Остеоартроз: як влаштовані суглобові хрящі?

Нормальний суглобовий хрящ виконує дві основні функції: поглинання тиску шляхом деформації під час механічного навантаження і забезпечення гладкості суглобових поверхонь, що дозволяє максимально зменшити тертя при рухах в суглобі. Це забезпечується унікальною структурою суглобового хряща, який складається з хондро-ітов, занурених у позаклітинний матрикс (ВКМ).

Нормальний суглобовий хрящ дорослого можна розділити на кілька шарів, або зон: поверхнева, або тангенціальна, зона, перехідна зона, глибока, або радіальна, зона і кальцифікованими зона. Шар між поверхневою і перехідною зонами і особливо між перехідною і глибокої зонами не має чітких меж. З'єднання між некальціфіцірованним і кальцифікованими суглобовим хрящем називається «хвилястою кордоном» - це лінія, яка визначається при фарбуванні декальціфіцірованной тканини. Кальцифікованими зона хряща становить відносно постійну пропорцію (6-8%) в загальній висоті cpeзaxpящa. Загальна товщина суглобового хряща, включаючи зону кальцифікованими хряща, варіює залежно від навантаження на певну ділянку суглобової поверхні і від виду суглоба. Переміжне гідростатичний тиск в субхондральної кістки грає важливу роль в підтримці нормальної структури хряща, сповільнюючи осифікація.

Хондроцити складають приблизно 2-3% від загальної маси тканини; в поверхневої (тангенциальной) зоні вони рсположени уздовж, а в глибокій (радіальної) зоні - перпендикулярно до поверхні хряща; в перехідній зоні хондроцити формують групи по 2-4 клітини, розсіяні по всьому матриксу. Залежно від зони суглобного хряща варіює щільність розташування хондроцитів - найвища щільність клітин в поверхневій зоні, найнижча - в кальцифікованими. Крім того, щільність розподілу клітин варіює від суглоба до суглоба, вона обернено пропорційна товщині хряща і навантаженні, яку відчуває відповідний його ділянку.

Найбільш поверхнево розташовані хондроцити мають дисковидную форму і утворюють в тангенциальной зоні кілька шарів клітин, розташованих нижче вузької смужки матриксу; глибше розташовані клітини цієї зони мають тенденцію до більш нерівним контурам. У перехідній зоні хондроцити мають сферичну форму, іноді вони об'єднуються в невеликі групи, розсіяні в матриксі. Хондроцити глибокої зони мають переважно еліпсоїдну форму, групуються в радіально рас-положенні ланцюжка з 2-6 клітин. У кальцифікованими зоні вони розподілені ще більш розріджений; деякі з них некротизованих, хоча більшість життєздатні. Клітини оточені некальціфіцірованним матриксом, міжклітинний простір - кальцифікованими.

Таким чином, суглобовий хрящ людини складається з гідратованого ВКМ і занурених у нього клітин, які складають 2-3% від загального обсягу тканини. Так як хрящова тканина не має кровоносних і лімфатичних судин, взаємодія між клітинами, доставка до них поживних речовин, видалення продуктів обміну здійснюється шляхом дифузії через відеомагнітофон. Незважаючи на те, що метаболічно хондроцити дуже активні, в нормі у дорослих людей вони не діляться. Хондроцити існують у безкисневому середовищі, вважають, що їх метаболізм здійснюється переважно анаеробним шляхом.

Кожен хондроцит розглядають як окрему метаболічну одиницю хряща, ізольовану від сусідніх клітин, але відповідальну за продукцію елементів ВКМ в безпосередній близькості відданої клітини і підтримання його складу.

