Osteoartritas: kaip organizuota sąnario kremzlė?

Normali sąnarinė kremzlė atlieka dvi pagrindines funkcijas: deformuodamasi sugeria slėgį mechaninio apkrovimo metu ir užtikrina sąnarinių paviršių lygumą, o tai leidžia sumažinti trintį sąnarių judesių metu. Tai užtikrina unikali sąnarinės kremzlės struktūra, kurią sudaro chondroitinai, panardinti į tarpląstelinę matricą (ECM).

Normalią suaugusiojo sąnarinę kremzlę galima suskirstyti į kelis sluoksnius arba zonas: paviršinę arba tangentinę zoną, pereinamąją zoną, giliąją arba radialinę zoną ir kalcifikuotą zoną. Sluoksnis tarp paviršinės ir pereinamosios zonų, o ypač tarp pereinamosios ir giliosios zonų, neturi aiškių ribų. Nekalcifikuotos ir kalcifikuotos sąnarinės kremzlės jungtis vadinama „banguota riba“ – linija, matoma dažant dekalcifikuotą audinį. Kalcifikuota kremzlės zona sudaro santykinai pastovią (6–8 %) viso kremzlės skerspjūvio aukščio dalį. Bendras sąnarinės kremzlės storis, įskaitant kalcifikuotos kremzlės zoną, kinta priklausomai nuo apkrovos konkrečiai sąnarinio paviršiaus sričiai ir sąnario tipo. Protarpinis hidrostatinis slėgis subchondriniame kaule atlieka svarbų vaidmenį palaikant normalią kremzlės struktūrą, lėtindamas kaulėjimą.

Chondrocitai sudaro maždaug 2–3 % viso audinio masės; paviršinėje (tangentinėje) zonoje jie išsidėstę išilgai, o giliojoje (radialinėje) zonoje – statmenai kremzlės paviršiui; pereinamojoje zonoje chondrocitai sudaro 2–4 ląstelių grupes, išsibarsčiusias po visą matricą. Priklausomai nuo sąnarinės kremzlės zonos, chondrocitų tankis kinta – didžiausias ląstelių tankis yra paviršinėje zonoje, mažiausias – kalcifikuotoje zonoje. Be to, ląstelių pasiskirstymo tankis kinta priklausomai nuo sąnario, jis yra atvirkščiai proporcingas kremzlės storiui ir atitinkamos srities patiriamai apkrovai.

Paviršutiniškiausiai išsidėstę chondrocitai yra disko formos ir sudaro kelis ląstelių sluoksnius tangentinėje zonoje, esančioje po siaura matrikso juostele; giliau esančios šios zonos ląstelės paprastai turi nelygesnius kontūrus. Pereinamojoje zonoje chondrocitai yra sferiniai, kartais jie susijungia į mažas grupes, išsibarsčiusias matrikse. Giliosios zonos chondrocitai daugiausia yra elipsės formos, sugrupuoti į radialiai išdėstytas 2–6 ląstelių grandines. Kalcifikuotoje zonoje jie pasiskirstę dar rečiau; kai kurie iš jų yra nekrotiniai, nors dauguma yra gyvybingi. Ląsteles supa nekalcifikuota matriksas, tarpląstelinė erdvė yra kalcifikuota.

Taigi, žmogaus sąnarinė kremzlė susideda iš hidratuotos išorinės masės (ECM) ir joje panardintų ląstelių, kurios sudaro 2–3 % viso audinio tūrio. Kadangi kremzlės audinys neturi kraujo ar limfagyslių, ląstelių sąveika, maistinių medžiagų tiekimas joms ir medžiagų apykaitos produktų pašalinimas vyksta difuzijos būdu per ECM. Nepaisant to, kad chondrocitai yra labai metaboliškai aktyvūs, suaugusiųjų organizme jie paprastai nesidalija. Chondrocitai egzistuoja deguonies neturinčioje aplinkoje, ir manoma, kad jų metabolizmas daugiausia yra anaerobinis.

Kiekvienas chondrocitas laikomas atskiru kremzlės metaboliniu vienetu, izoliuotu nuo kaimyninių ląstelių, bet atsakingu už ECM elementų gamybą artimoje donorinės ląstelės aplinkoje ir jos sudėties palaikymą.

