Choroba zwyrodnieniowa stawów: w jaki sposób są ułożone chrząstki stawowe?

Normalna chrząstka stawowa spełnia dwie główne funkcje: pochłanianie ciśnienia przez deformację podczas naprężeń mechanicznych i zapewnienie gładkości powierzchni stawowych, co pozwala zminimalizować tarcie podczas poruszania się w stawie. Jest to zapewnione przez unikalną strukturę chrząstki stawowej, która składa się z chondro-ita zanurzonego w macierzy pozakomórkowej (ECM).

Normalną chrząstkę stawową dorosłego można podzielić na kilka warstw lub stref: powierzchnię, styczną, strefę przejściową, strefę głęboką lub promieniową i strefę zwapnienia. Warstwa pomiędzy powierzchnią a strefami przejściowymi, a szczególnie między strefami przejściową i głęboką, nie ma wyraźnych granic. Związek między niezwapnioną i zwapnioną chrząstką stawową nazywany jest "falistą granicą" - jest to linia określona przez zabarwienie odwapnionej tkanki. Zwapniona strefa chrząstki jest stosunkowo stałą proporcją (6-8%) w całkowitej wysokości półksiężyców. Całkowita grubość chrząstki stawowej, w tym strefy zwapnionej chrząstki, zmienia się w zależności od obciążenia na określonym obszarze powierzchni stawu i rodzaju stawu. Przerywane ciśnienie hydrostatyczne w kości podchrzęstnej odgrywa ważną rolę w utrzymaniu prawidłowej struktury chrząstki, spowalniając kostnienie.

Chondrocyty stanowią około 2-3% całkowitej masy tkanki; w strefie powierzchniowej (stycznej) znajdują się wzdłuż, w strefie głębokiej (promieniowej) - prostopadle do powierzchni chrząstki; w strefie przejściowej chondrocyty tworzą grupy 2-4 komórek rozproszonych w macierzy. W zależności od obszaru chrząstki stawowej, gęstość położenia chondrocytów jest zmienna - najwyższa gęstość komórek w strefie powierzchniowej, najniższa w wapniejącej. Ponadto gęstość rozkładu komórek zmienia się od stawu do stawu, jest odwrotnie proporcjonalna do grubości chrząstki i obciążenia doświadczanego przez odpowiadające jej miejsce.

Najbardziej powierzchownie położone chondrocyty mają kształt dysku i tworzą w strefie stycznej kilka warstw komórek znajdujących się poniżej wąskiego paska macierzy; Głęboko położone komórki tej strefy mają bardziej nierówne kontury. W strefie przejściowej chondrocyty mają kulisty kształt, czasem są łączone w małe grupy rozproszone w matrycy. Chondrocyty strefy głębokiej mają w przeważającej mierze kształt elipsoidalny, pogrupowane w promieniowo ułożone łańcuchy 2-6 komórek. W strefie zwapnienia są rozdzielane jeszcze oszczędniej; niektóre z nich są nekrotyczne, chociaż większość z nich jest wykonalna. Komórki są otoczone niezwapnioną matrycą, przestrzeń międzykomórkowa jest zwapniona.

Zatem ludzka chrząstka stawowa składa się z uwodnionego ECM i komórek zanurzonych w nim, które stanowią 2-3% całkowitej objętości tkanki. Ponieważ chrząstka nie zawiera naczyń krwionośnych i limfatycznych, interakcje między komórkami, dostarczanie im składników odżywczych, usuwanie produktów przemiany materii odbywa się poprzez dyfuzję przez ECM. Pomimo tego, że metaboliczne chondrocyty są bardzo aktywne, zwykle nie dzielą się na dorosłych. Chondrocyty istnieją w środowisku wolnym od tlenu, uważają, że ich metabolizm odbywa się przeważnie beztlenowo.

Każdy chondrocyt jest uważany za oddzielną jednostkę metaboliczną chrząstki, wyizolowaną z sąsiednich komórek, ale odpowiedzialną za produkcję elementów VKM w bezpośrednim sąsiedztwie danej komórki i utrzymywanie jej składu.

Magnetowid wydziela się z trzech części, z których każda ma unikalną strukturę morfologiczne i konkretny skład biochemiczny. Magnetowid bezpośrednim sąsiedztwie membrany kbazalnoy chondrocytów, zwany okołokomórkowych, ililakunarnym, matryca. Charakteryzuje interakcji komórka treść związana z wysokim kwasu hialuronowego agregatów proteoglikanów z receptorami CD44, jak i względnego braku zorganizowanych włókien kolagenowych. W bezpośrednim kontakcie z okołokomórkowych matrycy terytorialnym lub otoczki, w matrycy, która składa się z sieci przecinających kolagenu włóknistych, która zamyka pojedynczych komórek lub (czasami) grupie komórek tworzących hondron i prawdopodobnie w celu zapewnienia szczególnej mechanicznego podtrzymywania komórek. Kontakcie z macierzą chondrocytów z otoczki osiągniętej przez liczne procesy cytoplazmatycznych bogatych w mikrowłókien i specyficznych cząsteczek macierzy zewnątrzkomórkowej, takich jak receptory CD44-ankorin i podobnye. Największa i najbardziej oddalonej od błony podstawnej ECM oddzielone chondrocytów - międzyterytorialna matryca zawierająca największą liczbę włókien kolagenu i proteoglikanów.

