Остеоартрит: как са подредени ставните хрущяли?

Нормалният ставен хрущял изпълнява две основни функции: абсорбиране на налягането чрез деформация по време на механичното натоварване и осигуряване на гладкостта на ставните повърхности, което ви позволява да сведете до минимум триенето при движение в ставата. Това се осигурява от уникалната структура на ставния хрущял, която се състои от хондро-ита, потопена в екстрацелуларната матрица (ECM).

Нормалният ставен хрущял на възрастен може да бъде разделен на няколко слоя или зони: повърхност или тангенциална зона, преходна зона, дълбока или радиална зона и калцифицирана зона. Слоят между повърхностните и преходните зони и особено между преходните и дълбоките зони няма ясни граници. Връзката между некалцифициран и калцифициран ставен хрущял се нарича "вълнообразна граница" - това е линията, определена чрез оцветяване на декалцираната тъкан. Калцифицираната зона на хрущяла е относително постоянна част (6-8%) от общата височина на полумесеца. Общата дебелина на ставния хрущял, включително зоната на калциевия хрущял, варира в зависимост от натоварването върху определена област на повърхността на съединението и вида на ставата. Интерпретационното хидростатично налягане в сухонстралната костка играе важна роля за поддържане на нормалната структура на хрущяла, забавяйки осификацията.

Хондроцитите съставляват приблизително 2-3% от общата тъканна маса; в повърхностната (тангенциална) зона, в която са разположени, и в дълбоката (радиална) зона - перпендикулярна на повърхността на хрущяла; в преходната зона хондроцитите образуват групи от 2-4 клетки, разпръснати в цялата матрица. В зависимост от площта на ставния хрущял гъстотата на местоположението на хондроцитите варира - най-високата клетъчна плътност в повърхностната зона, най-ниската в калцифицираната. В допълнение, плътността на разпределението на клетките варира от ставите до ставите, тя е обратно пропорционална на дебелината на хрущяла и натоварването, което се получава от съответното му място.

Най-повърхностно разположените хондроцити имат дискова форма и формират в тангенциалната зона няколко слоя клетки, разположени под тясна лента от матрица; Дълбоко разположените клетки на тази зона имат по-неравномерни контури. В преходната зона хондроцитите имат сферична форма, понякога те се комбинират в малки групи, разпръснати в матрицата. Хондроцитите от дълбоката зона са преобладаващо елипсовидни, групирани в радиално разположени вериги от 2-6 клетки. В калцифицираната зона те се разпределят още по-пестеливо; някои от тях са некротични, въпреки че повечето са жизнеспособни. Клетките са заобиколени от некалцифицирана матрица, междуклетъчното пространство е калцифицирано.

По този начин, човешкият ставен хрущял се състои от хидратиран ЕСМ и клетки, потопени в него, които съставляват 2-3% от общия тъканен обем. Тъй като хрущялната тъкан не съдържа кръвни и лимфни съдове, взаимодействието между клетките, доставянето на хранителни вещества до тях, отстраняването на метаболичните продукти се извършва чрез дифузия през ECM. Въпреки факта, че метаболитните хондроцити са много активни, те обикновено не се разделят при възрастни хора. Хондроцитите съществуват в среда без кислород и вярват, че техният метаболизъм се извършва предимно анаеробно.

Всеки хондроцит се разглежда като отделна метаболитна единица на хрущяла, изолирана от съседни клетки, но отговорна за производството на VKM елементи в непосредствена близост до дадена клетка и поддържане на нейния състав.

