《Materials Today Bio》：Compressive stress-driven mechanosignaling in chondrocytes: From molecular mechanism to scaffold engineering and translational opportunities
关节软骨是一种独特的无血管、低细胞密度结缔组织，其稳态维持与功能修复主要依赖软骨细胞对机械信号的应答。在关节微环境存在的多种机械刺激中，压缩应力是调控软骨细胞行为最具生理相关性的物理信号。本综述系统解析了压缩应力介导软骨细胞调控的多层级机制及其在软骨组织工程与骨关节炎（OA）干预中的转化意义。在分子层面，压缩应力通过整合素介导的黏附复合物、钙信号网络、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路及下游转录调节因子（如SOX9、Runx2、Sp1）的协同串扰，启动机械感知、胞内转导与功能输出的级联反应，共同调控合成代谢与分解代谢的平衡。在细胞层面，关节软骨固有的区域异质性，以及健康/病理软骨细胞、干细胞对压缩参数（频率、应变幅度、加载模式、持续时间）的差异应答，凸显了针对细胞类型制定特异性机械干预策略的必要性。在转化层面，适度动态压缩通过维持细胞外基质完整性、抑制炎症级联反应及调控表观遗传景观促进软骨修复，而异常加载则通过诱导软骨细胞凋亡、基质降解及痛觉敏化加速OA进展。支架材料（天然聚合物、合成复合材料、智能响应基质）与培养体系（3D生物打印、微流控生物反应器、剪切-压缩协同加载）的优化已成为提升机械调控效能的关键支撑。尽管研究已取得显著进展，当前仍存在体外/体内模型生理相关性不足、加载参数缺乏标准化、通路串扰机制不明确、机械疗法临床转化有限等瓶颈。未来研究应聚焦于利用多组学技术阐明多通路协同网络，建立整合患者个体因素（年龄、性别、疾病严重程度）的个性化机械参数数据库，构建模拟关节动态微环境的仿生模型，以及开发机械-生物联合治疗策略。这些工作将为软骨修复与OA管理提供更精准的分子靶点与临床可行方案。
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引言
关节软骨凭借富含Ⅱ型胶原（Col II）、聚集蛋白聚糖（ACAN）及硫酸化糖胺聚糖（sGAGs）的细胞外基质（ECM）获得独特生物力学特性，是支撑关节活动的特化组织。作为关节软骨的唯一细胞成分，软骨细胞负责合成与维持ECM稳态，该过程受生化信号与机械信号的共同调控。关节软骨缺乏血管、淋巴管与神经支配，自我修复能力极弱，创伤、衰老、肥胖等风险因素可破坏软骨细胞表型，触发ECM降解，构成以骨关节炎（OA）为代表的退行性关节疾病的病理基础。全球OA患病人数超过3亿，导致慢性疼痛、关节僵硬与功能障碍，给医疗系统带来沉重负担。关节软骨存在显著的区域异质性，浅表区软骨细胞呈扁平状平行于表面排列，抵抗剪切力；中区细胞呈圆形，蛋白聚糖含量高，负责载荷分布；深区软骨细胞形成柱状结构，胶原纤维垂直排列以抵抗压缩。这种分区与解剖位置的差异使软骨适应局部力学环境，维持关节功能，其紊乱与OA的发生发展密切相关。关节微环境中存在多种机械输入，包括直接压缩应力、间质液增压产生的静水压力、组织相对运动产生的剪切应力，以及通过细胞周基质与细胞骨架传递的基质形变，这些刺激相互关联但不可互换。本综述中“压缩应力”主要指对软骨、细胞周基质和/或软骨细胞施加或传递压缩形变的加载方案，同时承认多数实验体系不同程度地结合了压缩、静水压力与流体流动成分。在软骨细胞复杂的微环境中，机械刺激（包括压缩、剪切、张力）在调控细胞功能中起关键作用，其中压缩应力是关节运动中软骨细胞承受的主要物理信号，人体关节生理压缩载荷范围为0.1~10 MPa。压缩应力在软骨生理与病理中呈现双重作用：生理范围内，适度动态压缩通过机械转导将机械信号转化为胞内生化级联反应，促进Col II、ACAN与sGAGs的合成，同时抑制基质降解酶（基质金属蛋白酶MMPs、含血小板凝血酶敏感蛋白基序的解整合素金属蛋白酶ADAMTS）与促炎细胞因子（IL-1β、TNF-α）的产生；而异常机械刺激（如高强度静态压缩、冲击载荷或关节制动）则破坏ECM结构，诱导软骨细胞凋亡与衰老，加速软骨退变，驱动OA起始与进展。压缩应力的双重作用凸显了解析软骨细胞感知与应答机械信号分子机制、优化软骨修复与OA治疗机械干预策略的重要性。过去十年，压缩应力介导机械转导的核心组分研究取得显著进展，包括机械传感器（整合素、离子通道、初级纤毛）、信号通路（钙信号、MAPK、NAD-Sirtuin1-Runx2）及转录调节因子。同时，组织工程领域的发展推动了新型支架材料与培养体系的开发，提升了机械调控效能，推动机械疗法向临床应用迈进。