Artrosi: come sono disposte le cartilagini articolari?

La normale cartilagine articolare svolge due funzioni principali: l'assorbimento della pressione per deformazione durante lo stress meccanico e la garanzia della scorrevolezza delle superfici articolari, che consente di ridurre al minimo l'attrito durante lo spostamento nell'articolazione. Ciò è assicurato dalla struttura unica della cartilagine articolare, che consiste in condro-ita immersi nella matrice extracellulare (ECM).

La normale cartilagine articolare di un adulto può essere suddivisa in più strati o zone: una superficie, o una zona tangenziale, una zona di transizione, una zona profonda o radiale e una zona calcificata. Lo strato tra la superficie e le zone di transizione e in particolare tra la transizione e le zone profonde non ha confini chiari. La connessione tra cartilagine articolare non calcificata e calcificata è chiamata "bordo ondulato" - questa è la linea determinata dalla colorazione del tessuto decalcificato. La zona calcificata della cartilagine è una proporzione relativamente costante (6-8%) nell'altezza totale delle mezzelune. Lo spessore totale della cartilagine articolare, compresa la zona della cartilagine calcificata, varia a seconda del carico su una determinata area della superficie articolare e del tipo di articolazione. La pressione idrostatica intermittente nell'osso subcondrale gioca un ruolo importante nel mantenimento della normale struttura della cartilagine, rallentando l'ossificazione.

I condrociti costituiscono circa il 2-3% della massa tissutale totale; nella zona superficiale (tangenziale) si trovano lungo, e nella zona profonda (radiale) - perpendicolare alla superficie della cartilagine; nella zona di transizione, i condrociti formano gruppi di 2-4 cellule sparse nella matrice. A seconda dell'area della cartilagine articolare, varia la densità della posizione dei condrociti - la più alta densità cellulare nella zona superficiale, la più bassa in quella calcificata. Inoltre, la densità della distribuzione cellulare varia dall'articolazione all'articolazione, è inversamente proporzionale allo spessore della cartilagine e al carico sperimentato dal sito corrispondente.

I condrociti più superficialmente situati sono a forma di disco e formano nella zona tangenziale diversi strati di cellule situate sotto una stretta striscia di matrice; Le cellule situate in profondità in questa zona tendono ad avere contorni più irregolari. Nella zona di transizione, i condrociti hanno una forma sferica, a volte sono combinati in piccoli gruppi sparsi nella matrice. I condrociti della zona profonda hanno una forma prevalentemente ellissoidale, raggruppati in catene disposte radialmente di 2-6 cellule. Nella zona calcificata sono distribuiti in modo ancora più parsimonioso; alcuni di loro sono necrotici, sebbene la maggior parte siano vitali. Le cellule sono circondate da una matrice non calcolata, lo spazio intercellulare è calcificato.

Pertanto, la cartilagine articolare umana è costituita da ECM idratato e cellule immerse in esso, che costituiscono il 2-3% del volume totale del tessuto. Poiché il tessuto cartilagineo non ha vasi sanguigni e linfatici, l'interazione tra le cellule, la consegna di sostanze nutritive a loro, la rimozione dei prodotti metabolici viene effettuata mediante diffusione attraverso l'ECM. Nonostante il fatto che i condrociti metabolici siano molto attivi, normalmente non si dividono negli adulti. I condrociti esistono in un ambiente privo di ossigeno, credono che il loro metabolismo avvenga prevalentemente in modo anaerobico.

Ogni condrocita è considerata un'unità metabolica separata della cartilagine, isolata dalle cellule vicine, ma responsabile della produzione di elementi VKM nelle immediate vicinanze della cella data e della sua composizione.

In VKM si distinguono tre dipartimenti, ognuno dei quali ha una struttura morfologica unica e una certa composizione biochimica. VKM, immediatamente adiacente alla cellula chasmic del condrocita, è chiamato una matrice pericellulare, o lacunary. Essa è caratterizzata da alta correlati interazioni cellula contenuto di acido ialuronico di aggregati di proteoglicani con i recettori CD44-like, e la relativa mancanza di fibrille di collagene organizzati. Direttamente in contatto con matrice pericellular territoriale o capsulare, una matrice che consiste in una rete di intersecanti collageni fibrillari, che incapsula le cellule individuali, o (a volte) un gruppo di cellule che formano hondron, ed è suscettibile di fornire supporto meccanico speciale per le cellule. Contatto matrice condrociti con capsulare raggiunti da numerosi processi citoplasmatici ricchi di microfilamenti e molecole della matrice specifiche, come i recettori CD44-ankorin e podobnye. La più grande e più lontana dalla membrana basale ECM separato condrociti - matrice interterritorial contenente il maggior numero di fibrille di collagene e proteoglicani.

