第一部分不同强度跑台运动对大鼠膝关节软骨、软骨下骨以及髌骨下脂肪垫的影响目的:动态观察不同强度跑台运动对关节软骨、软骨下骨和髌骨下脂肪垫三个关节组分的影响,从时（不同时间点）和空（不同组分）二个视角了解不同强度跑台运动对膝关节健康的影响。方法:72只SD大鼠均分为安静对照组（Sedentary group,SED）、低强度跑步组（Low-intensity running group,LIR）、中强度跑步组（Medium-intensity running group,MIR）和高强度跑步组（High-intensity running group,HIR）四组,SED组动物笼中饲养,跑步组动物按照各自的运动方案进行跑台运动。所有动物分别在第1周、4周和8周进行如下检测:HE、番红O-固绿、天狼星红等染色评价关节软骨的组织形态学改变,RT-PCR检测软骨合成和分解相关基因的表达,Caspase3免疫组化染色观察软骨细胞的凋亡;Micro-CT检测评价软骨下骨骨板和松质骨的结构参数变化,TRAP、甲苯胺蓝等染色评价软骨下骨的形态学改变和骨代谢情况,RT-PCR检测成骨和破骨相关基因的表达;HE和Masson染色评价髌骨下脂肪垫的组织形态学改变和纤维化程度,RT-PCR检测脂肪和炎症相关基因的表达,CD26和CD206免疫组化染色评价髌骨下脂肪垫免疫细胞的组成。结果:1.对关节软骨的影响:1周跑台运动后,LIR组胫骨关节软骨最厚,与HIR（P<0.01）和SED（P<0.001）组有统计学差异;LIR和MIR组胫骨平台关节软骨Makin’s评分明显比SED组和HIR组更低;HIR组ADAMTS5 m RNA明显高于SED、LIR和MIR组;4周跑台运动后,各强度跑步组胫骨关节软骨厚度均高于SED组,但其他组织学变化各组之间无明显差异。HIR组MMP3m RNA的表达明显高于SED组（P<0.001）和LIR组（P<0.001）;MIR组COL2αm RNA表达明显高于各强度组和SED组（P<0.001）;8周跑台运动后,HIR组胫骨平台软骨接触区软骨表面不规则,表层软骨缺失,胶原排列不均,番红固绿染色可见软骨基质着色变浅,潮线模糊。MIR和LIR组股骨软骨厚度比SED和HIR组更厚,差异具有统计学意义。LIR（2.81±1.96）、MIR（1.60±0.74）和SED（2.70±0.97）组的Makin’s评分明显低于HIR（5.80±3.61）组。HIR组凋亡相关蛋白Caspase3的平均光密度值（0.177±0.013）显著高于MIR组（0.126±0.028,P=0.045）。MIR组和SED组ADAMTS 5 m RNA表达明显高于LIR组（P<0.05）;HIR组MMP3 m RNA表达明显高于SED（P<0.01）和MIR组（P<0.01）;与SED组相比,MIR和HIR组Sox9 m RNA表达明显较低（P<0.001）;与其他各组相比,LIR组ACAN和COL2ɑm RNA表达更高（P<0.001）。2.对软骨下骨的影响:1周跑台运动结束后,Micro-CT检测示:HIR组股骨软骨下骨板内侧骨密度（0.980±0.001g/cm2）显著低于SED组（1.084±0.001g/cm2,P=0.001）。同时,HIR组股骨软骨下骨内侧板厚度（0.087±0.006mm）比MIR（0.132±0.014mm）和SED组（0.131±0.014mm）更薄,HIR组的孔隙率（%）（65.25±9.87）也比MIR（32.34±11.52）和SED组（33.70±5.37）更高,差异具有统计学意义。HIR组股骨软骨下骨松质骨骨小梁间隔（Tb.Sp）显著低于LIR组。MIR组胫骨软骨下松质骨外侧的Tb.Sp显著低于HIR和SED组,MIR组胫骨软骨下骨松质骨内侧骨密度（BMD）显著低于SED组;MIR组成骨相关基因CTSK和RUNx2明显高于其他各强度组,差异具有统计学意义。LIR和HIR组成骨相关基因OPN的表达明显低于SED组;4周跑台运动结束后,Micro-CT检测示:LIR组股骨软骨下骨板内侧板厚度（0.117±0.009mm）显著低于SED组（0.154±0.019mm,P=0.029）。