Osteoartrīts: kā ir organizēts locītavu skrimšlis?

Normāls locītavu skrimslis veic divas galvenās funkcijas: absorbē spiedienu, deformējoties mehāniskās slodzes laikā, un nodrošina locītavu virsmu gludumu, kas ļauj samazināt berzi locītavu kustību laikā. To nodrošina locītavu skrimšļa unikālā struktūra, kas sastāv no hondroitīniem, kas iegremdēti ārpusšūnu matricā (ECM).

Normālu pieauguša cilvēka locītavu skrimšļus var iedalīt vairākos slāņos jeb zonās: virspusējā jeb tangenciālā zona, pārejas zona, dziļā jeb radiālā zona un kalcificētā zona. Slānim starp virspusējo un pārejas zonu, un jo īpaši starp pārejas un dziļo zonu, nav skaidru robežu. Savienojumu starp nekalcificēto un kalcificēto locītavu skrimšļu sauc par "viļņaino robežu" - līniju, kas redzama, iekrāsojot dekalcificētos audus. Skrimšļa kalcificētā zona veido relatīvi nemainīgu daļu (6-8%) no kopējā skrimšļa šķērsgriezuma augstuma. Kopējais locītavu skrimšļa biezums, ieskaitot kalcificēto skrimšļa zonu, mainās atkarībā no slodzes uz konkrētu locītavas virsmas laukumu un no locītavas veida. Intermitējošs hidrostatiskais spiediens subhondrālajā kaulā spēlē svarīgu lomu skrimšļa normālas struktūras uzturēšanā, palēninot pārkaulošanos.

Hondrocīti veido aptuveni 2–3% no kopējās audu masas; virspusējā (tangenciālajā) zonā tie atrodas gar, bet dziļajā (radiālajā) zonā – perpendikulāri skrimšļa virsmai; pārejas zonā hondrocīti veido 2–4 šūnu grupas, kas izkaisītas pa visu matricu. Atkarībā no locītavu skrimšļa zonas hondrocītu blīvums mainās – vislielākais šūnu blīvums ir virspusējā zonā, viszemākais – kalcificētajā zonā. Turklāt šūnu sadalījuma blīvums mainās no locītavas uz locītavu, tas ir apgriezti proporcionāls skrimšļa biezumam un slodzei, ko piedzīvo atbilstošā zona.

Visvirspusēji izvietotie hondrocīti ir diskveida un veido vairākus šūnu slāņus tangenciālajā zonā, kas atrodas zem šauras matricas joslas; dziļāk izvietotajām šīs zonas šūnām parasti ir nevienmērīgākas kontūras. Pārejas zonā hondrocīti ir sfēriski, dažreiz tie apvienojas nelielās grupās, kas izkaisītas matricā. Dziļās zonas hondrocīti pārsvarā ir elipsoīdas formas, grupēti radiāli izvietotās 2–6 šūnu ķēdēs. Kalcificētajā zonā tie ir izkliedēti vēl retāk; daži no tiem ir nekrotiski, lai gan lielākā daļa ir dzīvotspējīgi. Šūnas ieskauj nekalcificēta matrica, starpšūnu telpa ir kalcificēta.

Tādējādi cilvēka locītavu skrimslis sastāv no hidratēta ārējās membrānas (ECM) un tajā iegremdētām šūnām, kas veido 2–3 % no kopējā audu tilpuma. Tā kā skrimšļa audiem nav asinsvadu vai limfvadu, mijiedarbība starp šūnām, barības vielu piegāde tām un vielmaiņas produktu izvadīšana notiek difūzijas ceļā caur ECM. Neskatoties uz to, ka hondrocīti ir ļoti aktīvi vielmaiņas ziņā, pieaugušajiem tie parasti nedalās. Hondrocīti eksistē bezskābekļa vidē, un tiek uzskatīts, ka to metabolisms galvenokārt ir anaerobs.

Katrs hondrocīts tiek uzskatīts par atsevišķu skrimšļa vielmaiņas vienību, kas ir izolēta no blakus esošajām šūnām, bet ir atbildīga par ECM elementu ražošanu ziedotās šūnas tiešā tuvumā un tās sastāva uzturēšanu.

ECM ir sadalīta trīs daļās, katrai no kurām ir unikāla morfoloģiskā struktūra un specifisks bioķīmiskais sastāvs. ECM, kas atrodas tieši blakus hondrocītu bazālajai membrānai, sauc par pericelulāro jeb lakunāro matricu. To raksturo augsts proteoglikānu agregātu saturs, kas saistīti ar šūnu, hialuronskābei mijiedarbojoties ar CD44 līdzīgiem receptoriem, un relatīvs organizētu kolagēna fibrilu trūkums. Tieši blakus pericelulārajai matricai atrodas teritoriālā jeb kapsulas matrica, kas sastāv no krustojošu fibrilāru kolagēnu tīkla, kas iekapsulē atsevišķas šūnas vai (dažreiz) šūnu grupas, veidojot hondronu un, iespējams, nodrošina specializētu mehānisku atbalstu šūnām. Hondrocītu kontakts ar kapsulas matricu tiek panākts, izmantojot daudzus citoplazmas procesus, kas bagāti ar mikrofilamentiem, kā arī specifiskas matricas molekulas, piemēram, ankorīnu un CD44 līdzīgus receptorus. Lielākā un vistālāk no hondrocītu bazālās membrānas esošā ECM daļa ir starpteritoriālā matrica, kas satur vislielāko kolagēna fibrilu un proteoglikānu skaitu.

