Osteoartritída: ako sú usporiadané kĺbové chrupavky?

Normálna kĺbová chrupavka vykonáva dve hlavné funkcie: absorbovanie tlaku deformáciou počas mechanického namáhania a zabezpečenie plynulosti kĺbových povrchov, čo umožňuje minimalizovať trenie pri pohybe v kĺbe. To je zabezpečené jedinečnou štruktúrou kĺbovej chrupavky, ktorá pozostáva z chondroití ponorenej do extracelulárnej matrice (ECM).

Normálna kĺbová chrupavka dospelého človeka môže byť rozdelená na niekoľko vrstiev alebo zón: povrchovú alebo tangenciálnu zónu, prechodovú zónu, hlbokú alebo radiálnu zónu a kalcifikovanú zónu. Vrstva medzi povrchovými a prechodovými zónami a najmä medzi prechodovými a hlbokými zónami nemá jasné hranice. Spojenie medzi nekalcifikovanou a kalcifikovanou artikulárnou chrupavkou sa nazýva "zvlnená hranica" - to je čiarka určená farbením odvápneného tkaniva. Kalcifikovaná zóna chrupavky je relatívne konštantná časť (6 - 8%) z celkovej výšky kaspie. Celková hrúbka kĺbovej chrupavky vrátane zóny kalcifikovanej chrupavky sa líši v závislosti od zaťaženia na určitej ploche povrchu kĺbu a typu kĺbu. Prerušovaný hydrostatický tlak v subchondrálnej kosti zohráva dôležitú úlohu pri udržiavaní normálnej štruktúry chrupavky, čo spomaľuje osifikáciu.

Chondrocyty tvoria približne 2-3% z celkovej hmotnosti tkaniva; v povrchovej (tangenciálnej) zóne sú umiestnené pozdĺžne a v hlbokej (radiálnej) zóne - kolmo na povrch chrupavky; v prechodovej zóne tvoria chondrocyty skupiny 2 až 4 buniek rozptýlených v matrici. V závislosti od oblasti kĺbovej chrupavky sa mení hustota umiestnenia chondrocytov - najvyššia hustota buniek v povrchovej zóne, najnižšia v kalcifikovanej. Navyše hustota distribúcie buniek sa mení od kĺbu k kĺbu, je nepriamo úmerná hrúbke chrupavky a zaťaženiu, ktoré prežíva jej zodpovedajúce miesto.

Najviac povrchovo umiestnené chondrocyty sú v tvare disku a tvoria v tangenciálnej zóne niekoľko vrstiev buniek umiestnených pod úzkym pásikom matrice; Hlboko umiestnené bunky tejto zóny majú tendenciu mať viac nerovných obrysov. V prechodovej zóne majú chondrocyty sférický tvar, niekedy sa spájajú do malých skupín rozptýlených v matrici. Chondrocyty hlbokej zóny majú prevažne elipsoidný tvar, zoskupené do radiálne usporiadaných reťazcov 2-6 buniek. V kalcifikovanej zóne sú rozdelené ešte šetrnejšie; niektoré z nich sú nekrotické, hoci väčšina z nich je životaschopná. Bunky sú obklopené nekalcifikovanou matricou, medzibunkový priestor je kalcinovaný.

Ľudská artikulárna chrupavka teda pozostáva z hydratovanej molekuly ECM a buniek ponorených do nej, ktoré tvoria 2-3% celkového objemu tkaniva. Keďže chrupavkové tkanivo nemá krvné a lymfatické cievy, interakcia medzi bunkami, dodávanie živín k nim a odstránenie metabolických produktov sa uskutočňuje difúziou prostredníctvom ECM. Napriek skutočnosti, že metabolické chondrocyty sú veľmi aktívne, nerobia sa u dospelých. Chondrocyty existujú v bezkyslíkovom prostredí a veria, že ich metabolizmus sa vykonáva prevažne anaeróbne.

Každý chondrocyt sa považuje za samostatnú metabolickú jednotku chrupavky, ktorá je izolovaná zo susedných buniek, ale je zodpovedná za produkciu prvkov VKM v bezprostrednej blízkosti danej bunky a zachovanie jej zloženia.

