Osteoartróza: jak jsou uspořádány kloubní chrupavky?

Normální kloubní chrupavka provádí dvě hlavní funkce: vstřebávání tlaku deformací při mechanickém namáhání a zajištění plynulosti kloubních povrchů, což umožňuje minimalizovat tření při pohybu v kloubu. To je zajištěno jedinečnou strukturou kloubní chrupavky, která se skládá z chondro-ita ponořené do extracelulární matrice (ECM).

Normální kloubní chrupavka dospělého člověka může být rozdělena na několik vrstev nebo zón: povrchovou nebo tangenciální zónu, přechodovou zónu, hlubokou nebo radiální zónu a kalcifikovanou zónu. Vrstva mezi povrchovými a přechodovými zónami a zejména mezi přechodovými a hlubokými zónami nemá žádné jasné hranice. Spojení mezi nekalcinovanou a kalcifikovanou artikulární chrupavkou se nazývá "zvlněný okraj" - to je čára určená barvením odvápněného tkáně. Kalcifikovaná zóna chrupavky je relativně konstantní poměr (6-8%) v celkové výšce půlměsíce. Celková tloušťka kloubní chrupavky, včetně zóny kalcifikované chrupavky, se mění v závislosti na zatížení určité oblasti povrchu kloubu a typu kloubu. Intermitentní hydrostatický tlak v subchondrální kosti hraje důležitou roli při udržování normální struktury chrupavky, což zpomaluje osifikaci.

Chondrocyty tvoří přibližně 2-3% celkové hmotnosti tkáně; v povrchové (tangenciální) zóně jsou umístěny podél a v hluboké (radiální) zóně - kolmo k povrchu chrupavky; v přechodové zóně chondrocyty tvoří skupiny 2-4 buněk rozptýlených v celé matrici. V závislosti na ploše kloubní chrupavky se mění hustota místa chondrocytů - nejvyšší hustota buněk v povrchové zóně, nejnižší v kalcifikované. Kromě toho se hustota distribuce buněk liší od kloubu ke kloubu, je nepřímo úměrná tloušťce chrupavky a zatížení, které se vyskytuje na příslušném místě.

Nejvíce povrchově umístěné chondrocyty mají tvar kotouče a tvoří v tangenciální zóně několik vrstev buněk umístěných pod úzkým pruhem matice; Hluboko umístěné buňky této zóny mají tendenci mít více nerovných obrysů. V přechodové zóně mají chondrocyty sférický tvar, někdy jsou kombinovány do malých skupin rozptýlených v matrici. Chondrocyty hluboké zóny mají převážně elipsoidní tvar, seskupené do radiálně uspořádaných řetězců 2-6 buněk. Ve kalcifikované zóně jsou rozděleny ještě mírněji; některé z nich jsou nekrotické, i když většina je životaschopná. Buňky jsou obklopeny nekalcifikovanou matricí, intercelulární prostor je kalcifikován.

Lidská kloubní chrupavka se tudíž skládá z hydratovaného ECM a buněk ponořených do něj, které tvoří 2-3% celkového objemu tkáně. Vzhledem k tomu, že chrupavková tkáň nemá krevní a lymfatické cévy, interakce mezi buňkami, podávání živin k nim a odstranění metabolických produktů se provádí difúzí pomocí modulu ECM. Navzdory skutečnosti, že metabolické chondrocyty jsou velmi aktivní, nerozdělují se u dospělých. Chondrocyty existují v prostředí bez kyslíku, věří, že jejich metabolismus se provádí převážně anaerobně.

Každý chondrocyt je považován za samostatnou metabolickou jednotku chrupavky, izolovanou ze sousedních buněk, ale zodpovědnou za produkci prvků VKM v bezprostřední blízkosti dané buňky a zachování jejího složení.