ECM sadalījums nodalījumos pieauguša cilvēka locītavu skrimšļos ir skaidrāk definēts nekā nenobriedušos locītavu skrimšļos. Katra nodalījuma relatīvais lielums atšķiras ne tikai starp locītavām, bet pat viena skrimšļa ietvaros. Katrs hondrocīts veido matricu, kas to ieskauj. Saskaņā ar pētījumiem, nobriedušu skrimšļa audu hondrocīti aktīvi metaboliski kontrolē savas pericelulārās un teritoriālās matricas, un tiem ir mazāka aktīva kontrole pār starpteritoriālo matricu, kas var būt metaboliski "inerta".

Kā jau minēts iepriekš, locītavu skrimslis galvenokārt sastāv no plaša ārējās šūnas maisījuma (ECM), ko sintezē un regulē hondrocīti. Audu makromolekulas un to koncentrācija dzīves laikā mainās atbilstoši mainīgajām funkcionālajām vajadzībām. Tomēr joprojām nav skaidrs, vai šūnas visu matricu sintezē vienlaicīgi vai noteiktās fāzēs atbilstoši fizioloģiskajām vajadzībām. Makromolekulu koncentrācija, vielmaiņas līdzsvars starp tām, to attiecības un mijiedarbība nosaka locītavu skrimšļa bioķīmiskās īpašības un līdz ar to arī funkciju vienas locītavas ietvaros. Pieauguša cilvēka locītavu skrimšļa ECM galvenā sastāvdaļa ir ūdens (65–70% no kopējās masas), kas ir stingri saistīts tajā, pateicoties skrimšļa audu makromolekulu īpašajām fizikālajām īpašībām, kas ir daļa no kolagēna, proteoglikāna un nekolagēna glikoproteīniem.

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

Skrimšļa bioķīmiskais sastāvs

Kolagēna šķiedras sastāv no fibrilārā proteīna kolagēna molekulām. Zīdītājiem kolagēns veido ceturto daļu no visām organisma olbaltumvielām. Kolagēns veido fibrilārus elementus (kolagēna fibrillas), kas sastāv no strukturālām apakšvienībām, ko sauc par tropokolagēnu. Tropokolagēna molekulai ir trīs ķēdes, kas veido trīskāršu spirāli. Šī tropokolagēna molekulas struktūra, tāpat kā kolagēna šķiedras struktūra, kad šīs molekulas atrodas paralēli garenvirzienā ar nemainīgu nobīdi aptuveni 1/4 no garuma, nodrošina augstu elastību un izturību audiem, kuros tās atrodas. Pašlaik ir zināmi 10 ģenētiski atšķirīgi kolagēna veidi, kas atšķiras ar α-ķēžu ķīmisko struktūru un/vai to izvietojumu molekulā. Vislabāk pētītie pirmie četri kolagēna veidi spēj veidot līdz pat 10 molekulārajām izoformām.

Kolagēna fibrillas ir daļa no vairuma saistaudu, tostarp skrimšļu, ekstracelulārās telpas. Nešķīstošajā trīsdimensiju krustojošo kolagēna fibrilu tīklā ir iepinušies citi, šķīstošāki komponenti, piemēram, proteoglikāni, glikoproteīni un audu specifiskie proteīni; tie dažreiz ir kovalenti saistīti ar kolagēna elementiem.

Fibrilās sakārtotas kolagēna molekulas veido aptuveni 50% no skrimšļa organiskā sausā atlikuma (10–20% no dabīgā skrimšļa). Nobriedušos skrimšļos aptuveni 90% kolagēnu ir II tipa kolagēni, kas atrodami tikai dažos audos (piemēram, stiklveida ķermenī, embrionālajā muguras smadzenēs). II tipa kolagēns pieder pie I klases (fibrilas veidojošajām) kolagēna molekulām. Papildus tam nobrieduša cilvēka locītavu skrimšļi satur arī IX, XI tipa un nelielu daudzumu VI tipa kolagēna. IX tipa kolagēna šķiedru relatīvais daudzums kolagēna fibrilās samazinās no 15% augļa skrimšļos līdz aptuveni 1% nobrieduša liellopa skrimšļos.

