Arthrose: Wie sind die Gelenkknorpel angeordnet?

Normaler Gelenkknorpel erfüllt zwei Hauptfunktionen: die Aufnahme von Druck durch Verformung bei mechanischer Belastung und die Gewährleistung der Geschmeidigkeit der Gelenkflächen, wodurch Sie die Reibung beim Bewegen im Gelenk minimieren können. Dies wird durch die einzigartige Struktur des Gelenkknorpels gewährleistet, der aus Chondro-Ita besteht, das in die extrazelluläre Matrix (ECM) eingetaucht ist.

Der normale Gelenkknorpel eines Erwachsenen kann in mehrere Schichten oder Zonen unterteilt werden: eine Oberflächen- oder Tangentialzone, eine Übergangszone, eine tiefe oder eine radiale Zone und eine verkalkte Zone. Die Schicht zwischen den Oberflächen- und Übergangszonen und insbesondere zwischen den Übergangs- und den tiefen Zonen hat keine klaren Grenzen. Die Verbindung zwischen unkalzifiziertem und verkalktem Gelenkknorpel wird als "wellige Grenze" bezeichnet - dies ist die Linie, die durch Anfärbung des entkalkten Gewebes bestimmt wird. Die verkalkte Zone des Knorpels ist ein relativ konstanter Anteil (6-8%) an der Gesamthöhe der Halbmonde. Die Gesamtdicke des Gelenkknorpels, einschließlich der Zone des verkalkten Knorpels, variiert in Abhängigkeit von der Belastung eines bestimmten Bereichs der Gelenkfläche und der Art des Gelenks. Der intermittierende hydrostatische Druck im subchondralen Knochen spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der normalen Struktur des Knorpels und verlangsamt die Ossifikation.

Chondrozyten machen etwa 2-3% der gesamten Gewebemasse aus; in der oberflächlichen (tangentialen) Zone befinden sie sich entlang und in der tiefen (radialen) Zone - senkrecht zur Oberfläche des Knorpels; In der Übergangszone bilden Chondrozyten Gruppen von 2-4 Zellen, die in der Matrix verstreut sind. Abhängig von der Fläche des Gelenkknorpels variiert die Dichte der Lage der Chondrozyten - die höchste Zelldichte in der Oberflächenzone, die niedrigste in der verkalkten Zone. Zusätzlich variiert die Dichte der Zellverteilung von Gelenk zu Gelenk, sie ist umgekehrt proportional zu der Dicke des Knorpels und der Belastung, die von seiner entsprechenden Stelle erfahren wird.

Die oberflächlichsten Chondrozyten sind scheibenförmig und bilden in der tangentialen Zone mehrere Zellschichten, die unter einem schmalen Matrixstreifen liegen; Tief gelegene Zellen dieser Zone haben tendenziell mehr unebene Konturen. In der Übergangszone haben Chondrozyten eine sphärische Form, manchmal sind sie in kleine Gruppen zusammengefasst, die in der Matrix verstreut sind. Chondrozyten der tiefen Zone sind vorwiegend ellipsoidförmig, gruppiert in radial angeordnete Ketten von 2-6 Zellen. In der verkalkten Zone sind sie noch sparsamer verteilt; einige von ihnen sind nekrotisch, obwohl die meisten lebensfähig sind. Die Zellen sind von einer unkalzifizierten Matrix umgeben, der Interzellularraum ist verkalkt.

Somit besteht der menschliche Gelenkknorpel aus hydratisierter ECM und darin eingetauchten Zellen, die 2-3% des gesamten Gewebevolumens ausmachen. Da das knorpelige Gewebe keine Blut- und Lymphgefäße aufweist, erfolgt die Interaktion zwischen Zellen, die Zufuhr von Nährstoffen zu ihnen, die Entfernung von Stoffwechselprodukten durch Diffusion durch die ECM. Trotz der Tatsache, dass die metabolischen Chondrozyten sehr aktiv sind, teilen sie sich normalerweise nicht bei Erwachsenen. Chondrozyten existieren in einer sauerstofffreien Umgebung, glauben, dass ihr Metabolismus überwiegend anaerob durchgeführt wird.

Jeder Chondrozyt wird als separate metabolische Knorpeleinheit angesehen, die aus benachbarten Zellen isoliert wird, aber für die Produktion von VKM-Elementen in unmittelbarer Nähe der gegebenen Zelle verantwortlich ist und ihre Zusammensetzung beibehält.

Der VCR emittieren drei Abschnitte, von denen jeder eindeutige morphologische Struktur und spezifischen biochemischen Zusammensetzung aufweist. VCR direkt benachbarter kbazalnoy Chondrozyten-Membran, die perizellulären, ililakunarnym, Matrix genannt. Es zeichnet sich durch hohen Zell-Interaktion im Zusammenhang mit Hyaluronsäuregehalt von Proteoglycan-Aggregaten mit CD44-like-Rezeptoren und dem relativen Mangel an organisierten kollagenen Fibrillen gekennzeichnet ist. Direkt in Kontakt mit perizellulären Matrix territorial oder kapsulären, eine Matrix, die aus einem Netzwerk von mir schneid fibrillären Kollagene besteht, welche die einzelnen Zellen verkapselt, oder (teilweise) eine Gruppe von Zellen bilden hondron, und wird wahrscheinlich spezielle mechanische Unterstützung für die Zellen bereitzustellen. Kontakt Chondrocytenmatrix mit durch zahlreiche zytoplasmatische Prozesse reich an Mikrofilamenten erreicht Kapsel- und durch spezifische Matrixmolekülen wie CD44-ankorin und podobnye Rezeptoren. Die größte und am weitesten entfernt von der Basalmembran ECM getrennt Chondrozyten - greif Matrix, die die größte Anzahl von Kollagenfasern und Proteoglykane enthält.

