Osteoartrit: hur arrangeras ledbrusk?

Normal ledbrusk utför två huvudfunktioner: absorptionen av tryck genom deformation under mekanisk spänning och säkerställande av smidighet av artikulära ytor, vilket gör att du kan minimera friktion när du rör dig i fogen. Detta säkerställs av den unika strukturen hos ledbrusk, som består av kondondiat nedsänkt i den extracellulära matrisen (ECM).

Den normala ledbrosk hos en vuxen kan delas upp i flera lager, eller zoner: en yta eller tangentiell zon, en övergångszon, en djup eller en radiell zon och en förkalkad zon. Skiktet mellan ytan och övergångszonen och särskilt mellan övergångs- och djupzoner har inga tydliga gränser. Förbindelsen mellan okalcifierat och förkalkat ledbrusk kallas den "vågiga gränsen" - detta är linjen bestämd genom att färga den avkalcerade vävnaden. Bruskens förkalkade zon är en relativt konstant andel (6-8%) i crescents totala höjd. Den totala tjockleken på ledbrusk, inklusive zonen av förkalkat brosk, varierar beroende på belastningen på ett visst område av fogytan och typen av fog. Intermittent hydrostatiskt tryck i subchondralbenet spelar en viktig roll för att bibehålla bruskens normala struktur, saktar nedbening.

Kondrocyter utgör ungefär 2-3% av den totala vävnadsmassan; i ytan (tangential) zonen ligger de längs, och i den djupa (radiella) zonen - vinkelrätt mot bruskytan; i övergångszonen bildar kondrocyter grupper av 2-4 celler utspridda genom matrisen. Beroende på området av ledbrusk varierar densiteten hos kondrocyterna - den högsta celltätheten i ytzonen, den lägsta i den förkalkade. Dessutom varierar celldistributionens densitet från gemensamt till gemensamt, det är omvänt proportionellt mot bruskets tjocklek och den belastning som upplevs av dess motsvarande plats.

De mest ytligt belägna kondrocyterna är skivformade och bildar i tangentiella zonen flera lager av celler som ligger under en smal remsa av matris; Djupt placerade celler i denna zon tenderar att ha mer ojämna konturer. I övergångszonen har kondrocyter en sfärisk form, ibland kombineras de i små grupper spridda i matrisen. Kondrocyter i den djupa zonen är övervägande ellipsoida i form, grupperade i radiellt arrangerade kedjor med 2-6 celler. I den förkalkade zonen fördelas de ännu mer sparsamt; Några av dem är nekrotiska, även om de flesta är livskraftiga. Cellerna omges av en okalcifierad matris, det intercellulära utrymmet förkalkas.

Således består det mänskliga ledbrusket av hydratiserat ECM och celler nedsänkt i det, vilket utgör 2-3% av den totala vävnadsvolymen. Eftersom broskvävnad inte har blod och lymfatiska kärl, genomförs interaktionen mellan celler, tillförseln av näringsämnen till dem, avlägsnandet av metaboliska produkter genom diffusion genom ECM. Trots det faktum att de metaboliska kondrocyterna är mycket aktiva delar de normalt inte hos vuxna personer. Chondrocyter finns i en syrefri miljö, tror att deras ämnesomsättning utförs övervägande anaerobt.

Varje kondrocyt anses vara en separat metabolisk enhet av brosk, isolerad från närliggande celler, men ansvarig för produktionen av VKM-element i omedelbar närhet av den givna cellen och upprätthåller dess sammansättning.

VCR avger tre sektioner, var och en har unika morfologiska strukturen och specifik biokemisk sammansättning. VCR direkt anslutning kbazalnoy kondrocyt membran, som kallas pericellulär, ililakunarnym, matris. Det kännetecknas av växelverkan cellinnehåll hög relaterade hyaluronsyra av proteoglykan aggregat med CD44-liknande receptorer, och den relativa avsaknaden av organiserade koUagenfibriller. I direkt kontakt med pericellulär matris territoriella eller kapsulär, en matris som består av ett nätverk av korsande fibrillära kollagener, som kapslar in de individuella cellerna, eller (ibland) en grupp av celler som bildar hondron, och kommer sannolikt att ge särskilt mekaniskt stöd för cellerna. Kontakta kondrocyt matris med kapsulär uppnås genom talrika cytoplasmatiska processer rika på mikrofilament och genom specifika matrixmolekyler, såsom CD44-ankorin och podobnye receptorer. Den största och mest avlägset från basalmembranet ECM separerade kondrocyt - interterritoriellt matris innehållande det största antalet av kollagenfibriller och proteoglykaner.

