Osteoartrita: cum sunt aranjate cartilagiile articulare?

Cartilajul articular normal are două funcții principale: absorbția presiunii prin deformare în timpul efortului mecanic și asigurarea netedității suprafețelor articulare, ceea ce vă permite să minimalizați frecare atunci când vă mutați în articulație. Acest lucru este asigurat de structura unică a cartilajului articular, care constă din chondro-ita imersată în matricea extracelulară (ECM).

Cartilajul articular normal al unui adult poate fi împărțit în mai multe straturi sau zone: o zonă de suprafață sau tangențială, o zonă de tranziție, o zonă adâncă sau radială și o zonă calcificată. Stratul dintre zonele de suprafață și de tranziție și mai ales între zonele de tranziție și adâncime nu are limite clare. Legătura dintre cartilajul articular necalcificat și calcificat se numește "margine ondulată" - aceasta este linia determinată prin colorarea țesutului decalcifiat. Zona calcificată a cartilajului este o proporție relativ constantă (6-8%) în înălțimea totală a crescentelor. Grosimea totală a cartilajului articular, inclusiv zona cartilajului calcificat, variază în funcție de sarcina pe o anumită suprafață a suprafeței articulației și de tipul articulației. Presiunea hidrostatică intermitentă în osul subchondral joacă un rol important în menținerea structurii normale a cartilajului, încetinind osificarea.

Condrocitele constituie aproximativ 2-3% din masa țesutului total; în zona de suprafață (tangențială), acestea sunt situate de-a lungul și în zona adâncă (radială) - perpendiculară pe suprafața cartilajului; în zona de tranziție, condrocitele formează grupuri de 2-4 celule împrăștiate în matrice. În funcție de zona cartilajului articular, densitatea locației condrocitelor variază - cea mai mare densitate celulară din zona de suprafață, cea mai mică din cea calcifiată. În plus, densitatea distribuției celulare variază de la articulație la articulație, este invers proporțională cu grosimea cartilajului și cu încărcătura experimentată de locul său corespunzător.

Coordonatele cele mai superficiale sunt în formă de disc și formează în zona tangențială mai multe straturi de celule situate sub o bandă îngustă de matrice; Celulele situate în adâncime din această zonă au tendința de a avea mai multe contururi neuniforme. În zona de tranziție, condrocitele au o formă sferică, uneori sunt combinate în grupuri mici împrăștiate în matrice. Condrocitele din zona profundă sunt predominant în formă elipsoidală, grupate în lanțuri dispuse radial de 2-6 celule. În zona calcificată ele sunt distribuite și mai puțin; unele dintre ele sunt necrotice, deși cele mai multe sunt viabile. Celulele sunt înconjurate de o matrice necalcificată, spațiul intercelular este calcificat.

Astfel, cartilajul uman articular este format din ECM hidratat și celulele scufundate în el, care constituie 2-3% din volumul total de țesut. Deoarece țesutul cartilaginos nu are vase sanguine și limfatice, interacțiunea dintre celule, furnizarea de nutrienți către ele, îndepărtarea produselor metabolice se realizează prin difuzie prin ECM. În ciuda faptului că condrocitele metabolice sunt foarte active, ele nu se împart în mod obișnuit la adulți. Condrocitele există într-un mediu lipsit de oxigen, și cred că metabolismul lor este efectuat în mod predominant anaerob.

Fiecare chondrocite este considerată ca o unitate metabolică separată a cartilajului, izolată de celulele vecine, dar responsabilă de producerea de elemente VKM în imediata vecinătate a celulei date și de menținerea compoziției acesteia.

Aparatul video emit trei secțiuni, fiecare dintre care are structura morfologică unică și compoziția biochimică specifică. VCR direct adiacent membranei kbazalnoy condrocitelor, numită pericelulare, ililakunarnym, matricea. Aceasta se caracterizează prin interacțiunea celulară legate de conținut ridicat de acid hialuronic de agregate de proteoglicani cu receptori CD44 cum ar fi, și lipsa relativă a fibrilelor de colagen organizate. În contact direct cu matrice pericelulare teritoriale sau capsulară, o matrice care constă dintr-o rețea de intersectându colageni fibrilare, care încapsulează celulele individuale sau (uneori) un grup de celule care formează hondron, și este probabil să ofere un sprijin special mecanic pentru celule. Contactați matricea condrocitelor cu capsular realizat prin numeroase procese citoplasmatice bogate în microfilamente și prin moleculele matricei specifice, cum ar fi receptorii CD44-ankorin și podobnye. Cea mai mare și cea mai îndepărtată de membrana bazală ECM separat condrocitele - matricea interteritoriale care conține cel mai mare număr de fibrile de colagen și proteoglicani.

