Osteoartritis: kako su artikulirane hrskavice?

Uobičajena zglobna hrskavica obavlja dvije glavne funkcije: apsorpciju tlaka kod deformacije tijekom mehaničkog naprezanja i osiguravanje glatkoće zglobnih površina, što vam omogućuje da smanjite trenje prilikom pomicanja u zglobu. To se osigurava jedinstvenom strukturom zglobne hrskavice, koja se sastoji od hondro-ita uronjenih u ekstracelularnu matricu (ECM).

Normalna zglobna hrskavica odrasle osobe može se podijeliti na više slojeva ili zonu: površinu ili tangencijalnu, zonu, prijelaznu zonu, dubinu ili radijalnu zonu i kalcificiranu zonu. Sloja između površine i prijelaznih zona, a posebno između prijelaza i dubokih zona, nema jasne granice. Povezanost uncalcified i kalcificirane zglobne hrskavice naziva se "valovita granica" - to je linija određena bojanjem dekalcificiranog tkiva. Kalcificirana zona hrskavice je relativno konstantan udio (6-8%) u ukupnoj visini polumjeseca. Ukupna debljina zglobne hrskavice, uključujući zonu kalcificirane hrskavice, varira ovisno o opterećenju na određenom području zglobne površine i vrsti zgloba. Povremeni hidrostatski tlak u subhondralnoj kosti igra važnu ulogu u održavanju normalne strukture hrskavice, usporavajući oslađivanje.

Hondrociti čine približno 2-3% ukupne mase tkiva; u površinskoj (tangencijalnoj) zoni nalaze se duž, iu dubokoj (radijalnoj) zoni - okomito na površinu hrskavice; u tranzicijskoj zoni, kondrociti tvore skupine od 2-4 stanica razasute po matrici. Ovisno o području zglobne hrskavice, gustoća lokacije hondrocita varira - najviša gustoća stanica u površinskoj zoni, najniža u kalcificiranoj. Osim toga, gustoća stanične raspodjele varira od zgloba do zgloba, obrnuto je proporcionalna debljini hrskavice i opterećenju koje je doživjelo njegovo odgovarajuće mjesto.

Najviše površinski smješten hondrociti su oblikovani u obliku diska i oblikuju u tangencijalnoj zoni nekoliko slojeva stanica koje se nalaze ispod uskog trake matrice; Duboko locirane stanice ove zone imaju tendenciju da imaju više nejednake konture. U tranzicijskoj zoni, hondrociti imaju oblik kugle, ponekad se spajaju u male skupine rasute u matrici. Hondrociti dubokih zona su pretežno elipsoidni u obliku, grupirani u radijalno postavljene lance od 2-6 stanica. U kalcificiranoj zoni oni se raspoređuju još manje štedljivo; neki od njih su nekrotični, iako su većina održivi. Stanice su okružene nekvalificiranom matricom, međustanični prostor je kalcificiran.

Dakle, humana zglobna hrskavica sastoji se od hidratiranog ECM-a i stanica umočenih u njega, koje čine 2-3% ukupnog volumena tkiva. Budući da hrskavično tkivo nema krvave i limfne žile, interakcija između stanica, isporuka hranjivih tvari do njih, uklanjanje metaboličkih proizvoda provodi se difuzijom putem ECM-a. Unatoč tome što su metabolički hondrociti vrlo aktivni, oni se obično ne dijele u odraslim ljudima. Hondrociti postoje u okruženju bez kisika, vjeruju da se njihov metabolizam provodi uglavnom anaerobno.

Svaka se kondrocita smatra posebnom metaboličkom jedinicom hrskavice koja je izolirana iz susjednih stanica, ali je odgovorna za proizvodnju VKM elemenata u neposrednoj blizini navedene stanice i zadržava njegov sastav.