ECM yra padalinta į tris dalis, kurių kiekviena turi unikalią morfologinę struktūrą ir specifinę biocheminę sudėtį. ECM, esanti tiesiai greta chondrocitų pamatinės membranos, vadinama periląsteline arba lakunarine matrica. Jai būdingas didelis proteoglikanų agregatų, susijusių su ląstele dėl hialurono rūgšties sąveikos su CD44 tipo receptoriais, kiekis ir santykinis organizuotų kolageno fibrilų nebuvimas. Tiesiai greta periląstelinės matricos yra teritorinė arba kapsulinė matrica, kurią sudaro susikertančių fibrilinių kolagenų tinklas, apgaubiantis atskiras ląsteles arba (kartais) ląstelių grupes, sudarantis chondroną ir tikriausiai suteikiantis specializuotą mechaninę ląstelių atramą. Chondrocitų sąlytis su kapsuline matrica pasiekiamas per daugybę citoplazminių procesų, kuriuose gausu mikrofilamentų, taip pat per specifines matricos molekules, tokias kaip ankorinas ir CD44 tipo receptoriai. Didžiausia ir toliausiai nuo chondrocitų pamatinės membranos nutolusi ECM dalis yra tarpteritorinė matrica, kurioje yra daugiausia kolageno fibrilų ir proteoglikanų.

ECM suskirstymas į skyrius suaugusiųjų sąnarinėje kremzlėje yra aiškiau apibrėžtas nei nesubrendusioje sąnarinėje kremzlėje. Kiekvieno skyriaus santykinis dydis skiriasi ne tik tarp sąnarių, bet net ir toje pačioje kremzlėje. Kiekvienas chondrocitas gamina jį supančią matricą. Tyrimai rodo, kad subrendusio kremzlės audinio chondrocitai aktyviai metaboliškai kontroliuoja savo tarpląstelinę ir teritorinę matricas ir mažiau aktyviai kontroliuoja tarpląstelinę matricą, kuri gali būti metaboliškai „inertiška“.

Kaip minėta anksčiau, sąnarinę kremzlę daugiausia sudaro platus išorinis, išorinis, išorinis, mediuotas (ECM), kurį sintetina ir reguliuoja chondrocitai. Audinių makromolekulės ir jų koncentracijos visą gyvenimą kinta atsižvelgiant į kintančius funkcinius poreikius. Tačiau lieka neaišku, ar ląstelės visą matricą sintetina vienu metu, ar tam tikromis fazėmis, atsižvelgiant į fiziologinius poreikius. Makromolekulių koncentracija, jų medžiagų apykaitos pusiausvyra, jų ryšiai ir sąveika lemia sąnarinės kremzlės biochemines savybes ir, atitinkamai, funkciją viename sąnaryje. Pagrindinis suaugusio žmogaus sąnarinės kremzlės ECM komponentas yra vanduo (65–70 % visos masės), kuris yra tvirtai surištas joje dėl ypatingų fizinių kremzlės audinių makromolekulių, kurios yra kolageno, proteoglikanų ir nekolageninių glikoproteinų dalis, savybių.

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

Kremzlės biocheminė sudėtis

Kolageno skaidulos sudarytos iš fibrilinio baltymo kolageno molekulių. Žinduoliams kolagenas sudaro ketvirtadalį visų organizme esančių baltymų. Kolagenas sudaro fibrilinius elementus (kolageno fibriles), susidedančius iš struktūrinių subvienetų, vadinamų tropokolagenu. Tropokolageno molekulė turi tris grandines, kurios sudaro trigubą spiralę. Ši tropokolageno molekulės struktūra, kaip ir kolageno skaidulos struktūra, kai šios molekulės yra išdėstytos lygiagrečiai išilgine kryptimi su pastoviu maždaug 1/4 ilgio poslinkiu, suteikia audiniams, kuriuose jos yra, didelį elastingumą ir stiprumą. Šiuo metu žinoma 10 genetiškai skirtingų kolageno tipų, kurie skiriasi α grandinių chemine struktūra ir (arba) jų išsidėstymu molekulėje. Geriausiai ištirti pirmieji keturi kolageno tipai gali sudaryti iki 10 molekulinių izoformų.

Kolageno fibrilės yra daugumos jungiamųjų audinių, įskaitant kremzlę, tarpląstelinės erdvės dalis. Netirpiame trimačiame susikertančių kolageno fibrilių tinkle yra įsipainioję ir kiti, labiau tirpūs komponentai, tokie kaip proteoglikanai, glikoproteinai ir audinių specifiniai baltymai; jie kartais yra kovalentiškai sujungti su kolageno elementais.

Į fibriles susistemintos kolageno molekulės sudaro apie 50 % sausųjų kremzlės organinių likučių (10–20 % natūralios kremzlės). Subrendusioje kremzlėje apie 90 % kolagenų yra II tipo kolagenai, kurie randami tik kai kuriuose audiniuose (pvz., stiklakūnyje, embriono nugaros smegenyse). II tipo kolagenas priklauso I klasės (fibriles formuojančioms) kolageno molekulėms. Be jo, subrendusioje žmogaus sąnarinėje kremzlėje taip pat yra IX, XI tipų kolageno ir nedidelis kiekis VI tipo kolageno. Santykinis IX tipo kolageno skaidulų kiekis kolageno fibrilėse sumažėja nuo 15 % vaisiaus kremzlėje iki maždaug 1 % subrendusios galvijų kremzlėje.