Diviziunea ECM în departamente este mai clar delimitată în cartilajul articular al unui adult decât în cartilajul articular imatur. Dimensiunea relativă a fiecărui departament variază nu numai în articulații diferite, ci și în același cartilaj. Fiecare chondrocite produce o matrice care o înconjoară. Studii Arhivat maturi condrocite de control metabolic activ cartilagii reportează matricilor lor pericelulare teritoriale sunt un control mai puțin active matrice interteritorială, care poate fi metabolic „inert“.

Așa cum am menționat mai devreme, cartilajului articular constă în principal din ECM extinse, sintetizate și reglementate de condrocite. Macromolecule de țesuturi și concentrațiile acestora variază pe tot parcursul vieții pentru a răspunde cerințelor în schimbare funcționale. Cu toate acestea, este încă neclar: celule sintetizează întreaga matrice în același timp sau la anumite faze, în conformitate cu necesitățile fiziologice. Concentrația de macromolecule, echilibrului metabolic între ele, definesc relația și proprietățile biochimice interacțiune, și, prin urmare, funcția cartilajului articular în cadrul unei articulații. Componenta principală a adultului VCR cartilajului articular este apa (65-70% din masa totală), care este conectată ferm în acesta prin intermediul unor proprietăți fizice speciale ale macromoleculelor cartilajului țesut cuprinzând colagenii, proteoglicanii și glicoproteinele necolagenice.

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

Compoziția biochimică a cartilajului

Fibrele de colagen constau din molecule de proteine fibrilare de colagen. La mamifere, proporția de colagen reprezintă un sfert din toate proteinele din organism. Colagenul formează elemente fibrilare (fibrile de colagen), constând din subunități structurale, numite tropocollagen. Molecula tropocollagene are trei lanțuri care formează o triplă helix. O astfel de structură a moleculei tropocollagen, precum structura fibrelor de colagen, atunci când aceste molecule sunt aranjate în paralel pe direcția longitudinală, cu o deplasare constantă de aproximativ 1/4 din lungimea și de a asigura o elasticitate ridicată și rezistență a țesuturilor în care sunt localizate. În prezent, sunt cunoscute 10 tipuri de colagen genetic diferite, care diferă în structura chimică a lanțurilor a și / sau colectarea lor în moleculă. Cele mai studiate primele patru tipuri de colagen sunt capabile să formeze până la 10 izoforme moleculare.

Fibrele de colagen fac parte din spațiul extracelular al majorității tipurilor de țesut conjunctiv, inclusiv țesutul cartilaginos. În cadrul rețelei tridimensionale insolubile, alte componente mai solubile, cum ar fi proteoglicanii, glicoproteinele și proteinele specifice țesuturilor, sunt "încurcate" de fibrilele de colagen care se prăbușesc; uneori sunt legați covalent de elementele de colagen.

Moleculele de colagen organizate în fibrile constituie aproximativ 50% din reziduul organic uscat al cartilajului (10-20% din cartilajul nativ). În cartilajul matur, aproximativ 90% din colageni sunt colageni de tip II, care se găsesc numai în anumite țesuturi (de exemplu, măduva spinării, măduva spinării embrionare). Colagenul tip II se referă la prima clasă (formarea fibrililor) a moleculelor de colagen. În plus față de el, în cartilajul articular matur al unei persoane colagen IX, tip XI și într-un număr mic de tip VI sunt, de asemenea, găsite. Cantitatea relativă de fibre colagen IX de tip în fibrile de colagen scade de la 15% în cartilajul fătului la aproximativ 1% în cartilajul matur al taurului.

Moleculele de tip colagen I constau din trei lanțuri polipeptidice a, (II) identice, sintetizate și secretate sub formă de precursor precollagen. Odată ce moleculele de colagen sunt deja eliberate în spațiul extracelular, ele formează fibrile. În colagenul articular matur de tip II se formează arcade fibrilare, în care moleculele mai "groase" sunt localizate în straturi profunde de țesut și mai "subțiri" - orizontal în straturile superficiale.