Die Teilung der ECM in Abteilungen ist im Gelenkknorpel eines Erwachsenen deutlicher abgegrenzt als im unreifen Gelenkknorpel. Die relative Größe jeder Abteilung variiert nicht nur in verschiedenen Gelenken, sondern auch innerhalb desselben Knorpels. Jeder Chondrozyt erzeugt eine Matrix, die ihn umgibt. Studien zufolge produzieren Chondrozyten von reifem Knorpelgewebe eine aktive metabolische Kontrolle über ihre perizellulären und territorialen Matrizen, weniger aktiv steuern sie die interterritoriale Matrix, die metabolisch "inert" sein kann.

Wie bereits erwähnt, besteht der Gelenkknorpel hauptsächlich aus umfangreichen ECM, synthetisiert und durch Chondrozyten geregelt. Gewebemakromoleküle und ihre Konzentration ändern sich während des Lebens entsprechend den sich ändernden funktionellen Bedürfnissen. Es bleibt jedoch unklar: Zellen synthetisieren die gesamte Matrix zur gleichen Zeit oder in bestimmten Phase in Übereinstimmung mit den physiologischen Bedürfnissen. Die Konzentration des Makromoleküls, metabolisches Gleichgewicht zwischen ihnen definieren, um die Beziehung und der Interaktion biochemische Eigenschaften und damit die Funktion des Gelenkknorpels innerhalb eines Gelenkes. Die Hauptkomponente der VCR erwachsenen Gelenkknorpel ist Wasser (65-70% der Gesamtmasse), die fest darin mittels speziellen physikalischen Eigenschaften von Makromolekülen Knorpelgewebe verbunden ist, umfassend die Kollagene, Proteoglycane und nicht-kollagenen Glykoproteine.

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Biochemische Zusammensetzung von Knorpel

Kollagenfasern bestehen aus Molekülen von Kollagen fibrillärem Protein. Bei Säugetieren macht der Anteil an Kollagen ein Viertel aller Proteine im Körper aus. Kollagen bildet fibrilläre Elemente (Kollagenfibrillen), die aus strukturellen Untereinheiten bestehen, die Tropokollagen genannt werden. Das Tropokollagen-Molekül hat drei Ketten, die eine Tripelhelix bilden. Diese Struktur des Tropokollagenmoleküls sowie die Struktur der Kollagenfaser sind, wenn diese Moleküle in Längsrichtung parallel sind, mit einer konstanten Verschiebung von etwa 1/4 der Länge und verleihen den Geweben, in denen sie sich befinden, eine hohe Elastizität und Festigkeit. Gegenwärtig sind 10 genetisch verschiedene Arten von Kollagen bekannt, die sich in der chemischen Struktur der a-Ketten und / oder ihrer Sammlung im Molekül unterscheiden. Die am besten untersuchten ersten vier Arten von Kollagen sind in der Lage, bis zu 10 molekulare Isoformen zu bilden.

Kollagenfibrillen sind Teil des extrazellulären Raums der meisten Arten von Bindegewebe, einschließlich Knorpelgewebe. Innerhalb des unlöslichen dreidimensionalen Netzwerks werden andere löslichere Komponenten, wie z. B. Proteoglycane, Glycoproteine und gewebespezifische Proteine, von den kollabierenden Kollagenfibrillen "verschlungen"; manchmal sind sie kovalent an Kollagenelemente gebunden.

Kollagenmoleküle, die in Fibrillen organisiert sind, machen etwa 50% des organischen trockenen Knorpelrestes aus (10-20% nativen Knorpels). Im reifen Knorpel sind etwa 90% der Kollagene Typ-II-Kollagene, die nur in bestimmten Geweben (z. B. Glaskörper, embryonales Rückenmark) gefunden werden. Kollagen Typ II bezieht sich auf die erste Klasse (Bildung von Fibrillen) von Kollagenmolekülen. Zusätzlich zu ihm, im reifen Gelenksknorpel der Person finden sich Kollagen IX, XI-Typ und in einer kleinen Anzahl von VI-Typen. Die relative Menge an Kollagenfasern vom IX-Typ in Kollagenfibrillen nimmt von 15% im Knorpel des Fötus auf etwa 1% im reifen Knorpel des Bullen ab.

Moleküle des Kollagen I-Typs bestehen aus drei identischen Polypeptiden a, (II) -Ketten, die in Form eines Präcollagen-Vorläufers synthetisiert und sekretiert werden. Sobald die fertigen Kollagenmoleküle in den extrazellulären Raum freigesetzt werden, bilden sie Fibrillen. Im reifen Gelenkknorpel bilden Kollagen Typ II fibrilläre Arkaden, in denen sich mehr "dicke" Moleküle in tiefen Gewebeschichten und mehr "dünn" - horizontal in den Oberflächenschichten befinden.