I tipa kolagēna molekulas sastāv no trim identiskām polipeptīdu α, (II)-ķēdēm, kas tiek sintezētas un sekretētas kā prokolagēna prekursors. Kad gatavās kolagēna molekulas tiek atbrīvotas ārpusšūnu telpā, tās veido fibrillas. Nobriedušā locītavu skrimšļos II tipa kolagēns veido fibrilāras arkādes, kurās "biezākās" molekulas atrodas audu dziļākajos slāņos, bet "plānākās" - horizontāli virspusējos slāņos.

Prokolagēna II tipa gēnā ir atrasts eksons, kas kodē cisteīnam bagātu N-terminālu propeptīdu. Šis eksons netiek ekspresēts nobriedušos skrimšļos, bet gan agrīnās attīstības stadijās (prehondroģenēze). Šī eksona klātbūtnes dēļ prokolagēna II tipa molekula (IIA tips) ir garāka nekā II tipa kolagēns. Iespējams, šāda veida prokolagēna ekspresija kavē elementu uzkrāšanos locītavu skrimšļa ECM. Tam var būt noteikta loma skrimšļa patoloģiju attīstībā (piemēram, nepietiekama reparatīvā reakcija, osteofītu veidošanās utt.).

II tipa kolagēna fibrilu tīkls nodrošina stiepšanās pretestības funkciju un ir nepieciešams audu apjoma un formas saglabāšanai. Šo funkciju pastiprina kovalentās un šķērssaites starp kolagēna molekulām. ECM enzīms liziloksidāze no hidroksilizīna veido aldehīdu, kas pēc tam tiek pārveidots par daudzvērtīgu aminoskābi hidroksilizilpiridinolīnu, kas veido šķērssaites starp ķēdēm. No vienas puses, šīs aminoskābes koncentrācija palielinās līdz ar vecumu, bet nobriedušos skrimšļos tā praktiski nemainās. No otras puses, locītavu skrimšļos līdz ar vecumu tiek konstatēta dažādu veidu šķērssaišu koncentrācijas palielināšanās, kas veidojas bez enzīmu līdzdalības.

Apmēram 10% no kopējā kolagēnu daudzuma skrimšļa audos ir tā sauktie minorie kolagēni, kas lielā mērā nosaka šo audu unikālo funkciju. IX tipa kolagēns pieder pie III klases īsās spirāles molekulām un unikālas FACIT kolagēnu grupas (fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices). Tas sastāv no trim ģenētiski atšķirīgām ķēdēm. Viena no tām, _a2 ķēde, tiek glikozilēta vienlaikus ar hondroitīna sulfātu, kas padara šo molekulu par proteoglikānu. Starp IX tipa kolagēna un II tipa kolagēna spirālveida segmentiem ir gan nobriedušas, gan nenobriedušas hidroksipiridīna šķērssaites. IX kolagēns var darboties arī kā starpmolekulārs-starpfibrilārs "savienotājs" (vai tilts) starp blakus esošajām kolagēna fibrilām. IX kolagēna molekulas veido šķērssaites viena ar otru, kas palielina fibrilārā trīsdimensiju tīkla mehānisko stabilitāti un aizsargā to no enzīmu iedarbības. Tās nodrošina arī izturību pret deformāciju, ierobežojot tīkla iekšpusē esošo proteoglikānu pietūkumu. Papildus anjonu CS ķēdei kolagēna IX molekula satur katjonu domēnu, kas piešķir fibrilai lielu lādiņu un tendenci mijiedarboties ar citām matricas makromolekulām.

XI tipa kolagēns veido tikai 2–3% no kopējās kolagēna masas. Tas pieder pie I klases (fibrilas veidojošajiem) kolagēniem un sastāv no trim dažādām α-ķēdēm. Kopā ar II un IX tipa kolagēnu XI tipa kolagēns veido locītavu skrimšļa heterotipiskās fibrillas. Izmantojot imūnelektromikroskopiju, II tipa kolagēna fibrillās ir atklātas XI tipa kolagēna molekulas. Tās, iespējams, organizē II tipa kolagēna molekulas, kontrolējot fibrilu sānu augšanu un nosakot heterotipiskās kolagēna fibrillas diametru. Turklāt XI kolagēns ir iesaistīts šķērssaišu veidošanā, bet pat nobriedušos skrimšļos šķērssaites saglabājas nenobriedušu divvērtīgu ketoamīnu veidā.

Neliels daudzums VI tipa kolagēna, kas ir vēl viens III klases īsspirāles molekulu pārstāvis, ir atrodams locītavu skrimšļos. VI tipa kolagēns veido dažādas mikrofibrillas un, iespējams, ir koncentrēts hondrona kapsulas matricā.