În gena procolagene de tip II, a fost găsit un exon care codifică o propeptidă N-terminală bogată în cisteină. Acest exon nu este exprimat în cartilajul matur, ci în stadiile incipiente de dezvoltare (prechondrogenesis). Datorită prezenței acestui exon, molecula de tip procollagen II (tip II A) este mai lungă decât colagenul de tip II. Probabil, expresia acestui tip de procolagen inhibă acumularea de elemente în ECM a cartilajului articular. Poate juca un rol în dezvoltarea patologiei cartilajelor (de exemplu, răspunsul reparativ inadecvat, formarea osteofitelor etc.).

O rețea de fibrile de colagen de tip II asigură o funcție de rezistență la tracțiune și este necesară pentru menținerea volumului și a formei țesutului. Această funcție este îmbunătățită prin legarea covalentă și reticulare între moleculele de colagen. În VKM, enzima liziloxidază formează o aldehidă din hidroxilizină, care este apoi transformată într-o hidroxilisil-piridinolină aminoacidă multivalentă, care formează legături încrucișate între lanțuri. Pe de o parte, concentrația acestui aminoacid crește odată cu vârsta, însă, în cartilajul matur, practic nu se schimbă. Pe de altă parte, în cartilajul articular, se observă o creștere a concentrației de legături încrucișate de diferite tipuri, formate fără participarea enzimelor, cu vârsta.

Aproximativ 10% din cantitatea totală de țesut de cartilagiu de colagen sunt așa-numitele colagene minore, care determină în multe privințe funcția unică a acestui țesut. Colagenul de tip IX apartine molecule de clasa III korotkospiralnyh și grup unic FACIT-colagen (fibrilelor-Asociat cu colagen triple intrerupte -helices - colagen asociate cu fibrila de triplu helix întreruptă). Se compune din trei lanțuri diferite din punct de vedere genetic. Unul dintre ei - un lanț ₂ - este glicozilat simultan cu sulfatul de condroitină, ceea ce face ca această moleculă să fie simultan proteoglican. Între segmentele spiralului tip colagen IX și colagenului de tip II, sunt detectate ambele legături încrucișate mature și imature de hidroxi-piridină. Colagenul IX poate funcționa, de asemenea, ca un "conector" (sau punte) intermolecular-interfibrillar între fibrile colagen adiacente. Molecule de colagen IX forma reticulări între ele, ceea ce mărește stabilitatea mecanică a rețelei fibrilare tridimensională și îl protejează de expunerea la enzime. Ele oferă, de asemenea, rezistență la deformare, limitând umflarea proteoglicanilor în rețea. De asemenea , molecula de colagen IX anionică CS-lanț conține domeniu cationic informând fibrila de încărcare mare și tendința de a interacționa cu alte macromolecule matriciale.

Tipul de colagen XI este de numai 2-3% din masa totală de colagen. Acesta aparține clasei întâi (care formează fibrile) de colagen și constă din trei lanțuri diferite. Împreună cu tipurile de colagen II și IX, colagenul tip X formează fibrile heterotice ale cartilajului articular. Moleculele de tip colagen XI se găsesc în fibrilele de colagen de tip II cu ajutorul imunoelectromicroscopiei. Poate că organizează molecule de colagen de tip II, controlând creșterea laterală a fibrilelor și determinând diametrul fibrilei colagenului heterotypic. În plus, colagenul XI este implicat în formarea legăturilor încrucișate, dar chiar și în cartilajul matur, legăturile transversale rămân sub formă de cetoamine divalente imature.

O cantitate mică de colagen de tip VI, un alt reprezentant din clasa III a moleculelor de scurtă durată, a fost găsită în cartilajul articular. Colagenul tip VI formează diverse microfibrili și, eventual, este concentrat în matricea capsulară a chondronului.

Proteoglicanii sunt proteine la care cel puțin o catenă de glicozaminoglican este atașată covalent. Proteoglicanii aparțin uneia dintre cele mai complexe macromolecule biologice. Proteoglicanii cei mai extinși sunt prezenți în cartilajul VKM. "Încurcate" în interiorul rețelei de fibre de colagen, proteoglicanii hidrofilici își îndeplinesc funcția principală - ei informează cartilajul despre capacitatea de a deforma în mod reversibil. Se crede că proteoglicanii îndeplinesc o serie de alte funcții, ale căror esențe nu sunt complet clare.

