Osteoartritis: kako je organizirana zglobna hrskavica?

Normalna zglobna hrskavica obavlja dvije glavne funkcije: apsorpciju pritiska deformacijom tijekom mehaničkog opterećenja i osiguravanje glatkoće zglobnih površina, što omogućuje minimiziranje trenja tijekom pokreta zglobova. To je osigurano jedinstvenom strukturom zglobne hrskavice, koja se sastoji od hondroitina uronjenih u izvanstanični matriks (ECM).

Normalna odrasla zglobna hrskavica može se podijeliti u nekoliko slojeva ili zona: površinsku ili tangencijalnu zonu, prijelaznu zonu, duboku ili radijalnu zonu i kalcificiranu zonu. Sloj između površinske i prijelazne zone, a posebno između prijelazne i duboke zone, nema jasne granice. Spoj između nekalcificirane i kalcificirane zglobne hrskavice naziva se "valovita granica" - linija vidljiva pri bojenju dekalcificiranog tkiva. Kalcificirana zona hrskavice čini relativno konstantan udio (6-8%) ukupne visine poprečnog presjeka hrskavice. Ukupna debljina zglobne hrskavice, uključujući kalcificiranu hrskavičnu zonu, varira ovisno o opterećenju na određenom području zglobne površine i o vrsti zgloba. Povremeni hidrostatski tlak u subhondralnoj kosti igra važnu ulogu u održavanju normalne strukture hrskavice usporavanjem osifikacije.

Hondrociti čine otprilike 2-3% ukupne mase tkiva; u površinskoj (tangencijalnoj) zoni nalaze se uzduž, a u dubokoj (radijalnoj) zoni - okomito na površinu hrskavice; u prijelaznoj zoni, hondrociti tvore skupine od 2-4 stanice razasute po matriksu. Ovisno o zoni zglobne hrskavice, gustoća hondrocita varira - najveća gustoća stanica je u površinskoj zoni, najniža - u kalcificiranoj zoni. Osim toga, gustoća raspodjele stanica varira od zgloba do zgloba, obrnuto je proporcionalna debljini hrskavice i opterećenju koje doživljava odgovarajuće područje.

Najpovršinskiji smješteni hondrociti su diskoidni i tvore nekoliko slojeva stanica u tangencijalnoj zoni smještenoj ispod uskog pojasa matrice; dublje smještene stanice ove zone obično imaju neravnije konture. U prijelaznoj zoni hondrociti su sfernog oblika, ponekad se kombiniraju u male skupine razasute po matriksu. Hondrociti duboke zone pretežno su elipsoidnog oblika, grupirani u radijalno smještene lance od 2-6 stanica. U kalcificiranoj zoni raspoređeni su još rjeđe; neki od njih su nekrotični, iako je većina održiva. Stanice su okružene nekalcificiranim matriksom, međustanični prostor je kalcificiran.

Dakle, ljudska zglobna hrskavica sastoji se od hidratiziranog izvanceličnog matičnog tkiva (ECM) i stanica uronjenih u njega, koje čine 2-3% ukupnog volumena tkiva. Budući da hrskavično tkivo nema krvne ili limfne žile, interakcija između stanica, dostava hranjivih tvari do njih i uklanjanje metaboličkih produkata provode se difuzijom kroz ECM. Unatoč činjenici da su hondrociti metabolički vrlo aktivni, oni se kod odraslih normalno ne dijele. Hondrociti postoje u okruženju bez kisika, a vjeruje se da je njihov metabolizam pretežno anaeroban.

Svaki hondrocit se smatra zasebnom metaboličkom jedinicom hrskavice, izoliranom od susjednih stanica, ali odgovornom za proizvodnju ECM elemenata u neposrednoj blizini donirane stanice i održavanje njezina sastava.

ECM je podijeljen u tri dijela, svaki s jedinstvenom morfološkom strukturom i specifičnim biokemijskim sastavom. ECM neposredno uz bazalnu membranu hondrocita naziva se pericelularni ili lakunarni matriks. Karakterizira ga visok sadržaj agregata proteoglikana povezanih sa stanicom interakcijom hijaluronske kiseline s receptorima sličnim CD44 i relativna odsutnost organiziranih kolagenih fibrila. Neposredno uz pericelularni matriks nalazi se teritorijalni ili kapsularni matriks, koji se sastoji od mreže fibrilarnih kolagena koji se sijeku i enkapsuliraju pojedinačne stanice ili (ponekad) skupine stanica, tvoreći hondron i vjerojatno pruža specijaliziranu mehaničku potporu stanicama. Kontakt hondrocita s kapsularnim matriksom postiže se brojnim citoplazmatskim procesima bogatim mikrofilamentima, kao i specifičnim molekulama matrice kao što su ankorin i receptori slični CD44. Najveći i najudaljeniji dio ECM-a od bazalne membrane hondrocita je interteritorijalni matriks, koji sadrži najveći broj kolagenih fibrila i proteoglikana.