Vo VKM sa rozlišujú tri oddelenia, z ktorých každá má jedinečnú morfologickú štruktúru a určitú biochemickú kompozíciu. VCR priamo susedí kbazalnoy chondrocytov membrána, ktorá sa nazýva pericelulárních, ililakunarnym, matice. Je charakterizovaná interakcia bunka vysokým obsahom súvisiace s kyselinou hyalurónovou proteoglykanu agregátov s CD44-like receptory, a relatívny nedostatok organizovaných kolagénových fibríl. Priamo v kontakte s pericelulárních matice územnú alebo kapsulárny, matricu, ktorá sa skladá zo siete pretínajúcich fibrilárnych kolagénov, ktoré zapuzdruje jednotlivé bunky, alebo (niekedy) skupina buniek tvoriacich hondron, a je pravdepodobné, že poskytuje osobitnú mechanickú podporu pre bunky. Kontakt chondrocytov matica s kapsulárny dosiahnuté početnými cytoplasmatickými výbežky bohatých na mikrovlákien a špecifickými molekulami matrice, ako je napríklad CD44-ankorin a podobnými receptory. Najväčší a vzdialený od základnej membrány ECM oddelí chondrocytov - územiami matrice obsahujúce najväčší počet kolagénových fibríl a proteoglykánmi.

Rozdelenie ECM na oddelenia je jasnejšie vymedzené v kĺbovej chrupavke dospelého človeka ako u nezrelých kĺbových chrupaviek. Relatívna veľkosť každého oddelenia sa líši nielen v rôznych kĺboch, ale aj v rámci tej istej chrupavky. Každý chondrocyt vytvára matricu, ktorá ho obklopuje. Súbor štúdie zrelý chondrocytov z chrupavky vykonáva aktívny metabolickú kontrolu nad ich pericelulárních a územnej matríc sú menej aktívne kontrola územiami matice, ktorá môže byť metabolicky "inertný".

Ako bolo uvedené vyššie, kĺbová chrupavka pozostáva hlavne z obrovskej VKM, syntetizovanej a regulovanej chondrocytmi. Tkanivové makromolekuly a ich koncentrácia sa počas života mení v súlade s meniacimi sa funkčnými potrebami. Avšak zostáva nejasné: bunky syntetizujú celú matrici v rovnakom čase alebo v určitej fáze v súlade s fyziologickými potrebami. Koncentrácia makromolekúl, metabolickej rovnováhy medzi nimi definujú vzťahy a interakcie biochemické vlastnosti, a tým aj funkciu kĺbovej chrupavky vnútri kĺbu. Hlavnou zložkou VCR dospelého kĺbovej chrupavky je voda (65 až 70% z celkovej hmotnosti), ktorý je pevne v nej spojený pomocou špeciálnych fyzikálnych vlastností makromolekúl chrupavkového tkaniva obsahujúcich kolagény, proteoglykánmi a non-kolagénne glykoproteíny.

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

Biochemické zloženie chrupavky

Kolagénové vlákna pozostávajú z molekúl kolagénového vláknitého proteínu. U cicavcov predstavuje podiel kolagénu jednu štvrtinu všetkých bielkovín v tele. Kolagén tvorí fibrilárne prvky (kolagénové vlákna), pozostávajúce zo štrukturálnych podjednotiek nazývaných tropocollagén. Tropocollagénová molekula má tri reťazce, ktoré tvoria trojitú skrutku. Takáto štruktúra tropocollagen molekuly, rovnako ako štruktúra kolagénových vlákien, keď sú tieto molekuly usporiadané paralelne v pozdĺžnom smere s konštantným posunom približne 1/4 dĺžky a zaisťujú vysokú pružnosť a pevnosť tkaniva, v ktorých sú umiestnené. V súčasnosti je známych 10 geneticky odlišných typov kolagénu, ktoré sa líšia v chemickej štruktúre a-reťazcov a / alebo v ich zhromažďovaní v molekule. Najčastejšie študované prvé štyri typy kolagénu sú schopné tvoriť až 10 molekulárnych izoforiem.

Kolagénové vlákna sú súčasťou extracelulárneho priestoru väčšiny typov spojivového tkaniva vrátane chrupavkového tkaniva. V rámci trojrozmernej siete nerozpustných kolagénových fibríl pretínajúca "zapletená" iné ďalšie rozpustné látky, ako sú proteoglykánmi, glykoproteíny a proteíny, tkanivovo špecifických; niekedy sú kovalentne viazané na kolagénové prvky.

Kolagénové molekuly organizované vo vláknach tvoria približne 50% organických suchých zvyškov chrupavky (10-20% natívnej chrupky). V zrelom chrupavky, asi 90% kolagénu zahŕňajú kolagén typu II, ktoré vykazujú len v určitých tkanivách (napr., Sklovca, embryonálny miechy). Kolagén typu II sa týka prvotriednych (tvoriacich vlákna) molekúl kolagénu. Okrem toho sa nachádza v dospelých kĺbových chrupavkách človeka kolagén IX, typ XI a v malom počte typu VI. Relatívne množstvo kolagénu typu IX kolagénových fibríl sa znižuje z 15% fetálnym chrupavky do asi 1% dospelých chrupavky dobytka.

