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研究背景：膝骨关节炎(osteoarthritis,OA)是临床上最常见的慢性退行性的关节疾病,严重影响人类生活质量。骨关节炎的发病因素和病程进展机制不明确。近年来许多研究表明OA可能是全关节的疾病。关节软骨与软骨下骨构成的骨-软骨复合单元的结构和功能改变在骨关节炎的发生发展上扮演着极其重要的作用。骨关节炎中骨-软骨复合单元中存在生物化学和分子学交互作用。本研究观察人膝关节原发性骨关节炎和兔创伤性骨关节炎中软骨和软骨下骨病理改变、血管新生、力学性能、分子基因水平、渗透性等特点,评价不同OA期别的骨-软骨复合单元改变和交互作用,探讨软骨和软骨下骨在OA发病机制中的相互作用。方法：(1)取2012年10月—2013年3月行人工全膝关节置换术后的膝原发性OA患者(n=40)自愿捐赠的新鲜胫骨平台标本。大体观察后在胫骨平台内、外侧中央负重区取软骨-软骨下骨复合体并液氮下将骨-软骨复合体切割等分为A、B、C、D四部分。A部分行Mirco-CT检测骨形态计量学,组织学染色(HE染色、番红O/固绿染色、甲苯胺蓝染色)及Mankin评分、免疫组化染色,B部分行软骨点压、纳米压痕等生物力学测试,C部分行实时荧光定量PCR, Westernblot检测,D部分行CT下造影剂加强扫描法检测渗透性。(2)30只新西兰大白兔随机分为前交叉韧带切除组(ACLT组)、对照组,每组15只。ACLT组右膝前交叉韧带切除造模,对照组不作任何处理。分别于术后4周、8周、12周取材。取兔膝关节标本进行大体观察、组织学番红O染色及OARSI病理评分、免疫组化VEGF染色、骨软骨交界区血管数量密度计数、实时荧光定量PCR等检测。结果：(1)根据Mankin评分,病理学检测Ⅰ期OA可见软骨浅表层纤维化、潮线复制,Ⅱ期OA可见软骨磨损腐蚀、微骨折形成、血管侵入钙化软骨层,Ⅲ期OA可见多发性裂隙深达软骨下骨、软骨内囊肿、血管越过潮线生长、明显增厚的软骨下骨,Ⅳ期OA可见软骨全层缺失、软骨内化骨、软骨下骨暴露。随OA发展的期别增高,骨矿化密度、骨体积分数、组织矿化密度、骨小梁数目、骨小梁厚度呈增长趋势,骨小梁间隔及结构模型指数呈下降趋势,且各期之间有显著统计学差异(P<0.05)。评价软骨退变的Makin评分与BMD、BVF、Tb.Th成显著正相关(P<0.001),与SMI成显著负相关(P<0.001)。力学测试结果显示：Ⅲ期OA软骨弹性模量最低,Ⅳ期OA软骨下骨弹性模量、硬度最高。免疫组化结果显示：破骨相关基因RANKL在Ⅱ期OA阳性表达,血管生成相关基因VEGF在Ⅱ、Ⅲ期OA阳性表达,成骨相关基因Runx2、OPG在Ⅲ期OA阳性表达。PCR结果显示：成骨相关基因Runx2、OCN、OPN在Ⅲ期OA表达最高,破骨相关基因Cathepsin K、RANKL在Ⅱ期OA表达最高,血管生成相关基因VEGF在Ⅲ期OA表达最高,软骨分化相关基因Aggrecan、Sox9、COLⅡ呈下降趋势,Ⅰ期OA表达最高,软骨破坏相关基因MMP9呈上升趋势,Ⅳ期OA表达最高。Westernblot结果显示：骨形成相关蛋白Runx2、BMP2、BMP7、OPG在Ⅲ期OA表达最高,骨破坏相关蛋白RANK, RANKL在Ⅱ期OA表达最高。渗透性结果显示：软骨渗透性与软骨退变程度相关,Ⅲ期OA软骨渗透速率最快。(2) ACLT组术后4周即可见软骨退变,8周和12周时退变加重,番红O染色基质丢失、软骨变薄及裂隙生成、软骨下骨裸露。对照组无明显软骨退变,不同组关节软骨OARSI评分有统计学差异(P<0.01)。免疫组化VEGF染色示ACLT组阳性表达,12周时表达最高。ACLT组各时间点的血管入侵软骨数目均明显高于对照组,12周时血管数量密度最高,且各组之间有统计学差异(P<0.05)。PCR结果示VEGF在12周时表达最高。结论：(1)骨-软骨功能复合单元的交互作用在OA进展中至关重要。软骨下骨的骨重塑与软骨退变密切相关。早期OA破骨细胞活跃,晚期OA成骨活动为主。基于CT的造影剂增强扫描法可以作为检测软骨渗透性,反映软骨退变的一种检测手段。(2)软骨下骨的血管生成是OA的早期病变,OA中骨-软骨复合单元的血管增生与交互作用相关。血管侵入软骨的数量密度与OA发展呈时间依从性增加变化。