骨关节炎是由多种因素引起的慢性退行性关节疾病, 严重影响患者的肢体功能和日常生活, 是影响人类健康最常见的关节疾患之一。 当骨关节炎发展到一定程度时, 形成不可逆疾病。 因此, 骨关节炎的及时检测和诊断是至关重要的。 拉曼光谱在分子水平上显示出微创、 无标记和客观诊断的潜力, 因此越来越多的被用于骨关节炎的研究。 在目前本领域流行研究的基础上综述了拉曼光谱在关节软骨和骨关节炎研究中的创新性研究成果和进展, 并简要分析了目前国内外拉曼光谱技术应用的部分局限性以及未来的发展方向。 全文所述分别基于不同拉曼测量模式即宏观拉曼、 显微拉曼、 光纤拉曼三种拉曼光谱技术, 检测在骨关节炎发展中关节软骨等组织中的细胞外基质、 细胞周围基质、 以及软骨细胞中蛋白质、 脂质、 核酸成分等的变化, 甚至关联的软骨下骨和滑液的主要成分变化及其对应的部分骨关节炎特征或生理功能的变化。 该综述表明拉曼光谱检测骨关节炎组织成分变化的有效性和可行性, 可为骨关节炎的后续研究提供参考。 另一方面, 拉曼光谱技术诸多的检测和诊断优势, 特别是不受水影响的特征, 使其非常有潜力发展为本领域临床早期诊断和康复监测的有力的分子光谱技术和临床工具。

为探讨原位条件下关节软骨及下骨组织成分含量变化等深层次微观信息， 采用拉曼光谱技术结合组织光透明技术来研究软骨组织的光透明效果。 选用甘油、 碘海醇作为光透明剂， 对在不同光透明剂浓度和浸渍时间下的犬膝关节股骨端软骨样本进行拉曼光谱采集。 通过计算磷酸基团(920~960 cm-1 ) 和酰胺Ⅰ带(1 595~1 700 cm-1)的积分强度， 获得拉曼强度比（磷酸基团/酰胺Ⅰ）， 探索在不同浸渍时间（10~60 min）、 不同浓度下（甘油40%， 60%， 80%和100%， 碘海醇50， 150， 250和350 mg·mL-1）组织光透明的规律， 即寻找合适的透明浓度和透明时间。 结果显示： 相比于无透明剂情形， 两种透明剂均使该强度比信号增强。 在同一时间范围内， 甘油和碘海醇分别在60%和150 mg·mL-1 浓度下能获得较好的透明效果； 而在不同浓度下， 甘油的透明效果均在20 min最强， 而碘海醇的透明效果一般是在50 min后开始增强。 在光透明剂的作用下激发光透过软骨可以直接探测到软骨下骨的拉曼光谱信息， 这为研究骨关节炎深层次病因提供了方法和思路。

福尔马林溶液对于固化关节软骨组织、 防止在长时间测量过程中组织的分解退化起到很好的作用, 但对福尔马林溶液浸泡后软骨组织的结构变化(固化)过程及其胶原纤维各向异性的改变却鲜有研究。 采用傅里叶变换红外光谱显微成像技术与偏振技术相结合的方法, 通过关节软骨内胶原纤维(蛋白)的红外光谱特征吸收峰(Amide Ⅰ, Amide Ⅱ带)的吸光度随福尔马林溶液浸泡时间及偏光角度的变化来研究福尔马林溶液对软骨组织结构即胶原纤维各向异性的影响, 并利用与各向异性方程拟合得到的决定系数(R2)对胶原蛋白纤维各向异性程度进行表征。 研究发现, 关节软骨Amide Ⅰ和Amide Ⅱ带的各向异性随着福尔马林浸泡时间的增长而愈加明显(Amide Ⅰ带变化尤为明显), 说明福尔马林溶液中甲醛分子诱发了胶原蛋白分子新的交联, 最终获得较好的固化效果, 有利于关节软骨的各向异性分析。 本研究将为今后关节软骨样本的制备、 储存及各向异性研究提供参考。

