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目的:骨关节炎(Osteoarthritis,OA)的病理生理过程中力学因素起到至关重要的作用。本实验采用课题组自行设计的坡度半定量大鼠跑步设备获得大鼠OA模型,通过研究OA发生和发展过程中其组织和基因水平的改变来探究在体应力负荷在OA病理生理过程中的重要作用和相关机制。方法:3月龄SD(Sprague Dawley)大鼠84只,采用随机数法分配到各组。大鼠膝关节应力负荷采用坡度半定量(0°、10°和20°)方法。长期应力负荷跑步方案组完成长达30d的跑步训练(速度为1km/h,每天跑步1h),颈椎脱臼法处死大鼠,取双后肢膝关节软骨;急性应力负荷跑步方案组只进行一次跑步训练(速度为1km/h,时长1h),分别在跑步后0h、2h、6h、12h和24h取双后肢膝关节软骨。HE、番红O和甲苯胺蓝染色定性观察关节软骨大体形态和聚集蛋白聚糖(aggrecan,AGG)含量的改变,并根据OOCHAS软骨损伤评分系统定量评价各组间差异;免疫组化观察各组软骨组织中II型胶原、X型胶原、IL-1β、TNF-α、MMP-3、MMP-9和MMP-13等表达差异;提取软骨细胞的总m RNA,反转录为c DNA,RT-PCR检测各组软骨中II型胶原、AGG、I型胶原、X型胶原、IL-1、IL-6、TNF-α、MMP-3、MMP-9、MMP-13、SOX9和ADAMST5基因表达水平。采用SPSS统计软件进行方差分析和组间比较,检验水平为P<0.05。结果:采用长期应力跑步方案的大鼠,实验结束时膝关节软骨出现了不同程度的损伤表现。平板跑步组大鼠膝关节软骨HE染色、番红O和甲苯胺蓝染色与普通笼养对照组差异不明显,10°和20°上坡组大鼠膝关节软骨番红O和甲苯胺蓝染色逐渐变浅,软骨组织中AGG含量逐渐减少,并可见关节表面出现不同程度的损伤,20°上坡组的损伤程度要大于10°上坡组,且软骨细胞呈现出一定程度的肥大化表现,软骨细胞数量减少,胞质比例增大,细胞陷窝明显变大,排列紊乱,典型的关节软骨层次丢失,软骨厚度也明显变薄,潮线消失或变得不明显。随着大鼠上坡运动的角度愈来愈大,膝关节受到的应力负荷越来越大,采用单因素方差分析可知膝关节软骨OOCHAS组织评分随应力负荷增大而增高(F=122.4,P<0.0001),组织损伤表现越严重,多组间S-N-K法两两比较有统计学差异(P<0.05)。免疫组化结果显示随着跑步坡度(即应力负荷)的增大,关节软骨中II型胶原的含量较笼养对照组逐渐减少而X型胶原含量逐渐增加;炎性介质如IL-1β、TNF-α、MMP-3、MMP-9和MMP-13的表达量都有不同程度的增高。RT-PCR的结果显示随着应力负荷的增加,大鼠膝关节软骨II型胶原和AGG的m RNA表达水平逐渐降低,而IL-1、TNF-α、MMP-3、MMP-9和MMP-13等m RNA表达水平于对照组相比明显增加,其中TNF-α和MMP-3的增高最明显,IL-1的表达水平增高不明显,且10°上坡跑步组IL-1与平板组差异不明显。急性应力跑步组大鼠经过一次过度应力负荷跑步后分别检测其m RNA的表达水平,II型胶原表达量在6h时出现了短暂的升高,之后恢复到正常水平,且与应力负荷强度呈正相关;AGG、COL I、COL X的表达水平从6h开始逐渐升高,到24h时表达量明显增高;IL-6在上坡运动后最早出现增高,之后逐渐降低;IL-1和TNF-α表达量从12h开始出现升高,但总体表达量增高不明显;MMP-3、MMP-9和MMP-13的表达量从6h时开始升高,24h时上坡跑步组的表达量均明显高于对照组和平板跑步组,其中MMP-13的表达水平增高的最明显,24h时20°上坡跑步组的表达水平升高了近10倍;SOX9早期有轻微的升高,之后与对照组水平无差异;ADAMST5基因的表达在2h时达到最高,之后逐渐趋于正常;大多数基因表达量的改变幅度随应力负荷的强度增大而增大。结论:长期过度应力负荷作用于大鼠膝关节软骨可使软骨发生退行性改变,软骨细胞数目减少伴肥大化改变,软骨基质损伤和降解,AGG和II型胶原含量减少,X型胶原增加,使关节软骨发生退行性改变,其力学性能不再能够适应关节活动,关节表面摩擦阻力增大,在过度应力负荷下发生撕裂和磨损,最终形成膝关节OA,这种改变与过度应力负荷的强度呈正相关。过度应力负荷可能首先通过提高IL-6的表达水平,激活IL-1和TNF-α等,促进MMPs家族m RNA的合成,导致软骨基质的降解;而SOX9和ADAMST5的表达上调可能是软骨细胞肥大化和凋亡的原因。