Видеорекордера излъчват три секции, всяка от които има уникален морфологична структура и специфичен биохимичен състав. VCR съседен kbazalnoy хондроцитна мембрана, наречена периклетъчни, ililakunarnym, матрицата. Тя се характеризира с високо-свързани клетка взаимодействие съдържание хиалуронова киселина на протеогликан агрегати с CD44-подобни рецептори, и относителната липса на организирани колагенови фибрили. Директен контакт с периклетъчни матрица териториално или капсулен, матрица, която се състои от мрежа от пресичащи фибриларни колагени, което капсулира отделните клетки, или (понякога) група от клетки, които hondron, и е вероятно да осигури специална механично подпомагане на клетките. Връзка хондроцитна матрица с капсулен постигне чрез различни цитоплазмени процеси богати на микрофиламенти и от специфичен матричен молекули, като CD44-ankorin и podobnye рецептори. Най-голямата и най-отдалечен от базална мембрана ЕСМ отделя хондроцит - междутериториално матрица, съдържаща най-голям брой на колагенови фибрили и протеогликани.

Разделянето на ЕСМ в отделите е по-ясно очертано в ставния хрущял на възрастен, отколкото в незрял ставен хрущял. Относителният размер на всеки отдел варира не само в различни стави, но и в рамките на същия хрущял. Всеки хондроцит произвежда матрица около него. Намира проучвания зрели хондроцити на хрущял извършва активен метаболитен контрол върху периклетъчни и териториални матрици са по-малко активен контрол междутериториално матрица, която може да бъде метаболитно "инертна".

Както бе споменато по-рано, ставния хрущял се състои главно от обширна ЕСМ, синтезирани и регулира от хондроцити. Лечебните макромолекули и техните концентрации варират през целия живот, за да се срещне промяна на функционалните изисквания. Въпреки това, остава неясно: клетки синтезират цялата матрица в същото време или в определен етап в съответствие с физиологичните нужди. Концентрацията на макромолекули, метаболитен баланс между тях, се определят връзките и взаимодействие биохимични свойства и следователно функцията на ставния хрущял в съвместно. Основният компонент на VCR възрастни ставния хрущял е вода (65-70% от общата маса), който е твърдо свързан там посредством специални физически свойства на макромолекули хрущялната тъкан, съдържащи колагените, протеогликани и не-колагенови гликопротеини.

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]

Биохимичен състав на хрущяла

Колагенните влакна се състоят от молекули на колаген фибриларен протеин. При бозайници делът на колагена представлява една четвърт от всички протеини в организма. Колагенът образува фибриларни елементи (колагенни фибрили), състоящи се от структурни субединици, наречени тропоколагени. Тропоколагенната молекула има три вериги, които образуват тройна спирала. Такава структура на молекулата на tropocollagen, както и структурата на колагеновите влакна, когато тези молекули са подредени паралелно в надлъжна посока с постоянна смяна от приблизително 1/4 от дължината и осигуряват висока еластичност и якост на тъканите, в които те са разположени. Понастоящем са известни 10 генетично различни типа колаген, които се различават в химическата структура на а-веригите и / или тяхното събиране в молекулата. Най-проучените първите четири вида колаген са способни да образуват до 10 молекулни изоформи.

Колагенните фибрили са част от извънклетъчното пространство на повечето видове съединителна тъкан, включително хрущялна тъкан. В триизмерна мрежа от колагенови фибрили неразтворими пресичащи "заплетени" други по-разтворими компоненти, такива като протеогликани, гликопротеини и протеини тъканно-специфични; понякога те са ковалентно свързани с колагеновите елементи.

Колагенните молекули, организирани във фибрили, съставляват около 50% от органичния сух остатък на хрущяла (10-20% от естествения хрущял). В зрял хрущял, около 90% от колагена са тип II колагени, които се намират само в определени тъкани (например, стъкловиден, ембрионален гръбначен мозък). Колаген тип II се отнася до първи клас (образуващи фибрили) на молекулите на колагена. В допълнение към него, в зрял ставен хрущял на човек колаген IX, XI тип и в малък брой VI тип също са намерени. Относителното количество колагенови влакна тип IX в колагенните фибрили намалява от 15% в хрущяла на плода до около 1% в зрелия хрущял на бика.

Молекулите от тип колаген I се състоят от три идентични полипептидни а, (II) вериги, синтезирани и секретирани под формата на предколагенов прекурсор. След като готовите колагенови молекули се освобождават в извънклетъчното пространство, те образуват фибрили. В зрелия ставен хрущялен колаген тип II се образуват фибриларни аркади, при които по-дебели молекули се намират в дълбоки слоеве от тъкани и по-тънки - хоризонтално в повърхностните слоеве.