Molekuly typu kolagénu I pozostávajú z troch identických polypeptidových a (II) reťazcov, ktoré sú syntetizované a vylučované vo forme preklazora prekollagénu. Akonáhle sa hotové molekuly kolagénu uvoľnia do extracelulárneho priestoru, vytvárajú vlákna. Zrelý kĺbovej chrupavky typu II kolagénu fibrilárna forma pasáž, v ktorej A "silné" molekuly sa nachádza v hlbších vrstiev tkaniva, a "tenký" - vodorovne v povrchových vrstvách.

V prokolagénovom géne typu II sa našiel exón kódujúci N-terminálny propeptid bohatý na cysteín. Tento exón nie je exprimovaný v zrelých chrupavkách, ale v počiatočných štádiách vývoja (prechondrogenéza). Vzhľadom na prítomnosť tohto exónu molekula typu prokolagén II (typ II A) je dlhšia ako kolagén typu II. Pravdepodobne expresia tohto typu prokolagénu inhibuje akumuláciu prvkov v ECM kĺbovej chrupavky. Môže hrať úlohu vo vývoji patológie chrupavky (napríklad nedostatočná reparačná odpoveď, tvorba osteofytov atď.).

Sieť kolagénových vlákien typu II poskytuje funkciu pevnosti v ťahu a je potrebná na udržanie objemu a tvaru tkaniva. Táto funkcia je zosilnená kovalentným a zosieťovaním molekúl kolagénu. Vo VKM lysiloxidázový enzým tvorí aldehyd z hydroxylizínu, ktorý sa potom premení na viacmocný aminokyselinový hydroxylisylpyridinolín, ktorý vytvára priečne väzby medzi reťazcami. Na jednej strane koncentrácia tejto aminokyseliny stúpa s vekom, avšak v zrelých chrupavkách sa prakticky nemení. Na druhej strane v kĺbovej chrupke sa s vekom pozoruje nárast koncentrácie krížových väzieb rôznych typov, vytvorených bez účasti enzýmov.

Približne 10% z celkového kolagénu chrupavky sú filmom malé kolagény, ktoré do značnej miery určujú unikátnu vlastnosť tejto tkaniny. Kolagén typu IX patrí do triedy molekúl III korotkospiralnyh a jedinečné skupiny FACIT kolagénu (fibríl-združené kolagénu s prerušovaným Triple -helices - fibrily spojené s kolagénom s prerušeným trojitej špirály). Skladá sa z troch geneticky odlišných reťazcov. Jeden z nich - ₂ -řetězec - glykozylovaný súčasne s chondroitín sulfát, čo činí molekulu v rovnakom časovom proteoglykanu. Medzi segmenty skrutkovice kolagénu typu IX kolagénu a typu II vykazujú ako dospelých i nedospelých gidroksipiridinovye zosieťovania. Kolagén IX sa môže tiež fungovať ako intermolekulární-interfibrillyarny "konektor" (alebo most) medzi susednými kolagénových fibríl. IX kolagénové molekuly tvoriť priečne väzby medzi sebou, čo zvyšuje mechanickú stabilitu trojrozmerného fibrilárního siete a chráni ju pred pôsobením enzýmov. Poskytujú tiež odolnosť voči deformácii, čo obmedzuje napúčanie proteoglykánov umiestnených vnútri siete. Tiež aniónové CS-reťazec IX kolagénu molekula obsahuje katiónový doménu informujúci fibríl veľký náboj a tendenciu interagovať s inými makromolekúl matrice.

Typ kolagénu XI je iba 2-3% z celkovej hmotnosti kolagénov. Patrí do prvej triedy (tvorba vlákien) kolagénov a pozostáva z troch rôznych a-reťazcov. Spolu s kolagénom typu II a IX, kolagén typu X tvorí heterotické vlákna kĺbovej chrupavky. Molekuly typu kolagénu XI sa nachádzajú vo vnútri kolagénových vlákien typu II pomocou imunoelektromikroskopie. Možno organizujú molekuly kolagénu typu II, kontrolujú bočný rast vlákien a určujú priemer heterotypickej kolagénovej fibrily. Okrem toho sa kolagén XI podieľa na tvorbe krížových väzieb, ale aj v zrelých chrupavkách zostávajú priečne väzby vo forme nezrelých dvojmocných ketoamínov.

Malé množstvo kolagénu typu VI, ďalšieho zástupcu triedy III molekúl s krátkym rozpätím, sa našlo v kĺbovej chrupavke. Kolagén typu VI tvorí rôzne mikrofibrily a je možné, že je koncentrovaný v kapsulárnej matrici chondrónu.