I tipo kolageno molekulės susideda iš trijų identiškų polipeptidinių α, (II) grandinių, susintetintų ir išskiriamų kaip prokolageno pirmtakas. Kai baigtos kolageno molekulės išsiskiria į tarpląstelinę erdvę, jos sudaro fibriles. Subrendusioje sąnarinėje kremzlėje II tipo kolagenas sudaro fibrilines arkadas, kuriose „storesnės“ molekulės yra gilesniuose audinio sluoksniuose, o „plonesnės“ – horizontaliai paviršiniuose sluoksniuose.

Prokolageno II tipo gene rastas egzonas, koduojantis cisteinu praturtintą N-galo propeptidą. Šis egzonas ekspresuojamas ne subrendusioje kremzlėje, o ankstyvosiose vystymosi stadijose (prechondrogenezėje). Dėl šio egzono buvimo prokolageno II tipo molekulė (II A tipas) yra ilgesnė nei II tipo kolagenas. Tikėtina, kad šio tipo prokolageno ekspresija slopina elementų kaupimąsi sąnarinės kremzlės išorinėje matricoje (ECM). Tai gali turėti tam tikrą vaidmenį kremzlės patologijos vystymesi (pvz., nepakankamas reparacinis atsakas, osteofitų susidarymas ir kt.).

II tipo kolageno fibrilų tinklas atlieka atsparumo tempimui funkciją ir yra būtinas audinio tūriui bei formai palaikyti. Šią funkciją sustiprina kovalentiniai ir skersiniai ryšiai tarp kolageno molekulių. ECM fermentas lizilo oksidazė iš hidroksilizino sudaro aldehidą, kuris vėliau paverčiamas daugiavalente aminorūgštimi hidroksilizilpiridinolinu, kuri sudaro skersinius ryšius tarp grandinių. Viena vertus, šios aminorūgšties koncentracija didėja su amžiumi, tačiau subrendusioje kremzlėje ji praktiškai nepakinta. Kita vertus, sąnarinėje kremzlėje su amžiumi pastebimas įvairių tipų skersinių jungčių, susidariusių be fermentų, koncentracijos padidėjimas.

Apie 10 % viso kremzlės audinio kolageno kiekio sudaro vadinamieji minoriniai kolagenai, kurie daugiausia lemia unikalią šio audinio funkciją. IX tipo kolagenas priklauso III klasės trumpųjų spiralių molekulėms ir unikaliai FACIT kolagenų grupei (su fibrilais susijęs kolagenas su pertrauktomis trigubomis spiralėmis). Jį sudaro trys genetiškai skirtingos grandinės. Viena iš jų, _a2 grandinė, yra glikozilinama vienu metu chondroitino sulfatu, todėl ši molekulė yra proteoglikanas. Tarp IX ir II tipo kolageno spiralinių segmentų randami tiek subrendę, tiek nesubrendę hidroksipiridino skersiniai ryšiai. IX kolagenas taip pat gali veikti kaip tarpmolekulinė-tarpfibrilinė „jungtis“ (arba tiltas) tarp gretimų kolageno fibrilų. IX kolageno molekulės sudaro skersinius ryšius viena su kita, o tai padidina fibrilinio trimačio tinklo mechaninį stabilumą ir apsaugo jį nuo fermentų poveikio. Jos taip pat suteikia atsparumą deformacijai, riboja tinklo viduje esančių proteoglikanų brinkimą. Be anijoninės CS grandinės, kolageno IX molekulėje yra katijoninis domenas, kuris suteikia fibrilei didelį krūvį ir polinkį sąveikauti su kitomis matricos makromolekulėmis.

XI tipo kolagenas sudaro tik 2–3 % visos kolageno masės. Jis priklauso I klasės (fibriles formuojantiems) kolagenams ir susideda iš trijų skirtingų α grandinių. Kartu su II ir IX tipų kolagenu XI tipo kolagenas sudaro heterotipines sąnarinės kremzlės fibriles. Imunoelektromikroskopijos būdu II tipo kolageno fibrilėse buvo aptiktos XI tipo kolageno molekulės. Jos tikriausiai organizuoja II tipo kolageno molekules, kontroliuodamos fibrilų šoninį augimą ir nustatydamos heterotipinės kolageno fibrilės skersmenį. Be to, XI kolagenas dalyvauja formuojant kryžminius ryšius, tačiau net ir subrendusioje kremzlėje kryžminiai ryšiai išlieka nesubrendusių dvivalenčių ketoaminų pavidalu.

Nedideli kiekiai VI tipo kolageno, dar vieno III klasės trumpos spiralės molekulių nario, randami sąnarinėje kremzlėje. VI tipo kolagenas sudaro įvairias mikrofibriles ir tikriausiai yra susikaupęs chondrono kapsulės matricoje.