Aggrecan este principalul proteoglican al cartilajului articular: este de aproximativ 90% din masa totală a proteoglicanilor din țesut. Proteina sa de bază de 230 kD este glicozilată de un număr de lanțuri glicozaminoglican legate covalent, precum și oligozaharide N-terminale și C-terminale.

Lanț glicozaminoglican cartilajului articular, care constituie circa 90% din totalul macromoleculelor de greutate - sulfat de keratan (reprezentând secvența din dizaharid sulfatate N-atsetilglyukozamingalaktoza multiple porțiuni sulfatate și alte reziduuri de monozaharide, cum ar fi acidul sialic) și sulfat de condroitină (reprezentând secvența din dizaharid N-acetilgalactozamină, acid glucuronic, sulfat ester, fiecare conectat la a patra sau la atomul de carbon al șaselea N-atsetilg lactozaminei).

Miezul agregatului conține trei domenii interglobulare (E1 și E2) globulare (G1, G2, G3) h. Regiunea N-terminală conține domeniile G și G2 separate printr-un segment E1 de lungime de 21 nm. C3-domeniu situat la capătul C-terminal, separat de G ₂ mai (circa 260 nm) , segmentul E2 care poartă mai mult de 100 de lanțuri condroitin sulfat de aproximativ 15-25 lanțuri sulfat de keratan și oligozaharide O-legate. Oligozaharide găsite în principal în cadrul domeniului G1- și C2 și E1-segment, precum și în apropierea G N-legat ₃ -regiona. Glicozaminoglicani sunt grupate în două regiuni: cel mai extins (așa-numita regiune bogată în condroitin sulfat) lanț cuprinde sulfat de condroitină și aproximativ 50% din ghirlandele sulfat keratan. Regiune bogată în sulfați , keratan, localizate la E ₂ -segmente aproape G1-domeniu precede o regiune bogată în sulfați condroitin. Moleculele Aggregan conțin, de asemenea, esteri de fosfat, localizați în principal pe resturile de xiloză, care leagă lanțurile de sulfat de condroitină la proteina de bază; ele se găsesc, de asemenea, pe resturile serice ale proteinei de bază.

Segmentul C-terminal _{al domeniului} C3 este foarte omolog cu lectina, astfel încât moleculele de proteoglican pot fi fixate în ECM prin legarea la anumite structuri de hidrocarburi.

Studii recente au descoperit un exon care codifică (factorul de creștere epidermal) ca EGF, sub-domeniu în cadrul G ₃. Folosind anticorpi policlonali anti-EGF, un epitop asemănător EGF a fost localizat într-o peptidă de 68 kD în agregatul cartilajului articular uman. Cu toate acestea, funcțiile sale necesită clarificare. Acest subdomeniu se regăsește și în structura moleculelor de adeziune care controlează migrarea limfocitelor. Doar aproximativ o treime din moleculele de agrecan izolate din cartilajul articular uman matur conțin C intacte ₃ domenii; probabil acest lucru se datorează faptului că în ECM, moleculele de agregan pot fi reduse în dimensiune prin calea enzimelor. Stilul și funcția suplimentară a fragmentelor divizate nu sunt cunoscute.

Principalul segment funcțional este o molecula agrecan glikozaminoglikannesuschy E ₂ -segment. Site-ul, bogat în sulfați de keratan, conține aminoacizii prolină, serină și treonină. Majoritatea serina și treonina reziduuri de resturi de O-glicozilate-N atsetilgalaktozaminovymi, ele declanșează sinteza anumitor oligozaharide, care sunt încorporate în lanțurile de sulfat keratan, prelungind astfel ele. Restul E ₂ -segmenta conține mai mult de 100 de secvențe serină-glicină, în care seria oferă atașament ksilozilnym la reziduurile de la începutul lanțurilor condroitin sulfat. Tipic și condroitin-6-sulfat și condroitin-4-sulfat există simultan în aceleași molecule proteoglican ale raportului variază în funcție de localizarea cartilajului și vârsta persoanei.