MIR和HIR组股骨软骨下骨内侧松质骨BMD显著低于SED组,MIR组股骨软骨下骨外侧松质骨松质骨厚度（Tb Th）显著低于SED组。LIR组胫骨软骨下骨内外侧BMD均显著低于SED组,MIR和HIR组胫骨软骨下松质骨外侧BMD显著低于SED组,LIR组胫骨软骨下松质骨外侧Tb Th显著低于SED组。LIR组TRAP的表达明显高于其他各强度组和SED组,差异具有统计学意义;8周跑台运动后,Micro-CT检测示:LIR组胫骨软骨下骨板外侧BMD（g/cm2）（1.140±0.018）显著低于SED组（1.238±0.006,P=0.009）。在胫骨软骨下骨板内侧,HIR（25.54±0.46）和LIR组（15.66±0.75）孔隙率显著低于MIR（30.94±0.46）和SED组（32.06±0.43）。LIR组股骨软骨下松质骨内侧BMD和Tb.Sp显著低与SED组,而连接密度（CD）显著高于SED和松质骨厚度（Tb Th）显著高于HIR组;MIR组胫骨软骨下骨板外侧BMD显著低于SED组。LIR组破骨相关基因TRAP的表达明显高于MIR组和SED组,HIR组破骨相关基因TRAP的表达明显高于各强度跑步组和SED组。差异具有统计学意义。3.对髌骨下脂肪垫的影响:1周跑台运动后,LIR（12.22±0.29ng/ml）和MIR组（10.90±1.09ng/ml）血清Visfatin的表达分别显著高于SED（7.65±1.12ng/ml）和HIR组（9.31±0.93ng/ml）,HIR组Visfatin的表达明显高于SED组。HIR的髌骨下脂肪垫（Infrapatellar Fat Pad,IFP）表面细胞厚度和细胞数（2.00±1.41）显著大于MIR（0.33±0.57）组。MIR组纤维化程度最低,HIR组纤维化程度最高,两组间差异有显著性;4周跑台运动后,组织形态学染色未发现各组之间有明显差异,RT-PCR检测发现MIR组HOXC9和PPARg m RNA的表达明显高于SED组;8周跑台运动后,LIR、MIR和SED组IFP表面细胞浸润评分均显著低于HIR组（P<0.05）,MIR组的脂肪细胞直径（0.0389±0.0004mm）明显大于HIR组（0.0330±0.0012mm）。与SED组（1.12±0.10）相比,MIR组（0.34±0.29,P=0.021）和LIR组（0.33±0.33,P=0.020）的纤维化得分显著降低。另外,我们还对比了8周各强度组和1周安静对照组的纤维化得分,结果发现HIR组（1.29±0.36）明显高于1周安静对照组（0.54±0.54,P=0.019）。HIR（33.31±8.43）和SED组（27.58±5.36）IFP血管密度明显高于LIR（16.00±2.00）和MIR组（15.00±6.44）。结论:1.跑台运动对关节软骨、软骨下骨和髌骨下脂肪垫的作用具有时间和强度依赖性。2.高强度跑台运动可致关节软骨退变、软骨下骨骨重塑异常,以及髌骨下脂肪垫纤维化程度增加。但软骨下骨的改变早于关节软骨和髌骨下脂肪垫。第二部分Wnt/β-catenin信号通路在中等强度跑步状态下关节软骨和软骨下骨相互作用中的作用目的:探讨不同强度跑台运动后Wnt/β-catenin信号通路在软骨下骨的激活情况,并进一步明确此信号通路在中等强度跑台运动状态下大鼠膝关节关节软骨和软骨下骨相互作用中的作用。方法:使用RT-PCR和Western Bloting检测各组膝关节软骨下骨在不同时间点Wnt/β-catenin信号通路相关基因和蛋白的激活情况。然后关节腔注射Wnt/β-catenin信号通路特异性抑制剂DKK1,评价DKK1注射后中等强度跑步组软骨和软骨下骨的变化进一步验证Wnt/β-catenin信号通路在中等强度跑步状态下关节软骨和软骨下骨相互作用中发挥的作用。结果:1.8周中强度跑台运动可以激活软骨下骨Wnt/β-catenin通路:在蛋白层面,LIR组和MIR组GSK3β蛋白表达相比SED组显著降低（P<0.05）;在m RNA层面,LIR组β-catenin表达显著高于SED组（P<0.05）,MIR组β-catenin和LRP6表达均显著高于SED组（P<0.05）。2.阻断Wnt/β-catenin通路可减弱中强度跑步运动对软骨的保护作用:大鼠进行8周中强度跑步并关节腔DKK1注射后,与单纯的8周中强度跑步组相比,Makin’s评分显著升高（P=0.024）,且高于SED组。