У ВКМ виділяють три відділи, кожен з яких має унікальну морфологічну структуру і певний біохімічний склад. ВКМ, що безпосередньо прилягає кбазальной мембрані хондроцитів, називається перицелюлярний, ілілакунарним, матриксом. Він характеризується високим вмістом агрегатів протеогліканів, пов'язаних з кліткою взаємодією гіалуронової кислоти з CD44-подібними рецепторами, і відносною відсутністю організованих фібрил колагену. Безпосередньо з перицелюлярний матриксом стикається територіальний, або капсулярної, матрикс, який складається з мережі перехресних фібрилярних колагенів, яка інкапсулює окремі клітини або (іноді) групи клітин, формуючи хондрон, і, ймовірно, забезпечує спеціальну механічну підтримку клітин. Контакт хондроцитов з Капсулярна матриксом здійснюється за допомогою численних цитоплазматичних відростків, багатих микрофиламентами, а також за допомогою специфічних матриксних молекул, таких, як анкорін і CD44-пoдобние рецептори. Найбільший і найбільш віддалений від базальної мембрани Хондроцити відділ ВКМ - міжтериторіальний матрикс, що містить найбільшу кількість колагенових фібрил і протеогліканів.

Поділ ВКМ на відділи більш чітко окреслено в суглобовому хрящі дорослої людини, ніж в незрілому суглобовому хрящі. Відносний розмір кожного відділу варіює не тільки в різних суглобах, але навіть в межах одного і того ж хряща. Кожен хондроцит виробляє матрикс, що оточує його. За даними досліджень, хондроцити зрілої хрящової тканини здійснюють активний метаболічний контроль над своїми перицелюлярний і територіальним матриксу, менш активно вони контролюють міжтериторіальний матрикс, який може бути метаболічно «інертним».

Як вказувалося раніше, суглобовий хрящ головним чином складається з великого ВКМ, синтезованого і регульованого хондроцітамі. Тканинні макромолекули і їх концентрація змінюються протягом життя відповідно до мінливих функціональними потребами. Проте залишається неясним: клітини синтезують весь матрикс одночасно або в певні фази відповідно до фізіологічних потреб. Концентрація макромолекул, метаболічну рівновагу між ними, взаємовідношення і взаємодія визначають біохімічні властивості, а значить, і функцію суглобового хряща в межах одного суглоба. Основним компонентом ВКМ суглобового хряща дорослої людини є вода (65-70% від загальної маси), яка міцно пов'язана всередині нього завдяки особливим фізичним властивостям макромолекул хрящової тканини, що входять до складу колагену, протеогліканів і неколлагенових гликопротеинов.

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

Біохімічний склад хряща

Колагенові волокна складаються з молекул білка фібрилярні колагену. У ссавців на частку колагену припадає четверта частина всіх білків організму. Колаген формує фібрилярні елементи (колагенові фібрили), що складаються із структурних субодиниць, званих тропоколлагеном. Молекула тропоколагену має три ланцюги, які утворюють потрійну спіраль. Така будова молекули тропоколагену, а також структура генового волокна, коли ці молекули розташовуються паралельно в поздовжньому напрямку з постійним зсувом приблизно на 1/4 довжини і забезпечують високу пружність і міцність тканин, в яких вони знаходяться. В даний час відомі 10 генетично різних типів колагену, що розрізняються хімічною структурою а-ланцюгів і / або їх набором в молекулі. Найбільш вивчені перші чотири типи колагену здатні формувати до 10 молекулярних ізоформ.

Колагенові фібрили входять до складу позаклітинного простору більшості видів сполучної тканини, в тому числі і хрящової. Усередині нерозчинної тривимірної мережі з перехресних колагенових фібрил «заплутані» інші більш розчинні компоненти, такі, як протеоглікани, глікопротеїни та тканеспеціфіческіе протеїни; іноді вони ковалентно пов'язані з колагеновими елементами.

Організовані в фібрили колагенові молекули складають близько 50% органічного сухого залишку хряща (10-20% нативного хряща). У зрілому хрящі близько 90% колагену складають колаген II типу, які виявляють лише в деяких тканинах (наприклад, склоподібне тіло, ембріональна спинна струна). Колаген II типу відноситься до I класу (формують фібрили) колагенових молекул. Крім нього в зрілому суглобовому хрящі людини також знаходять колаген IX, XI типу і в невеликій кількості VI типу. Відносна кількість колагенових волокон IX типу в колагенових фібрила знижується від 15% в хрящі плода до близько 1% в зрілому хрящі бика.