U VKM-u se odlikuju tri odjela, od kojih svaka ima jedinstvenu morfološku strukturu i određeni biokemijski sastav. VCR neposredno uz kbazalnoy hondrocitna membrane, nazvan vanstaničnom, ililakunarnym, matrica. Je karakteriziran interakcije stanica visokog sadržaja povezanih hijaluronske kiseline proteoglikana agregata s CD44, kao što receptora i relativnog nedostatka organizirane kolagenskih vlakana. U direktnom kontaktu sa vanstaničnom matriks teritorijalnu ili kapsularnih, matriks koji se sastoji od mreže sijeku vlaknastih kolagena, koji zatvara pojedinačne stanice, ili (ponekad) skupina od stanica koje tvore hondron, te je vjerojatno da će dati posebnu mehanička potpora za stanice. Kontakt hondrocitnog matriksa s kapsularnih postići brojnim postupcima citoplazmatske bogate mikreofilamenata i specifičnih molekula matriksa, kao što su CD44-ankorin i podobnye receptora. Najveći i udaljen od bazalne membrane ECM odvoji hondrocitna - interterritorial matrica sadrži najveći broj kolagenskih vlakana i proteoglikanima.

Podjela ECM-a u odjele jasnije je ucrtana u zglobnoj hrskavici odrasle osobe nego u nezreloj zglobnoj hrskavici. Relativna veličina svakog odjela varira ne samo u različitim zglobovima već iu istoj hrskavici. Svaka kondrocita proizvodi matricu koja ga okružuje. Varalica studije zrele hondrociti hrskavice provodi aktivnu metaboličku kontrolu nad svojim percelularnim i teritorijalnih matrice su manje aktivna kontrola interterritorial matrica, koja se može metabolički „inertan”.

Kao što je ranije spomenuto, zglobna hrskavica se uglavnom sastoji od opsežnog ECM, sintetizirani su i regulirani hondrociti. Makromolekule tkiva i njihova promjena koncentracije tijekom života u skladu s promjenama funkcionalnih potreba. Međutim, ostaje nejasno: stanice sintetiziraju cijelu matricu u isto vrijeme ili u određenoj fazi u skladu s fiziološkim potrebama. Koncentracija makromolekula, metabolička ravnoteža između njih, definirati odnos i interakciju biokemijska svojstva, a time i funkciju zglobne hrskavice unutar zgloba. Glavna komponenta zglobne hrskavice odrasle VCR je voda (65-70% od ukupne mase), koji je čvrsto povezan u njemu pomoću posebnih fizičkih svojstava makromolekula tkiva hrskavice koji sadrže kolagen, proteoglikani i ne-kolagenskih glikoproteini.

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]

Biokemijski sastav hrskavice

Vlakna kolagena sastoje se od molekula kolagenskog fibrilarnog proteina. U sisavaca udio kolagena čini jednu četvrtinu svih bjelančevina u tijelu. Kolagen oblike fibrilarnih elemenata (kolagenih fibrila), koji se sastoje od strukturnih podjedinica, nazvanih tropocollagen. Tropocollagen molekula ima tri lanca koji tvore trostruku spiralu. Takva struktura tropokolagen molekule, kao i strukturu kolagenih vlakana, kada se ove molekule raspoređene paralelno u uzdužnom smjeru s konstantnom pomak od oko 1/4 dužine i osiguravaju visoku elastičnost i čvrstoću tkiva u kojima se nalaze. Trenutno se zna 10 genetski različitih vrsta kolagena, koje se razlikuju u kemijskoj strukturi a-lanaca i / ili njihovoj zbirci u molekuli. Najčešće proučavane prve četiri vrste kolagena sposobne su formirati do 10 molekularnih izoformi.

Kolagen fibrili dio su izvanstaničnog prostora većine vrsta vezivnog tkiva, uključujući hrskavsko tkivo. U trodimenzionalnoj mreži kolagenskih vlakana netopljivih presijeca „isprepletene” druge topljive više komponenata, kao što su proteoglikani, glikoproteini i tkivno specifičnih proteina; ponekad su kovalentno vezani za kolagen elemente.

Kolagenove molekule organizirane u fibrilima čine oko 50% organskog suhog ostatka hrskavice (10-20% prirodne hrskavice). U zreloj hrskavici, oko 90% kolagena su tip II kolageni, koji se nalaze samo u nekim tkivima (npr. Vitreous, embrionalna kičmena moždina). Tip kolagena II se odnosi na prvu klasu (formiranje fibrila) molekula kolagena. Osim njega, u zreloj hrskavici zglobova osobe koja ima kolagen IX, XI tip iu malom broju tipa VI također se nalazi. Relativna količina IX tipa kolagenskih vlakana u kolagenskim fibrilima smanjuje se od 15% u hrskavici fetusa na oko 1% u zreloj hrskavici bika.

