Choroba zwyrodnieniowa stawów: jak zorganizowana jest chrząstka stawowa?

Normalna chrząstka stawowa spełnia dwie główne funkcje: pochłania ciśnienie poprzez odkształcenie podczas obciążenia mechanicznego i zapewnia gładkość powierzchni stawowych, co pozwala zminimalizować tarcie podczas ruchów stawowych. Jest to zapewnione przez unikalną strukturę chrząstki stawowej, która składa się z chondroityny zanurzonej w macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM).

Normalna dorosła chrząstka stawowa może być podzielona na kilka warstw lub stref: strefę powierzchowną lub styczną, strefę przejściową, strefę głęboką lub promieniową oraz strefę zwapnioną. Warstwa między strefą powierzchowną i przejściową, a zwłaszcza między strefą przejściową i głęboką, nie ma wyraźnych granic. Połączenie między nieuwapnioną i zwapnioną chrząstką stawową nazywane jest „falistą granicą” – linią widoczną podczas barwienia odwapnionej tkanki. Zwapniona strefa chrząstki stanowi stosunkowo stałą część (6-8%) całkowitej wysokości przekroju poprzecznego chrząstki. Całkowita grubość chrząstki stawowej, w tym zwapniona strefa chrząstki, zmienia się w zależności od obciążenia określonego obszaru powierzchni stawowej i rodzaju stawu. Przerywane ciśnienie hydrostatyczne w kości podchrzęstnej odgrywa ważną rolę w utrzymaniu prawidłowej struktury chrząstki poprzez spowolnienie kostnienia.

Chondrocyty stanowią około 2-3% całkowitej masy tkanki; w strefie powierzchownej (stycznej) są zlokalizowane wzdłuż, a w strefie głębokiej (promieniowej) prostopadle do powierzchni chrząstki; w strefie przejściowej chondrocyty tworzą grupy 2-4 komórek rozproszone po całej macierzy. W zależności od strefy chrząstki stawowej gęstość chondrocytów jest różna - największe zagęszczenie komórek występuje w strefie powierzchownej, najmniejsze - w strefie zwapnionej. Ponadto gęstość rozmieszczenia komórek różni się od stawu do stawu, jest odwrotnie proporcjonalna do grubości chrząstki i obciążenia, któremu poddawany jest odpowiedni obszar.

Najbardziej powierzchownie położone chondrocyty są dyskoidalne i tworzą kilka warstw komórek w strefie stycznej znajdującej się poniżej wąskiego paska macierzy; głębiej położone komórki tej strefy mają tendencję do posiadania bardziej nierównych konturów. W strefie przejściowej chondrocyty są kuliste, czasami łączą się w małe grupy rozproszone w macierzy. Chondrocyty strefy głębokiej mają przeważnie kształt elipsoidalny, pogrupowane w promieniowo rozmieszczone łańcuchy 2-6 komórek. W strefie zwapnionej są rozmieszczone jeszcze rzadsze; niektóre z nich są martwicze, chociaż większość jest żywa. Komórki są otoczone przez nie zwapnioną macierz, przestrzeń międzykomórkowa jest zwapniona.

Tak więc ludzka chrząstka stawowa składa się z uwodnionej ECM i zanurzonych w niej komórek, które stanowią 2-3% całkowitej objętości tkanki. Ponieważ tkanka chrzęstna nie ma naczyń krwionośnych ani limfatycznych, interakcje między komórkami, dostarczanie im składników odżywczych i usuwanie produktów przemiany materii odbywają się poprzez dyfuzję przez ECM. Pomimo faktu, że chondrocyty są bardzo aktywne metabolicznie, normalnie nie dzielą się u dorosłych. Chondrocyty istnieją w środowisku beztlenowym, a ich metabolizm jest uważany za przeważnie beztlenowy.

Każdy chondrocyt jest uważany za odrębną jednostkę metaboliczną chrząstki, odizolowaną od sąsiednich komórek, ale odpowiedzialną za produkcję elementów ECM w bezpośrednim sąsiedztwie przeszczepionej komórki i utrzymanie jej składu.

ECM jest podzielona na trzy sekcje, z których każda ma unikalną strukturę morfologiczną i specyficzny skład biochemiczny. ECM bezpośrednio przylegająca do błony podstawnej chondrocytów nazywana jest macierzą okołokomórkową lub lakunarną. Charakteryzuje się wysoką zawartością agregatów proteoglikanów związanych z komórką poprzez interakcję kwasu hialuronowego z receptorami podobnymi do CD44 i względnym brakiem zorganizowanych włókienek kolagenowych. Bezpośrednio przylegająca do macierzy okołokomórkowej znajduje się macierz terytorialna lub otoczkowa, która składa się z sieci przecinających się włókienkowych kolagenów, które otaczają pojedyncze komórki lub (czasami) grupy komórek, tworząc chondron i prawdopodobnie zapewniają wyspecjalizowane wsparcie mechaniczne dla komórek. Kontakt chondrocytów z macierzą otoczkową odbywa się poprzez liczne procesy cytoplazmatyczne bogate w mikrofilamenty, a także poprzez specyficzne cząsteczki macierzy, takie jak ankoryna i receptory podobne do CD44. Największą i najbardziej oddaloną od błony podstawnej chondrocytów częścią ECM jest macierz międzyterytorialna, która zawiera największą liczbę włókienek kolagenowych i proteoglikanów.