Молекули колагену І типу складаються з трьох ідентичних поліпептидних а, (II) -ланцюгів, синтезованих і секретується у вигляді проколагену-попередника. Як тільки готові молекули колагену вивільняються в позаклітинний простір, вони формують фібрили. У зрілому суглобовому хрящі колаген II типу утворюють фібрилярні аркади, в яких більш «товсті» молекули розташовані в глибоких шарах тканини, а більш «тонкі» - горизонтально в поверхневих шарах.

У гені проколлагена II типу виявлений екзон, що кодує багатий цистеїном N-термінальний пропептид. Цей екзон експресується не в зрілому хрящі, а на ранніх стадіях розвитку (прехондрогенез). Завдяки наявності цього екзона молекула проколлагена II типу (тип II А) довше колагену II типу. Ймовірно, експресія цього типу проколлагена пригнічує накопичення елементів в ВКМ суглобового хряща. Можливо, він грає певну роль в розвитку патології хряща (наприклад, неадекватна репаративний відповідь, утворення остеофитов і ін.).

Мережа з колагенових фібрил II типу забезпечує функцію опору розтягуванню та необхідна для підтримки обсягу і форми тканини. Ця функція посилюється ковалентними і поперечними зв'язками між молекулами колагену. У ВКМ фермент лізілоксідази утворює альдегід з гідроксилізин, який потім перетворюється в мультівалентную амінокислоту гідроксілізіл-піридинолін, яка формує поперечні зв'язку між ланцюгами. З одного боку, концентрація цієї амінокислоти підвищується з віком, проте в зрілому хрящі вона практично не змінюється. З іншого боку, в суглобовому хрящі виявляють підвищення з віком концентрації поперечних зв'язків різних типів, що утворюються без участі ферментів.

Близько 10% від загальної кількості колагену хрящової тканини складають так звані мінорні колаген, які багато в чому зумовлюють унікальну функцію цієї тканини. Колаген IX типу належить до III класу короткоспіральних молекул і до унікальної групі FACIT-коллагенов (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices - фібрил-асоційований колаген з перерваної потрійний спіраллю). Він складається з трьох генетично різних ланцюгів. Одна з них - а ₂ -ланцюг - глікозіліруется одночасно з хондроїтин сульфатом, що робить цю молекулу одночасно протеогліканів. Між сегментами спіралі колагену IX типу і колагеном II типу виявляють як зрілі, так і незрілі гідроксіпірідіновие поперечні зв'язку. Колаген IX також може функціонувати як міжмолекулярної-інтерфібріллярний «коннектор» (або місток) між прилеглими колагеновими фибриллами. Молекули колагену IX утворюють поперечні зв'язки між собою, що збільшує механічну стабільність фибриллярной тривимірної мережі і захищає її від впливу ферментів. Вони також забезпечують опір деформації, обмежуючи набухання знаходяться всередині мережі протеогліканів. Крім анионной CS-ланцюга молекула колагену IX містить катіонний домен, повідомляє Фібрили великий заряд і схильність до взаємодії з іншими матриксного макромолекулами.

Колаген XI типу становить лише 2-3% від загальної маси колагену. Він належить до I класу (утворюють фібрили) коллагенов і складається з трьох різних а-ланцюгів. Разом з колагеном II і IX типів колаген XI типу утворює гетеротіпние фібрили суглобового хряща. Молекули колагену XI типу виявлені всередині колагенових фібрил II типу за допомогою іммуноелектромікроскопіі. Можливо, вони організують молекули колагену II типу, контролюючи латеральний ріст фібрил і детерминируя діаметр гетеротіпной коллагеновой фібрили. Крім того, колаген XI бере участь у формуванні поперечних зв'язків, проте навіть в зрілому хрящі поперечні зв'язку залишаються у вигляді незрілих дивалентні кетоамінов.

Мала кількість колагену VI типу, іншого представника III класу короткоспіральних молекул, виявлено в суглобовому хрящі. Колаген VI типу утворює різні мікрофібрили і, можливо, концентрується в капсулярному матриксе хондрона.

Протеоглікани - це білки, до яких ковалентно приєднана принаймні одна глікозаміногліканових ланцюг. Протеоглікани відносяться до одних з найбільш складних біологічних макромолекул. Найбільш широко протеоглікани представлені в ВКМ хряща. «Заплутані» всередині мережі з колагенових фібрил, гідрофільні протеоглікани виконують свою основну функцію - повідомляють хряща здатність оборотно деформуватися. Припускають, що протеоглікани здійснюють і ряд інших функцій, суть яких до кінця не ясна.