Proteoglikāni ir olbaltumvielas, kurām kovalenti ir pievienota vismaz viena glikozaminoglikāna ķēde. Proteoglikāni ir vienas no sarežģītākajām bioloģiskajām makromolekulām. Proteoglikāni visbiežāk ir sastopami skrimšļu ārējās membrānas (ECM) šūnās. "Sapinušies" kolagēna fibrilu tīklā, hidrofilie proteoglikāni veic savu galveno funkciju – tie piešķir skrimšļiem spēju atgriezeniski deformēties. Tiek pieņemts, ka proteoglikāni veic arī vairākas citas funkcijas, kuru būtība nav pilnībā skaidra.

Agrekāns ir locītavu skrimšļa galvenais proteoglikāns, kas veido aptuveni 90% no kopējās proteoglikānu masas audos. Tā 230 kD kodolproteīns ir glikozilēts ar vairākām kovalenti saistītām glikozaminoglikānu ķēdēm un N-terminālajiem un C-terminālajiem oligosaharīdiem.

Locītavu skrimšļa glikozaminoglikāna ķēdes, kas veido aptuveni 90% no kopējās makromolekulu masas, ir keratāna sulfāts (sulfāta disaharīda N-acetilglikozaminolaktozes secība ar vairākām sulfācijas vietām un citiem monosaharīdu atlikumiem, piemēram, siālskābi) un hondroitīna sulfāts (disaharīda N-acetilgalaktozamīna glikuronskābes secība ar sulfāta esteri, kas pievienots katram ceturtajam vai sestajam N-acetilgalaktozamīna oglekļa atomam).

Agrekāna kodolproteīns satur trīs globulārus (G1, G2, G3) un divus starpglobulārus (E1 un E2) domēnus. N-terminālajā reģionā ir G1 un G2 domēni, ko atdala 21 nm garš E1 segments. C3 domēns, kas atrodas C-terminālajā reģionā, ir atdalīts no G2 _ar garāku (apmēram 260 nm) E2 segmentu, kurā ir vairāk nekā 100 hondroitīna sulfātu ķēdes, aptuveni 15–25 keratīna sulfātu ķēdes un O-saistīti oligosaharīdi. N-saistīti oligosaharīdi galvenokārt atrodas G1 un C2 domēnos un E1 segmentā, kā arī G3 _reģiona tuvumā. Glikozaminoglikāni ir grupēti divos reģionos: garākajā (tā sauktajā hondroitīna sulfāta bagātajā reģionā) ir hondroitīna sulfāta ķēdes un aptuveni 50% keratāna sulfāta ķēžu. Keratāna sulfāta bagātais reģions atrodas E2 segmentā _netālu no G1 domēna un atrodas pirms hondroitīna sulfāta bagātā reģiona. Aggrekāna molekulas satur arī fosfātu esterus, kas galvenokārt atrodas uz ksilozes atlikumiem, kas piestiprina hondroitīna sulfāta ķēdes pie kodolproteīna; tie ir atrodami arī uz kodolproteīna serīna atlikumiem.

_{C3 domēna} C-terminālais segments ir ļoti homologs ar lektīnu, ļaujot proteoglikāna molekulām fiksēties ECM, saistoties ar noteiktām ogļhidrātu struktūrām.

Jaunākie pētījumi ir identificējuši eksonu, kas kodē EGF līdzīgu apakšdomēnu G3 ietvaros _. Izmantojot anti-EGF poliklonālas antivielas, EGF līdzīgais epitops tika lokalizēts 68 kD peptīdā cilvēka locītavu skrimšļa agrekānā. Tomēr tā funkcija vēl nav noskaidrota. Šis apakšdomēns ir atrodams arī adhēzijas molekulās, kas kontrolē limfocītu migrāciju. Tikai aptuveni trešdaļa agrekāna molekulu, kas izolētas no nobrieduša cilvēka locītavu skrimšļa, satur neskartu C3 _domēnu; tas, iespējams, ir tāpēc, ka agrekāna molekulas var tikt fermentatīvi samazinātas ECM. Sašķelto fragmentu liktenis un funkcija nav zināma.

Agrekāna molekulas galvenais funkcionālais segments ir glikozaminoglikānu saturošais E2 _segments. Šajā reģionā, kas bagāts ar keratāna sulfātiem, ir aminoskābes prolīns, serīns un treonīns. Lielākā daļa serīna un treonīna atlikumu ir O-glikozilēti ar N-acetilgalaktozamīna atlikumiem; tie ierosina noteiktu oligosaharīdu sintēzi, kas tiek iekļauti keratāna sulfāta ķēdēs, tādējādi tās pagarinot. Pārējā E2 segmenta daļa _satur vairāk nekā 100 serīna-glicīna sekvences, kurās serīns nodrošina piesaisti ksilozila atlikumiem hondroitīna sulfāta ķēžu sākumā. Parasti gan hondroitīna-6-sulfāts, gan hondroitīna-4-sulfāts vienlaikus pastāv vienā proteoglikāna molekulā, to attiecība mainās atkarībā no skrimšļa audu lokalizācijas un cilvēka vecuma.