MIR组软骨厚度显著高于SED组（P=0.008）和MIR+DKK1组（P=0.032）。MIR和SED组ACAN m RNA的表达显著高于MIR+DKK1组,MIR组ADAMTS5 m RNA和COL2ɑm RNA的表达显著高于SED和MIR+DKK1组。3.阻断Wnt/β-catenin通路可改变中强度跑步运动对软骨下骨的骨重塑:MIR+DKK1组胫骨和股骨软骨下骨板BMD显著低于SED和MIR组,板厚度显著低于MIR组,胫骨软骨下骨板孔隙率显著升高。MIR+DKK1组股骨内侧软骨下松质骨BMD、BV/TV显著高于MIR组,Tb.Sp和DA显著高于SED组,MIR+DKK1组股骨外侧软骨下松质骨CD显著高于MIR组。胫骨软骨下松质骨,MIR+DKK1组内侧BMD、BV/TV显著低于SED组,Tb Th显著低于SED和MIR组。MIR+DKK1组外侧BV/TV显著低于SED组,Tb Th显著低于MIR组。甲苯胺蓝染色结果显示:SED和MIR组的成骨细胞表面积、成骨细胞/组织面积和成骨细胞/骨小梁周长均显著高于MIR+DKK1组（P<0.05）。MIR组成骨相关基因ALP和CTSK的表达均显著高于SED和MIR+DKK1组,而破骨相关基因ALP则显著低于SED和MIR+DKK1组。结论:中等强度跑步运动通过激活软骨下骨Wnt/β-catenin信号通路调控软骨细胞功能,对软骨起保护作用。第三部分基于细胞外代谢组学的骨关节炎患者髌骨下脂肪垫/软骨以及软骨下骨/软骨相互作用的机制研究目的:选用骨关节炎患者来源的髌骨下脂肪垫条件培养基以及软骨下骨条件培养基处理人骨性关节炎软骨细胞,通过代谢组学方法探讨关节软骨分别与软骨下骨和髌骨下脂肪垫的相互作用及相关机制。方法:分别使用来源于骨性关节炎患者的髌骨下脂肪垫条件培养基（fat-conditioned media,FCM）以及软骨下骨条件培养基（bone-conditioned media,BCM）处理人骨关节炎软骨细胞,并采用基于液相色谱与质谱（LC-MS）联用的非靶向代谢足迹分析方法在不同时间点检测人骨性关节炎软骨细胞的细胞外代谢物,寻找差异代谢物,结合生物信息学方法探讨主要改变的代谢通路。结果:1.FCM能抑制人OA软骨细胞的增殖:使用脂肪条件培养基（FCM）处理人OA软骨细胞48h后,细胞增殖减慢,FCM对人OA软骨细胞的增殖有一定的抑制作用（P=0.023）。2.FCM和BCM能显著影响人OA软骨细胞的代谢足迹,且FCM对OA软骨细胞代谢足迹的扰动更大:在主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）模式图上,FCM和BCM处理后,与处理前相比,数据样本区域存在明显分离,说明FCM和BCM能显著影响人OA软骨细胞的代谢足迹。在主成分分析模式图上OA+FCM组与OA+BCM组相比更偏离OA组,说明FCM对OA软骨细胞代谢足迹的扰动更大。经代谢组学鉴定,FCM处理后与处理前相比,共筛选出131种差异代谢物,两组间差异代谢物所涉及的代谢通路有19条,包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、氧化磷酸化、胰高血糖素信号通路、苯丙氨酸代谢、c AMP信号通路、柠檬酸循环（TCA循环）等。BCM处理后与处理前相比,共筛选出196种差异代谢物,两组间差异代谢物所涉及的代谢通路有16条,包括甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、牛磺酸和低牛磺酸代谢、烟酸和烟酰胺代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、柠檬酸循环（TCA循环）等。结论:1.FCM和BCM均显著影响人OA软骨细胞的代谢足迹,其中FCM的扰动更大。2.髌骨下脂肪垫通过改变OA软骨细胞氨基酸、嘧啶和嘌呤的代谢,上调TCA循环等机制加重OA软骨细胞的损伤。3.软骨下骨通过改变OA软骨细胞氨基酸、嘧啶和嘌呤代谢,上调牛磺酸和烟酰胺的水平等影响关节软骨,参与软骨细胞修复以及软骨细胞损伤等多重作用。