Molekule tipa kolagena I sastoje se od tri identična polipeptidna, (II) lanca, sintetiziranih i izlučenih u obliku prekolagenskog prekursora. Kad se gotove molekule kolagena oslobode u izvanstaničnom prostoru, oni stvaraju fibrile. Vrsta hrskavice zreli zglobne II kolagena vlaknasti oblik zabavne, u kojima su „debeli” molekule koje se nalazi u dubljim slojevima tkiva, i „tanko” - horizontalno u površinske slojeve.

U procollagenu gena tipa II pronađen je ekson koji kodira cistein bogat N-terminalni propeptid. Ovaj ekson nije ekspresiran u zreloj hrskavici, već u ranim fazama razvoja (prehondrogenesis). Zbog prisustva ovog eksona, molekula prokolagen II tipa (tip II A) duža je od tipa II kolagena. Vjerojatno, ekspresija ove vrste procolagena inhibira akumulaciju elemenata u ECM zglobne hrskavice. Može igrati ulogu u razvoju patologije hrskavice (na primjer, neadekvatan reparativni odgovor, formiranje osteofita itd.).

Mreža vrsta kolagenskog fibrila tipa II pruža funkciju zatezne čvrstoće i potrebna je za održavanje volumena i oblika tkiva. Ova funkcija je poboljšana kovalentnim i umreženim povezivanjem molekula kolagena. VCR enzima oblici lizil-oksidaze u hidroksilizin aldehida, koji se zatim prevode u viševalentnim piridinolin stvaranja poprečnih veza između amino-hidroksilizin lanaca. S jedne strane, koncentracija ove aminokiseline raste s godinama, međutim, u zreloj hrskavici praktički se ne mijenja. S druge strane, u zglobnoj hrskavici nastaje porast koncentracije križnih veza različitih tipova s dobi, s dobi, nastali bez sudjelovanja enzima.

Oko 10% od ukupnog kolagena hrskavice su takozvani manje kolagena, što umnogome određuje jedinstvenu značajku ovog materijala. Kolagen tipa IX pripada klasi III molekule korotkospiralnyh i jedinstvena skupina FACIT-kolagena (fibrile Associated kolagenom isprekidanu Triple -helices - kolagena fibrila povezanog s prekinutim trostruke uzvojnice). Sastoji se od tri genetski različita lanca. Jedan od njih - ₂ lanac - glikolizirani istovremeno s kondroitin sulfat, što čini molekulu istovremeno proteoglikana. Između segmenata uzvojnice kolagena tipa IX kolagen tipa II, a pokazuju kako zrelih i nezrelih gidroksipiridinovye međuveza. Kolagen IX mogu također funkcionirati kao intermolekulske-interfibrillyarny „priključak” (ili mostom) između susjednih kolagenskih vlakana. IX kolagenskih molekula tvore lanaca između sebe, što povećava mehaničku stabilnost trodimenzionalnog vlaknaste mreže i štiti od izlaganja enzima. Oni također pružaju otpornost na deformacije, ograničavajući oticanje proteoglikana koji se nalaze unutar mreže. I anionski CS lanac kolagena IX molekula sadrži kationski domenu informira fibrila veliki naboj i sklonost interakciji s druge matriks makromolekula.

Vrsta kolagena XI je samo 2-3% od ukupne mase kolagena. Spada u prvu klasu (formiranje fibrila) kolagena i sastoji se od tri različita a-lanca. Zajedno s tipovima kolagena II i IX, tip X kolagena tvore heteroteke fibrile zglobne hrskavice. Molekule tipa kolagena XI nalaze se unutar kolagenskih fibrila tipa II uz pomoć imunoelektromikroskopije. Možda organiziraju molekule kolagena tipa II, kontrolirajući lateralni rast fibrila i određujući promjer heterotipskog kolagenog fibrila. Osim toga, kolagen XI je uključen u stvaranje križnih veza, ali čak iu zreloj hrskavici, poprečne veze ostaju u obliku nezrelih dvovalentnih ketoamina.

Mala količina tipa VI kolagena, drugi predstavnik klase III kratkih span molekula, pronađena je u zglobnoj hrskavici. Tip kolagena VI oblikuje različite mikrofibrile i, eventualno, koncentrira se u kapsularnoj matrici kondrona.