然而，若干关键挑战仍未解决：体外模型难以复现体内关节复杂微环境，包括多轴加载、动态炎症梯度与软骨-骨界面相互作用；不同研究的加载参数（应变、频率、持续时间）差异巨大，缺乏标准化，阻碍跨研究比较；不同机械转导通路间的串扰及其与生化信号（如细胞因子、生长因子）的整合机制尚不明确；机械疗法的临床转化受限于非侵入性递送系统与个性化治疗方案的缺失。本综述旨在全面深入分析压缩应力驱动软骨细胞机械转导的研究现状，首先解析机械感知、信号转导与功能调控的分子机制，强调通路串扰与表观遗传修饰；其次讨论软骨细胞对压缩应力的细胞特异性应答，包括关节软骨区域异质性及健康/病理软骨细胞、干细胞的差异行为；随后探讨压缩应力在软骨修复与OA发病机制中的双重作用；继而概述支架材料优化与培养体系进展；最后指出当前研究瓶颈并提出未来方向，为理解压缩应力在软骨细胞生物学中的作用提供整体框架，指导软骨相关疾病新型治疗策略的开发。
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压缩应力介导机械转导的分子机制
软骨细胞通过特化机械传感器感知胞外压缩信号，将其转化为胞内生化级联反应，最终调控ECM合成、代谢与存活等功能。该机械转导过程涉及复杂的信号通路网络，协同调控软骨细胞应答。
2.1 机械感知：压缩应力的初始识别
压缩应力介导机械转导的第一步是软骨细胞表面受体与ECM-整合素复合物对机械信号的感知，这些机械传感器将ECM或细胞膜的物理形变转化为启动下游转导的生化信号。
2.1.1 整合素介导的机械感知
整合素作为异二聚体跨膜受体（由α和β亚基组成），是连接软骨细胞与ECM的主要机械传感器，相关证据充分。软骨细胞表达的多种整合素亚型中，α5β1与αvβ1在压缩应力感知研究中最为深入。这些整合素结合纤连蛋白、胶原与层粘连蛋白等ECM成分，形成包含 focal adhesion kinase（FAK）、桩蛋白与纽蛋白的黏着斑复合物（FACs）。压缩应力作用下，ECM形变诱导整合素构象改变，导致其簇集并通过Tyr397自磷酸化激活FAK。激活的FAK进而磷酸化桩蛋白等下游底物，启动调控细胞铺展、细胞骨架重塑与ECM代谢的信号级联。研究表明，整合素介导的细胞铺展对机械刺激期间的基质积累至关重要，抑制整合素功能可消除压缩应力诱导的蛋白聚糖合成。此外，整合素与膜型基质金属蛋白酶1（MT1-MMP）协同调控蛋白聚糖积累，形成同时调节ECM重塑与机械感知的功能复合物。
2.1.2 机械敏感离子通道
瞬时受体电位香草酸亚型4（TRPV4）与PIEZO1等机械敏感离子通道在压缩应力触发的钙内流中起关键作用，该模块已通过功能获得与缺失研究直接验证。TRPV4作为非选择性阳离子通道，在软骨细胞中高表达，可被压缩加载诱导的膜拉伸激活。TRPV4激活导致快速的钙内流，作为第二信使调控下游信号通路。研究显示，循环压缩诱导3D培养的ATDC5细胞产生活性氧（ROS），上调IL-1受体（IL-1R）表达，增强细胞对IL-1β的敏感性，该过程受TRPV4介导的钙信号调控，TRPV4激动剂抑制分解代谢基因表达，而拮抗剂则增强其表达。PIEZO1是近年发现的软骨细胞机械转导关键介质，压缩应力激活PIEZO1可驱动软骨细胞独特的转录特征，包括上调ECM合成相关基因、下调促炎因子。值得注意的是，动态压缩激活钙信号的过程与加载循环次数无关，提示离子通道介导了对机械刺激的快速直接应答。
2.1.3 初级纤毛
初级纤毛是突出于软骨细胞表面的微管基细胞器，近年被视为重要机械传感器，但其证据多为关联性，直接因果性机械转导事件尚未完全明确。这些结构嵌入ECM中，被认为可通过纤毛膜受体（包括TRPV4与多囊蛋白-1 PC1）检测机械形变。压缩应力作用下，初级纤毛弯曲诱导钙内流，激活Hedgehog与Wnt等下游信号通路。尽管初级纤毛在压缩应力转导中的确切作用仍未完全明确，但研究显示破坏初级纤毛功能会损害软骨细胞对机械加载的应答，导致ECM合成减少与分解代谢活性增加。
2.1.4 胞质与胞内力感知模块
除经典表面机械传感器外，多种细胞内结构日益被认为是压缩响应模块，这些属于新兴机制，关联性证据居多，直接因果联系仍在建立中。线粒体可发生负载敏感的代谢与氧化还原变化，重塑ATP可用性、ROS产生与分解代谢信号，尤其在OA背景下。内质网（ER）应激也可被机械诱导，可能将持续压缩与蛋白质稳态紊乱、钙失调及软骨变薄联系起来。同时，细胞核及其LINC复合物介导的细胞骨架连接可作为可形变的信号转导室，将肌动球蛋白张力变化与染色质可及性、转录应答偶联。这些发现将机械感知从膜近端受体拓展至整合的全细胞力传递系统。
2.2 胞内信号转导：介导机械应答的级联反应
初始机械感知后，压缩应力信号通过钙信号、MAPK通路、NAD-Sirtuin1-Runx2轴等相互连接的信号通路进行胞内转导，协同调控软骨细胞代谢与功能。
2.2.1 钙信号：核心转导枢纽