Podjela izvanzemaljskog matičnog tkiva (ECM) na odjeljke jasnije je definirana u odrasloj zglobnoj hrskavici nego u nezreloj zglobnoj hrskavici. Relativna veličina svakog odjeljka varira ne samo između zglobova, već čak i unutar iste hrskavice. Svaki hondrocit proizvodi matricu koja ga okružuje. Prema istraživanjima, hondrociti zrelog hrskavičnog tkiva vrše aktivnu metaboličku kontrolu nad svojim pericelularnim i teritorijalnim matricama, a vrše manje aktivnu kontrolu nad interteritorijalnom matricom, koja može biti metabolički „inertna“.

Kao što je ranije spomenuto, zglobna hrskavica uglavnom se sastoji od opsežnog izvanceličnog materijala (ECM) koji sintetiziraju i reguliraju hondrociti. Makromolekule tkiva i njihove koncentracije mijenjaju se tijekom života u skladu s promjenjivim funkcionalnim potrebama. Međutim, ostaje nejasno sintetiziraju li stanice cijelu matricu istovremeno ili u određenim fazama u skladu s fiziološkim potrebama. Koncentracija makromolekula, metabolička ravnoteža među njima, njihovi odnosi i interakcije određuju biokemijska svojstva i, prema tome, funkciju zglobne hrskavice unutar jednog zgloba. Glavna komponenta ECM-a odrasle zglobne hrskavice je voda (65-70% ukupne mase), koja je čvrsto vezana unutar nje zbog posebnih fizikalnih svojstava makromolekula hrskavičnog tkiva koje su dio kolagena, proteoglikana i nekolagenih glikoproteina.

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

Biokemijski sastav hrskavice

Kolagena vlakna sastoje se od molekula fibrilarnog proteina kolagena. Kod sisavaca kolagen čini četvrtinu svih proteina u tijelu. Kolagen tvori fibrilarne elemente (kolagene fibrile) koji se sastoje od strukturnih podjedinica nazvanih tropokolagen. Molekula tropokolagena ima tri lanca koji tvore trostruku spiralu. Ova struktura molekule tropokolagena, kao i struktura kolagenih vlakana, kada su te molekule smještene paralelno u uzdužnom smjeru s konstantnim pomakom od oko 1/4 duljine, pruža visoku elastičnost i čvrstoću tkivima u kojima se nalaze. Trenutno je poznato 10 genetski različitih vrsta kolagena, koje se razlikuju po kemijskoj strukturi α-lanaca i/ili njihovom skupu u molekuli. Najbolje proučene prve četiri vrste kolagena sposobne su formirati do 10 molekularnih izoformi.

Kolagene fibrile dio su izvanstaničnog prostora većine vezivnog tkiva, uključujući hrskavicu. Unutar netopljive trodimenzionalne mreže isprepletenih kolagenih fibrila nalaze se i druge topljivije komponente poput proteoglikana, glikoproteina i tkivno specifičnih proteina; one su ponekad kovalentno vezane za kolagene elemente.

Molekule kolagena organizirane u fibrile čine oko 50% organskog suhog ostatka hrskavice (10-20% nativne hrskavice). U zreloj hrskavici, oko 90% kolagena su kolageni tipa II, koji se nalaze samo u nekim tkivima (npr. staklasto tijelo, embrionalna dorzalna vrpca). Kolagen tipa II pripada molekulama kolagena klase I (koji stvaraju fibrile). Osim njega, zrela ljudska zglobna hrskavica sadrži i kolagene tipova IX, XI i malu količinu tipa VI. Relativna količina vlakana kolagena tipa IX u kolagenim fibrilima smanjuje se s 15% u fetalnoj hrskavici na oko 1% u zreloj goveđoj hrskavici.