Podział ECM na działy jest jaśniej określony w chrząstce stawowej dorosłego niż niedojrzałej chrząstki stawowej. Względna wielkość każdego działu różni się nie tylko w różnych stawach, ale nawet w obrębie tej samej chrząstki. Każdy chondrocyt tworzy wokół niego matrycę. Zapisano badania dojrzałych chondrocytów z chrząstki prowadzi aktywnej kontroli nad ich metaboliczną i terytorialnych okołokomórkowych matryce są mniej aktywne sterowanie międzyterytorialna matrycy, które mogą być metabolicznie „obojętny”.

Jak wskazano wcześniej, chrząstka stawowa składa się głównie z ogromnej VKM, zsyntetyzowanej i regulowanej przez chondrocyty. Makrocząsteczki tkankowe i ich stężenie zmienia się w trakcie życia zgodnie ze zmieniającymi się potrzebami funkcjonalnymi. Jednak pozostaje niejasne: komórki syntetyzują całą macierz jednocześnie lub w pewnych fazach zgodnie z potrzebami fizjologicznymi. Stężenie makrocząsteczek, równowaga metaboliczna między nimi, zależność i interakcja określają właściwości biochemiczne, a zatem funkcję chrząstki stawowej w obrębie jednego stawu. Głównym składnikiem chrząstki stawowej dorosłych magnetowidu jest woda (65-70% masy całkowitej), która jest trwale połączona z nim za pomocą specjalnych właściwości fizycznych tkanki chrzęstnej makrocząsteczek zawierających kolagen, proteoglikany i niekolagenowych glikoprotein.

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

Biochemiczny skład chrząstki

Włókna kolagenowe składają się z cząsteczek białka z włókien kolagenowych. U ssaków udział kolagenu odpowiada za jedną czwartą wszystkich białek w organizmie. Kolagen tworzy elementy włókniste (włókienka kolagenowe), składające się z podjednostek strukturalnych, zwanych tropokolagenem. Cząsteczka tropokolagenu ma trzy łańcuchy, które tworzą potrójną helisę. Taka struktura cząsteczki tropokolagen, jak również struktura włókien kolagenowych, gdy te cząsteczki są ułożone równolegle względem siebie w kierunku wzdłużnym ze stałym przesunięciem w przybliżeniu 1/4 długości i zapewniają dużą elastyczność i siłę w tkankach, w których się znajdują. Obecnie znanych jest 10 genetycznie różnych rodzajów kolagenu, różniących się budową chemiczną łańcuchów α i / lub ich gromadzeniem w cząsteczce. Najbardziej przebadane pierwsze cztery typy kolagenu są zdolne do tworzenia do 10 izoform molekularnych.

Włókna kolagenowe są częścią przestrzeni zewnątrzkomórkowej większości typów tkanki łącznej, w tym tkanki chrzęstnej. W nierozpuszczalnej trójwymiarowej sieci, inne bardziej rozpuszczalne składniki, takie jak proteoglikany, glikoproteiny i proteiny specyficzne tkankowo, są "splątane" z zapadających się włókien kolagenowych; czasami są kowalencyjnie związane z elementami kolagenu.

Cząsteczki kolagenu zorganizowane w fibryle stanowią około 50% organicznej suchej pozostałości chrząstki (10-20% naturalnej chrząstki). W dojrzałej chrząstce około 90% kolagenów to kolageny typu II, które występują tylko w niektórych tkankach (np. Szklistym, embrionalnym rdzeniu kręgowym). Kolagen typu II odnosi się do pierwszej klasy (tworzących włókienka) cząsteczek kolagenu. Oprócz niego w dojrzałej chrząstce stawowej człowieka znajduje się również kolagen typu IX, XI oraz niewielka liczba typów VI. Względna ilość włókien kolagenowych typu IX w włókienka kolagenowym zmniejsza się z 15% w chrząstce płodu do około 1% w dojrzałej chrząstce buhajów.

