Slitasjegikt: hvordan arrangeres leddbrusk?

Normal leddbrusk utfører to hovedfunksjoner: absorpsjon av trykk ved deformasjon under mekanisk stress og sikring av glatthet av leddflater, noe som gjør at du kan minimere friksjon når du beveger deg i leddet. Dette sikres av den unike strukturen til leddbrusk, som består av kondondiat nedsenket i den ekstracellulære matriksen (ECM).

Den normale leddbrusk hos en voksen kan deles inn i flere lag, eller soner: en overflate, eller tangentiell, sone, en overgangssone, en dyp eller en radiell sone og en forkalket sone. Laget mellom overflaten og overgangssonene og spesielt mellom overgangs- og dypsonene har ingen klare grenser. Forbindelsen mellom ukorrigert og forkalket artikulær brusk kalles "bølget grense" - dette er linjen bestemt ved å fargelegge det avkalkede vevet. Den kalkede sone i brusk er en forholdsvis konstant andel (6-8%) i den totale høyden av crescents. Den totale tykkelsen på leddbrusk, inkludert sonen av forkalket brusk, varierer avhengig av belastningen på et bestemt område av leddflaten og typen av ledd. Intermittent hydrostatisk trykk i subchondralbenen spiller en viktig rolle for å opprettholde bruskens normale struktur, noe som senker ossifiseringen.

Kondrocytter utgjør omtrent 2-3% av den totale vevsmassen; i overflaten (tangentiell) sone de befinner seg langs, og i den dype (radiale) sonen - vinkelrett på overflaten av brusk; i overgangssonen danner kondrocytter grupper av 2-4 celler spredt over hele matrisen. Avhengig av området av leddbrusk varierer tettheten av kondoncytets plassering - den høyeste celletettheten i overflatesonen, den laveste i den forkalkede en. I tillegg varierer tettheten av celledistribusjonen fra felles til felles, den er omvendt proporsjonal med bruskets tykkelse og lasten som oppleves av dets tilsvarende sted.

De mest overfladisk lokaliserte kondrocyter er skiveformede og danner i tangensialsonen flere lag av celler som befinner seg under en smal matriksstrimmel; Dypt plassert celler i denne sonen har en tendens til å ha mer ujevne konturer. I overgangssonen har kondrocyter en sfærisk form, noen ganger blir de kombinert i små grupper spredt i matrisen. Kronondroser i den dype sonen er overveiende ellipsoide i form, gruppert i radialt anordnede kjeder med 2-6 celler. I kalsifisert sone fordeles de enda mer sparsomt; Noen av dem er nekrotiske, selv om de fleste er levedyktige. Cellene er omgitt av en ukalsifisert matrise, det intercellulære rommet er kalsifisert.

Den menneskelige leddbrusk består således av hydratisert ECM og celler nedsenket i den, som utgjør 2-3% av det totale vevvolumet. Siden bruskvæv ikke har blod og lymfekar, er interaksjonen mellom celler, levering av næringsstoffer til dem, fjerning av metabolske produkter utført ved diffusjon gjennom ECM. Til tross for at metabolske kondrocytter er svært aktive, deler de normalt ikke hos voksne mennesker. Kronondroser finnes i et oksygenfritt miljø, mener at stoffskiftet deres utføres overveiende anaerobt.

Hver kondrocyt regnes som en separat metabolsk enhet av brusk, isolert fra nabo-celler, men ansvarlig for produksjon av VKM-elementer i umiddelbar nærhet av den oppgitte celle og opprettholde sammensetningen.

Videospilleren sender ut tre seksjoner, som hver har unike morfologisk struktur og et spesifikt biokjemisk sammensetning. VCR direkte tilstøtende kbazalnoy kondrocytt membran, kalt pericellulær, ililakunarnym, matrise. Den er karakterisert ved høy-relaterte celleinteraksjon hyaluronsyre innhold av proteoglykan-aggregater med CD44-lignende reseptorer, og den relative mangelen på organisert kollagen fibriller. I direkte kontakt med pericellulær matrise territoriale eller kapsel, en matrise som består av et nettverk av kryssende fibrillære kollagener, som omslutter de individuelle celler, eller (av og til) en gruppe av celler som danner hondron, og er sannsynlig å gi spesiell mekanisk støtte for cellene. Kontakt kondrocyttmatriksmetallproteaser med kapsel oppnås ved hjelp av en rekke cytoplasmiske prosesser som er rik på mikrofilamenter og ved spesifikke matriks-molekyler, slik som CD44-ankorin og podobnye reseptorer. Den største og mest fjerntliggende fra basalmembran ECM separert kondrocytt - interterritorial matrise som inneholder det største antall kollagenfibriller og proteoglykaner.