Im Prokollagen-Gen vom Typ II wurde ein Exon gefunden, das für ein Cystein-reiches N-terminales Propeptid kodiert. Dieses Exon wird nicht in reifem Knorpel exprimiert, sondern in den frühen Stadien der Entwicklung (Prächondrogenese). Aufgrund des Vorhandenseins dieses Exons ist das Molekül vom Typ Procollagen II (Typ II A) länger als Typ II-Kollagen. Wahrscheinlich hemmt die Expression dieser Art von Prokollagen die Ansammlung von Elementen in der ECM des Gelenkknorpels. Es kann eine Rolle bei der Entwicklung von Knorpelpathologie spielen (z. B. Unzureichende reparative Reaktion, Osteophytenbildung usw.).

Ein Netzwerk von Kollagenfibrillen vom Typ II stellt eine Zugfestigkeitsfunktion bereit und ist notwendig, um das Volumen und die Form des Gewebes aufrechtzuerhalten. Diese Funktion wird durch kovalente und Vernetzung zwischen Kollagenmolekülen verstärkt. In VKM bildet das Lysiloxidase-Enzym einen Aldehyd aus Hydroxylizin, der dann in eine multivalente Hydroxylisylpyridinolin-Aminosäure umgewandelt wird, die Vernetzungen zwischen den Ketten bildet. Zum einen nimmt die Konzentration dieser Aminosäure mit dem Alter zu, im reifen Knorpel ändert sich dies praktisch nicht. Auf der anderen Seite wird im Gelenkknorpel mit zunehmendem Alter eine Zunahme der Konzentration von Quervernetzungen verschiedener Typen mit dem Alter gebildet, die ohne die Beteiligung von Enzymen gebildet wird.

Ungefähr 10% der Gesamtmenge an Kollagenknorpelgewebe sind die sogenannten kleinen Kollagene, die in vielerlei Hinsicht die einzigartige Funktion dieses Gewebes bestimmen. Kollagen Typ IX gehört zur Klasse III Moleküle korotkospiralnyh und einzigartige Gruppe FACIT-Kollagen (Fibrille-assoziierten Collagen mit Interrupted Triple - Helices - Fibrillen-assoziierten Kollagen mit unterbrochenen Dreifachhelix). Es besteht aus drei genetisch unterschiedlichen Ketten. Einer von ihnen - eine _2- Kette - wird gleichzeitig mit Chondroitinsulfat glykosyliert, wodurch dieses Molekül gleichzeitig Proteoglycan bildet. Zwischen Segmenten der Kollagen-Typ-IX-Spirale und Typ-II-Kollagen werden sowohl reife als auch unreife Hydroxypyridin-Vernetzungen nachgewiesen. Kollagen IX kann auch als ein intermolekular-interfibrillärer "Verbinder" (oder Brücke) zwischen benachbarten Kollagenfibrillen fungieren. Moleküle des Kollagens IX bilden Vernetzungen zwischen sich, was die mechanische Stabilität des fibrillären dreidimensionalen Netzwerks erhöht und es vor den Wirkungen von Enzymen schützt. Sie bieten auch Widerstand gegen Deformation und begrenzen das Quellen von Proteoglykanen innerhalb des Netzwerks. Zusätzlich zu der anionischen CS-Kette enthält das Kollagen IX-Molekül eine kationische Domäne, die eine hochladende Fibrille und eine Neigung zur Wechselwirkung mit anderen Matrixmakromolekülen bereitstellt.

Kollagen XI Typ ist nur 2-3% der Gesamtmasse von Kollagenen. Es gehört zu der ersten Klasse (Bildung von Fibrillen) von Kollagenen und besteht aus drei verschiedenen a-Ketten. Kollagen vom Typ X bildet zusammen mit den Kollagentypen II und IX heterotische Fibrillen des Gelenkknorpels. Moleküle vom Kollagen XI-Typ werden innerhalb von Kollagenfibrillen vom Typ II mit Hilfe von Immunelektromikroskopie gefunden. Vielleicht organisieren sie Kollagen Typ II Moleküle, kontrollieren das laterale Wachstum von Fibrillen und bestimmen den Durchmesser der heterotypischen Kollagenfibrillen. Darüber hinaus ist Kollagen XI an der Bildung von Vernetzungen beteiligt, aber selbst in reifem Knorpel verbleiben die Querbindungen in Form von unreifen zweiwertigen Ketoaminen.

Eine kleine Menge an Typ-VI-Kollagen, ein weiterer Vertreter der Klasse III von kurzspannigen Molekülen, wurde im Gelenkknorpel gefunden. Kollagen Typ VI bildet verschiedene Mikrofibrillen und ist möglicherweise in der Kapselmatrix des Chondrons konzentriert.

