关节是我们身体活动的“轴承”，其顺畅运作依赖于关节内多种组织的精密配合，尤其是软骨等组织的承重与缓冲能力。健康的关节组织是一个由固体（如胶原蛋白、蛋白聚糖，赋予组织弹性）和液体（如组织液，与粘性相关）成分共同构成的复杂微结构。这两种成分的精密平衡使得关节能够同时承受负荷、吸收冲击并实现平滑活动。然而，在退行性关节疾病（如骨关节炎）或创伤的影响下，这种固-液平衡被打破，组织的粘弹性（即其兼具的弹性与粘性特性）会发生显著改变，直接导致关节疼痛、僵硬和功能障碍。目前，临床上评估关节退变主要依赖影像学（如X光、MRI）观察结构变化，或在手术中通过探针触诊评估组织硬度，但这些方法要么难以在疾病早期捕获力学性能的细微改变，要么具有侵入性。因此，开发一种能够在微观尺度上、无创、定量地评估完整关节组织粘弹性特性的技术，对于深入理解疾病机制、实现早期诊断和疗效监测具有重要意义。
为此，研究人员在《Nature Communications》上发表了一项研究，介绍了一种名为Speckle rHEologicAl micRoscopy (SHEAR，散斑流变显微术)的全新成像技术。这项研究旨在解决传统力学测试方法（如流变仪）需要接触并可能破坏样本，以及无法在微观尺度上进行原位成像的局限性。SHEAR技术巧妙地利用激光散斑的时空波动来探测组织内部的微观运动，从而无需任何物理接触即可计算出组织的粘弹性模量。研究人员通过一系列实验验证了SHEAR的有效性，并揭示了其在病理状态下的诊断潜力。这项研究不仅为关节生物力学研究提供了一种强大的新工具，也为退行性关节疾病的精准诊疗开辟了新路径。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先是自主研发的Speckle rHEologicAl micRoscopy (SHEAR)系统，该系统基于激光散斑成像与计算流变学分析。其次，研究使用了商用流变仪进行传统粘弹性测量，以验证SHEAR技术的可靠性。样本队列包括健康的猪膝关节组织、具有局部病灶的猪软骨，以及从接受膝关节置换术的人体患者手术中切除的软骨样本。数据处理方面，核心是分析激光散斑图样的时空相关性，并推导出微观尺度下的粘弹性参数。
SHEAR correlates with conventional rheometry
研究人员首先在健康的猪膝关节组织上验证SHEAR技术的可靠性。他们将SHEAR测量结果与传统的商业流变仪测量结果进行对比。研究结果表明，由SHEAR技术计算得到的粘弹性模量（包括弹性模量G‘和粘性模量G“）与传统流变仪的测量结果表现出高度的相关性。这一结果证实，SHEAR作为一种非接触式的光学成像方法，能够准确、定量地反映组织的宏观流变学特性，为其后续应用于更复杂的生物样本奠定了基础。
SHEAR reveals altered tissue mechanics in focal lesions
在验证了技术的可靠性后，研究人员将其应用于存在局部病灶（如机械磨损或早期退变）的猪软骨样本。SHEAR成像清晰地显示，在病灶区域，组织的粘弹性“景观”发生了显著变化。与周围健康区域相比，病灶区域的弹性（固体样特性）和粘性（液体样特性）均呈现出异常的模式。这一发现表明，SHEAR技术具有足够的灵敏度，能够检测出关节组织在微观尺度上因早期损伤或疾病而产生的力学性能局部异质性，这是传统宏观流变测量难以捕捉的。
SHEAR detects degenerative changes in human cartilage
为了进一步评估SHEAR的临床转化潜力，研究人员对从骨关节炎患者膝关节置换术中获取的人体软骨样本进行了成像分析。SHEAR成功地在这些退行性病变的样本中检测到了粘弹性特征的广泛改变。与相对健康的区域相比，严重退变区域的组织力学性能发生了深刻转变。这直接证明了SHEAR技术能够有效区分人体病理组织与相对健康组织在微观力学特性上的差异，为其未来作为一种潜在的术中或离体诊断工具提供了依据。
Discussion
该研究的讨论部分着重强调了SHEAR技术的创新性及其广泛意义。首先，SHEAR作为一种非侵入性、无需标记的成像技术，首次实现了对完整关节组织在微观尺度上进行原位、定量的粘弹性成像。这突破了传统流变学需要接触和破坏样本的限制，为研究活体或珍贵样本的力学特性提供了全新手段。其次，研究证实了关节组织的力学降解是退行性关节疾病的核心特征之一，而SHEAR能够精细地描绘这种降解在空间上的分布，这对于理解疾病进展的局部机制至关重要。例如，研究观察到粘性和弹性可能以不同的方式发生变化，这提示疾病的病理过程可能对组织的不同组分产生特异性影响。最后，该技术展现出巨大的临床前景。它不仅可以作为基础研究工具，用于深入探索关节炎等疾病的生物力学病因，未来还可能发展成为一种辅助诊断工具，用于早期发现关节退变、指导手术中病灶的精准切除（如确定软骨修复的边界），或用于评估再生医学疗法（如组织工程软骨）植入后的功能整合情况。总之，Speckle rHEologicAl micRoscopy (SHEAR)为关节生物力学领域和退行性关节疾病的诊疗研究开辟了一条富有前景的新途径。