Ve VKM jsou rozlišeny tři oddělení, z nichž každá má jedinečnou morfologickou strukturu a určitou biochemickou kompozici. VCR přímo sousedí kbazalnoy chondrocytů membrána, která se nazývá pericelulárních, ililakunarnym, matice. Je charakterizována interakce buňka vysokým obsahem související s kyselinou hyaluronovou proteoglykanu agregátů s CD44-like receptory, a relativní nedostatek organizovaných kolagenových fibril. Přímo v kontaktu s pericelulárních matice územní nebo kapsulární, matrici, která se skládá ze sítě protínajících fibrilárních kolagenů, které zapouzdřuje jednotlivé buňky, nebo (někdy) skupina buněk tvořících hondron, a je pravděpodobné, že poskytuje zvláštní mechanickou podporu pro buňky. Kontakt chondrocytů matice s kapsulární dosaženo četnými cytoplasmatickými výběžky bohatých na mikrovláken a specifickými molekulami matrice, jako je například CD44-ankorin a podobnye receptory. Největší a vzdálený od základní membrány ECM oddělí chondrocytů - územími matrice obsahující největší počet kolagenových fibril a proteoglykany.

Rozdělení ECM na oddělení je jasněji vymezeno v kloubní chrupavce dospělého člověka než v nezralé kloubní chrupavce. Relativní velikost každého oddělení se liší nejen v různých kloubech, ale i v rámci stejné chrupavky. Každý chondrocyt vytváří matici, která ho obklopuje. Soubor studie zralý chondrocytů z chrupavky provádí aktivní metabolickou kontrolu nad jejich pericelulárních a územní matric jsou méně aktivní kontrola územími matice, která může být metabolicky „inertní“.

Jak již bylo zmíněno dříve, kloubní chrupavka se skládá hlavně z rozsáhlé ECM, syntetizované a regulovaná chondrocyty. Tkáňové makromolekuly a jejich změna koncentrace během života v souladu s měnícími se funkčními potřebami. Nicméně zůstává nejasné: buňky syntetizují celou matrici ve stejnou dobu nebo v určité fázi v souladu s fyziologickými potřebami. Koncentrace makromolekul, metabolické rovnováhy mezi nimi definují vztahy a interakce biochemické vlastnosti, a tím i funkci kloubní chrupavky uvnitř kloubu. Hlavní složkou VCR dospělého kloubní chrupavky je voda (65 až 70% z celkové hmotnosti), který je pevně v ní spojen pomocí speciálních fyzikálních vlastností makromolekul chrupavkové tkáně obsahujících kolageny, proteoglykany a non-kolagenní glykoproteiny.

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]

Biochemické složení chrupavky

Kolagenová vlákna sestávají z molekul kolagenového vláknitého proteinu. U savců představuje podíl kolagenu jednu čtvrtinu všech bílkovin v těle. Kolagen tvoří fibrilární prvky (kolagenní fibrily), skládající se ze strukturních podjednotek, nazvaných tropocollagen. Tropocollagenová molekula má tři řetězce, které tvoří trojitou šroubovice. Taková struktura tropocollagen molekuly, stejně jako struktura kolagenových vláken, když jsou tyto molekuly uspořádány paralelně v podélném směru s konstantním posunem přibližně 1/4 délky a zajišťují vysokou pružnost a pevnost tkáně, ve kterých jsou umístěny. V současné době je známo 10 geneticky odlišných typů kolagenu, které se liší v chemické struktuře a-řetězců a / nebo v jejich sběru v molekule. Nejvíce studované první čtyři typy kolagenu jsou schopné tvořit až 10 molekulárních isoforem.

Kolagenové fibrily jsou součástí extracelulárního prostoru většiny typů pojivové tkáně včetně chrupavkové tkáně. V nerozpustné trojrozměrné síti jsou jiné rozpustné složky, jako jsou proteoglykany, glykoproteiny a bílkoviny specifické pro tkáň, "zamotané" z kolagenních kolagenních fibril; někdy jsou kovalentně vázány na kolagenové prvky.

Kolagenové molekuly uspořádané ve vláknech tvoří asi 50% organického suchého zbytku chrupavky (10-20% přirozené chrupavky). V zralé chrupavce je asi 90% kolagenu typ II kolagenu, které se vyskytují pouze v některých tkáních (např. Sklivce, embryonální mícha). Kolagen typu II se vztahuje k první třídě (vytváření fibril) molekul kolagenu. Vedle něj je v dospělém kloubu člověka kolagen IX, XI a v malém počtu typu VI také nalezen. Relativní množství kolagenových vláken typu IX v kolagenových fibrilách se snižuje z 15% v chrupavce plodu na zhruba 1% ve zralé chrupavce býka.

