция хряща на механическую нагрузку сильно зависит от применяемых параметров: величины, частоты, продолжительности и схемы нагрузки.Выявление оптимального режима для повышения созревания является активной областью исследований.

Динамическая vs статическая погрузка

Последовательное открытие во многих исследованиях заключается в том, что динамическая нагрузка (циклическая или прерывистая) является более анаболической, чем статическая нагрузка. Статическое сжатие имеет тенденцию подавлять синтез матрицы, вызывая непрерывную деформацию, снижение диффузии питательных веществ и активацию катаболических путей. Напротив, динамическая нагрузка позволяет в течение периодов восстановления, которые позволяют реимбибировать жидкость и восстанавливать клеточную сигнализацию. Например, циклическое сжатие при 1 Гц в течение 1 часа в день значительно увеличивает содержание протеогликанов в культурах бычьих хондроцитов по сравнению со статической нагрузкой. Частотная зависимость предполагает, что хондроциты настроены реагировать на физиологически релевантные скорости загрузки. Частоты между 0,1 и 1 Гц обычно считаются полезными, в то время как более высокие частоты могут вызывать повреждение из-за увеличения давления жидкости и скорости сдвига.

Роль цикла нагрузки и долга

Недостаточная нагрузка может не вызывать реакции, тогда как перегрузка вызывает воспаление и дегенерацию. Типичный терапевтический диапазон для сжимающего штамма составляет 10-20%, с пиковыми напряжениями около 1-10 МПа. Также имеет значение рабочий цикл - отношение времени к времени без времени. Периодическая нагрузка с короткими приступами сжатия (например, 1 час на 11 часов отключения) имитирует естественные модели активности и поддерживает производство матрицы. Непрерывная нагрузка в течение длительных периодов может привести к гибели клеток и повреждению ECM. Продвинутые системы биореакторов теперь позволяют использовать сложные профили нагрузки, которые включают периоды отдыха, нарастание и переменную амплитуду, чтобы лучше имитировать походку и уменьшить неблагоприятные эффекты. Для всестороннего обзора параметров нагрузки см. Келли и др. (2009) .

Приложения в Tissue Engineering

Принципы механической нагрузки непосредственно применяются в технике хрящевой ткани к конструкциям предварительного состояния перед имплантацией. Биореакторы, которые обеспечивают контролируемое сжатие, сдвиг или перфузию, используются для усиления биохимических и механических свойств инженерного хряща. Например, биореактор вращающегося стеночного сосуда обеспечивает динамический сдвиг жидкости и микрогравитацию, в то время как биореактор сжатия применяет циклические одноосные или многоосевые нагрузки. Исследования показали, что применение динамического сжатия во время культуры увеличивает модуль Юнга и содержание коллагена конструкции в 2-3 раза по сравнению со статической культурой. Более сложные системы включают как сжатие, так и скольжение для имитации суставной артикуляции, в результате чего конструкции, которые более похожи на нативный хрящ.

Конструкция каркаса также взаимодействует с нагрузкой. Часто используются пористые каркасы из натуральных полимеров (например, агарозы, альгинат, коллаген) или синтетических полимеров (например, полигликолевая кислота, PCL). Размер пор, жесткость и скорость деградации влияют на то, как механические силы передаются к клеткам. Последние достижения включают в себя включение механочувствительных молекул или факторов роста в каркасы, которые высвобождаются при нагрузке. Кроме того, децеллюляризованные матрицы хряща обеспечивают нативные сигналы ECM, которые усиливают механотрансдукцию. Комбинация оптимизированных каркасов, источника клеток (хондроцитов или мезенхимальных стволовых клеток) и режим механической загрузки является ключом к созданию функциональной хрящевой ткани.