Cilvēka locītavu skrimšļa matricē esošo agrekāna molekulu struktūra nobriešanas un novecošanās laikā piedzīvo vairākas izmaiņas. Ar novecošanos saistītās izmaiņas ietver hidrodinamiskā izmēra samazināšanos hondroitīna sulfāta ķēžu vidējā garuma izmaiņu dēļ un keratāna sulfāta ķēžu skaita un garuma palielināšanos. Vairākas izmaiņas agrekāna molekulā izraisa arī proteolītisko enzīmu (piemēram, agrekanāzes un stromelesīna) iedarbība uz kodolproteīnu. Tas izraisa pakāpenisku agrekāna molekulas kodolproteīna vidējā garuma samazināšanos.

Agrekāna molekulas sintezē hondrocīti un izdala tās ārējās membrānas masā (ECM), kur tās veido agregātus, ko stabilizē linkera olbaltumvielu molekulas. Šī agregācija ietver ļoti specifiskas nekovalentas un kooperatīvas mijiedarbības starp glikuronskābes virkni un gandrīz 200 agrekāna un linkera olbaltumvielu molekulām. Glikuronskābe ir ekstracelulārs, nesulfēts, augstas molekulmasas lineārs glikozaminoglikāns, kas sastāv no vairākām secīgi saistītām N-acetilglikozamīna un glikuronskābes molekulām. Agrekāna G1 domēna pāru cilpas atgriezeniski mijiedarbojas ar pieciem secīgi izvietotiem hialuronskābes disaharīdiem. Linkera olbaltumviela, kas satur līdzīgas (ļoti homologas) pāru cilpas, mijiedarbojas ar C1 domēnu un hialuronskābes molekulu un stabilizē agregāta struktūru. C1 domēna - hialuronskābes - saistošā proteīna komplekss veido ļoti stabilu mijiedarbību, kas aizsargā G1 domēnu un saistošo olbaltumvielu no proteolītisko enzīmu darbības. Ir identificētas divas saistošā proteīna molekulas ar molekulmasu 40-50 kDa; tās atšķiras viena no otras ar glikozilēšanas pakāpi. Hialuronskābes un agrekāna saites vietā atrodas tikai viena saistošā proteīna molekula. Trešā, mazākā, saistošā proteīna molekula veidojas no lielākām molekulām proteolītiskās šķelšanās ceļā.

Apmēram 200 agrekāna molekulas var saistīties ar vienu hialuronskābes molekulu, veidojot 8 μm garu agregātu. Ar šūnām saistītajā matricā, kas sastāv no pericelulāriem un teritoriāliem nodalījumiem, agregāti saglabā savu saistību ar šūnām, saistoties (izmantojot hialuronskābes pavedienu) ar CD44 līdzīgiem receptoriem uz šūnas membrānas.

Agregātu veidošanās ārējās šūnas matricā (ECM) ir sarežģīts process. Jaunsintezētām agrekāna molekulām ne uzreiz piemīt spēja saistīties ar hialuronskābi. Tas varētu kalpot kā regulējošs mehānisms, kas ļauj jaunsintezētām molekulām sasniegt matricas starpteritoriālo zonu, pirms tās tiek imobilizētas lielos agregātos. Jaunsintezēto agrekāna molekulu un saistošo olbaltumvielu skaits, kas spēj veidot agregātus, mijiedarbojoties ar hialuronskābi, ievērojami samazinās līdz ar vecumu. Turklāt no cilvēka locītavu skrimšļiem izolēto agregātu izmērs ievērojami samazinās līdz ar vecumu. Tas daļēji ir saistīts ar hialuronskābes molekulu un agrekāna molekulu vidējā garuma samazināšanos.

Locītavu skrimšļos ir konstatēti divu veidu agregāti. Pirmā veida agregātu vidējais izmērs ir 60 S, savukārt otrā veida (strauji nogulsnējošo "superagregātu") izmērs ir 120 S. Pēdējam raksturīgs saistošā proteīna molekulu pārpilnība. Šo superagregātu klātbūtnei var būt liela nozīme audu funkcionēšanā; audu atjaunošanās laikā pēc ekstremitāšu imobilizācijas to lielāka koncentrācija ir atrodama locītavu skrimšļa vidējos slāņos, savukārt osteoartrīta skartā locītavā to izmēri slimības sākumposmā ir ievērojami samazināti.

Papildus agrekānam locītavu skrimslis satur vairākus mazākus proteoglikānus. Biglikānam un dekorīnam, molekulām, kas pārnēsā dermatāna sulfātus, ir molekulmasas attiecīgi aptuveni 100 un 70 kDa; to kodolproteīna masa ir aptuveni 30 kDa.