Molekuly typu kolagenu I sestávají ze tří identických polypeptidových a (II) řetězců, syntetizovaných a sekretovaných ve formě preklazoru preklagenu. Jakmile se připravené kolagenové molekuly uvolní do extracelulárního prostoru, vytvářejí fibrily. V zralé kloubní chrupavce typ II tvoří fibrilární arkády, ve kterých jsou "hrubé" molekuly umístěny v hlubokých vrstvách tkáně a více "tenké" - vodorovně v povrchových vrstvách.

V prokolagenovém genu typu II byl nalezen exon kódující N-koncový propeptid bohatý na cystein. Tento exon není exprimován v zralé chrupavce, ale v raných stádiích vývoje (prechondrogenese). Vzhledem k přítomnosti tohoto exonu je molekula typu prokolagen II (typ II A) delší než kolagen typu II. Pravděpodobně exprese tohoto typu prokolagenu inhibuje akumulaci prvků v ECM kloubní chrupavky. Může hrát roli ve vývoji patologie chrupavky (například nedostatečná reparativní reakce, tvorba osteophytu atd.).

Síť kolagenových vláken typu II poskytuje funkci pevnosti v tahu a je nezbytná k udržení objemu a tvaru tkáně. Tato funkce je zvýrazněna kovalentním a zesíťováním molekul kolagenu. Ve VKM tvoří lysiloxidázový enzym aldehyd z hydroxylizinu, který se pak převádí na vícesytný aminokyselinový hydroxylisylpyridinolin, který vytváří křížové vazby mezi řetězci. Na jedné straně koncentrace této aminokyseliny stoupá s věkem, nicméně ve zralé chrupavce se prakticky nemění. Na druhé straně se v kloubní chrupavce zvyšuje koncentrace křížových vazeb různých typů s věkem s věkem, které se tvoří bez účasti enzymů.

Asi 10% celkového množství kolagenové tkáně chrupavky je tzv. Menší kolagen, což v mnoha ohledech určuje jedinečnou funkci této tkáně. Kolagen typu IX patří do třídy molekul III korotkospiralnyh a jedinečné skupiny facit kolagenu (fibril-sdružené kolagenu s přerušovaným Triple -helices - fibrily spojené s kolagenem s přerušeným trojité šroubovice). Skládá se ze tří geneticky odlišných řetězců. Jeden z nich - _2- řetězový - je glykosylován současně s chondroitin sulfátem, což činí tuto molekulu současně proteoglykanem. Mezi segmenty kolagenního typu IX spirály a kolagenu typu II jsou zjištěny zralé i nezralé hydroxypyridinové křížové vazby. Kolagen IX může také fungovat jako intermolekulárně-interfibrilový "konektor" (nebo most) mezi sousedními kolagenovými vlákny. Molekuly kolagenu IX tvoří vzájemné vazby, což zvyšuje mechanickou stabilitu fibrilární trojrozměrné sítě a chrání ji před účinky enzymů. Rovněž poskytují odolnost proti deformaci, která omezuje otok proteoglykanů v síti. Vedle aniontového CS řetězce molekula kolagenu IX obsahuje kationtovou doménu, která poskytuje vysokou nábojovou vláknu a tendenci interagovat s jinými matricovými makromolekulami.

Typ kolagenu XI je pouze 2-3% z celkové hmotnosti kolagenu. Patří do první třídy (tvořící fibril) kolagenu a skládá se ze tří různých a-řetězců. Společně s typy kolagenu II a IX tvoří kolagen X typu heterotické fibrily kloubní chrupavky. Molekuly typu kolagenu XI se nacházejí uvnitř kolagenních vláken typu II pomocí imunoelektromikroskopie. Možná organizují molekuly kolagenu typu II, kontrolují boční růst fibril a určují průměr heterotypického kolagenového vlákna. Kromě toho se kolagen XI podílí na tvorbě křížových vazeb, ale i ve zralé chrupavce zůstávají příčné vazby ve formě nezralých divalentních ketoaminů.

Malé množství kolagenu typu VI, dalšího zástupce třídy III molekul krátkého rozpětí, bylo nalezeno v kloubní chrupavce. Kolagen typu VI tvoří různé mikrofibry a případně je koncentrován do kapsulární matrice chondronu.