Аггрекан - основний протеогликан суглобового хряща: він становить близько 90% загальної маси протеогліканів в тканини. Його стрижневі білок масою 230 кД глікозильований безліччю ковалентно пов'язаних глікозаміногліканових ланцюгів, а також N-кoнцевимі і С-кінцевими олігосахаридами.

Глікозаміногліканових ланцюга суглобового хряща, які становлять близько 90% від загальної маси макромолекул, - кератансульфатів (представляє собою послідовність з Сульфатовані дисахарида N-ацетілглюкозамінгалактоза з множинними Сульфатовані ділянками та інших моносахаридних залишків, таких, як сіалова кислота) і хондроїтин сульфат (представляє собою послідовність з дисахарида N-ацетілгалактозамін-глюкуронової кислоти з сульфатним ефіром, приєднаним до кожного четвертого або шостого атома вуглецю N-ацетілг лактозаміна).

Стрижневою білок аггрекана містить три глобулярних (G1, G2, G3) h два межглобулярних (Е1 і Е2) домену. N-кінцева ділянка містить G, - і G2- домени, розділені Е1-сегментом, протяжністю 21 нм. С3-домен, розташований на С-кінцевій ділянці, відділений від G ₂ довшим (близько 260 нм) Е2-сегментом, який несе на собі більш 100 ланцюгів хондроитин сульфатів близько 15-25 ланцюгів кератан сульфатів, а також О-пов'язані олігосахариди. N-зв'язані олігосахариди виявляють головним чином в межах G1- і С2-доменів і Е1-сегмента, а також поблизу G ₃ -регіона. Глікозаміноглікани групуються в двох регіонах: найбільш протяжний (так званий регіон, багатий хондроитин сульфатами) містить ланцюга хондроитин сульфатів і близько 50% кератан сульфатних ланцюгів. Регіон, багатий кератан сульфатами, локалізується на Е ₂ -сегменті поблизу G1-домену і передує регіону, багатого хондроитин сульфатами. Молекули аггрекана також містять фосфатні ефіри, локалізовані насамперед на ксілозний залишках, які приєднують ланцюга хондроитин сульфатів до стержневому білку; їх також виявляють на серінових залишках стрижневого білка.

З-термінальний сегмент С ₃ -домен високогомологічен лектинів, завдяки чому молекули протеогликана можуть фіксуватися в ВКМ шляхом зв'язування з деякими вуглеводневими структурами.

У нещодавно проведених дослідженнях було виявлено екзон, що кодує ЕФР-подібний (епідермальний фактор росту) субдомен в межах G ₃. Використовуючи анти-ЕФР поліклональні антитіла, ЕФР-подібний епітоп була локалізована всередині пептиду масою 68 кД в аггрекане суглобового хряща людини. Однак його функції вимагають уточнення. Цей субдомен також виявлений в структурі молекул адгезії, контролюючих міграцію лімфоцитів. Лише близько третини молекул аггрекана, ізольованих з зрілого суглобного хряща людини, містять інтактний З ₃ -домен; ймовірно, це пов'язано з тим, що в ВКМ молекули аггрекана можуть бути зменшені в розмірах ферментним шляхом. Подальша доля і функція відщепленні фрагментів невідомі.

Головним функціональним сегментом молекули аггрекана є глікозаміногліканнесущій Е ₂ -сегмент. Ділянка, багатий кератан сульфатами, містить амінокислоти пролін, серії і треонін. Більшість залишків серину і треоніну О-глікозовані N-ацетілгалактозаміновимі залишками, вони запускають синтез деяких олігосахаридів, які вбудовуються в ланцюзі кератан сульфатів, тим самим подовжуючи їх. Інша частина Е ₂ -сегмента містить понад 100 послідовностей серин-гліцин, в яких серії забезпечує прикріплення до ксілозільним залишкам на початку ланцюгів хондроитин сульфатів. Зазвичай і хондроїтин-6-сульфат, і хондроїтин-4-сульфат існують одночасно в межах однієї і тієї ж молекули протеогликана, з співвідношення варіює залежно від локалізації хрящової тканини і віку людини.