Fordelingen av ECM i avdelinger er tydeligere avgrenset i leddbrusk hos en voksen enn i den umodne leddbrusk. Den relative størrelsen på hver avdeling varierer ikke bare i forskjellige ledd, men også innenfor samme brusk. Hver kondrocyt produserer en matrise som omgir den. Innlevert studier modne kondrocytter av brusk utført aktiv metabolsk kontroll over sine peri-cellulære og territoriale matrisene er mindre aktiv kontroll interterritorial matrise, som kan være metabolsk "inert".

Som angitt tidligere består leddbrusk hovedsakelig av et stort VKM, syntetisert og regulert av kondrocytter. Vevsmakromolekyler og deres konsentrasjon endres i løpet av livet i samsvar med endrede funksjonsbehov. Imidlertid er det uklart: celler syntetiserer hele matrisen samtidig eller i bestemte faser i samsvar med fysiologiske behov. Konsentrasjonen av makromolekyler, metabolsk balanse mellom dem, forholdet og samspillet bestemmer de biokjemiske egenskaper, og dermed funksjonen av leddbrusk i en ledd. Hovedkomponenten i videospilleren voksen leddbrusk er vann (65 til 70% av total masse), som er fast forbundet i denne ved hjelp av spesielle fysiske egenskaper av makromolekyler bruskvev som omfatter colla, proteoglykaner og ikke-kollagenholdige glykoproteiner.

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

Biokjemisk sammensetning av brusk

Kollagenfibre består av molekyler av kollagenfibrillær protein. I pattedyr utgjør andelen kollagen en fjerdedel av alle proteiner i kroppen. Kollagen danner fibrillære elementer (kollagenfibriller), bestående av strukturelle underenheter, kalt tropokollagen. Tropokollagenmolekylet har tre kjeder som danner en trippelhelix. En slik struktur av tropokollagen molekylet, så vel som strukturen av kollagenfibrene, når disse molekylene er arrangert i parallell i den langsgående retning med en konstant forskyvning på omtrent 1/4 av lengden og sikre høy elastisitet og styrke av de vev i hvilke de er plassert. For tiden er 10 genetisk forskjellige typer kollagen kjent, forskjellig i den kjemiske strukturen til a-kjedene og / eller deres samling i molekylet. De mest studerte første fire typer kollagen er i stand til å danne opptil 10 molekylære isoformer.

Kollagenfibriller er en del av det ekstracellulære rommet til de fleste typer bindevev, inkludert bruskvæv. Innenfor det uoppløselige tredimensjonale nettverket, blir andre mer oppløselige komponenter, så som proteoglykaner, glykoproteiner og vevsspesifikke proteiner "sammenflettet" fra de kollapserende kollagenfibriller; Noen ganger er de kovalent bundet til kollagenelementer.

Kollagenmolekyler organisert i fibriller utgjør ca. 50% av den organiske tørre resten av brusk (10-20% av nativt brusk). I modent brusk er ca 90% av kollagenene type II-kollagener, som bare finnes i enkelte vev (f.eks. Glimmende, embryonale ryggmargen). Kollagen type II refererer til den første klassen (danner fibriller) av kollagenmolekyler. I tillegg til ham er det også i den modne artikulære brusk hos en person, kollagen IX, XI-type og i et lite antall VI-type. Den relative mengden av kollagenfibre av IX-type i kollagenfibriller reduseres fra 15% i brusk i fosteret til ca. 1% i den modne brusk av oksen.

Molekyler av kollagen I-type består av tre identiske polypeptid a, (II) kjeder, syntetisert og utskilt i form av prekollagenforløper. Når de ferdige kollagenmolekylene slippes ut i det ekstracellulære rommet, danner de fibriller. I modent leddbrusk kollagen type II danner fibrillære arkader, der flere "tykke" molekyler ligger i dype vevlag, og mer "tynne" - horisontalt i overflatelagene.