Proteoglikani su proteini kojima je najmanje jedan lanac glikozaminoglikana kovalentno vezan. Proteoglikani pripadaju jednoj od najkompleksnijih bioloških makromolekula. Najširi proteoglikani prisutni su u hrskavici VKM. "Uvučeni" unutar mreže kolagenskih vlakana, hidrofilni proteoglikani ispunjavaju svoju glavnu funkciju - oni obavještavaju hrskavicu sposobnosti reverzibilnog deformiranja. Vjeruje se da proteoglikani provode niz drugih funkcija, bit kojih nije potpuno jasno.

Aggrecan je glavni proteoglikan zglobne hrskavice: oko 90% ukupne mase proteoglikana u tkivu. Njegov temeljni protein od 230 kD je glikoziliran brojnim kovalentno vezanim lancima glikozaminoglikana, kao i N-terminalnim i C-terminalnim oligosaharidima.

Glikosaminoglikan lanac zglobne hrskavice, što čini oko 90% ukupne težine makromolekula - keratan sulfat (predstavlja sekvencu od sulfatirani disaharid N-atsetilglyukozamingalaktoza više sulfatnih obrocima i drugih monosaharidnih ostataka, kao što je sialična kiselina), te kondroitin sulfat (predstavlja sekvencu od disaharid N-acetilgalaktozamin, glukuronske kiseline, ester sulfat, svaki spojen na četvrti ili šestom ugljikov atom na N-atsetilg laktosamin).

Agrekanske jezgre proteina sadrži tri globularnu (G1, G2, G3) h interglobular dvije (E1 i E2) domenu. N-terminalni dio sadrži G - i G2- domene odvojene E1 duljina segmenta 21 nm. C3-domene koji se nalazi na C-kraju, odvojena od G ₂ više (oko 260 nm), E2 segmenta koji nosi više od 100 kondroitin sulfat lance oko 15-25 keratan sulfat lanaca i O-vezanih oligosaharida. N-vezanih oligosaharida nalaze uglavnom u G1- te C2 domene i E1-segment, kao i kod G ₃ -regiona. Glukozaminoglikani su podijeljeni u dvije regije: najviše proširena (tzv regija bogata kondroitin sulfat) lanac sadrži kondroitin sulfata i oko 50% keratan sulfat lanaca. Regija obiluje keratan sulfate, lokaliziranih na e ₂ -segmente blizini G1-domena prethodi regiju bogatu hondroitin sulfata. Agrekanski molekule sadrže fosfatne estere, ponajprije na lokalizirane ksiloza ostataka koji su kondroitin sulfat lanaca vezanih na proteinskoj jezgri; oni se također nalaze na serinskim ostacima jezgre proteina.

C-terminalni segment C ₃ domene vysokogomologichen lecitin, pri čemu proteoglikanskih molekule mogu biti registrirane u ECM vezanjem s određenim strukturama ugljikovodika.

Novije studije su pronašli ekson koji kodira EGF poput (epidermalni faktor rasta), pod-domene unutar G ₃. Koristeći anti-EGF poliklonalna protutijela, epitop sličan EGF-u je lokaliziran unutar peptida od 68 kD u agregatu ljudske zglobne hrskavice. Međutim, njegove funkcije zahtijevaju pojašnjenje. Ova poddomena se također nalazi u strukturi adhezijskih molekula koje kontroliraju migraciju limfocita. Samo oko jedne trećine od agrekana molekula izoliranih iz zrelog humanog zglobne hrskavice sadrže intaktni C ₃ domena od; vjerojatno je to zbog činjenice da se u ECM molekula agregata može smanjiti po veličini enzimskim putem. Daljnja sudbina i funkcija fragmentiranih fragmenata su nepoznata.

Glavni funkcionalni segment je agrekan molekula glikozaminoglikannesuschy E ₂ -segment. Mjesto, bogato keratansulfatima, sadrži aminokiseline prolin, serin i treonin. Većina serinskim i treoninskim ostacima O-glikozilirani N-atsetilgalaktozaminovymi ostataka, oni aktiviraju sintezu nekih oligosaharida, koje su ugrađene u keratan sulfat lanaca, čime ih produljenje. Ostatak E ₂ -segmenta sadrži više od 100 sekvence serin-glicin, u kojima je niz daje ksilozilnym pričvršćenje na ostacima na početku kondroitin sulfata lanaca. Tipično i kondroitin-6-sulfat i kondroitin-4-sulfat postoje istovremeno unutar iste molekule proteoglikanom omjera ovisi o lokalizaciji hrskavice i starosti osobe.

