Osteoarthritis: hogyan szerveződik az ízületi porc?

A normál ízületi porc két fő funkciót lát el: elnyeli a nyomást deformáció révén mechanikai terhelés során, és biztosítja az ízületi felszínek simaságát, ami lehetővé teszi a súrlódás minimalizálását az ízületi mozgások során. Ezt az ízületi porc egyedi szerkezete biztosítja, amely az extracelluláris mátrixba (ECM) merülő kondroitinekből áll.

A normális felnőtt ízületi porc több rétegre vagy zónára osztható: a felületes vagy tangenciális zónára, az átmeneti zónára, a mély vagy radiális zónára és az elmeszesedett zónára. A felületes és az átmeneti zónák, és különösen az átmeneti és a mély zónák közötti rétegnek nincsenek egyértelmű határai. A nem elmeszesedett és az elmeszesedett ízületi porc közötti találkozási pontot "hullámos határnak" nevezik - egy vonal, amely a dekalcifikált szövet festésekor látható. A porc elmeszesedett zónája a teljes porc keresztmetszeti magasságának viszonylag állandó arányát (6-8%) teszi ki. Az ízületi porc teljes vastagsága, beleértve az elmeszesedett porczónát is, az ízületi felszín egy adott területére nehezedő terheléstől és az ízület típusától függően változik. A porc alatti csontban uralkodó időszakos hidrosztatikai nyomás fontos szerepet játszik a porc normál szerkezetének fenntartásában azáltal, hogy lassítja a csontosodást.

A porcsejtek a teljes szövettömeg körülbelül 2-3%-át teszik ki; a felszíni (tangenciális) zónában a porcfelület mentén, a mély (radiális) zónában pedig arra merőlegesen helyezkednek el; az átmeneti zónában a porcsejtek 2-4 sejtből álló csoportokat alkotnak, amelyek szétszórva vannak a mátrixban. Az ízületi porc zónájától függően a porcsejtek sűrűsége változik - a legnagyobb sejtsűrűség a felszíni zónában, a legalacsonyabb a meszes zónában van. Ezenkívül a sejtek eloszlásának sűrűsége ízületenként változik, fordítottan arányos a porc vastagságával és a megfelelő terület terhelésével.

A legfelszínesebben elhelyezkedő porcsejtek korong alakúak, és több sejtréteget alkotnak a tangenciális zónában, amely egy keskeny mátrixcsík alatt helyezkedik el; ennek a zónának a mélyebben elhelyezkedő sejtjei általában egyenetlenebb kontúrokkal rendelkeznek. Az átmeneti zónában a porcsejtek gömb alakúak, néha kis csoportokba egyesülnek, szétszórva a mátrixban. A mély zóna porcsejtjei túlnyomórészt ellipszoid alakúak, 2-6 sejtből álló sugárirányban elhelyezkedő láncokba csoportosulnak. A meszes zónában még ritkábban oszlanak el; némelyikük nekrotikus, bár a legtöbb életképes. A sejteket nem meszes mátrix veszi körül, a sejtek közötti tér meszes.

Így az emberi ízületi porc hidratált ECM-ből és az abban elmerülő sejtekből áll, amelyek a teljes szövettérfogat 2-3%-át teszik ki. Mivel a porcszövetnek nincsenek vér- vagy nyirokerei, a sejtek közötti kölcsönhatás, a tápanyagok eljuttatása hozzájuk és az anyagcsere-termékek eltávolítása az ECM-en keresztüli diffúzióval történik. Annak ellenére, hogy a porcsejtek metabolikusan nagyon aktívak, felnőttekben normális esetben nem osztódnak. A porcsejtek oxigénmentes környezetben léteznek, és anyagcseréjükről úgy tartják, hogy túlnyomórészt anaerob.

Minden egyes porcsejtet a porc különálló anyagcsere-egységének tekintünk, amely elkülönül a szomszédos sejtektől, de felelős az ECM-elemek termeléséért a donorsejt közvetlen közelében és összetételének fenntartásáért.

Az ECM három részre oszlik, amelyek mindegyike egyedi morfológiai szerkezettel és specifikus biokémiai összetétellel rendelkezik. A kondrocita alapmembránjához közvetlenül kapcsolódó ECM-et pericelluláris vagy lakunáris mátrixnak nevezik. Jellemzője a sejthez a hialuronsav és a CD44-szerű receptorok kölcsönhatása révén kapcsolódó proteoglikán-aggregátumok magas tartalma, valamint a szervezett kollagénfibrillák relatív hiánya. A pericelluláris mátrixhoz közvetlenül kapcsolódóan található a territoriális vagy kapszuláris mátrix, amely metsző fibrilláris kollagének hálózatából áll, amelyek az egyes sejteket vagy (néha) sejtcsoportokat körülveszik, kondront alkotva, és valószínűleg speciális mechanikai támaszt nyújt a sejteknek. A porcsejtek és a kapszuláris mátrix közötti kapcsolat számos, mikrofilamentumokban gazdag citoplazmatikus folyamaton, valamint specifikus mátrixmolekulákon, például ankorinon és CD44-szerű receptorokon keresztül valósul meg. Az ECM legnagyobb és a kondrocita alapmembrántól legtávolabbi szakasza az interterritoriális mátrix, amely a legnagyobb számú kollagénfibrillát és proteoglikánt tartalmazza.