Uppdelningen av ECM till avdelningar är tydligare avgränsad i ledbrusk hos en vuxen än i omogent ledbrusk. Den relativa storleken på varje avdelning varierar inte bara i olika leder, utan även inom samma brosk. Varje kondrocyt producerar en matris som omger den. Inlämnade studier mogna kondrocyter av brosk genom aktiv metabolisk kontroll över sina pericellulära och territoriella matriser är mindre aktiv kontroll interterritoriellt matris, som kan vara metaboliskt "inert".

Som tidigare nämnts, består ledbrosket huvudsakligen av omfattande ECM, syntetiseras och regleras av kondrocyter. Vävnadsmakromolekyler och deras koncentrationer varierar under hela livet för att möta förändrade funktionskrav. Det förblir emellertid oklart: celler syntetiserar hela matrisen vid samma tidpunkt eller vid viss fas i enlighet med de fysiologiska behov. Koncentrationen av makromolekyler, metaboliska balansen mellan dem, definierar förhållandet och interaktions biokemiska egenskaper, och följaktligen funktionen av ledbrosk inom en led. Den viktigaste komponenten i VCR vuxen ledbrosk är vatten (65-70% av total massa), som är fast ansluten däri med hjälp av speciella fysikaliska egenskaper hos makromolekyler broskvävnad innefattande kollagener, proteoglykaner och icke-kollagena glykoproteiner.

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

Bruskens biokemiska sammansättning

Kollagenfibrer består av molekyler av kollagenfibrillär protein. I däggdjur står andelen kollagen för en fjärdedel av alla proteiner i kroppen. Kollagen bildar fibrillära element (kollagenfibriller), som består av strukturella subenheter, som kallas tropokollagen. Tropokollagenmolekylen har tre kedjor som bildar en trippelhelix. En sådan struktur av tropokollagen molekylen, såväl som strukturen av kollagenfibrer, då dessa molekyler är anordnade parallellt i längdriktningen med en konstant förskjutning av ungefär 1/4 av längden och säkerställer hög elasticitet och styrka av de vävnader i vilka de är belägna. För närvarande är 10 genetiskt olika typer av kollagen kända, olika i den a-kedjans kemiska struktur och / eller deras samling i molekylen. De mest studerade första fyra typerna av kollagen är kapabla att bilda upp till 10 molekylära isoformer.

Kollagenfibriller är en del av det extracellulära utrymmet för de flesta typer av bindväv, inklusive broskvävnad. Inom det tredimensionella nätverket av olösliga kollagenfibriller korsande "hoptrasslade" andra mer lösliga komponenter, såsom proteoglykaner, glykoproteiner och vävnadsspecifika proteiner; Ibland är de kovalent bundna till kollagenelement.

Kollagenmolekyler som organiseras i fibriller utgör ca 50% av den organiska torra resten av brosk (10-20% av nativt brosk). Vid moget brosk är ca 90% kollagener typ II-kollagener, vilka endast finns i vissa vävnader (t.ex. Glasögon, embryonala ryggmärgen). Kollagen typ II avser den första klassen (bildande fibriller) av kollagenmolekyler. Förutom honom finns också i det mogna ledbrusk hos en person, kollagen IX, XI-typ och i ett litet antal VI-typ. Den relativa mängden av kollagenfibrer av IX-typ i kollagenfibriller minskar från 15% i brusk från fostret till ca 1% i tjurens mogna brosk.

Molekyler av kollagen I-typ består av tre identiska polypeptid-a, (II) -kedjor, syntetiseras och utsöndras i form av prekollagenprekursor. När de färdiga kollagenmolekylerna släpps ut i det extracellulära utrymmet bildar de fibriller. I moget ledbrusk bildar kollagen typ II fibrillära arkader, i vilka mer "tjocka" molekyler är belägna i djupa lager av vävnad och mer "tunna" - horisontellt i ytskikten.