I procollagengenet av type II ble det funnet en exon som koder for et cysteinrikt N-terminalt propeptid. Denne eksonen er ikke uttrykt i modent brusk, men i de tidlige stadier av utvikling (prekondrogenese). På grunn av forekomsten av denne exonen er procollagen II-type molekylet (type II A) lengre enn type II kollagen. Sannsynligvis hindrer uttrykket av denne typen prosollagen opphopningen av elementer i ECM i leddbrusk. Det kan spille en rolle i utviklingen av bruskpatologi (for eksempel utilstrekkelig reparativ respons, osteofytdannelse, etc.).

Et nettverk av type II kollagenfibriller gir en strekkfasthetsfunksjon og er nødvendig for å opprettholde vevets volum og form. Denne funksjonen forbedres ved kovalent og kryssbinding mellom kollagenmolekyler. I VKM danner lysiloksidaseenzymet et aldehyd fra hydroksylisin, som deretter omdannes til en multivalent aminosyrehydroksylisylpyridinolin, som danner kryssbindinger mellom kjedene. På den ene siden stiger konsentrasjonen av denne aminosyren med alderen, men i moden brusk blir det praktisk talt ikke endret. På den annen side er det i leddbrusk en økning i konsentrasjonen av tverrbindinger av forskjellige typer med alder dannet med alder, dannet uten deltakelse av enzymer.

Ca. 10% av den totale mengden kollagenbruskvev er de såkalte mindre kollagenene, som i mange henseender bestemmer den unike funksjonen til dette vevet. Kollagen type IX hører til klasse III-molekyler korotkospiralnyh og unik gruppe FACIT-kollagen (fibril-Associated kollagen med avbrutt Triple -helices - fibrilldannende forbundet kollagen med avbrutt trippel helix). Den består av tre genetisk forskjellige kjeder. En av dem - en _2- kjede - er glykosylert samtidig med kondroitinsulfat, noe som gjør dette molekylet samtidig proteoglykan. Mellom segmenter av kollagen av kollagen type IX spiral og type II, oppdages både voksne og umodne hydroksypyridin-kryssbindinger. Kollagen IX kan også fungere som en intermolekylær-interfibrillær "kontakt" (eller bro) mellom tilstøtende kollagenfibriller. Molekyler av kollagen IX danner tverrbindinger mellom seg selv, noe som øker den mekaniske stabiliteten til det fibrillære tredimensjonale nettverket og beskytter det mot effektene av enzymer. De gir også motstand mot deformasjon, og begrenser hevelsen av proteoglykaner i nettverket. I tillegg til den anioniske CS-kjeden inneholder kollagen-IX-molekylet et kationisk domene som gir en høyladningsfibril og en tendens til å interagere med andre matriksmakromolekyler.

Kollagen XI-typen er bare 2-3% av den totale massen av kollagener. Den tilhører den første klassen (danner fibriller) av kollagener og består av tre forskjellige a-kjeder. Sammen med kollagen typer II og IX danner type X kollagen heterotiske fibriller av leddbrusk. Molekyler av kollagen XI-type finnes i kollagenfibriller av type II ved hjelp av immunoelektromikroskopi. Kanskje de organiserer kollagen type II molekyler, styrer lateral vekst av fibriller og bestemmer diameteren for heterotypisk kollagenfibril. I tillegg er kollagen XI involvert i dannelsen av tverrbindinger, men selv i moden brusk, forblir de tverrgående bindingene i form av umodne divalente ketoaminer.

En liten mengde type VI kollagen, en annen representant for klasse III av kortspente molekyler, ble funnet i leddbrusk. Kollagen type VI danner forskjellige mikrofibriller og er muligens konsentrert i kapronmassen av kondronen.

Proteoglykaner er proteiner hvor minst en glykosaminoglykan-kjede er kovalent bundet. Proteoglykaner tilhører en av de mest komplekse biologiske makromolekylene. De mest omfattende proteoglykaner er tilstede i brusk VKM. "Entangled" inne i nettverket av kollagenfibriller, oppfyller hydrofile proteoglykaner deres hovedfunksjon - de informerer brusk om evnen til reversibel deformasjon. Det antas at proteoglycaner utfører en rekke andre funksjoner, hvis essens ikke er helt klart.