Proteoglykány sú proteíny, ku ktorým je kovalentne pripojený aspoň jeden glykozaminoglykánový reťazec. Proteoglykány patria k jednej z najzložitejších biologických makromolekúl. Najrozsiahlejšie proteoglykány sú prítomné v chrupke VKM. "Zapuzdrené" vnútri siete kolagénových vlákien, hydrofilné proteoglykány plnia svoju hlavnú funkciu - informujú chrupavku o schopnosti reverzibilne deformovať. Predpokladá sa, že proteoglykány vykonávajú rad ďalších funkcií, ktorých podstata nie je úplne jasná.

Aggrecan je hlavným proteoglykanom kĺbovej chrupavky: je to asi 90% z celkovej hmotnosti proteoglykánov v tkanive. Jeho jadrový proteín s molekulovou hmotnosťou 230 kD je glykozylovaný množstvom kovalentne viazaných glykozaminoglykánových reťazcov, ako aj N-koncových a C-koncových oligosacharidov.

Glykosaminoglykán reťazec kĺbovej chrupavky, ktoré tvoria asi 90% z celkovej hmotnosti makromolekúl - keratansulfát (reprezentujúcich sekvenciu sulfatovaný disacharid N-atsetilglyukozamingalaktoza viac sulfátované častí a ďalších monosacharidových zvyškov, ako je kyselina sialovej) a chondroitín sulfát (reprezentujúcich sekvenciu z disacharid N-acetylgalaktozamín, kyselina glukurónová, sulfátu, každý je pripojený na štvrtú alebo šiestom atóme uhlíka N-atsetilg laktosamin).

Agrekanu core proteín obsahuje tri globulárne (G1, G2, G3) h interglobular dva (E1 a E2) domény. N-koncová časť obsahuje G, - a G2- domény oddelené E1 dĺžku segmentu 21 nm. C3-doména sa nachádza na C-konci, oddelené od G ₂ dlhší (asi 260 nm), E2 segmentu, ktorý nesie viac než 100 chondroitinsulfát reťazca o 15 až 25 keratansulfát reťaze a O-viazaných oligosacharidov. N-viazané oligosacharidy vyskytuje prevažne v G1 a C2 domény a E1-segmentu, tak aj v blízkosti G ₃ -regiona. Glykozaminoglykány sú zoskupené do dvoch oblastí: najviac rozšírený (tzv oblasti bohatej na chondroitín sulfátu) reťazec obsahuje chondroitín sulfátu a asi 50% keratansulfát reťazcov. Oblasť bohatá na keratan sulfátov, lokalizované na E ₂ -segmente u G1-domény predchádza oblasť bohatú na chondroitín sulfáty. Agrekanu molekuly obsahujú tiež estery kyseliny fosforečnej, lokalizované prevažne na xylosových zvyškov, ktoré chondroitín sulfát reťazce sú pripojené k jadrovému proteínu; nachádzajú sa tiež na serínových zvyškoch základného proteínu.

C-terminálny segment C ₃ domén vysokogomologichen lektínu, čím môže byť proteoglykanu molekuly zaznamenané v ECM prostredníctvom väzby s určitými uhľovodíkové štruktúry.

Nedávne štúdie zistila exón kódujúci podobné EGF (epidermálny rastový faktor), subdoménu vnútri G ₃. Pomocou anti-EGF polyklonálnych protilátok bol epitop podobný EGF lokalizovaný v peptide s veľkosťou 68 kD v agregáte ľudskej kĺbovej chrupavky. Jeho funkcie však vyžadujú objasnenie. Táto subdoména sa nachádza tiež v štruktúre adhéznych molekúl riadiacich migráciu lymfocytov. Len asi tretina z agrekanu molekúl izolovanej zo zrelej ľudskej kĺbovej chrupavky obsahujú intaktné C ₃ domény; pravdepodobne je to spôsobené tým, že molekuly aggrekánu v molekule ECM môžu byť redukované enzýmovou cestou. Ďalší priebeh a funkcia fragmentov nie je známy.

Hlavné funkčné segment je agrekanu molekula glikozaminoglikannesuschy E ₂ -segment. Miesto, bohaté na keratan sulfáty, obsahuje aminokyseliny prolín, serín a treonín. Väčšina serínové a threoninové zvyšky O-glykozylované N-atsetilgalaktozaminovymi zvyšky, spúšťajú syntézu určitých oligosacharidov, ktoré sú zakotvené v keratansulfát reťazci, a tým je predĺženie. Zvyšok E ₂ -segmenta obsahuje viac ako 100 sekvencií serín-glycín, v ktorom rad poskytuje ksilozilnym pripevnenie na zvyšky na začiatku chondroitín sulfátu reťazcov. Typicky a chondroitín-6-sulfátu a chondroitín-4-sulfát existujú súčasne v rovnakých proteoglykanu molekuly pomer sa mení v závislosti na lokalizácii chrupavky a veku osoby.