Proteoglykany jsou proteiny, ke kterým je kovalentně připojen alespoň jeden glykosaminoglykanový řetězec. Proteoglykany patří k jedné z nejsložitějších biologických makromolekul. Nejrozsáhlejší proteoglykany jsou přítomny v chrupavce VKM. "Zapletené" uvnitř sítě kolagenních fibril, hydrofilní proteoglykany plní svou hlavní funkci - informují o chrupavce schopnost reverzibilně deformovat. Předpokládá se, že proteoglykany provádějí řadu dalších funkcí, jejichž podstata není zcela jasná.

Aggrecan je hlavním proteoglykanem kloubní chrupavky: je to asi 90% celkové hmotnosti proteoglykanů v tkáni. Jeho jádrový protein o velikosti 230 kD je glykosylován množstvím kovalentně vázaných glykosaminoglykanových řetězců, jakož i N-koncových a C-koncových oligosacharidů.

Glykosaminoglykan řetězec kloubní chrupavky, které tvoří asi 90% z celkové hmotnosti makromolekul - keratansulfát (reprezentující sekvenci sulfátované disacharid N-atsetilglyukozamingalaktoza více sulfatovaných částí a dalších monosacharidových zbytků, jako je kyselina sialová) a chondroitin sulfát (reprezentující sekvenci z disacharid N-acetylgalaktosamin, kyselina glukuronová, sulfátu, každý je připojen na čtvrtou nebo šestém atomu uhlíku N-atsetilg laktosamin).

Agrekanu core protein obsahuje tři globulární (G1, G2, G3) h interglobular dva (E1 a E2) domény. N-koncová část obsahuje G, - a G2- domény oddělené E1 délku segmentu 21 nm. C3-doména se nachází na C-konci, oddělené od G ₂ delší (asi 260 nm), E2 segmentu, který nese více než 100 chondroitinsulfát řetězce o 15 až 25 keratansulfát řetězy a O-vázaných oligosacharidů. N-vázané oligosacharidy vyskytuje převážně v G1 a C2 domény a E1-segmentu, tak i v blízkosti G ₃ -regiona. Glykosaminoglykany jsou seskupeny do dvou oblastí: nejvíce rozšířen (tzv oblasti bohaté na chondroitin sulfátu) řetězec obsahuje chondroitin sulfátu a asi 50% keratansulfát řetězců. Oblast bohatá na keratan sulfátů, lokalizované na E ₂ -segmente u G1-domény předchází oblast bohatou na chondroitin sulfáty. Agrekanu molekuly obsahují také estery kyseliny fosforečné, lokalizované převážně na xylosových zbytků, které chondroitin sulfát řetězce jsou připojeny k jádrovému proteinu; nacházejí se také na serinových zbytcích jádrového proteinu.

C-terminální segment C ₃ domén vysokogomologichen lektinu, čímž může být proteoglykanu molekuly zaznamenány v ECM prostřednictvím vazby s určitými uhlovodíkové struktury.

Nedávné studie zjistila exon kódující podobné EGF (epidermální růstový faktor), subdoménu uvnitř G ₃. Použitím anti-EGF polyklonálních protilátek byl epitop podobný EGF lokalizován v peptidu o velikosti 68 kD v agregátu lidské kloubní chrupavky. Jeho funkce však vyžadují objasnění. Tato subdoména je také nalezena ve struktuře adhezních molekul, která řídí migraci lymfocytů. Jen asi třetina z agrekanu molekul izolované ze zralé lidské kloubní chrupavky obsahují intaktní C ₃ domény; pravděpodobně je to způsobeno skutečností, že molekuly agreganu v ECM mohou být redukovány enzymem. Další osud a funkce rozštěpených fragmentů nejsou známy.

Hlavní funkční segment je agrekanu molekula glikozaminoglikannesuschy E ₂ -segment. Místo bohaté na keratan-sulfáty obsahuje aminokyseliny prolin, serin a threonin. Většina serinové a threoninové zbytky O-glykosylované N-atsetilgalaktozaminovymi zbytky, spouštějí syntézu určitých oligosacharidů, které jsou zakotveny v keratansulfát řetězci, a tím je prodloužení. Zbytek E ₂ -segmenta obsahuje více než 100 sekvencí serin-glycin, ve kterém řada poskytuje ksilozilnym připevnění na zbytky na začátku chondroitin sulfátu řetězců. Typicky a chondroitin-6-sulfátu a chondroitin-4-sulfát existují současně ve stejných proteoglykanu molekuly poměr se mění v závislosti na lokalizaci chrupavky a věku osoby.