Molekule kolagena tipa I sastoje se od tri identična polipeptidna α,(II)-lanca sintetiziranih i izlučenih kao prekursor prokolagena. Nakon što se gotove molekule kolagena otpuste u izvanstanični prostor, one tvore fibrile. U zreloj zglobnoj hrskavici, kolagen tipa II tvori fibrilarne arkade u kojima se "deblje" molekule nalaze u dubokim slojevima tkiva, a "tanje" su horizontalno smještene u površinskim slojevima.

U genu prokolagena tipa II pronađen je ekson koji kodira N-terminalni propeptid bogat cisteinom. Ovaj ekson se ne eksprimira u zreloj hrskavici, već u ranim fazama razvoja (prehondrogeneza). Zbog prisutnosti ovog eksona, molekula prokolagena tipa II (tip II A) je dulja od kolagena tipa II. Vjerojatno ekspresija ove vrste prokolagena inhibira nakupljanje elemenata u izvanceličnom materijalu zglobne hrskavice. Može igrati određenu ulogu u razvoju patologije hrskavice (npr. neadekvatan reparativni odgovor, stvaranje osteofita itd.).

Mreža kolagenih fibrila tipa II pruža funkciju otpornosti na istezanje i neophodna je za održavanje volumena i oblika tkiva. Ova funkcija je pojačana kovalentnim i unakrsnim vezama između molekula kolagena. U izvanceličnom mišićnom tkivu (ECM), enzim lizil oksidaza tvori aldehid iz hidroksilizina, koji se zatim pretvara u multivalentnu aminokiselinu hidroksilizil-piridinolin, koja tvori unakrsne veze između lanaca. S jedne strane, koncentracija ove aminokiseline raste s godinama, ali u zreloj hrskavici ostaje praktički nepromijenjena. S druge strane, u zglobnoj hrskavici s godinama se uočava porast koncentracije unakrsnih veza različitih tipova nastalih bez sudjelovanja enzima.

Oko 10% ukupne količine kolagena u hrskavičnom tkivu čine takozvani manji kolageni, koji uvelike određuju jedinstvenu funkciju ovog tkiva. Kolagen tipa IX pripada molekulama kratke uzvojnice klase III i jedinstvenoj skupini FACIT kolagena (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-Helices). Sastoji se od tri genetski različita lanca. Jedan od njih, lanac _a2, glikozilira se istovremeno s hondroitin sulfatom, što ovu molekulu čini proteoglikanom. I zrele i nezrele hidroksipiridinske poprečne veze nalaze se između spiralnih segmenata kolagena tipa IX i kolagena tipa II. Kolagen IX također može funkcionirati kao intermolekularno-interfibrilarni "konektor" (ili most) između susjednih kolagenih fibrila. Molekule kolagena IX međusobno tvore poprečne veze, što povećava mehaničku stabilnost fibrilarne trodimenzionalne mreže i štiti je od učinaka enzima. Također pružaju otpornost na deformaciju, ograničavajući bubrenje proteoglikana smještenih unutar mreže. Uz anionski CS lanac, molekula kolagena IX sadrži kationsku domenu koja fibrili daje veliki naboj i sklonost interakciji s drugim makromolekulama matrice.

Kolagen tipa XI čini samo 2-3% ukupne mase kolagena. Pripada kolagenima klase I (koji stvaraju fibrile) i sastoji se od tri različita α-lanca. Zajedno s kolagenom tipa II i IX, kolagen tipa XI tvori heterotipske fibrile zglobne hrskavice. Molekule kolagena tipa XI otkrivene su unutar kolagenskih fibrila tipa II pomoću imunoelektromikroskopije. Vjerojatno organiziraju molekule kolagena tipa II, kontrolirajući lateralni rast fibrila i određujući promjer heterotipskog kolagenskog fibrila. Osim toga, kolagen XI sudjeluje u stvaranju unakrsnih veza, ali čak i u zreloj hrskavici, unakrsne veze ostaju u obliku nezrelih dvovalentnih ketoamina.

Male količine kolagena tipa VI, još jednog člana molekula kratke uzvojnice klase III, nalaze se u zglobnoj hrskavici. Kolagen tipa VI tvori različite mikrofibrile i vjerojatno je koncentriran u kapsularnoj matrici hondrona.