La divisione di ECM in reparti è più chiaramente delineata nella cartilagine articolare di un adulto rispetto alla cartilagine articolare acerba. La dimensione relativa di ogni reparto varia non solo in articolazioni diverse, ma anche all'interno della stessa cartilagine. Ogni condrocita produce una matrice che lo circonda. Secondo gli studi, i condrociti di tessuto cartilagineo maturo svolgono un controllo metabolico attivo sulle loro matrici pericellulari e territoriali, meno attivamente controllano la matrice interterritoriale, che può essere metabolicamente "inerte".

Come indicato in precedenza, la cartilagine articolare consiste principalmente in un vasto VKM, sintetizzato e regolato dai condrociti. Le macromolecole tissutali e la loro concentrazione cambiano durante la vita in accordo con il cambiamento delle esigenze funzionali. Tuttavia, non è chiaro: le cellule sintetizzano l'intera matrice simultaneamente o in determinate fasi in base ai bisogni fisiologici. La concentrazione di macromolecole, l'equilibrio metabolico tra loro, la relazione e l'interazione determinano le proprietà biochimiche e quindi la funzione della cartilagine articolare all'interno di un'articolazione. Il componente principale dell'adulto VCR cartilagine articolare è acqua (65-70% della massa totale), che è saldamente esso collegato tramite particolari proprietà fisiche delle macromolecole tessuto cartilagineo comprendente i collageni, proteoglicani e glicoproteine non collageniche.

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Composizione biochimica della cartilagine

Le fibre di collagene consistono in molecole di proteina fibrillare di collagene. Nei mammiferi, la proporzione di collagene rappresenta un quarto di tutte le proteine nel corpo. Il collagene forma elementi fibrillari (fibrille di collagene), costituiti da subunità strutturali, chiamate tropocollagene. La molecola del tropocollagene ha tre catene che formano una tripla elica. Tale struttura della molecola tropocollageno, nonché la struttura delle fibre collagene, quando queste molecole sono disposti in parallelo nella direzione longitudinale con una costante spostamento di circa 1/4 della lunghezza e garantiscono un'elevata elasticità e resistenza dei tessuti in cui si trovano. Attualmente sono noti 10 tipi di collagene geneticamente diversi, che differiscono nella struttura chimica delle catene ae e / o nella loro raccolta nella molecola. I primi quattro tipi di collagene più studiati sono in grado di formare fino a 10 isoforme molecolari.

Le fibrille di collagene fanno parte dello spazio extracellulare della maggior parte dei tipi di tessuto connettivo, compreso il tessuto cartilagineo. All'interno della rete tridimensionale insolubile, altri componenti più solubili, come i proteoglicani, le glicoproteine e le proteine specifiche del tessuto, sono "intrecciati" dalle fibrille collagene collassanti; a volte sono legati in modo covalente a elementi di collagene.

Le molecole di collagene organizzate in fibrille costituiscono circa il 50% del residuo secco organico della cartilagine (10-20% della cartilagine nativa). Nella cartilagine matura, circa il 90% dei collageni sono collageni di tipo II, che si trovano solo in alcuni tessuti (es. Vitreo, midollo spinale embrionale). Il collagene di tipo II si riferisce alla prima classe (formazione di fibrille) di molecole di collagene. Oltre a lui, nella cartilagine articolare matura di una persona collagen IX, il tipo XI e in un piccolo numero di VI tipo sono anche trovati. La quantità relativa di fibre di collagene di tipo IX nelle fibrille di collagene diminuisce dal 15% nella cartilagine del feto a circa l'1% nella cartilagine matura del toro.

Le molecole di tipo I di collagene consistono di tre catene di polipeptidi a, (II) identiche, sintetizzate e secrete sotto forma di precursore precursore. Una volta che le molecole di collagene pronte vengono rilasciate nello spazio extracellulare, formano delle fibrille. In maturo cartilagine articolare di tipo II formano arcate fibrillari, in cui più molecole "spesse" si trovano in strati profondi di tessuto, e più "sottili" - orizzontalmente negli strati superficiali.