钙信号是压缩应力诱导软骨细胞应答的普遍且关键介质，属于已确立的直接机械转导枢纽。压缩应变（10%~40%）以梯度依赖性方式激活钙信号，较高应变引发更强的钙瞬变。动态加载主要通过机械敏感离子通道（TRPV4、PIEZO1）及可能的胞内钙库（内质网）释放启动钙内流。ECM应变的 spatial 分布也影响钙信号，髌股关节软骨的效应较其他区域更显著。钙内流作为第二信使调控钙调蛋白（CaM）、钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaMKs）与蛋白激酶C（PKC）等下游靶点。例如，钙-CaM复合物激活CaMKII，后者磷酸化CREB等转录因子，上调COL2A1与ACAN等合成代谢基因。此外，钙信号调控压缩应力诱导的软骨组织形成早期阶段，抑制钙内流可消除压缩介导的基质合成。
2.2.2 MAPK通路：整合机械与炎症信号
丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路（包含p38、c-Jun N末端激酶JNK与细胞外信号调节激酶ERK1/2）是整合机械信号与炎症线索的关键枢纽，已通过直接验证，特异性抑制可消除压缩驱动的代谢调控。循环静水压力作为一种压缩应力形式，可抑制p38、JNK与ERK1/2的磷酸化，逆转IL-1β诱导的软骨祖细胞增殖抑制，下调MMP-13与ADAMTS5等基质降解酶。研究显示，ERK1/2的持续激活与p38的延迟激活是软骨 explants 中剪切与压缩诱导聚集蛋白聚糖、Col II与MMP-13转录所必需的，MEK/ERK通路抑制剂与p38激酶抑制剂可阻断这些效应，证实MAPK激酶在信号转换中的关键作用。MAPK通路激活的特性取决于压缩应力的性质：动态压缩主要激活ERK1/2以促进合成代谢，而静态压缩则增强p38与JNK磷酸化以诱导分解代谢应答。
2.2.3 Hippo-YAP/TAZ与核机械转导
Yes相关蛋白/PDZ结合基序的转录共激活因子（YAP/TAZ）已成为软骨细胞机械生物学中重要但情境依赖的介质，其在压缩机械转导中的证据多为关联性而非普遍因果性。在高铺展或刚性微环境中，YAP/TAZ激活常与软骨特异性基因表达抑制、细胞骨架张力增加及表型偏离稳定软骨程序相关。然而，在特定OA相关条件下，YAP信号也可能抑制部分炎症或分解代谢通路，提示其作用不能简化为单纯合成代谢与分解代谢的二元对立。对于压缩应力研究，核心问题在于加载是促进生理性的、由细胞周基质缓冲的机械转导，还是驱动与去分化相关的核张力与机械激活。这使得YAP/TAZ在解释2D扩增体系、3D包埋培养及具有不同限域性与刚度特征的支架设计之间的差异时尤为相关。
2.2.4 NAD-Sirtuin1-Runx2轴：调控线粒体功能与分解代谢
重复性压缩加载激活NAD依赖性脱乙酰酶Sirtuin1（SIRT1）与Runt相关转录因子2（Runx2），形成调控线粒体功能与基质降解的信号轴，该轴属初步研究，主要见于疾病状态，健康软骨中的直接证据有限。研究表明，重复性压缩加载通过消耗线粒体NAD下调线粒体ATP产生，激活SIRT1。激活的SIRT1使Runx2脱乙酰化，增强其转录活性，促进OA关键基质降解酶MMP-13的表达。该通路在OA进展中起关键作用，抑制SIRT1或Runx2可消除压缩诱导的MMP-13上调与线粒体功能障碍。值得注意的是，该轴仅在OA软骨细胞中选择性激活，提示其可能成为疾病特异性治疗靶点。
2.2.5 Sp1-COL2A1轴：促进合成代谢
动态压缩通过激活COL2A1基因启动子的近端Sp1结合位点增强Col II合成，该通路证据部分支持，但体内生理验证仍不完整。机械压缩加载增加软骨细胞中Sp1的磷酸化与核转位，增强Sp1与COL2A1启动子的结合及转录活性。该通路受钙信号协同调控，钙内流通过CaMKII增强Sp1磷酸化。此外，软骨发生主调节因子SOX9与Sp1协同激活COL2A1转录，形成促进合成代谢的复杂网络。
2.3 转录调控与功能输出
胞内信号通路的汇聚最终调控参与合成代谢、分解代谢、炎症与细胞存活的靶基因表达。关键转录调节因子包括SOX9、Runx2、Sp1与激活蛋白-1（AP-1），共同协调软骨稳态与退变之间的平衡。
2.3.1 合成代谢调控：SOX9与Sp1
SOX9是软骨细胞分化与ECM合成必需的转录因子，是压缩加载下经直接验证的合成代谢调节因子。动态压缩上调OA软骨细胞中SOX9的表达与核定位，增强COL2A1与ACAN的转录。动态循环压缩通过上调SOX9调控晚期OA软骨细胞的软骨表型，抑制胶原降解，增强软骨特异性基因表达。如前所述，Sp1直接激活COL2A1转录，并与SOX9协同放大合成代谢应答。SOX9与Sp1共同构成介导压缩诱导基质合成的核心转录模块。
2.3.2 分解代谢调控：Runx2与AP-1
