在关节炎的最早阶段，高冲击运动可能会使软骨损坏恶化，研究发现

影响美国至少20％的成年人的骨关节炎导致软骨的恶化，防止骨骼摩擦在一起的橡皮组织。通过研究软骨的分子特性，MIT工程师现在已经发现了关节炎的最早阶段如何使组织更容易受到跑步或跳跃等体育活动的影响。

该研究结果可以帮助研究人员在疾病高风险的患者之前，在患者中提前开发诊断关节炎，并指导工程师在设计替代方面软骨。结果还表明，遭受创伤的运动员膝盖伤害，如撕裂前十字架韧带（ACL） - 为他们提供更大的机会在生活中后期的关节炎 - 在手术后返回运动时应该是谨慎的。

“这是一个明确的信号，要小心退出，”生物，机电工程和机械工程和高级作者的麻省理工学院教授，​​一篇关于最近问题的研究结果生物物理学杂志。“即使你的膝盖可能稳定，也有可能以高负载速度变形仍然会使风险充满风险。”

软骨用称为聚集体的蛋白质 - 糖络合物填充，每个糖络合物由约100个带有含有糖胺聚糖（GAG）的高度带电分子制成的。这些分子通过吸收水保护关节并使组织随着压力施加压力而变硬。

“软骨是一个坚硬的海绵，充满液体，随着我们压缩它，流体必须通过这些紧密间隔的Gag链来渗透，”格罗德斯基说。“Gag链提供抵抗流量，因此当我们压缩它时，水无法立即离开我们的软骨。对此加压纳米级增加刚性我们的软骨到高档率的活动。“

麻省理工学院队举行调查如何分子结构GAG在这种广泛的活动中产生了这种加强 - 从坐着，并且没有以高速运行或跳跃的任何东西。为此，他们开发了一种新的高度敏感的原子力显微镜（AFM），使它们能够测量聚绿洲的反应如何在纳米级到非常高的加载速率（施加力的速度）。

传统的AFM，通过“感觉”产生高分辨率图像，其具有微小探针尖端的样品表面，也可用于将样品对象以循环负载来测量它们的纳米机械性能。但传统的AFM可以仅适用于大约300赫兹（每秒周期）。哈迪塔瓦利尼亚，本文的牵头作者和机械工程中的研究生索兰·索尔塔尼Bozchalooi，开发了一种改进的系统，可以施加更高的频率 - 高达10千赫兹，频率与冲击载荷的冲击载荷。

'一个非常软的海绵'

使用该系统，研究人员将正常的软骨和用酶处理的软骨和软骨进行了比较，这些酶破坏了GAG链，模仿初始阶段骨关节炎。在这种早期阶段，胶原蛋白，其结构仍然是完整的。

研究人员发现，当暴露于非常高的装载率 - 类似于在跑步或跳跃正常软骨期间所见的速率相似，能够通常能够吸收流体和加强。然而，在堵塞的组织中，液体迅速泄漏。

“这就是把胶原蛋白陷入困境的原因，因为现在这成为一个非常软的海绵，如果你以更高的价格加载它，胶原蛋白网络可能会损坏，”格罗德林斯基说。“在那一点，你开始一个不可逆转的一系列活动，这可能导致胶原蛋白和最终骨关节炎的损害。”

目前在那些早期阶段诊断关节炎没有好方法，通常是痛苦的。许多研究人员正在努力进一步改善磁共振成像（MRI）以测试骨折的丧失，而其他研究则正在寻找血液或尿标记。如果存在这种测试，对于监测经历急性膝关节损伤的患者将特别有用。据估计，Grodzinsky说，迄今为止，至少有12％的骨关节炎病例起源于创伤性关节损伤。

Grodzinsky的实验室的研究人员现在正在努力确定可能停止骨料损失的可能药物，以及设计可以植入需要软骨替代手术的患者的组织支架。新的AFM系统应该是测试这些支架，看看支架上生长的细胞是否可以在高负荷率下产生必要的组织加强。

“这两个方面非常重要：防止受伤后的软骨降解，如果软骨已经损坏，超出其被修复的能力，更换，”格罗德斯基说。

本文的其他作者是生物工程研究生杨丽;林汉，前医学博士后;生物工程研究专家Han-Hwa Hung;Eliot Frank是生物工程的主要研究工程师;Kamal Youcef-Toumi，教授机械工业;和Christine Ortiz，材料科学与工程教授和MIT院长的研究生教育。

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