Proteoglikani su proteini na koje je kovalentno vezan barem jedan glikozaminoglikanski lanac. Proteoglikani su među najsloženijim biološkim makromolekulama. Proteoglikani su najzastupljeniji u izvanceličnom materijalu hrskavice. "Upleteni" unutar mreže kolagenih fibrila, hidrofilni proteoglikani obavljaju svoju glavnu funkciju - daju hrskavici sposobnost reverzibilne deformacije. Pretpostavlja se da proteoglikani obavljaju i niz drugih funkcija, čija bit nije u potpunosti jasna.

Agrekan je glavni proteoglikan zglobne hrskavice, koji čini približno 90% ukupne mase proteoglikana u tkivu. Njegov osnovni protein od 230 kD glikoziliran je višestrukim kovalentno povezanim glikozaminoglikanskim lancima i N-terminalnim i C-terminalnim oligosaharidima.

Glikozaminoglikanski lanci zglobne hrskavice, koji čine oko 90% ukupne mase makromolekula, su keratan sulfat (slijed sulfatiranog disaharida N-acetil glukozamino laktoze s više sulfatnih mjesta i drugim monosaharidnim ostacima poput sijalinske kiseline) i hondroitin sulfat (slijed disaharida N-acetil galaktozamin glukuronske kiseline sa sulfatnim esterom vezanim za svaki četvrti ili šesti atom ugljika N-acetil galaktozamina).

Jezgra proteina agrekana sadrži tri globularne (G1, G2, G3) i dvije interglobularne (E1 i E2) domene. N-terminalna regija sadrži G1 i G2 domene odvojene E1 segmentom, koji je dug 21 nm. C3 domena, smještena u C-terminalnoj regiji, odvojena je od G2 _dužim (oko 260 nm) E2 segmentom, koji nosi više od 100 lanaca hondroitin sulfata, oko 15-25 lanaca keratin sulfata i O-vezane oligosaharide. N-vezani oligosaharidi nalaze se uglavnom unutar G1 i C2 domena i E1 segmenta, kao i blizu G3 _regije. Glikozaminoglikani su grupirani u dvije regije: najduža (tzv. regija bogata hondroitin sulfatom) sadrži lance hondroitin sulfata i oko 50% lanaca keratan sulfata. Regija bogata keratan sulfatom nalazi se na E2 _segmentu blizu G1 domene i prethodi regiji bogatoj hondroitin sulfatom. Molekule agrekana također sadrže fosfatne estere, koji se prvenstveno nalaze na ostacima ksiloze koji vežu lance hondroitin sulfata za jezgru proteina; oni se također nalaze na serinskim ostacima jezgre proteina.

C-terminalni segment C3 _domene je visoko homologan lektinu, što omogućuje fiksiranje molekula proteoglikana u izvanceličnom matičnjaku vezanjem na određene ugljikohidratne strukture.

Nedavne studije identificirale su ekson koji kodira poddomenu sličnu EGF-u unutar G3 _. Korištenjem poliklonskih antitijela protiv EGF-a, epitop sličan EGF-u lokaliziran je unutar peptida od 68 kD u agrekanu ljudske zglobne hrskavice. Međutim, njegova funkcija tek treba biti razjašnjena. Ova poddomena se također nalazi u adhezijskim molekulama koje kontroliraju migraciju limfocita. Samo oko trećine molekula agrekana izoliranih iz zrele ljudske zglobne hrskavice sadrži intaktnu C3 _domenu; to je vjerojatno zato što se molekule agrekana mogu enzimski smanjiti u izvanceličnom matrici (ECM). Sudbina i funkcija cijepanih fragmenata nisu poznate.

_{Glavni funkcionalni segment molekule agrekana je E2 segment} koji sadrži glikozaminoglikan. Regija, bogata keratan sulfatima, sadrži aminokiseline prolin, serin i treonin. Većina ostataka serina i treonina je O-glikozilirana s N-acetilgalaktozamin ostacima; oni pokreću sintezu određenih oligosaharida koji se ugrađuju u lance keratan sulfata, čime ih produžuju. Ostatak E2 _segmenta sadrži više od 100 serin-glicinskih sekvenci u kojima serin omogućuje vezanje za ostatke ksilozila na početku lanaca hondroitin sulfata. Tipično, i hondroitin-6-sulfat i hondroitin-4-sulfat postoje istovremeno unutar iste molekule proteoglikana, a njihov omjer varira ovisno o lokalizaciji hrskavičnog tkiva i dobi osobe.