Struktura molekul agreganu v matrici kloubní chrupavky člověka prochází řadou změn v procesu zrání a stárnutí. Spojena se změnami stárnutí patří snížení hydrodynamické velikosti v důsledku změny v průměrné délce řetězce chondroitin sulfátu, zvýšení délky řetězce a keratan sulfátů. Řada změn molekuly agreganu také podléhá působení proteolytických enzymů (např. Agreganázy a stromelysinu) na jádrový protein. To vede k postupnému poklesu průměrné délky jádrového proteinu molekul agreganu.

Aggrecanové molekuly jsou syntetizovány chondrocyty a sekretovány v ECM, kde vytvářejí agregáty stabilizované molekulami vazebných proteinů. Tato agregace zahrnuje vysoce specifické nekovalentní a kooperativní interakce mezi vláknem kyseliny glukuronové a téměř 200 molekulami aggrekanů a vazebných proteinů. Glukuronové kyseliny - extracelulární nesulfatovaného glykosaminoglykan lineární vysokomolekulární hmota se skládá z většího počtu molekul souvisejících sekvenčně atsetilglyu-N-kozamina a kyselinou glukuronovou. Spojené smyčky domény G1 agreganu interagují reverzibilně s pěti po sobě uspořádanými disacharidy kyseliny hyaluronové. Vazebný protein, který obsahuje podobné (vysoce homologní) párové smyčky, interaguje s doménou C1 a molekulou kyseliny hyaluronové a stabilizuje strukturu agregátu. Proteinový komplex vázající se na kyselinu hyaluronovou s C1 doménou vytváří vysoce stabilní interakce, která chrání G1 doménu a vazebný protein před působením proteolytických enzymů. Byly identifikovány dvě molekuly vazebného proteinu s molekulovou hmotností 40-50 kD; liší se od sebe od stupně glykosylace. Pouze jedna molekula vazebného proteinu je přítomna na vazebném místě hyaluronové kyseliny a agrákanu. Třetí, menší, molekula vazebného proteinu je vytvořena z větších proteinů proteolytickým štěpením.

Asi 200 molekul agreganu se může vázat na jednu molekulu kyseliny hyaluronové za vzniku agregátu o délce 8 μm. V matrici související s buňkami, sestávající z perikulárních a územních dělení, agregáty udržují spojení s buňkami vazbou (přes filament kyseliny hyaluronové) na receptory podobné CD44 na buněčné membráně.

Tvorba agregátů v ECM je složitý proces. Nově syntetizované aggrekanové molekuly neprokazují okamžitou schopnost vázat se na kyselinu hyaluronovou. To může sloužit jako regulační mechanismus umožňující nově syntetizovaným molekulám dosáhnout interteritoriální zóny matrice před tím, než je imobilizován do velkých agregátů. Počet nově syntetizovaných agreganových molekul a vazebných proteinů schopných vytvářet agregáty interakcí s kyselinou hyaluronovou se s věkem výrazně snižuje. Navíc s věkem je velikost agregátů izolovaných z kloubní chrupavky člověka výrazně snížena. To je částečně způsobeno snížením průměrné délky molekul kyseliny hyaluronové a agreganu.

Existují dva typy agregátů v kloubní chrupavce. Průměrná velikost agregátů prvního typu je 60 S, agregáty druhého typu (rychle srážející "superagregáty") jsou 120 S. Tento druh je charakterizován množstvím molekul vazebného proteinu. Přítomnost těchto superagregátů může hrát velkou roli ve fungování tkáně; při opravě tkáně po znehybnění končetiny ve středu vrstev kloubní chrupavky nalézt vyšší koncentrace v kloubech postižených osteoartritidou, jejich velikost je výrazně snížena v časných stádiích onemocnění.

Kromě agreganu obsahuje kloubní chrupavka řadu menších proteoglykanů. Biglikan a dekorin, molekuly nesoucí dermatan sulfáty mají molekulovou hmotnost přibližně 100 a 70 kD; hmotnost jejich jádrového proteinu je asi 30 kD.