Az ECM rekeszekre való felosztása a felnőtt ízületi porcban világosabban definiálódik, mint az éretlen ízületi porcban. Az egyes rekeszek relatív mérete nemcsak az ízületek között, hanem ugyanazon a porcon belül is változik. Minden porcsejt egy mátrixot hoz létre, amely körülveszi. Kutatások szerint az érett porcszövet porcsejtjei aktív metabolikus kontrollt gyakorolnak a pericelluláris és territoriális mátrixuk felett, és kevésbé aktív kontrollt gyakorolnak az interterritoriális mátrix felett, amely metabolikusan „inert” lehet.

Amint azt korábban említettük, az ízületi porc főként kiterjedt ECM-ből áll, amelyet a porcsejtek szintetizálnak és szabályoznak. A szöveti makromolekulák és koncentrációjuk az élet során a változó funkcionális igényeknek megfelelően változik. Azonban továbbra sem világos, hogy a sejtek a teljes mátrixot egyszerre vagy bizonyos fázisokban szintetizálják-e a fiziológiai igényeknek megfelelően. A makromolekulák koncentrációja, a köztük lévő metabolikus egyensúly, kapcsolataik és kölcsönhatásaik határozzák meg az ízületi porc biokémiai tulajdonságait és ezáltal a funkcióját egyetlen ízületen belül. A felnőtt ízületi porc ECM-jének fő összetevője a víz (a teljes tömeg 65-70%-a), amely szilárdan kötődik hozzá a porcszövet makromolekuláinak speciális fizikai tulajdonságai miatt, amelyek a kollagének, proteoglikánok és nem kollagén glikoproteinek részét képezik.

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

A porc biokémiai összetétele

A kollagénrostok a fibrilláris kollagén fehérje molekuláiból állnak. Emlősökben a kollagén a szervezet összes fehérjéjének egynegyedét teszi ki. A kollagén fibrilláris elemeket (kollagén fibrillákat) alkot, amelyek tropokollagénnek nevezett szerkezeti alegységekből állnak. A tropokollagén molekula három láncból áll, amelyek hármas spirált alkotnak. A tropokollagén molekula, valamint a kollagénrost szerkezete akkor alakul ki, amikor ezek a molekulák párhuzamosan helyezkednek el hosszirányban, a hosszuk körülbelül 1/4-ének állandó eltolódásával, és nagy rugalmasságot és szilárdságot biztosítanak azoknak a szöveteknek, amelyekben elhelyezkednek. Jelenleg 10 genetikailag különböző típusú kollagén ismert, amelyek az α-láncok kémiai szerkezetében és/vagy a molekulában való elhelyezkedésükben különböznek egymástól. A legjobban tanulmányozott első négy kollagéntípus akár 10 molekuláris izoforma kialakítására is képes.

A kollagén fibrillák a legtöbb kötőszövet, beleértve a porcot is, extracelluláris terének részét képezik. Az egymást metsző kollagén fibrillák oldhatatlan háromdimenziós hálózatába más, oldhatóbb komponensek is belegabalyodnak, mint például a proteoglikánok, glikoproteinek és szövetspecifikus fehérjék; ezek néha kovalensen kapcsolódnak a kollagén elemekhez.

A fibrillákba szerveződött kollagénmolekulák a porc szerves szárazanyag-tartalmának körülbelül 50%-át teszik ki (a natív porc 10-20%-át). Az érett porcban a kollagének körülbelül 90%-a II-es típusú kollagén, amely csak bizonyos szövetekben található meg (pl. üvegtest, embrionális hátsó velő). A II-es típusú kollagén az I. osztályú (fibrillumképző) kollagénmolekulák közé tartozik. Emellett az érett emberi ízületi porc IX-es, XI-es típusú, és kis mennyiségű VI-os típusú kollagént is tartalmaz. A kollagénfibrillákban a IX-es típusú kollagénrostok relatív mennyisége a magzati porcban található 15%-ról az érett szarvasmarha porcban található körülbelül 1%-ra csökken.