Struktura molekula agrekana u ljudskoj matrici zglobne hrskavice prolazi kroz niz promjena tijekom sazrijevanja i starenja. Promjene povezane sa starenjem uključuju smanjenje hidrodinamičke veličine zbog promjene prosječne duljine lanaca hondroitin sulfata i povećanje broja i duljine lanaca keratan sulfata. Brojne promjene u molekuli agrekana također su uzrokovane djelovanjem proteolitičkih enzima (npr. agrekanaze i stromelesina) na jezgreni protein. To rezultira progresivnim smanjenjem prosječne duljine jezgrenog proteina molekule agrekana.

Molekule agrekana sintetiziraju hondrociti i izlučuju ih u izvancelični matični sustav (ECM), gdje tvore agregate stabilizirane molekulama povezujućeg proteina. Ova agregacija uključuje visoko specifične nekovalentne i kooperativne interakcije između lanca glukuronske kiseline i gotovo 200 molekula agrekana i povezujućeg proteina. Glukuronska kiselina je izvanstanični, nesulfatirani, linearni glikozaminoglikan visoke molekularne težine sastavljen od više sekvencijalno povezanih molekula N-acetilglukozamina i glukuronske kiseline. Sparene petlje G1 domene agrekana reverzibilno interagiraju s pet sekvencijalno smještenih disaharida hijaluronske kiseline. Povezujući protein, koji sadrži slične (visoko homologne) sparene petlje, interagira s C1 domenom i molekulom hijaluronske kiseline te stabilizira strukturu agregata. Kompleks C1 domena - hijaluronska kiselina - vezni protein tvori visoko stabilnu interakciju koja štiti G1 domenu i vezni protein od djelovanja proteolitičkih enzima. Identificirane su dvije molekule vezivnog proteina s molekularnom težinom od 40-50 kDa; međusobno se razlikuju po stupnju glikozilacije. Na mjestu veze hijaluronske kiseline i agrekana prisutna je samo jedna molekula veznog proteina. Treća, manja, molekula veznog proteina nastaje od većih proteolitičkim cijepanjem.

Oko 200 molekula agrekana može se vezati za jednu molekulu hijaluronske kiseline i formirati agregat duljine 8 μm. U stanično povezanoj matrici, koja se sastoji od pericelularnih i teritorijalnih odjeljaka, agregati održavaju svoju povezanost sa stanicama vezanjem (putem niti hijaluronske kiseline) na receptore slične CD44 na staničnoj membrani.

Stvaranje agregata u izvanceličnom matičnjaku (ECM) je složen proces. Novo sintetizirane molekule agrekana ne pokazuju odmah sposobnost vezanja na hijaluronsku kiselinu. To može poslužiti kao regulatorni mehanizam koji omogućuje novo sintetiziranim molekulama da dođu do interteritorijalne zone matrice prije nego što se imobiliziraju u velike agregate. Broj novo sintetiziranih molekula agrekana i proteina koji se vežu sposobnih za stvaranje agregata interakcijom s hijaluronskom kiselinom značajno se smanjuje s godinama. Osim toga, veličina agregata izoliranih iz ljudske zglobne hrskavice značajno se smanjuje s godinama. To je dijelom zbog smanjenja prosječne duljine molekula hijaluronske kiseline i molekula agrekana.

U zglobnoj hrskavici utvrđene su dvije vrste agregata. Prosječna veličina prve vrste agregata je 60 S, dok je druge vrste (brzo taloženi "superagregati") 120 S. Potonji se odlikuje obiljem molekula vezajućeg proteina. Prisutnost ovih superagregata može igrati važnu ulogu u funkcioniranju tkiva; tijekom obnove tkiva nakon imobilizacije uda, veće koncentracije se nalaze u srednjim slojevima zglobne hrskavice, dok su u zglobu zahvaćenom osteoartrozom njihove veličine značajno smanjene u ranim fazama bolesti.

Osim agrekana, zglobna hrskavica sadrži niz manjih proteoglikana. Biglikan i dekorin, molekule koje nose dermatan sulfate, imaju molekularne težine od oko 100 odnosno 70 kDa; masa njihovog osnovnog proteina je oko 30 kDa.