Aggrecan er den viktigste proteoglykanen av leddbrusk: Det er ca 90% av den totale massen av proteoglykaner i vevet. Kjerneproteinet av 230 kD er glykosylert av en rekke kovalent bundet glykosaminoglykan-kjeder, så vel som N-terminale og C-terminale oligosakkarider.

Glykosaminoglykan kjede av leddbrusk, som utgjør omtrent 90% av den totale vekt makromolekylene - keratansulfat (som representerer sekvensen fra sulfat disakkarid N-atsetilglyukozamingalaktoza flere sulfaterte deler og andre monosakkaridrester, slik som sialinsyre) og kondroitinsulfat (som representerer sekvensen fra disakkarid med N-acetylgalaktosamin, glukuronsyre, sulfatester, hver forbundet med den fjerde eller sjette karbonatom i den N-atsetilg lactosamine).

Kjernen til aggregatet inneholder tre kuleformede (G1, G2, G3) h to interglobulære (E1 og E2) domener. Den N-terminale regionen inneholder G- og G2-domener separert av et E1-segment med en lengde på 21 nm. C3-domene lokalisert ved C-terminus, adskilt fra G ₂ lenger tid (ca. 260 nm) E2 segment som bærer mer enn 100 kondroitinsulfat kjeder av ca. 15-25 keratansulfat kjeder og O-bundne oligosakkarider. N-bundne oligosakkarider som finnes hovedsakelig innenfor G1 og C2 områdene og E1-segment, samt nær G ₃ -regiona. Glykosaminoglykaner er gruppert i to regioner: den mest utvidet (såkalt region rik på kondroitinsulfat)-kjeden omfatter chondroitin sulfat og omtrent 50% av keratansulfat kjeder. Regionen rik på keratansulfater er lokalisert på E _2- segmentet nær G1-domenet og går foran regionen rik på kondroitinsulfater. Aggreganmolekyler inneholder også fosfatestere, lokalisert primært på xyloserester, som fester kondroitinsulfatkjeder til kjerneproteinet; de er også funnet på serinrester av kjerneproteinet.

Det C-terminale segmentet _av C3-domene er svært homologt med lektinet, slik at proteoglykanmolekylene kan fikseres i ECM ved binding til bestemte hydrokarbonstrukturer.

Nyere studier hadde funnet et ekson som koder for EGF-lignende (epidermal vekstfaktor), sub-domene innenfor G ₃. Ved bruk av anti-EGF polyklonale antistoffer ble en EGF-lignende epitop lokalisert innenfor et peptid på 68 kD i aggregatet av humant leddbrusk. Men dens funksjoner krever avklaring. Dette underdomen finnes også i strukturen av adhesjonsmolekyler som styrer migrering av lymfocytter. Bare omtrent en tredjedel av aggrecan molekylene isolert fra modne humane leddbrusk inneholde intakte C- ₃ -domenene i; sannsynligvis skyldes dette at i ECM, kan aggrecanmolekylene reduseres i størrelse ved enzymruten. Den videre skjebnen og funksjonen til de splitte fragmentene er ukjente.

Den viktigste funksjonelle segment er en aggrecan molekyl glikozaminoglikannesuschy E ₂ -segment. Siden, rik på keratansulfater, inneholder aminosyrene prolin, serin og treonin. De fleste serin og treoninrester O-glykosylerte N-atsetilgalaktozaminovymi rester, utløse de syntesen av visse oligosakkarider, som er innkapslet i de keratansulfat kjedene, for derved å forlenge dem. Resten av E _2- segmentet inneholder mer enn 100 serin-glycin-sekvenser der serien gir vedlegg til xylosylrester ved starten av kondroitinsulfatkjedene. Typisk og chondroitin-6-sulfat og kondroitin-4-sulfat eksistere samtidig innenfor samme proteoglykan molekyler av forholdet varierer avhengig av lokalisering av brusk og personens alder.