Structura moleculelor aggrecan în matricea cartilajului articular al unei persoane suferă o serie de modificări în procesul de maturare și îmbătrânire. Modificările legate de îmbătrânire includ o scădere a mărimii hidrodinamice ca urmare a modificărilor în lungimea medie a lanțului sulfat de condroitină, o creștere a numărului și lungimii lanțurilor de sulfat de keratan. Un număr de modificări în molecula agreganului suferă, de asemenea, acțiunea enzimelor proteolitice (de exemplu, agreganază și stromelizină) asupra proteinei de bază. Aceasta conduce la o scădere progresivă a lungimii medii a proteinei de bază a moleculelor de agregan.

Moleculele Aggrecan sunt sintetizate prin condrocite și secretate în ECM, unde formează agregate stabilizate de molecule de proteine de legare. Această agregare include interacțiuni necovalente și cooperative foarte specifice între filamentul acidului glucuronic și aproape 200 de molecule de agregani și proteine de legare. Acidul glucuronic este un glicozaminoglican liniar extracelular, nesulfonat, cu o greutate moleculară mare, constând dintr-un număr de molecule legate secvențial de N-acetilglucamină și acid glucuronic. Buclele cuplate ale domeniului G1 al agrecanului interacționează reversibil cu cinci dizaharide de acid hialuronic dispuse consecutiv. Proteina de legare, care conține bucle asemănătoare (înalt omoloage) pereche, interacționează cu domeniul C1 și molecula de acid hialuronic și stabilizează structura agregatului. Complexul de proteină care leagă acidul hialuronic de domeniu C1 formează o interacțiune extrem de stabilă care protejează domeniul G1 și proteina de legare de acțiunea enzimelor proteolitice. S-au identificat două molecule ale unei proteine de legare cu o greutate moleculară de 40-50 kD; ele diferă unele de altele în ceea ce privește gradul de glicozilare. Numai o moleculă a proteinei de legare este prezentă la locul de legare a acidului hialuronic-agregan. A treia moleculă mai mică a proteinei de legare este formată din proteine mai mari prin clivare proteolitică.

Aproximativ 200 de molecule de agregan se pot lega de o moleculă de acid hialuronic pentru a forma un agregat de lungime de 8 μm. Matricea asociată celulei care constă din diviziunile pericelulare teritoriale și agregate păstrează relația lor cu celulele de legare (prin acid hialuronic fir) cu receptori SD44 similar pe membrana celulelor.

Formarea agregatelor în ECM este un proces complex. Moleculele nou-sintetizate de agregan nu manifestă imediat capacitatea de a se lega de acidul hialuronic. Acest lucru poate servi ca un mecanism de reglementare care să permită moleculelor noi sintetizate să ajungă în zona interteritorială a matricei înainte de a fi imobilizate în agregate mari. Numărul de molecule de agregan nou sintetizat și proteine de legare capabile de a forma agregate prin interacțiunea cu acidul hialuronic scade semnificativ odată cu vârsta. În plus, cu vârsta, dimensiunea agregatelor izolate de la cartilajul articular al unei persoane este semnificativ redusă. Aceasta se datorează în parte scăderii lungimii medii a moleculelor de acid hialuronic și molecule de agregan.

Există două tipuri de agregate în cartilajul articular. Dimensiunea medie a agregatelor de primul tip este de 60 S, iar agregatele de tipul al doilea (precipitând rapid "superagregatele") sunt 120 S. Acesta din urmă este caracterizat printr-o abundență de molecule a proteinei de legare. Prezența acestor super-agregate joacă, probabil, un rol important în funcționarea țesutului; în timpul refacerii țesutului după imobilizarea unui membru în straturile de mijloc ale cartilajului articular găsi concentrații mai mari la nivelul articulațiilor afectate cu osteoartrita, dimensiunile lor sunt foarte reduse în stadiile incipiente ale bolii.

În plus față de agregan, cartilajul articular conține un număr de proteoglicani mai mici. Biglikan și decorin, moleculele purtând sulfați dermatan au o masă moleculară de aproximativ 100 și respectiv 70 kD; masa proteinelor lor de bază este de aproximativ 30 kD.