В проколагеновия ген от тип II е намерен екзон, кодиращ богат на цистеин N-краен пропептид. Този екзон не се изразява в зрял хрущял, а в ранните стадии на развитие (прехондрогенеза). Поради наличието на този екзон молекулата тип проколаген II (тип II А) е по-дълга от колаген тип II. Вероятно експресията на този тип проколаген инхибира натрупването на елементи в ЕСМ на ставния хрущял. Тя може да играе роля в развитието на патологията на хрущялите (например неадекватна репаративна реакция, образуване на остеофити и т.н.).

Мрежа от колагенови фибрили от тип II осигурява функция за якост на опън и е необходима за поддържане на обема и формата на тъканта. Тази функция се подобрява чрез ковалентно и напречно свързване между молекулите на колагена. VCR ензимни лизил оксидаза форми на хидроксилизин алдехид, който след това се превръща в многовалентни амино-хидроксилизин пиридинолин образуват омрежвания между вериги. От една страна, концентрацията на тази аминокиселина се повишава с възрастта, но в зрял хрущял практически не се променя. От друга страна, в ставния хрущял се наблюдава увеличаване на концентрацията на кръстосани връзки от различни видове, образувани без участието на ензими, с възрастта.

Около 10% от общото количество колагенна хрущялна тъкан е така наречените незначителни колагени, които в много отношения определят уникалната функция на тази тъкан. Тип колаген IX принадлежи към клас III молекули korotkospiralnyh и уникална група FACIT-колаген (фибрил-асоциираните колаген с прекъснат Тройни -спирали - фибрил свързани колаген с прекъснат тройна спирала). Състои се от три генетично различни вериги. Една от тях - _2- верига - е гликозилирана едновременно с хондроитин сулфат, което прави тази молекула едновременно протеогликан. Между сегментите на колаген тип IX спирала и тип II колаген се откриват както зрели, така и незрели хидроксипиринови кръстосани връзки. Колаген IX също може да функционира като междумолекулярно-интерфибриларен "конектор" (или мост) между съседни колагенни фибрили. Молекулите на колаген IX образуват кръстосани връзки помежду си, което увеличава механичната стабилност на фибриларна триизмерна мрежа и я предпазва от ефектите на ензимите. Те също така осигуряват устойчивост на деформация, ограничавайки подуването на протеогликаните в мрежата. В допълнение към анионната CS верига молекулата на колаген IX съдържа катионен домен, който осигурява високо зареден фибрил и тенденция да взаимодейства с други матрични макромолекули.

Типът колаген XI е само 2-3% от общата маса на колагена. Той принадлежи към първия клас (образуващи фибрили) колагени и се състои от три различни а-вериги. Заедно с колаген тип II и IX, тип X колаген образува хетеротични фибрили на ставния хрущял. Молекулите от тип колаген XI се намират в колагенните фибрили от тип II с помощта на имуноелектромикроскопия. Може би те организират колаген тип II молекули, контролират страничния растеж на фибрилите и определят диаметъра на хетеротипния колагенов фибрил. В допълнение, колаген XI участва в образуването на кръстосани връзки, но дори в зрял хрущял, напречните връзки остават под формата на незрели двувалентни кетоамини.

Малко количество колаген от тип VI, друг представител на клас III от молекули с къси разстояния, е установено в ставния хрущял. Колагенът тип VI образува различни микрофибрили и евентуално се концентрира в капсулната матрица на хондрона.

Протегликаните са протеини, към които поне една гликозаминогликанова верига е ковалентно свързана. Протегликаните принадлежат към една от най-сложните биологични макромолекули. Най-разпространените протеогликани присъстват в хрущяла VKM. "Заплетени" вътре в мрежата от колагенни фибрили, хидрофилните протеогликани изпълняват основната си функция - те информират хрущяла за способността да се деформират обратимо. Смята се, че протеогликаните изпълняват редица други функции, чиято същност не е напълно ясна.

