Osteoartritis: kako je organiziran sklepni hrustanec?

Normalni sklepni hrustanec opravlja dve glavni funkciji: absorbira pritisk z deformacijo med mehansko obremenitvijo in zagotavlja gladkost sklepnih površin, kar omogoča zmanjšanje trenja med gibanjem sklepov. To zagotavlja edinstvena struktura sklepnega hrustanca, ki jo sestavljajo hondroitini, potopljeni v zunajcelični matriks (ECM).

Normalni sklepni hrustanec pri odraslih lahko razdelimo na več plasti ali con: površinsko ali tangencialno cono, prehodno cono, globoko ali radialno cono in kalcificirano cono. Plast med površinsko in prehodno cono ter zlasti med prehodno in globoko cono nima jasnih meja. Stičišče med nekalcificiranim in kalcificiranim sklepnim hrustancem se imenuje "valovita meja" - črta, ki je vidna pri barvanju dekalcificiranega tkiva. Kalcificirana cona hrustanca predstavlja relativno konstanten delež (6-8 %) celotne višine prečnega prereza hrustanca. Skupna debelina sklepnega hrustanca, vključno s cono kalcificiranega hrustanca, se spreminja glede na obremenitev določenega območja sklepne površine in na vrsto sklepa. Prekinjeni hidrostatični tlak v subhondralni kosti igra pomembno vlogo pri ohranjanju normalne strukture hrustanca z upočasnjevanjem osifikacije.

Hondrociti predstavljajo približno 2-3 % celotne mase tkiva; v površinski (tangencialni) coni se nahajajo vzdolž, v globoki (radialni) coni pa pravokotno na površino hrustanca; v prehodni coni hondrociti tvorijo skupine po 2-4 celice, razpršene po matriksu. Gostota hondrocitov se razlikuje glede na cono sklepnega hrustanca - največja gostota celic je v površinski coni, najmanjša pa v kalcificirani coni. Poleg tega se gostota porazdelitve celic razlikuje od sklepa do sklepa in je obratno sorazmerna z debelino hrustanca in obremenitvijo, ki jo doživlja ustrezno območje.

Najbolj površinsko locirani hondrociti so diskoidni in tvorijo več plasti celic v tangencialni coni, ki se nahaja pod ozkim pasom matriksa; globlje locirane celice te cone imajo običajno bolj neenakomerne obrise. V prehodni coni so hondrociti okrogli, včasih se združujejo v majhne skupine, raztresene po matriksu. Hondrociti globoke cone so pretežno elipsoidne oblike, združeni v radialno locirane verige od 2 do 6 celic. V kalcificirani coni so razporejeni še bolj redko; nekateri so nekrotični, večina pa je sposobnih preživetja. Celice so obdane z nekalcificiranim matriksom, medcelični prostor je kalcificiran.

Človeški sklepni hrustanec je torej sestavljen iz hidriranega zunajceličnega materinega telesa (ECM) in celic, ki so vanj potopljene, kar predstavlja 2–3 % celotnega volumna tkiva. Ker hrustančno tkivo nima krvnih ali limfnih žil, se interakcija med celicami, dostava hranil do njih in odstranjevanje presnovnih produktov izvajajo z difuzijo skozi zunajcelični materini telesni...

Vsak hondrocit velja za ločeno presnovno enoto hrustanca, izolirano od sosednjih celic, vendar odgovorno za proizvodnjo elementov zunajcelične mase (ECM) v neposredni bližini darovane celice in vzdrževanje njene sestave.

Zemljecelični matriks (ECM) je razdeljen na tri dele, vsak z edinstveno morfološko strukturo in specifično biokemijsko sestavo. Zemljecelični matriks, ki neposredno meji na bazalno membrano hondrocitov, se imenuje pericelularni ali lakunarni matriks. Zanj je značilna visoka vsebnost agregatov proteoglikanov, povezanih s celico z interakcijo hialuronske kisline z receptorji, podobnimi CD44, in relativna odsotnost organiziranih kolagenskih fibril. Neposredno ob pericelularnem matriksu je teritorialni ali kapsularni matriks, ki ga sestavlja mreža sekajočih se fibrilarnih kolagenov, ki obdaja posamezne celice ali (včasih) skupine celic in tvori hondron, ter verjetno zagotavlja specializirano mehansko oporo celicam. Stik hondrocitov s kapsularnim matriksom se doseže s številnimi citoplazemskimi procesi, bogatimi z mikrofilamenti, pa tudi s specifičnimi molekulami matriksa, kot so ankorin in receptorji, podobni CD44. Največji in najbolj oddaljen del ZEM od bazalne membrane hondrocitov je interteritorialni matriks, ki vsebuje največje število kolagenskih fibril in proteoglikanov.