Podział ECM na przedziały jest wyraźniej zdefiniowany w dorosłej chrząstce stawowej niż w niedojrzałej chrząstce stawowej. Względny rozmiar każdego przedziału zmienia się nie tylko między stawami, ale nawet w obrębie tej samej chrząstki. Każdy chondrocyt wytwarza macierz, która go otacza. Według badań chondrocyty dojrzałej tkanki chrzęstnej wywierają aktywną kontrolę metaboliczną nad swoimi macierzami okołokomórkowymi i terytorialnymi, a wywierają mniej aktywną kontrolę nad macierzą międzyterytorialną, która może być metabolicznie „obojętna”.

Jak wspomniano wcześniej, chrząstka stawowa składa się głównie z rozległej ECM syntetyzowanej i regulowanej przez chondrocyty. Makrocząsteczki tkankowe i ich stężenia zmieniają się w ciągu całego życia zgodnie ze zmieniającymi się potrzebami funkcjonalnymi. Jednak nadal nie jest jasne, czy komórki syntetyzują całą macierz jednocześnie, czy w określonych fazach zgodnie z potrzebami fizjologicznymi. Stężenie makrocząsteczek, równowaga metaboliczna między nimi, ich relacje i interakcje determinują właściwości biochemiczne, a zatem funkcję chrząstki stawowej w obrębie pojedynczego stawu. Głównym składnikiem ECM dorosłej chrząstki stawowej jest woda (65-70% całkowitej masy), która jest w niej trwale związana ze względu na szczególne właściwości fizyczne makrocząsteczek tkanki chrzęstnej, które są częścią kolagenów, proteoglikanów i glikoprotein niekolagenowych.

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

Skład biochemiczny chrząstki

Włókna kolagenowe składają się z cząsteczek fibrylarnego białka kolagenu. U ssaków kolagen stanowi jedną czwartą wszystkich białek w organizmie. Kolagen tworzy elementy fibrylarne (włókna kolagenowe) składające się z podjednostek strukturalnych zwanych tropokolagenem. Cząsteczka tropokolagenu ma trzy łańcuchy, które tworzą potrójną helisę. Taka struktura cząsteczki tropokolagenu, jak również struktura włókna kolagenowego, gdy cząsteczki te są ułożone równolegle w kierunku podłużnym ze stałym przesunięciem około 1/4 długości i zapewniają wysoką elastyczność i wytrzymałość tkankom, w których się znajdują. Obecnie znanych jest 10 genetycznie różnych typów kolagenu, różniących się strukturą chemiczną łańcuchów α i/lub ich zestawem w cząsteczce. Najlepiej zbadane pierwsze cztery typy kolagenu są zdolne do tworzenia do 10 izoform molekularnych.

Włókna kolagenowe są częścią przestrzeni pozakomórkowej większości tkanek łącznych, w tym chrząstki. W nierozpuszczalnej trójwymiarowej sieci przecinających się włókien kolagenowych zaplątane są inne, bardziej rozpuszczalne składniki, takie jak proteoglikany, glikoproteiny i białka specyficzne dla tkanek; są one czasami kowalencyjnie powiązane z elementami kolagenowymi.

Cząsteczki kolagenu zorganizowane w fibryle stanowią około 50% organicznej suchej pozostałości chrząstki (10-20% chrząstki natywnej). W dojrzałej chrząstce około 90% kolagenów to kolageny typu II, które występują tylko w niektórych tkankach (np. ciało szkliste, embrionalny rdzeń kręgowy). Kolagen typu II należy do cząsteczek kolagenu klasy I (tworzących fibryle). Oprócz tego dojrzała ludzka chrząstka stawowa zawiera również kolageny typu IX, XI i niewielką ilość typu VI. Względna ilość włókien kolagenowych typu IX w fibrylach kolagenowych zmniejsza się z 15% w chrząstce płodowej do około 1% w dojrzałej chrząstce bydlęcej.