Proteoglykane sind Proteine, an die mindestens eine Glycosaminoglycankette kovalent gebunden ist. Proteoglykane gehören zu den komplexesten biologischen Makromolekülen. Die umfangreichsten Proteoglykane sind im Knorpel VKM vorhanden. "Verschränkt" im Netzwerk der Kollagenfibrillen erfüllen hydrophile Proteoglykane ihre Hauptfunktion - sie informieren den Knorpel über die Fähigkeit, sich reversibel zu verformen. Es wird angenommen, dass Proteoglykane eine Reihe anderer Funktionen ausführen, deren Wesen nicht vollständig klar ist.

Aggrecan ist das Hauptproteoglykan des Gelenkknorpels: es macht etwa 90% der Gesamtmasse an Proteoglykanen im Gewebe aus. Sein Kernprotein von 230 kD wird durch eine Anzahl von kovalent verbundenen Glykosaminoglykan-Ketten sowie N-terminalen und C-terminalen Oligosacchariden glykosyliert.

Glycosaminoglycan-Kette des Gelenkknorpels, der etwa 90% des Gesamtgewichts Makromoleküle bilden - Keratansulfat (der die Sequenz von sulfatierten Disaccharid N-atsetilglyukozamingalaktoza mehrere sulfatierte Abschnitten und anderen Monosaccharidresten, wie Sialinsäure) und Chondroitinsulfat (der die Sequenz aus N-Acetylgalactosamin-Glucuronsäuredisaccharid mit Sulfatester, gebunden an jedes vierte oder sechste Kohlenstoffatom von N-Acetyl Lactosamin).

Der Kern des Aggregats enthält drei globuläre (G1, G2, G3) h zwei interglobuläre (E1 und E2) Domänen. Die N-terminale Region enthält G- und G2-Domänen, die durch ein E1-Segment von 21 nm Länge getrennt sind. C3-Domäne am C-Terminus befand, getrennt von G ₂ länger (etwa 260 nm) E2 - Segment , das mehr als 100 Chondroitinsulfat Ketten von etwa 15-25 Keratansulfatketten und O-verknüpften Oligosaccharide trägt. N-gebundene Oligosaccharide gefunden hauptsächlich in G1- und E1 und C2 - Domänen-Segment sowie in der Nähe des G ₃ -regiona. Glycosaminoglycane sind in zwei Bereiche unterteilt: die Extended (sogenannte Region reich an Chondroitinsulfat) -Kette Chondroitinsulfat und etwa 50% der Keratansulfatketten umfasst. Region reich an Keratansulfate, lokalisierte E ₂ -segmente nahe G1-Domäne voran eine Region reich an Chondroitin - Sulfaten. Aggregan-Moleküle enthalten auch Phosphatester, die hauptsächlich auf Xyloseresten lokalisiert sind, die Chondroitinsulfatketten an das Kernprotein binden; sie finden sich auch an den Serinresten des Kernproteins.

Das C-terminale Segment _der C3-Domäne ist hochgradig homolog zu dem Lectin, so dass die Proteoglykanmoleküle in der ECM durch Bindung an bestimmte Kohlenwasserstoffstrukturen fixiert werden können.

In neueren Studien wurde ein Exon, das für die EGF-ähnliche (epidermale Wachstumsfaktor) Subdomäne innerhalb von G ₃ kodiert, beobachtet . Unter Verwendung von polyklonalen Anti-EGF-Antikörpern wurde ein EGF-ähnliches Epitop innerhalb eines Peptids von 68 kD im Aggregat des menschlichen Gelenkknorpels lokalisiert. Seine Funktionen müssen jedoch geklärt werden. Diese Subdomäne findet sich auch in der Struktur von Adhäsionsmolekülen, die die Wanderung von Lymphozyten steuern. Nur etwa ein Drittel des Aggrecan - Moleküls isoliert aus reifer menschlicher Gelenkknorpel enthält intakte C ₃ - Domänen; wahrscheinlich ist dies auf die Tatsache zurückzuführen, dass in der ECM die Aggrecan-Moleküle durch den Enzymweg in der Größe reduziert werden können. Das weitere Schicksal und die Funktion der gespaltenen Fragmente sind unbekannt.

Das Hauptfunktionssegment ist ein Aggrecan glikozaminoglikannesuschy E Molekül ₂ -Segment. Die Stelle, reich an Keratansulfaten, enthält die Aminosäuren Prolin, Serin und Threonin. Die meisten Serin und Threonin - Reste O-glycosylierten N-atsetilgalaktozaminovymi Reste, lösen sie die Synthese bestimmter Oligosaccharide, die in den Keratansulfatketten eingebettet sind, wodurch diese zu verlängern. Der Rest des E ₂ -Segments enthält mehr als 100 Serin-Glycin-Sequenzen, in denen die Reihe eine Bindung an die Xylosylreste zu Beginn der Chondroitinsulfatketten bereitstellt. Gewöhnlich existieren sowohl Chondroitin-6-Sulfat als auch Chondroitin-4-Sulfat gleichzeitig innerhalb des gleichen Proteoglykanmoleküls, wobei das Verhältnis in Abhängigkeit vom Ort des Knorpelgewebes und dem Alter der Person variiert.