Nel gene procollagene di tipo II, è stato trovato un esone codificante per un propeptide N-terminale ricco di cisteina. Questo esone non è espresso nella cartilagine matura, ma nelle prime fasi dello sviluppo (precondensione genetica). A causa della presenza di questo esone, la molecola di tipo II di procollagene (tipo II A) è più lunga del collagene di tipo II. Probabilmente, l'espressione di questo tipo di procollagene inibisce l'accumulo di elementi nella ECM della cartilagine articolare. Può avere un ruolo nello sviluppo della patologia della cartilagine (ad esempio, risposta riparativa inadeguata, formazione di osteofiti, ecc.).

Una rete di fibrille di collagene di tipo II fornisce una funzione di resistenza alla trazione ed è necessaria per mantenere il volume e la forma del tessuto. Questa funzione è potenziata da covalente e cross-linking tra molecole di collagene. In VKM, l'enzima lisilossididasi forma un aldeide da idrossilisina, che viene quindi convertito in un amminoacido polivalente idrossilisil-piridinolina, che forma legami incrociati tra le catene. Da un lato, la concentrazione di questo amminoacido aumenta con l'età, tuttavia, nella cartilagine matura praticamente non cambia. D'altra parte, nella cartilagine articolare, un aumento della concentrazione di legami incrociati di diversi tipi con l'età si forma con l'età, formata senza la partecipazione di enzimi.

Circa il 10% della quantità totale di tessuto cartilagineo di collagene è il cosiddetto collagene minore, che per molti aspetti determina la funzione unica di questo tessuto. Collagene di tipo IX appartiene alla classe III molecole korotkospiralnyh e gruppo unico FACIT-collagene (Fibril-associated collagene con Triple interrotti -helices - fibrille di collagene associata con interrotto tripla elica). Consiste di tre catene geneticamente differenti. Uno di questi - una catena ₂ - è glicosilato simultaneamente con condroitin solfato, che rende questa molecola simultaneamente proteoglicano. Tra i segmenti della spirale di tipo IX di collagene e il collagene di tipo II, vengono rilevati sia i legami incrociati di idrossiridirina sia matura che immatura. Il collagene IX può anche funzionare come un "connettore" intermolecolare-interfibrillare (o ponte) tra le fibrille di collagene adiacenti. Le molecole di collagene IX formano collegamenti incrociati tra di loro, il che aumenta la stabilità meccanica della rete tridimensionale fibrillare e la protegge dagli effetti degli enzimi. Inoltre forniscono resistenza alla deformazione, limitando il gonfiore dei proteoglicani all'interno della rete. Oltre alla catena anionica CS, la molecola di collagene IX contiene un dominio cationico che fornisce una fibrilla ad alta carica e una tendenza ad interagire con altre macromolecole a matrice.

Il tipo di collagene XI è solo il 2-3% della massa totale di collagene. Appartiene alla prima classe (formando fibrille) di collagene e si compone di tre diverse a-catene. Insieme al collagene di tipo II e IX, il collagene di tipo X forma fibrille eterotiche della cartilagine articolare. Molecole di tipo XI di collagene si trovano all'interno delle fibrille di collagene di tipo II con l'aiuto di immunoelettromicroscopy. Forse organizzano molecole di collagene di tipo II, controllando la crescita laterale delle fibrille e determinando il diametro della fibrilla eterotipica di collagene. Inoltre, il collagene XI è coinvolto nella formazione di legami crociati, ma anche nella cartilagine matura, i legami trasversali rimangono sotto forma di immature ketoamine immature.

Una piccola quantità di collagene di tipo VI, un altro rappresentante della classe III di molecole a breve distanza, è stata trovata nella cartilagine articolare. Il collagene di tipo VI forma varie microfibrille e, possibilmente, è concentrato nella matrice capsulare del condro.

I proteoglicani sono proteine a cui è attaccata covalentemente almeno una catena glicosaminoglicanica. I proteoglicani appartengono a una delle macromolecole biologiche più complesse. I proteoglicani più estesi sono presenti nel VKM della cartilagine. "Entangled" all'interno della rete di fibrille di collagene, i proteoglicani idrofili svolgono la loro funzione principale - informano la cartilagine della capacità di deformarsi in modo reversibile. Si ritiene che i proteoglicani svolgano una serie di altre funzioni, la cui essenza non è completamente chiara.