I prokollagengenen av typ II hittades en exon kodande för en cysteinrika N-terminala propeptid. Denna exon uttrycks inte i moget brosk, men i de tidiga utvecklingsstadierna (prekondrogenes). På grund av närvaron av denna exon är procollagen II-typmolekylen (typ II A) längre än typ II-kollagen. Förmodligen hämmar uttrycket av denna typ av prokollagen ackumuleringen av element i ECK i ledbrusk. Det kan spela en roll i utvecklingen av broskpatologi (till exempel otillräckligt reparativ respons, osteofytbildning etc.).

Ett nätverk av kollagenfibriller av typ II ger en draghållfasthetsfunktion och är nödvändig för att upprätthålla vävnadens volym och form. Denna funktion förbättras genom kovalent och tvärbindning mellan kollagenmolekyler. I VKM bildar lysiloxidasenzymet en aldehyd från hydroxylisin, som därefter omvandlas till en multivalent aminosyrahydroxylisylpyridinolin, som bildar tvärbindningar mellan kedjorna. Å ena sidan stiger koncentrationen av denna aminosyra med ålder, men i modent brosk förändras det praktiskt taget inte. Å andra sidan är det i ledbrusk en ökning i koncentrationen av tvärbindningar av olika typer med ålder bildad med ålder, bildad utan deltagande av enzymer.

Cirka 10% av den totala kollagen av brosk är så kallade mindre kollagen, som till stor del avgör unika med detta tyg. Kollagen typ IX tillhör klass III molekyler korotkospiralnyh och unik grupp FACIT-kollagen (fibrill-associerade kollagen med avbrutna Triple -helices - fibrill-associerade kollagen med avbruten trippelspiral). Den består av tre genetiskt olika kedjor. En av dem - en ₂ -kedja - glykosylerade samtidigt med kondroitinsulfat, vilket gör molekylen samtidigt proteoglykan. Mellan segment av spiralen av kollagen typ IX-kollagen och typ II uppvisar både mogna och omogna gidroksipiridinovye tvärbindningar. Kollagen IX kan också fungera som en intermolekylär-interfibrillyarny "kontaktdon" (eller bryggan) mellan intilliggande kollagenfibriller. IX kollagenmolekyler bildar tvärbindningar mellan sig, vilket ökar den mekaniska stabiliteten hos det tredimensionella fibrillära nätverk och skyddar den från exponering för enzymer. De ger också motstånd mot deformation, vilket begränsar svallningen av proteoglykaner som är placerade inom nätverket. Också anjonisk CS-kedja IX kollagenmolekylen innehåller katjoniska domänet informera fibrill stor laddning och tendens att interagera med andra matrismakromolekyler.

Kollagen XI-typen är endast 2-3% av den totala massan av kollagener. Det tillhör den första klassen (bildande fibriller) av kollagener och består av tre olika a-kedjor. Tillsammans med kollagen typerna II och IX bildar typ X kollagen heterotiska fibriller av ledbrusk. Molekyler av kollagen XI-typ finns inom kollagenfibriller av typ II med hjälp av immunoelektromikroskopi. Kanske organiserar de kollagen typ II-molekyler, kontrollerar den laterala tillväxten av fibriller och bestämmer diametern hos den heterotypa kollagenfibrilen. Dessutom är kollagen XI involverad i bildandet av tvärbindningar, men även i moget brosk fortsätter de tvärgående bindningarna i form av omogna divalenta ketoaminer.

En liten mängd av typ VI-kollagen, en annan representant för klass III av korta molekyler, hittades i ledbrusk. Kollagen typ VI bildar olika mikrofibriller och är eventuellt koncentrerad i kapronmassan i kondronen.

Proteoglykaner är proteiner till vilka åtminstone en glykosaminoglykankedja är kovalent bunden. Proteoglykaner hör till en av de mest komplexa biologiska makromolekylerna. De mest omfattande proteoglykaner är närvarande i brosket VKM. "Entangled" inuti nätverket av kollagenfibriller, uppfyller hydrofila proteoglykaner sin huvudsakliga funktion - de informerar brosket om förmågan att reversibelt deformeras. Man tror att proteoglykaner utför ett antal andra funktioner, vars kärna inte är helt klart.