Struktura molekula agregata u matrici zglobne hrskavice osobe prolazi kroz niz promjena u procesu sazrijevanja i starenja. Promjene vezane uz starenje uključuju smanjenje hidrodinamičke veličine kao rezultat promjena u prosječnoj duljini lanca kondroitin sulfata, povećanje broja i duljine lanaca keratan sulfata. Brojne promjene u molekuli agrekana također podliježu djelovanju proteolitičkih enzima (npr. Agrekanaza i stromelizina) na jezgri proteina. To dovodi do progresivnog smanjenja prosječne duljine jezgre proteina molekula agrekana.

Aggrekove molekule su sintetizirane hondrocitima i izlučene u ECM, gdje tvore agregate stabilizirane molekulama vezivnih proteina. Ova agregacija uključuje visoko specifične ne-kovalentne i kooperativne interakcije između filamenta glukuronske kiseline i gotovo 200 molekula agarka i veznih proteina. Glukuronska kiselina - izvanstanični unsulfated glikosaminoglikan ravni visoke molekulske mase koji se sastoji od više molekula redom odnose na atsetilglyu-N-kozamina i glukuronske kiseline. Povezane petlje G1 domene agregata reagiraju reverzibilno s pet uzastopno raspoređenih disaharida hialuronske kiseline. Vezujući protein, koji sadrži slične (visoko homologne) parirane petlje, interagira s C1 domenom i molekulom hialuronske kiseline i stabilizira strukturu agregata. Kompleks za vezanje proteina koji vezuje C1-domenu i hialuronsku kiselinu stvara visoko stabilnu interakciju koja štiti G1 domenu i vezujućeg proteina od djelovanja proteolitičkih enzima. Identificirane su dvije molekule veznog proteina molekularne težine od 40-50 kD; međusobno se razlikuju u stupnju glikozilacije. Samo jedna molekula vezivnog proteina je prisutna na mjestu vezanja hialuronske kiseline-agrekana. Treća, manja molekula vezujućeg proteina je formirana iz većih proteina proteolitičkim cijepanjem.

Oko 200 molekula agrekog može se vezati na jednu molekulu hijaluronske kiseline da bi se formirao agregat od 8 um dužine. Matrica povezan sa stanicom koja sadrži vanstanične i teritorijalne podjele agregata zadržati njihov odnos s stanica vezanjem (preko navoja hijaluronske kiseline) s SD44 poput receptora na stanične membrane.

Formiranje agregata u ECM je složen proces. Novo sintetizirane molekule agregata ne pokazuju odmah sposobnost vezanja na hijaluronsku kiselinu. To može poslužiti kao regulatorni mehanizam koji dopušta novosintetiziranim molekulama da dođu do interteritorijalne zone matrice prije nego što imobiliziraju u velike agregate. Broj novo sintetiziranih molekula agregata i veznih proteina koji mogu formirati agregate djelujući u interakciji s hialuronskom kiselinom značajno se smanjuje s dobi. Osim toga, s godinama značajno se smanjuje veličina agregata izoliranih iz zglobne hrskavice osobe. To je djelomično zbog smanjenja prosječne duljine molekula hijaluronske i molekule agregata.

Postoje dvije vrste agregata u zglobnoj hrskavici. Prosječna veličina agregata prve vrste - 60 S, agregata drugog tipa (brzo taloženje „superagregatov”) - 120 S. Potonji razlikuje Obilje proteina molekula vezivo. Prisutnost ovih superagregata može igrati veliku ulogu u funkcioniranju tkiva; tijekom popravka tkiva nakon imobilizacija udova u srednjim slojevima zglobne hrskavice pronašli su veće koncentracije u zglobovima pogođeni s osteoartritisom, njihova veličina znatno su smanjene u ranim fazama bolesti.

Osim agrekana, zglobna hrskavica sadrži niz manjih proteoglikana. Biglikan i dekorin, molekule koje nose dermatanski sulfati imaju molekulsku masu od oko 100 i 70 kD; masa njihove jezgre proteina je oko 30 kD.