Proteoglikanai yra baltymai, prie kurių kovalentiškai prijungta bent viena glikozaminoglikano grandinė. Proteoglikanai yra vienos sudėtingiausių biologinių makromolekulių. Proteoglikanai gausiausi kremzlės išorinėje matricoje (ECM). „Įsipainioję“ į kolageno fibrilų tinklą, hidrofiliniai proteoglikanai atlieka savo pagrindinę funkciją – suteikia kremzlei gebėjimą grįžtamai deformuotis. Manoma, kad proteoglikanai atlieka ir keletą kitų funkcijų, kurių esmė nėra iki galo aiški.

Agrekanas yra pagrindinis sąnarinės kremzlės proteoglikanas, sudarantis maždaug 90 % visos proteoglikanų masės audinyje. Jo 230 kD šerdinis baltymas yra glikozilintas keliomis kovalentiškai sujungtomis glikozaminoglikanų grandinėmis ir N-galo bei C-galo oligosacharidais.

Sąnarinės kremzlės glikozaminoglikano grandinės, kurios sudaro apie 90 % visos makromolekulių masės, yra keratano sulfatas (sulfatinio disacharido N-acetilgliukozamino laktozės seka su keliomis sulfatinėmis vietomis ir kitais monosacharidų likučiais, tokiais kaip sialo rūgštis) ir chondroitino sulfatas (disacharido N-acetilgalaktozamino gliukurono rūgšties seka su sulfato esteriu, prijungtu prie kiekvieno ketvirto arba šešto N-acetilgalaktozamino anglies atomo).

Agrekano šerdinis baltymas turi tris rutulinius (G1, G2, G3) ir du tarprutulinius (E1 ir E2) domenus. N-galinėje srityje yra G1 ir G2 domenai, atskirti 21 nm ilgio E1 segmentu. C3 domenas, esantis C-galinėje srityje, nuo G2 yra atskirtas _ilgesniu (apie 260 nm) E2 segmentu, kuriame yra daugiau nei 100 chondroitino sulfatų grandinių, apie 15–25 keratino sulfatų grandinių ir O-sujungtų oligosacharidų. N-sujungtų oligosacharidų daugiausia yra G1 ir C2 domenuose bei E1 segmente, taip pat netoli G3 _srities. Glikozaminoglikanai yra suskirstyti į dvi sritis: ilgiausias (vadinamasis chondroitino sulfato turtingas regionas) turi chondroitino sulfato grandines ir apie 50 % keratano sulfato grandinių. Keratano sulfato turtingas regionas yra E2 segmente, _netoli G1 domeno, ir yra prieš chondroitino sulfato turtingą regioną. Agrekano molekulėse taip pat yra fosfatų esterių, daugiausia esančių ksilozės liekanose, kurios jungia chondroitino sulfato grandines prie šerdinio baltymo; jų taip pat yra šerdinio baltymo serino liekanose.

_{C3 domeno} C-galinis segmentas yra labai homologiškas lektinui, todėl proteoglikano molekulės gali būti fiksuotos ECM, prisijungdamos prie tam tikrų angliavandenių struktūrų.

Naujausi tyrimai parodė, kad G3 domene yra egzonas, koduojantis EGF tipo subdomeną _. Naudojant polikloninius antikūnus prieš EGF, EGF tipo epitopas buvo lokalizuotas 68 kD peptide žmogaus sąnario kremzlės agrekane. Tačiau jo funkcija dar nėra išaiškinta. Šis subdomenas taip pat randamas adhezijos molekulėse, kurios kontroliuoja limfocitų migraciją. Tik maždaug trečdalis agrekano molekulių, išskirtų iš subrendusio žmogaus sąnario kremzlės, turi nepažeistą C3 _domeną; tai greičiausiai yra todėl, kad agrekano molekulės gali būti fermentiškai sumažintos ECM. Suskaldytų fragmentų likimas ir funkcija nežinomi.

Pagrindinis agrekano molekulės funkcinis segmentas yra glikozaminoglikaną turintis E2 _segmentas. Šioje srityje, kurioje gausu keratano sulfatų, yra aminorūgštys prolinas, serinas ir treoninas. Dauguma serino ir treonino liekanų yra O-glikozilintos N-acetilgalaktozamino liekanomis; jos inicijuoja tam tikrų oligosacharidų, kurie įtraukiami į keratano sulfato grandines, sintezę ir taip jas pailgina. Likusioje E2 _segmento dalyje yra daugiau nei 100 serino-glicino sekų, kuriose serinas prisijungia prie ksilozilo liekanų chondroitino sulfato grandinių pradžioje. Paprastai toje pačioje proteoglikano molekulėje vienu metu egzistuoja ir chondroitino-6-sulfatas, ir chondroitino-4-sulfatas, jų santykis kinta priklausomai nuo kremzlės audinio lokalizacijos ir žmogaus amžiaus.