Die Struktur der Moleküle des Aggrecans in der Matrix des Gelenkknorpels einer Person erfährt eine Reihe von Veränderungen im Reifungs- und Alterungsprozess. Die altersbedingten Veränderungen umfassen eine Abnahme der hydrodynamischen Größe als Folge von Änderungen der durchschnittlichen Kettenlänge von Chondroitinsulfaten, eine Zunahme der Anzahl und Länge von Keratansulfatketten. Eine Anzahl von Änderungen im Aggrecan-Molekül unterliegt auch der Wirkung von proteolytischen Enzymen (z. B. Aggrecanase und Stromelysin) auf das Kernprotein. Dies führt zu einer fortschreitenden Abnahme der durchschnittlichen Länge des Kernproteins der Aggrecan-Moleküle.

Aggrecan-Moleküle werden durch Chondrozyten synthetisiert und in der ECM sezerniert, wo sie Aggregate bilden, die durch Moleküle von Bindungsproteinen stabilisiert sind. Diese Aggregation umfasst hochspezifische nicht-kovalente und kooperative Wechselwirkungen zwischen dem Glucuronsäurefilament und fast 200 Molekülen Aggrecans und Bindungsproteinen. Glucuronsäure ist ein extrazelluläres, nicht-sulfoniertes lineares Glycosaminoglycan mit einem großen Molekulargewicht, das aus einer Anzahl von nacheinander gebundenen Molekülen von N-Acetylglucamin und Glucuronsäure besteht. Die gekoppelten Schleifen der G1-Domäne von Aggrecan wechselwirken reversibel mit fünf nacheinander angeordneten Hyaluronsäuredisacchariden. Das bindende Protein, das ähnliche (hoch-homologe) gepaarte Schleifen enthält, interagiert mit der C1-Domäne und dem Hyaluronsäuremolekül und stabilisiert die Struktur des Aggregats. Der C1-Domänen-Hyaluronsäure-bindende Protein-Komplex bildet eine hochstabile Interaktion, die die G1-Domäne und das Bindungsprotein vor der Wirkung proteolytischer Enzyme schützt. Zwei Moleküle eines Bindungsproteins mit einem Molekulargewicht von 40-50 kD wurden identifiziert; sie unterscheiden sich voneinander im Grad der Glykosylierung. Nur ein Molekül des Bindungsproteins ist an der Hyaluronsäure-Aggrecan-Bindungsstelle vorhanden. Das dritte, kleinere Molekül des Bindungsproteins wird durch proteolytische Spaltung aus größeren Proteinen gebildet.

Etwa 200 Moleküle Aggrecan können an ein Molekül Hyaluronsäure binden, um ein Aggregat von 8 um Länge zu bilden. In der zellassoziierten Matrix, bestehend aus der perizellulären und der territorialen Teilung, behalten die Aggregate ihre Verbindung mit den Zellen durch Bindung (durch das Filament der Hyaluronsäure) an die CD44-ähnlichen Rezeptoren auf der Zellmembran.

Die Bildung von Aggregaten in der ECM ist ein komplexer Prozess. Die neu synthetisierten Aggrecan-Moleküle zeigen nicht sofort die Fähigkeit, an Hyaluronsäure zu binden. Dies kann als ein Regulationsmechanismus dienen, der es neu synthetisierten Molekülen erlaubt, die interterritoriale Zone der Matrix zu erreichen, bevor sie in große Aggregate immobilisiert werden. Die Anzahl der neu synthetisierten Aggrecan-Moleküle und Bindungsproteine, die durch Wechselwirkung mit Hyaluronsäure Aggregate bilden können, nimmt mit dem Alter signifikant ab. Außerdem ist mit zunehmendem Alter die Größe der Aggregate, die aus dem Gelenkknorpel einer Person isoliert werden, signifikant verringert. Dies ist teilweise auf die Abnahme der durchschnittlichen Länge von Molekülen von Hyaluronsäure- und Aggrecan-Molekülen zurückzuführen.

Es gibt zwei Arten von Aggregaten im Gelenkknorpel. Die durchschnittliche Größe der Aggregate des ersten Typs beträgt 60 S, die Aggregate des zweiten Typs (schnell ausfallende "Superaggregate") sind 120 S. Letzteres ist durch eine Vielzahl von Molekülen des Bindungsproteins gekennzeichnet. Die Anwesenheit dieser Superaggregate kann eine große Rolle bei der Funktion des Gewebes spielen; Während der Wiederherstellung des Gewebes nach Immobilisierung der Gliedmaße in den mittleren Schichten des Gelenkknorpels werden ihre höheren Konzentrationen gefunden, in dem Gelenk, das von Osteoarthritis betroffen ist, in den frühen Stadien der Krankheit sind ihre Dimensionen bedeutend verringert.

Der Gelenkknorpel enthält neben Aggrecan eine Reihe kleinerer Proteoglykane. Biglikan und Decorin, Moleküle, die Dermatansulfate tragen, haben eine Molekülmasse von etwa 100 bzw. 70 kD; die Masse ihres Kernproteins beträgt etwa 30 kD.