Cząsteczki kolagenu typu I składają się z trzech identycznych łańcuchów polipeptydu a, (II) syntetyzowanych i wydzielanych jako prekursor prokolagenu. Po uwolnieniu gotowych cząsteczek kolagenu do przestrzeni pozakomórkowej tworzą one fibryle. W dojrzałej chrząstce stawowej kolagen typu II tworzy arkady fibrylarne, w których „grubsze” cząsteczki znajdują się w głębokich warstwach tkanki, a „cieńsze” są poziomo zlokalizowane w warstwach powierzchniowych.

W genie prokolagenu typu II znaleziono ekson kodujący bogaty w cysteinę propeptyd N-końcowy. Ten ekson nie jest wyrażany w dojrzałej chrząstce, ale we wczesnych stadiach rozwoju (prechondrogeneza). Ze względu na obecność tego eksonu cząsteczka prokolagenu typu II (typ II A) jest dłuższa niż kolagen typu II. Prawdopodobnie ekspresja tego typu prokolagenu hamuje gromadzenie się elementów w ECM chrząstki stawowej. Może odgrywać pewną rolę w rozwoju patologii chrząstki (np. niewystarczająca odpowiedź naprawcza, tworzenie osteofitów itp.).

Sieć włókien kolagenowych typu II zapewnia funkcję odporności na rozciąganie i jest niezbędna do utrzymania objętości i kształtu tkanki. Funkcja ta jest wzmacniana przez wiązania kowalencyjne i poprzeczne między cząsteczkami kolagenu. W ECM enzym oksydaza lizylowa tworzy aldehyd z hydroksylizyny, który następnie jest przekształcany w wielowartościowy aminokwas hydroksylizylo-pirydynolinę, która tworzy wiązania poprzeczne między łańcuchami. Z jednej strony stężenie tego aminokwasu wzrasta wraz z wiekiem, ale w dojrzałej chrząstce pozostaje praktycznie niezmienione. Z drugiej strony w chrząstce stawowej obserwuje się wzrost stężenia wiązań poprzecznych różnego typu, powstających bez udziału enzymów wraz z wiekiem.

Około 10% całkowitej ilości kolagenów w tkance chrzęstnej stanowią tzw. kolageny mniejsze, które w dużej mierze determinują unikalną funkcję tej tkanki. Kolagen typu IX należy do cząsteczek o krótkich helisach klasy III i do unikalnej grupy kolagenów FACIT (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices). Składa się z trzech genetycznie różnych łańcuchów. Jeden z nich, łańcuch _a2, jest glikozylowany jednocześnie z siarczanem chondroityny, co czyni tę cząsteczkę proteoglikanem. Zarówno dojrzałe, jak i niedojrzałe wiązania poprzeczne hydroksypirydyny występują między segmentami helisy kolagenu typu IX i kolagenu typu II. Kolagen IX może również pełnić funkcję międzycząsteczkowo-międzyfibrylarnego „łącznika” (lub mostu) między sąsiadującymi fibrylami kolagenu. Cząsteczki kolagenu IX tworzą między sobą wiązania poprzeczne, co zwiększa stabilność mechaniczną trójwymiarowej sieci fibrylarnej i chroni ją przed działaniem enzymów. Zapewniają one również odporność na odkształcenia, ograniczając pęcznienie proteoglikanów zlokalizowanych wewnątrz sieci. Oprócz anionowego łańcucha CS, cząsteczka kolagenu IX zawiera domenę kationową, która nadaje fibrylowi duży ładunek i tendencję do interakcji z innymi makrocząsteczkami macierzy.

Kolagen typu XI stanowi tylko 2-3% całkowitej masy kolagenu. Należy do kolagenów klasy I (tworzących włókna) i składa się z trzech różnych łańcuchów α. Razem z kolagenami typu II i IX, kolagen typu XI tworzy heterotypowe włókienka chrząstki stawowej. Cząsteczki kolagenu typu XI zostały wykryte w fibrylach kolagenowych typu II przy użyciu immunoelektromikroskopii. Prawdopodobnie organizują cząsteczki kolagenu typu II, kontrolując boczny wzrost fibryli i określając średnicę heterotypowego włókienka kolagenowego. Ponadto kolagen XI bierze udział w tworzeniu wiązań poprzecznych, ale nawet w dojrzałej chrząstce wiązania poprzeczne pozostają w postaci niedojrzałych dwuwartościowych ketoamin.

Niewielkie ilości kolagenu typu VI, innego członka klasy III cząsteczek o krótkiej helisie, znajdują się w chrząstce stawowej. Kolagen typu VI tworzy różne mikrofibryle i prawdopodobnie jest skoncentrowany w macierzy otoczkowej chondronu.

Proteoglikany to białka, do których kowalencyjnie przyłączony jest co najmniej jeden łańcuch glikozaminoglikanów. Proteoglikany należą do najbardziej złożonych makrocząsteczek biologicznych. Proteoglikany występują najliczniej w ECM chrząstki. „Splątane” w sieci włókienek kolagenowych hydrofilowe proteoglikany pełnią swoją główną funkcję – nadają chrząstce zdolność do odwracalnej deformacji. Przypuszcza się, że proteoglikany pełnią również szereg innych funkcji, których istota nie jest do końca jasna.