Žmogaus sąnario kremzlės matricoje esančių agrekano molekulių struktūra brendimo ir senėjimo metu patiria daug pokyčių. Su senėjimu susiję pokyčiai apima hidrodinaminio dydžio sumažėjimą dėl chondroitino sulfato grandinių vidutinio ilgio pokyčio ir keratano sulfato grandinių skaičiaus bei ilgio padidėjimą. Daugelį agrekano molekulės pokyčių taip pat sukelia proteolitinių fermentų (pvz., agrekanazės ir stromelezino) poveikis šerdiniam baltymui. Dėl to laipsniškai mažėja vidutinis agrekano molekulės šerdinio baltymo ilgis.

Agrekano molekules sintetina chondrocitai ir išskiria į išorinę ląstelių membraną (ECM), kur jos sudaro agregatus, stabilizuojamus jungiamojo baltymo molekulių. Ši agregacija apima labai specifines nekovalentines ir kooperatyvines sąveikas tarp gliukurono rūgšties grandinės ir beveik 200 agrekano bei jungiamojo baltymo molekulių. Gliukurono rūgštis yra tarpląstelinis, nesulfatuotas, didelės molekulinės masės linijinis glikozaminoglikanas, sudarytas iš daugybės nuosekliai sujungtų N-acetilgliukozamino ir gliukurono rūgšties molekulių. Agrekano G1 domeno suporuotos kilpos grįžtamai sąveikauja su penkiais nuosekliai išdėstytais hialurono rūgšties disacharidais. Jungiamasis baltymas, kuriame yra panašios (labai homologiškos) suporuotos kilpos, sąveikauja su C1 domenu ir hialurono rūgšties molekule ir stabilizuoja agregato struktūrą. C1 domeno, hialurono rūgšties ir jungiamojo baltymo kompleksas sudaro labai stabilią sąveiką, kuri apsaugo G1 domeną ir jungiamąjį baltymą nuo proteolitinių fermentų poveikio. Nustatytos dvi jungiamojo baltymo molekulės, kurių molekulinė masė yra 40–50 kDa; jos skiriasi viena nuo kitos glikozilinimo laipsniu. Hialurono rūgšties ir agrekano jungties vietoje yra tik viena jungiamojo baltymo molekulė. Trečioji, mažesnė, jungiamojo baltymo molekulė susidaro iš didesnių proteolitinio skilimo būdu.

Apie 200 agrekano molekulių gali prisijungti prie vienos hialurono rūgšties molekulės ir sudaryti 8 μm ilgio agregatą. Su ląstele susijusioje matricoje, kurią sudaro periląsteliniai ir teritoriniai skyriai, agregatai palaiko ryšį su ląstelėmis prisijungdami (per hialurono rūgšties siūlą) prie CD44 tipo receptorių ląstelės membranoje.

Agregatų susidarymas ECM yra sudėtingas procesas. Naujai susintetintos agrekano molekulės ne iš karto geba prisijungti prie hialurono rūgšties. Tai gali būti reguliavimo mechanizmas, leidžiantis naujai susintetintoms molekulėms pasiekti tarpteritorinę matricos zoną prieš imobilizuojant jas į didelius agregatus. Naujai susintetintų agrekano molekulių ir jungiančiųjų baltymų, galinčių sudaryti agregatus sąveikaujant su hialurono rūgštimi, skaičius su amžiumi žymiai mažėja. Be to, iš žmogaus sąnario kremzlės išskirtų agregatų dydis su amžiumi žymiai mažėja. Iš dalies taip yra dėl vidutinio hialurono rūgšties molekulių ir agrekano molekulių ilgio sumažėjimo.

Sąnarinėje kremzlėje nustatyti dviejų tipų agregatai. Pirmojo tipo agregatų vidutinis dydis yra 60 S, o antrojo tipo (greitai nusėdančių „superagregatų“) – 120 S. Pastarasis pasižymi jungiamojo baltymo molekulių gausa. Šių superagregatų buvimas gali atlikti svarbų vaidmenį audinio funkcionavime; audinių atsistatymo metu po galūnės imobilizacijos didesnės jų koncentracijos randamos viduriniuose sąnarinės kremzlės sluoksniuose, o osteoartrozės pažeistame sąnaryje jų dydžiai ankstyvosiose ligos stadijose žymiai sumažėja.

Be agrekano, sąnarinėje kremzlėje yra daug mažesnių proteoglikanų. Biglikanas ir dekorinas, molekulės, pernešančios dermatano sulfatus, turi atitinkamai apie 100 ir 70 kDa molekulines mases; jų pagrindinio baltymo masė yra apie 30 kDa.