Strukturen av aggrecanmolekylene i matriksen av leddbrusk hos en person gjennomgår en rekke forandringer i modning og aldring. De aldringsrelaterte endringene inkluderer en reduksjon i hydrodynamisk størrelse som følge av endringer i gjennomsnittlig kjedelengde av kondroitinsulfater, en økning i antall og lengde av keratansulfatkjeder. En rekke endringer i aggrecanmolekylet gjennomgår også virkningen av proteolytiske enzymer (f.eks. Aggrecanase og stromelysin) på kjerneproteinet. Dette fører til en progressiv nedgang i gjennomsnittslengden av kjerneproteinet til aggrecanmolekylene.

Aggrecan-molekyler syntetiseres av kondrocytter og utskilles i ECM, hvor de danner aggregater stabilisert av molekyler av bindende proteiner. Denne aggregeringen inkluderer svært spesifikke ikke-kovalente og samvirkende interaksjoner mellom glukuronsyrefilamentet og nesten 200 molekyler aggrecans og bindingsproteiner. Glukuronsyre er en ekstracellulær, ikke-sulfonert, lineær glykosaminoglykan med stor molekylvekt, bestående av et antall sekvensielt bundet molekyler av N-acetylglukamin og glukuronsyre. De koblede sløyfer av G1-domenet av aggrecan vekselvirker reversibelt med fem på varandra følgende arrangerte hyaluronsyre-disakkarider. Bindingsproteinet, som inneholder lignende (høy-homologe) parrede sløyfer, interagerer med C1-domenet og hyaluronsyremolekylet og stabiliserer aggregatets struktur. C1-domene-hyaluronsyre-bindende proteinkomplekset danner en svært stabil interaksjon som beskytter G1-domenet og bindingsproteinet fra virkningen av proteolytiske enzymer. To molekyler av et bindende protein med en molekylvekt på 40-50 kD ble identifisert; De avviker fra hverandre i graden av glykosylering. Bare ett molekyl av bindingsproteinet er tilstede på hyaluronsyre-aggrecanbindingsstedet. Det tredje, mindre molekylet av bindingsproteinet dannes fra større proteiner ved proteolytisk spaltning.

Omtrent 200 molekyler aggrecan kan binde seg til et molekyl av hyaluronsyre for å danne et aggregat på 8 μm i lengde. I den celleassosierte matrisen, som består av de perikellulære og territoriale divisjoner, opprettholder aggregatene deres forbindelse med cellene ved å binde (gjennom filamentet av hyaluronsyre) til CD44-lignende reseptorene på cellemembranen.

Dannelsen av aggregater i ECM er en kompleks prosess. De nylig syntetiserte aggrecanmolekylene manifesterer ikke umiddelbart evnen til å binde seg til hyaluronsyre. Dette kan fungere som en reguleringsmekanisme som tillater nylig syntetiserte molekyler å nå den interterritoriale sone i matrisen før de blir immobilisert i store aggregater. Antallet nylig syntetiserte aggrecanmolekyler og bindingsproteiner som er i stand til å danne aggregater ved å interagere med hyaluronsyre, reduseres betydelig med alderen. I tillegg, med alderen, blir størrelsen på aggregater isolert fra leddbrusk hos en person betydelig redusert. Dette skyldes blant annet nedgangen i gjennomsnittslengden av molekyler av hyaluronsyre og aggrecanmolekyler.

Det er to typer aggregater i leddbrusk. Den gjennomsnittlige størrelsen på aggregatene av den første typen er 60 S, aggregatene av den andre typen (hurtig utfellende "superaggregater") er 120 S. Sistnevnte er preget av en overflod av molekyler av bindingsproteinet. Tilstedeværelsen av disse superagregatene kan spille en stor rolle i vevets funksjon; under reparasjon av vev etter immobilisering av en lem i de midtre lagene av leddbrusk finne høyere konsentrasjoner i de ledd som er påvirket med slitasjegikt, blir deres størrelser sterkt redusert i de tidlige stadier av sykdommen.

I tillegg til aggrecan inneholder leddbrusk et antall mindre proteoglykaner. Biglikan og decorin, molekyler med dermatan sulfater har en molekylvekt på henholdsvis 100 og 70 kD; massen av kjerneproteinet er ca. 30 kD.