Runx2传统上与成骨作用相关，也在软骨细胞中促进分解代谢，因果联系部分验证，且在病理加载下更强。压缩诱导的Runx2激活上调MMP-13，下调Col II表达，促进基质降解。AP-1是由c-Fos与c-Jun亚基组成的二聚体转录因子，是分解代谢应答的另一关键介质。循环压缩应力诱导软骨细胞中分解代谢基因（MMP-3、MMP-13）与合成代谢基因（Col II、聚集蛋白聚糖）的顺序表达，该过程依赖于MAPK介导的AP-1激活。AP-1活性的时序调控可能解释软骨细胞对机械加载的双相应答。
2.3.3 炎症调控：NGF与细胞因子网络
压缩应力还调控软骨细胞的炎症应答与疼痛信号，压缩与NGF介导疼痛的联系证据为关联性，直接机制级联仍需进一步验证。压缩应力与IL-1β、内脂素协同诱导软骨细胞中神经生长因子（NGF）的表达与释放。NGF结合感觉神经末梢的原肌球蛋白受体激酶A（TrkA），启动疼痛信号传导，参与OA相关疼痛。此外，动态压缩抑制软骨细胞产生促炎细胞因子（IL-1β、TNF-α）与趋化因子（IL-8），而静态压缩则增强其释放。该调控由MAPK与NF-κB通路介导，压缩调节NF-κB p65的磷酸化与核转位。
2.4 通路串扰与表观遗传修饰
机械转导网络的复杂性还源于信号通路间广泛的串扰与表观遗传调控。多数串扰与表观遗传修饰的观察仍为关联性，直接的层级因果关系尚未完全阐明。例如，整合素激活诱导钙内流，进而激活MAPK通路，形成放大机械信号的正反馈环。TRPV4介导的钙信号调控ROS-IL-1R通路，将机械应力与炎症应答联系起来。此外，机械应力调控DNA甲基化、组蛋白乙酰化与microRNA（miRNA）表达等表观遗传修饰，参与软骨细胞表型的长期调控。例如，压缩应力增加COL2A1启动子区组蛋白H3的乙酰化，增强其转录活性。反之，OA软骨细胞表现为COL2A1启动子高甲基化与MMP-13启动子低甲基化，异常机械加载加剧这些表观遗传改变。压缩应力还调控软骨特异性miRNA如miR-140：动态压缩上调miR-140，抑制MMP-13与ADAMTS5表达；静态压缩则下调miR-140。这些表观遗传机制为机械应力对软骨细胞功能与软骨稳态的长期效应提供了分子基础。
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软骨细胞对压缩应力的细胞特异性应答
软骨细胞对压缩应力的应答具有高度情境依赖性，受关节软骨固有区域异质性、细胞类型（健康vs病理软骨细胞、干细胞）及功能状态（去分化、衰老、共培养）的塑造。理解这些细胞特异性应答对于设计靶向性软骨修复与OA治疗机械干预策略至关重要。
3.1 关节软骨的区域异质性
关节软骨分为三个 distinct 区域：浅表（切线）区、中（过渡）区与深（放射）区，包括储备区。每个区域具有独特的软骨细胞形态、ECM组成与力学性能，这种区域异质性导致其对压缩应力的应答存在差异。
3.1.1 浅表区软骨细胞
浅表区软骨细胞呈扁平、细长状，平行于关节表面排列，细胞密度高，ECM含量低，表达浅表区蛋白（SZP），一种降低关节摩擦、增强润滑的糖蛋白。生理动态压缩抑制浅表区软骨细胞释放一氧化氮（NO）与前列腺素E2（PGE2），拮抗IL-1β的促炎效应。研究显示，轻度动态加载（5%应变，1 Hz）下，浅表区细胞较中区细胞表现出更大的形变幅度（高达30%应变），且较静态压缩体积损失更小。这种增强的形变能力可能归因于浅表区软骨细胞较高的细胞骨架柔韧性，使其适应重复机械加载。此外，浅表区软骨细胞对剪切应力更为敏感，剪切应力可能与压缩应力协同调控组织稳态。
3.1.2 中区软骨细胞
中区软骨细胞呈圆形或多角形，随机排列，细胞密度中等，ECM丰富，是关节软骨最厚的区域，承担关节运动时的大部分机械载荷。破坏性压缩应力（如50%应变，静态加载）下，中区软骨细胞较其他区域更易凋亡，损伤性机械压缩通过caspase-3激活与ROS积累诱导中区软骨细胞凋亡，参与软骨退变。然而，生理动态压缩（10%应变，0.1 Hz）促进中区软骨细胞基质合成，增加Col II与sGAG产生。中区软骨细胞对压缩应力的双相应答凸显了加载参数决定细胞结局的重要性。
3.1.3 深区与储备区软骨细胞
深区软骨细胞呈大而圆的形状，垂直于关节表面排列，细胞密度低，蛋白聚糖含量高。邻近软骨下骨的储备区包含软骨祖细胞，参与软骨维持与修复。深区软骨细胞的机械应答受组织深度与应变率调控：较高应变率（10%/s）比较低应变率（1%/s）诱导更强的钙信号与基质合成。储备区软骨细胞表现出深度依赖的机械应答，靠近软骨下骨的细胞在压缩加载下形变与钙内流较少，这种区域特异性可能源于深区与储备区软骨细胞ECM刚度与整合素表达的差异。此外，循环压缩加载促进储备区软骨祖细胞增殖与软骨分化，提示其在软骨再生中的作用。
3.2 不同细胞类型的应答
不同软骨细胞亚型对压缩应力表现出 distinct 应答，其对各参数的响应也存在差异。
3.2.1 健康与OA软骨细胞