Štruktúra agregánových molekúl v matrici kĺbovej chrupavky človeka prechádza mnohými zmenami v procese dozrievania a starnutia. Zmeny súvisiace so starnutím zahŕňajú pokles hydrodynamickej veľkosti v dôsledku zmien priemernej dĺžky reťazca chondroitín sulfátov, nárastu počtu a dĺžky keratansulfátových reťazcov. Množstvo zmien v molekule aggrekánu tiež podlieha účinku proteolytických enzýmov (napr. Agreganázy a stromelyzínu) na jadrovom proteíne. To vedie k progresívnemu poklesu priemernej dĺžky jadra proteínu agregánových molekúl.

Aggrecanové molekuly sú syntetizované chondrocytmi a sekretované v ECM, kde tvoria agregáty stabilizované molekulami väzbových proteínov. Táto agregácia zahŕňa vysoko špecifické nekovalentné a kooperačné interakcie medzi filamentom kyseliny glukurónovej a takmer 200 molekulami aggrekanov a väzobných proteínov. Glukurónovej kyseliny - extracelulárnej nesulfatovaného glykosaminoglykán lineárny vysokomolekulárne hmota sa skladá z väčšieho počtu molekúl súvisiacich sekvenčne atsetilglyu-N-kozamina a kyselinou glukurónovou. Spojené slučky domény G1 aggrekánu sa reverzibilne vzájomne ovplyvňujú piatimi postupne usporiadanými disacharidmi kyseliny hyalurónovej. Väzbový proteín, ktorý obsahuje podobné (vysoko homológne) párované slučky, interaguje s doménou C1 a molekulou kyseliny hyalurónovej a stabilizuje štruktúru agregátu. Komplex viažuci proteín kyseliny viažucej sa na kyselinu hyalurónovú s C1 doménou tvorí vysoko stabilnú interakciu, ktorá chráni G1 doménu a väzbový proteín pred pôsobením proteolytických enzýmov. Boli identifikované dve molekuly väzbového proteínu s molekulovou hmotnosťou 40-50 kD; vzájomne sa líšia v stupni glykozylácie. Iba jedna molekula väzbového proteínu je prítomná v mieste viazania hyalurónovej kyseliny a aggrekánu. Tretia, menšia molekula väzbového proteínu je vytvorená z väčších proteínov proteolytickým štiepením.

Asi 200 molekúl agreganu sa môže viazať na jednu molekulu kyseliny hyalurónovej za vzniku agregátu s dĺžkou 8 μm. Matrica bunky spojené sa skladá z pericelulárních a celky agregátov udržať svoj vzťah s bunkami väzbou (cez vlákna kyseliny hyalurónovej) s SD44 podobného receptorov na bunkovej membráne.

Tvorba agregátov v ECM je zložitý proces. Novo syntetizované molekuly aggrekánu neprejavujú schopnosť viazať sa na kyselinu hyalurónovú. To môže slúžiť ako regulačný mechanizmus umožňujúci novým syntetizovaným molekulám dosiahnuť interteritoriálnu zónu matrice pred tým, ako sa imobilizuje na veľké agregáty. Počet novo syntetizovaných molekúl aggrekánu a väzbových proteínov schopných tvoriť agregáty interakciou s kyselinou hyalurónovou sa s vekom podstatne znižuje. Navyše, s vekom je veľkosť agregátov izolovaných z kĺbovej chrupavky človeka výrazne znížená. To je čiastočne spôsobené znížením priemernej dĺžky molekúl molekúl kyseliny hyalurónovej a aggrekánu.

V kĺbovej chrupke existujú dva typy agregátov. Priemerná veľkosť agregátov prvého typu je 60 S, agregáty druhého typu (rýchlo sa vyzrážajúce "superagregáty") sú 120 S. Tento druh je charakterizovaný množstvom molekúl väzbového proteínu. Prítomnosť týchto superagregátov môže hrať dôležitú úlohu vo fungovaní tkaniva; počas obnovy tkaniva po imobilizácii končatiny v stredných vrstvách kĺbovej chrupavky sú ich vyššie koncentrácie v kĺbe ovplyvnené osteoartritídou v počiatočných štádiách ochorenia ich rozmery výrazne znížené.

Okrem aggrekánu obsahuje kĺbová chrupavka aj niekoľko menších proteoglykánov. Biglikan a dekorín, molekuly nesúce dermatan sulfáty majú molekulovú hmotnosť približne 100 a 70 kD; hmotnosť ich hlavného proteínu je približne 30 kD.