I leddbrusk hos et menneske inneholder biglucan molekylet to kjeder av dermatan sulfat, mens den mer vanlige dekorasjonen er bare en. Disse molekylene utgjør kun en liten del av proteoglykaner i leddbrusk, selv om det kan være så mange av dem som store aggregerte proteoglykaner. Små proteoglykaner samhandle med andre makromolekyler i ECM, inkludert kollagenfibriller, fibronektin, vekstfaktorer og andre. Decorin opprinnelig var lokalisert på overflaten av kollagenfibriller og inhiberer collagen fibrillogenese. Kjerneproteinet holdes fast med det cellebindende domenet til fibronektin, og sannsynligvis forhindrer bindingen av sistnevnte til celleoverflate-reseptorer (integriner). På grunn av det faktum at både decorin og biglycan binder til fibronectin og inhibere celleadhesjon og migrasjon, så vel som trombedannelse, er de i stand til å hemme vev reparasjonsprosesser.

Fibromodulin av leddbrusk er en proteoglykan med en molekylvekt på 50-65 kD, assosiert med kollagenfibriller. Kjerneproteinet, homologt med kjerneproteinene i innredningen og bigakana, inneholder en stor mengde tyrosinsulfatrester. Denne glykosylerte formen av fibromodulin (tidligere kalt matrisprotein 59 kD) kan delta i reguleringen av dannelse og vedlikehold av strukturen av kollagenfibriller. Fibromodulin og decorin ligger på overflaten av kollagenfibriller. Således som tidligere antydet, bør økningen i fibrildiameter føres av selektiv fjerning av disse proteoglykaner (samt kollagen type IX-molekyler).

Articular brusk inneholder en rekke proteiner i VKM, som ikke tilhører enten proteoglykaner eller kollagener. De samhandler med andre makromolekyler for å danne et nettverk der de fleste VKM-molekyler er innarbeidet.

Ankerin, et protein med en masse på 34 kD, er lokalisert på overflaten av kondrocytter og i cellemembranen medierer samspillet mellom cellen og matrisen. På grunn av sin høye affinitet for kollagen type II, kan den fungere som en mekanoreceptor som overfører et signal om det forandrede trykket på kondrocytens fibril.

Fibronektin er en komponent i de fleste bruskbeinvev, noe forskjellig fra fibronektin av blodplasma. Det foreslås at fibronektin fremmer integrasjonen av matrisen ved å interagere med cellemembraner og andre matriksbestanddeler som kollagen type II og trombospondin. Fragmenter av fibronektin påvirker negativt metabolisme av kondrocytter - hemmer syntesen av aggrecan, stimulerer katabolske prosesser. I fellesvæsken hos pasienter med osteoartrose ble det funnet en høy konsentrasjon av fibronektinfragmenter, slik at de kan delta i sykdomspatogenesen i senere stadier. Sannsynligvis har fragmenter av andre matriksmolekyler som binder til kondrocytreseptorer også de samme effektene.

Brusk-oligomermatriksproteinet (OMPC), et medlem av trombospondin-superfamilien, er en pentamer med fem identiske underenheter med en molekylvekt på ca. 83 kD. De finnes i store mengder i leddbrusk, spesielt i laget av prolifererende celler i vekstvevet. Derfor, kanskje OMPCH deltar i reguleringen av cellevekst. Ved en mye lavere konsentrasjon finnes de i ECM av modent leddbrusk. Matriksproteiner blir også omtalt som:

• Det grunnleggende matriksprotein (36 kD), som har en høy affinitet for kondrocytter, kan mediate samspillet mellom celler i ECM, for eksempel under vevsmodellering;
• GP-39 (39 kD) uttrykkes i overflate laget av leddbrusk og i synovialmembranen (dens funksjoner er ukjente);
• 21 kD protein syntetiseres av hypertrophied chondrocytter, interagerer med X-type kollagen, kan fungere i "bølge-linje" sonen.

I tillegg er det tydelig at kondrocytter uttrykker de ikke-glykosylerte former av små ikke-aggregerte proteoglykaner ved bestemte stadier av bruskutvikling og i patologiske forhold, men deres spesifikke funksjon blir for tiden undersøkt.