Cartilajului articular al moleculei biglycan uman conține două lanțuri dermatan sulfat, în timp ce apar mai frecvent decorin - doar unul. Aceste molecule sunt doar o mică parte a proteoglicanilor în cartilajului articular, deși ele pot fi, de asemenea, o mulțime, precum și agregate mari de proteoglicani. Proteoglicanii mici interacționează cu alte macromolecule în ECM, inclusiv fibrile de colagen, fibronectina, factori de creștere, și altele. Decorin localizate inițial pe suprafața fibrelor de colagen si inhiba fibrilogeneza colagen. Rod păstrat ferm proteina cu un domeniu de legare celulară a fibronectinei, deci probabil inhibarea legării acesteia la receptorii de suprafață celulară (integrine). Datorită faptului că ambele decorin și se leagă la fibronectină și biglycan inhiba adeziunea și migrarea celulară, precum și formarea de trombi, ei sunt capabili de a inhiba procesele de reparare a țesutului.

Fibromodulina din cartilajul articular este un proteoglican cu o masă moleculară de 50-65 kD, asociată cu fibrila de colagen. Proteina sa de bază, omologă cu proteinele de bază ale decorului și bigakana, conține o cantitate mare de reziduuri de sulfat de tirozină. Această formă glicozilată de fibromodulină (denumită anterior o proteină de matrice de 59 kD) poate participa la reglarea formării și menținerii structurii fibrilelor de colagen. Fibromodulina și decorina sunt localizate pe suprafața fibrilelor de colagen. Astfel, după cum sa arătat anterior, creșterea diametrului fibrei ar trebui să fie precedată de îndepărtarea selectivă a acestor proteoglicani (precum și a moleculelor de tip IX de colagen).

Celulele articulare conțin o serie de proteine în VKM, care nu aparțin fie proteoglicanilor, fie colagenilor. Ei interacționează cu alte macromolecule pentru a forma o rețea în care sunt încorporate majoritatea moleculelor VKM.

Anchorina, o proteină cu o masă de 34 kD, este localizată pe suprafața condrocitelor și în membrana celulară, mediază interacțiunea dintre celulă și matrice. Datorită afinității sale înalte pentru colagenul de tip II, poate acționa ca un mecanoreceptor, care transmite un semnal despre presiunea schimbată pe fibrilul condrocitului.

Fibronectina este o componentă a celor mai multe țesuturi cartilaginoase, ușor diferite de fibronectina din plasma sanguină. Se sugerează că fibronectina promovează integrarea matricei prin interacțiunea cu membranele celulare și cu alți constituenți ai matricei cum ar fi colagenul de tip II și trombospondin. Fragmentele fibronectinei afectează negativ metabolismul condrocitelor - inhibă sinteza agreganului, stimulează procesele catabolice. În fluidul comun al pacienților cu osteoartroză, a fost găsită o concentrație ridicată de fragmente de fibronectină, astfel încât acestea să poată participa la patogeneza bolii în etapele ulterioare. Probabil, fragmentele altor molecule de matrice care se leagă de receptorii condrocitelor au, de asemenea, aceleași efecte.

Proteina de matrice oligomerică cartilagiană (OMPC), membru al superfamiliei trombospondinei, este un pentamer cu cinci subunități identice cu o greutate moleculară de aproximativ 83 kD. Acestea se găsesc în număr mare în cartilajul articular, în special în stratul de celule proliferative din țesutul în creștere. Prin urmare, poate, OMPCH participă la reglementarea creșterii celulare. La o concentrație mult mai scăzută, acestea se găsesc în ECM a cartilajului articular matur. Proteinele matrice sunt de asemenea menționate ca:

• proteina de matrice de bază (36 kD), care are o afinitate ridicată pentru condrocite, poate media interacțiunea celulelor în ECM, de exemplu, în timpul remodelarea țesutului;
• GP-39 (39 kD) este exprimată în stratul de suprafață al cartilajului articular și în membrana sinovială (funcțiile sale sunt necunoscute);
• Proteina de 21 kD este sintetizată prin condrocite hipertrofiate, interacționează cu colagen de tip X, poate funcționa în zona "liniei de undă".

În plus, este evident că chondrocytes exprimă o formă non-glicozilată proteoglicanilor mici neagregate în anumite etape ale dezvoltării cartilajelor și în stări patologice, dar funcția lor specifică este studiată în prezent.