Kĺbovej chrupavky ľudského biglykan molekula obsahuje dva reťazce dermatan sulfát, vzhľadom k tomu, častejšie sa vyskytujúce dekorinu - iba jeden. Tieto molekuly sú len malou časťou proteoglykánov v kĺbovej chrupavky, aj keď môže byť tiež veľa, rovnako ako veľké agregáty proteoglykánov. Malé proteoglykánmi interakciu s inými makromolekúl v ECM, vrátane kolagénových fibríl, fibronektín, rastové faktory a iné. Dekorinu pôvodne lokalizovaný na povrchu kolagénových fibríl a inhibuje kolagénu fibrillogenesis. Rod pevne udržal proteín s doménou bunky viažuci fibronektínu, teda pravdepodobne inhibuje väzbu druhej na povrchové bunkové receptory (integríny). Vzhľadom k tomu, že ako dekorinu a biglykan viažu na fibronektín a inhibovať adhéziu a migráciu buniek, rovnako ako tvorbu trombu, ktoré sú schopné inhibovať proces opravy tkaniva.

Fibromodulín kĺbovej chrupavky je proteoglykán s molekulovou hmotnosťou 50-65 kD, spojený s kolagénovými vláknami. Jeho jadro proteín, homológny s jadrovými proteínmi dekorácie a bigakany, obsahuje veľké množstvo zvyškov tyrosín-sulfátu. Táto glykozylovaná forma fibromodulínu (predtým nazývaná 59 kD matricový proteín) sa môže podieľať na regulácii tvorby a udržiavania štruktúry kolagénových fibríl. Fibromodulín a dekorín sú umiestnené na povrchu kolagénových vlákien. Ako už bolo uvedené vyššie, zvýšenie priemeru vlákien má predchádzať selektívne odstránenie týchto proteoglykánov (rovnako ako molekúl kolagénu typu IX).

Kostná chrupavka obsahuje množstvo proteínov vo VKM, ktoré nepatria ani do proteoglykánov, ani do kolagénov. Spolupracujú s inými makromolekulami, aby vytvorili sieť, v ktorej sú začlenené väčšiny molekúl VKM.

Anchorín, proteín s hmotnosťou 34 kD, je lokalizovaný na povrchu chondrocytov a v bunkovej membráne, sprostredkováva interakciu medzi bunkou a matricou. Vzhľadom na svoju vysokú afinitu ku kolagénu typu II môže pôsobiť ako mechanoreceptor, ktorý prenáša signál o zmenenom tlaku na vlákien chondrocytu.

Fibronektín je zložka väčšiny chrupavkových tkanív, trochu odlišná od fibronektínu v krvnej plazme. Predpokladá sa, že fibronektín podporuje integráciu matrice interakciou s bunkovými membránami a inými matricovými zložkami, ako je kolagén typu II a trombospondín. Fragmenty fibronektínu negatívne ovplyvňujú metabolizmus chondrocytov - inhibujú syntézu agreganu, stimulujú katabolické procesy. V kĺbovej tekutine pacientov s osteoartrózou sa zistila vysoká koncentrácia fibronektínových fragmentov, takže sa môžu zúčastniť na patogenéze ochorenia v neskorších štádiách. Pravdepodobne majú tie isté účinky fragmenty iných matricových molekúl, ktoré sa viažu na chondrocytové receptory.

Chrupavka oligomérne matricový proteín (OMPH) - trombospondin nadčeľade člen je pentamer piatich identických podjednotiek s molekulovou hmotnosťou asi 83 kD. Nachádzajú sa vo veľkých počtoch v kĺbovej chrupavke, najmä vo vrstve proliferujúcich buniek v rastúcom tkanive. Preto sa pravdepodobne OMPCH zúčastňuje regulácie bunkového rastu. V oveľa nižšej koncentrácii sa nachádzajú v ECM zrelých kĺbových chrupaviek. Matrixové proteíny sú tiež označované ako:

• základný matricový proteín (36 kD), ktorý má vysokú afinitu k chondrocytom, môže sprostredkovať interakciu buniek v ECM, napríklad počas remodelácie tkaniva;
• GP-39 (39 kD) sa exprimuje v povrchovej vrstve kĺbovej chrupavky a v synoviálnej membráne (jej funkcie nie sú známe);
• 21 kD proteín sa syntetizuje hypertrofovanými chondrocytmi, interaguje s kolagénom typu X, môže fungovať v zóne "vlnovej čiary".

Okrem toho je zrejmé, že chondrocyty exprimujú neglykozylovaným forme malých nesúhrnnej proteoglykánov v určitých fázach vývoja chrupavky a v patologických stavov, ale ich konkrétne funkcie je v súčasnej dobe študovaná.