Az I. típusú kollagénmolekulák három azonos polipeptid α, (II)-láncból állnak, amelyeket prekurzor prokollagénként szintetizálnak és választanak ki. Miután a kész kollagénmolekulák a sejten kívüli térbe kerülnek, fibrillákat képeznek. Az érett ízületi porcban a II. típusú kollagén fibrilláris árkádokat alkot, amelyekben a "vastagabb" molekulák a szövet mélyebb rétegeiben, a "vékonyabbak" pedig vízszintesen helyezkednek el a felszíni rétegekben.

A prokollagén II. típusú génjében egy ciszteinben gazdag N-terminális propeptidet kódoló exont találtak. Ez az exon nem az érett porcban, hanem a fejlődés korai szakaszában (prechondrogenesis) expresszálódik. Ennek az exonnak a jelenléte miatt a prokollagén II. típusú molekula (IIA típus) hosszabb, mint a kollagén II. típusú. Valószínűleg az ilyen típusú prokollagén expressziója gátolja az elemek felhalmozódását az ízületi porc ECM-jében. Bizonyos szerepet játszhat a porc patológiájának kialakulásában (pl. elégtelen reparatív válasz, osteophyta képződés stb.).

A II-es típusú kollagénfibrillák hálózata biztosítja a nyújtás ellenállását, és szükséges a szövet térfogatának és alakjának fenntartásához. Ezt a funkciót a kollagénmolekulák közötti kovalens és keresztkötések fokozzák. Az ECM-ben a lizil-oxidáz enzim hidroxilizinből aldehidet képez, amely ezután többértékű aminosavvá, hidroxilizil-piridinolinná alakul, amely keresztkötéseket képez a láncok között. Egyrészt ennek az aminosavnak a koncentrációja az életkorral növekszik, de az érett porcban gyakorlatilag változatlan marad. Másrészt az ízületi porcban az enzimek részvétele nélkül kialakuló különféle keresztkötések koncentrációjának növekedése figyelhető meg az életkorral.

A porcszövetben található összes kollagén körülbelül 10%-át az úgynevezett minor kollagének teszik ki, amelyek nagymértékben meghatározzák e szövet egyedi funkcióját. A IX-es típusú kollagén a III. osztályú rövid hélix molekulák és a FACIT kollagének (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helice) egyedi csoportjába tartozik. Három genetikailag eltérő láncból áll. Az egyik, az _a2 lánc, egyidejűleg glikozilált kondroitin-szulfáttal, ami proteoglikánná teszi ezt a molekulát. A IX-es és a II-es típusú kollagén helikális szegmensei között érett és éretlen hidroxipiridin keresztkötések is találhatók. A IX-es kollagén intermolekuláris-interfibrilláris "összekötőként" (vagy hídként) is funkcionálhat a szomszédos kollagén fibrillumok között. A IX-es kollagén molekulák keresztkötéseket képeznek egymással, ami növeli a fibrilláris háromdimenziós hálózat mechanikai stabilitását és védi azt az enzimek hatásaitól. Emellett deformációállóságot biztosítanak, korlátozva a hálózaton belül található proteoglikánok duzzadását. Az anionos CS lánc mellett a kollagén IX molekula egy kationos domént is tartalmaz, amely nagy töltést kölcsönöz a fibrillumnak, és hajlamosítja azt más mátrix makromolekulákkal való kölcsönhatásra.

A XI. típusú kollagén a teljes kollagéntömeg mindössze 2-3%-át teszi ki. Az I. osztályú (fibrillumképző) kollagénekhez tartozik, és három különböző α-láncból áll. A II. és IX. típusú kollagénnel együtt a XI. típusú kollagén heterotípusos fibrillákat alkot az ízületi porcban. Immunelektromikroszkópiával kimutatták a XI. típusú kollagén molekuláit a II. típusú kollagén fibrillumokban. Valószínűleg ezek szervezik a II. típusú kollagén molekulákat, szabályozzák a fibrillumok laterális növekedését és meghatározzák a heterotípusos kollagén fibrillumok átmérőjét. Ezenkívül a XI. kollagén részt vesz a keresztkötések kialakításában, de még az érett porcban is a keresztkötések éretlen kétértékű ketoaminok formájában maradnak meg.

Kis mennyiségű VI-os típusú kollagén, amely szintén a III. osztályú rövid hélix molekulák tagja, megtalálható az ízületi porcban. A VI-os típusú kollagén különféle mikrofibrillákat alkot, és valószínűleg a porc kapszuláris mátrixában koncentrálódik.