Cząsteczki typu kolagenu I składają się z trzech identycznych polipeptydów a, (II), syntetyzowanych i wydzielanych w postaci prekursora prekolagenów. Gdy gotowe cząsteczki kolagenu są uwalniane do przestrzeni pozakomórkowej, tworzą one włókienka. W dojrzałym stawowym chrząstce kolagen typu II tworzą arkady włókienkowe, w których więcej "grubych" cząsteczek znajduje się w głębokich warstwach tkanki, a bardziej "cienkich" - poziomo w warstwach powierzchniowych.

W genie prokolagenu typu II stwierdzono egzon kodujący N-końcowy propeptyd bogaty w cysteinę. Ekson ten nie ulega ekspresji w dojrzałej chrząstce, ale we wczesnych stadiach rozwoju (prehondrogeneza). Ze względu na obecność tego ekonu cząsteczka prokolagenu II (typ II A) jest dłuższa niż kolagen typu II. Prawdopodobnie ekspresja tego typu prokolagenu hamuje gromadzenie się pierwiastków w ECM chrząstki stawowej. Może odgrywać rolę w rozwoju patologii chrząstki (na przykład, niewystarczająca odpowiedź reparacyjna, tworzenie osteofitów itp.).

Sieć włókienek kolagenowych typu II zapewnia wytrzymałość na rozciąganie i jest niezbędna do utrzymania objętości i kształtu tkanki. Ta funkcja jest wzmacniana przez kowalencyjne i sieciujące między cząsteczkami kolagenu. W VKM, enzym lizylo-loksydowy tworzy aldehyd z hydroksyliziny, który następnie przekształca się w wielowartościowy aminokwas hydroksyloizopirydynolinę, która tworzy sieciujące wiązania między łańcuchami. Z jednej strony stężenie tego aminokwasu wzrasta wraz z wiekiem, jednak w dojrzałej chrząstce praktycznie się nie zmienia. Z drugiej strony w chrząstce stawowej obserwuje się wzrost stężeń wiązań poprzecznych różnych typów z wiekiem, z wiekiem, tworzonym bez udziału enzymów.

Około 10% całkowitej ilości tkanki chrzęstnej kolagenu to tak zwane niewielkie kolageny, które pod wieloma względami określają unikalną funkcję tej tkanki. Typ kolagenu IX należy do III klasy cząsteczek o krótkich spiralach i do unikalnej grupy kolagenów FACIT (kolagen związany z fibryliną z przerywanymi trójdzielnymi helisami) z potrójną helisą. Składa się z trzech genetycznie różnych łańcuchów. Jeden z nich - _2- łańcuchowy - jest glikozylowany jednocześnie z siarczanem chondroityny, co czyni tę cząsteczkę jednocześnie proteoglikanem. Pomiędzy segmentami spirali kolagenu typu IX i kolagenu typu II wykrywa się zarówno sieciowane, jak i niedojrzałe wiązania sieciujące hydroksypirydyny. Kolagen IX może również działać jako międzycząsteczkowo-międzyfibrylarne "złącze" (lub mostek) pomiędzy sąsiednimi włókie- nami kolagenowymi. Cząsteczki kolagenu IX tworzą między sobą wiązania poprzeczne, co zwiększa mechaniczną stabilność trójwymiarowej sieci włókienkowej i chroni ją przed działaniem enzymów. Zapewniają także odporność na odkształcenia, ograniczając obrzęk proteoglikanów w sieci. Oprócz anionowego łańcucha CS, cząsteczka kolagenu IX zawiera domenę kationową, która zapewnia wysoce naładowaną fibryl i tendencję do oddziaływania z innymi makrocząsteczkami macierzy.

Typ kolagenu XI stanowi jedynie 2-3% całkowitej masy kolagenu. Należy do pierwszej klasy (tworzących włókienka) kolagenów i składa się z trzech różnych łańcuchów α. Wraz z kolagenem typu II i IX, kolagen typu X tworzy heterotyczne włókienka chrząstki stawowej. Cząsteczki kolagenu typu XI znajdują się wewnątrz włókien kolagenowych typu II za pomocą immunoelektromikroskopii. Być może organizują one cząsteczki kolagenu typu II, kontrolując boczny wzrost włókienek i określając średnicę heterotypowej włókienka kolagenowego. Ponadto, kolagen XI bierze udział w tworzeniu wiązań poprzecznych, ale nawet w dojrzałej chrząstce poprzeczne wiązania pozostają w postaci niedojrzałych dwuwartościowych ketoamin.

W chrząstce stawowej znaleziono niewielką ilość kolagenu typu VI, innego przedstawiciela klasy III cząsteczek o krótkim spektrum. Kolagen typu VI tworzy różne mikrofibryle i prawdopodobnie koncentruje się w macierzy otoczkowej chondronu.