健康与OA软骨细胞对压缩应力的应答存在显著差异，反映了OA进展伴随的表型改变。健康软骨细胞维持稳定的软骨表型，对生理动态压缩应答表现为上调合成代谢基因、下调分解代谢基因。相反，OA软骨细胞呈现去分化表型，Col II与聚集蛋白聚糖表达减少，MMP-13与ADAMTS5表达增加。然而，机械刺激可部分逆转OA软骨细胞的分解代谢表型。中间期间歇性循环正弦压缩（1 Hz，2.5%最大振幅，4天）显著上调人去分化OA软骨细胞中COL2A1与ACAN基因表达，下调MMP-13，sGAG含量增加35%，细胞形态从梭形恢复为圆形。动态压缩（10%~20%应变，4~8天）促进OA软骨细胞表达大聚糖（BGN）、CD90与硫酸乙酰肝素蛋白聚糖2（HSPG-2）等软骨特异性标志物，20%应变、8天加载组的VI型胶原荧光强度较未加载对照组增加2.3倍。这些发现提示机械刺激可能是恢复OA软骨细胞功能表型的可行策略，拓展了基质辅助自体软骨细胞植入（MACI）技术的适应证。
值得注意的是，OA软骨细胞的最佳压缩参数与健康软骨细胞不同。健康软骨细胞在10%应变、1 Hz动态压缩下表现出最大合成代谢应答，而OA软骨细胞需要更高应变（20%）与更长持续时间（8天）才能达到类似效果。这种差异可能源于OA软骨细胞机械敏感性降低，与整合素与机械敏感离子通道表达下调有关。单细胞RNA测序研究进一步揭示，OA软骨细胞对机械刺激的应答具有异质性，部分细胞表现出强烈的合成代谢应答，另一部分则维持在分解代谢状态。这种异质性凸显了需要考虑疾病严重程度与细胞亚群的个性化机械干预策略的必要性。
3.2.2 干细胞：MSCs与ASCs
间充质干细胞（MSCs）与脂肪来源干细胞（ASCs）因可分化为软骨细胞，是软骨组织工程极具前景的细胞来源。压缩应力在调控这些干细胞软骨分化中起关键作用。研究显示，动态压缩应变诱导人MSCs幅度依赖且反向的成骨/软骨分化：低应变（5%）促进软骨形成（上调COL2A1、ACAN），高应变（15%）增强成骨（上调RUNX2、ALP）。循环压缩（1 Hz，10%应变）诱导接种于低免疫原性胶原基支架上的MSCs形成成熟半月板细胞表型，表现为半月板特异性标志物（I型胶原、聚集蛋白聚糖）上调与生物力学性能改善。此外，动态培养联合循环压缩较静态培养促进MSCs增殖40%、软骨形成60%。
ASCs与MSCs类似，对压缩应力表现出软骨形成应答。20%应变、每日3小时的压缩方案是冷冻凝胶支架中共培养的猪软骨细胞与ASCs的最佳参数：该参数上调软骨细胞中Col II、TGF-β1与IGF-1表达，促进ASCs软骨分化。值得注意的是，共培养体系中ASCs可替代50%的软骨细胞而不损害ECM产生，提示了一种经济有效的软骨组织工程策略。ASCs的软骨分化还受旁分泌信号调控：ASCs分泌TGF-β1与BMP-2，与压缩应力协同增强软骨形成。
3.2.3 其他细胞类型
大鼠下颌髁突软骨细胞参与颞下颌关节功能，对循环压缩应力表现出独特应答。研究显示，10%应变、0.5 Hz压缩增加组织型纤溶酶原激活物（tPA）表达2.1倍，降低尿激酶型纤溶酶原激活物（uPA）表达40%。另一项研究进一步证实，循环压缩通过磷酸化肌球蛋白轻链II（p-MLC II）诱导大鼠原代下颌髁突软骨细胞分化，抑制MLC激酶可消除压缩介导的Col II与聚集蛋白聚糖上调。
3.3 细胞状态与微环境的影响
3.3.1 去分化与衰老
软骨细胞体外培养过程中发生去分化，特征为失去软骨表型（Col II下调、Col I上调）与基质合成减少。适度动态压缩（1 Hz，2.5%应变）可恢复去分化软骨细胞的分化表型，该恢复由整合素-MAPK-SOX9信号介导，抑制整合素或MAPK通路可消除机械刺激的效应。
软骨细胞衰老是衰老与OA的标志，也受压缩应力调控。衰老软骨细胞表现为p16INK4a与p21表达增加、增殖减少与分解代谢活性增强。动态压缩（0.1 Hz，10%应变）使软骨细胞衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性降低30%，上调线粒体脱乙酰酶SIRT3的表达，抑制衰老。相反，静态压缩通过增加ROS产生与DNA损伤增强软骨细胞衰老。
3.3.2 共培养体系
软骨细胞与干细胞（MSCs、ASCs）或其他细胞类型（滑膜细胞）共培养，通过旁分泌信号调控其对压缩应力的应答。在软骨细胞-ASC共培养中，TGF-β1、BMP-2与IL-6等旁分泌因子与机械应力协同促进软骨形成。ASCs的旁分泌信号增强软骨细胞对压缩的合成代谢应答，而软骨细胞分泌因子促进ASCs的软骨分化。类似地，动态压缩下软骨细胞与滑膜细胞共培养较软骨细胞单培养增加sGAG产生50%，归因于滑膜细胞源性生长因子（如FGF-2）。
3.3.3 年龄、性别与区域分布
细胞年龄显著影响软骨细胞对压缩应力的应答。动态压缩加载对年轻（3个月）与老年（24个月）大鼠软骨细胞的合成代谢与分解代谢活性调控存在差异：10%应变、1 Hz压缩下，年轻软骨细胞sGAG合成增加40%，而老年软骨细胞仅增加15%。这种年龄相关的机械敏感性下降与整合素与钙通道表达下调有关。
