骨关节炎中滑液变化的摩擦学影响：软骨摩擦与滑液特性之间的相关性分析

《Osteoarthritis and Cartilage》：Tribological impact of synovial fluid alterations in osteoarthritis: correlation analyses between cartilage friction and synovial fluid properties

软骨摩擦与患者特异性滑液成分及粘度的相关性研究。通过分析12例膝关节置换术患者的滑液成分、粘度及软骨退变程度，发现轻度退变软骨摩擦与滑液中聚糖4（PRG4）浓度显著负相关（p<0.01），而中重度退变软骨在摆动期摩擦与滑液粘度呈正相关（p<0.01）。研究揭示了滑液-软骨摩擦相互作用与退变严重程度的相关性。

　　

路易莎·德·罗伊（Luisa de Roy）、康斯坦丁·安布罗斯（Konstantin Ambros）、格拉西奥萨·凯拉斯·特谢拉（Graciosa Quelhas Teixeira）、贾斯敏·玛丽亚·比洛（Jasmin Maria Bülow）、乔纳斯·施韦尔（Jonas Schwer）、马丁·法辛鲍尔（Martin Faschingbauer）、安妮塔·伊格纳修斯（Anita Ignatius）、安德烈亚斯·马丁·塞茨（Andreas Martin Seitz）

德国乌尔姆大学医学中心创伤研究所及骨科研究与生物力学研究所

摘要

目的

更好地了解滑液成分及其粘度的患者特异性变化如何影响轻度及重度退化关节软骨的摩擦情况。

设计

从12名接受膝关节置换手术的患者身上收集了滑液样本以及轻度及重度退化的关节软骨样本。在模拟步态条件下进行摩擦测试，每个样本均使用其对应的患者特异性滑液进行润滑。通过宏观和微观方法评估软骨退化程度，并分析滑液的粘度和生化成分，采用Spearman方法分析各参数之间的关系。

结果

轻度退化软骨样本的摩擦力与滑液中蛋白多糖4的浓度呈负相关（μ_endStance: ρ = ?0.9, 95% CI [-1.0, -0.8], p < 0.01；μ_endSwing: ρ = ?0.7, 95% CI [-0.9, -0.3], p = 0.01）。对于重度退化样本，在步态摆动阶段（μ_endSwing）发现摩擦力与滑液粘度（η^0.01(25°C): ρ = ?0.7, 95% CI [-0.9, -0.2], p = 0.01；η^1000(25°C): ρ = ?0.8, 95% CI [-0.9, -0.4], p = < 0.01）之间存在显著正相关。

结论

滑液变化对关节软骨摩擦力的影响取决于组织退化的程度。这些发现可能为选择合适的患者群体和治疗时机（尤其是针对膝关节摩擦特性的补充疗法）提供有价值的信息。

数据获取

数据可应要求提供。

引言

滑膜关节中的摩擦界面对于通过减少摩擦来维持关节健康至关重要[1]、[2]、[3]。在膝关节中，这种减摩界面由股骨和胫骨软骨（AC）、半月板以及滑液（SF）之间的相互作用形成[2]、[4]。文献中详细描述了滑液各成分对健康关节软骨摩擦行为的影响[5]、[6]、[7]、[8]。其中，蛋白多糖4（PRG4）是形成摩擦界面的关键润滑剂之一。其结构富含糖基化结构域，能够吸附在软骨表面形成一层水化层，防止相对软骨表面之间的粘连[8]、[9]。透明质酸（HA）与PRG4相互作用，增强该界面的粘弹性[8]。此外，蛋白质为PRG4和HA复合物的吸附提供了额外的支持[2]、[10]。在滑液中，白蛋白和γ-球蛋白是最丰富的蛋白质成分[10]。磷脂在软骨表面形成稳定的多层涂层，其与PRG4和HA相互作用时能产生水化、低摩擦的界面[10]。在骨关节炎（OA）的发展过程中，膝关节的摩擦界面会发生显著变化，如软骨表面逐渐退化以及滑液成分和流变特性的改变[11]。PRG4和HA浓度的降低以及蛋白质含量的增加可能会影响软骨的摩擦性能，因为软骨摩擦力受到这些滑液成分的显著调控。这一点至关重要，因为异常的软骨摩擦被认为与OA的发病机制有关[12]、[13]。全面理解骨关节炎膝关节中摩擦相互作用的变化不仅有助于理解疾病进展，也有助于推进针对关节摩擦特性的治疗策略[4]、[11]。其中，粘度和补充疗法旨在通过给予特定的滑液成分来恢复健康的滑液组成。然而，目前对于患者特异性OA相关滑液失衡如何影响动态负荷下骨关节炎软骨的摩擦性能知之甚少。因此，本研究的目的是探讨在模拟步态条件下，滑液成分、粘度与软骨摩擦力之间的患者特异性关联。

研究设计

研究设计

从12名膝关节置换患者中各获取两个圆柱形软骨样本，其中一名患者的软骨退化程度较轻，另一名患者的软骨退化程度较重（图1）。在类似步态的加载条件下进行摩擦实验（软骨与玻璃之间的接触配置[14]、[15]）。每个软骨样本均使用与其匹配的患者特异性滑液进行润滑。从宏观和微观层面评估软骨样本的退化程度。

结果

滑液和摩擦特性的描述性结果见补充材料1（S2 Supplementary Results）。每个结果图的详细统计测试信息见补充材料2（Supplementary Table 1-8）。

讨论

本研究最重要的发现是，轻度退化软骨样本的摩擦特性与滑液成分之间的相关性更强。需要注意的是，每位患者的轻度及重度退化软骨样本均使用相同的、患者特异性的滑液进行润滑。也就是说，在同一患者的膝关节内，滑液成分对软骨的摩擦影响可能有所不同。

结论

患者特异性相关数据为滑液变化与软骨摩擦力增加之间的关联提供了新的见解。似乎在同一膝关节内，滑液成分与软骨摩擦力之间的关系会受到软骨退化程度的影响。这些发现对于考虑OA治疗的摩擦学方面具有重要意义[46]、[54]。更好地理解影响治疗性粘度和补充疗法效果的因素

资金来源

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。

作者贡献声明

LdR：撰写原始稿件、方法论设计、实验实施、数据分析、可视化处理。KA：撰写原始稿件、方法论设计、实验实施、数据分析、可视化处理。GQT：数据分析、概念构建、撰写及审稿编辑。JB：方法论设计、数据分析、概念构建、撰写及审稿编辑。JS：方法论设计、数据分析、撰写及审稿编辑。MF：资源协调、撰写及审稿编辑。AI：资金筹措。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢乌尔姆大学功能纳米材料研究所的朱尔斯·戴克（Jules Dake）博士提供的流变仪，以及丽贝卡·雷本（Rebecca Rebehn）博士在粘度测量方面的支持。同时，我们也感谢安德烈亚·伯姆勒（Andrea B?hmler）、蒂娜·希伯（Tina Hieber）和贝蒂娜·赫德（Bettina Herde）提供的技术支持。