计算模型可以预测超重人群膝骨关节炎的发生和发展

东芬兰大学的一项新研究显示，计算模型使预测超重人群膝骨关节炎的发生和发展成为可能。一个基于关节软骨中胶原纤维网络退化的计算模型能够在四年的随访中预测超重人群骨关节炎的发生和进展。在正常体重的人群中，骨关节炎在这段时间内没有发生。

该研究还开发了一个膝关节模型，使得评估所经历的机械反应成为可能软骨细胞在健康和骨关节炎的软骨在日常活动，如步行。该模型表明，半月板切除术和骨关节炎对软骨的改变都会导致软骨细胞反应的显著改变。

骨关节炎是一种关节疾病，估计影响世界总人口的5%左右。骨关节炎在膝关节或髋关节最常见，通常是由于衰老造成的，但也可能是由于过度负荷或关节损伤造成的。在欧洲，有超过1亿人患有关节炎，而在美国，2004年关节炎的直接费用为511亿美元。此外，还预测了患者的数量膝骨关节炎到2050年底增长40%。

骨关节炎进展缓慢，逐渐削弱关节软骨最终将其从关节骨末端完全磨损掉。在这些情况下，患者遭受严重的关节疼痛，关节变得僵硬，经常导致无法工作。关节置换手术是治疗骨关节炎的唯一有效方法，这就是为什么预防骨关节炎对患者和整个社会来说都是一种具有成本效益的选择。

所开发的模拟方法将来可能会应用于专门的医疗保健

该研究采用了一种计算建模方法，将关节软骨的组织和细胞水平整合在一起，以分析关节软骨在骨关节炎发病和发展过程中的功能。该方法模拟了关节软骨的组成、结构和各种负荷对软骨细胞体积、形状和力学响应的影响。

与健康软骨相比，骨关节炎软骨的细胞体积因机械负荷而增加。该模型表明，细胞体积增加最重要的解释因素是细胞周围固定电荷密度，即蛋白聚糖分子的数量和胶原纤维网络的刚度。

该研究还分析了半月板切除术的影响，这是一种膝关节手术中常用的方法，并模拟超重对细胞反应的影响。半月板切除术和模拟超重都大大增加了行走过程中细胞和软骨组织中的液体压力，但它们对健康软骨中的细胞形状或体积没有影响。然而，在骨关节炎的软骨中，细胞被压缩和拉长得更多，可能是由于软骨完整性的改变。

在站立期间，健康关节软骨细胞内的应变比细胞周围组织中扩增得更多，但在骨关节炎关节软骨中观察到相反的情况。细胞周围组织的功能可能是保护软骨细胞免受突变，促进软骨健康。

该研究还开发了计算算法，用于关节软骨中胶原纤维网络的退化及其重组，以预测超重和软骨损伤引起的骨关节炎的发展和进展。降解算法得出的估计值与四年随访中临床观察到的骨关节炎进展情况非常吻合。此外，在机械损伤的软骨中，胶原纤维网络结构在损伤附近被观察到是无序的，这表明软骨损伤使软骨暴露于进一步的损伤。

深入了解异常加载的影响，及早骨关节炎以及机械损伤对细胞和组织的反应软骨这使得制定识别、预防和减缓疾病进展的新策略成为可能。这项研究中开发的方法未来可能会在专业医疗保健中广泛应用。然而，在它们被引入临床使用之前，严格的临床验证是必要的。