Proteoglikany są białkami, do których kowalencyjnie przyłączony jest co najmniej jeden łańcuch glikoaminoglikanów. Proteoglikany należą do jednego z najbardziej złożonych makrocząsteczek biologicznych. Najszersze proteoglikany występują w VKM chrząstki. "Wplątany" w sieć włókienek kolagenowych, hydrofilowe proteoglikany spełniają swoją główną funkcję - informują chrząstkę o zdolności do deformacji odwracalnej. Uważa się, że proteoglikany pełnią wiele innych funkcji, których istota nie jest całkowicie jasna.

Aggrecan jest głównym proteoglikanem chrząstki stawowej: stanowi około 90% całkowitej masy proteoglikanów w tkance. Jego podstawowe białko o masie cząsteczkowej 230 kD jest glikozylowane przez szereg kowalencyjnie połączonych łańcuchów glikozoaminoglikanowych, a także N-terminalne i C-końcowe oligosacharydy.

Glikozaminoglikanem łańcuch chrząstki, które stanowią około 90% całkowitej ilości makrocząsteczek wagowych - siarczan keratanu (co odpowiada sekwencji spośród siarczanowanego disacharyd N atsetilglyukozamingalaktoza różnych siarczanowanych części i inne monosacharydowych reszt, takich jak kwas sialowy) i siarczan chondroityny (reprezentujący sekwencję disacharyd N-acetylogalaktozaminy, kwas glukuronowy, estrów siarczanowych, każdy połączony z czwartym lub szóstym atomie węgla w N-atsetilg lactosamine).

Agrekan białko rdzeniowe zawiera trzy kulistą (G1, G2, G3) H interglobular dwa (E1 i E2) domeny. Region N-końcowy zawiera domeny G i G2 oddzielone segmentem E1 o długości 21 nm. C3 domeny znajduje się na C-końcu, oddzielony od G ₂ dłuższy (około 260 nm) segmentów E2, która nosi ponad 100 łańcuchy siarczanu chondroityny, keratanu o około 15-25 łańcuchy siarczanu i O-połączonych oligosacharydów. N-związane oligosacharydy znalezione głównie w G1 i C2 domen E1 segmentu, a także w pobliżu G ₃ -regiona. Glikozoaminoglikany podzielone na dwie części: najbardziej wydłużony (tak zwanych regionów bogatych w siarczan chondroityny) pierścienia zawiera siarczan chondroityny i około 50% łańcuchów siarczanu keratanu. Rejon bogaty w siarczan keratanu, zlokalizowane E ₂ -segmente pobliżu G1 domeny poprzedza region bogaty w siarczany chondroityny. Agrekanu cząsteczki zawierają również estry fosforanowe, zlokalizowane głównie na resztach ksylozy, że łańcuchy siarczanu chondroityny, są przyłączone do białka rdzeniowego; znajdują się również na resztach seryny białka rdzeniowego.

C-końcowy segment C ₃ domen vysokogomologichen lektyny, przy czym proteoglikanu cząsteczki mogą zostać zapisane w ECM, przez wiązanie z określonymi strukturami węglowodorów.

Ostatnie badania nie znalazł eksonu kodującego czynnik wzrostu naskórka (EGF), subdomeny w G ₃. Stosując przeciwciała poliklonalne anty-EGF, epitop podobny do EGF był zlokalizowany w peptydzie o długości 68 kD w agregacie ludzkiej chrząstki stawowej. Jednak jego funkcje wymagają wyjaśnienia. Ta poddomena znajduje się również w strukturze cząsteczek adhezyjnych kontrolujących migrację limfocytów. Jedynie około jedną trzecią agrekanu cząsteczek wyizolowanych z dojrzałej ludzkiej chrząstki stawowej zawierać nienaruszone C ₃ domeny; Prawdopodobnie wynika to z faktu, że w ECM cząsteczki agrekanu mogą zostać zredukowane przez drogę enzymu. Dalsze losy i funkcje podzielonych fragmentów są nieznane.

Główny segment funkcjonalny jest agrekan cząsteczka glikozaminoglikannesuschy E ₂ -segment. Miejsce bogate w siarczany keratanu zawiera aminokwasy prolina, seryna i treonina. Większość reszt seryny i treoniny O-glikozylowane reszty N-atsetilgalaktozaminovymi one powodować syntezę pewnych oligosacharydów, które są osadzone w sieci siarczan keratanu, co je wydłużając. Reszta E ₂ -segmenta zawiera więcej niż 100 sekwencji seryny-glicyny, w którym seria dostarcza ksilozilnym przyłączenie do reszt na początku łańcucha siarczanu chondroityny. Zwykle i chondroityny, 6-siarczan chondroityny i 4-siarczan występować równocześnie w tych samych proteoglikanów cząsteczkach stosunek zmienia się w zależności od lokalizacji chrząstki i od wieku użytkownika.