Aggrekan jest głównym proteoglikanem chrząstki stawowej, stanowiącym około 90% całkowitej masy proteoglikanów w tkance. Jego 230 kD białko rdzeniowe jest glikozylowane przez wiele kowalencyjnie połączonych łańcuchów glikozaminoglikanów oraz oligosacharydy N-końcowe i C-końcowe.

Łańcuchy glikozaminoglikanów chrząstki stawowej, które stanowią około 90% całkowitej masy makrocząsteczek, to siarczan keratanu (sekwencja siarczanowanego disacharydu N-acetyloglukozaminolaktozy z wieloma miejscami siarczanowymi i innymi resztami monosacharydowymi, takimi jak kwas sialowy) i siarczan chondroityny (sekwencja disacharydu N-acetylogalaktozaminy kwasu glukuronowego z estrem siarczanowym przyłączonym do co czwartego lub szóstego atomu węgla N-acetylogalaktozaminy).

Rdzeń białka aggrekanu zawiera trzy domeny globularne (G1, G2, G3) i dwie międzyglobularne (E1 i E2). Region N-końcowy zawiera domeny G1 i G2 rozdzielone segmentem E1 o długości 21 nm. Domena C3, zlokalizowana w regionie C-końcowym, jest oddzielona od G2 _dłuższym (około 260 nm) segmentem E2, który niesie ponad 100 łańcuchów siarczanów chondroityny, około 15-25 łańcuchów siarczanów keratyny i oligosacharydy połączone wiązaniem O. Oligosacharydy połączone wiązaniem N znajdują się głównie w domenach G1 i C2 oraz segmencie E1, a także w pobliżu _regionu G3. Glikozaminoglikany grupowane są w dwóch regionach: najdłuższy (tzw. region bogaty w siarczan chondroityny) zawiera łańcuchy siarczanu chondroityny i około 50% łańcuchów siarczanu keratanu. Region bogaty w siarczan keratanu znajduje się na _segmencie E2 w pobliżu domeny G1 i poprzedza region bogaty w siarczan chondroityny. Cząsteczki agrekanu zawierają również estry fosforanowe, zlokalizowane głównie na resztach ksylozy, które przyłączają łańcuchy siarczanu chondroityny do białka rdzeniowego; znajdują się one również na resztach seryny białka rdzeniowego.

Segment C-końcowy domeny C3 _wykazuje duże podobieństwo do lektyny, co pozwala na wiązanie cząsteczek proteoglikanów w ECM poprzez wiązanie się z określonymi strukturami węglowodanowymi.

Ostatnie badania zidentyfikowały ekson kodujący subdomenę podobną do EGF w obrębie G3 _. Przy użyciu poliklonalnych przeciwciał anty-EGF epitop podobny do EGF został zlokalizowany w peptydzie o masie cząsteczkowej 68 kD w agrekanie ludzkiej chrząstki stawowej. Jednak jego funkcja pozostaje niewyjaśniona. Ta subdomena występuje również w cząsteczkach adhezyjnych, które kontrolują migrację limfocytów. Tylko około jedna trzecia cząsteczek agrekanu wyizolowanych z dojrzałej ludzkiej chrząstki stawowej zawiera nienaruszoną _domenę C3; jest to prawdopodobne, ponieważ cząsteczki agrekanu mogą być enzymatycznie zmniejszane w ECM. Los i funkcja rozszczepionych fragmentów są nieznane.

_{Głównym segmentem funkcjonalnym cząsteczki agrekanu jest segment} E2 zawierający glikozaminoglikany. Region ten, bogaty w siarczany keratanu, zawiera aminokwasy prolinę, serynę i treoninę. Większość reszt seryny i treoniny jest O-glikozylowana resztami N-acetylogalaktozaminy; inicjują one syntezę niektórych oligosacharydów, które są włączane do łańcuchów siarczanu keratanu, wydłużając je w ten sposób. Pozostała część segmentu E2 _zawiera ponad 100 sekwencji seryna-glicyna, w których seryna zapewnia przyłączenie do reszt ksylozylowych na początku łańcuchów siarczanu chondroityny. Zazwyczaj zarówno siarczan chondroityny-6, jak i siarczan chondroityny-4 występują jednocześnie w tej samej cząsteczce proteoglikanu, a ich stosunek zmienia się w zależności od lokalizacji tkanki chrzęstnej i wieku osoby.