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

Funksjonelle egenskaper av brusk i leddet

Molekyler av aggrecan gir leddbrusk muligheten til å gjennomgå reversibel deformasjon. De demonstrerer spesifikke interaksjoner innenfor det ekstracellulære rommet og utvilsomt spiller en viktig rolle i organisasjon, struktur og funksjon av ECM. I bruskvævet når aggrecane molekyler en konsentrasjon på 100 mg / ml. I brusk komprimeres Aggregan-molekylene til 20% av volumet de opptar i oppløsningen. Et tredimensjonalt nettverk dannet av kollagenfibriller informerer vevet av dets karakteristiske form og forhindrer økningen i volumet av proteoglykaner. Inne i kollagennettverket bærer immobile proteoglykaner en stor negativ elektrisk ladning (inneholder et stort antall anioniske grupper), som muliggjør interaksjon med mobile kationiske grupper av interstitialvæsken. Interagering med vann gir proteoglykaner det såkalte svulstrykket, som motvirkes av kollagenettet.

Tilstedeværelsen av vann i ECM er svært viktig. Vann bestemmer volumet av vev; assosiert med proteoglycaner, gir det motstand mot kompresjon. I tillegg gir vann transport av molekyler og diffusjon i ECM. Den høye tettheten av negativ ladning på store proteoglykaner fastgjort i vev skaper en "ekskludert volumseffekt". Porestørrelsen til den intrakonsentrerte løsningen av proteoglykaner er så liten at diffusjonen av store kuleformede proteiner i vevet er sterkt begrenset. VKM avviser små negativt ladede (f.eks. Kloridioner) og store (som albumin og immunglobuliner) proteiner. Størrelsen på celler i et tett nettverk av kollagenfibriller og proteoglycaner er kun hensiktsmessig med dimensjonene av noen uorganiske molekyler (for eksempel natrium og kalium, men ikke kalsium).

I VKM er noen mengde vann til stede i kollagenfibriller. Fysisk-kjemiske og biomekaniske egenskaper av brusk bestemmer ekstrafibrillar plass. Vanninnholdet i fibrillærrommet avhenger av konsentrasjonen av proteoglykaner i ekstrafibrillarområdet og øker med en reduksjon i konsentrasjonen av sistnevnte.

Den faste negative ladningen på proteoglykaner bestemmer ion-sammensetningen av det ekstracellulære medium som inneholder frie kationer i høy konsentrasjon og frie anioner i lav konsentrasjon. Siden konsentrasjonen av aggrecanmolekylene stiger fra overflaten til dyp sone i brusk, endres det ioniske miljøet i vevet. Konsentrasjonen av uorganiske ioner i ECM gir et høyt osmotisk trykk.

Egenskapene av brusk som et materiale er avhengig av samspillet mellom kollagenfibriller, proteoglykaner og væskefasen i vevet. Strukturelle og sammensetningsmessige endringer som følge av mistilpasning mellom den syntetiske og katabolske prosesser, og nedbrytning av makromolekyler av fysisk skade, i vesentlig grad påvirker materialegenskapene til brusk og endre dets funksjon. Siden konsentrasjonen, fordelingen og makro-molekylær organisering av kollagener og proteoglykaner varierer med dybden av brusk sonen, varierer de biomekaniske egenskapene til hver sone. For eksempel har det overflateareal med sin høye konsentrasjon av kollagenfibriler som er anordnet tangensialt med hensyn til den lave konsentrasjonen av proteoglykaner den mest uttalt motvirke strekking egenskaper, fordeler belastningen jevnt over vevsoverflaten. I overgangs- og dypsonene gir en høy konsentrasjon av proteoglycaner en vevsegenskap til overføringen av kompresjonsbelastningen. På nivået av den "bølgende linjen" varierer bruskens materialegenskaper skarpt fra den duktile, ikke-kalksifiserte sonen til den mer stive mineraliserte brusk. I området med "bølgete linjen" er styrken av vevet tilveiebragt av kollagennettverket. Bruskfibriller krysser ikke de bruskede delene; i forbindelsen med osteochondral vev Styrken fremskaffes ved hjelp av spesielle konturer grense mellom sonene nekaltsifitsirovannogo og kalsifiserte brus i form av fingerlignende utvekster uregelmessige, som "stenger" to lag og forhindrer at deres separasjon. Kalsifiserte brus er mindre tett enn det subkondrale ben, slik at den utfører funksjonen av et mellomsjikt som mykner den kompressive belastningen på brusk og subkondrale ben overfører den.