Aggrecan är den viktigaste proteoglykanen av ledbrusk: det är cirka 90% av den totala massan av proteoglykaner i vävnaden. Dess kärnprotein av 230 kD glykosyleras av ett antal kovalent bundna glykosaminoglykankedjor, såväl som N-terminala och C-terminala oligosackarider.

Glykosaminoglykan kedja av ledbrosk, vilket utgör ca 90% av den totala vikten makromolekyler - keratansulfat (representerande sekvensen från sulfaterad disackarid N-atsetilglyukozamingalaktoza flera sulfaterade partier och andra monosackaridrester, såsom sialinsyra) och kondroitinsulfat (representerande sekvensen från disackarid av N-acetylgalaktosamin, glukuronsyra, sulfatester, var och en ansluten till den fjärde eller till den sjätte kolatomen av den N-atsetilg laktos).

Aggrecan kärnprotein innehåller tre globulära (G1, G2, G3) h interglobulära två (E1 och E2) domän. N-terminala delen innefattar ett G, - och G2- domäner separerade E1 segmentlängd av 21 nm. C3-domän belägen vid C-terminalen, skild från G ₂ längre (omkring 260 nm) E2-segment som bär mer än 100 kondroitinsulfat kedjor av omkring 15-25 keratansulfat kedjor och O-länkade oligosackarider. N-länkade oligosackarider funna främst inom G1- och C2-domänerna och E1-segmentet, såväl som nära G ₃ -regiona. Glykosaminoglykaner är grupperade i två regioner: den mest utvidgas (så kallad region rik på kondroitinsulfat) kedjan innefattar kondroitinsulfat och ca 50% av keratansulfat kedjor. Region rik på keratan sulfater, lokaliserade till E ₂ -segmente nära G1-domänen föregår en region rik på kondroitin sulfater. Aggrecan molekyler innehåller också fosfatestrar, lokaliserade primärt på xylosrester som kondroitinsulfat kedjor är fästa vid kärnproteinet; de finns också på serinresterna av kärnproteinet.

Det C-terminala segmentet _av C3-domänen är mycket homologt med lektinet, så att proteoglykanmolekylerna kan fixeras i ECM genom att binda till vissa kolvätekonstruktioner.

I senare studier observerades en exon kodning för EGF-liknande (epidermal tillväxtfaktor) subdomänen inom G ₃. Med användning av anti-EGF-polyklonala antikroppar lokaliserades en EGF-liknande epitop inom en peptid av 68 kD i aggregatet av det humana artikulära brosket. Men dess funktioner kräver förtydligande. Denna subdomän finns också i strukturen av vidhäftningsmolekyler som styr migrering av lymfocyter. Endast ungefär tredjedel av aggrecan molekyler isolerade från moget humant ledbrosk innehåller intakt C ₃ domäner av; förmodligen beror det på det faktum att aggrecanmolekylerna i ECM kan reduceras i storlek genom enzymvägen. Den ytterligare ödet och funktionen hos de splittrade fragmenten är okända.

Den huvudsakliga funktionella segmentet är en aggrecan molekyl glikozaminoglikannesuschy E ₂ -segment. Platsen, rik på keratansulfater, innehåller aminosyrorna prolin, serin och treonin. Flesta serin- och treoninrester O-glykosylerade N-atsetilgalaktozaminovymi rester, de utlöser syntesen av vissa oligosackarider, som är inbäddade i de keratansulfat kedjor, och därigenom förlänga dem. Resten av E ₂ -segmenta innehåller mer än 100 sekvenser serin-glycin, i vilket serien ger ksilozilnym fastsättning rester vid början av kondroitinsulfat-kedjor. Typiskt och kondroitin-6-sulfat och kondroitin-4-sulfat existera samtidigt inom samma proteoglykan molekyler av förhållandet varierar beroende på lokalisering av brosk och ålder hos personen.