Im Gelenkknorpel eines Menschen enthält das Biglucan-Molekül zwei Ketten von Dermatansulfat, während das üblichere Decorin nur eines ist. Diese Moleküle bilden nur eine kleine Fraktion von Proteoglykanen im Gelenkknorpel, obwohl es so viele von ihnen wie große aggregierte Proteoglycane geben kann. Kleine Proteoglykane interagieren mit anderen Makromolekülen in der ECM, einschließlich Kollagenfibrillen, Fibronektin, Wachstumsfaktoren und andere. Decorin ursprünglich lokalisiert auf der Oberfläche von Kollagenfasern und hemmt Kollagen Fibrillogenese. Das Kernprotein wird fest in der Zellbindungsdomäne von Fibronectin zurückgehalten, wodurch wahrscheinlich die Bindung des letzteren an Zelloberflächenrezeptoren (Integrine) verhindert wird. Aufgrund der Tatsache, dass sowohl Decorin und Biglycan bindet an Fibronektin und Zelladhäsion und Migration sowie die Thrombusbildung hemmen, sie sind in der Lage Gewebereparaturprozesse zu hemmen.

Fibromodulin des Gelenkknorpels ist ein Proteoglycan mit einer Molekülmasse von 50-65 kD, assoziiert mit Kollagenfibrillen. Sein Kernprotein, das zu den Kernproteinen des Dekors und Bigakana homolog ist, enthält eine große Menge an Tyrosinsulfat-Resten. Diese glykosylierte Form von Fibromodulin (früher als 59 kD-Matrixprotein bezeichnet) kann an der Regulation der Bildung und Aufrechterhaltung der Struktur von Kollagenfibrillen teilnehmen. Fibromodulin und Decorin befinden sich auf der Oberfläche von Kollagenfibrillen. Daher sollte, wie bereits erwähnt, dem Anstieg des Fibrillendurchmessers die selektive Entfernung dieser Proteoglykane (sowie Kollagen-Typ-IX-Moleküle) vorausgehen.

Gelenkknorpel enthält eine Reihe von Proteinen im VKM, die weder zu Proteoglykanen noch zu Kollagenen gehören. Sie interagieren mit anderen Makromolekülen, um ein Netzwerk zu bilden, in das die meisten VKM-Moleküle eingebaut sind.

Anchorin, ein Protein mit einer Masse von 34 kD, ist auf der Oberfläche von Chondrozyten lokalisiert und vermittelt in der Zellmembran die Wechselwirkung zwischen der Zelle und der Matrix. Aufgrund seiner hohen Affinität zu Kollagen Typ II kann es als Mechanorezeptor wirken, der ein Signal über den veränderten Druck auf die Fibrille der Chondrozyten überträgt.

Fibronektin ist eine Komponente der meisten Knorpelgewebe, die sich geringfügig von Fibronektin des Blutplasmas unterscheidet. Es wird vorgeschlagen, dass Fibronectin die Integration der Matrix durch Wechselwirkung mit Zellmembranen und anderen Matrixbestandteilen wie Kollagen Typ II und Thrombospondin fördert. Fibronektinfragmente wirken sich negativ auf den Stoffwechsel von Chondrozyten aus - hemmen die Synthese von Aggrecan, stimulieren katabole Prozesse. In der Gelenkflüssigkeit von Patienten mit Osteoarthrose wurde eine hohe Konzentration an Fibronektinfragmenten gefunden, so dass sie in späteren Stadien an der Pathogenese der Erkrankung teilnehmen können. Wahrscheinlich haben auch Fragmente anderer Matrixmoleküle, die an Chondrozytenrezeptoren binden, die gleichen Wirkungen.

Das knorpeloligomere Matrixprotein (OMPC), ein Mitglied der Thrombospondin-Superfamilie, ist ein Pentamer mit fünf identischen Untereinheiten mit einem Molekulargewicht von etwa 83 kD. Sie finden sich in großer Zahl im Gelenkknorpel, insbesondere in der Schicht proliferierender Zellen im wachsenden Gewebe. Daher beteiligt sich OMPCH möglicherweise an der Regulation des Zellwachstums. Bei einer viel niedrigeren Konzentration werden sie in der ECM von reifem Gelenkknorpel gefunden. Matrixproteine werden auch bezeichnet als:

• das basische Matrixprotein (36 kD), das eine hohe Affinität für Chondrozyten aufweist, kann die Interaktion von Zellen in der ECM, beispielsweise während des Remodellings von Geweben, vermitteln;
• GP-39 (39 kD) wird in der Oberflächenschicht des Gelenkknorpels und in der Synovialmembran exprimiert (seine Funktionen sind unbekannt);
• 21 kD-Protein wird von hypertrophierten Chondrozyten synthetisiert, interagiert mit X-Typ-Kollagen, kann in der "Wellenlinie" -Zone funktionieren.

Darüber hinaus ist es offensichtlich, dass Chondrozyten eine nicht-glykosylierte Form von kleinem, nicht aggregierte Proteoglykane in bestimmten Stadien der Knorpelentwicklung und bei pathologischen Zuständen ausdrücken, aber ihre spezifische Funktion zur Zeit untersucht.