Aggrecan è il principale proteoglicano della cartilagine articolare: rappresenta circa il 90% della massa totale di proteoglicani nel tessuto. La sua proteina principale di 230 kD è glicosilata da un certo numero di catene di glicosaminoglicani legate in modo covalente, nonché da oligosaccaridi N-terminali e C-terminali.

Catena glicosaminoglicani della cartilagine articolare, che costituiscono circa il 90% delle macromolecole totale peso - cheratan solfato (che rappresenta la sequenza dal disaccaride solfatato N-atsetilglyukozamingalaktoza più porzioni solfatati ed altri residui monosaccaridi, come acido sialico) e solfato di condroitina (che rappresenta la sequenza dal Disaccaride dell'acido N-acetilgalattosamina-glucuronico con estere solfato collegato a ciascun quarto o sesto atomo di carbonio di N-acetile lactosamine).

Il nucleo dell'aggregato contiene tre domini globulari (G1, G2, G3) h due interglobulari (E1 ed E2). La regione N-terminale contiene domini G e G2 separati da un segmento E1 di 21 nm di lunghezza. C3-dominio situato al C-terminale, separati da G ₂ più (circa 260 nm) segmento E2 che sostiene oltre 100 catene condroitin solfato di circa 15-25 catene cheratan solfato e oligosaccaridi O-legati. Oligosaccaridi presenti soprattutto all'interno dei domini G1 e C2 e E1-segmento, così come nei pressi del G N-legato ₃ -regiona. Glicosaminoglicani sono raggruppate in due regioni: la più estesa (cosiddetta regione ricca di condroitin solfato) catena comprende condroitin solfato e circa il 50% delle catene cheratan solfato. La regione ricca di solfati di cheratina è localizzata sul segmento E ₂ vicino al dominio G1 e precede la regione ricca di solfati di condroitina. Le molecole di Aggregan contengono anche esteri di fosfato, localizzati principalmente su residui di xilosio, che attaccano le catene di solfato di condroitina alla proteina principale; si trovano anche sui residui di serina della proteina centrale.

Il segmento C-terminale _del dominio C3 è altamente omologato alla lectina, in modo che le molecole di proteoglicano possano essere fissate nell'ECM legandosi a certe strutture di idrocarburi.

In studi recenti è stata osservata una codifica dell'esone per il sottodominio EGF (fattore di crescita epidermico) all'interno di G ₃. Usando anticorpi policlonali anti-EGF, un epitopo simile all'EGF è stato localizzato all'interno di un peptide di 68 kD nell'aggregato della cartilagine articolare umana. Tuttavia, le sue funzioni richiedono un chiarimento. Questo sottodominio si trova anche nella struttura delle molecole di adesione che controllano la migrazione dei linfociti. Solo circa un terzo delle molecole aggrecano isolati dal maturo cartilagine articolare umana contiene intatta C ₃ domini; probabilmente questo è dovuto al fatto che nell'ECM, le molecole di aggrecano possono essere ridotte di dimensioni dalla via enzimatica. L'ulteriore destino e funzione dei frammenti divisi sono sconosciuti.

Il principale segmento funzionale è un glikozaminoglikannesuschy E aggrecan molecola ₂ -segment. Il sito, ricco di solfati di cheratina, contiene gli amminoacidi prolina, serina e treonina. La maggior parte dei residui di serina e treonina O-glicosilata residui N-atsetilgalaktozaminovymi, essi innescare la sintesi di alcuni oligosaccaridi, che sono incorporati nelle catene keratan solfato, allungandole così. Il resto del segmento E ₂ contiene più di 100 sequenze di serina-glicina in cui la serie fornisce l'attaccamento ai residui di xilosile all'inizio delle catene di condroitina solfato. Tipicamente e condroitin-6-solfato e condroitin-4-solfato esistono simultaneamente all'interno delle stesse molecole dei proteoglicani del rapporto varia in base alla localizzazione della cartilagine e l'età della persona.