Struktura cząsteczek agrekanu w macierzy chrząstki stawowej człowieka ulega szeregowi zmian podczas dojrzewania i starzenia. Zmiany związane ze starzeniem obejmują zmniejszenie rozmiaru hydrodynamicznego z powodu zmiany średniej długości łańcuchów siarczanu chondroityny oraz zwiększenie liczby i długości łańcuchów siarczanu keratanu. Szereg zmian w cząsteczce agrekanu jest również spowodowany działaniem enzymów proteolitycznych (np. agrekanazy i stromelezyny) na białko rdzeniowe. Powoduje to stopniowe zmniejszanie średniej długości białka rdzeniowego cząsteczki agrekanu.

Cząsteczki agrekanu są syntetyzowane przez chondrocyty i wydzielane do ECM, gdzie tworzą agregaty stabilizowane przez cząsteczki białka łącznikowego. Ta agregacja obejmuje wysoce specyficzne niekowalencyjne i kooperacyjne interakcje między nicią kwasu glukuronowego a prawie 200 cząsteczkami agrekanu i białka łącznikowego. Kwas glukuronowy jest pozakomórkowym, niesiarczanowanym, liniowym glikozaminoglikanem o dużej masie cząsteczkowej, składającym się z wielu sekwencyjnie połączonych cząsteczek N-acetyloglukozaminy i kwasu glukuronowego. Sparowane pętle domeny G1 agrekanu odwracalnie oddziałują z pięcioma sekwencyjnie zlokalizowanymi disacharydami kwasu hialuronowego. Białko łącznikowe, które zawiera podobne (wysoce homologiczne) sparowane pętle, oddziałuje z domeną C1 i cząsteczką kwasu hialuronowego i stabilizuje strukturę agregatu. Kompleks domeny C1 - kwasu hialuronowego - białka wiążącego tworzy wysoce stabilną interakcję, która chroni domenę G1 i białko wiążące przed działaniem enzymów proteolitycznych. Zidentyfikowano dwie cząsteczki białka wiążącego o masie cząsteczkowej 40-50 kDa, różniące się od siebie stopniem glikozylacji. Tylko jedna cząsteczka białka wiążącego jest obecna w miejscu wiązania kwasu hialuronowego - agrekanu. Trzecia, mniejsza cząsteczka białka wiążącego powstaje z większych cząsteczek przez rozszczepienie proteolityczne.

Około 200 cząsteczek agrekanu może wiązać się z jedną cząsteczką kwasu hialuronowego, tworząc agregat o długości 8 μm. W macierzy związanej z komórkami, składającej się z przedziałów okołokomórkowych i terytorialnych, agregaty utrzymują swoje powiązanie z komórkami, wiążąc się (poprzez nić kwasu hialuronowego) z receptorami CD44-podobnymi na błonie komórkowej.

Tworzenie agregatów w ECM jest złożonym procesem. Nowo syntetyzowane cząsteczki agrekanu nie wykazują natychmiastowej zdolności wiązania się z kwasem hialuronowym. Może to służyć jako mechanizm regulacyjny umożliwiający nowo syntetyzowanym cząsteczkom dotarcie do strefy międzyterytorialnej macierzy przed unieruchomieniem w duże agregaty. Liczba nowo syntetyzowanych cząsteczek agrekanu i białek wiążących zdolnych do tworzenia agregatów poprzez interakcję z kwasem hialuronowym znacznie zmniejsza się wraz z wiekiem. Ponadto rozmiar agregatów izolowanych z ludzkiej chrząstki stawowej znacznie zmniejsza się wraz z wiekiem. Jest to częściowo spowodowane zmniejszeniem średniej długości cząsteczek kwasu hialuronowego i cząsteczek agrekanu.

W chrząstce stawowej uformowały się dwa typy agregatów. Średnia wielkość pierwszego typu agregatów wynosi 60 S, podczas gdy drugiego typu (szybko wytrącających się „superagregatów”) wynosi 120 S. Ten ostatni wyróżnia się obfitością cząsteczek białka wiążącego. Obecność tych superagregatów może odgrywać ważną rolę w funkcjonowaniu tkanki; podczas regeneracji tkanek po unieruchomieniu kończyny większe ich stężenia występują w środkowych warstwach chrząstki stawowej, podczas gdy w stawie dotkniętym chorobą zwyrodnieniową stawów ich rozmiary są znacznie zmniejszone we wczesnych stadiach choroby.

Oprócz agrekanu chrząstka stawowa zawiera szereg mniejszych proteoglikanów. Biglikan i dekoryna, cząsteczki, które przenoszą siarczany dermatanu, mają masę cząsteczkową odpowiednio około 100 i 70 kDa; masa ich białka rdzeniowego wynosi około 30 kDa.