Delitev zunajcelične mase (ECM) na predelke je pri odraslem sklepnem hrustancu jasneje opredeljena kot pri nezrelem sklepnem hrustancu. Relativna velikost vsakega predelka se razlikuje ne le med sklepi, temveč celo znotraj istega hrustanca. Vsak hondrocit proizvaja matrico, ki ga obdaja. Glede na raziskave hondrociti zrelega hrustančnega tkiva izvajajo aktiven presnovni nadzor nad svojimi pericelularnimi in teritorialnimi matricami, manj aktiven nadzor pa nad interteritorialnim matriksom, ki je lahko presnovno »inerten«.

Kot smo že omenili, sklepni hrustanec sestavlja predvsem obsežna zunajcelična masa (ECM), ki jo sintetizirajo in regulirajo hondrociti. Tkivne makromolekule in njihove koncentracije se skozi življenje spreminjajo v skladu s spreminjajočimi se funkcionalnimi potrebami. Vendar pa ostaja nejasno, ali celice sintetizirajo celotno matrico hkrati ali v določenih fazah v skladu s fiziološkimi potrebami. Koncentracija makromolekul, presnovno ravnovesje med njimi, njihovi odnosi in interakcije določajo biokemične lastnosti in s tem funkcijo sklepnega hrustanca znotraj enega samega sklepa. Glavna sestavina zunajceličnega tkiva odraslega sklepnega hrustanca je voda (65–70 % celotne mase), ki je v njem trdno vezana zaradi posebnih fizikalnih lastnosti makromolekul hrustančnega tkiva, ki so del kolagena, proteoglikanov in nekolagenskih glikoproteinov.

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

Biokemična sestava hrustanca

Kolagena vlakna so sestavljena iz molekul fibrilarnega proteina kolagena. Pri sesalcih kolagen predstavlja četrtino vseh beljakovin v telesu. Kolagen tvori fibrilarne elemente (kolagene fibrile), ki jih sestavljajo strukturne podenote, imenovane tropokolagen. Molekula tropokolagena ima tri verige, ki tvorijo trojno vijačnico. Ta struktura molekule tropokolagena, pa tudi struktura kolagenih vlaken, ko so te molekule nameščene vzporedno v vzdolžni smeri s konstantnim premikom za približno 1/4 dolžine, zagotavlja visoko elastičnost in trdnost tkivom, v katerih se nahajajo. Trenutno je znanih 10 genetsko različnih vrst kolagena, ki se razlikujejo po kemijski strukturi α-verig in/ali njihovem naboru v molekuli. Najbolje preučene so prve štiri vrste kolagena, ki lahko tvorijo do 10 molekularnih izooblik.

Kolagene fibrile so del zunajceličnega prostora večine vezivnega tkiva, vključno s hrustancem. V netopno tridimenzionalno mrežo sekajočih se kolagenskih fibril so prepletene druge, bolj topne komponente, kot so proteoglikani, glikoproteini in tkivno specifični proteini; te so včasih kovalentno povezane s kolagenskimi elementi.

Molekule kolagena, organizirane v fibrile, predstavljajo približno 50 % organskega suhega ostanka hrustanca (10–20 % naravnega hrustanca). V zrelem hrustancu je približno 90 % kolagena kolagena tipa II, ki ga najdemo le v nekaterih tkivih (npr. steklovine, embrionalne hrbtne vrvice). Kolagen tipa II spada v molekule kolagena razreda I (tisti, ki tvorijo fibrile). Poleg njega zreli človeški sklepni hrustanec vsebuje tudi kolagene tipov IX, XI in majhno količino tipa VI. Relativna količina kolagenskih vlaken tipa IX v kolagenskih fibrilah se zmanjša s 15 % v fetalnem hrustancu na približno 1 % v zrelem govejem hrustancu.

Molekule kolagena tipa I so sestavljene iz treh identičnih polipeptidnih verig α(II), ki se sintetizirajo in izločajo kot predhodnik prokolagena. Ko se dokončane molekule kolagena sprostijo v zunajcelični prostor, tvorijo fibrile. V zrelem sklepnem hrustancu kolagen tipa II tvori fibrilarne arkade, v katerih se "debelejše" molekule nahajajo v globljih plasteh tkiva, "tanjše" pa vodoravno v površinskih plasteh.