性别也影响软骨细胞机械应答。静态压缩下，雌性软骨细胞较雄性软骨细胞表现出更高的MMP-13表达与更低的Col II表达，可能与雌激素信号差异有关。雌激素通过上调TRPV4表达增强软骨细胞机械敏感性，提示其在女性中的保护作用。
关节不同区域的软骨细胞对动态压缩的应答也存在差异。胫骨平台中央区软骨细胞在动态压缩下的sGAG合成率较外周区高30%，这种区域差异归因于ECM组成与整合素表达的变化。
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压缩应力在软骨修复与OA发病机制中的作用
压缩应力对软骨稳态具有双重且情境依赖的效应：生理动态压缩促进组织修复与维持，而异常加载（过度压缩或卸载）驱动OA进展。这些效应通过调控ECM代谢、炎症应答、疼痛信号与表观遗传景观实现。
4.1 生理压缩应力：促进软骨修复与稳态
生理范围内的适度动态压缩（0.1~10 MPa，0.01~1 Hz，1%~10%应变）对维持软骨稳态与促进修复至关重要，该类机械刺激通过调控软骨细胞功能的多个方面以维持ECM完整性。
4.1.1 增强合成代谢
动态压缩刺激关键ECM成分（包括Col II、聚集蛋白聚糖与sGAGs）的合成。0.01~1 Hz、1%~5%应变下的动态压缩使软骨explants中3H-脯氨酸（Col II前体）与3?S-硫酸盐（sGAG前体）掺入量增加20%~40%。动态压缩的合成代谢效应由前述SOX9与Sp1介导，并与TGF-β3等生长因子协同增强。延迟压缩加载（培养第7天施加）对TGF-β3培养的组织工程软骨构建体具有有益效应，较立即加载增加sGAG含量50%，改善压缩模量30%。
4.1.2 抑制分解代谢活性
动态压缩抑制软骨细胞产生基质降解酶（MMPs、ADAMTS）与促炎细胞因子（IL-1β、TNF-α）。关节软骨机械加载使IL-1诱导的MMP-1、MMP-3与MMP-13表达降低40%~60%。该抑制由MAPK通路介导：动态压缩下调p38与JNK磷酸化，而这两者正是IL-1诱导分解代谢基因表达所必需的。此外，动态压缩上调组织金属蛋白酶抑制剂（TIMP-1、TIMP-3），其与MMPs结合抑制其活性。
4.1.3 调控表观遗传景观
生理压缩应力通过调控表观遗传修饰促进长期软骨稳态。动态压缩使COL2A1启动子区组蛋白H3乙酰化增加2.5倍，增强其转录活性。压缩还上调软骨特异性miRNA miR-140，其靶向MMP-13与ADAMTS5。miR-140过表达模拟动态压缩的合成代谢效应，而miR-140抑制则消除该效应。这些表观遗传改变有助于软骨表型的持续维持。
4.2 异常压缩应力：驱动OA发病机制
异常机械刺激（高强度静态压缩、冲击加载与关节制动）破坏软骨稳态，通过多种机制加速OA进展。值得注意的是，异常压缩应力并非独立作用，而是与氧化应激放大、炎症信号、软骨细胞衰老及线粒体功能障碍整合，形成自我强化的病理级联，远超基质 breakdown 本身。
4.2.1 诱导软骨细胞凋亡与坏死
过度压缩应力（如20%~50%应变，静态加载）直接破坏ECM结构，诱导软骨细胞凋亡。机械损伤使软骨通过caspase-3激活与ROS积累诱导软骨细胞凋亡，50%应变静态压缩较未加载对照组使凋亡率增加3.2倍。凋亡应答由线粒体通路介导：过度压缩破坏线粒体膜电位，导致细胞色素c释放与caspases激活。除凋亡外，高强度冲击加载诱导软骨细胞坏死，特征为细胞膜破裂与胞内内容物释放，进一步加剧炎症。
4.2.2 增强基质降解
异常压缩应力上调基质降解酶的表达与活性，导致ECM降解。如前所述，重复性压缩加载通过NAD-Sirtuin1-Runx2轴上调OA软骨细胞中MMP-13表达。静态压缩（3 MPa）使软骨细胞中MMP-1、MMP-3与MMP-13表达增加2.3~3.1倍，同时使Col II与聚集蛋白聚糖表达降低40%~50%。该分解代谢应答由NF-κB通路激活介导：静态压缩增加NF-κB p65的磷酸化与核转位，其结合至MMP基因启动子增强转录。
4.2.3 促进炎症与疼痛
异常机械加载增强软骨细胞产生促炎细胞因子与疼痛介质，该过程进一步被压缩触发的线粒体功能障碍与ROS积累放大，降低炎症激活阈值。静态压缩（4 MPa）使软骨细胞中IL-1β与TNF-α表达分别增加2.8倍与3.5倍，这些细胞因子通过上调MMPs与抑制ECM合成进一步放大分解代谢应答。压缩应力还诱导软骨细胞表达NGF，参与OA疼痛。NGF结合感觉神经末梢的TrkA，启动P物质与降钙素基因相关肽（CGRP）释放，介导痛觉感知。抑制NGF-TrkA信号可减轻动物模型中OA相关疼痛，凸显了该通路的治疗潜力。
4.2.4 加速软骨细胞衰老与表观遗传紊乱