Aggrecan е основният протеогликан на ставния хрущял: той е около 90% от общата маса на протеогликаните в тъканта. Неговият основен протеин от 230 kD се гликозилира от редица ковалентно свързани гликозаминогликанови вериги, както и от N-терминални и С-крайни олигозахариди.

Гликозаминогликанова верига на ставния хрущял, което представлява около 90% от общите макромолекулите тегло - кератан сулфат (представляваща последователност от сулфатиран дизахарид N-atsetilglyukozamingalaktoza множество сулфатирани части и други монозахаридни остатъци, като сиалова киселина) и хондроитин сулфат (представляваща последователност от дизахарид на N-ацетилгалактозамин, глюкуронова киселина, сулфат естер, всеки свързан към четвъртия или на шестия въглероден атом на N-atsetilg лактозамин).

Ядрото на агрегата съдържа три глобуларни (G1, G2, G3) h два интерглобуларни (Е1 и Е2) домейна. N-крайният регион съдържа G и G2 домени, разделени от Е1 сегмент с дължина 21 nm. С3-домейн намира в С-края, разделя се от G ₂ -дълго (около 260 нм) Е2 сегмент, който има повече от 100 хондроитин сулфат вериги от около 15-25 кератан сулфат вериги и О-свързани олигозахариди. N-свързани олигозахариди намерени предимно в G1-и С2 домейни и Е1-сегмент, както и в близост до G ₃ -regiona. Гликозаминогликани се групират в две области: най-удължен (така наречената област, богата на хондроитин сулфат) верига съдържа хондроитин сулфат и около 50% от кератан сулфат вериги. Област, богата на кератан сулфати, които са нанесени на E ₂ -segmente близо G1-домейн предхожда район богат на хондроитин сулфати. Aggregan молекулите също съдържат фосфатни естери, локализирани предимно върху остатъци от ксилоза, които прикрепят хондроитин сулфатни вериги към основния протеин; те също се намират върху сериновите остатъци на основния протеин.

С-крайният сегмент _на СЗ-домена е силно хомоложен на лектина, така че протеогликановите молекули могат да бъдат фиксирани в ЕСМ чрез свързване с определени въглеводородни структури.

Последните проучвания са намерили екзон, кодиращ EGF-подобен (епидермален фактор на растежа) на, под-домейн в рамките на Г ₃. Използвайки анти-EGF поликлонални антитела, EGF-подобен епитоп се локализира в пептид от 68 kD в агрегата на човешкия ставен хрущял. Неговите функции обаче изискват изясняване. Този поддомейн се намира също в структурата на адхезионни молекули, контролиращи миграцията на лимфоцитите. Само около една трета от агрекан молекули, изолирани от зрял човешки ставния хрущял съдържа непокътнати С ₃ домени; вероятно това се дължи на факта, че в ЕСМ агреканните молекули могат да бъдат намалени по размер по ензимен път. Допълнителната съдба и функцията на разделените фрагменти са неизвестни.

Основната функционален сегмент е агрекан молекула glikozaminoglikannesuschy E ₂ -сегмент. Мястото, богато на кератан сулфати, съдържа аминокиселините пролин, серин и треонин. Повечето серинови и треонинови остатъци О-гликозилирани N-atsetilgalaktozaminovymi остатъци, те задействат синтеза на някои олигозахариди, които са вградени в кератан сулфат вериги, като по този начин ги удължаване. Останалата част от E ₂ -segmenta съдържа повече от 100 последователности серин-глицин, при което серията осигурява ksilozilnym свързване към остатъка в началото на хондроитин сулфат вериги. Обикновено и хондроитин 6-сулфат и хондроитин-4-сулфат съществува едновременно в същите протеогликан молекулите на съотношение варира в зависимост от локализацията на хрущял и възрастта на лицето.