V genu prokolagena tipa II so našli ekson, ki kodira s cisteinom bogat N-terminalni propeptid. Ta ekson se ne izraža v zrelem hrustancu, temveč v zgodnjih fazah razvoja (predhondrogeneza). Zaradi prisotnosti tega eksona je molekula prokolagena tipa II (tip II A) daljša od kolagena tipa II. Verjetno izražanje te vrste prokolagena zavira kopičenje elementov v zunajcelični masi sklepnega hrustanca. Lahko igra določeno vlogo pri razvoju patologije hrustanca (npr. neustrezen reparativni odziv, nastanek osteofitov itd.).

Mreža kolagenskih fibril tipa II zagotavlja funkcijo odpornosti proti raztezanju in je potrebna za ohranjanje volumna in oblike tkiva. To funkcijo krepijo kovalentne in zamrežene vezi med molekulami kolagena. V zunajceličnem hrustancu encim lizil oksidaza tvori aldehid iz hidroksilizina, ki se nato pretvori v večvalentno aminokislino hidroksilizil-piridinolin, ki tvori zamrežene vezi med verigami. Po eni strani se koncentracija te aminokisline s starostjo povečuje, v zrelem hrustancu pa ostane praktično nespremenjena. Po drugi strani pa se v sklepnem hrustancu s starostjo povečuje koncentracija zamreženj različnih vrst, ki nastanejo brez sodelovanja encimov.

Približno 10 % celotne količine kolagena v hrustančnem tkivu predstavljajo tako imenovani manjši kolageni, ki v veliki meri določajo edinstveno funkcijo tega tkiva. Kolagen tipa IX spada v molekule s kratko vijačnico razreda III in v edinstveno skupino kolagenov FACIT (fibrilno povezan kolagen s prekinjenimi trojnimi vijačnicami). Sestavljen je iz treh genetsko različnih verig. Ena od njih, veriga _a2, je hkrati glikozilirana s hondroitin sulfatom, zaradi česar je ta molekula proteoglikan. Med vijačnimi segmenti kolagena tipa IX in kolagena tipa II se nahajajo tako zrele kot nezrele hidroksipiridinske zamrežene povezave. Kolagen IX lahko deluje tudi kot medmolekularno-medfibrilarni "povezovalnik" (ali most) med sosednjimi kolagenskimi fibrilami. Molekule kolagena IX tvorijo zamrežene povezave med seboj, kar poveča mehansko stabilnost fibrilarne tridimenzionalne mreže in jo ščiti pred učinki encimov. Zagotavljajo tudi odpornost proti deformacijam, kar omejuje otekanje proteoglikanov, ki se nahajajo znotraj mreže. Poleg anionske verige CS vsebuje molekula kolagena IX tudi kationsko domeno, ki daje fibrili velik naboj in nagnjenost k interakciji z drugimi makromolekulami matriksa.

Kolagen tipa XI predstavlja le 2–3 % celotne mase kolagena. Spada v kolagen razreda I (fibril tvori) in je sestavljen iz treh različnih α-verig. Skupaj s kolagenoma tipa II in IX kolagen tipa XI tvori heterotipske fibrile sklepnega hrustanca. Molekule kolagena tipa XI so bile z imunoelektromikroskopijo odkrite v kolagenskih fibrilah tipa II. Verjetno organizirajo molekule kolagena tipa II, nadzorujejo lateralno rast fibril in določajo premer heterotipske kolagenske fibrile. Poleg tega kolagen XI sodeluje pri tvorbi zamreženj, vendar tudi v zrelem hrustancu zamreženjje ostane v obliki nezrelih dvovalentnih ketoaminov.

Majhne količine kolagena tipa VI, še enega člana molekul s kratko vijačnico razreda III, se nahajajo v sklepnem hrustancu. Kolagen tipa VI tvori različne mikrofibrile in je verjetno skoncentriran v kapsularni matrici hondrona.

Proteoglikani so beljakovine, na katere je kovalentno vezana vsaj ena glikozaminoglikanska veriga. Proteoglikani so med najbolj kompleksnimi biološkimi makromolekulami. Proteoglikani so najpogostejši v zunajcelični membrani hrustanca. Hidrofilni proteoglikani, "prepleteni" v mrežo kolagenskih fibril, opravljajo svojo glavno funkcijo - hrustancu dajejo sposobnost reverzibilne deformacije. Domneva se, da proteoglikani opravljajo tudi številne druge funkcije, katerih bistvo ni povsem jasno.