Zglobna hrskavica humanog biglycan molekule s dva lanca dermatan sulfat, a češće pojavljuju dekorin - jedini. Ove molekule su samo mali dio proteoglikana u zglobne hrskavice, iako oni također mogu biti mnogo, kao i velike nakupine proteoglikana. Mali proteoglikana u interakciji s drugim makromolekula u ECM, uključujući i kolagenskih vlakana, fibronektina, faktori rasta, i drugi. Dekorinom izvorno lokaliziran na površini kolagenskih vlakana i inhibira kolagena fibrillogenesis. Štap čvrsto zadržane protein s domenom vezanja stanica na fibronektin, tako vjerojatno inhibicijom vezanja potonjeg receptore na staničnoj površini (integrini). S obzirom na činjenicu da su i dekorin i biglycan vežu na fibronektin i inhibiraju adheziju i migraciju stanica, kao i stvaranje tromba, oni mogu inhibirati popravak tkiva procesa.

Fibromodulin zglobne hrskavice je proteoglikan s molekulskom masom od 50-65 kD, povezan s kolagenskim fibrilima. Njegov temeljni protein, koji je homologan s jezgrama proteina dekoracije i bigakane, sadrži veliku količinu tirozin sulfatnih ostataka. Ovaj glikozilirani oblik fibromodulina (nekada zvan 59 kD matriksni protein) može sudjelovati u regulaciji stvaranja i održavanja strukture kolagenskih fibrila. Fibromodulin i dekorin nalaze se na površini kolagenskih fibrila. Tako, kao što je ranije naznačeno, povećanje promjera fibrila treba prethoditi selektivnom uklanjanju tih proteoglikana (kao i molekula tipa kolagena tipa IX).

Artikularna hrskavica sadrži niz proteina u VKM, koji ne pripadaju ni proteoglikanima ni kolagenima. Oni stupaju u interakciju s drugim makromolekulama da bi se formirala mreža u kojoj su ugrađene većine VKM molekula.

Anchorin, protein s masom od 34 kD, lokaliziran je na površini hondrocita i u staničnoj membrani, posreduje u interakciji između stanice i matrice. Zbog visokog afiniteta prema kolagenu II, može djelovati kao mehanoreceptor, koji emitira signal o promijenjenom pritisku na fibril kondrocita.

Fibronektin je sastavnica većine hrskavskih tkiva, malo drugačiji od fibronektina krvne plazme. Pretpostavlja se da fibronektin potiče integraciju matriksa međudjelovanjem sa staničnim membranama i ostalim sastojcima matriksa kao što je kolagen tip II i trombospondin. Fragmenti fibronektina negativno utječu na metabolizam hondrocita - inhibiraju sintezu agrekogena, stimuliraju kataboličke procese. U zglobnoj tekućini bolesnika s osteoartrozom utvrđena je visoka koncentracija fragmenata fibronektina, tako da mogu sudjelovati u patogenezi bolesti u kasnijim fazama. Vjerojatno, fragmenti drugih matričnih molekula koji se vežu na receptore hondrocita također imaju iste učinke.

Hrskavica oligomerni matrični protein (OMPH) - trombospondin član superfamilija je pentamer od pet jednakih podjedinica s molekulskom masom od oko 83 kD. Oni se nalaze u velikom broju u zglobnoj hrskavici, osobito u sloju proliferirajućih stanica u rastućem tkivu. Zato, možda, OMPCH sudjeluje u regulaciji rasta stanica. Na mnogo nižoj koncentraciji nalaze se u ECM zrelih zglobnih hrskavica. Matriksni proteini također se nazivaju:

• osnovni matriksni protein (36 kD), koji ima visok afinitet za hondrocite, može posredovati interakciju stanica u ECM, na primjer, tijekom remodeliranja tkiva;
• GP-39 (39 kD) izražava se u površinskom sloju zglobne hrskavice i u sinovijalnoj membrani (njezine funkcije su nepoznate);
• 21 kD protein je sintetiziran hipertrofiranim hondrocitima, djeluje u interakciji s kolagenom X-tipa, može funkcionirati u zoni "valne linije".

Osim toga, očito je da hondrociti izraziti ne-glikolizirani oblik male ne-agregirani proteoglikana u određenim fazama razvoja hrskavice i kod patoloških stanja, ali njihova specifična funkcija trenutačno proučava.