Kloubní chrupavky lidského biglykan molekula obsahuje dva řetězce dermatan sulfát, vzhledem k tomu, častěji se vyskytující dekorinu - pouze jeden. Tyto molekuly jsou jen malou částí proteoglykanů v kloubní chrupavky, i když může být také hodně, stejně jako velké agregáty proteoglykanů. Malé proteoglykany interakci s jinými makromolekul v ECM, včetně kolagenových fibril, fibronektin, růstové faktory a jiné. Dekorinu původně lokalizován na povrchu kolagenových fibril a inhibuje kolagenu fibrillogenesis. Rod pevně udržel protein s doménou buňky vázající fibronektinu, tedy pravděpodobně inhibuje vazbu druhé na povrchové buněčné receptory (integriny). Vzhledem k tomu, že jak dekorinu a biglykan vážou na fibronektin a inhibovat adhezi a migraci buněk, stejně jako tvorbu trombu, které jsou schopné inhibovat proces opravy tkáně.

Fibromodulin v kloubní chrupavce je proteoglykan s molekulovou hmotností 50-65 kD, spojený s kolagenovými fibrily. Jeho jádro proteinu, které je homologní s jádrovými bílkovinami dekorace a bigakany, obsahuje velké množství zbytků tyrosin sulfátu. Tato glykosylovaná forma fibromodulinu (dříve nazývaná matricovým proteinem 59 kD) se může podílet na regulaci tvorby a udržování struktury kolagenových fibril. Fibromodulin a dekorin jsou umístěny na povrchu kolagenních vláken. Jak již bylo uvedeno výše, zvýšenému průměru fibrilů by mělo předcházet selektivní odstranění těchto proteoglykanů (stejně jako molekul kolagenu typu IX).

Kloubní chrupavka obsahuje řadu proteinů ve VKM, které nepatří ani k proteoglykanům, ani k kolagenům. Interakce s ostatními makromolekulami vytvářejí síť, ve které jsou včleněny většina molekul VKM.

Anchorin, protein s hmotností 34 kD, je lokalizován na povrchu chondrocytů a v buněčné membráně, zprostředkovává interakci mezi buňkou a matricí. Vzhledem k vysoké afinitě pro kolagen typu II může působit jako mechanoreceptor, který vysílá signál o změněném tlaku na fibrilu chondrocytu.

Fibronektin je složka většiny chrupavčích tkání, poněkud odlišná od fibronektinu v krevní plazmě. Předpokládá se, že fibronektin podporuje integraci matrice interakcí s buněčnými membránami a dalšími složkami matrice, jako je kolagen typu II a thrombospondin. Fragmenty fibronektinu negativně ovlivňují metabolismus chondrocytů - inhibují syntézu agreganu, stimulují katabolické procesy. V kloubní tekutině pacientů s osteoartrózou byla nalezena vysoká koncentrace fragmentů fibronektinu, takže se mohou účastnit patogeneze onemocnění v pozdějších stadiích. Fragmenty jiných matricových molekul, které se váží na chondrocytové receptory, mají pravděpodobně stejné účinky.

Proteinová oligomerní matrice chrupavky (OMPC), člen superrodiny trombospondinu, je pentamer s pěti identickými podjednotkami s molekulovou hmotností přibližně 83 kD. Jsou nalezeny ve velkém množství v kloubní chrupavce, zejména ve vrstvě proliferujících buněk v rostoucí tkáni. Proto se pravděpodobně OMPCH podílí na regulaci buněčného růstu. Při mnohem nižší koncentraci se nacházejí v ECM zralé kloubní chrupavky. Matrixové proteiny jsou také označovány jako:

• základní protein matrice (36 kD), který má vysokou afinitu k chondrocytům, může zprostředkovat interakci buněk v ECM, například během remodelování tkáně;
• GP-39 (39 kD) je exprimován v povrchové vrstvě kloubní chrupavky a v synoviální membráně (její funkce nejsou známy);
• 21 kD protein je syntetizován hypertrofickými chondrocyty, interaguje s kolagenem typu X, může fungovat v zóně "vlnové linie".

Kromě toho je zřejmé, že chondrocyty exprimují neglykosylované formě malých neagregované proteoglykanů v určitých fázích vývoje chrupavky a v patologických stavů, ale jejich konkrétní funkce je v současné době studována.