Strukturen hos aggrecanmolekylerna i matrisen av ledbrusk hos en person genomgår ett antal förändringar i mognadsprocessen och åldringen. De åldringsrelaterade förändringarna innefattar en minskning av den hydrodynamiska storleken som ett resultat av förändringar i medelkedjelängden av kondroitinsulfater, en ökning av antalet och längden av keratansulfatkedjor. Ett antal förändringar i aggrecanmolekylen genomgår också verkan av proteolytiska enzymer (t.ex. Aggrecanas och stromelysin) på kärnproteinet. Detta leder till en progressiv minskning av den genomsnittliga längden av kärnproteinet hos aggrecanmolekylerna.

Aggrecan-molekyler syntetiseras av kondrocyter och utsöndras i ECM, där de bildar aggregat som stabiliseras av molekyler bindande proteiner. Denna aggregering innefattar högspecifika icke-kovalenta och kooperativa interaktioner mellan glukuronsyrafilamentet och nästan 200 molekyler aggrecaner och bindningsproteiner. Glukuronsyra är en extracellulär, icke-sulfonerad linjär glykosaminoglykan med stor molekylvikt, bestående av ett antal sekventiellt bundna molekyler av N-acetylglukamin och glukuronsyra. De kopplade slingorna i G1-domänen av aggrecan växelverkar reversibelt med fem i följd arrangerade hyaluronsyra-disackarider. Bindningsproteinet, som innehåller liknande (hög-homologa) parade slingor, interagerar med C1-domänen och hyaluronsyramolekylen och stabiliserar aggregatets struktur. Den Ci-domän-hyaluronsyrabindande proteinkomplexet bildar en högstabil interaktion som skyddar G1-domänen och bindningsproteinet från verkan av proteolytiska enzymer. Två molekyler av ett bindande protein med en molekylvikt av 40-50 kD identifierades; De skiljer sig från varandra i graden av glykosylering. Endast en molekyl av bindningsproteinet är närvarande vid hyaluronsyra-aggrecanbindningsstället. Den tredje, mindre molekylen för bindningsproteinet bildas från större proteiner genom proteolytisk klyvning.

Omkring 200 molekyler aggrecan kan binda till en molekyl av hyaluronsyra för att bilda ett aggregat med 8 μm i längd. Den cellassocierade matris bestående av pericellulära och territoriella divisionerna aggregaten bibehåller deras förhållande med cellerna genom bindning (via tråd hyaluronsyra) med SD44-liknande receptorer på cellmembranet.

Bildandet av aggregat i ECM är en komplex process. De nyligen syntetiserade aggrecanmolekylerna visar inte omedelbart förmågan att binda till hyaluronsyra. Detta kan fungera som en regleringsmekanism som tillåter att nya syntetiserade molekyler når den interterritoriella zonen i matrisen innan de immobiliseras i stora aggregat. Antalet nyligen syntetiserade aggrecanmolekyler och bindningsproteiner som kan bilda aggregat genom interaktion med hyaluronsyra minskar signifikant med åldern. Dessutom, med ålder, minskas storleken på aggregat isolerade från ledbrusk hos en person avsevärt. Detta beror delvis på minskningen av den genomsnittliga längden av molekyler av hyaluronsyra och aggrecanmolekyler.

Det finns två typer av aggregat i ledbrusk. Den genomsnittliga storleken på aggregat av den första typen är 60 S, aggregaten av den andra typen (snabbt utfällda "superaggregat") är 120 S. Den senare kännetecknas av en mängd molekyler av bindningsproteinet. Förekomsten av dessa superagregat spelar eventuellt en viktig roll i vävnadens funktion. Under återställandet av vävnad efter immobilisering av extremiteten i de mellanliggande skikten i ledbrusk, finns deras högre koncentrationer, i den gemensamma som drabbats av artros, i de tidiga stadierna av sjukdomen deras dimensioner minskas signifikant.

Förutom aggrecan innehåller ledbrusk ett antal mindre proteoglykaner. Biglikan och dekorin, molekyler som bär dermatan sulfater har en molekylvikt av ca 100 respektive 70 kD; massan av deras kärnprotein är ca 30 kD.