[12], [13], [14], [15], [16], [17]

Funkcionalna svojstva hrskavice zgloba

Molekule agregata daju zglobnoj hrskavici sposobnost da prođu reverzibilnu deformaciju. Oni pokazuju specifične interakcije unutar izvanstaničnog prostora i nesumnjivo igraju važnu ulogu u organizaciji, strukturi i funkciji ECM-a. U hrskavicama tkiva agarnih molekula dosežu koncentraciju od 100 mg / ml. U hrskavici Aggregan molekule su komprimirane na 20% volumena koje zauzimaju u otopini. Trodimenzionalna mreža koju formiraju kolagenski fibrili informira tkivo karakterističnog oblika i sprječava povećanje volumena proteoglikana. Unutar fiksne mreže kolagena proteoglikane nose veliki negativni električni naboj (koji sadrži veliku količinu anionske grupe), koja omogućuje interakciju s kationske grupe pokretnom tekućini. Interakcijom s vodom, proteoglikani daju takozvani tlak bubrenja, koji je neutraliziran kolagenskom mrežom.

Prisutnost vode u ECM je vrlo važna. Voda određuje volumen tkiva; povezana s proteoglikanima, osigurava otpornost na kompresiju. Osim toga, voda osigurava transport molekula i difuziju u ECM. Visoka gustoća negativnog naboja na velikim proteoglikanima fiksiranim u tkivu stvara "isključeni efekt volumena". Veličina pora intra-koncentrirane otopine proteoglikana toliko je mala da je difuzija velikih globularnih proteina u tkivo jako ograničena. VKM odbacuje male negativno napunjene (npr. Kloridne) i velike (poput albumina i imunoglobulina) proteina. Veličina stanica u gustu mrežu kolagenskih vlakana i proteoglikana samo usporedivim s dimenzijama neki anorganski molekula (npr, natrij i kalij, kalcij a).

U VKM-u je prisutna količina vode u kolagenskim fibrilima. Fizikalno-kemijska i biomehanička svojstva hrskavice određuju extrafibrilni prostor. Sadržaj vode u fibrilarnom prostoru ovisi o koncentraciji proteoglikana u extrafibrilnom prostoru i povećava se s smanjenjem koncentracije potonjeg.

Fiksni negativni naboj na proteoglikanima određuje ionski sastav ekstracelularnog medija koji sadrži slobodne katione u visokoj koncentraciji i slobodnim anionima u niskoj koncentraciji. Budući da se koncentracija molekula agregata uzdiže od površine do duboke zone hrskavice, ionsko okruženje tkiva mijenja. Koncentracija anorganskih iona u ECM daje visoki osmotski tlak.

Svojstva hrskavice kao materijala ovise o interakciji kolagenskih fibrila, proteoglikana i tekuće faze tkiva. Strukturne i promjene sastava zbog neusklađenosti između sintetičkih i katabolički procesi, i razgradnje makromolekula strane fizičke ozljede, značajno utjecati na svojstva materijala hrskavice i mijenjaju svoju funkciju. Budući da se koncentracija, distribucija i makromolekularna organizacija kolagena i proteoglikana razlikuju s dubinom zoni hrskavice, biomehanička svojstva svake zone variraju. Na primjer, površina s visokom koncentracijom kolagenskih vlakana raspoređenih tangencijalno u odnosu na niske koncentracije proteoglikana je najviše izražen neutralizirati istezanje svojstava dijeleći opterećenje jednoliko po površini tkiva. U prijelaznim i dubokim zonama, visoka koncentracija proteoglikana daje svojstvo tkiva do prijenosa kompresijskog opterećenja. Na razini „valovite linije” svojstva hrskavice materijala oštro razlikuju od mek nekaltsifitsirovannoy zone na tvrdi mineralizirane hrskavice. Na području "valovite linije" snaga tkiva osigurava kolagenska mreža. Pustoški fibrili ne prelaze hrskavice; u spoju snage osteochondral tkiva predviđen posebni kontura granica između zone nekaltsifitsirovannogo i kalcificirane hrskavice u obliku prsta kao izdanaka nepravilnog koja „zatvara” dva sloja i sprečava njihovo razdvajanje. Kalcificirani hrskavica je manje gusta od subhondralne kosti, tako da obavlja funkciju srednji sloj koji se omekša tlačnu opterećenje hrskavice i subhondralne kosti se prenosi.