Структура молекул аггрекана в матриксі суглобового хряща людини зазнає ряд змін в процесі дозрівання і старіння. Пов'язані зі старінням зміни включають зниження гідродинамічного розміру в результаті зміни середньої довжини ланцюгів хондроитин сульфатів, збільшення числа і довжини ланцюгів кератан сульфатів. Ряд змін молекули аггрекана також зазнають під дією протеолітичних ферментів (наприклад, аггреканази і стромелезіна) на стрижневий білок. Це призводить до прогресуючого зменшення середньої довжини стрижневого білка молекул аггрекана.

Молекули аггрекана синтезуються хондроцітамі і секретуються в ВКМ, де вони формують агрегати, стабілізовані молекулами зв'язуючих білків. Ця агрегація включає в себе високоспецифічні Нековалентні і кооперативні взаємодії між ниткою глюкуронової кислоти і майже 200 молекулами аггреканов і сполучних білків. Глюкуронова кислота - позаклітинний несульфатованих лінійний глікозаміноглікан з великою молекулярною масою, що складається з безлічі послідовно пов'язаних молекул N-ацетілглю-козаміна і глюкуронової кислоти. Сприяння петлі G1-домену аггрекана оборотно взаємодіють з п'ятьма послідовно розташованими дисахаридами гіалуронової кислоти. Сполучний білок, який містить аналогічні (високогомологічние) спарені петлі, взаємодіє з С1-доменом і молекулою гіалуронової кислоти і стабілізує структуру агрегату. Комплекс С1-домен - гіалуронова кислота - сполучний білок формує високостабільного взаємодія, яке захищає G1-домен і сполучний білок від дії протеолітичних ферментів. Ідентифіковано дві молекули сполучного білка з молекулярною масою 40-50 кД; вони відрізняються один від одного ступенем глікозилювання. Тільки одна молекула сполучного білка є в місці зв'язку гіалуронова кислота - аггрекан. Третя, дрібніша, молекула сполучного білка утворюється з більших шляхом протеолітичного відщеплення.

Близько 200 молекул аггрекана можуть зв'язуватися з однією молекулою гіалуронової кислоти з утворенням агрегату довжиною 8 мкм. У клітинно-асоційоване матриксе, що складається з перицелюлярний і територіального відділів, агрегати зберігають свій зв'язок з клітинами шляхом зв'язування (через нитку гіалуронової кислоти) з СD44-подібними рецепторами на клітинній мембрані.

Утворення агрегатів в ВКМ - процес складний. Знову синтезовані молекули аггрекана не відразу виявляють здатність зв'язуватися з гіалуроновою кислотою. Це може служити регуляторним механізмом, що дозволяє знову синтезованим молекулам досягти міжтериторіальної зони матриксу перед тим, як бути іммобілізованими в більші агрегати. Кількість знову синтезованих молекул аггрекана і сполучних білків, здатних утворювати агрегати шляхом взаємодії з гіалуроновою кислотою, значно зменшується з віком. Крім того, з віком значно зменшуються розміри агрегатів, виділені з суглобового хряща людини. Це частково пов'язано зі зменшенням середньої довжини молекул гіалуронової кислоти і молекул аггрекана.

Встановлено два види агрегатів в суглобовому хрящі. Середній розмір агрегатів першого виду - 60 S, агрегатів другого виду (швидко осідають «суперагрегатов») - 120 S. Останній відрізняється великою кількістю молекул зв'язуючого білка. Наявність цих суперагрегатов, можливо, відіграє велику роль у функціонуванні тканини; під час відновлення тканини після іммобілізації кінцівки в середніх шарах суглобового хряща виявляють більш високі їх концентрації, в суглобі, ураженому остеоартрозом, на ранніх стадіях захворювання їх розміри значно зменшуються.

Крім аггрекана, суглобовий хрящ містить ряд дрібніших протеогліканів. Біглікан і декорін, молекули, несущіедерматан сульфати, мають молекулярну масу близько 100 і 70 кД відповідно; маса їх стрижневого білка - близько 30 кД.