Struktura cząsteczek agrekanu w macierzy chrząstki stawowej człowieka ulega wielu zmianom w procesie dojrzewania i starzenia. Zmiany związane ze starzeniem obejmują zmniejszenie wielkości hydrodynamicznej w wyniku zmian w średniej długości łańcucha siarczanów chondroityny, zwiększenie liczby i długości łańcuchów siarczanu keratanu. Wiele zmian w cząsteczce agrekanu ulega również działaniu enzymów proteolitycznych (np. Agrekanaz i stromelizyny) na białku rdzeniowym. Prowadzi to do postępującego zmniejszenia średniej długości rdzeniowego białka cząsteczek agrekanu.

Cząsteczki aggrekanu są syntetyzowane przez chondrocyty i wydzielane w ECM, gdzie tworzą agregaty stabilizowane przez cząsteczki białek wiążących. Ta agregacja obejmuje wysoce specyficzne niekowalencyjne i kooperacyjne interakcje pomiędzy filamentem kwasu glukuronowego i prawie 200 cząsteczkami agrekanów i białek wiążących. Kwas glukuronowy jest zewnątrzkomórkowym, niesulfonowanym liniowym glikozoaminoglikanem o dużej masie cząsteczkowej, składającym się z wielu sekwencyjnie związanych cząsteczek N-acetyloglukaminy i kwasu glukuronowego. Sprzężone pętle domeny G1 agrekanu oddziałują odwracalnie z pięcioma kolejno rozmieszczonymi disacharydami kwasu hialuronowego. Wiążące białko, które zawiera podobne (wysokie) homologiczne pętle, oddziałuje z domeną C1 i cząsteczką kwasu hialuronowego i stabilizuje strukturę agregatu. Kompleks białka wiążącego kwasy domeny z kwasem hialuronowym tworzy wysoce stabilną interakcję, która chroni domenę G1 i białko wiążące przed działaniem enzymów proteolitycznych. Zidentyfikowano dwie cząsteczki wiążącego białka o masie cząsteczkowej 40-50 kD; różnią się one od siebie stopniem glikozylacji. W miejscu wiążącym kwas hialuronowy-agrekan występuje tylko jedna cząsteczka białka wiążącego. Trzecia, mniejsza cząsteczka białka wiążącego jest tworzona z większych białek przez cięcie proteolityczne.

Około 200 cząsteczek agrekanu może związać się z jedną cząsteczką kwasu hialuronowego, tworząc agregat o długości 8 μm. W macierzy komórkowej, składającej się z podziałów okołomórkowych i terytorialnych, agregaty zachowują swoje połączenie z komórkami przez wiązanie (przez filament kwasu hialuronowego) z receptorami podobnymi do CD44 na błonie komórkowej.

Tworzenie agregatów w ECM jest złożonym procesem. Nowo zsyntetyzowane cząsteczki agrekanu nie od razu wykazują zdolność wiązania się z kwasem hialuronowym. Może to służyć jako mechanizm regulacyjny umożliwiający nowo zsyntetyzowanym cząsteczkom przedostanie się do międzyterytorialnej strefy matrycy przed unieruchomieniem w dużych agregatach. Liczba nowo zsyntetyzowanych cząsteczek agrekanu i białek wiążących zdolnych do tworzenia agregatów przez oddziaływanie z kwasem hialuronowym znacznie maleje wraz z wiekiem. Ponadto wraz z wiekiem znacznie zmniejsza się wielkość agregatów izolowanych z chrząstki stawowej człowieka. Jest to częściowo spowodowane spadkiem średniej długości cząsteczek kwasu hialuronowego i cząsteczek agrekanu.

Istnieją dwa rodzaje agregatów w chrząstce stawowej. Średnia wielkość agregatów pierwszego rodzaju wynosi 60 S, agregaty drugiego typu (szybko precypitujące "superagregaty") wynoszą 120 S. Ten ostatni charakteryzuje się dużą ilością cząsteczek białka wiążącego. Obecność tych superagregatów prawdopodobnie odgrywa ważną rolę w funkcjonowaniu tkanki; podczas odbudowy tkanki po unieruchomieniu kończyny w środkowych warstwach chrząstki stawowej, ich wyższe stężenia znajdują się w stawie dotkniętym chorobą zwyrodnieniową stawów, we wczesnych stadiach choroby ich wymiary są znacznie zmniejszone.

Oprócz agrekanu chrząstka stawowa zawiera wiele mniejszych proteoglikanów. Biglikan i dekorin, cząsteczki zawierające siarczany dermatanu mają masę cząsteczkową odpowiednio około 100 i 70 kD; masa ich podstawowego białka wynosi około 30 kD.