W ludzkiej chrząstce stawowej cząsteczka biglycanu zawiera dwa łańcuchy siarczanu dermatanu, podczas gdy bardziej powszechna decorin zawiera tylko jeden. Te cząsteczki stanowią tylko niewielką część proteoglikanów w chrząstce stawowej, chociaż mogą być tak liczne jak duże zagregowane proteoglikany. Małe proteoglikany oddziałują z innymi makrocząsteczkami w ECM, w tym fibrylami kolagenowymi, fibroniektyną, czynnikami wzrostu itp. Decorin jest zlokalizowany przede wszystkim na powierzchni fibryli kolagenowych i hamuje fibrylogenezę kolagenu. Białko rdzeniowe jest ściśle utrzymywane w wiążącej komórki domenie fibroniektyny, co prawdopodobnie zapobiega jej wiązaniu się z receptorami powierzchniowymi komórek (integrinami). Ponieważ zarówno decorin, jak i biglycan wiążą się z fibroniektyną i hamują adhezję i migrację komórek, a także tworzenie się zakrzepów, są zdolne do hamowania procesów naprawy tkanek.

Fibromodulina chrząstki stawowej jest proteoglikanem o masie cząsteczkowej 50-65 kD związanym z fibrylami kolagenowymi. Jego białko rdzeniowe, homologiczne do białek rdzeniowych dekoryny i biglikanu, zawiera dużą liczbę reszt siarczanu tyrozyny. Ta glikozylowana forma fibromoduliny (wcześniej nazywana białkiem macierzy 59 kD) może uczestniczyć w regulacji formowania i utrzymywania struktury fibryli kolagenowych. Fibromodulina i dekoryna znajdują się na powierzchni fibryli kolagenowych. Zatem, jak wskazano wcześniej, wzrost średnicy fibryli powinien być poprzedzony selektywnym usunięciem tych proteoglikanów (a także cząsteczek kolagenu typu IX).

Chrząstka stawowa zawiera szereg białek w ECM, które nie są ani proteoglikanami, ani kolagenami. Oddziałują one z innymi makrocząsteczkami, tworząc sieć obejmującą większość cząsteczek ECM.

Ancoryna, białko o masie cząsteczkowej 34 kD, jest zlokalizowana na powierzchni chondrocytów i w błonie komórkowej, pośrednicząc w interakcjach między komórką a macierzą. Ze względu na wysokie powinowactwo do kolagenu typu II może działać jako mechanoreceptor, przekazując sygnał o zmianie ciśnienia na fibrylę do chondrocytu.

Fibronektyna jest składnikiem większości tkanek chrzęstnych i nieznacznie różni się od fibronektyny osocza. Uważa się, że fibronektyna wspomaga integrację macierzy poprzez interakcję z błonami komórkowymi i innymi składnikami macierzy, takimi jak kolagen typu II i trombospondyna. Fragmenty fibronektyny mają negatywny wpływ na metabolizm chondrocytów: hamują syntezę agrekanu i stymulują procesy kataboliczne. Wysokie stężenia fragmentów fibronektyny stwierdzono w płynie stawowym pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów, więc mogą one uczestniczyć w patogenezie choroby w późnych stadiach. Fragmenty innych cząsteczek macierzy, które wiążą się z receptorami chondrocytów, prawdopodobnie mają podobne działanie.

Oligomeryczne białko macierzy chrząstki (OMPC), członek superrodziny trombospondyny, jest pentamerem z pięcioma identycznymi podjednostkami o masie cząsteczkowej około 83 kDa. Występują w dużych ilościach w chrząstce stawowej, szczególnie w warstwie proliferujących komórek w rosnącej tkance. Dlatego możliwe jest, że OMPC bierze udział w regulacji wzrostu komórek. Występują w znacznie niższych stężeniach w ECM dojrzałej chrząstki stawowej. Białka macierzy obejmują również:

• podstawowe białko macierzy (36 kDa), które ma duże powinowactwo do chondrocytów, może pośredniczyć w interakcjach międzykomórkowych w ECM, np. podczas przebudowy tkanek;
• GP-39 (39 kDa) występuje w powierzchniowej warstwie chrząstki stawowej i błonie maziowej (jego funkcje są nieznane);
• Białko o masie cząsteczkowej 21 kD jest syntetyzowane przez przerośnięte chondrocyty, wchodzi w interakcję z kolagenem typu X i może funkcjonować w strefie „linii falistej”.

Ponadto wiadomo, że chondrocyty wytwarzają nieglikozylowane formy małych, niezagregowanych proteoglikanów na pewnych etapach rozwoju chrząstki oraz w warunkach patologicznych, ale ich konkretna funkcja jest obecnie przedmiotem badań.