В суглобовому хрящі людини молекула біглікана містить два ланцюги дерматан сульфату, тоді як більш часто зустрічається декорін - тільки одну. Ці молекули складають лише невелику частину протеогліканів в суглобовому хрящі, хоча їх може бути також багато, як і великих агрегованих протеогліканів. Дрібні протеоглікани взаємодіють з іншими макромолекулами в ВКМ, включаючи колагенові фібрили, фибронектин, фактори росту та ін. Декорін спочатку локалізується на поверхні колагенових фібрил і пригнічує колагеновий фібріллогенезу. Стрижневою протеїн міцно зберігається з клітинно-зв'язуючим доменом фибронектина, тим самим, ймовірно, перешкоджаючи зв'язуванню останнього з рецепторами клітинної поверхні (інтегринами). У зв'язку з тим що і декорін, і біглікан зв'язуються з фібронектином і стримують адгезію і міграцію клітин, а також утворення тромбів, вони здатні пригнічувати процеси тканинної репарації.

Фібромодулін суглобового хряща - це протеогликан з молекулярної масою 50-65 кД, асоційований з колагеновими фибриллами. Його стрижневою протеїн, гомологічний стрижневим протеїнів декоріна і біглікана, містить велику кількість залишків сульфату тирозину. Ця глікозильованого форма фібромодуліна (раніше її називали матриксний протеїн 59 кД) може брати участь в регуляції утворення і підтримці структури колагенових фібрил. Фібромодулін і декорін розташовуються на поверхні колагенових фібрил. Таким чином, як вказувалося раніше, збільшення фібрили в діаметрі має передувати селективне видалення цих протеогліканів (а також молекул колагену IX типу).

Суглобовий хрящ містить в ВКМ ряд білків, які не належать ні до протеогликанам, ні до колагенів. Вони взаємодіють з іншими макромолекулами з утворенням мережі, в яку включено більшість молекул ВКМ.

Анкорін, білок з масою 34 кД, локалізується на поверхні хондроцитов і в клітинній мембрані, опосередковує взаємодію між клітиною і матриксом. У зв'язку з його високою аффинностью до колагену II типу він може виступати в якості Механорецептори, передає сигнал про змінений тиску на фибриллу Хондроцити.

Фібронектин - компонент більшості хрящових тканин, незначно відрізняється від фібронектину плазми крові. Припускають, що фибронектин сприяє інтеграції матриксу шляхом взаємодії з клітинними мембранами і іншими складовими матриксу, такими, як колаген II типу і тромбоспондин. Фрагменти фібронектину негативно впливають на метаболізм хондроцитів - пригнічують синтез аггрекана, стимулюють катаболические процеси. У суглобової рідини хворих на остеоартроз виявлено високу концентрацію фрагментів фібронектину, таким чином, вони можуть брати участь в патогенезі захворювання на пізніх стадіях. Ймовірно, такими ж ефектами володіють і фрагменти інших матриксних молекул, які зв'язуються з рецепторами хондроцитов.

Олігомерного матриксний протеїн хряща (ОМПХ) - член суперсімейства тромбоспондин, являє собою пентамер з п'ятьма ідентичними субодиниця з молекулярною масою близько 83 кД. Їх виявляють у великій кількості в суглобовому хрящі, особливо в шарі проліферуючих клітин в зростаючої тканини. Тому, можливо, ОМПХ бере участь в регуляції росту клітин. В значно більш низької концентрації їх виявляють в ВКМ зрілого суглобного хряща. До матриксних протеїнів також відносять:

• основний матриксний протеїн (36 кБ), що володіє високою афінності до хондроцитам, може опосередковувати взаємодія клітин в ВКМ, наприклад під час ремоделювання тканини;
• GP-39 (39 кБ) експресується в поверхневому шарі суглобного хряща і в синовіальній мембрані (його функції невідомі);
• 21 кД-протеїн синтезується гіпертрофованими хондроцитами, взаємодіє з колагеном X типу, може фунціоніровать в зоні «волністойлініі».

Крім того, очевидно, що хондроцити експресують неглікозильовані форми малих неагрегірованних протеогликанов на певних стадіях розвитку хряща і в патологічних умовах, проте їх специфічна функція в даний час вивчається.