Ledbrosk i humant biglykan molekylen innehåller två kedjor dermatansulfat, medan mer frekvent förekommande decorin - bara en. Dessa molekyler är bara en liten del av proteoglykaner i ledbrosket, men de kan också vara en hel del, liksom stora aggregat av proteoglykaner. Små proteoglykaner interagera med andra makromolekyler i ECM, inklusive kollagenfibrillerna, fibronektin, tillväxtfaktorer och andra. Decorin ursprungligen lokaliserad på ytan av kollagenfibriller och hämmar kollagen fibrillogenes. Stången stadigt kvarhålles protein med en cellbindande domänen av fibronektin, vilket sålunda förmodligen att inhibera bindningen av den senare till cellytreceptorer (integriner). På grund av det faktum att både dekorin och biglykan binder till fibronektin och inhiberar celladhesion och migration, samt bildande av tromber, är de i stånd att hämma vävnadsreparationsprocesser.

Fibromodulin av ledbrusk är en proteoglykan med en molekylvikt av 50-65 kD associerad med kollagenfibriller. Dess kärnprotein, homologt med kärnproteinerna i inredningen och bigakana, innehåller en stor mängd tyrosinsulfatrester. Denna glykosylerade form av fibromodulin (tidigare kallat matrisprotein 59 kD) kan delta i reglering av bildning och upprätthållande av strukturen av kollagenfibriller. Fibromodulin och dekorin ligger på ytan av kollagenfibriller. Såsom angivits tidigare bör ökningen i fibrildiametern föregås av selektiv avlägsnande av dessa proteoglykaner (såväl som kollagen typ IX-molekyler).

Artikulär brosk innehåller ett antal proteiner i VKM, som inte hör till antingen proteoglykaner eller kollagener. De interagerar med andra makromolekyler för att bilda ett nätverk där de flesta VKM-molekyler införlivas.

Ankarin, ett protein med en massa av 34 kD, lokaliseras på ytan av kondrocyter och i cellmembranet medierar interaktionen mellan cellen och matrisen. På grund av sin höga affinitet för kollagen typ II kan den fungera som en mekanoreceptor som överför en signal om det förändrade trycket på kondrocytens fibril.

Fibronektin är en komponent i de flesta bruskiga vävnader, något annorlunda än fibronektin i blodplasma. Det föreslås att fibronektin främjar integrationen av matrisen genom att interagera med cellmembran och andra matrisbeståndsdelar, såsom kollagen typ II och trombospondin. Fragment av fibronektin påverkar metabolism av kondrocyter negativt - hämmar syntesen av aggrecan, stimulerar kataboliska processer. I den gemensamma vätskan hos patienter med osteoartros hittades en hög koncentration av fibronektinfragment, så att de kan delta i patogenesen av sjukdomen i senare skeden. Troligen har fragment av andra matrismolekyler som binder till kondrocytreceptorer också samma effekter.

Det bruskiga oligomera matrisproteinet (OMPC), en medlem av trombospondin superfamiljen, är en pentamer med fem identiska subenheter med en molekylvikt av ca 83 kD. De finns i stort antal i ledbrusk, särskilt i skiktet av prolifererande celler i växtvävnaden. Därför deltar OMPCH kanske i regleringen av celltillväxt. Vid en mycket lägre koncentration finns de i ECM av moget ledbrusk. Matrisproteiner kallas också som:

• Basmatrisproteinet (36 kD), som har en hög affinitet för kondrocyter, kan mediera interaktionen av celler i ECM, exempelvis under vävnadsreformering;
• GP-39 (39 kD) uttrycks i ytskiktet av ledbrusk och i synovialmembranet (dess funktioner är okända);
• 21 kD-protein syntetiseras av hypertrofierad kondrocyter, interagerar med kollagen av X-typ, kan fungera i "vågledningszonen".

Dessutom är det uppenbart att kondrocyterna uttrycker de icke-glykosylerade formerna av små icke-aggregerade proteoglykaner vid vissa steg i bruskutveckling och i patologiska tillstånd, men deras specifika funktion studeras för närvarande.