La struttura delle molecole di aggrecano nella matrice della cartilagine articolare di una persona subisce una serie di cambiamenti nel processo di maturazione e invecchiamento. I cambiamenti legati all'invecchiamento includono una diminuzione della dimensione idrodinamica come risultato dei cambiamenti nella lunghezza media della catena dei solfati di condroitina, un aumento del numero e della lunghezza delle catene di cheratina solfato. Un certo numero di cambiamenti nella molecola di aggrecan subiscono anche l'azione di enzimi proteolitici (ad esempio, aggrecanasi e stromelisina) sulla proteina core. Questo porta ad una diminuzione progressiva della lunghezza media della proteina core delle molecole di aggrecan.

Le molecole di Aggrecan sono sintetizzate dai condrociti e secrete nell'ECM, dove formano aggregati stabilizzati da molecole di proteine leganti. Questa aggregazione include interazioni non covalenti e cooperative altamente specifiche tra il filamento di acido glucuronico e quasi 200 molecole di aggrecani e proteine leganti. L'acido glucuronico è un glicosaminoglicano lineare extracellulare non solfonato con un peso molecolare elevato, costituito da un numero di molecole legate sequenzialmente di N-acetilglucamina e acido glucuronico. I circuiti accoppiati del dominio G1 di aggrecan interagiscono in modo reversibile con cinque disaccaridi dell'acido ialuronico disposti consecutivamente. La proteina legante, che contiene circuiti accoppiati simili (altamente omologhi), interagisce con il dominio C1 e la molecola dell'acido ialuronico e stabilizza la struttura dell'aggregato. Il complesso di proteine leganti l'acido ialuronico C1-dominio forma un'interazione altamente stabile che protegge il dominio G1 e la proteina legante dall'azione degli enzimi proteolitici. Sono state identificate due molecole di una proteina legante con un peso molecolare di 40-50 kD; differiscono l'uno dall'altro nel grado di glicosilazione. Solo una molecola della proteina legante è presente nel sito di legame acido ialuronico-aggrecano. La terza, più piccola, molecola della proteina legante è formata da proteine più grandi per scissione proteolitica.

Circa 200 molecole di aggrecan possono legarsi a una molecola di acido ialuronico per formare un aggregato di 8 μm di lunghezza. Nella matrice cellula-associata, costituita dalle divisioni pericellulari e territoriali, gli aggregati mantengono la loro connessione con le cellule legandosi (attraverso il filamento di acido ialuronico) ai recettori simili a CD44 sulla membrana cellulare.

La formazione di aggregati nell'ECM è un processo complesso. Le molecole di aggrecan recentemente sintetizzate non manifestano immediatamente la capacità di legarsi all'acido ialuronico. Questo può fungere da meccanismo regolatorio che consente alle molecole di nuova sintesi di raggiungere la zona interterritoriale della matrice prima di essere immobilizzate in grandi aggregati. Il numero di molecole di aggrecano recentemente sintetizzate e di proteine leganti in grado di formare aggregati interagendo con l'acido ialuronico diminuisce significativamente con l'età. Inoltre, con l'età, la dimensione degli aggregati isolati dalla cartilagine articolare di una persona è significativamente ridotta. Ciò è in parte dovuto alla diminuzione della lunghezza media delle molecole di acido ialuronico e molecole di aggrecano.

Esistono due tipi di aggregati nella cartilagine articolare. La dimensione media degli aggregati del primo tipo è 60 S, gli aggregati del secondo tipo ("superaggregati" che precipitano rapidamente) sono 120 S. Quest'ultimo è caratterizzato da un'abbondanza di molecole della proteina legante. La presenza di questi superaggregati può giocare un ruolo importante nel funzionamento del tessuto; durante il restauro del tessuto dopo l'immobilizzazione dell'arto negli strati intermedi della cartilagine articolare, si riscontrano concentrazioni più elevate, nell'articolazione interessata dall'osteoartrosi, nelle prime fasi della malattia le loro dimensioni sono significativamente ridotte.

Oltre a aggrecan, la cartilagine articolare contiene un numero di proteoglicani più piccoli. Biglikan e decorin, molecole contenenti dermatan solfati hanno una massa molecolare di circa 100 e 70 kD, rispettivamente; la massa della loro proteina principale è di circa 30 kD.