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

Функціональні властивості хряща суглоба

Молекули аггрекана повідомляють суглобового хряща здатність зазнавати оборотну деформацію. Вони демонструють специфічні взаємодії всередині позаклітинного простору і, безсумнівно, грають важливу роль в організації, структурі і функції ВКМ. В хрящової тканини молекули аггрекана досягають концентрації 100 мг / мл. У хрящі молекули аггрекана стиснуті до 20% обсягу, який вони займають в розчині. Тривимірна мережу, освічена фибриллами колагену, повідомляє тканини властиву їй форму і запобігає збільшенню обсягу протеогліканів. Усередині коллагеновой мережі нерухомі протеоглікани несуть великий негативний електричний заряд (містять велику кількість аніонних груп), який дозволяє взаємодіяти з рухомими катіонними групами інтерстиціальноїрідини. Взаємодіючи з водою, протеоглікани забезпечують так зване тиск набухання, якому протидіє коллагеновая мережу.

Наявність води в ВКМ є дуже важливим моментом. Вода визначає обсяг тканини; пов'язана з протеогликанами, вона забезпечує опір стисненню. Крім того, вода забезпечує транспорт молекул і дифузію в ВКМ. Висока щільність негативного заряду на великих протеогліканів, фіксованих в тканини, створює «ефект виключеного об'єму». Розмір пір внутріконцентрірованного розчину протеогликанов настільки малий, що дифузія великих глобулярних білків в тканину різко обмежена. ВКМ відштовхує дрібні негативно заряджені (наприклад, іони хлору) та великі (такі, як альбумін та імуноглобуліни) білки. Розмір осередків всередині щільної мережі з колагенових фібрил і протеогліканів порівняємо лише з розмірами деяких неорганічних молекул (наприклад, натрію і калію, але не кальцію).

У ВКМ деяка кількість води присутня в колагенових фібрила. Фізико-хімічні та біомеханічні властивості хряща визначає екстрафібріллярное простір. Вміст води у внутріфібріллярном просторі залежить від концентрації протеогліканів в екстрафібріллярном просторі і підвищується при зниженні концентрації останніх.

Фіксований негативний заряд на протеогліканів визначає іонний склад позаклітинного середовища, що містить вільні катіони у високій концентрації і вільні аніони в низькій концентрації. Так як концентрація молекул аггрекана підвищується від поверхневої до глибокої зоні хряща, змінюється іонна середу тканини. Концентрація неорганічних іонів в ВКМ створює високий осмотичний тиск.

Властивості хряща як матеріалу залежать від взаємодії колагенових фібрил, протеогліканів і рідкої фази тканини. Структурні і композиційні зміни, пов'язані з невідповідністю між процесами синтезу і катаболізму, деградацією макромолекул і фізичної травмою, значно впливають на матеріальні властивості хряща і змінюють його функцію. Так як концентрація, розподіл і макро-молекулярна організація колагену і протеогліканів змінюються в залежності від глибини зони хряща, варіюють біомеханічні властивості кожної зони. Наприклад, поверхнева зона з її високою концентрацією колагену, тангенціально розташованими фибриллами, відносно низькою концентрацією протеогликанов володіє найбільш вираженими властивостями протидіяти розтягування, розподіляючи навантаження рівномірно по всій поверхні тканини. В перехідній і глибокої зонах висока концентрація протеогліканів повідомляє тканини властивість переносити компресійну навантаження. На рівні «хвилястою лінії» матеріальні властивості хряща різко змінюються від податливою некальціфіцірованной зони до жорсткішого мінералізованих хряща. В області «хвилястою лінії» міцність тканини забезпечується колагенової мережею. Підлягають відділи хряща колагенові фібрили не перетинають; в області кістково-хрящового з'єднання міцність тканини забезпечується особливими контурами кордону між зонами некальціфіцірованного і кальцифікованими хряща у вигляді нерегулярних пальцеобразних виростів, яка «замикає» два шари і перешкоджає їх поділу. Кальцифікованими хрящ менш щільний, ніж субхондральної кістки, таким чином, він виконує функцію проміжного шару, який пом'якшує компресійну навантаження на хрящ і передає її субхондральної кістки.