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

Funkčné vlastnosti chrupavky kĺbu

Molekuly agkrekánu poskytujú kĺbovej chrupavke schopnosť podstúpiť reverzibilnú deformáciu. Ukazujú špecifické interakcie v rámci extracelulárneho priestoru a nepochybne zohrávajú dôležitú úlohu v organizácii, štruktúre a funkcii ECM. V molekulách agregánu v chrupavkovom tkanive dosahujú koncentrácie 100 mg / ml. V chrupke sú Aggreganove molekuly stlačené na 20% objemu, ktorý obsadzujú v roztoku. Trojrozmerná sieť tvorená kolagénovými vláknami informuje tkanivo o svojom charakteristickom tvare a zabraňuje zvýšeniu objemu proteoglykánov. Vnútri kolagénovej siete nesú imobilné proteoglykány veľký negatívny elektrický náboj (obsahujú veľké množstvo aniónových skupín), ktorý umožňuje interakciu s mobilnými katiónovými skupinami intersticiálnej tekutiny. Pri interakcii s vodou poskytujú proteoglykány takzvaný napučiavací tlak, ktorý je potlačovaný sieťou kolagénu.

Prítomnosť vody v ECM je veľmi dôležitá. Voda určuje objem tkaniva; spojené s proteoglykánmi, poskytuje odolnosť proti stlačeniu. Okrem toho voda zabezpečuje transport molekúl a difúziu v ECM. Vysoká hustota záporného náboja na veľkých proteoglykánoch fixovaných v tkanive vytvára "vylúčený objemový efekt". Veľkosť pórov intrakondenzovaného roztoku proteoglykánov je taká malá, že difúzia veľkých globulárnych proteínov do tkaniva je prísne obmedzená. VKM odpudzuje malé negatívne nabité (napr. Chloridové ióny) a veľké (ako sú albumíny a imunoglobulíny) proteíny. Veľkosť buniek v hustom sieti kolagénových vlákien a proteoglykánov je komenzovateľná len s rozmermi niektorých anorganických molekúl (napríklad sodíka a draslíka, ale nie vápnika).

Vo VKM je prítomné určité množstvo vody v kolagénových vláknach. Fyzikálno-chemické a biomechanické vlastnosti chrupavky určujú extrafibrilový priestor. Obsah vody vo fibrilárnom priestore závisí od koncentrácie proteoglykánov v extrafibrilárnom priestore a zvyšuje sa so znížením koncentrácie týchto vlákien.

Pevný negatívny náboj na proteoglykánoch určuje iónovú kompozíciu extracelulárneho média obsahujúceho voľné katióny vo vysokej koncentrácii a voľné anióny v nízkej koncentrácii. Pretože koncentrácia aggrekanových molekúl stúpa z povrchu do hlbokej zóny chrupky, mení sa iónové prostredie tkaniva. Koncentrácia anorganických iónov v ECM vytvára vysoký osmotický tlak.

Chrupavky vlastnosti ako materiál závisí na interakciu kolagénových fibríl, proteoglykánov a kvapalnej fázy tkaniva. Štrukturálne a kompozičný zmeny v dôsledku nesúladu medzi syntetické a katabolických procesov a degradácie makromolekúl podľa fyzického zranenia, významne ovplyvniť materiálové vlastnosti chrupavky a meniť jeho funkciu. Vzhľadom k tomu, koncentrácia a distribúcia makro molekulárnej organizácie proteoglykánov a kolagénu sa líšia v závislosti od hĺbky chrupavky zóny meniť biomechanické vlastnosti každej zóny. Napríklad, povrchová plocha s vysokou koncentráciou kolagénových fibríl, umiestnených tangenciálne vzhľadom na nízku koncentráciu proteoglykánov bola najvýraznejšia proti preťahovanie vlastnosti, rozdelenie zaťaženia rovnomerne po povrchu tkaniva. V prechodových oblastiach a hlboké vysoká koncentrácia proteoglykánov správ tkanivo vlastnosť kompresie prenosu zaťaženia. Na úrovni "vlnoviek" vlastnosti chrupky materiál prudko meniť od poddajného nekaltsifitsirovannoy zóny do tvrdej mineralizované chrupavky. V oblasti "zvlnené línie" je sila tkaniva zabezpečená sieťou kolagénu. Chrupavé vlákna neprechádzajú cez chrupavé časti; vo zlúčenine sily osteochondrální tkaniva je opatrený špeciálnymi obrysy hranice medzi oblasťou nekaltsifitsirovannogo a kalcifikované chrupavky vo forme prstových výrastky nepravidelné, čo "zatvára" dve vrstvy a zabraňuje ich oddelenie. Calcified chrupavka je menej hustý ako subchondrálnej kosti, takže vykonáva funkciu medziľahlé vrstvy, ktorá zmäkčuje tlakové zaťaženie na chrupavky a subchondrálnej kosti vysiela.