A proteoglikánok olyan fehérjék, amelyekhez legalább egy glükózaminoglikán lánc kovalensen kapcsolódik. A proteoglikánok a legösszetettebb biológiai makromolekulák közé tartoznak. A proteoglikánok a porc extrém mátrixában (ECM) találhatók meg a legnagyobb mennyiségben. A kollagén fibrillák hálózatába "összefonódva" a hidrofil proteoglikánok fő funkciójukat töltik be - a porcnak reverzibilis deformáció képességét kölcsönzik. Feltételezik, hogy a proteoglikánok számos más funkciót is ellátnak, amelyek lényege nem teljesen világos.

Az aggrekán az ízületi porc fő proteoglikánja, a szövet teljes proteoglikán tömegének körülbelül 90%-át teszi ki. 230 kD-os magfehérjéjét több kovalensen kapcsolódó glikozaminoglikán-lánc, valamint N-terminális és C-terminális oligoszacharidok glikozilálják.

Az ízületi porc glükózaminoglikán láncai, amelyek a makromolekulák teljes tömegének körülbelül 90%-át teszik ki, a keratán-szulfát (a szulfatált diszacharid N-acetil-glükózamino-laktóz szekvenciája több szulfatált hellyel és más monoszacharid-maradékokkal, például szialinsavval) és a kondroitin-szulfát (a diszacharid N-acetil-galaktozamin-glükuronsav szekvenciája, amelynek minden negyedik vagy hatodik szénatomjához szulfát-észter kapcsolódik).

Az aggrekán magfehérjéje három globuláris (G1, G2, G3) és két interglobuláris (E1 és E2) domént tartalmaz. Az N-terminális régió tartalmazza a G1 és G2 doméneket, amelyeket az E1 szegmens választ el, amely 21 nm hosszú. A C-terminális régióban található C3 domént egy hosszabb (kb. 260 nm) E2 szegmens választja el a G2-től _, amely több mint 100 kondroitin-szulfát láncot, körülbelül 15-25 keratin-szulfát láncot és O-kötésű oligoszacharidokat hordoz. Az N-kötésű oligoszacharidok főként a G1 és C2 doméneken belül és az E1 szegmensben, valamint a G3 _{régió közelében találhatók. A glikozaminoglikánok két régióra csoportosulnak: a leghosszabb (az úgynevezett kondroitin-szulfátban gazdag régió) kondroitin-szulfát láncokat és körülbelül 50%-ban keratán-szulfát láncokat tartalmaz. A keratán-szulfátban gazdag régió az E2szegmensen} található, a G1 domén közelében, és megelőzi a kondroitin-szulfátban gazdag régiót. Az aggrekán molekulák foszfát-észtereket is tartalmaznak, amelyek elsősorban a xilóz aminosavakon helyezkednek el, amelyek a kondroitin-szulfát láncokat a magfehérjéhez kötik; ezek a magfehérje szerin aminosavain is megtalálhatók.

_{A C3 domén} C-terminális szegmense nagymértékben homológ a lektinnel, lehetővé téve a proteoglikán molekulák rögzítését az ECM-ben bizonyos szénhidrát-szerkezetekhez kötődve.

Újabb tanulmányok azonosítottak egy EGF-szerű aldomént kódoló exont a G3-on belül _. EGF-ellenes poliklonális antitestek segítségével az EGF-szerű epitópot egy 68 kD-os peptiden belül lokalizálták az emberi ízületi porc aggrekánjában. Funkciója azonban még tisztázásra vár. Ez az aldomén a limfociták migrációját szabályozó adhéziós molekulákban is megtalálható. Az érett emberi ízületi porcból izolált aggrekán molekuláknak csak körülbelül egyharmada tartalmaz ép C3 _domént; ez valószínűleg azért van, mert az aggrekán molekulák mérete enzimatikusan csökkenthető az ECM-ben. A hasított fragmensek sorsa és funkciója ismeretlen.

Az aggrekán molekula fő funkcionális szegmense a glikozaminoglikánt tartalmazó E2 _szegmens. A keratán-szulfátokban gazdag régió a prolin, szerint és treonin aminosavakat tartalmazza. A szerin és treonin aminosavak többsége O-glikozilezett N-acetilgalaktózamin aminosavakkal; ezek indítják el bizonyos oligoszacharidok szintézisét, amelyek beépülnek a keratán-szulfát láncokba, ezáltal meghosszabbítva azokat. Az E2 szegmens fennmaradó része _több mint 100 szerin-glicin szekvenciát tartalmaz, amelyekben a szerin a kondroitin-szulfát láncok elején található xilozil aminosavakhoz kapcsolódik. Jellemzően mind a kondroitin-6-szulfát, mind a kondroitin-4-szulfát egyidejűleg létezik ugyanazon proteoglikán molekulán belül, arányuk a porcszövet lokalizációjától és a személy életkorától függően változik.