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

Funktionella egenskaper hos brosk i leden

Molekyler av aggrecan ger ledbrusk förmågan att genomgå reversibel deformation. De demonstrerar specifika interaktioner inom det extracellulära utrymmet och spelar utan tvekan en viktig roll i ECMs organisation, struktur och funktion. I den broskiga vävnaden når aggrecana molekyler en koncentration på 100 mg / ml. I brosket komprimeras Aggregan-molekylerna till 20% av volymen de upptar i lösningen. Ett tredimensionellt nätverk bildat av kollagenfibriller informerar vävnaden av dess karakteristiska form och förhindrar ökningen av volymen av proteoglykaner. Inuti kollagenätet bär immobila proteoglykaner en stor negativ elektrisk laddning (innehåller ett stort antal anjoniska grupper), vilket möjliggör interaktion med mobilkationiska grupper i interstitiellvätskan. Vid interaktion med vatten ger proteoglykaner det så kallade svullnadstrycket, vilket motverkas av kollagenätverket.

Närvaron av vatten i ECM är mycket viktigt. Vatten bestämmer volymen av vävnad; associerad med proteoglykaner, ger det motståndskraft mot kompression. Dessutom ger vatten transport av molekyler och diffusion i ECM. Den höga densiteten av negativ laddning på stora proteoglykaner fixerade i vävnad skapar en "utesluten volymseffekt". Porstorleken hos den intrakoncentrerade lösningen av proteoglykaner är så liten att diffusionen av stora globala proteiner i vävnaden är allvarligt begränsad. VKM avstör små negativt laddade (t.ex. Kloridjoner) och stora (såsom albumin och immunglobuliner) proteiner. Storleken på celler inom ett tätt nätverk av kollagenfibriller och proteoglykaner är endast föremål för dimensionerna för vissa oorganiska molekyler (till exempel natrium och kalium men inte kalcium).

I VKM finns viss mängd vatten i kollagenfibrillerna. Bruskens fysikalisk-kemiska och biomekaniska egenskaper bestämmer extrafibrillärt utrymme. Vattenhalten i fibrillärutrymmet beror på koncentrationen av proteoglykaner i extrafibrillärutrymmet och ökar med en minskning av koncentrationen av den senare.

Den fasta negativa laddningen på proteoglykaner bestämmer jonkompositionen för det extracellulära mediet innehållande fria katjoner i hög koncentration och fria anjoner i låg koncentration. Eftersom koncentrationen av aggrecanmolekylerna stiger från ytan till bruskets djupa zon, förändras den joniska omgivningen i vävnaden. Koncentrationen av oorganiska joner i ECM ger ett högt osmotiskt tryck.

Egenskaperna hos brosk som ett material beror på interaktionen mellan kollagenfibriller, proteoglykaner och vävnadens flytande fas. Strukturella och kompositionella förändringar på grund av obalansen mellan de syntetiska och katabola processer, och nedbrytning av makromolekyler genom fysisk skada, signifikant påverkar materialegenskaperna i brosk och förändrar dess funktion. Eftersom koncentrationen och fördelningen av den makromolekylära organisationen av proteoglykaner och kollagener varierar beroende på djupet av broskzonen variera de biomekaniska egenskaperna hos varje zon. Exempelvis ytarean med dess höga koncentration av kollagenfibriller anordnade tangentiellt med avseende på den låga koncentrationen av proteoglykaner har mest uttalad motverkar sträckningsegenskaper, fördela lasten jämnt över vävnadsytan. I övergångs- och djupzoner ger en hög koncentration av proteoglykaner en vävnadsegenskap till överföringen av kompressionsbelastningen. Vid nivån för "vågiga linjer" broskmaterialegenskaper varierar kraftigt från smidig nekaltsifitsirovannoy zonen till en hård mineraliserad brosk. I området för "vågig linje" tillhandahålls vävnadets styrka av kollagenätverket. Bruskfibriller korsar inte de bruskiga delarna; i föreningen med osteokondral vävnad styrka tillhandahålls av speciella konturer gräns mellan zonerna nekaltsifitsirovannogo och förkalkad brosk i form av fingerliknande utväxter oregelbundna, vilket "stänger" två skikt och förhindrar deras separation. Förkalkat brosk är mindre tät än det subkondrala benet, så det har funktionen av ett mellanliggande skikt som mjukar upp tryckbelastning på den brosk och subkondralt ben sänder den.