慢性异常压缩还促进软骨细胞衰老与线粒体损伤，独立于基质代谢强化退行性表型。静态或过度加载升高ROS介导的DNA损伤，上调p16INK4a与p21，增加SA-β-gal活性，将软骨细胞推入持续的衰老状态。衰老细胞分泌促炎与分解代谢因子（SASP），形成 perpetuating 退变的局部微环境。
异常机械加载改变软骨细胞的表观遗传修饰，促进OA进展。OA软骨细胞较健康软骨细胞表现为COL2A1启动子高甲基化（增加2.3倍）与MMP-13启动子低甲基化（降低40%）。静态压缩进一步加剧这些表观遗传改变，导致COL2A1持续下调与MMP-13上调。此外，异常加载下调miR-140，上调靶向SOX9的分解代谢miRNA miR-181a，进一步促进软骨细胞去分化。
综上，异常压缩应力不仅通过基质 breakdown 驱动OA，还通过触发氧化应激、线粒体功能障碍、慢性低度炎症与细胞衰老——所有这些因素协同加速关节退变。
4.3 软骨修复的转化意义
动态压缩已成为组织工程软骨构建体的一种有前景的预处理策略。对软骨细胞-支架构建体进行动态压缩（1 Hz，10%应变）预处理2周，较未预处理构建体改善生物力学性能（压缩模量增加70%）与基质积累（sGAG含量增加50%）。胶原酶处理联合机械加载的体外损伤模型为研究OA病理机制与筛选潜在治疗药物提供了可靠工具。研究者建立了离体软骨损伤模型，用胶原酶（0.1 mg/mL）处理软骨explants并施加机械加载（15%应变，1 Hz），复现了OA的关键特征（ECM降解、软骨细胞凋亡、炎性细胞因子释放），该模型已用于鉴定TRPV4与PIEZO1等新治疗靶点。
在临床实践中，MACI是广泛应用的软骨修复技术，涉及将接种于支架的自体软骨细胞植入软骨缺损。然而，MACI的疗效受限于体外培养期间软骨细胞的去分化。植入前对软骨细胞进行机械刺激可恢复其软骨表型，改善MACI的临床结局。此外，低强度脉冲超声（LIPUS）与冲击波疗法等非侵入性机械刺激疗法在OA治疗中显示出前景：LIPUS（1.5 MHz，30 mW/cm2）通过促进软骨修复与抑制炎症，减轻OA患者疼痛，改善关节功能。
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支架材料与培养体系的优化
压缩应力介导软骨细胞调控的效能高度依赖于支架材料与培养体系，二者必须复现关节软骨体内的机械与生化微环境。在优化支架材料（天然聚合物、合成聚合物、复合材料）与培养体系（静态vs动态、2D vs 3D、生物反应器）以提升机械信号转导与软骨细胞功能方面已取得显著进展。
5.1 支架材料优化
软骨组织工程的支架材料需满足三个关键标准：生物相容性（支持细胞黏附、增殖与分化）、力学性能（匹配关节软骨压缩模量，约0.1~10 MPa）与降解速率（匹配ECM合成，约6~12个月）。
5.1.1 天然聚合物
胶原基支架，尤其是I型与II型胶原，因优异的生物相容性与天然ECM相似性而被广泛应用。京尼平交联壳聚糖-胶原支架通过调控交联密度改善机械稳定性：0.5%京尼平交联较未交联支架使压缩模量增加2.3倍，促进软骨细胞增殖40%。胶原-壳聚糖复合支架还增强ECM滞留，因为壳聚糖抑制MMP活性，减少基质降解。
海藻酸盐是从褐藻中提取的天然多糖，可维持软骨细胞表型，并表现出独特的基质分离特征（细胞相关基质CM；远基质FRM），为研究压缩应力下的基质代谢提供了理想模型。孔隙率80%的海藻酸盐支架支持软骨细胞黏附与增殖，动态压缩（1 Hz，10%应变）使海藻酸盐包埋软骨细胞的sGAG含量增加50%。然而，海藻酸盐支架机械强度弱、降解速率慢，可通过与PGA或胶原共混改善。
5.1.2 合成聚合物
聚乙二醇（PEG）水凝胶是合成聚合物，具有可调的力学性能与降解速率。通过精确调控交联密度，PEG水凝胶可控制细胞形变与机械转导：交联密度10%的水凝胶允许压缩应力下15%的细胞形变，促进软骨形成；而交联密度30%的水凝胶限制细胞形变，抑制基质合成。功能化RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）肽的PEG水凝胶增强整合素介导的细胞黏附，改善机械信号转导。
聚乙醇酸（PGA）与聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）是可生物降解的合成聚合物，具有高孔隙率与机械强度。PGA-海藻酸盐复合支架较纯PGA支架使ECM滞留增加30%，因为海藻酸盐减少MMP介导的基质降解。负载TGF-β3并接种MSCs的PLGA支架在动态压缩下表现出改善的软骨形成，sGAG含量较未加载支架增加60%。
5.1.3 复合与智能支架
整合天然与合成聚合物、生长因子与智能响应元件的多功能复合支架已成为下一代软骨组织工程支架。胶原-壳聚糖-生长因子缓释支架平衡了机械强度、生物相容性与降解速率：这类支架以受控方式释放TGF-β1（4周内释放50%），并在动态压缩下促进软骨细胞增殖50%、基质合成70%。