Az emberi ízületi porc mátrixában található aggrekán molekulák szerkezete számos változáson megy keresztül az érés és az öregedés során. Az öregedéssel összefüggő változások közé tartozik a hidrodinamikai méret csökkenése a kondroitin-szulfát láncok átlagos hosszának változása miatt, valamint a keratán-szulfát láncok számának és hosszának növekedése. Az aggrekán molekula számos változását a proteolitikus enzimek (pl. aggrekanáz és stromelesin) a magfehérjére gyakorolt hatása is okozza. Ez az aggrekán molekula magfehérjéjének átlagos hosszának fokozatos csökkenését eredményezi.

Az aggrekán molekulákat a porcsejtek szintetizálják, majd az ECM-be szekretálják, ahol aggregátumokat képeznek, amelyeket linkerfehérje-molekulák stabilizálnak. Ez az aggregáció nagymértékben specifikus, nem kovalens és kooperatív kölcsönhatásokat foglal magában egy glükuronsav-szál és közel 200 aggrekán és linkerfehérje-molekula között. A glükuronsav egy extracelluláris, nem szulfatált, nagy molekulatömegű lineáris glükózaminoglikán, amely több, egymás után kapcsolódó N-acetilglükózamin- és glükuronsav-molekulából áll. Az aggrekán G1 doménjének párosított hurkai reverzibilisen kölcsönhatásba lépnek öt, egymás után elhelyezkedő hialuronsav-diszachariddal. A hasonló (nagymértékben homológ) párosított hurokokat tartalmazó linkerfehérje kölcsönhatásba lép a C1 doménnel és a hialuronsav-molekulával, és stabilizálja az aggregátum szerkezetét. A C1 domén - hialuronsav - kötőfehérje komplex egy nagymértékben stabil kölcsönhatást képez, amely megvédi a G1 domént és a kötőfehérjét a proteolitikus enzimek hatásától. A kötőfehérje két, 40-50 kDa molekulatömegű molekuláját azonosították; ezek a glikoziláció mértékében különböznek egymástól. A hialuronsav-aggrekán kötés helyén a kötőfehérjének csak egyetlen molekulája található. A kötőfehérje harmadik, kisebb molekulája a nagyobbakból proteolitikus hasítással képződik.

Körülbelül 200 aggrekán molekula képes egyetlen hialuronsav molekulához kötődni, 8 μm hosszú aggregátumot képezve. A sejthez kapcsolódó mátrixban, amely pericelluláris és territoriális rekeszekből áll, az aggregátumok a sejtmembránon található CD44-szerű receptorokhoz kötődve (egy hialuronsav szálon keresztül) tartják fenn kapcsolatukat a sejtekkel.

Az aggregátumok képződése az ECM-ben összetett folyamat. Az újonnan szintetizált aggrekán molekulák nem mutatják azonnal a hialuronsavhoz való kötődés képességét. Ez szabályozó mechanizmusként szolgálhat, amely lehetővé teszi az újonnan szintetizált molekulák számára, hogy elérjék a mátrix interterritoriális zónáját, mielőtt nagy aggregátumokká rögzülnének. Az újonnan szintetizált aggrekán molekulák és a hialuronsavval kölcsönhatásba lépve aggregátumokat képezni képes kötőfehérjék száma jelentősen csökken az életkorral. Ezenkívül az emberi ízületi porcból izolált aggregátumok mérete is jelentősen csökken az életkorral. Ez részben a hialuronsav- és az aggrekán molekulák átlagos hosszának csökkenésének köszönhető.

Az ízületi porcban kétféle aggregátum alakult ki. Az első típusú aggregátumok átlagos mérete 60 S, míg a második típusé (gyorsan kicsapódó "szuperaggregátumok") 120 S. Ez utóbbit a kötőfehérje molekuláinak bősége jellemzi. Ezen szuperaggregátumok jelenléte jelentős szerepet játszhat a szövet működésében; a végtag rögzítése utáni szövetregeneráció során nagyobb koncentrációban találhatók az ízületi porc középső rétegeiben, míg az oszteoartrózis által érintett ízületben a méretük jelentősen csökken a betegség korai szakaszában.

Az aggrekán mellett az ízületi porc számos kisebb proteoglikánt tartalmaz. A dermatán-szulfátokat hordozó biglikán és dekorin molekulatömege körülbelül 100, illetve 70 kDa; magfehérjéjük tömege körülbelül 30 kDa.