Під час навантаження відбувається складний розподіл трьох сил - розтягування, зрушення і стиснення. Суглобової матрикс деформується за рахунок вигнання води (а також продуктів метаболізму клітин) із зони навантаження, підвищується концентрація іонів в інтерстіціальноі рідини. Рух води прямо залежить від тривалості і сили додається навантаження і затримується негативним зарядом протеогліканів. Під час деформації тканини протеоглікани більш щільно притискаються один до одного, тим самим ефективно підвищуючи щільність негативного заряду, а міжмолекулярні відразливі негативний заряд сили в свою чергу підвищують опір тканини подальшої деформації. В кінцевому рахунку деформація досягає рівноваги, в якому зовнішні сили навантаження врівноважені внутрішніми силами опору - тиском набухання (взаємодія протеогліканів з іонами) і механічним стресом (взаємодія протеогліканів і колагену). Коли навантаження усунена, хрящова тканина набуває свою початкову форму шляхом всмоктування води разом з поживними речовинами. Вихідна (донагрузочная) форма тканини досягається тоді, коли тиск набухання протеогликанов врівноважується опором коллагеновой мережі їх поширення.

Біомеханічні властивості суглобового хряща засновані на структурній цілості тканини - колагенової-протеоглікановой композиції як твердої фази і води і розчинених в ній іони як рідкої фази. Поза навантаження гідростатичний тиск суглобового хряща становить близько 1-2 атм. Це гідростатичний тиск може підвищуватися in vivo до 100-200 атм. В мілісекунди під час стояння і до 40-50 атм під час ходьби. Дослідження in vitro показали, що гідростатичний тиск 50-150 атм (фізіологічне) протягом короткого проміжку часу веде до помірного зростання хрящового анаболізму, протягом 2 ч - призводить до втрати хрящем рідини, але не викликає яких-небудь інших змін. Залишається невирішеним питання, наскільки швидко хондроцити реагують in vivo на такого роду навантаження.

Індуковане зменшення гідратації з подальшим підвищенням концентрації протеогліканів призводить до тяжінню позитивно заряджених іонів, таких, як Н ⁺ і Na ⁺. Це веде до зміни загального іонного складу і рН ВКМ, і хондроцитов. Тривале навантаження індукує зниження рН і одночасно зниження синтезу протеогліканів хондроцитами. Можливо, вплив позаклітинної іонного середовища на синтетичні процеси також частково пов'язано з її впливом на склад ВКМ. Знову синтезовані молекули аггрекана в слабокислою середовищі пізніше, ніж в нормальних умовах, дозрівають в агреговані форми. Ймовірно, зниження рН навколо хондроцитів (наприклад, під час навантаження) дозволяє більшій кількості знову синтезованих молекул аггрекана досягти міжтериторіального матриксу.

Коли навантаження усунена, вода повертається із синовіальної порожнини, несучи з собою живильні речовини для клітин. У хрящі, ураженому остеоартрозом, концентрація протеогліканів знижена, отже, під час навантаження вода рухається не тільки вертикально в синовіальну порожнину, а й в інших напрямках, зменшуючи тим самим харчування хондроцитов.

Іммобілізація або невелике навантаження веде до помітного зниження синтетичних процесів в хрящовій тканині і змістом протеогліканів, тоді як збільшення динамічного навантаження веде до помірного підвищення синтезу і вмісту протеогліканів .. Напружені тренування (20 км на день протягом 15 тижнів) у собак викликали зміни змісту протеогліканів, зокрема, різке зниження їх концентрації в поверхневій зоні. Відбулося певне оборотне розм'якшення хряща і ремоделирование субхондральної кістки. Велика статичне навантаження, однак, викликала пошкодження хряща і подальшу дегенерацію. Крім того, втрата аггрекана ВКМ ініціює аномальні зміни, характерні для остеоартрозу. Втрата аггрекана призводить до притягнення води і набухання залишився невеликої кількості протеогліканів. Це розчинення аггрекана сприяє зниженню щільності локального фіксованого заряду і в результаті призводить до зміни осмолярності.