Under belastningen oppstår en kompleks fordeling av tre krefter-strekk, skjær og kompresjon. Artikkelmatrisen deformeres på grunn av utdrivelse av vann (samt metabolske produkter fra celler) fra lastsonen, øker konsentrasjonen av ioner i interstitialvæsken. Vannbevegelsen avhenger direkte av varigheten og styrken av den påførte belastningen og forsinkes av den negative ladningen av proteoglykaner. På proteoglykaner tid vev deformasjon mer tett presset mot hverandre, for derved effektivt å øke den negative ladningstettheten og intramolekylære frastøtende negative ladningskrefter i sin tur øke motstanden mot ytterligere deformasjon av stoffet. Til syvende og sist deformasjonen når likevekt, karakterisert ved at de ytre krefter er balanserte indre lastmotstandskreftene - svelletrykket (interaksjonen med ioner proteoglykaner) og mekaniske påkjenninger (interaksjons proteoglykaner og kollagen). Når lasten er eliminert, oppnår det bruskvævet sin opprinnelige form ved å suge vann sammen med næringsstoffene. Den første (pre-load) vevformen oppnås når svulstrykket av proteoglykaner balanseres av motstanden av kollagennettverket til deres spredning.

Biomekaniske egenskaper av leddbrusk er basert på den strukturelle integritet av det stoff - kollagen-proteoglykan sammensetning som en fast fase og vann og ioner oppløst deri som en flytende fase. Uten lasten er det hydrostatiske trykket i leddbrusk ca. 1-2 atm. Dette hydrostatiske trykket kan øke in vivo til 100-200 atm. I millisekunder under stående og opptil 40-50 atm under gangavstand. Studier in vitro har vist at det hydrostatiske trykk på 50-150 atm (fysiologisk) for en kort tid fører til en moderat vekst av brusk anabolisme, 2 timer - fører til tap av væske brusk, men ikke å forårsake noen andre endringer. Spørsmålet er hvor fort chondrocytene reagerer in vivo for denne typen last.

Induced reduksjon av hydrering med etterfølgende økning i konsentrasjonen av proteoglykaner fører til tiltrengning av positivt ladede ioner, slik som H ⁺ og Na ⁺. Dette fører til en endring i total ionsammensetning og pH i ECM og kondrocytter. Langvarig lasting induserer en reduksjon i pH og en samtidig reduksjon i syntesen av proteoglykaner ved kondrocytter. Kanskje er påvirkning av det ekstracellulære ioniske miljøet på syntetiske prosesser også delvis relatert til dets effekt på ECMs sammensetning. De nylig syntetiserte molekylene av aggrecan i et svakt surt medium senere enn i normale forhold modner seg til aggregerte former. Det er sannsynlig at en reduksjon i pH rundt kondrocytter (for eksempel under en belastning) tillater mer nylig syntetiserte aggrecane molekyler å nå den interterritoriale matrisen.

Når lasten er eliminert, kommer vannet tilbake fra synovialhulen, og bærer næringsstoffer til cellene. Brusken berørt med osteoartritt, proteoglykan konsentrasjon senkes, at man under lasting beveger vannet seg ikke bare vertikalt i leddhulen, men også i andre retninger, for derved å redusere kraft kondrocytter.

Immobilisering eller liten belastning fører til en markert reduksjon i de syntetiske prosesser av brusk proteoglykan innhold og, mens økningen i dynamisk belastning fører til en moderat økning proteoglykansyntese og innhold .. Intens trening (20 km om dagen i 15 uker) hos hunder forårsaket en endring i innholdet av proteoglykaner spesielt en sterk reduksjon i konsentrasjonen i overflatesonen. Det var noen reversibel oppmykning av brusk og subchondral bein ombygging. En stor statisk belastning forårsaket imidlertid bruskskade og påfølgende degenerasjon. I tillegg er tap av aggrecan ECM utløser unormale forandringer som er karakteristiske for osteoartritt. Tapet av aggrecan fører til push-pull vann og hevelse av den gjenværende lille mengde av proteoglykaner. Denne fortynning reduserer aggrecan lokal faste ladningstetthet, og til slutt fører til en endring i osmolaritet.