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

Właściwości funkcjonalne chrząstki stawowej

Cząsteczki agrekanu zapewniają chrząstce stawowej zdolność do odwracalnej deformacji. Wykazują specyficzne interakcje w przestrzeni pozakomórkowej i niewątpliwie odgrywają ważną rolę w organizacji, strukturze i funkcji ECM. W tkance chrzęstnej cząsteczki agrekanu osiągają stężenie 100 mg/ml. W chrząstce cząsteczki agrekanu są ściskane do 20% objętości, jaką zajmują w roztworze. Trójwymiarowa sieć utworzona z włókienek kolagenowych nadaje tkance charakterystyczny kształt i zapobiega zwiększaniu objętości proteoglikanów. W obrębie sieci kolagenowej nieruchome proteoglikany niosą duży ujemny ładunek elektryczny (zawierają dużą liczbę grup anionowych), co pozwala im oddziaływać z ruchomymi grupami kationowymi płynu śródmiąższowego. Oddziałując z wodą, proteoglikany zapewniają tzw. ciśnienie pęcznienia, któremu przeciwdziała sieć kolagenowa.

Obecność wody w ECM jest bardzo ważna. Woda określa objętość tkanki; związana z proteoglikanami zapewnia odporność na ściskanie. Ponadto woda zapewnia transport cząsteczek i dyfuzję w ECM. Wysoka gęstość ładunku ujemnego na dużych proteoglikanach utrwalonych w tkance tworzy „efekt wykluczonej objętości”. Rozmiar porów wewnątrzkoncentrowanego roztworu proteoglikanów jest tak mały, że dyfuzja dużych białek kulistych do tkanki jest ostro ograniczona. ECM odpycha małe białka o ładunku ujemnym (np. jony chlorkowe) i duże białka (takie jak albuminy i immunoglobuliny). Rozmiar komórek w gęstej sieci włókienek kolagenowych i proteoglikanów jest porównywalny jedynie z rozmiarem niektórych cząsteczek nieorganicznych (np. sodu i potasu, ale nie wapnia).

W ECM pewna ilość wody jest obecna w fibrylach kolagenowych. Przestrzeń pozafibrylarna determinuje właściwości fizykochemiczne i biomechaniczne chrząstki. Zawartość wody w przestrzeni wewnątrzfibrylarnej zależy od stężenia proteoglikanów w przestrzeni pozafibrylarnej i wzrasta wraz ze spadkiem stężenia tych ostatnich.

Stały ładunek ujemny proteoglikanów determinuje skład jonowy środowiska pozakomórkowego, które zawiera wolne kationy w wysokim stężeniu i wolne aniony w niskim stężeniu. Wraz ze wzrostem stężenia cząsteczek agrekanu od strefy powierzchniowej do głębokiej chrząstki zmienia się środowisko jonowe tkanki. Stężenie jonów nieorganicznych w ECM powoduje wysokie ciśnienie osmotyczne.

Właściwości materiałowe chrząstki zależą od interakcji włókienek kolagenowych, proteoglikanów i fazy ciekłej tkanki. Zmiany strukturalne i składowe związane z rozbieżnością między procesami syntezy i katabolizmu, degradacją makrocząsteczek i urazami fizycznymi znacząco wpływają na właściwości materiałowe chrząstki i zmieniają jej funkcję. Ponieważ stężenie, dystrybucja i organizacja makrocząsteczkowa kolagenów i proteoglikanów zmieniają się w zależności od głębokości strefy chrząstki, właściwości biomechaniczne każdej strefy są różne. Na przykład strefa powierzchniowa z jej wysokim stężeniem kolagenu, stycznie położonymi włókienkami i stosunkowo niskim stężeniem proteoglikanów ma najbardziej wyraźne właściwości opierania się rozciąganiu, równomiernie rozprowadzając obciążenie na całej powierzchni tkanki. W strefach przejściowych i głębokich wysokie stężenie proteoglikanów nadaje tkance właściwość wytrzymywania obciążenia ściskającego. Na poziomie „linii falistej” właściwości materiałowe chrząstki zmieniają się gwałtownie od giętkiej strefy nieuwapnionej do bardziej sztywnej zmineralizowanej chrząstki. W obszarze „linii falistej” wytrzymałość tkanki zapewnia sieć kolagenowa. Podległe sekcje chrząstki nie są przecięte włókienkami kolagenowymi; w obszarze połączenia chrzęstno-kostnego wytrzymałość tkanki zapewniają specjalne kontury granicy między strefami chrząstki nieuwapnionej i zwapnionej w postaci nieregularnych palczastych wyrostków, które „zamykają” dwie warstwy i zapobiegają ich rozdzieleniu. Zwapniona chrząstka jest mniej gęsta niż kość podchrzęstna, dlatego pełni funkcję warstwy pośredniej, która zmiękcza obciążenie ściskające chrząstkę i przenosi je na kość podchrzęstną.