Az emberi ízületi porcban a biglikán molekula két dermatán-szulfát láncot tartalmaz, míg a gyakoribb dekorin csak egyet. Ezek a molekulák az ízületi porc proteoglikánjainak csak kis részét alkotják, bár számuk elérheti a nagy, aggregált proteoglikánokét. A kis proteoglikánok kölcsönhatásba lépnek más makromolekulákkal az ECM-ben, beleértve a kollagén fibrillákat, a fibronektint, a növekedési faktorokat stb. A dekorin elsősorban a kollagén fibrillumok felszínén lokalizálódik, és gátolja a kollagén fibrillogenezist. A magfehérje szorosan kötődik a fibronektin sejtkötő doménjéhez, ezáltal valószínűleg megakadályozza, hogy ez utóbbi a sejtfelszíni receptorokhoz (integrinekhez) kötődjön. Mivel mind a dekorin, mind a biglikán kötődik a fibronektinhez, és gátolja a sejtek adhézióját és migrációját, valamint a trombusképződést, képesek gátolni a szöveti helyreállítási folyamatokat.

Az ízületi porc fibromodulinja egy 50-65 kD molekulatömegű proteoglikán, amely a kollagén fibrillumokhoz kapcsolódik. Magfehérjéje, amely homológ a dekorin és a biglikán magfehérjéivel, nagyszámú tirozin-szulfát aminosavat tartalmaz. A fibromodulin ezen glikozilált formája (korábban 59 kD-os mátrixfehérjének nevezték) részt vehet a kollagén fibrillumok kialakulásának és szerkezetének fenntartásának szabályozásában. A fibromodulin és a dekorin a kollagén fibrillumok felületén helyezkednek el. Így, ahogy korábban említettük, a fibrillum átmérőjének növekedését ezen proteoglikánok (valamint a IX-es típusú kollagénmolekulák) szelektív eltávolítása kell, hogy megelőzze.

Az ízületi porc számos olyan fehérjét tartalmaz az ECM-ben, amelyek sem proteoglikánok, sem kollagének. Ezek más makromolekulákkal kölcsönhatásba lépve egy olyan hálózatot alkotnak, amely az ECM-molekulák nagy részét magában foglalja.

Az ancorin egy 34 kD-os fehérje, amely a porcsejtek felszínén és a sejtmembránban található, közvetítve a sejt és a mátrix közötti kölcsönhatásokat. A II-es típusú kollagén iránti nagy affinitása miatt mechanoreceptorként működhet, jelet továbbítva a porcsejtekhez a fibrillumokra nehezedő megváltozott nyomásról.

A fibronektin a legtöbb porcszövet alkotóeleme, és kismértékben eltér a plazma fibronektinjétől. Úgy vélik, hogy a fibronektin elősegíti a mátrix integrációját azáltal, hogy kölcsönhatásba lép a sejtmembránokkal és más mátrixkomponensekkel, például a II-es típusú kollagénnel és a trombospondinnal. A fibronektin fragmensek negatív hatással vannak a kondrocita-anyagcserére: gátolják az aggrekán szintézist és serkentik a katabolikus folyamatokat. Osteoartritiszben szenvedő betegek ízületi folyadékában nagy koncentrációban találtak fibronektin fragmenseket, így részt vehetnek a betegség késői stádiumában a patogenezisben. Más mátrixmolekulák fragmensei, amelyek a kondrocita-receptorokhoz kötődnek, valószínűleg hasonló hatást fejtenek ki.

Az oligomer mátrixfehérje a porcban (OMPC), a trombospondin szupercsalád tagja, egy öt azonos alegységből álló pentamer, amelynek molekulatömege körülbelül 83 kDa. Nagy mennyiségben találhatók meg az ízületi porcban, különösen a növekvő szövetek proliferáló sejtjeinek rétegében. Ezért lehetséges, hogy az OMPC részt vesz a sejtnövekedés szabályozásában. Sokkal alacsonyabb koncentrációban találhatók meg az érett ízületi porc ECM-jében. A mátrixfehérjék közé tartoznak még:

• A bázikus mátrixfehérje (36 kDa), amely nagy affinitással rendelkezik a porcsejtek iránt, közvetítheti a sejtek közötti interakciókat az ECM-ben, például a szövetek átalakulása során;
• A GP-39 (39 kDa) az ízületi porc felszíni rétegében és az ízületi membránban expresszálódik (funkciói ismeretlenek);
• A 21 kD-os fehérjét hipertrófiás porcsejtek szintetizálják, kölcsönhatásba lép az X típusú kollagénnel, és a „hullámos vonal” zónában is működhet.

Ezenkívül nyilvánvaló, hogy a porcsejtek a porcfejlődés bizonyos szakaszaiban és kóros körülmények között kis, nem aggregált proteoglikánok nem glikozilált formáit expresszálják, de specifikus funkciójukat jelenleg vizsgálják.