U ljudskoj zglobnoj hrskavici, molekula biglikana sadrži dva lanca dermatan sulfata, dok češći dekorin sadrži samo jedan. Ove molekule čine samo mali dio proteoglikana u zglobnoj hrskavici, iako ih može biti toliko koliko i velikih agregiranih proteoglikana. Mali proteoglikani međusobno djeluju s drugim makromolekulama u izvanceličnom matičnjaku (ECM), uključujući kolagene fibrile, fibronektin, faktore rasta itd. Dekorin je prvenstveno lokaliziran na površini kolagenih fibrila i inhibira fibrilogenezu kolagena. Jezgreni protein čvrsto je vezan za domenu fibronektina koja se veže za stanice, čime vjerojatno sprječava vezanje potonjeg za receptore na površini stanica (integrine). Budući da se i dekorin i biglikan vežu za fibronektin i inhibiraju adheziju i migraciju stanica, kao i stvaranje tromba, sposobni su inhibirati procese popravka tkiva.

Fibromodulin zglobne hrskavice je proteoglikan molekularne težine od 50-65 kD povezan s kolagenim fibrilima. Njegov središnji protein, homologan središnjim proteinima dekorina i biglikana, sadrži veliki broj ostataka tirozin sulfata. Ovaj glikozilirani oblik fibromodulina (ranije nazvan matrični protein od 59 kD) može sudjelovati u regulaciji stvaranja i održavanja strukture kolagenih fibrila. Fibromodulin i dekorin nalaze se na površini kolagenih fibrila. Dakle, kao što je ranije naznačeno, povećanju promjera fibrila trebalo bi prethoditi selektivno uklanjanje ovih proteoglikana (kao i molekula kolagena tipa IX).

Zglobna hrskavica sadrži niz proteina u izvanceličnom materijalu (ECM) koji nisu ni proteoglikani ni kolageni. Oni međusobno djeluju s drugim makromolekulama tvoreći mrežu koja uključuje većinu molekula ECM-a.

Ankorin, protein od 34 kD, lokaliziran je na površini hondrocita i u staničnoj membrani, posredujući u interakcijama između stanice i matrice. Zbog visokog afiniteta za kolagen tipa II, može djelovati kao mehanoreceptor, prenoseći signal o promijenjenom tlaku na fibril do hondrocita.

Fibronektin je komponenta većine hrskavičnog tkiva i neznatno se razlikuje od plazmatskog fibronektina. Vjeruje se da fibronektin potiče integraciju matrice interakcijom sa staničnim membranama i drugim komponentama matrice, poput kolagena tipa II i trombospondina. Fragmenti fibronektina negativno utječu na metabolizam hondrocita: inhibiraju sintezu agrekana i potiču kataboličke procese. Visoke koncentracije fragmenata fibronektina pronađene su u zglobnoj tekućini pacijenata s osteoartritisom, pa mogu sudjelovati u patogenezi bolesti u kasnim fazama. Fragmenti drugih molekula matrice koje se vežu za receptore hondrocita vjerojatno imaju slične učinke.

Oligomerni matrični protein hrskavice (OMPC), član superfamilije trombospondina, je pentamer s pet identičnih podjedinica molekularne težine od oko 83 kDa. Nalaze se u velikim količinama u zglobnoj hrskavici, posebno u sloju proliferirajućih stanica u rastućem tkivu. Stoga je moguće da je OMPC uključen u regulaciju rasta stanica. Nalaze se u mnogo nižim koncentracijama u izvanceličnom materijalu zrele zglobne hrskavice. Matrični proteini također uključuju:

• bazični matrični protein (36 kDa), koji ima visoki afinitet za hondrocite, može posredovati u interakcijama stanica u izvanceličnom matičnjaku (ECM), kao što je tijekom remodeliranja tkiva;
• GP-39 (39 kDa) se eksprimira u površinskom sloju zglobne hrskavice i u sinovijalnoj membrani (njegove funkcije nisu poznate);
• Protein od 21 kD sintetiziraju hipertrofirani hondrociti, interagira s kolagenom tipa X i može funkcionirati u zoni "valovite linije".

Osim toga, očito je da hondrociti eksprimiraju neglikozilirane oblike malih neagregiranih proteoglikana u određenim fazama razvoja hrskavice i pod patološkim uvjetima, ali njihova specifična funkcija je trenutno u fazi istraživanja.