Podczas obciążenia następuje złożony rozkład trzech sił - rozciągania, ścinania i ściskania. Macierz stawowa ulega deformacji z powodu wydalania wody (a także produktów metabolizmu komórkowego) ze strefy obciążenia, wzrasta stężenie jonów w płynie śródmiąższowym. Ruch wody zależy bezpośrednio od czasu trwania i siły przyłożonego obciążenia i jest opóźniany przez ujemny ładunek proteoglikanów. Podczas deformacji tkanki proteoglikany są mocniej dociskane do siebie, co skutecznie zwiększa gęstość ładunku ujemnego, a siły międzycząsteczkowe, które odpychają ładunek ujemny, z kolei zwiększają odporność tkanki na dalsze odkształcenia. Ostatecznie odkształcenie osiąga równowagę, w której zewnętrzne siły obciążenia są równoważone przez wewnętrzne siły oporu - ciśnienie pęcznienia (interakcja proteoglikanów z jonami) i naprężenie mechaniczne (interakcja proteoglikanów i kolagenów). Po usunięciu obciążenia tkanka chrzęstna uzyskuje swój pierwotny kształt, wchłaniając wodę wraz z substancjami odżywczymi. Początkowy (wstępnie ładowany) kształt tkanki uzyskuje się, gdy ciśnienie pęcznienia proteoglikanów zostaje zrównoważone przez opór sieci kolagenowej na ich rozprzestrzenianie.

Właściwości biomechaniczne chrząstki stawowej opierają się na integralności strukturalnej tkanki - skład kolagenu i proteoglikanu jako fazy stałej oraz wody i rozpuszczonych jonów jako fazy ciekłej. Bez obciążenia ciśnienie hydrostatyczne chrząstki stawowej wynosi około 1-2 atm. To ciśnienie hydrostatyczne może wzrosnąć in vivo do 100-200 atm na milisekundę podczas stania i do 40-50 atm podczas chodzenia. Badania in vitro wykazały, że ciśnienie hydrostatyczne wynoszące 50-150 atm (fizjologiczne) prowadzi do umiarkowanego wzrostu anabolizmu chrząstki w krótkim okresie czasu, a po 2 godzinach prowadzi do utraty płynu chrząstkowego, ale nie powoduje żadnych innych zmian. Pytanie, jak szybko chondrocyty reagują in vivo na ten rodzaj obciążenia, pozostaje nierozwiązane.

Wywołany spadek nawodnienia wraz z późniejszym wzrostem stężenia proteoglikanów prowadzi do przyciągania dodatnio naładowanych jonów, takich jak H ⁺ i Na ⁺. Prowadzi to do zmiany ogólnego składu jonowego i pH ECM i chondrocytów. Długotrwały wysiłek fizyczny powoduje spadek pH i jednocześnie spadek syntezy proteoglikanów przez chondrocyty. Możliwe, że wpływ zewnątrzkomórkowego środowiska jonowego na procesy syntezy jest również częściowo związany z jego wpływem na skład ECM. Nowo zsyntetyzowane cząsteczki agrekanu dojrzewają do form zagregowanych później w środowisku słabo kwaśnym niż w normalnych warunkach. Prawdopodobne jest, że spadek pH wokół chondrocytów (np. podczas ćwiczeń) pozwala większej liczbie nowo zsyntetyzowanych cząsteczek agrekanu dotrzeć do macierzy międzyterytorialnej.

Gdy obciążenie zostaje usunięte, woda powraca z jamy maziowej, niosąc składniki odżywcze dla komórek. W chrząstce dotkniętej chorobą zwyrodnieniową stawów stężenie proteoglikanów jest zmniejszone, dlatego podczas obciążenia woda przemieszcza się nie tylko pionowo do jamy maziowej, ale także w innych kierunkach, zmniejszając w ten sposób odżywianie chondrocytów.

Unieruchomienie lub łagodne obciążenie powoduje wyraźny spadek syntezy chrząstki i zawartości proteoglikanu, podczas gdy zwiększone obciążenie dynamiczne powoduje umiarkowany wzrost syntezy i zawartości proteoglikanu. Intensywne ćwiczenia (20 km/dzień przez 15 tygodni) u psów wywołały zmiany w zawartości proteoglikanu, w szczególności gwałtowny spadek ich stężenia w strefie powierzchniowej. Nastąpiło pewne odwracalne zmiękczenie chrząstki i podchrzęstna przebudowa kości. Jednak poważne obciążenie statyczne spowodowało uszkodzenie chrząstki i późniejszą degenerację. Ponadto utrata agrekanu ECM inicjuje nieprawidłowe zmiany charakterystyczne dla choroby zwyrodnieniowej stawów. Utrata agrekanu powoduje przyciąganie wody i obrzęk niewielkiej ilości pozostałego proteoglikanu. To rozpuszczenie agrekanu przyczynia się do zmniejszenia lokalnej gęstości ładunku stałego i ostatecznie prowadzi do zmiany osmolarności.