Cilvēka locītavu skrimšļos biglikāna molekula satur divas dermatāna sulfāta ķēdes, savukārt biežāk sastopamais dekorīns satur tikai vienu. Šīs molekulas veido tikai nelielu daļu no locītavu skrimšļa proteoglikāniem, lai gan to skaits var būt tikpat liels kā lielu agregētu proteoglikānu skaits. Mazie proteoglikāni mijiedarbojas ar citām ECM makromolekulām, tostarp kolagēna fibrillām, fibronektīnu, augšanas faktoriem utt. Dekorīns galvenokārt lokalizējas kolagēna fibrilu virsmā un kavē kolagēna fibriloģenēzi. Galvenais proteīns ir cieši saistīts ar fibronektīna šūnu saistīšanās domēnu, tādējādi, iespējams, novēršot pēdējam saistīšanos ar šūnu virsmas receptoriem (integrīniem). Tā kā gan dekorīns, gan biglikāns saistās ar fibronektīnu un kavē šūnu adhēziju un migrāciju, kā arī trombu veidošanos, tie spēj kavēt audu atjaunošanās procesus.

Locītavu skrimšļa fibromodulīns ir proteoglikāns ar molekulmasu 50–65 kD, kas saistīts ar kolagēna fibrillām. Tā kodolproteīns, kas ir homologs dekorīna un biglikāna kodolproteīniem, satur lielu skaitu tirozīna sulfāta atlikumu. Šī glikozilētā fibromodulīna forma (agrāk saukta par 59 kD matricas proteīnu) var piedalīties kolagēna fibrilu veidošanās un struktūras uzturēšanas regulēšanā. Fibromodulīns un dekorīns atrodas kolagēna fibrilu virsmā. Tādējādi, kā norādīts iepriekš, fibrilu diametra palielināšanās jāveic pēc šo proteoglikānu (kā arī IX tipa kolagēna molekulu) selektīvas atdalīšanas.

Locītavu skrimšļos ECM (ārzemes šūnas membrānas masa) ir vairāki proteīni, kas nav ne proteoglikāni, ne kolagēni. Tie mijiedarbojas ar citām makromolekulām, veidojot tīklu, kas ietver lielāko daļu ECM molekulu.

Ankorīns, 34 kD proteīns, lokalizējas hondrocītu virsmā un šūnu membrānā, nodrošinot mijiedarbību starp šūnu un matricu. Pateicoties tā augstajai afinitātei pret II tipa kolagēnu, tas var darboties kā mehānoreceptors, pārraidot signālu par mainīto spiedienu uz fibrillu uz hondrocītiem.

Fibronektīns ir vairuma skrimšļaudu sastāvdaļa un nedaudz atšķiras no plazmas fibronektīna. Tiek uzskatīts, ka fibronektīns veicina matricas integrāciju, mijiedarbojoties ar šūnu membrānām un citiem matricas komponentiem, piemēram, II tipa kolagēnu un trombospondīnu. Fibronektīna fragmentiem ir negatīva ietekme uz hondrocītu metabolismu: tie kavē aggrekāna sintēzi un stimulē kataboliskos procesus. Osteoartrīta pacientu locītavu šķidrumā ir konstatēta augsta fibronektīna fragmentu koncentrācija, tāpēc tie var piedalīties slimības patoģenēzē vēlīnās stadijās. Citu matricas molekulu fragmentiem, kas saistās ar hondrocītu receptoriem, visticamāk, ir līdzīga ietekme.

Skrimšļa oligomēriskais matricas proteīns (OMPC), kas pieder pie trombospondīnu superģimenes, ir pentamērs ar piecām identiskām apakšvienībām ar molekulmasu aptuveni 83 kDa. Tie ir atrodami lielos daudzumos locītavu skrimšļos, īpaši proliferējošo šūnu slānī augošos audos. Tāpēc ir iespējams, ka OMPC ir iesaistīts šūnu augšanas regulēšanā. Tie ir atrodami daudz mazākās koncentrācijās nobriedušu locītavu skrimšļu ārējās membrānas (ECM). Matricas proteīni ietver arī:

• bāziskā matricas olbaltumviela (36 kDa), kurai ir augsta afinitāte pret hondrocītiem, var mediēt šūnu-šūnu mijiedarbību ECM, piemēram, audu remodelācijas laikā;
• GP-39 (39 kDa) tiek ekspresēts locītavu skrimšļa virsējā slānī un sinoviālajā membrānā (tā funkcijas nav zināmas);
• 21 kD proteīnu sintezē hipertrofēti hondrocīti, tas mijiedarbojas ar X tipa kolagēnu un var darboties "viļņotās līnijas" zonā.

Turklāt ir skaidrs, ka hondrocīti noteiktos skrimšļa attīstības posmos un patoloģiskos apstākļos ekspresē mazu, neagregētu proteoglikānu neglikozilētas formas, taču to specifiskā funkcija pašlaik tiek pētīta.