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

Funkcionalna svojstva zglobne hrskavice

Molekule agrekana pružaju zglobnoj hrskavici sposobnost reverzibilne deformacije. One pokazuju specifične interakcije unutar izvanstaničnog prostora i nesumnjivo igraju važnu ulogu u organizaciji, strukturi i funkciji izvanceličnog materijala (ECM). U hrskavičnom tkivu, molekule agrekana dosežu koncentraciju od 100 mg/ml. U hrskavici, molekule agrekana su komprimirane na 20% volumena koji zauzimaju u otopini. Trodimenzionalna mreža koju tvore kolagene fibrile daje tkivu karakterističan oblik i sprječava povećanje volumena proteoglikana. Unutar kolagene mreže, nepokretni proteoglikani nose veliki negativni električni naboj (sadrže veliki broj anionskih skupina), što im omogućuje interakciju s mobilnim kationskim skupinama intersticijske tekućine. Interakcijom s vodom, proteoglikani pružaju takozvani tlak bubrenja, kojemu se suprotstavlja kolagena mreža.

Prisutnost vode u izvanceličnom materijalu (ECM) vrlo je važna. Voda određuje volumen tkiva; vezana za proteoglikane pruža otpornost na kompresiju. Osim toga, voda omogućuje transport molekula i difuziju u ECM-u. Visoka gustoća negativnog naboja na velikim proteoglikanima fiksiranim u tkivu stvara "efekt isključenog volumena". Veličina pora intrakoncentrirane otopine proteoglikana toliko je mala da je difuzija velikih globularnih proteina u tkivo oštro ograničena. ECM odbija male negativno nabijene proteine (npr. kloridne ione) i velike proteine (kao što su albumin i imunoglobulini). Veličina stanica unutar guste mreže kolagenih fibrila i proteoglikana usporediva je samo s veličinom nekih anorganskih molekula (npr. natrija i kalija, ali ne i kalcija).

U izvanceličnom matičnom tkivu (ECM) određena količina vode prisutna je u kolagenim fibrilama. Ekstrafibrilarni prostor određuje fizikalno-kemijska i biomehanička svojstva hrskavice. Sadržaj vode u intrafibrilarnom prostoru ovisi o koncentraciji proteoglikana u ekstrafibrilarnom prostoru i povećava se sa smanjenjem koncentracije potonjih.

Fiksni negativni naboj na proteoglikanima određuje ionski sastav izvanstaničnog medija, koji sadrži slobodne katione u visokoj koncentraciji i slobodne anione u niskoj koncentraciji. Kako se koncentracija molekula agrekana povećava od površinske prema dubokoj zoni hrskavice, mijenja se ionski okoliš tkiva. Koncentracija anorganskih iona u izvanceličnom materijalu (ECM) stvara visoki osmotski tlak.

Materijalna svojstva hrskavice ovise o interakciji kolagenih fibrila, proteoglikana i tekuće faze tkiva. Strukturne i kompozicijske promjene povezane s neskladom između procesa sinteze i katabolizma, razgradnje makromolekula i fizičke traume značajno utječu na materijalna svojstva hrskavice i mijenjaju njezinu funkciju. Budući da se koncentracija, raspodjela i makromolekularna organizacija kolagena i proteoglikana mijenjaju ovisno o dubini hrskavične zone, biomehanička svojstva svake zone variraju. Na primjer, površinska zona s visokom koncentracijom kolagena, tangencijalno smještenim fibrilama i relativno niskom koncentracijom proteoglikana ima najizraženija svojstva otpora istezanju, ravnomjerno raspoređujući opterećenje po cijeloj površini tkiva. U prijelaznim i dubokim zonama, visoka koncentracija proteoglikana daje tkivu svojstvo podnošenja tlačnog opterećenja. Na razini "valovite linije" materijalna svojstva hrskavice naglo se mijenjaju od savitljive nekalcificirane zone do kruće mineralizirane hrskavice. U području "valovite linije" čvrstoću tkiva osigurava kolagena mreža. Podložni dijelovi hrskavice nisu presijecani kolagenim fibrilima; u području osteohondralnog spoja čvrstoću tkiva osiguravaju posebni obrisi granice između nekalcificiranih i kalcificiranih hrskavičnih zona u obliku nepravilnih prstastih izraslina, koje "zatvaraju" dva sloja i sprječavaju njihovo odvajanje. Kalcificirana hrskavica je manje gusta od subhondralne kosti, stoga funkcionira kao međusloj koji omekšava kompresivno opterećenje na hrskavicu i prenosi ga na subhondralnu kost.