Tijekom opterećenja dolazi do složene raspodjele tri sile - istezanje, smicanje i kompresiju. Artikularna matrica se deformira zbog protjerivanja vode (kao i metaboličkih proizvoda ćelija) iz zone opterećenja, povećava se koncentracija iona u međustaničnoj tekućini. Kretanje vode izravno ovisi o trajanju i čvrstoći primijenjenog opterećenja i odgađa se negativnim nabojem proteoglikana. U proteoglikana vrijeme deformacije tkiva čvršće pritisne jedni protiv drugih, čime se učinkovito povećava negativan gustoće naboja i inter-odbojne negativni naboj sile zauzvrat povećati otpornost na daljnje deformacije tkanine. Konačno deformacija dosegne ravnoteža, naznačen time, da su vanjske sile su uravnoteženi sile otpora unutarnje opterećenje - za bubrenje tlaka (interakciju s iona proteoglikana) i mehanička naprezanja (interakcija proteoglikana i kolagena). Kada je opterećenje uklonjeno, hrskavično tkivo dobiva svoj izvorni oblik usisavanjem vode zajedno s hranjivim tvarima. Početni (pred-opterećenje) tkivo oblik postiže se kada je pritisak bubrenja proteoglikana uravnotežen otporom mreže kolagena na njihovo širenje.

Biomehaničkog svojstva zglobne hrskavice temelje se na strukturni integritet tkanina - kolagenu proteoglikana pripravka kao čvrste faze i vode i iona u njemu otopljen kao tekuća faza. Iz tereta, hidrostatski tlak zglobne hrskavice je oko 1-2 atm. Ovaj hidrostatski tlak može se povećati in vivo na 100-200 atm. U milisekundama tijekom stajanja i do 40-50 atm tijekom hodanja. Studije in vitro su pokazala da je hidrostatski tlak 50-150 atm (fiziološkog) za kratko vrijeme dovodi do umjerenog rasta hrskavice anabolizma, 2 sata - dovodi do gubitka tekućine hrskavice, ali ne uzrokuju nikakve druge promjene. Ostaje pitanje kako brzo hondrociti reagiraju in vivo na ovu vrstu tereta.

Izazvan pad hidratacija zatim povećanjem koncentracije proteoglikana vodi privlačenju pozitivno nabijenih iona, kao što su H ⁺ i Na ⁺. To dovodi do promjene ukupnog sastava iona i pH vrijednosti ECM-a i kondrocita. Produljeno opterećenje uzrokuje smanjenje pH i istodobno smanjenje sinteze proteoglikana hondrocitima. Možda je utjecaj izvanstaničnog ionskog okruženja na sintetičke procese također djelomično povezan s njegovim učinkom na sastav ECM-a. Novo sintetizirane molekule agregata u slabo kiselom mediju kasnije nego u normalnim uvjetima, dozrijevaju se u agregirane oblike. Po mogućnosti, pad pH oko kondrocitima (na primjer, tijekom vježbanja) omogućuje više novo sintetizirane molekule agrekanski dosegne interterritorial matrice.

Kada je opterećenje uklonjeno, voda se vraća iz sinovijalne šupljine, noseći s njom hranjive tvari za stanice. Hrskavica utjecajem osteoartritisa, proteoglikana koncentracija je smanjena, prema tome, za vrijeme umetanja u vodi kreće ne samo okomito u sinovijalnoj šupljini, ali i u drugim smjerovima, čime se smanjuje snaga hondrocite.

Imobilizacija ili mala opterećenja dovodi do značajnog smanjenja u sintetičkim procesima hrskavica proteoglikana sadržaja i, dok je povećanje dinamičkog opterećenja dovodi do skromnih sintezu povećanje proteoglikana i sadržaja .. Intenzivnog vježbanja (20km dnevno za 15 tjedana) u pasa izazvalo promjenu u sadržaju proteoglikana osobito, oštro smanjenje njihove koncentracije u površinskoj zoni. Došlo je do reverzibilnog omekšavanja hrskavice i preoblikovanja subhondralne kosti. Veliko statičko opterećenje, međutim, uzrokovalo je oštećenje hrskavice i naknadnu degeneraciju. Osim toga, gubitak Aggrecan ECM pokreće abnormalne promjene karakteristične za osteoartrozu. Gubitak agrekana dovodi do privlačenja vode i oticanja preostale male količine proteoglikana. Ovo razrjeđivanje smanjuje agrekana lokalne fiksne gustoće naboja i na kraju dovodi do promjena u osmolarnost.