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

Proprietățile funcționale ale cartilajului articulației

Moleculele de agregan conferă cartilajului articular capacitatea de a suferi deformări reversibile. Ele demonstrează interacțiuni specifice în spațiul extracelular și, fără îndoială, joacă un rol important în organizarea, structura și funcția ECM. În moleculele agregate de țesut cartilaginos ajunge la o concentrație de 100 mg / ml. În cartilaj, moleculele Aggregan sunt comprimate la 20% din volumul pe care îl ocupă în soluție. O rețea tridimensională formată din fibrile de colagen informează țesutul cu forma sa caracteristică și previne creșterea volumului de proteoglicani. În interiorul rețelei de colagen, proteoglicanii imobili poartă o sarcină electrică negativă mare (conțin un număr mare de grupări anionice), ceea ce permite interacțiunea cu grupurile cationice mobile ale fluidului interstițial. Interacționând cu apă, proteoglicanii asigură așa-numita presiune de umflare, care este contracarată de rețeaua de colagen.

Prezența apei în ECM este foarte importantă. Apa determină volumul de țesut; asociat cu proteoglicani, oferă rezistență la compresie. În plus, apa asigură transportul moleculelor și difuzia în ECM. Densitatea mare a sarcinii negative pe proteoglicanii mari fixați în țesuturi creează un "efect de volum exclutat". Dimensiunea porilor soluției intra-concentrate de proteoglicani este atât de mică încât difuzia proteinelor globulare mari în țesut este sever restricționată. VKM respinge mici încărcate negativ (de exemplu, ioni de clor) și proteine mari (cum ar fi albumina și imunoglobulinele). Mărimea celulelor dintr-o rețea densă de fibriluri și proteoglicani de colagen este comensurabilă numai cu dimensiunile unor molecule anorganice (de exemplu sodiu și potasiu, dar nu și calciu).

În VKM, o anumită cantitate de apă este prezentă în fibrile de colagen. Proprietățile fizico-chimice și biomecanice ale cartilajului determină spațiul extrafibril. Conținutul de apă din spațiul fibrilar depinde de concentrația proteoglicanilor din spațiul extrafibril și crește odată cu scăderea concentrației acestuia din urmă.

Încărcarea negativă fixă pe proteoglicani determină compoziția ionică a mediului extracelular care conține cationi liberi în concentrație ridicată și anioni liberi în concentrație scăzută. Deoarece concentrația moleculelor de agregan se ridică de la suprafață până la zona profundă a cartilajului, mediul ionic al țesutului se schimbă. Concentrația ionilor anorganici din ECM produce o presiune osmotică ridicată.

Proprietățile cartilajului ca material depind de interacțiunea fibrililor de colagen, a proteoglicanilor și a fazei lichide a țesutului. Modificările structurale și compoziționale datorită nepotrivirii dintre sintetice și procesele catabolice, și degradarea macromoleculelor prin vătămare fizică, afectează în mod semnificativ proprietățile materiale ale cartilajului si altera funcția. Deoarece concentrația și distribuția organizației macro moleculare a proteoglicanilor și colageni variază în funcție de adâncimea zonei de cartilaj variază proprietățile biomecanice ale fiecărei zone. De exemplu, suprafața cu concentrația ridicată de fibrile de colagen dispuse tangențial în raport cu concentrația scăzută a proteoglicanilor are cea mai pronunțată contracarează întindere proprietăți, distribuind încărcătura uniform pe suprafața țesutului. În zonele de tranziție și adâncime, o concentrație ridicată de proteoglicani conferă o proprietate tisulară transferului încărcăturii de comprimare. La nivelul „linii ondulate“ proprietățile materialului cartilaj variază foarte mult de la zona nekaltsifitsirovannoy supla la un cartilaj mineralizat greu. În zona "liniei ondulate", rezistența țesutului este asigurată de rețeaua de colagen. Fibrele cartilaginoase nu traversează părțile cartilaginoase; în compusul tăriei țesut osteocartilaginoase este furnizat de contururi speciale de demarcație între zonele nekaltsifitsirovannogo și cartilajul calcificat sub forma de outgrowths-degete neregulate, care „închide“ două straturi și împiedică separarea lor. Cartilaj calcificat este mai puțin dens decât osul subcondral, deci îndeplinește funcția de un strat intermediar care înmoaie sarcina de compresiune asupra cartilajului și osului subcondral transmite.