Žmogaus sąnario kremzlėje biglikano molekulėje yra dvi dermatano sulfato grandinės, o labiau paplitęs dekorinas – tik viena. Šios molekulės sudaro tik nedidelę sąnario kremzlės proteoglikanų dalį, nors jų gali būti tiek pat daug, kiek ir didelių agregatų proteoglikanų. Maži proteoglikanai sąveikauja su kitomis ECM makromolekulėmis, įskaitant kolageno fibriles, fibronektiną, augimo faktorius ir kt. Dekorinas daugiausia lokalizuojasi kolageno fibrilų paviršiuje ir slopina kolageno fibrilogenezę. Pagrindinis baltymas yra glaudžiai susijęs su fibronektino ląstelių prisijungimo domenu, todėl tikėtina, kad pastarasis negali prisijungti prie ląstelės paviršiaus receptorių (integrinų). Kadangi ir dekorinas, ir biglikanas jungiasi prie fibronektino ir slopina ląstelių adheziją bei migraciją, taip pat trombų susidarymą, jie gali slopinti audinių atstatymo procesus.

Sąnarinės kremzlės fibromodulinas yra 50–65 kD molekulinės masės proteoglikanas, susijęs su kolageno fibrilėmis. Jo šerdinis baltymas, homologiškas dekorino ir biglikano šerdiniams baltymams, turi daug tirozino sulfato liekanų. Ši glikozilinta fibromodulino forma (anksčiau vadinta 59 kD matricos baltymu) gali dalyvauti reguliuojant kolageno fibrilų struktūros formavimąsi ir palaikymą. Fibromodulinas ir dekorinas yra kolageno fibrilų paviršiuje. Taigi, kaip minėta anksčiau, prieš padidėjus fibrilų skersmeniui, šie proteoglikanai (taip pat ir IX tipo kolageno molekulės) turėtų būti selektyviai pašalinti.

Sąnarinėje kremzlėje, esančioje išorinėje matricoje (ECM), yra daug baltymų, kurie nėra nei proteoglikanai, nei kolagenai. Jie sąveikauja su kitomis makromolekulėmis ir sudaro tinklą, apimantį daugumą ECM molekulių.

Ankorinas, 34 kD baltymas, lokalizuotas chondrocitų paviršiuje ir ląstelės membranoje, tarpininkaudamas sąveikai tarp ląstelės ir matricos. Dėl didelio afiniteto II tipo kolagenui jis gali veikti kaip mechanoreceptorius, perduodantis signalą apie pasikeitusį spaudimą fibrilėms į chondrocitą.

Fibronektinas yra daugumos kremzlinių audinių komponentas ir šiek tiek skiriasi nuo plazmos fibronektino. Manoma, kad fibronektinas skatina matricos integraciją, sąveikaudamas su ląstelių membranomis ir kitais matricos komponentais, tokiais kaip II tipo kolagenas ir trombospondinas. Fibronektino fragmentai neigiamai veikia chondrocitų metabolizmą: jie slopina agrekanų sintezę ir stimuliuoja katabolinius procesus. Didelės fibronektino fragmentų koncentracijos nustatytos pacientų, sergančių osteoartritu, sąnarių skystyje, todėl jie gali dalyvauti ligos patogenezėje vėlyvose stadijose. Tikėtina, kad panašų poveikį turi ir kitų matricos molekulių fragmentai, kurie jungiasi prie chondrocitų receptorių.

Oligomerinis kremzlės matrikso baltymas (OMPC), trombospondinų superšeimos narys, yra pentameras su penkiais identiškais subvienetais, kurio molekulinė masė yra apie 83 kDa. Jų dideliais kiekiais randama sąnarinėje kremzlėje, ypač augančių audinių proliferuojančių ląstelių sluoksnyje. Todėl gali būti, kad OMPC dalyvauja ląstelių augimo reguliavime. Subrendusios sąnarinės kremzlės išorinėje ląstelės membranoje (ECM) jų yra daug mažesnėmis koncentracijomis. Matricos baltymai taip pat apima:

• bazinis matricos baltymas (36 kDa), turintis didelį afinitetą chondrocitams, gali tarpininkauti ląstelių sąveikai ECM, pavyzdžiui, audinių pertvarkymo metu;
• GP-39 (39 kDa) yra ekspresuojamas sąnarinės kremzlės paviršiniame sluoksnyje ir sinovinėje membranoje (jo funkcijos nežinomos);
• 21 kD baltymą sintetina hipertrofuoti chondrocitai, jis sąveikauja su X tipo kolagenu ir gali funkcionuoti „banguotos linijos“ zonoje.

Be to, akivaizdu, kad chondrocitai tam tikruose kremzlės vystymosi etapuose ir patologinėmis sąlygomis ekspresuoja neglikozilintas mažų neagreguotų proteoglikanų formas, tačiau jų specifinė funkcija šiuo metu tiriama.