W chrząstce stawowej człowieka cząsteczka biglukanu zawiera dwa łańcuchy siarczanu dermatanu, podczas gdy bardziej powszechny dekorin jest tylko jeden. Cząsteczki te stanowią tylko niewielką część proteoglikanów w chrząstce stawowej, chociaż może ich być tyle samo co dużych zagregowanych proteoglikanów. Małe proteoglikany interakcje z innymi makrocząsteczek w macierzy zewnątrzkomórkowej, w tym włókien kolagenu, fibronektyny, czynników wzrostu i innych. Dekorin pierwotnie zlokalizowane na powierzchni włókien kolagenu i hamuje kolagenu włókienek. Rdzeń białka jest silnie zatrzymywany przez domenę wiążącą komórki fibronektyny, co prawdopodobnie uniemożliwia wiązanie tej ostatniej z receptorami powierzchni komórki (integrynami). Ze względu na fakt, że zarówno dekorin i biglycan wiążą się z fibronektyną i hamowania adhezji i migracji, jak i tworzenie się skrzepliny, które są w stanie hamować procesy naprawy tkanek.

Fibromodulina chrząstki stawowej jest proteoglikanem o masie cząsteczkowej 50-65 kD, związanym z włóknami kolagenowymi. Jego podstawowe białko, homologiczne do rdzeniowych białek dekor i bigakany, zawiera dużą ilość reszt siarczanu tyrozyny. Ta glikozylowana forma fibromoduliny (poprzednio nazywana białkiem macierzy 59 kD) może uczestniczyć w regulacji tworzenia i utrzymywania struktury włókienek kolagenowych. Fibromodulina i dekorin znajdują się na powierzchni włókien kolagenowych. Zatem, jak wskazano wcześniej, wzrost średnicy włókienkowej powinien być poprzedzony selektywnym usuwaniem tych proteoglikanów (jak również cząsteczek kolagenu typu IX).

Chrząstka stawowa zawiera wiele białek w VKM, które nie należą do proteoglikanów ani kolagenów. Komunikują się z innymi makrocząsteczkami, tworząc sieć, w której wbudowane są większość cząsteczek VKM.

Anchorina, białko o masie 34 kD, jest zlokalizowane na powierzchni chondrocytów i w błonie komórkowej, pośredniczy w interakcji między komórką a matrycą. Ze względu na wysokie powinowactwo do kolagenu typu II może działać jako mechanoreceptor, który przekazuje sygnał o zmienionym ciśnieniu na włókienka chondrocytów.

Fibronektyna jest składnikiem większości tkanek chrzęstnych, nieco różniących się od fibronektyny osocza krwi. Sugeruje się, że fibronektyna promuje integrację matrycy przez oddziaływanie z błonami komórkowymi i innymi składnikami matrycy, takimi jak kolagen typu II i trombospondyna. Fragmenty fibronektyny negatywnie wpływają na metabolizm chondrocytów - hamują syntezę agrekanu, pobudzają procesy kataboliczne. W płynie stawowym pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów stwierdzono wysokie stężenie fragmentów fibronektyny, dzięki czemu mogą one uczestniczyć w patogenezie choroby w późniejszych stadiach. Prawdopodobnie fragmenty innych cząsteczek macierzy, które wiążą się z receptorami chondrocytów, mają te same efekty.

Oligomeryczne białko macierzy chrząstki (OMPC), członek nadrodziny trombospondyny, jest pentamerem z pięcioma identycznymi podjednostkami o masie cząsteczkowej około 83 kD. Występują one w dużych ilościach w chrząstce stawowej, szczególnie w warstwie komórek proliferujących w rosnącej tkance. Dlatego prawdopodobnie OMPCH bierze udział w regulacji wzrostu komórek. W znacznie niższym stężeniu znajdują się w ECM dojrzałej chrząstki stawowej. Białka macierzowe są również określane jako:

• podstawowe białko macierzy (36 kD), które ma wysokie powinowactwo do chondrocytów, może pośredniczyć w interakcji komórek w ECM, na przykład podczas przebudowy tkanki;
• GP-39 (39 kD) ulega ekspresji w powierzchniowej warstwie chrząstki stawowej oraz w błonie maziowej (jej funkcje są nieznane);
• Białko o 21 kDa syntetyzowane jest przez przerośnięte chondrocyty, wchodzi w interakcje z kolagenem typu X, może funkcjonować w strefie "linii falowej".

Ponadto oczywiste jest, że chondrocyty wyrażają nieglikozylowane postacie małych niezagregowanych proteoglikanów na pewnych etapach rozwoju chrząstki i w stanach patologicznych, ale ich specyficzna funkcja jest obecnie badana.