Nella cartilagine articolare di un essere umano, la molecola di biglucan contiene due catene di dermatano solfato, mentre il decoro più comune è solo uno. Queste molecole costituiscono solo una piccola parte dei proteoglicani nella cartilagine articolare, sebbene possano essercene molti quanti sono i grandi proteoglicani aggregati. Piccoli proteoglicani interagiscono con altre macromolecole della ECM, tra fibrille di collagene, fibronectina, fattori di crescita, e altri. Decorin originariamente localizzata sulla superficie delle fibrille di collagene e inibisce collagene fibrillogenesi. La proteina centrale è saldamente mantenuta con il dominio di legame cellulare della fibronectina, quindi, probabilmente, impedendo il legame di quest'ultimo ai recettori della superficie cellulare (integrine). A causa del fatto che entrambi decorin e si legano alla fibronectina biglicano e inibire l'adesione cellulare e la migrazione, così come la formazione di trombi, sono in grado di inibire processi di riparazione tissutale.

La fibromodulina della cartilagine articolare è un proteoglicano con una massa molecolare di 50-65 kD, associata a fibrille di collagene. La sua proteina principale, omologa alle proteine core dell'arredo e del bigakana, contiene una grande quantità di residui di tirosina solfato. Questa forma glicosilata di fibromodulina (precedentemente chiamata proteina di matrice 59 kD) può partecipare alla regolazione della formazione e del mantenimento della struttura delle fibrille di collagene. Fibromodulina e decorina si trovano sulla superficie delle fibrille di collagene. Pertanto, come indicato in precedenza, l'aumento del diametro della fibrilla dovrebbe essere preceduto dalla rimozione selettiva di questi proteoglicani (così come le molecole di tipo IX di collagene).

La cartilagine articolare contiene un numero di proteine nel VKM, che non appartengono né ai proteoglicani né ai collageni. Interagiscono con altre macromolecole per formare una rete in cui sono incorporate la maggior parte delle molecole di VKM.

L'ancorina, una proteina con una massa di 34 kD, è localizzata sulla superficie dei condrociti e nella membrana cellulare, media l'interazione tra la cellula e la matrice. Grazie alla sua elevata affinità per il collagene di tipo II, può agire come un meccanico-recettore, che trasmette un segnale sulla pressione modificata sulla fibrilla del condrocita.

La fibronectina è un componente della maggior parte dei tessuti cartilaginei, leggermente diverso dalla fibronectina del plasma sanguigno. Si suggerisce che la fibronectina promuova l'integrazione della matrice interagendo con le membrane cellulari e altri costituenti della matrice come il collagene di tipo II e la trombospondina. Frammenti di fibronectina influenzano negativamente il metabolismo dei condrociti - inibiscono la sintesi di aggrecano, stimolano i processi catabolici. Nel liquido articolare dei pazienti con osteoartrosi, è stata trovata un'alta concentrazione di frammenti di fibronectina, in modo che possano partecipare alla patogenesi della malattia nelle fasi successive. Probabilmente anche i frammenti di altre molecole della matrice che si legano ai recettori dei condrociti hanno gli stessi effetti.

La proteina della matrice oligomerica cartilaginea (OMPC), un membro della superfamiglia della trombospondina, è un pentamero con cinque subunità identiche con un peso molecolare di circa 83 kD. Si trovano in gran numero nella cartilagine articolare, specialmente nello strato di cellule proliferanti nel tessuto in crescita. Pertanto, forse, OMPCH partecipa alla regolazione della crescita cellulare. A una concentrazione molto più bassa, si trovano nell'ECM della cartilagine articolare matura. Le proteine della matrice sono anche chiamate:

• la proteina matrice di base (36 kD), che ha un'alta affinità per i condrociti, può mediare l'interazione delle cellule nell'ECM, ad esempio durante il rimodellamento del tessuto;
• GP-39 (39 kD) è espresso nello strato superficiale della cartilagine articolare e nella membrana sinoviale (le sue funzioni sono sconosciute);
• La proteina 21 kD è sintetizzata da condrociti ipertrofizzati, interagisce con il collagene di tipo X, può funzionare nella zona della "linea d'onda".

Inoltre, è evidente che i condrociti esprimono le forme non glicosilate di piccoli proteoglicani non aggregati in determinate fasi dello sviluppo della cartilagine e in condizioni patologiche, ma la loro funzione specifica è attualmente allo studio.