Клиническая значимость: реабилитация и погрузка после травмы

В клинических условиях механическая нагрузка используется посредством физиотерапии для содействия заживлению хряща после травмы или операции. Например, после микротрещины или остеохондральной прививки, контролируемое пассивное движение (КПМ), применяемое после операции, улучшает результаты, обеспечивая мягкую нагрузку и предотвращая жесткость. Упражнения с низкой нагрузкой, такие как ходьба, стационарный велоспорт и плавание, часто назначаются на ранних этапах восстановления для стимуляции метаболизма хряща без перегрузки восстановительной ткани. Однако, синхронизация и интенсивность нагрузки должны быть тщательно управляемы. Ранняя перегрузка может поставить под угрозу ремонт хряща, в то время как длительная иммобилизация приводит к атрофии. Прогрессивные протоколы нагрузки, где величина нагрузки постепенно увеличивается в течение недель, рекомендуются для того, чтобы позволить ткани адаптироваться и укрепляться. Новые носимые датчики и инструментальные имплантаты могут позволить в режиме реального времени контролировать нагрузки суставов, направляя персонализированные программы реабилитации.

Для пациентов с остеоартритом умеренная механическая нагрузка посредством физических упражнений является защитной. Управление весом и соответствующая физическая активность уменьшают боль в суставах и замедляют прогрессирование заболевания путем поддержания гомеостаза хряща. И наоборот, высокоэффективные действия с малальюгнацией ускоряют дегенерацию. Понимание роли механической нагрузки в созревании хряща обеспечивает научную основу для этих клинических рекомендаций. Для дальнейшего чтения по клиническим применениям обратитесь к Vincent et al. (2020) .

Будущие направления и вызовы

Несмотря на десятилетия исследований, в нашем понимании оптимальной механической нагрузки для созревания хряща остаются несколько пробелов. Индивидуальная изменчивость — возраст, пол, история травм — влияет на механосенситивность. Персонализированные режимы загрузки, основанные на специфичной для пациента геометрии суставов и моделях активности, могут улучшить результаты. Достижения в вычислительном моделировании и анализе конечных элементов используются для прогнозирования внутренних штаммов тканей, потенциально информируя протоколы загрузки. Другая проблема заключается в переводе результатов лабораторных биореакторов в сложную среду in vivo суставов, где одновременно взаимодействуют несколько режимов загрузки и биологических факторов. Многофазные биореакторы, которые включают компрессию, сдвига и перфузии, разрабатываются для лучшего воспроизведения физиологии. Кроме того, интеграция механической нагрузки с биологическими факторами, такими как факторы роста, генная терапия и дифференциация стволовых клеток, остается областью активного исследования. Наконец, регуляторный путь для инженерных продуктов хряща требует демонстрации механической эквивалентности нативным тканям, что требует проверки протоколов загрузки во время производства.

Новые технологии, такие как орган на чипе и 3D-биопечать, предлагают новые платформы для изучения механобиологии и параметров загрузки экрана. Микрофлюидные устройства могут применять точные силы к микротканям и контролировать клеточные реакции в режиме реального времени. Эти инструменты могут ускорить открытие режимов загрузки, которые оптимизируют созревание тканей.

Заключение

Механическая нагрузка является мощным и необходимым стимулом для созревания хрящевой ткани. От эмбрионального развития до постнатального обслуживания физические силы формируют структуру и функцию суставного хряща. Клеточные механизмы, лежащие в основе механотрансдукции - якорное закрепление, приток кальция и дефлекция цилия - связывают механическую деформацию с экспрессией генов и синтезом матрицы. Оптимизация параметров нагрузки, таких как величина, частота и рабочий цикл, имеет важное значение для выявления анаболических реакций, избегая при этом повреждения. Эти знания успешно применяются в тканевой инженерии, где механическая стимуляция на основе биореактора производит конструкции с улучшенными механическими и биохимическими свойствами. Клинически контролируемая нагрузка посредством реабилитации улучшает восстановление хряща и замедляет прогрессирование остеоартрита. По мере того, как исследования продолжают совершенствовать наше понимание механической регуляции хряща, появятся новые методы лечения, которые используют силу физических сил для восстановления здоровья и функции суставов.