În timpul încărcării, are loc o distribuție complexă a trei forțe - întindere, forfecare și comprimare. Matricea articulară este deformată datorită expulzării apei (precum și a produselor metabolice ale celulelor) din zona de încărcare, concentrația de ioni în fluidul interstițial crește. Mișcarea apei depinde în mod direct de durata și puterea încărcăturii aplicate și este întârziată de sarcina negativă a proteoglicanilor. In timpul proteoglicanii deformare tesut mai strans presate una de alta, prin aceasta sporind efectiv densitatea de sarcină negativă și forțele de sarcină negativă repulsive intermoleculare la rândul său, crește rezistența la deformare suplimentară a țesăturii. In cele din urma deformare ajunge la echilibru, în care forțele exterioare sunt forțe de rezistență la sarcină interne echilibrate - umflare a presiunii (interacțiunea cu ioni proteoglicani) și stresul mecanic (proteoglicani interacțiune și colageni). Când se elimină sarcina, țesutul cartilaginos își dobândește forma originală prin aspirarea apei împreună cu substanțele nutritive. Forma tisulară inițială (preîncărcare) se realizează atunci când presiunea de umflare a proteoglicanilor este echilibrată de rezistența rețelei de colagen la răspândirea lor.

Proprietățile biomecanice ale cartilajului articular se bazează pe integritatea structurală a țesăturii - compoziția de colagen proteoglican ca o fază solidă și apă și ionii dizolvat în acesta ca fază lichidă. Din sarcină, presiunea hidrostatică a cartilajului articular este de aproximativ 1-2 atm. Această presiune hidrostatică poate crește in vivo la 100-200 atm. în milisecunde în timpul staționării și până la 40-50 atm în timpul mersului pe jos. Studiile in vitro au arătat că presiunea hidrostatică a 50-150 atm (fiziologic) pentru o perioadă scurtă de timp , duce la o creștere moderată a anabolismului cartilaj, timp de 2 ore - duce la pierderea de cartilagiu lichid, dar nu cauzeaza alte modificări. Întrebarea rămâne cât de repede condrocitele reacționează in vivo la acest tip de sarcină.

Reducerea reducerii hidratării cu creșterea ulterioară a concentrației de proteoglicani conduce la atragerea ionilor încărcați pozitiv, cum ar fi H ⁺ și Na ⁺. Aceasta duce la o modificare a compoziției ionice totale și a pH-ului ECM și a condrocitelor. Încărcarea prelungită determină o scădere a pH-ului și o scădere simultană a sintezei proteoglicanilor de către condrocite. Poate că influența mediului ionic extracelular asupra proceselor sintetice este, de asemenea, parțial legată de efectul său asupra compoziției ECM. Noile molecule sintetizate de agregan într-un mediu slab acid, mai târziu decât în condiții normale, se coagulează în forme agregate. Este posibil ca o scădere a pH-ului în jurul condrocitelor (de exemplu, în timpul unei sarcini) să permită mai multor molecule agregate nou sintetizate să ajungă la matricea interteritorială.

Când se elimină sarcina, apa revine din cavitatea sinovială, transportând cu ea substanțe nutritive pentru celule. Cartilajul afectat cu osteoartrita, concentrația de proteoglican este redus, prin urmare, timpul de încărcare apă se mișcă nu numai pe verticală în cavitatea sinovială, dar și în alte direcții, reducând astfel condrocite de putere.

Imobilizarea sau de sarcină mică duce la o scădere marcată în procesele sintetice de conținut cartilaj proteoglicanului și, în timp ce creșterea de sarcină dinamică conduce la o sinteză și conținut de creștere de proteoglicani modestă .. Efort fizic intens (20 km pe zi , timp de 15 săptămâni) la câini a determinat o modificare a conținutului de proteoglicani în special, o scădere accentuată a concentrației acestora în zona de suprafață. A existat o înmuiere reversibilă a cartilajului și remodelarea osului subcondral. O sarcină statică mare, cu toate acestea, a cauzat deteriorarea cartilajului și degenerarea ulterioară. În plus, pierderea Aggrecan ECM inițiază modificări anormale caracteristice pentru osteoartroză. Pierderea agreganului duce la atragerea apei și umflarea cantității mici de proteoglicani rămași. Această dizolvare a agreganei ajută la reducerea densității încărcării fixe locale și, în cele din urmă, duce la o schimbare a osmolarității.