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Funktionelle Eigenschaften des Gelenkknorpels

Moleküle von Aggrecan verleihen dem Gelenkknorpel die Fähigkeit, sich reversibel zu verformen. Sie zeigen spezifische Interaktionen innerhalb des extrazellulären Raums und spielen zweifellos eine wichtige Rolle bei der Organisation, Struktur und Funktion von ECM. Im knorpeligen Gewebe erreichen Aggrecan-Moleküle eine Konzentration von 100 mg / ml. Im Knorpel sind die Aggregan-Moleküle auf 20% des Volumens komprimiert, das sie in der Lösung einnehmen. Ein dreidimensionales Netzwerk aus Kollagenfibrillen informiert das Gewebe über seine charakteristische Form und verhindert den Anstieg des Proteoglykanvolumens. Innerhalb des Kollagennetzwerkes tragen immobile Proteoglykane eine große negative elektrische Ladung (enthalten eine große Anzahl an anionischen Gruppen), was die Wechselwirkung mit mobilen kationischen Gruppen der interstitiellen Flüssigkeit ermöglicht. Im Zusammenspiel mit Wasser liefern Proteoglykane den sogenannten Quellungsdruck, dem das Kollagen-Netzwerk entgegenwirkt.

Das Vorhandensein von Wasser in der ECM ist sehr wichtig. Wasser bestimmt das Volumen des Gewebes; in Verbindung mit Proteoglykanen bietet es Widerstand gegen Kompression. Darüber hinaus sorgt Wasser für den Transport von Molekülen und Diffusion in der ECM. Die hohe Dichte der negativen Ladung auf großen Proteoglykanen, die im Gewebe fixiert sind, erzeugt einen "ausgeschlossenen Volumeneffekt". Die Porengröße der intrakonzentrierten Lösung von Proteoglykanen ist so gering, dass die Diffusion von großen globulären Proteinen in das Gewebe stark eingeschränkt ist. VKM weist kleine negativ geladene (z. B. Chloridionen) und große Proteine (z. B. Albumin und Immunglobuline) ab. Die Größe von Zellen in einem dichten Netzwerk von Kollagenfibrillen und Proteoglykanen ist nur mit den Abmessungen einiger anorganischer Moleküle vergleichbar (zum Beispiel Natrium und Kalium, aber nicht Calcium).

In VKM ist eine gewisse Wassermenge in den Kollagenfibrillen vorhanden. Physikalisch-chemische und biomechanische Eigenschaften von Knorpel bestimmen den extrafibrillären Raum. Der Wassergehalt im fibrillären Raum hängt von der Konzentration der Proteoglykane im extrafibrillären Raum ab und nimmt mit abnehmender Konzentration des letzteren zu.

Die fixierte negative Ladung auf Proteoglykanen bestimmt die Ionenzusammensetzung des extrazellulären Mediums, das freie Kationen in hoher Konzentration und freie Anionen in niedriger Konzentration enthält. Da die Konzentration der Aggrecan-Moleküle von der Oberfläche in die tiefe Zone des Knorpels ansteigt, ändert sich die ionische Umgebung des Gewebes. Die Konzentration von anorganischen Ionen in der ECM erzeugt einen hohen osmotischen Druck.

Die Eigenschaften von Knorpel als Material hängen von der Wechselwirkung von Kollagenfibrillen, Proteoglykanen und der flüssigen Phase des Gewebes ab. Struktur- und Zusammensetzungsänderungen aufgrund der Nichtübereinstimmung zwischen der synthetischen und katabolischen Prozessen, und dem Abbau von Makromolekülen durch Verletzung, beeinflussen wesentlich die Materialeigenschaften von Knorpeln und seine Funktion verändern. Da die Konzentration und die Verteilung der Makromolekül Organisation von Proteoglycanen und Kollagenen von der Tiefe des Knorpelzone variiert abhängig variiert die biomechanischen Eigenschaften jeder Zone. So hat beispielsweise die Oberfläche mit hohen Konzentration von Kollagenfibrillen tangential in Bezug auf die geringe Konzentration der Proteoglykane die ausgeprägteste counteract angeordneten Dehnungseigenschaften, die Last gleichmäßig über die Gewebeoberfläche verteilt wird. In den Übergangs- und Tiefenzonen verleiht eine hohe Konzentration von Proteoglykanen der Übertragung der Kompressionslast eine Gewebeeigenschaft. Auf der Ebene der „Wellenlinien“ Knorpelmaterialeigenschaften variieren stark von geschmeidiger nekaltsifitsirovannoy Zone auf einen harten mineralisierte Knorpel. Im Bereich der "Wellenlinie" wird die Festigkeit des Gewebes durch das Kollagennetzwerk bereitgestellt. Knorpelfibrillen kreuzen die knorpeligen Teile nicht; in der Verbindung der Stärke osteochondrale Gewebe wird durch spezielle Kontur versehen Grenze zwischen Zonen und kalzifizierte Knorpel in Form von fingerartigen Ausstülpungen irregulären nekaltsifitsirovannogo, die zwei Schichten und verhindern ihre Trennung „schließt“. Kalzifizierten Knorpels ist weniger dicht als die subchondrale Knochen, so dass es die Funktion einer Zwischenschicht, die die Druckbelastung auf den Knorpel und subchondralen Knochen erweicht trägt sie.