Структурата на молекулите на агрекан в матрицата на ставния хрущял на човек претърпява редица промени в процеса на зреене и стареене. Свързано с промени стареене включват понижено хидродинамичен размер в резултат на промените в средната дължина на веригите на хондроитин сулфат, увеличаването на дължината на веригата и кератан сулфати. Редица промени в агреканната молекула също са подложени на действието на протеолитични ензими (напр. Агреканаза и стромелизин) върху основния протеин. Това води до прогресивно намаляване на средната дължина на основния протеин на агреканните молекули.

Aggrecan молекулите се синтезират от хондроцити и секретират в ЕСМ, където образуват агрегати, стабилизирани от молекули на свързващи протеини. Тази агрегация включва силно специфични не-ковалентни и кооперативни взаимодействия между нишката на глюкороновата киселина и близо 200 молекули агрекани и свързващи протеини. Глюкуронова киселина - извънклетъчен несулфатиран гликозаминогликан линеен висока молекулна маса, състояща се от множество от свързани последователно молекули atsetilglyu-N-kozamina и глюкуронова киселина. Свързаните бримки на G1 домена на агрекан взаимодействат реверсивно с пет последователно подредени дизахариди на хиалуроновата киселина. Свързващият протеин, който съдържа сходни (високо хомоложни) сдвоени бримки, взаимодейства с домейна С1 и молекулата на хиалуроновата киселина и стабилизира структурата на агрегата. Протеиновият комплекс, свързващ с хиалуронова киселина с С1 домен, образува силно стабилно взаимодействие, което защитава G1 домена и свързващия протеин от действието на протеолитичните ензими. Представени са две молекули на свързващ протеин с молекулно тегло 40-50 kD; те се различават една от друга в степента на гликозилиране. Само една молекула от свързващия протеин присъства в свързващото място на хиалуроновата киселина и агрекан. Третата, по-малка молекула на свързващия протеин се образува от по-големи протеини чрез протеолитично разцепване.

Около 200 молекули агрескан могат да се свързват с една молекула хиалуронова киселина, за да образуват агрегат с дължина 8 μm. Матрицата за клетъчно-свързан, състояща се от периклетъчни и териториални поделения агрегати запазват тяхната връзка с клетките чрез свързване (чрез резба хиалуронова киселина) с SD44-подобни рецептори върху клетъчната мембрана.

Образуването на агрегати в ECM е сложен процес. Ново синтезираните агреканни молекули не показват незабавно способността да се свързват с хиалуроновата киселина. Това може да служи като регулаторен механизъм, който позволява на новите синтезирани молекули да достигнат до интертериорната зона на матрицата, преди да бъдат имобилизирани в големи агрегати. Броят на ново синтезираните агреканни молекули и свързващите протеини, способни да образуват агрегати чрез взаимодействие с хиалуроновата киселина, намалява значително с възрастта. Освен това, с възрастта, размерът на агрегатите, изолирани от ставния хрущял на човек, е значително намален. Това отчасти се дължи на намаляването на средната дължина на молекулите на хиалуроновата киселина и агреканните молекули.

Има два типа агрегати в ставния хрущял. Средният размер на агрегатите от първия тип е 60 S, агрегатите от втория тип (бързо утаяващи "супер-агрегати") са 120 S. Последният се характеризира с изобилие от молекули на свързващия протеин. Наличието на тези суперагента може да играе голяма роля във функционирането на тъканта; по време на възстановяване на тъкан след имобилизация на крайник в средните слоеве на ставния хрущял намери по-високи концентрации в ставите, засегнати от остеоартрит, техните размери са значително намалени в ранните стадии на заболяването.

В допълнение към агрекан, артикуларният хрущял съдържа редица по-малки протеогликани. Бигликан и декорин, молекулите, носещи дерматан сулфати, имат молекулна маса съответно около 100 и 70 kD; масата на техния основен протеин е около 30 kD.