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

Sąnarinės kremzlės funkcinės savybės

Agrekano molekulės suteikia sąnarinei kremzlei gebėjimą grįžtamai deformuotis. Jos demonstruoja specifinę sąveiką tarpląstelinėje erdvėje ir neabejotinai vaidina svarbų vaidmenį ECM organizacijoje, struktūroje ir funkcijoje. Kremzlės audinyje agrekano molekulių koncentracija pasiekia 100 mg/ml. Kremzlėje agrekano molekulės suspaudžiamos iki 20 % tūrio, kurį jos užima tirpale. Trimatis tinklas, sudarytas iš kolageno fibrilų, suteikia audiniui būdingą formą ir neleidžia padidėti proteoglikanų tūriui. Kolageno tinkle nejudrūs proteoglikanai turi didelį neigiamą elektrinį krūvį (juose yra daug anijoninių grupių), kuris leidžia jiems sąveikauti su mobiliomis katijoninėmis intersticinio skysčio grupėmis. Sąveikaudami su vandeniu, proteoglikanai sukuria vadinamąjį brinkimo slėgį, kurį neutralizuoja kolageno tinklas.

Vandens buvimas endoplazminėje masėje (ECM) yra labai svarbus. Vanduo lemia audinio tūrį; prisijungęs prie proteoglikanų, jis suteikia atsparumą suspaudimui. Be to, vanduo užtikrina molekulių pernašą ir difuziją ECM. Didelis neigiamo krūvio tankis ant didelių proteoglikanų, pritvirtintų prie audinio, sukuria „išskirto tūrio efektą“. Intrakoncentruoto proteoglikanų tirpalo porų dydis yra toks mažas, kad didelių globulinių baltymų difuzija į audinį yra smarkiai apribota. ECM atstumia mažus neigiamai įkrautus baltymus (pvz., chlorido jonus) ir didelius baltymus (pvz., albuminą ir imunoglobulinus). Ląstelių dydis tankiame kolageno fibrilų ir proteoglikanų tinkle yra palyginamas tik su kai kurių neorganinių molekulių (pvz., natrio ir kalio, bet ne kalcio) dydžiu.

ECM (ekstrafibrilinėje medžiagoje) kolageno fibrilėse yra šiek tiek vandens. Ekstrafibrilinė erdvė lemia kremzlės fizikochemines ir biomechanines savybes. Vandens kiekis intrafibrilinėje erdvėje priklauso nuo proteoglikanų koncentracijos ekstrafibrilinėje erdvėje ir didėja mažėjant pastarųjų koncentracijai.

Fiksuotas neigiamas proteoglikanų krūvis lemia tarpląstelinės terpės joninę sudėtį, kurioje didelė laisvųjų katijonų ir maža laisvųjų anijonų koncentracija. Didėjant agrekanų molekulių koncentracijai nuo paviršinės iki giliosios kremzlės zonos, keičiasi audinio joninė aplinka. Neorganinių jonų koncentracija išorinėje matricoje (ECM) sukuria aukštą osmosinį slėgį.

Kremzlės medžiagų savybės priklauso nuo kolageno fibrilų, proteoglikanų ir audinio skystosios fazės sąveikos. Struktūriniai ir sudėties pokyčiai, susiję su sintezės ir katabolizmo procesų neatitikimu, makromolekulių degradacija ir fizine trauma, daro didelę įtaką kremzlės medžiagų savybėms ir keičia jos funkciją. Kadangi kolagenų ir proteoglikanų koncentracija, pasiskirstymas ir makromolekulinė organizacija kinta priklausomai nuo kremzlės zonos gylio, kiekvienos zonos biomechaninės savybės skiriasi. Pavyzdžiui, paviršinė zona, kurioje yra didelė kolageno koncentracija, tangentiškai išdėstytos fibrilės ir santykinai maža proteoglikanų koncentracija, pasižymi ryškiausiomis savybėmis atsispirti tempimui, tolygiai paskirstant apkrovą per visą audinio paviršių. Pereinamojoje ir giliojoje zonose didelė proteoglikanų koncentracija suteikia audiniui savybę atlaikyti gniuždymo apkrovą. „Banguotos linijos“ lygmenyje kremzlės medžiagų savybės smarkiai pasikeičia nuo lanksčios nekalcifikuotos zonos iki standesnės mineralizuotos kremzlės. „Banguotos linijos“ srityje audinio stiprumą užtikrina kolageno tinklas. Po jais esančių kremzlės dalių nekerta kolageno fibrilės; osteochondrinės jungties srityje audinio tvirtumą užtikrina specialūs nekalcifikuotos ir kalcifikuotos kremzlės zonų ribos kontūrai netaisyklingų pirštų pavidalo ataugų pavidalu, kurie „uždaro“ abu sluoksnius ir neleidžia jiems atsiskirti. Kalcifikuota kremzlė yra mažiau tanki nei subchondrinis kaulas, todėl ji atlieka tarpinio sluoksnio funkciją, kuris sušvelnina kremzlei tenkančią gniuždymo apkrovą ir perkelia ją į subchondrinį kaulą.