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

Locītavu skrimšļa funkcionālās īpašības

Agrekāna molekulas nodrošina locītavu skrimšļiem spēju atgriezeniski deformēties. Tās demonstrē specifisku mijiedarbību ekstracelulārajā telpā un neapšaubāmi spēlē svarīgu lomu ārējās membrānas (ECM) organizācijā, struktūrā un funkcijā. Skrimšļa audos agrekāna molekulu koncentrācija sasniedz 100 mg/ml. Skrimšļos agrekāna molekulas tiek saspiestas līdz 20% no tilpuma, ko tās aizņem šķīdumā. Trīsdimensiju tīkls, ko veido kolagēna fibrillas, piešķir audiem raksturīgo formu un novērš proteoglikānu tilpuma palielināšanos. Kolagēna tīklā nekustīgie proteoglikāni nes lielu negatīvu elektrisko lādiņu (tie satur lielu skaitu anjonu grupu), kas ļauj tiem mijiedarboties ar intersticiālā šķidruma kustīgajām katjonu grupām. Mijiedarbojoties ar ūdeni, proteoglikāni rada tā saukto pietūkuma spiedienu, ko kompensē kolagēna tīkls.

Ūdens klātbūtne ECM ir ļoti svarīga. Ūdens nosaka audu tilpumu; saistīts ar proteoglikāniem, tas nodrošina izturību pret saspiešanu. Turklāt ūdens nodrošina molekulu transportēšanu un difūziju ECM. Augsts negatīvā lādiņa blīvums uz lieliem proteoglikāniem, kas fiksēti audos, rada "izslēgtā tilpuma efektu". Intrakoncentrēta proteoglikānu šķīduma poru izmērs ir tik mazs, ka lielu globulāru olbaltumvielu difūzija audos ir ievērojami ierobežota. ECM atgrūž mazus negatīvi lādētus proteīnus (piemēram, hlorīda jonus) un lielus proteīnus (piemēram, albumīnu un imūnglobulīnus). Šūnu izmērs blīvajā kolagēna fibrilu un proteoglikānu tīklā ir salīdzināms tikai ar dažu neorganisku molekulu izmēru (piemēram, nātrija un kālija, bet ne kalcija).

ECM kolagēna fibrillās atrodas zināms daudzums ūdens. Ekstrafibrilārā telpa nosaka skrimšļa fizikāli ķīmiskās un biomehāniskās īpašības. Ūdens saturs intrafibrilārajā telpā ir atkarīgs no proteoglikānu koncentrācijas ekstrafibrilārajā telpā un palielinās, samazinoties pēdējo koncentrācijai.

Fiksētais negatīvais lādiņš uz proteoglikāniem nosaka ekstracelulārās vides jonu sastāvu, kas satur brīvos katjonus augstā koncentrācijā un brīvos anjonus zemā koncentrācijā. Palielinoties agrekāna molekulu koncentrācijai no skrimšļa virspusējās zonas uz dziļo zonu, mainās audu jonu vide. Neorganisko jonu koncentrācija ārpusšūnu matricā (ECM) rada augstu osmotisko spiedienu.

Skrimšļa materiālās īpašības ir atkarīgas no kolagēna fibrilu, proteoglikānu un audu šķidrās fāzes mijiedarbības. Strukturālās un sastāva izmaiņas, kas saistītas ar neatbilstību starp sintēzes un katabolisma procesiem, makromolekulu degradāciju un fiziskām traumām, būtiski ietekmē skrimšļa materiālās īpašības un maina tā funkciju. Tā kā kolagēnu un proteoglikānu koncentrācija, sadalījums un makromolekulārā organizācija mainās atkarībā no skrimšļa zonas dziļuma, katras zonas biomehāniskās īpašības atšķiras. Piemēram, virspusējai zonai ar augstu kolagēna koncentrāciju, tangenciāli izvietotām fibrilām un relatīvi zemu proteoglikānu koncentrāciju ir visizteiktākās īpašības pretoties stiepšanai, vienmērīgi sadalot slodzi pa visu audu virsmu. Pārejas un dziļajās zonās augstā proteoglikānu koncentrācija piešķir audiem īpašību izturēt saspiešanas slodzi. "Viļņotās līnijas" līmenī skrimšļa materiālās īpašības strauji mainās no lokanās nekalcificētās zonas līdz stingrākam mineralizētam skrimšlim. "Viļņotās līnijas" reģionā audu izturību nodrošina kolagēna tīkls. Zemāk esošās skrimšļa daļas nešķērso kolagēna fibrillas; osteohondrālā savienojuma vietā audu izturību nodrošina īpašie robežas kontūri starp nekalcificēto un kalcificēto skrimšļa zonu neregulāru pirkstveida izaugumu veidā, kas "aizver" abus slāņus un novērš to atdalīšanos. Kalcificētais skrimslis ir mazāk blīvs nekā subhondrālais kauls, tādējādi tas darbojas kā starpslānis, kas mīkstina skrimšļa spiedes slodzi un pārnes to uz subhondrālo kaulu.