В ставния хрущял на човек, молекулата на biglucan съдържа две вериги на дерматан сулфат, докато по-често декоринът е само един. Тези молекули са само малка част от протеогликаните в ставния хрущял, въпреки че също може да бъде много, както и големи агрегати на протеогликани. Малки протеогликани взаимодействат с други макромолекули в ЕСМ, включително колагенови фибрили, фибронектин, растежни фактори, и др. Декорин първоначално локализиран на повърхността на колагенови фибрили и инхибира колаген фибрилогенезата. Род здраво задържа протеин с клетъчно-свързващ домен на фибронектин, което вероятно инхибиране на свързването на последната към клетъчно повърхностни рецептори (интегрини). Поради факта, че както декорин и бигликан свързват с фибронектин и инхибират клетъчната адхезия и миграция, както и образуването на тромби, те са в състояние да инхибират възстановяване на тъкан процеси.

Фибромодулинът на ставния хрущял е протеогликан с молекулна маса 50-65 kD, свързан с колагеновите фибрили. Неговият основен протеин, хомоложен на основните протеини на декора и bigakana, съдържа голямо количество остатъци от тирозин сулфат. Тази гликозилирана форма на фибромодулин (по-рано наричана 59 kD матричен протеин) може да участва в регулирането на образуването и поддържането на структурата на колагенните фибрили. Фибромодулинът и декортинът се намират на повърхността на колагенните фибрили. Така, както е посочено по-рано, увеличаването на диаметъра на фибрила трябва да бъде предшествано от селективното отстраняване на тези протеогликани (както и колаген тип IX молекули).

Съставният хрущял съдържа редица протеини в VKM, които не принадлежат нито на протеогликани, нито на колагени. Те взаимодействат с други макромолекули, за да образуват мрежа, в която са включени повечето молекули на VKM.

Anchorin, протеин с маса 34 kD, се локализира на повърхността на хондроцитите и в клетъчната мембрана, медиира взаимодействието между клетката и матрицата. Поради високия си афинитет към колаген тип II, той може да действа като механичен рецептор, който предава сигнал за промененото налягане върху фибрила на хондроцита.

Фибронектинът е компонент на повечето хрущялни тъкани, малко по-различен от фибронектин в кръвната плазма. Предполага се, че фибронектинът подпомага интегрирането на матрицата чрез взаимодействие с клетъчните мембрани и други матрични съставки като колаген тип II и тромбоспондин. Фрагменти от фибронектин оказват негативно влияние върху метаболизма на хондроцитите - инхибират синтеза на агрекан, стимулират катаболните процеси. В съединителната течност на пациенти с остеоартроза се открива висока концентрация на фибронектинови фрагменти, така че те могат да участват в патогенезата на заболяването в по-късни етапи. Вероятно фрагменти от други матрични молекули, които се свързват с хондроцитни рецептори, също имат същите ефекти.

Хрущял олигомерен матрикс протеин (OMPH) - тромбоспондин член на суперсемейството е пентамер на пет идентични субединици с молекулно тегло от около 83 кД. Те се срещат в големи количества в ставния хрущял, особено в слоя на пролифериращите клетки в растящата тъкан. Следователно може би OMPCH участва в регулирането на клетъчния растеж. При много по-ниска концентрация, те се намират в ЕСМ на зрял ставен хрущял. Матричните протеини също се наричат:

• основният матричен протеин (36 kD), който има висок афинитет към хондроцитите, може да медиира взаимодействието на клетките в ЕСМ, например, по време на ремоделиране на тъканта;
• GP-39 (39 kD) се експресира в повърхностния слой на ставния хрущял и в синовиалната мембрана (неговите функции са неизвестни);
• 21 kD протеин се синтезира от хипертрофирани хондроцити, взаимодейства с тип X колаген, може да функционира в зоната на "вълновата линия".

Освен това, очевидно е, че хондроцити експресират негликозилирана форма на малки не-агрегирана протеогликани в определени етапи на развитие на хрущял и на патологични състояния, но тяхната функция в момента се изучава.