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

Funkcjonalne właściwości chrząstki stawu

Cząsteczki agrekanu nadają chrząstce stawowej zdolność do poddawania się odwracalnej deformacji. Wykazują specyficzne interakcje w przestrzeni zewnątrzkomórkowej i niewątpliwie odgrywają ważną rolę w organizacji, strukturze i funkcji ECM. W tkance chrzęstnej cząsteczki agrekanu osiągają stężenie 100 mg / ml. W chrząstce cząsteczki Aggregan są kompresowane do 20% objętości, którą zajmują w roztworze. Trójwymiarowa sieć utworzona z włókienek kolagenowych informuje tkankę o jej charakterystycznym kształcie i zapobiega wzrostowi objętości proteoglikanów. Wewnątrz sieci kolagenowej nieruchome proteoglikany mają duży ujemny ładunek elektryczny (zawierają dużą liczbę grup anionowych), co pozwala na interakcję z mobilnymi grupami kationowymi płynu śródmiąższowego. Interakcje z wodą, proteoglikany zapewniają tak zwane ciśnienie pęcznienia, któremu przeciwdziała sieć kolagenowa.

Obecność wody w ECM jest bardzo ważna. Woda określa objętość tkanki; związane z proteoglikanami, zapewnia odporność na ściskanie. Ponadto woda zapewnia transport cząsteczek i dyfuzję w ECM. Duża gęstość ujemnego ładunku na dużych proteoglikanach utrwalonych w tkance tworzy "wykluczony efekt objętościowy". Wielkość porów wewnątrz stężonego roztworu proteoglikanów jest tak mała, że dyfuzja dużych globularnych białek do tkanki jest poważnie ograniczona. VKM odpycha małe ujemnie naładowane (np. Jony chlorkowe) i duże (takie jak albumina i immunoglobuliny) białka. Wielkość komórek w gęstej sieci włókienek kolagenowych i proteoglikanów jest proporcjonalna tylko do wymiarów niektórych nieorganicznych cząsteczek (na przykład sodu i potasu, ale nie wapnia).

W VKM występuje pewna ilość wody w fibryli kolagenowych. Właściwości fizykochemiczne i biomechaniczne chrząstki determinują przestrzeń extrafibratora. Zawartość wody w przestrzeni włókienkowej zależy od stężenia proteoglikanów w przestrzeni extrafibrynowej i wzrasta wraz ze spadkiem ich stężenia.

Ustalony ujemny ładunek na proteoglikanach określa skład jonów pozakomórkowego środowiska zawierającego wolne kationy w wysokim stężeniu i wolne aniony w niskim stężeniu. Ponieważ stężenie cząsteczek agrekanu wzrasta z powierzchni do głębokiej strefy chrząstki, zmienia się środowisko jonowe tkanki. Stężenie nieorganicznych jonów w ECM powoduje wysokie ciśnienie osmotyczne.

Właściwości chrząstki jako materiału zależą od interakcji włókienek kolagenu, proteoglikanów i fazy ciekłej tkanki. Strukturalne i składu zmian z powodu niedopasowania syntetyczne i procesów katabolicznych i degradacji makrocząsteczek przez fizyczne uszkodzenie, co znacznie wpływa na własności materiału chrząstki i zmienia swoją funkcję. Ponieważ stężenie, dystrybucja i makrocząsteczkowa organizacja kolagenu i proteoglikanów różnią się w zależności od głębokości strefy chrząstki, właściwości biomechaniczne każdej strefy są różne. Na przykład, obszar powierzchni o wysokiej koncentracji włókien kolagenowych umieszczonych stycznie do niskiego stężenia proteoglikanów była najbardziej wyraźne właściwości przeciwdziałania rozciąganiu, rozłożenie obciążenia równomiernie na całej powierzchni tkanki. W strefach przejściowych i głębokich wysokie stężenie proteoglikanów nadaje właściwości tkanek przenoszeniu obciążenia ściskającego. Na poziomie "linii falistej" właściwości materiału chrząstki różnią się znacznie od ciągliwej nieliniowej strefy do sztywniejszej zmineralizowanej chrząstki. W obszarze "linii falistej" siła tkanki jest dostarczana przez sieć kolagenową. Włókna chrząstkowe nie krzyżują się z chrząstkami; w związku o wytrzymałości tkanki kostno zapewniają specjalne kształtu granicy między strefami nekaltsifitsirovannogo i zwapnieniu chrząstki w postaci palcowych wypustek nieregularna, co „zamknij” dwie warstwy i zapobiega ich separacji. Zwapniała chrząstka jest mniej gęsta niż kość podchrzęstna, więc działa jako warstwa pośrednia, która zmiękcza obciążenie ściskające chrząstki i przenosi ją do kości podchrzęstnej.