骨关节炎是主要由软骨组织损伤与退化引起的常见关节疾病, 是影响人类健康的重大疾病之一, 对于关节软骨组织早期病变的检测可以大大提高疾病的治愈率, 然而相关的临床诊断技术尚未发现。 近年来, 太赫兹技术在医学领域日益受到关注。 与传统方法相比, 太赫兹辐射能量低, 不会产生电离辐射, 可高灵敏、 无损伤地对生物组织进行成像检测, 因此在关节软骨诊断方面具有较大的应用潜力。 本文简要介绍了关节软骨的生理与病理情况以及目前关节软骨检测的主要方法, 重点总结了太赫兹技术应用于关节软骨检测方面的相关研究工作, 分别包括对动物与人类关节软骨的检测, 探讨了太赫兹技术在关节软骨检测中所面临的挑战与未来研究展望。

本文采用不同方法对来自正常和病变关节软骨样本的红外光谱进行预处理,而后利用主成分分析对关节软骨进行鉴别分析。首先对关节软骨切片实现傅里叶变换红外光谱采集,其次分别采用基线校准、标准化、多元散射校正和标准正态变量变换对软骨的红外光谱进行预处理,然后对原始光谱（矩阵）以及预处理光谱进行主成分分析,根据得分矩阵对样本进行分类分析。结果表明: 预处理方法结合主成分分析可以更好地对正常和病变关节软骨样本进行分类,而且多种预处理方法的结合可以更好地增强样本间的区分度。另外,针对关节软骨样本,多元散射校正比标准正态变量变换具有更好的增强效果。

基于关节软骨组织中胶原蛋白的自发荧光特性,对软骨组织的荧光显微检测方法进行研究。首先基于荧光图像的统计处理,揭示健康样本与病变样本的差异。其次基于荧光的偏振敏感特性,利用线性二色性方法揭示了软骨组织存在的荧光各向异性特性,为利用荧光各向异性方法研究生物组织结构奠定基础。与传统的显微方法检测软骨组织的形态和超结构相比,利用荧光特性的荧光显微检测方法具有获取软骨组织结构的能力。本文的研究结果为开辟新的骨关节疾病诊断方法提供基础。

傅立叶变换红外光谱学(FTIRS)可以获得样品组成和结构的丰富信息, 极大地提高了科学研究的效率并拓宽了研究领域。本文采用FTIRS研究软骨的主要组成成分(胶原蛋白和蛋白多糖PG)的红外光谱特征及相关适用性。通过对两种主成分的不同质量配比, 分别检验红外各特征谱带(amide I, II, III 和sugar位置带)的吸光度值, 以及进行和质量相关的Lambert-Beer定律线性拟合与回归。吸光度值分别采用谱带的绝对高度、相对高度和积分面积三种方式表征, 结果显示后两种吸光度表达方式更精确。此外还进一步发现在关节软骨和早期骨关节炎的研究中(PG和胶原蛋白质量相差不多)采用amide II(优于amide I)和sugar带分别定性或半定量地表征胶原蛋白和PG含量是有效可行的; 而amide III位置带既不适合表征胶原蛋白也不适合表征PG的含量。这项研究为关节软骨和骨关节炎早期研究提供了更加快捷实用的方法, 从而有利于早期骨关节炎的判断和修复监测。

应用显微傅里叶变换红外光谱技术原位分析雌性Hartley豚鼠胫骨关节软骨的化学组成。 红外光谱测定包含三种月龄(1月、 2月和3月)和3个软骨层次(表层、 中层和深层)。 结果表明, 随着月龄的增加, 表层和中层FTIR光谱的主要吸收峰峰位红移, 深层吸收峰先红移后蓝移。 软骨中胶原蛋白、 核酸和蛋白多糖的红外光谱具有如下特征: 峰强比I1 657/I1 548, I1 074/I1 548和I1 074/I1 237在软骨表层和中层随月龄递降, 而在软骨深层2月龄的比值最低。 结果符合关节软骨在不同退变阶段化学成分的变化规律, 且显微光谱成像技术转化的各月龄胫骨平台二维图像高度符合相应的病理描述。 初步研究显示, 显微FTIR技术可原位分析不同层次软骨组织的分子组成, 能为研究软骨疾病的发病机理提供可靠信息。