[12], [13], [14], [15], [16], [17]

Функционални свойства на хрущяла на ставата

Молекулите на агрекан дават на ставния хрущял възможност да претърпи обратима деформация. Те демонстрират специфични взаимодействия в извънклетъчното пространство и несъмнено играят важна роля в организацията, структурата и функцията на ECM. В хрущялните тъкани агреканните молекули достигат концентрация от 100 mg / ml. В хрущяла, Aggregan молекулите се компресират до 20% от обема, който заемат в разтвора. Триизмерна мрежа, образувана от колагенни фибрили, информира тъканта за своята характерна форма и предотвратява увеличаването на обема на протеогликаните. Вътре мрежа колаген фиксирани протеогликани носят голям отрицателен електрически заряд (съдържащ голямо количество анионни групи), който позволява да взаимодейства с катионни групи подвижен интерстициална течност. Взаимодействайки с вода, протеогликаните осигуряват така нареченото набъбване, което се противодейства от колагенната мрежа.

Наличието на вода в ECM е много важно. Водата определя обема на тъканта; свързано с протеогликани, осигурява устойчивост на компресия. В допълнение водата осигурява транспортиране на молекули и дифузия в ECM. Високата плътност на отрицателния заряд върху големите протеогликани, фиксирани в тъкан, създава "ефект на изключен обем". Размерът на порите на интраконцентрирания разтвор на протеогликани е толкова малък, че дифузията на големи глобуларни протеини в тъканта е строго ограничена. VKM отблъсква малки отрицателно заредени (напр. Хлоридни йони) и големи (като албумин и имуноглобулини) протеини. Размерът на клетките в гъстата мрежа от колагенни фибрили и протеогликани е съизмерим само с размерите на някои неорганични молекули (например натрий и калий, но не и калций).

В VKM в колагенните фибрили се съдържа известно количество вода. Физикохимичните и биомеханичните свойства на хрущяла определят екстрафибрилното пространство. Съдържанието на вода във фибриларното пространство зависи от концентрацията на протеогликаните в извънфибрилното пространство и се увеличава с намаляване на концентрацията на последното.

Фиксираният отрицателен заряд върху протеогликаните определя йонния състав на извънклетъчната среда, съдържащ свободни катиони във висока концентрация и свободни аниони в ниска концентрация. Тъй като концентрацията на агреканните молекули се издига от повърхността до дълбоката зона на хрущяла, йонната среда на тъканта се променя. Концентрацията на неорганични йони в ЕСМ води до високо осмотично налягане.

Свойствата на хрущяла като материал зависят от взаимодействието на колагенните фибрили, протеогликаните и течната фаза на тъканта. Структурните и състава промени, дължащи се на дисбаланс между синтетични и катаболните процеси, и разграждането на макромолекули от физическо нараняване, оказват съществено влияние върху свойствата на материалите на хрущял и променят своята функция. Тъй като концентрацията и разпределението на макро молекулно организация на протеогликани и колагени варират в зависимост от дълбочината на зоната на хрущял варира биомеханичните характеристики на всяка зона. Например, повърхностната площ с висока концентрация на колагенови фибрили разположени тангенциално по отношение на ниската концентрация на протеогликани е най-ясно изразен противодейства разтягане свойства, разпределяне на товара равномерно по повърхността на тъканта. В преходните и дълбоки зони висока концентрация на протеогликани придава тъканно свойство на пренасянето на натоварването при компресия. На нивото на "вълнообразни линии" хрущял свойства на материала се различават рязко от еластична nekaltsifitsirovannoy зона на твърдия минерализирана хрущял. В областта на "вълнообразната линия" силата на тъканта се осигурява от колагенната мрежа. Хрущялните фибрили не пресичат хрущялните части; в съединението с якост osteochondral тъкан се осигурява от специални контури границата между зони nekaltsifitsirovannogo и калцирани хрущял във формата на пръст като израстъци нередовни, които "затваря" два слоя и предотвратява тяхното разделяне. Калцирани хрущял е по-малко плътен от субхондралната кост, така че изпълнява функцията на един междинен слой, който омекотява натиск натоварването на хрущяла и субхондралната кост предава.