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

Az ízületi porc funkcionális tulajdonságai

Az aggrekán molekulák biztosítják az ízületi porc számára a reverzibilis deformáció képességét. Specifikus kölcsönhatásokat mutatnak az extracelluláris térben, és kétségtelenül fontos szerepet játszanak az ECM szerveződésében, szerkezetében és működésében. A porcszövetben az aggrekán molekulák koncentrációja eléri a 100 mg/ml-t. A porcban az aggrekán molekulák az oldatban elfoglalt térfogatuk 20%-ára préselődhetnek össze. A kollagén fibrillák által alkotott háromdimenziós hálózat adja a szövet jellegzetes alakját, és megakadályozza a proteoglikánok térfogatának növekedését. A kollagén hálózaton belül a mozdulatlan proteoglikánok nagy negatív elektromos töltéssel rendelkeznek (nagyszámú anionos csoportot tartalmaznak), ami lehetővé teszi számukra, hogy kölcsönhatásba lépjenek az intersticiális folyadék mozgékony kationos csoportjaival. A vízzel kölcsönhatásba lépve a proteoglikánok úgynevezett duzzadási nyomást biztosítanak, amelyet a kollagén hálózat ellensúlyoz.

A víz jelenléte az ECM-ben nagyon fontos. A víz meghatározza a szövet térfogatát; proteoglikánokhoz kötődve ellenállást biztosít a nyomással szemben. Ezenkívül a víz biztosítja a molekulák transzportját és diffúzióját az ECM-ben. A szövetben rögzített nagy proteoglikánokon lévő nagy negatív töltéssűrűség hozza létre a "kizárt térfogathatást". A proteoglikánok intrakoncentrált oldatának pórusmérete olyan kicsi, hogy a nagy globuláris fehérjék szövetbe történő diffúziója élesen korlátozott. Az ECM taszítja a kis negatív töltésű fehérjéket (pl. kloridionokat) és a nagy fehérjéket (például albumint és immunglobulinokat). A kollagénfibrillumok és proteoglikánok sűrű hálózatán belüli sejtek mérete csak néhány szervetlen molekula méretéhez hasonlítható (pl. nátrium és kálium, de nem kalcium).

Az ECM-ben (elektronmag-mag-magnézium) némi víz jelen van a kollagénfibrillumokban. Az extrafibrilláris tér határozza meg a porc fizikai-kémiai és biomechanikai tulajdonságait. Az intrafibrilláris tér víztartalma az extrafibrilláris térben lévő proteoglikánok koncentrációjától függ, és az utóbbiak koncentrációjának csökkenésével növekszik.

A proteoglikánokon lévő fix negatív töltés határozza meg az extracelluláris közeg ionösszetételét, amely nagy koncentrációban tartalmaz szabad kationokat és alacsony koncentrációban szabad anionokat. Ahogy az aggrekán molekulák koncentrációja a porc felszíni zónájától a mélyebb zónája felé növekszik, a szövet ionos környezete megváltozik. A szervetlen ionok koncentrációja az ECM-ben nagy ozmotikus nyomást hoz létre.

A porc anyagi tulajdonságai a kollagén fibrillák, a proteoglikánok és a szövet folyékony fázisának kölcsönhatásától függenek. A szintézis és katabolizmus folyamatai közötti eltéréssel, a makromolekulák lebomlásával és a fizikai traumával összefüggő szerkezeti és összetételi változások jelentősen befolyásolják a porc anyagi tulajdonságait és megváltoztatják annak funkcióját. Mivel a kollagének és proteoglikánok koncentrációja, eloszlása és makromolekuláris szerveződése a porczóna mélységétől függően változik, az egyes zónák biomechanikai tulajdonságai is eltérőek. Például a felszíni zóna, amelyben magas a kollagénkoncentráció, tangenciálisan elhelyezkedő fibrillák és viszonylag alacsony a proteoglikán-koncentráció, a legkifejezettebben ellenáll a nyújtásnak, és egyenletesen osztja el a terhelést a szövet teljes felületén. Az átmeneti és mély zónákban a proteoglikánok magas koncentrációja a szövetnek a nyomóterhelés ellenállását kölcsönzi. A "hullámos vonal" szintjén a porc anyagi tulajdonságai élesen megváltoznak a hajlékony, nem meszes zónától a merevebb, mineralizált porcig. A "hullámos vonal" régiójában a szövet szilárdságát a kollagénhálózat biztosítja. Az alatta fekvő porcszakaszokat nem szelik át kollagénrostok; az oszteokondrális átmenet területén a szövet szilárdságát a nem meszes és a meszes porczónák közötti határ speciális kontúrjai biztosítják, szabálytalan, ujjszerű kinövések formájában, amelyek "lezárják" a két réteget és megakadályozzák azok szétválását. Az elmeszesedett porc kevésbé sűrű, mint a porc alatti csont, így közbenső rétegként funkcionál, amely lágyítja a porcra nehezedő nyomó terhelést, és átadja azt a porc alatti csontnak.