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Proprietà funzionali della cartilagine dell'articolazione

Le molecole di aggrecan danno alla cartilagine articolare la capacità di subire deformazioni reversibili. Dimostrano interazioni specifiche all'interno dello spazio extracellulare e svolgono indubbiamente un ruolo importante nell'organizzazione, struttura e funzione dell'ECM. Nel tessuto cartilagineo le molecole di aggrecano raggiungono una concentrazione di 100 mg / ml. Nella cartilagine, le molecole di Aggregan vengono compresse al 20% del volume che occupano nella soluzione. Una rete tridimensionale formata da fibrille di collagene informa il tessuto della sua forma caratteristica e impedisce l'aumento del volume di proteoglicani. All'interno della rete di collagene, i proteoglicani immobili trasportano una grande carica elettrica negativa (contengono un gran numero di gruppi anionici), che consente di interagire con i gruppi cationici mobili del liquido interstiziale. Interagendo con l'acqua, i proteoglicani forniscono la cosiddetta pressione del gonfiore, che viene neutralizzata dalla rete di collagene.

La presenza di acqua nell'ECM è molto importante. L'acqua determina il volume del tessuto; associato ai proteoglicani, fornisce resistenza alla compressione. Inoltre, l'acqua fornisce il trasporto di molecole e la diffusione nell'ECM. L'alta densità di carica negativa sui grandi proteoglicani fissati nel tessuto crea un "effetto volume escluso". La dimensione dei pori della soluzione intra-concentrata di proteoglicani è così piccola che la diffusione di grandi proteine globulari nel tessuto è severamente limitata. La VKM respinge piccole proteine ad alta carica negativa (es. Cloruro) e grandi (come l'albumina e le immunoglobuline). La dimensione delle cellule all'interno di una fitta rete di fibrille di collagene e proteoglicani è commensurabile solo con le dimensioni di alcune molecole inorganiche (ad esempio, sodio e potassio, ma non il calcio).

In VKM una certa quantità di acqua è presente nelle fibrille di collagene. Le proprietà fisico-chimiche e biomeccaniche della cartilagine determinano lo spazio extrafibrillare. Il contenuto di acqua nello spazio fibrillare dipende dalla concentrazione di proteoglicani nello spazio extrafibrillare e aumenta con una diminuzione della concentrazione di quest'ultimo.

La carica negativa fissa sui proteoglicani determina la composizione di ioni del mezzo extracellulare contenente cationi liberi in alta concentrazione e anioni liberi a bassa concentrazione. Poiché la concentrazione delle molecole di aggrecan sale dalla superficie alla zona profonda della cartilagine, l'ambiente ionico del tessuto cambia. La concentrazione di ioni inorganici nell'ECM produce un'alta pressione osmotica.

Le proprietà della cartilagine come materiale dipendono dall'interazione di fibrille di collagene, proteoglicani e fase liquida del tessuto. Modifiche strutturali e composizionali causa della mancata corrispondenza tra la sintesi e processi catabolici e degradazione di macromolecole da danni fisici, influenzano significativamente proprietà del materiale di cartilagine e alterano la sua funzione. Poiché la concentrazione e la distribuzione dell'organizzazione macro-molecolare dei proteoglicani e collageni variano a seconda della profondità della zona cartilagine variare le proprietà biomeccaniche di ciascuna zona. Ad esempio, la superficie con la sua alta concentrazione di fibrille di collagene disposte tangenzialmente rispetto alla bassa concentrazione di proteoglicani ha il contrastare più pronunciato allungamento proprietà, distribuire il carico in modo uniforme su tutta la superficie del tessuto. Nelle zone di transizione e in profondità, un'alta concentrazione di proteoglicani conferisce una proprietà tissutale al trasferimento del carico di compressione. A livello di "linee ondulate" proprietà del materiale cartilagine variano notevolmente da zona nekaltsifitsirovannoy elastica di una cartilagine mineralizzata duro. Nell'area della "linea ondulata" la forza del tessuto è fornita dalla rete di collagene. Le fibrille cartilaginose non attraversano le parti cartilaginose; nel composto di forza tessuto osteocondrale è fornito da contorni speciali confine tra le zone nekaltsifitsirovannogo e cartilagine calcificata sotto forma di escrescenze simili a dita irregolari, che "chiude" due strati e impedisce la loro separazione. Cartilagine calcificata è meno denso del osso subcondrale, quindi svolge la funzione di uno strato intermedio che ammorbidisce il carico di compressione sulla cartilagine e osso subcondrale trasmette.