Agrekan je glavni proteoglikan sklepnega hrustanca, ki predstavlja približno 90 % celotne mase proteoglikanov v tkivu. Njegova osrednja beljakovina z 230 kD je glikozilirana z več kovalentno povezanimi glikozaminoglikanskimi verigami in N-terminalnimi in C-terminalnimi oligosaharidi.

Glikozaminoglikanske verige sklepnega hrustanca, ki predstavljajo približno 90 % celotne mase makromolekul, so keratan sulfat (zaporedje sulfatirane disaharide N-acetil glukozamino laktoze z več sulfatiranimi mesti in drugimi monosaharidnimi ostanki, kot je sialična kislina) in hondroitin sulfat (zaporedje disaharida N-acetil galaktozamin glukuronske kisline s sulfatnim estrom, vezanim na vsak četrti ali šesti ogljikov atom N-acetil galaktozamina).

Jedrni protein agrekana vsebuje tri globularne (G1, G2, G3) in dve interglobularni (E1 in E2) domene. N-terminalna regija vsebuje domene G1 in G2, ločene s segmentom E1, ki je dolg 21 nm. Domena C3, ki se nahaja na C-terminalni regiji, je od G2 ločena _z daljšim (približno 260 nm) segmentom E2, ki nosi več kot 100 verig hondroitin sulfatov, približno 15–25 verig keratin sulfatov in O-povezane oligosaharide. N-povezani oligosaharidi se nahajajo predvsem v domenah G1 in C2 ter segmentu E1, pa tudi v bližini _regije G3. Glikozaminoglikani so združeni v dve regiji: najdaljša (tako imenovana regija, bogata s hondroitin sulfatom) vsebuje verige hondroitin sulfata in približno 50 % verig keratin sulfata. Regija, bogata s keratan sulfatom, se nahaja na _segmentu E2 blizu domene G1 in pred regijo, bogato s hondroitin sulfatom. Molekule agrekanov vsebujejo tudi fosfatne estre, ki se nahajajo predvsem na ostankih ksiloze, ki vežejo verige hondroitin sulfata na osrednji protein; najdemo jih tudi na serinskih ostankih osrednjega proteina.

C-terminalni segment domene C3 _je zelo homologen lektinu, kar omogoča fiksacijo molekul proteoglikanov v zunajcelični matrici (ECM) z vezavo na določene ogljikohidratne strukture.

Nedavne študije so odkrile ekson, ki kodira poddomeno, podobno EGF, znotraj G3 _. Z uporabo poliklonskih protiteles proti EGF je bil epitop, podoben EGF, lokaliziran znotraj peptida z molekulsko maso 68 kD v agrekanu človeškega sklepnega hrustanca. Vendar pa njegova funkcija še ni pojasnjena. Ta poddomena se nahaja tudi v adhezijskih molekulah, ki nadzorujejo migracijo limfocitov. Le približno tretjina molekul agrekana, izoliranih iz zrelega človeškega sklepnega hrustanca, vsebuje intaktno _domeno C3; to je verjetno zato, ker se lahko molekule agrekana encimsko zmanjšajo v zunajcelični matrici (ECM). Usoda in funkcija razcepljenih fragmentov nista znani.

_{Glavni funkcionalni segment molekule agrekana je segment} E2, ki vsebuje glikozaminoglikan. Regija, bogata s keratan sulfati, vsebuje aminokisline prolin, serin in treonin. Večina ostankov serina in treonina je O-glikoziliranih z ostanki N-acetilgalaktozamina; ti sprožijo sintezo določenih oligosaharidov, ki se vgradijo v verige keratan sulfata in jih s tem podaljšajo. Preostanek segmenta E2 _vsebuje več kot 100 serin-glicinskih zaporedij, v katerih serin zagotavlja vezavo na ksilozilne ostanke na začetku verig hondroitin sulfata. Običajno tako hondroitin-6-sulfat kot hondroitin-4-sulfat obstajata hkrati v isti molekuli proteoglikana, njuno razmerje pa se spreminja glede na lokalizacijo hrustančnega tkiva in starost osebe.