Während der Belastung tritt eine komplexe Verteilung von drei Kräften auf - Dehnung, Schub und Kompression. Die artikuläre Matrix wird aufgrund der Verdrängung von Wasser (sowie Stoffwechselprodukten von Zellen) aus der Lastzone deformiert, die Konzentration von Ionen in der interstitiellen Flüssigkeit erhöht sich. Die Bewegung von Wasser hängt direkt von der Dauer und Stärke der aufgebrachten Ladung ab und wird durch die negative Ladung von Proteoglykanen verzögert. Während der Deformation des Gewebes werden die Proteoglykane enger gegeneinander gedrückt, wodurch die Dichte der negativen Ladung effektiv erhöht wird, und die intermolekulare abstoßende negative Kraftladung wiederum erhöht den Widerstand des Gewebes der weiteren Deformation. Letztlich erreicht Verformung Gleichgewicht, wobei die äußeren Kräfte ausgeglichen interne Lastwiderstandskräfte - Quelldruck (die Wechselwirkung mit Ionen Proteoglykane) und mechanischer Beanspruchung (Interaktion Proteoglycanen und Kollagenen). Wenn die Belastung beseitigt ist, nimmt das knorpelige Gewebe seine ursprüngliche Form an, indem es Wasser zusammen mit den Nährstoffen einsaugt. Die anfängliche (vorbelastete) Gewebsform wird erreicht, wenn der Quelldruck von Proteoglykanen durch den Widerstand des Kollagen-Netzwerks gegenüber ihrer Ausbreitung ausgeglichen wird.

Die biomechanischen Eigenschaften von Gelenkknorpel werden auf der Grundlage der strukturellen Integrität der Gewebe - Kollagen-Proteoglykan Zusammensetzung als feste Phase und Wasser und Ionen darin als flüssige Phase gelöst. Außerhalb der Belastung beträgt der hydrostatische Druck des Gelenkknorpels etwa 1-2 atm. Dieser hydrostatische Druck kann in vivo auf 100-200 atm ansteigen . In Millisekunden während des Stehens und bis zu 40-50 atm während des Gehens. Studien in vitro haben gezeigt , dass der hydrostatische Druck von 50-150 atm (physiologischen) für einen kurzen Zeitraum zu einem moderaten Wachstum von Knorpel Anabolismus führt, für 2 Stunden - führen zum Verlust von Flüssigknorpeln, aber keine andere Veränderungen verursacht. Die Frage bleibt, wie schnell die Chondrozyten in vivo auf diese Art von Belastung reagieren .

Induzierte Reduktion der Hydratation mit anschließender Erhöhung der Konzentration von Proteoglykanen führt zur Anziehung von positiv geladenen Ionen, wie H ⁺ und Na ⁺. Dies führt zu einer Änderung der Gesamtionenzusammensetzung und des pH-Wertes der ECM und Chondrozyten. Verlängerte Beladung induziert eine Abnahme des pH-Werts und gleichzeitig eine Verringerung der Synthese von Proteoglykanen durch Chondrozyten. Vielleicht hängt der Einfluss der extrazellulären ionischen Umgebung auf synthetische Prozesse auch teilweise mit seiner Wirkung auf die Zusammensetzung der ECM zusammen. Die neu synthetisierten Moleküle von Aggrecan in einem schwach sauren Medium später als unter normalen Bedingungen reifen zu aggregierten Formen zusammen. Es ist wahrscheinlich, dass eine Abnahme des pH-Werts um Chondrozyten (zum Beispiel während einer Belastung) zulässt, dass mehr neu synthetisierte Aggrecanmoleküle die interterritoriale Matrix erreichen.

Wenn die Belastung beseitigt ist, kehrt das Wasser aus der Synovialhöhle zurück und trägt Nährstoffe für die Zellen mit sich. Bei Osteoarthritis geschädigtem Knorpel wird die Konzentration von Proteoglykanen verringert, daher bewegt sich Wasser während der Belastung nicht nur vertikal in die Synovialhöhle, sondern auch in andere Richtungen, wodurch die Zufuhr von Chondrozyten reduziert wird.

Immobilisation oder geringe Belastung führt zu einer deutlichen Abnahme der Syntheseverfahren von Knorpel Proteoglykangehalt und, während der Anstieg der dynamischen Belastung führt zu einem leichten Anstieg Proteoglykansynthese und Inhalt .. Intensives Training (20 km pro Tag für 15 Wochen) bei Hunden eine Änderung des Inhalts von Proteoglykanen verursacht insbesondere eine starke Abnahme ihrer Konzentration in der Oberflächenzone. Es gab einige reversible Erweichung des Knorpels und Remodellierung des subchondralen Knochens. Eine große statische Belastung verursachte jedoch Knorpelschäden und nachfolgende Degeneration. Darüber hinaus löst der Verlust von Aggrecan ECM abnormale Veränderungen aus, die für Osteoarthrose charakteristisch sind. Der Verlust von Aggrecan führt zur Anziehung von Wasser und zur Quellung der verbleibenden kleinen Menge an Proteoglykanen. Diese Auflösung von Aggrecan trägt dazu bei, die Dichte lokaler fester Ladung zu reduzieren und führt letztendlich zu einer Änderung der Osmolarität.