По време на товара възниква сложно разпределение на три сили - разтягане, срязване и компресия. Артикуларната матрица се деформира поради експулсирането на водата (както и метаболичните продукти на клетките) от зоната на натоварване, като се увеличава концентрацията на йони в интерстициалната течност. Преместването на водата директно зависи от продължителността и якостта на приложеното натоварване и се забавя от отрицателния заряд на протеогликаните. В време протеогликани тъкан деформация по-плътно притисната към друг, като по този начин ефективно се увеличава отрицателен плътността на заряда и междумолекулни сили отблъскващи отрицателни заряда на свой ред се увеличи устойчивостта на допълнително деформиране на тъканта. В крайна сметка деформация достигне равновесие, при което външните сили са балансирани резистентност вътрешно натоварване сили - подуване налягане (взаимодействието с йони протеогликани) и механичен стрес (протеогликани взаимодействие и колагени). Когато товарът се елиминира, хрущялната тъкан придобива оригиналната си форма като смуче вода заедно с хранителните вещества. Първоначалната (предварително заредена) тъканна форма се постига, когато налягането на набъбване на протеогликаните се балансира от устойчивостта на колагеновата мрежа към тяхното разпространение.

Биомеханичните свойства на ставния хрущял се основават на структурната цялост на тъканта на - колаген протеогликан състав като твърда фаза и вода и йони разтваря в него като течна фаза. От натоварването, хидростатичното налягане на ставния хрущял е около 1-2 атм. Това хидростатично налягане може да се увеличи in vivo до 100-200 атм. В милисекунди при стоене и до 40-50 атм при ходене. Изследвания ин витро показват, че хидростатичното налягане от 50-150 атм (физиологичен) за кратък период от време води до умерен растеж на хрущял анаболизъм, в продължение на 2 часа - води до загуба на течен хрущялен, но не причиняват никакви други промени. Въпросът остава колко бързо хондроцитите реагират in vivo на този вид натоварване.

Индуцираната редукция на хидратацията с последващо повишаване на концентрацията на протеогликаните води до привличане на положително заредени йони, като Н ⁺ и Na ⁺. Това води до промяна в общия йонен състав и рН на ЕСМ и хондроцитите. Продължителното натоварване води до намаляване на рН и едновременно намаляване на синтеза на протеогликани от хондроцити. Може би влиянието на извънклетъчната йонна среда върху синтетичните процеси също е частично свързано с нейния ефект върху състава на ЕСМ. Ново синтезираните молекули на агрекан в слабо кисела среда по-късно, отколкото при нормални условия, узряват в агрегирани форми. Вероятно намаляването на рН около хондроцитите (например, по време на натоварване) позволява повече нови синтезирани агреканни молекули да достигнат интертертериалната матрица.

Когато товарът се елиминира, водата се връща от синовиалната кухина, носейки с нея хранителни вещества за клетките. Хрущялът засегнати с остеоартрит, протеогликан концентрация се понижава, следователно, по време на зареждането на водни движи не само вертикално в синовиалната кухина, но и в други посоки, като по този начин намаляване на мощността хондроцити.

Обездвижване или малко натоварване води до значително намаляване на методите за синтез на съдържание хрущял протеогликаново и, докато увеличението на динамично натоварване води до скромен синтез увеличение на протеогликаните и съдържание .. Интензивни упражнения (20km на ден в продължение на 15 седмици) при кучета предизвика промяна в съдържанието на протеогликани по-специално рязко намаляване на тяхната концентрация в повърхностната зона. Имало е известно обратимо омекване на хрущяла и ремоделиране на субхондралната кост. Голямо статично натоварване, обаче, причинява увреждане на хрущялите и последваща дегенерация. В допълнение, загубата на Aggrecan ECM предизвиква необичайни промени, характерни за остеоартрозата. Загубата на агрескан води до привличане на вода и подуване на останалата част от протеогликаните. Това разтваряне на агрекан помага да се намали плътността на местния фиксиран заряд и в крайна сметка води до промяна в осмоларността.