Terhelés közben három erő komplex eloszlása lép fel - nyújtás, nyírás és összenyomás. Az ízületi mátrix deformálódik a víz (valamint a sejtek anyagcsere-termékeinek) terhelési zónából történő kilökődése miatt, az ionok koncentrációja az intersticiális folyadékban megnő. A víz mozgása közvetlenül függ az alkalmazott terhelés időtartamától és erejétől, és a proteoglikánok negatív töltése késlelteti. A szövet deformációja során a proteoglikánok szorosabban egymáshoz nyomódnak, ezáltal hatékonyan növelve a negatív töltés sűrűségét, és a negatív töltést taszító intermolekuláris erők viszont növelik a szövet ellenállását a további deformációval szemben. Végső soron a deformáció eléri az egyensúlyt, amelyben a külső terhelési erőket a belső ellenállási erők - a duzzadási nyomás (a proteoglikánok és az ionok kölcsönhatása) és a mechanikai feszültség (a proteoglikánok és a kollagének kölcsönhatása) - kiegyensúlyozzák. A terhelés megszűnésekor a porcszövet a víz és a tápanyagok felszívásával nyeri el eredeti alakját. A szövet kezdeti (terhelés előtti) alakját akkor éri el, amikor a proteoglikánok duzzadási nyomását a kollagénhálózat terjedésével szembeni ellenállása kiegyensúlyozza.

Az ízületi porc biomechanikai tulajdonságai a szövet szerkezeti integritásán alapulnak - szilárd fázisként kollagén-proteoglikán összetétel, folyékony fázisként pedig víz és oldott ionok alkotják. Terheletlen állapotban az ízületi porc hidrosztatikai nyomása körülbelül 1-2 atm. Ez a hidrosztatikai nyomás in vivo álló állapotban milliszekundumként 100-200 atm-re, járás közben pedig 40-50 atm-re emelkedhet. In vitro vizsgálatok kimutatták, hogy az 50-150 atm (fiziológiai) hidrosztatikai nyomás rövid idő alatt a porc anabolizmusának mérsékelt növekedéséhez vezet, 2 óra alatt pedig a porcfolyadék elvesztéséhez, de más változást nem okoz. Az a kérdés, hogy a porcsejtek in vivo milyen gyorsan reagálnak erre a típusú terhelésre, továbbra sem tisztázott.

A hidratáció indukált csökkenése, valamint a proteoglikán-koncentráció ezt követő növekedése pozitív töltésű ionok, például H ⁺ és Na ⁺ vonzásához vezet. Ez az ECM és a porcsejtek teljes ionösszetételének és pH-értékének megváltozásához vezet. A hosszú távú testmozgás a pH csökkenését idézi elő, és ezzel egyidejűleg a porcsejtek proteoglikán-szintézisének csökkenését is. Lehetséges, hogy az extracelluláris ionos környezet szintetikus folyamatokra gyakorolt hatása részben összefügg az ECM összetételére gyakorolt hatásával is. Az újonnan szintetizált aggrekán molekulák gyengén savas környezetben később érnek aggregált formává, mint normál körülmények között. Valószínű, hogy a porcsejtek körüli pH csökkenése (pl. testmozgás során) lehetővé teszi, hogy több újonnan szintetizált aggrekán molekula érje el az interterritoriális mátrixot.

Amikor a terhelés megszűnik, a víz visszatér az ízületi üregből, tápanyagokat szállítva a sejtek számára. Az osteoarthritis által érintett porcban a proteoglikánok koncentrációja csökken, ezért a terhelés során a víz nemcsak függőlegesen mozog az ízületi üregbe, hanem más irányokba is, ezáltal csökkentve a porcsejtek táplálását.

Az immobilizáció vagy enyhe terhelés a porcszintézis és a proteoglikán-tartalom jelentős csökkenését eredményezi, míg a fokozott dinamikus terhelés a proteoglikán-szintézis és -tartalom mérsékelt növekedését eredményezi. A kutyáknál a megerőltető testmozgás (20 km/nap 15 héten keresztül) a proteoglikán-tartalom változását okozta, különösen a felszíni zónában a koncentrációjuk hirtelen csökkenését. Bizonyos mértékű reverzibilis porclágyulás és szubkondrális csontátépülés történt. A súlyos statikus terhelés azonban porckárosodást és az azt követő degenerációt okozott. Ezenkívül az ECM aggrekán elvesztése elindítja az osteoarthritisre jellemző kóros változásokat. Az aggrekán elvesztése vízvonzást és a megmaradt kis mennyiségű proteoglikán duzzadását eredményezi. Az aggrekán oldódása hozzájárul a lokális fix töltéssűrűség csökkenéséhez, és végső soron az ozmolaritás megváltozásához vezet.