[10], [11], [12], [13], [14], [15]

Funkční vlastnosti chrupavky kloubu

Molekuly agreganu poskytují kloubní chrupavce schopnost podstoupit reverzibilní deformaci. Ukazují specifické interakce v rámci extracelulárního prostoru a nepochybně hrají důležitou roli v organizaci, struktuře a funkci ECM. V molekulách agreganu v chrupavčitém tkáni dosáhnou koncentrace 100 mg / ml. V chrupavce se molekuly Aggreganu stlačují na 20% objemu, který obsadí v roztoku. Trojrozměrná síť tvořená kolagenovými vlákny informuje tkáň o svém charakteristickém tvaru a zabraňuje zvýšení objemu proteoglykanů. Uvnitř kolagenové sítě nesou imobilní proteoglykany velký negativní elektrický náboj (obsahují velké množství aniontových skupin), což umožňuje interakci s mobilními kationtovými skupinami intersticiální tekutiny. Interakce s vodou zajišťují proteoglykany tzv. Bobtnavý tlak, který je potlačován sítí kolagenu.

Přítomnost vody v modulu ECM je velmi důležitá. Voda určuje objem tkáně; spojený s proteoglykanem, poskytuje odolnost vůči stlačení. Kromě toho voda zajišťuje transport molekul a difúzi v modulu ECM. Vysoká hustota negativního náboje u velkých proteoglykanů fixovaných v tkáni vytváří "vyloučený objemový efekt". Velikost pórů intrakondenzovaného roztoku proteoglykanů je tak malá, že difúze velkých globulárních proteinů do tkáně je silně omezena. VKM odpuzuje malé negativně nabité (např. Chloridové ionty) a velké (např. Albuminové a imunoglobulinové) proteiny. Velikost buněk v husté sítě kolagenových fibril a proteoglykanů pouze srovnatelných s rozměry některých anorganických molekul (například sodíku a draslíku, ale vápenatý).

Ve VKM je v kolagenních vláknech přítomno určité množství vody. Fyzikálně chemické a biomechanické vlastnosti chrupavky určují extrafibrilový prostor. Obsah vody ve fibrilárním prostoru závisí na koncentraci proteoglykanů v extrafibrilálním prostoru a zvyšuje se snižováním koncentrace těchto látek.

Pevný negativní náboj na proteoglykánech určuje složení iontů extracelulárního média obsahujícího volné kationty ve vysoké koncentraci a volné anionty v nízké koncentraci. Vzhledem k tomu, že koncentrace molekul agreganu stoupá z povrchu do hluboké zóny chrupavky, mění se iontové prostředí tkáně. Koncentrace anorganických iontů v ECM vytváří vysoký osmotický tlak.

Vlastnosti chrupavky jako materiálu závisí na interakci kolagenových fibril, proteoglykanů a kapalné fáze tkáně. Strukturální a kompoziční změny v důsledku nesouladu mezi syntetické a katabolických procesů a degradace makromolekul podle fyzického zranění, významně ovlivnit materiálové vlastnosti chrupavky a měnit jeho funkci. Vzhledem k tomu, koncentrace a distribuce makro molekulární organizace proteoglykanů a kolagenu se liší v závislosti na hloubce chrupavky zóny měnit biomechanické vlastnosti každé zóny. Například, povrchová plocha s vysokou koncentrací kolagenových fibril, umístěných tangenciálně vzhledem k nízké koncentraci proteoglykanů byla nejvýraznější proti protahování vlastnosti, rozdělení zatížení rovnoměrně po povrchu tkáně. V přechodových a hlubokých zónách přináší vysoká koncentrace proteoglykanů tkáňovou vlastnost přenosu kompresního zatížení. Na úrovni „vlnovek“ vlastnosti chrupavky materiál prudce měnit od poddajného nekaltsifitsirovannoy zóny do tvrdé mineralizované chrupavky. V oblasti "vlnité linie" je síla tkáně zajištěna sítí kolagenu. Chrupavčitá vlákna nepřekračují chrupavčité části; ve sloučenině síly osteochondrální tkáně je opatřen speciálními obrysy hranice mezi oblastí nekaltsifitsirovannogo a kalcifikované chrupavky ve formě prstových výrůstky nepravidelné, což „zavírá“ dvě vrstvy a zabraňuje jejich oddělení. Calcified chrupavka je méně hustý než subchondrální kosti, takže vykonává funkci mezilehlé vrstvy, která změkčuje tlakové zatížení na chrupavky a subchondrální kosti vysílá.