Struktura molekul agrekanov v človeškem sklepnem hrustančnem matriksu se med zorenjem in staranjem doživlja številnih sprememb. Spremembe, povezane s staranjem, vključujejo zmanjšanje hidrodinamične velikosti zaradi spremembe povprečne dolžine verig hondroitin sulfata in povečanje števila in dolžine verig keratan sulfata. Številne spremembe v molekuli agrekana povzroča tudi delovanje proteolitičnih encimov (npr. agrekanaze in stromelezina) na osrednji protein. To povzroči postopno zmanjšanje povprečne dolžine osrednjega proteina molekule agrekana.

Molekule agrekanov sintetizirajo hondrociti in se izločajo v zunajcelični matriks (ECM), kjer tvorijo agregate, stabilizirane z molekulami povezovalnih beljakovin. Ta agregacija vključuje zelo specifične nekovalentne in kooperativne interakcije med verigo glukuronske kisline in skoraj 200 molekulami agrekanov in povezovalnih beljakovin. Glukuronska kislina je zunajcelični, nesulfatiran, linearni glikozaminoglikan z visoko molekulsko maso, sestavljen iz več zaporedno povezanih molekul N-acetilglukozamina in glukuronske kisline. Parne zanke domene G1 agrekana reverzibilno interagirajo s petimi zaporedno nameščenimi disaharidi hialuronske kisline. Povezni protein, ki vsebuje podobne (zelo homologne) parne zanke, interagira z domeno C1 in molekulo hialuronske kisline ter stabilizira strukturo agregata. Kompleks domena C1 - hialuronska kislina - vezavni protein tvori zelo stabilno interakcijo, ki ščiti domeno G1 in vezavni protein pred delovanjem proteolitičnih encimov. Identificirani sta bili dve molekuli vezavnega proteina z molekulsko maso 40-50 kDa; med seboj se razlikujeta po stopnji glikozilacije. Na mestu vezi med hialuronsko kislino in agrekanom je prisotna le ena molekula vezavnega proteina. Tretja, manjša, molekula vezavnega proteina nastane iz večjih s proteolitično cepitvijo.

Približno 200 molekul agrekanov se lahko veže na eno molekulo hialuronske kisline in tvori agregat, dolg 8 μm. V celično povezanem matriksu, ki ga sestavljajo pericelularni in teritorialni predelki, agregati ohranjajo svojo povezavo s celicami tako, da se vežejo (prek niti hialuronske kisline) na receptorje, podobne CD44, na celični membrani.

Nastanek agregatov v zunajceličnem kostnem tkivu (ECM) je kompleksen proces. Novo sintetizirane molekule agrekanov ne kažejo takojšnje sposobnosti vezave na hialuronsko kislino. To lahko služi kot regulativni mehanizem, ki novo sintetiziranim molekulam omogoča, da dosežejo interteritorialno območje matriksa, preden se imobilizirajo v velike agregate. Število novo sintetiziranih molekul agrekanov in vezavnih proteinov, ki so sposobni tvoriti agregate z interakcijo s hialuronsko kislino, se s starostjo znatno zmanjša. Poleg tega se s starostjo znatno zmanjša velikost agregatov, izoliranih iz človeškega sklepnega hrustanca. To je deloma posledica zmanjšanja povprečne dolžine molekul hialuronske kisline in molekul agrekanov.

V sklepnem hrustancu sta bili ugotovljeni dve vrsti agregatov. Povprečna velikost prve vrste agregatov je 60 S, medtem ko je povprečna velikost druge vrste (hitro nastajajoči "superagregati") 120 S. Slednje odlikuje obilica molekul vezavnega proteina. Prisotnost teh superagregatov ima lahko pomembno vlogo pri delovanju tkiva; med obnovo tkiva po imobilizaciji okončine se njihove večje koncentracije nahajajo v srednjih plasteh sklepnega hrustanca, medtem ko se v sklepu, ki ga je prizadela osteoartroza, njihova velikost v zgodnjih fazah bolezni znatno zmanjša.

Poleg agrekana vsebuje sklepni hrustanec tudi številne manjše proteoglikane. Biglikan in dekorin, molekuli, ki prenašata dermatan sulfate, imata molekulsko maso približno 100 oziroma 70 kDa; masa njune osrednje beljakovine je približno 30 kDa.