Podczas obciążenia występuje złożony rozkład trzech sił - rozciąganie, ścinanie i ściskanie. Matryca stawowa ulega deformacji w wyniku wydalania wody (jak również produktów metabolicznych komórek) ze strefy obciążenia, wzrasta stężenie jonów w płynie śródmiąższowym. Ruch wody zależy bezpośrednio od czasu trwania i siły przyłożonego obciążenia i jest opóźniony przez ujemny ładunek proteoglikanów. W czasie proteoglikanów deformacji tkanek silniej dociskane do siebie, co skutecznie zwiększa gęstość ładunku ujemnego i międzycząsteczkowe siły odpychające negatywnym ładunku z kolei zwiększa odporność na dalsze odkształcenie materiału. Ostatecznie odkształcenia osiąga równowagę, przy czym siły zewnętrzne są zrównoważone siły oporu obciążenia wewnętrzne - obrzęk ciśnienia (interakcji z jonami proteoglikanów) i wytrzymałości mechanicznej (proteoglikanów interakcji i kolageny). Po zniesieniu ładunku chrzęstna tkanka nabiera oryginalnego kształtu poprzez ssanie wody wraz z substancjami odżywczymi. Początkową (wstępną) tkankę uzyskuje się, gdy ciśnienie pęcznienia proteoglikanów równoważy oporność sieci kolagenowej na ich rozprzestrzenianie się.

Właściwości biomechaniczne chrząstki stawowej opierają się na strukturalnej integralności tkanki - kompozycji kolagenu-proteoglikanu jako fazie stałej i wodzie oraz rozpuszczeniu w niej jonów jako fazy ciekłej. Z obciążenia ciśnienie hydrostatyczne chrząstki stawowej wynosi około 1-2 atm. To ciśnienie hydrostatyczne może wzrosnąć in vivo do 100-200 atm. W milisekundach podczas stania i do 40-50 atm podczas chodzenia. Badania in vitro wykazały, że ciśnienie hydrostatyczne 50-150 atm (fizjologicznego), na krótki okres czasu, prowadzi do umiarkowanego wzrostu chrząstki anabolizm przez 2 godziny - prowadzi do utraty chrząstki cieczy, nie powodując żadnych innych zmian. Pozostaje pytanie, jak szybko chondrocyty reagują in vivo na ten rodzaj ładunku.

Indukowana redukcja hydratacji z późniejszym wzrostem stężenia proteoglikanów prowadzi do przyciągania dodatnio naładowanych jonów, takich jak H ⁺ i Na ⁺. Prowadzi to do zmiany całkowitej składu jonów i pH ECM oraz chondrocytów. Długotrwałe obciążenie indukuje spadek pH i równoczesny spadek syntezy proteoglikanów przez chondrocyty. Być może wpływ zewnątrzkomórkowego środowiska jonowego na procesy syntetyczne jest częściowo związany z jego wpływem na skład ECM. Nowo zsyntetyzowane cząsteczki agrekanu w słabo kwaśnym środowisku później niż w normalnych warunkach dojrzewają do postaci zagregowanych. Jest prawdopodobne, że spadek pH wokół chondrocytów (na przykład podczas obciążenia) pozwala większej liczbie nowo syntetyzowanych cząsteczek agrekanu dotrzeć do macierzy międzyterytorialnej.

Po usunięciu obciążenia woda powraca z jamy maziowej, przenosząc składniki odżywcze do komórek. Chrząstka dotknięte chorobą zwyrodnieniową stawów, proteoglikanu stężenie obniża się, a zatem podczas ładowania ruchy wody nie tylko pionowo jamy maziowej, ale również w innych kierunkach, w ten sposób zmniejszając chondrocytów mocy.

Unieruchomienie lub małe obciążenie prowadzi do znacznego spadku w procesach syntezy treści chrząstka proteoglikanów, a jednocześnie wzrost obciążenia dynamiczne prowadzi do skromnego syntezy wzrost proteoglikanów i zawartości .. Intensywnych ćwiczeń (20km dziennie przez 15 tygodni) u psów spowodowało zmianę zawartości proteoglikanów w szczególności gwałtowny spadek ich stężenia w strefie powierzchniowej. Nastąpiło pewne odwracalne zmiękczenie chrząstki i przebudowa kości podchrzęstnej. Jednak duże obciążenie statyczne spowodowało uszkodzenie chrząstki i następującą degenerację. Ponadto utrata Aggrecan ECM powoduje nieprawidłowe zmiany charakterystyczne dla zwyrodnienia stawów. Utrata agrekanu powoduje przyciąganie wody i obrzęk pozostałej niewielkiej ilości proteoglikanów. To rozpuszczenie agrekanu pomaga zmniejszyć gęstość miejscowego stałego ładunku i ostatecznie prowadzi do zmiany osmolarności.