Počas záťaže dochádza k komplexnej distribúcii troch síl - strečing, strih a kompresia. Kĺbová matrica sa deformuje v dôsledku vylúčenia vody (rovnako ako metabolických produktov buniek) zo zóny zaťaženia, zvyšuje sa koncentrácia iónov v intersticiálnej tekutine. Pohyb vody priamo závisí od trvania a sily aplikovaného zaťaženia a je oneskorený záporným nábojom proteoglykánov. V čase proteoglykánmi tkanivo deformácia viac tesne tlačené vzájomne proti sebe, čím sa účinne zvýši negatívne hustotu náboja a intermolekulární odpudivé záporný náboj sily opäť zvýšiť odolnosť proti ďalšiemu deformácii tkaniny. V konečnom dôsledku deformácie dosiahne rovnováhy, vyznačujúci sa tým, že vonkajšie sily sú symetrické odporové vnútorné zaťaženie sily, - tlak napúčanie (interakcia s iónmi proteoglykánov) a mechanické namáhanie (interakcia proteoglykánmi a kolagény). Keď sa záťaž vylúči, chrupavkové tkanivo získa svoj pôvodný tvar nasávaním vody spolu s živinami. Počiatočná (predbežná) forma tkaniva sa dosiahne, ak je napučiavací tlak proteoglykánov vyvážený odolnosťou kolagénovej siete voči jej rozšíreniu.

Biomechanické vlastnosti kĺbovej chrupky sú založené na štrukturálne integrity tkaniny - kolagénom proteoglykánov prípravku v pevnej fáze a vodu a ióny rozpustené vo forme kvapalnej fázy. Je hydrostatický tlak zaťaženie kĺbovej chrupavky je cca 1-2 atm. Tento hydrostatický tlak sa môže zvýšiť in vivo na 100 až 200 atm. V milisekundách počas státia a až do 40-50 atm počas chôdze. Štúdie in vitro ukázali, že hydrostatický tlak 50-150 atm (fyziologický) na krátku dobu, vedie k miernemu nárastu chrupavky anabolizmus, po dobu 2 hodín - vedie k strate kvapaliny chrupavky, ale nespôsobuje žiadne ďalšie zmeny. Otázkou zostáva, ako rýchlo reagovať chondrocyty in vivo pre tento druh nákladu.

Indukované zníženie hydratácie s následným zvýšením koncentrácie proteoglykánov vedie k prilákaniu kladne nabitých iónov, ako sú napríklad H ⁺ a Na ⁺. To vedie k zmene celkovej iónovej kompozície a pH ECM a chondrocytov. Dlhodobé zaťaženie indukuje pokles pH a súčasné zníženie syntézy proteoglykánov chondrocytmi. Možno vplyv extracelulárneho iónového prostredia na syntetické procesy čiastočne súvisí aj s jeho účinkom na zloženie ECM. Novo syntetizované molekuly aggrekánu v slabo kyslom prostredí neskôr než za normálnych podmienok dozrievajú do agregovaných foriem. Je pravdepodobné, že zníženie pH okolo chondrocytov (napríklad počas záťaže) umožňuje, aby sa do interteritoriálnej matice dostali viac novo syntetizovaných agregánových molekúl.

Keď sa záťaž vylúči, voda sa vracia zo synoviálnej dutiny a nesie živiny pre bunky. Chrupavka postihnutých s osteoartritídou, proteoglykánmi koncentrácia sa znižuje, a preto, pri zaťažení vodou sa pohybuje nielen vertikálne v synoviálnej dutine, ale aj v iných smeroch, čím sa zníži energie chondrocyty.

Imobilizácia alebo malé zaťaženie vedie k výraznému poklesu v syntetických procesov obsahu chrupavky proteoglykanu a, zatiaľ čo zvýšenie dynamické zaťaženie vedie k miernemu syntézy zvýšeniu proteoglykanu a obsahu .. Intenzívne cvičenie (20km denne po dobu 15 týždňov) u psov došlo k zmene v obsahu proteoglykánov najmä prudké zníženie ich koncentrácie v povrchovej zóne. Vyskytlo sa reverzibilné zmäkčenie chrupavky a remodelácia subchondrálnej kosti. Veľké statické zaťaženie však spôsobilo poškodenie chrupavky a následnú degeneráciu. Okrem toho strata Aggrecan ECM iniciuje abnormálne zmeny charakteristické pre osteoartrózu. Strata agrekánu vedie k prilákaniu vody a napučaniu zvyšného malého množstva proteoglykánov. Toto rozpustenie agrekánu pomáha znižovať hustotu miestneho pevného náboja a v konečnom dôsledku vedie k zmene osmolarity.