智能响应支架可响应机械刺激改变自身性能，旨在增强机械信号转导。例如，由聚偏氟乙烯（PVDF）与胶原组成的压电支架可在压缩应力下产生电信号，与机械信号协同促进软骨形成。动态压缩下，PVDF-胶原支架较胶原支架使Col II表达增加2.5倍，sGAG含量增加60%。
3D生物打印技术能够制备具有精确微观结构的仿生支架，模拟关节软骨的分区结构。研究者利用3D生物打印制备了具有浅表区、中区与深区的胶原-琼脂糖支架，各区具有 distinct 孔径（100 μm、200 μm、300 μm）与力学性能。对这些仿生支架施加动态压缩可促进分区特异性软骨细胞应答，浅表区细胞表现出增强的润滑相关基因表达，深区细胞则表现出增加的基质合成。
5.2 培养体系优化
5.2.1 静态与动态培养
静态压缩通常抑制软骨细胞代谢：3 MPa静水压使软骨细胞中胶原I/II mRNA表达降低40%~50%，蛋白聚糖合成减少30%。相比之下，动态压缩表现出参数依赖的调控效应：适当的频率（0.1~1 Hz）、应变（5%~10%）与持续时间（4~8天）显著促进细胞增殖、GAG与Col II合成。PEG水凝胶包埋的软骨细胞在间歇加载（1 Hz，10%应变，每日2小时）下合成代谢基因（COL2A1、ACAN）与分解代谢基因（MMP-1、MMP-13）均上调，而连续加载（1 Hz，10%应变，每日24小时）仅上调合成代谢基因、下调分解代谢基因。这种差异可能源于间歇加载提供的恢复期，使细胞适应机械刺激。
5.2.2 2D与3D培养
2D培养体系无法复现软骨细胞体内的3D微环境，导致去分化与基质合成减少。3D培养体系，如hydrogels、支架与球体，通过模拟ECM相互作用与机械线索有效维持软骨细胞表型。胶原-琼脂糖水凝胶3D包埋培养较2D培养使软骨细胞Col II表达增加2.3倍，sGAG含量增加50%。此外，3D培养增强软骨细胞的机械敏感性：动态压缩诱导3D培养软骨细胞的合成代谢基因表达增幅较2D培养细胞高60%。
5.2.3 生物反应器技术
机械生物反应器模拟关节体内的机械环境，增强体外培养的生理相关性。研究者开发了可同时施加剪切与压缩的机械生物反应器，模拟关节的滚动动作。该生物反应器改善了培养体系的生理相关性，较单一压缩加载使软骨细胞sGAG合成增加40%，压缩模量增加30%。微流控生物反应器整合微流控技术与机械加载，实现营养供应与载荷施加的动态匹配。这些生物反应器模拟关节腔内的持续流体流动，在为软骨细胞提供营养、清除代谢废物的同时施加压缩应力。
5.2.4 与微环境因素的协同调控
压缩应力对软骨细胞的效应受缺氧、炎症因子与生长因子等微环境因素的协同调控。缺氧环境（5% O?）增强MSCs对动态压缩的软骨形成应答：5% O?联合10%应变、1 Hz压缩较常氧环境（21% O?）使COL2A1表达增加2.5倍。IL-1β与40 kPa循环压缩协同促进软骨细胞中OA相关基因（IL-8、COX-2）的表达，模拟OA的炎症微环境。TGF-β3与BMP-2等生长因子与压缩应力协同增强软骨形成：TGF-β3（10 ng/mL）联合动态压缩较单独压缩使sGAG含量增加70%。
一个关键启示是，异常压缩应被视为机械-炎症网络的组织者。机械过载可增加表面摩擦、损害润滑、强化氧化损伤并提高炎症反应性，从而形成结构损伤与不良生物力学相互 perpetuating 的前馈循环。近期针对OA的干预研究聚焦于黏弹补充/摩擦补充、润滑颗粒与分阶段纳米脂质体系统，这些研究与压缩应力生物学概念相关，因为它们试图在力耗散、边界润滑与炎症控制层面打断这一循环。
5.3 支架与培养体系对压缩机械信号的转导
支架设计、3D培养构型与生物反应器系统不仅是通用支持平台，更是将宏观压缩加载转化为细胞尺度物理信号（包括局部应变、细胞周基质（PCM）形变、间质液增压与细胞骨架张力）的关键机械转导单元。这些微环境机械线索直接调控整合素激活、钙内流、MAPK信号与YAP/TAZ介导的核机械转导，从而决定软骨细胞对压缩表现出合成代谢还是分解代谢应答。
5.3.1 支架介导的压缩信号转导
支架的压缩模量、粘弹性与孔隙弹性主导压缩应力向软骨细胞的传递效率。软基质（0.2~0.5 MPa）允许足够的细胞形变以启动生理机械感知，而过硬基质（>5 MPa）则缓冲应变，削弱机械转导。具有快速应力松弛的粘弹性支架在动态压缩下更好地维持PCM形变与FAK激活。高孔隙率结构增强静水压力，促进TRPV4/PIEZO1通道激活。RGD或II型胶原功能化加强整合素-基质偶联，改善压缩形变向胞内信号的传递。分区生物打印支架进一步沿组织深度异质性分布压缩应力，复现天然力学梯度，驱动区域特异性机械转导。
5.3.2 3D培养调控软骨细胞对压缩应力的感知
2D培养诱导软骨细胞铺展、肌动蛋白张力增加与YAP/TAZ核定位