Slodzes laikā notiek sarežģīts trīs spēku sadalījums - pagarinājums, bīde un saspiešana. Locītavas matrica deformējas ūdens (kā arī šūnu metabolisma produktu) izspiešanas dēļ no slodzes zonas, palielinās jonu koncentrācija intersticiālajā šķidrumā. Ūdens kustība ir tieši atkarīga no pielietotās slodzes ilguma un spēka, un to aizkavē proteoglikānu negatīvais lādiņš. Audu deformācijas laikā proteoglikāni tiek ciešāk saspiesti viens pret otru, tādējādi efektīvi palielinot negatīvā lādiņa blīvumu, un starpmolekulārie spēki, kas atgrūž negatīvo lādiņu, savukārt palielina audu pretestību turpmākai deformācijai. Galu galā deformācija sasniedz līdzsvaru, kurā ārējos slodzes spēkus līdzsvaro iekšējie pretestības spēki - pietūkuma spiediens (proteoglikānu mijiedarbība ar joniem) un mehāniskais spriegums (proteoglikānu un kolagēnu mijiedarbība). Kad slodze tiek noņemta, skrimšļa audi iegūst sākotnējo formu, absorbējot ūdeni kopā ar barības vielām. Sākotnējā (pirms slodzes) audu forma tiek sasniegta, kad proteoglikānu pietūkuma spiedienu līdzsvaro kolagēna tīkla pretestība to izplatībai.

Locītavu skrimšļa biomehāniskās īpašības balstās uz audu strukturālo integritāti – cietā fāze ir kolagēna-proteoglikāna sastāvs, bet šķidrā fāze – ūdens un izšķīdušie joni. Bez slodzes locītavu skrimšļa hidrostatiskais spiediens ir aptuveni 1–2 atm. Šis hidrostatiskais spiediens in vivo var palielināties līdz 100–200 atm milisekundē stāvot un līdz 40–50 atm staigājot. In vitro pētījumi ir parādījuši, ka hidrostatiskais spiediens 50–150 atm (fizioloģisks) īsā laika periodā izraisa mērenu skrimšļa anabolisma palielināšanos, un 2 stundu laikā tas noved pie skrimšļa šķidruma zuduma, bet neizraisa nekādas citas izmaiņas. Jautājums par to, cik ātri hondrocīti in vivo reaģē uz šāda veida slodzi, joprojām nav atrisināts.

Izraisītā hidratācijas samazināšanās ar sekojošu proteoglikāna koncentrācijas palielināšanos noved pie pozitīvi lādētu jonu, piemēram, H ⁺ un Na ⁺, pievilkšanās. Tas noved pie izmaiņām ārējās šūnas (ECM) un hondrocītu kopējā jonu sastāvā un pH līmenī. Ilgstoša fiziskā slodze izraisa pH samazināšanos un vienlaikus proteoglikāna sintēzes samazināšanos hondrocītos. Iespējams, ka ārpusšūnu jonu vides ietekme uz sintēzes procesiem ir daļēji saistīta arī ar tās ietekmi uz ECM sastāvu. Jaunsintezētas agrekāna molekulas vāji skābā vidē nobriest agregātu formās vēlāk nekā normālos apstākļos. Visticamāk, ka pH samazināšanās ap hondrocītiem (piemēram, fiziskās slodzes laikā) ļauj vairāk jaunsintezētām agrekāna molekulām sasniegt starpteritoriālo matricu.

Kad slodze tiek noņemta, ūdens atgriežas no sinoviālā dobuma, pārnēsājot barības vielas šūnām. Osteoartrīta skartajos skrimšļos proteoglikānu koncentrācija ir samazināta, tāpēc slodzes laikā ūdens pārvietojas ne tikai vertikāli sinoviālā dobumā, bet arī citos virzienos, tādējādi samazinot hondrocītu uzturu.

Imobilizācija vai viegla slodze izraisa ievērojamu skrimšļa sintēzes un proteoglikāna satura samazināšanos, savukārt palielināta dinamiskā slodze izraisa mērenu proteoglikāna sintēzes un satura palielināšanos. Intensīva fiziskā slodze (20 km/dienā 15 nedēļas) suņiem izraisīja proteoglikāna satura izmaiņas, īpaši strauju to koncentrācijas samazināšanos virspusējā zonā. Notika zināma atgriezeniska skrimšļa mīkstināšanās un subhondrāla kaula remodelācija. Tomēr smaga statiska slodze izraisīja skrimšļa bojājumus un sekojošu deģenerāciju. Turklāt ECM aggrekāna zudums ierosina osteoartrītam raksturīgās patoloģiskās izmaiņas. Agrekāna zudums izraisa ūdens piesaisti un nelielā atlikušā proteoglikāna daudzuma pietūkumu. Šī aggrekāna izšķīšana veicina lokālā fiksētā lādiņa blīvuma samazināšanos un galu galā noved pie osmolaritātes izmaiņām.