V človeškem sklepnem hrustancu molekula biglikana vsebuje dve verigi dermatan sulfata, medtem ko pogostejši dekorin vsebuje le eno. Te molekule predstavljajo le majhen delež proteoglikanov v sklepnem hrustancu, čeprav jih je lahko toliko kot velikih agregiranih proteoglikanov. Majhni proteoglikani medsebojno delujejo z drugimi makromolekulami v zunajceličnem hrustancu, vključno s kolagenskimi fibrilami, fibronektinom, rastnimi faktorji itd. Dekorin je primarno lokaliziran na površini kolagenskih fibril in zavira fibrilogenezo kolagena. Osrednji protein je tesno vezan na vezavno domeno fibronektina na celice, s čimer verjetno preprečuje vezavo slednjega na receptorje na celični površini (integrine). Ker se tako dekorin kot biglikan vežeta na fibronektin in zavirata adhezijo in migracijo celic ter nastanek trombov, sta sposobna zavirati procese popravljanja tkiva.

Fibromodulin sklepnega hrustanca je proteoglikan z molekulsko maso 50–65 kD, povezan s kolagenskimi fibrilami. Njegova osrednja beljakovina, homologna osrednjim beljakovinam dekorina in biglikana, vsebuje veliko število ostankov tirozin sulfata. Ta glikozilirana oblika fibromodulina (prej imenovana 59 kD matrična beljakovina) lahko sodeluje pri regulaciji nastajanja in vzdrževanja strukture kolagenskih fibril. Fibromodulin in dekorin se nahajata na površini kolagenskih fibril. Kot je bilo že omenjeno, mora povečanje premera fibril potekati po selektivni odstranitvi teh proteoglikanov (kot tudi molekul kolagena tipa IX).

Sklepni hrustanec vsebuje številne beljakovine v zunajcelični materiji (ECM), ki niso niti proteoglikani niti kolageni. Te medsebojno delujejo z drugimi makromolekulami in tvorijo mrežo, ki vključuje večino molekul zunajceličnega materinega...

Ankorin, protein z molekulsko maso 34 kD, je lokaliziran na površini hondrocitov in v celični membrani, kjer posreduje pri interakcijah med celico in matriksom. Zaradi visoke afinitete za kolagen tipa II lahko deluje kot mehanoreceptor, ki hondrocitu prenaša signal o spremenjenem tlaku na fibrilo.

Fibronektin je sestavni del večine hrustančnih tkiv in se nekoliko razlikuje od plazemskega fibronektina. Domneva se, da fibronektin spodbuja integracijo matriksa z interakcijo s celičnimi membranami in drugimi komponentami matriksa, kot sta kolagen tipa II in trombospondin. Fragmenti fibronektina negativno vplivajo na presnovo hondrocitov: zavirajo sintezo agrekanov in spodbujajo katabolne procese. V sklepni tekočini bolnikov z osteoartritisom so bile najdene visoke koncentracije fragmentov fibronektina, zato lahko v poznih fazah sodelujejo pri patogenezi bolezni. Fragmenti drugih molekul matriksa, ki se vežejo na receptorje hondrocitov, imajo verjetno podobne učinke.

Oligomerni matrični protein hrustanca (OMPC), član superdružine trombospondinov, je pentamer s petimi enakimi podenotami z molekulsko maso približno 83 kDa. V velikih količinah se nahajajo v sklepnem hrustancu, zlasti v plasti proliferirajočih celic v rastočem tkivu. Zato je možno, da je OMPC vključen v regulacijo rasti celic. V veliko nižjih koncentracijah se nahajajo v zunajcelični masi zrelega sklepnega hrustanca. Matrični proteini vključujejo tudi:

• bazični matrični protein (36 kDa), ki ima visoko afiniteto za hondrocite, lahko posreduje pri interakcijah med celicami v zunajceličnem matriksemalnem telesu (ECM), na primer med preoblikovanjem tkiva;
• GP-39 (39 kDa) se izraža v površinski plasti sklepnega hrustanca in v sinovialni membrani (njegove funkcije niso znane);
• 21 kD protein sintetizirajo hipertrofirani hondrociti, interagira s kolagenom tipa X in lahko deluje v območju "valovite črte".

Poleg tega je očitno, da hondrociti v določenih fazah razvoja hrustanca in v patoloških pogojih izražajo neglikozilirane oblike majhnih neagregiranih proteoglikanov, vendar je njihova specifična funkcija trenutno v fazi preučevanja.