Under belastningen uppträder en komplex fördelning av tre krafter-sträckning, skjuvning och kompression. Den artikulära matrisen deformeras på grund av utstötningen av vatten (såväl som metaboliska produkter från celler) från belastningszonen ökar koncentrationen av joner i interstitiell vätska. Vattenrörelsen beror direkt på varaktigheten och styrkan hos den applicerade belastningen och fördröjs av den negativa laddningen av proteoglykaner. I proteoglykaner tid vävnads deformation mer tätt pressas mot varandra, för att därigenom effektivt öka den negativa laddningsdensiteten och intermolekylära repulsiva negativa laddningskrafter i sin tur öka motståndet mot ytterligare deformation av tyget. Ultimately deformation når jämvikt, varvid de yttre krafterna är balanserade inre lastmotståndskrafter - svälltryck (interaktionen med joner proteoglykaner) och mekanisk påfrestning (interaktions proteoglykaner och kollagener). När lasten elimineras, förvärvar den bruskvävnad sin ursprungliga form genom att suga vatten tillsammans med näringsämnena. Den initiala (förbelastade) vävnadsformen uppnås när svalltrycket hos proteoglykaner balanseras av kollagennätets motståndskraft mot deras spridning.

De biomekaniska egenskaperna hos ledbrosk är baserade på den strukturella integriteten hos tyget - kollagen-proteoglykan kompositionen som en fast fas och vatten och joner löst däri som en flytande fas. Är det hydrostatiska trycket belastning av ledbrosk är ca 1-2 atm. Detta hydrostatiska tryck kan öka in vivo till 100-200 atm. Millisekund när man står upp till 40-50 atm när hon gick. Studier in vitro har visat att det hydrostatiska trycket av 50-150 atm (fysiologisk) under en kort tidsperiod leder till en måttlig tillväxt av brosk anabolism, i 2 timmar - leder till förlust av flytande brosk, men inte orsaka några andra förändringar. Frågan kvarstår hur snabbt reagera kondrocyter in vivo för denna typ av last.

Inducerad reduktion av hydrering med efterföljande ökning av koncentrationen av proteoglykaner leder till attraktion av positivt laddade joner, såsom H ⁺ och Na ⁺. Detta leder till en förändring i den totala jonkompositionen och pH-värdet för ECM och kondrocyter. Förlängd laddning inducerar en minskning av pH och en samtidig minskning av syntesen av proteoglykaner med kondrocyter. Kanske är påverkan av den extracellulära joniska miljön på syntetiska processer också delvis relaterad till dess effekt på ECMs sammansättning. De nyligen syntetiserade molekylerna av aggrecan i ett svagt surt medium senare än i normala förhållanden mognar i aggregerade former. Det är troligt att en minskning av pH kring kondrocyter (till exempel under en belastning) medger att mer nyligen syntetiserade aggrecana molekyler når den interterritoriella matrisen.

När lasten elimineras återvänder vattnet från synovialhålan och bär med sig näringsämnen för cellerna. Brosket påverkas med artros, är proteoglykan koncentration sänks därför under lastning vattnet rör sig inte bara vertikalt i den synoviala kaviteten, men även i andra riktningar, och därigenom minska effekt kondrocyter.

Immobilisering eller liten belastning leder till en markant minskning av de syntetiska processerna för brosk proteoglykan innehåll och, medan ökningen i dynamisk belastning leder till en blygsam ökning proteoglykansyntesen och innehåll .. Intensiv träning (20km per dag under 15 veckor) hos hundar orsakade en förändring av innehållet av proteoglykaner i synnerhet en kraftig minskning av deras koncentration i ytzonen. Det har varit en del reversibel mjukning av brosket och ombyggnad av subchondralbenet. En stor statisk belastning orsakade emellertid bruskskador och efterföljande degenerering. Dessutom börjar förlusten av Aggrecan ECM onormala förändringar som är karakteristiska för osteoartros. Förlust av aggrecan leder till attraktion av vatten och svullnad av återstående liten mängd proteoglykaner. Denna upplösning av aggrecan bidrar till att minska densiteten hos lokal fastladdning och leder slutligen till en förändring av osmolariteten.