Během zatížení dochází k komplexnímu rozdělení tří sil - roztahování, střih a stlačení. Kloubní matrice se deformuje v důsledku vylučování vody (stejně jako metabolických produktů buněk) ze zóny zátěže, zvyšuje se koncentrace iontů v intersticiální tekutině. Pohyb vody přímo závisí na délce a síle aplikovaného zatížení a je zpožděn negativním nábojem proteoglykanů. Během deformace tkáně jsou proteoglykany více navzájem proti sobě tlačeny, čímž se účinně zvyšuje hustota záporného náboje a intermolekulární odpudivý záporný náboj síly zase zvyšuje odolnost tkáně při další deformaci. Nakonec deformace dosáhne rovnováhy, ve které vnější síly zatížení jsou vyváženy vnitřními silami odporu - tlakem bobtnání (interakce proteoglykanů s ionty) a mechanickým stresem (interakce proteoglykanů a kolagenů). Když je zátěž vyloučena, chrupavčitá tkáň získá svůj původní tvar nasáním vody spolu s živinami. Počáteční (předběžná) forma tkáně je dosažena, když je tlak bobtnání proteoglykanů vyvážen odolností kolagenové sítě vůči jejímu šíření.

Biomechanické vlastnosti kloubní chrupavky jsou založeny na strukturální integrity tkaniny - kolagenem proteoglykan přípravku v pevné fázi a vodu a ionty rozpuštěné ve formě kapalné fáze. Z zatížení je hydrostatický tlak kloubní chrupavky asi 1-2 atm. Tento hydrostatický tlak se může zvýšit in vivo na 100 až 200 atm. V milisekundách během stání a až 40-50 atm během chůze. Studie in vitro ukázaly, že hydrostatický tlak 50-150 atm (fyziologický) na krátkou dobu, vede k mírnému nárůstu chrupavky anabolismus, po dobu 2 hodin - vede ke ztrátě kapaliny chrupavky, ale nezpůsobuje žádné další změny. Otázkou zůstává, jak rychle chondrocyty reagují in vivo na tento druh zátěže.

Indukované snížení hydratace s následným zvýšením koncentrace proteoglykanů vede k přitažlivosti pozitivně nabitých iontů, jako jsou H ⁺ a Na ⁺. To vede ke změně celkového složení iontů a pH ECM a chondrocytů. Dlouhodobé zatížení způsobuje snížení pH a současný pokles syntézy proteoglykanů chondrocyty. Možná vliv extracelulárního iontového prostředí na syntetické procesy je také částečně spojen s jeho účinkem na složení ECM. Nově syntetizované molekuly agrekanů v slabě kyselém prostředí později než za normálních podmínek dozrávají do agregovaných forem. Je pravděpodobné, že snížení pH kolem chondrocytů (například během zátěže) umožňuje, aby se více nově syntetizovaných molekul agreganu dostalo do interteritoriální matice.

Když je zátěž vyloučena, voda se vrací z synoviální dutiny, nesoucí živiny pro buňky. Chrupavka postižených s osteoartritidou, proteoglykan koncentrace se snižuje, a proto, při zatížení vodou se pohybuje nejen vertikálně v synoviální dutině, ale i v jiných směrech, čímž se sníží energie chondrocyty.

Imobilizace nebo malé zatížení vede k výraznému poklesu v syntetických procesů obsahu chrupavky proteoglykanu a, zatímco zvýšení dynamické zatížení vede k mírnému syntézy zvýšení proteoglykanu a obsahu .. Intenzivní cvičení (20km denně po dobu 15 týdnů) u psů došlo ke změně v obsahu proteoglykanů zejména prudké snížení jejich koncentrace v povrchové zóně. Došlo k určitému reverzibilnímu změkčení chrupavky a remodelování subchondrální kosti. Velká statická zátěž způsobila poškození chrupavky a následnou degeneraci. Navíc ztráta Aggrecan ECM vyvolává abnormální změny charakteristické pro osteoartrózu. Ztráta agreganu vede k přitažlivosti vody a otoku zbývajících malých množství proteoglykanů. Toto rozpuštění agreganu pomáhá snižovat hustotu lokálního fixovaného náboje a nakonec vede ke změně osmolarity.