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

Funkcionalne lastnosti sklepnega hrustanca

Molekule agrekanov omogočajo sklepnemu hrustancu reverzibilno deformacijo. Izkazujejo specifične interakcije znotraj zunajceličnega prostora in nedvomno igrajo pomembno vlogo pri organizaciji, strukturi in delovanju zunajceličnega matičnega telesa (ECM). V hrustančnem tkivu molekule agrekanov dosežejo koncentracijo 100 mg/ml. V hrustancu so molekule agrekanov stisnjene na 20 % volumna, ki ga zasedajo v raztopini. Tridimenzionalna mreža, ki jo tvorijo kolagene fibrile, daje tkivu značilno obliko in preprečuje povečanje volumna proteoglikanov. Znotraj kolagene mreže nosijo nepremični proteoglikani velik negativni električni naboj (vsebujejo veliko število anionskih skupin), kar jim omogoča interakcijo z mobilnimi kationskimi skupinami intersticijske tekočine. Proteoglikani v interakciji z vodo zagotavljajo tako imenovani nabrekalni tlak, ki ga kolagena mreža preprečuje.

Prisotnost vode v zunajceličnem matričnem telesu (ECM) je zelo pomembna. Voda določa volumen tkiva; vezana na proteoglikane zagotavlja odpornost proti kompresiji. Poleg tega voda zagotavlja transport molekul in difuzijo v zunajceličnem matričnem telesu (ECM). Visoka gostota negativnega naboja na velikih proteoglikanih, fiksiranih v tkivu, ustvarja "učinek izključenega volumna". Velikost por intrakoncentrirane raztopine proteoglikanov je tako majhna, da je difuzija velikih globularnih beljakovin v tkivo močno omejena. ZECM odbija majhne negativno nabite beljakovine (npr. kloridne ione) in velike beljakovine (kot so albumin in imunoglobulini). Velikost celic znotraj goste mreže kolagenskih fibril in proteoglikanov je primerljiva le z velikostjo nekaterih anorganskih molekul (npr. natrija in kalija, ne pa kalcija).

V zunajceličnem kostnem mozgu (ECM) je nekaj vode prisotno v kolagenih fibrilah. Ekstrafibrilarni prostor določa fizikalno-kemijske in biomehanične lastnosti hrustanca. Vsebnost vode v intrafibrilarnem prostoru je odvisna od koncentracije proteoglikanov v ekstrafibrilarnem prostoru in se povečuje z zmanjšanjem koncentracije slednjih.

Fiksni negativni naboj na proteoglikanih določa ionsko sestavo zunajceličnega medija, ki vsebuje proste katione v visoki koncentraciji in proste anione v nizki koncentraciji. Ko se koncentracija molekul agrekanov povečuje od površinske do globoke cone hrustanca, se ionsko okolje tkiva spreminja. Koncentracija anorganskih ionov v zunajcelični mase (ECM) ustvarja visok osmotski tlak.

Materialne lastnosti hrustanca so odvisne od interakcije kolagenskih fibril, proteoglikanov in tekoče faze tkiva. Strukturne in kompozicijske spremembe, povezane z neskladjem med procesi sinteze in katabolizma, razgradnjo makromolekul in fizično travmo, pomembno vplivajo na materialne lastnosti hrustanca in spreminjajo njegovo funkcijo. Ker se koncentracija, porazdelitev in makromolekularna organizacija kolagena in proteoglikanov spreminjajo glede na globino hrustančnega območja, se biomehanske lastnosti vsakega območja razlikujejo. Na primer, površinsko območje z visoko koncentracijo kolagena, tangencialno nameščenimi fibrilami in relativno nizko koncentracijo proteoglikanov ima najbolj izrazite lastnosti, da se upre raztezanju, pri čemer se obremenitev enakomerno porazdeli po celotni površini tkiva. V prehodnih in globokih območjih visoka koncentracija proteoglikanov daje tkivu lastnost, da prenese tlačno obremenitev. Na ravni "valovitega roba" se materialne lastnosti hrustanca močno spremenijo od upogljivega nekalcificiranega območja do bolj togega mineraliziranega hrustanca. V območju "valovitega roba" trdnost tkiva zagotavlja kolagena mreža. Spodaj ležečih hrustančnih odsekov ne prečkajo kolagene fibrile; na območju osteohondralne povezave trdnost tkiva zagotavljajo posebne konture meje med nekalcificirano in kalcificirano hrustančno cono v obliki nepravilnih prstastih izrastkov, ki "zapirajo" obe plasti in preprečujejo njuno ločitev. Kalcificiran hrustanec je manj gost kot subhondralna kost, zato deluje kot vmesna plast, ki mehča tlačno obremenitev hrustanca in jo prenaša na subhondralno kost.