Tijekom opterećenja dolazi do složene raspodjele triju sila - ekstenzije, smicanja i kompresije. Zglobna matrica se deformira zbog izbacivanja vode (kao i produkata staničnog metabolizma) iz zone opterećenja, a koncentracija iona u intersticijskoj tekućini se povećava. Kretanje vode izravno ovisi o trajanju i sili primijenjenog opterećenja, a usporava ga negativni naboj proteoglikana. Tijekom deformacije tkiva, proteoglikani se čvršće pritišću jedan uz drugi, čime se učinkovito povećava gustoća negativnog naboja, a intermolekularne sile koje odbijaju negativni naboj zauzvrat povećavaju otpor tkiva daljnjoj deformaciji. U konačnici, deformacija doseže ravnotežu u kojoj su vanjske sile opterećenja uravnotežene unutarnjim silama otpora - tlakom bubrenja (interakcija proteoglikana s ionima) i mehaničkim naprezanjem (interakcija proteoglikana i kolagena). Kada se opterećenje ukloni, hrskavično tkivo dobiva svoj izvorni oblik apsorbirajući vodu zajedno s hranjivim tvarima. Početni (predopterećeni) oblik tkiva postiže se kada se tlak bubrenja proteoglikana uravnoteži otporom kolagene mreže njihovom širenju.

Biomehanička svojstva zglobne hrskavice temelje se na strukturnom integritetu tkiva - sastavu kolagena i proteoglikana kao čvrstoj fazi te vodi i otopljenim ionima kao tekućoj fazi. U neopterećenom stanju, hidrostatski tlak zglobne hrskavice iznosi oko 1-2 atm. Ovaj hidrostatski tlak može se in vivo povećati na 100-200 atm po milisekundi tijekom stajanja i na 40-50 atm tijekom hodanja. Studije in vitro pokazale su da hidrostatski tlak od 50-150 atm (fiziološki) dovodi do umjerenog povećanja anabolizma hrskavice u kratkom vremenskom razdoblju, a tijekom 2 sata dovodi do gubitka hrskavične tekućine, ali ne uzrokuje nikakve druge promjene. Pitanje koliko brzo hondrociti reagiraju in vivo na ovu vrstu opterećenja ostaje neriješeno.

Inducirano smanjenje hidratacije s naknadnim povećanjem koncentracije proteoglikana dovodi do privlačenja pozitivno nabijenih iona poput H ⁺ i Na ⁺. To dovodi do promjene ukupnog ionskog sastava i pH vrijednosti izvanceličnog matičnog tkiva (ECM) i hondrocita. Dugotrajna tjelovježba izaziva smanjenje pH vrijednosti i, istovremeno, smanjenje sinteze proteoglikana od strane hondrocita. Moguće je da je utjecaj izvanstanične ionske okoline na sintetske procese također djelomično povezan s njezinim utjecajem na sastav ECM-a. Novo sintetizirane molekule agrekana sazrijevaju u agregirane oblike kasnije u slabo kiseloj okolini nego u normalnim uvjetima. Vjerojatno je da smanjenje pH vrijednosti oko hondrocita (npr. tijekom tjelovježbe) omogućuje većem broju novo sintetiziranih molekula agrekana da dođu do interteritorijalne matrice.

Kada se opterećenje ukloni, voda se vraća iz sinovijalne šupljine, noseći hranjive tvari za stanice. U hrskavici zahvaćenoj osteoartritisom, koncentracija proteoglikana je smanjena, stoga se tijekom opterećenja voda kreće ne samo vertikalno u sinovijalnu šupljinu, već i u drugim smjerovima, čime se smanjuje prehrana hondrocita.

Imobilizacija ili blago opterećenje rezultira značajnim smanjenjem sinteze hrskavice i sadržaja proteoglikana, dok povećano dinamičko opterećenje rezultira umjerenim povećanjem sinteze i sadržaja proteoglikana. Naporna tjelovježba (20 km/dan tijekom 15 tjedana) kod pasa izazvala je promjene u sadržaju proteoglikana, posebno naglo smanjenje njihove koncentracije u površinskoj zoni. Došlo je do određenog reverzibilnog omekšavanja hrskavice i subhondralnog preoblikovanja kosti. Međutim, teško statičko opterećenje uzrokovalo je oštećenje hrskavice i naknadnu degeneraciju. Osim toga, gubitak agrekana izvanceličnog matičnog tkiva (ECM) pokreće abnormalne promjene karakteristične za osteoartritis. Gubitak agrekana rezultira privlačenjem vode i oticanjem male količine preostalog proteoglikana. Ovo otapanje agrekana doprinosi smanjenju lokalne gustoće fiksnog naboja i u konačnici dovodi do promjene osmolarnosti.