Apkrovos metu vyksta sudėtingas trijų jėgų pasiskirstymas – tempimo, šlyties ir suspaudimo. Sąnarinė matrica deformuojasi dėl vandens (taip pat ir ląstelių metabolizmo produktų) išstūmimo iš apkrovos zonos, padidėja jonų koncentracija intersticiniame skystyje. Vandens judėjimas tiesiogiai priklauso nuo taikomo krūvio trukmės ir jėgos, jį stabdo neigiamas proteoglikanų krūvis. Audinių deformacijos metu proteoglikanai stipriau spaudžiami vienas prie kito, taip efektyviai padidinant neigiamo krūvio tankį, o tarpmolekulinės jėgos, kurios atstumia neigiamą krūvį, savo ruožtu padidina audinio atsparumą tolesnei deformacijai. Galiausiai deformacija pasiekia pusiausvyrą, kurioje išorines apkrovos jėgas atsveria vidinės pasipriešinimo jėgos – brinkimo slėgis (proteoglikanų sąveika su jonais) ir mechaninis įtempis (proteoglikanų ir kolageno sąveika). Pašalinus apkrovą, kremzlinis audinys įgauna pradinę formą, sugerdamas vandenį kartu su maistinėmis medžiagomis. Pradinė (prieš apkrovą) audinio forma pasiekiama, kai proteoglikanų brinkimo slėgį atsveria kolageno tinklo pasipriešinimas jų plitimui.

Sąnarinės kremzlės biomechaninės savybės pagrįstos audinio struktūriniu vientisumu – kietojoje fazėje yra kolageno ir proteoglikano sudėtis, o skystojoje fazėje – vanduo ir ištirpę jonai. Be apkrovos sąnarinės kremzlės hidrostatinis slėgis yra apie 1–2 atm. Šis hidrostatinis slėgis in vivo gali padidėti iki 100–200 atm per milisekundę stovint ir iki 40–50 atm einant. In vitro tyrimai parodė, kad 50–150 atm (fiziologinis) hidrostatinis slėgis per trumpą laiką sukelia vidutinį kremzlės anabolizmo padidėjimą, o per 2 valandas sukelia kremzlės skysčio netekimą, bet nesukelia jokių kitų pokyčių. Klausimas, kaip greitai chondrocitai in vivo reaguoja į tokio tipo apkrovą, lieka neišspręstas.

Dėl sumažėjusios hidratacijos ir vėliau padidėjusios proteoglikanų koncentracijos pritraukiami teigiamai įkrauti jonai, tokie kaip H ⁺ ir Na ⁺. Tai lemia bendros išorinės matricos (ECM) ir chondrocitų joninės sudėties ir pH pokytį. Ilgalaikis fizinis krūvis sukelia pH sumažėjimą ir tuo pačiu metu sumažėja proteoglikanų sintezė chondrocituose. Gali būti, kad tarpląstelinės joninės aplinkos įtaka sintezės procesams taip pat iš dalies susijusi su jos įtaka ECM sudėčiai. Naujai susintetintos agrekanų molekulės silpnai rūgštinėje aplinkoje į agregatus subręsta vėliau nei įprastomis sąlygomis. Tikėtina, kad pH sumažėjimas aplink chondrocitus (pvz., fizinio krūvio metu) leidžia daugiau naujai susintetintų agrekanų molekulių pasiekti tarpteritorinę matricą.

Pašalinus krūvį, vanduo grįžta iš sinovijos ertmės, pernešdamas ląstelėms skirtas maistines medžiagas. Osteoartrito pažeistoje kremzlėje proteoglikanų koncentracija sumažėja, todėl krūvio metu vanduo juda ne tik vertikaliai į sinovijos ertmę, bet ir kitomis kryptimis, taip sumažindamas chondrocitų mitybą.

Imobilizacija arba lengvas krūvis žymiai sumažina kremzlės sintezę ir proteoglikanų kiekį, tuo tarpu padidėjęs dinaminis krūvis lemia vidutinį proteoglikanų sintezės ir kiekio padidėjimą. Intensyvus fizinis krūvis (20 km/dieną 15 savaičių) šunims sukėlė proteoglikanų kiekio pokyčius, ypač staigų jų koncentracijos sumažėjimą paviršinėje zonoje. Pasireiškė grįžtamas kremzlės suminkštėjimas ir subchondrinis kaulo remodeliavimasis. Tačiau didelis statinis krūvis sukėlė kremzlės pažeidimą ir vėlesnę degeneraciją. Be to, ECM agrekano praradimas sukelia osteoartritui būdingus nenormalius pokyčius. Agrekano praradimas sukelia vandens pritraukimą ir nedidelio likusio proteoglikano kiekio patinimą. Šis agrekano ištirpimas prisideda prie vietinio fiksuoto krūvio tankio sumažėjimo ir galiausiai lemia osmoliariškumo pokytį.