Med obremenitvijo pride do kompleksne porazdelitve treh sil - ekstenzijske, strižne in kompresijske. Sklepna matrica se deformira zaradi izgona vode (kot tudi produktov celičnega metabolizma) iz območja obremenitve, koncentracija ionov v intersticijski tekočini pa se poveča. Gibanje vode je neposredno odvisno od trajanja in sile uporabljene obremenitve in ga upočasni negativni naboj proteoglikanov. Med deformacijo tkiva se proteoglikani tesneje stisnejo drug ob drugega, s čimer se učinkovito poveča gostota negativnega naboja, medmolekularne sile, ki odbijajo negativni naboj, pa posledično povečajo odpornost tkiva na nadaljnjo deformacijo. Končno deformacija doseže ravnovesje, v katerem zunanje sile obremenitve uravnotežijo notranje sile upora - tlak nabrekanja (interakcija proteoglikanov z ioni) in mehanska napetost (interakcija proteoglikanov in kolagenov). Ko se obremenitev odstrani, hrustančno tkivo pridobi svojo prvotno obliko z absorpcijo vode skupaj s hranili. Začetna (predobremenilna) oblika tkiva se doseže, ko tlak nabrekanja proteoglikanov uravnoteži odpornost kolagenske mreže na njihovo širjenje.

Biomehanične lastnosti sklepnega hrustanca temeljijo na strukturni celovitosti tkiva – kolagen-proteoglikanski sestavi kot trdni fazi ter vodi in raztopljenih ionih kot tekoči fazi. V neobremenjenem stanju je hidrostatični tlak sklepnega hrustanca približno 1-2 atm. Ta hidrostatični tlak se lahko in vivo poveča na 100-200 atm na milisekundo med stanjem in na 40-50 atm med hojo. Študije in vitro so pokazale, da hidrostatični tlak 50-150 atm (fiziološki) v kratkem času povzroči zmerno povečanje anabolizma hrustanca, v 2 urah pa izgubo hrustančne tekočine, vendar ne povzroči nobenih drugih sprememb. Vprašanje, kako hitro se hondrociti in vivo odzovejo na tovrstno obremenitev, ostaja nerešeno.

Povzročeno zmanjšanje hidracije s posledičnim povečanjem koncentracije proteoglikanov vodi do privlačenja pozitivno nabitih ionov, kot sta H ⁺ in Na ⁺. To vodi do spremembe celotne ionske sestave in pH-ja zunajceličnega matriksa (ECM) in hondrocitov. Dolgotrajna vadba povzroči znižanje pH-ja in hkrati zmanjšanje sinteze proteoglikanov s strani hondrocitov. Možno je, da je vpliv zunajceličnega ionskega okolja na sintetične procese delno povezan tudi z njegovim vplivom na sestavo ECM. Novo sintetizirane molekule agrekanov dozorijo v agregirane oblike pozneje v šibko kislem okolju kot v normalnih pogojih. Verjetno je, da znižanje pH-ja okoli hondrocitov (npr. med vadbo) omogoči, da več novo sintetiziranih molekul agrekanov doseže interteritorialno matrico.

Ko se obremenitev odstrani, se voda vrne iz sinovialne votline in prenaša hranila za celice. V hrustancu, ki ga prizadene osteoartritis, se koncentracija proteoglikanov zmanjša, zato se med obremenitvijo voda premika ne le navpično v sinovialno votlino, temveč tudi v druge smeri, s čimer se zmanjša prehrana hondrocitov.

Imobilizacija ali blaga obremenitev povzroči izrazito zmanjšanje sinteze hrustanca in vsebnosti proteoglikanov, medtem ko povečana dinamična obremenitev povzroči zmerno povečanje sinteze in vsebnosti proteoglikanov. Naporna vadba (20 km/dan 15 tednov) je pri psih povzročila spremembe v vsebnosti proteoglikanov, zlasti močno zmanjšanje njihove koncentracije v površinskem območju. Prišlo je do nekaj reverzibilnega mehčanja hrustanca in subhondralnega preoblikovanja kosti. Vendar pa je huda statična obremenitev povzročila poškodbo hrustanca in posledično degeneracijo. Poleg tega izguba agrekana zunajceličnega matriksa (ECM) sproži nenormalne spremembe, značilne za osteoartritis. Izguba agrekana povzroči privlačenje vode in otekanje preostale majhne količine proteoglikana. To raztapljanje agrekana prispeva k zmanjšanju lokalne gostote fiksnega naboja in na koncu vodi do spremembe osmolarnosti.