Durante il carico, si verifica una distribuzione complessa di tre forze: stiramento, taglio e compressione. La matrice articolare è deformata a causa dell'espulsione dell'acqua (così come dei prodotti metabolici delle cellule) dalla zona di carico, la concentrazione di ioni nel liquido interstiziale aumenta. Il movimento dell'acqua dipende direttamente dalla durata e dalla forza del carico applicato e viene ritardato dalla carica negativa dei proteoglicani. Nel tempo proteoglicani deformazione tessuto più strettamente premuto contro l'altro, aumentando così efficacemente la densità di carica negativa e forze repulsive carica negativa intermolecolari a sua volta aumenta la resistenza ad ulteriore deformazione del tessuto. In definitiva deformazione raggiunge l'equilibrio, in cui le forze esterne sono forze di resistenza carico interno equilibrate - gonfiore pressione (l'interazione con ioni proteoglicani) e sollecitazioni meccaniche (proteoglicani interazione e collagene). Quando il carico viene eliminato, il tessuto cartilagineo acquisisce la sua forma originale succhiando l'acqua insieme ai nutrienti. La forma del tessuto iniziale (pre-carico) si ottiene quando la pressione di rigonfiamento dei proteoglicani viene bilanciata dalla resistenza della rete di collagene alla loro diffusione.

Le proprietà biomeccaniche della cartilagine articolare si basano sulla integrità strutturale del tessuto - composizione collagene proteoglicani come una fase solida e acqua e gli ioni disciolto in fase liquida. Fuori dal carico, la pressione idrostatica della cartilagine articolare è di circa 1-2 atm. Questa pressione idrostatica può aumentare in vivo a 100-200 atm. In millisecondi durante la camminata e fino a 40-50 atm durante la camminata. Gli studi in vitro hanno dimostrato che la pressione idrostatica di 50-150 atm (fisiologica) per un breve periodo di tempo porta ad una moderata crescita della cartilagine anabolismo, per 2 ore - porta alla perdita di cartilagine liquido, ma non causando altre modifiche. La domanda rimane quanto velocemente i condrociti reagiscono in vivo a questo tipo di carico.

La riduzione indotta dell'idratazione con conseguente aumento della concentrazione di proteoglicani porta all'attrazione di ioni caricati positivamente, come H ⁺ e Na ⁺. Ciò porta a un cambiamento nella composizione e nel pH degli ioni totali dell'ECM e dei condrociti. Il carico prolungato induce una diminuzione del pH e una diminuzione simultanea della sintesi di proteoglicani da parte dei condrociti. Forse l'influenza dell'ambiente ionico extracellulare sui processi sintetici è anche in parte correlata al suo effetto sulla composizione dell'ECM. Le molecole recentemente sintetizzate di aggrecan in un terreno debolmente acido più tardi che in condizioni normali maturano in forme aggregate. È probabile che una diminuzione del pH intorno ai condrociti (ad esempio durante un carico) consenta a molecole di aggrecano di nuova sintesi di raggiungere la matrice interterritoriale.

Quando il carico viene eliminato, l'acqua ritorna dalla cavità sinoviale, portando con sé i nutrienti per le cellule. La cartilagine affetti da artrosi, concentrazione proteoglicano si abbassa, quindi, durante il caricamento di acqua si muove non solo verticalmente nella cavità sinoviale, ma anche in altre direzioni, riducendo così condrociti potenza.

L'immobilizzazione o piccolo carico porta ad una notevole diminuzione nei processi di sintesi dei contenuti della cartilagine proteoglicani e, mentre l'aumento di carico dinamico porta ad una sintesi aumento proteoglicani modesto e contenuto .. Esercizio fisico intenso (20 km al giorno per 15 settimane) nei cani ha causato un cambiamento nel contenuto di proteoglicani in particolare, una forte diminuzione della loro concentrazione nella zona superficiale. C'è stato un certo ammorbidimento reversibile della cartilagine e il rimodellamento dell'osso subcondrale. Un grande carico statico, tuttavia, ha causato danni alla cartilagine e conseguente degenerazione. Inoltre, la perdita di Aggrecan ECM avvia alterazioni anormali caratteristiche dell'osteoartrosi. La perdita di aggrecan porta all'attrazione dell'acqua e al rigonfiamento della rimanente piccola quantità di proteoglicani. Questa dissoluzione di Aggrecan aiuta a ridurre la densità della carica fissa locale e, in ultima analisi, porta a un cambiamento nell'osmolarità.