Osteoartriit: kuidas on liigeskõhre organiseeritud?

Normaalne liigesekõhre täidab kahte peamist funktsiooni: neelab mehaanilise koormuse ajal deformatsiooni teel survet ja tagab liigesepindade sileduse, mis võimaldab minimeerida hõõrdumist liigeste liikumise ajal. Selle tagab liigesekõhre ainulaadne struktuur, mis koosneb rakuvälise maatriksi (ECM) sisse kastetud kondroitiinidest.

Täiskasvanu normaalne liigesekõhre võib jagada mitmeks kihiks või tsooniks: pindmine ehk tangentsiaalne tsoon, üleminekutsoon, sügav ehk radiaalne tsoon ja kaltsineerunud tsoon. Pindmise ja üleminekutsooni ning eriti ülemineku- ja sügava tsooni vahelisel kihil ei ole selgeid piire. Mittekaltsineerunud ja kaltsineerunud liigesekõhre ühenduskohta nimetatakse "laineliseks piiriks" – jooneks, mis on nähtav kaltsineerunud koe värvimisel. Kõhre kaltsineerunud tsoon moodustab kõhre kogu ristlõikekõrgusest suhteliselt konstantse osa (6–8%). Liigese kõhre kogupaksus, sealhulgas kaltsineerunud kõhre tsoon, varieerub sõltuvalt liigesepinna konkreetse piirkonna koormusest ja liigese tüübist. Vahelduv hüdrostaatiline rõhk subhondraalses luus mängib olulist rolli kõhre normaalse struktuuri säilitamisel, aeglustades luustumist.

Kondrotsüüdid moodustavad ligikaudu 2-3% kogu koe massist; pindmises (tangentsiaalses) tsoonis paiknevad nad piki ja sügavas (radiaalses) tsoonis - risti kõhre pinnaga; üleminekutsoonis moodustavad kondrotsüüdid 2-4 rakust koosnevaid rühmi, mis on hajutatud kogu maatriksi ulatuses. Sõltuvalt liigesekõhre tsoonist varieerub kondrotsüütide tihedus - suurim rakkude tihedus on pindmises tsoonis, madalaim - kaltsifitseeritud tsoonis. Lisaks varieerub rakkude jaotustihedus liigest liigesesse, see on pöördvõrdeline kõhre paksuse ja vastava piirkonna koormusega.

Kõige pealiskaudsemalt paiknevad kondrotsüüdid on kettakujulised ja moodustavad mitu rakukihti tangentsiaalses tsoonis, mis paikneb kitsa maatriksiriba all; selle tsooni sügavamal paiknevatel rakkudel on tavaliselt ebaühtlasemad kontuurid. Üleminekutsoonis on kondrotsüüdid sfäärilised, mõnikord ühenduvad nad maatriksis hajutatud väikesteks rühmadeks. Sügava tsooni kondrotsüüdid on valdavalt ellipsoidse kujuga, rühmitatud radiaalselt paiknevateks 2-6 rakust koosnevateks ahelateks. Kaltsifitseeritud tsoonis on nad jaotunud veelgi hõredamalt; mõned neist on nekrootilised, kuigi enamik on elujõulised. Rakke ümbritseb kaltsifitseerimata maatriks, rakkudevaheline ruum on kaltsifitseeritud.

Seega koosneb inimese liigesekõhre hüdreeritud rakuvälisest kihist (ECM) ja selles paiknevatest rakkudest, mis moodustavad 2-3% kogu koemahust. Kuna kõhrkoel puuduvad vere- ega lümfisooned, toimub rakkude omavaheline interaktsioon, toitainete kohaletoimetamine neile ja ainevahetusproduktide eemaldamine difusiooni teel läbi ECM-i. Vaatamata asjaolule, et kondrotsüüdid on ainevahetuslikult väga aktiivsed, ei jagune nad täiskasvanutel tavaliselt. Kondrotsüüdid eksisteerivad hapnikuvabas keskkonnas ja arvatakse, et nende ainevahetus on valdavalt anaeroobne.

Iga kondrotsüüti peetakse kõhre eraldi ainevahetusüksuseks, mis on küll naaberrakkudest isoleeritud, kuid vastutab annetatud raku vahetus läheduses ECM-elementide tootmise ja selle koostise säilitamise eest.

ECM jaguneb kolmeks osaks, millel kõigil on ainulaadne morfoloogiline struktuur ja spetsiifiline biokeemiline koostis. Kondrotsüütide basaalmembraaniga vahetult külgnevat ECM-i nimetatakse peritsellulaarseks ehk lakunaarmaatriksiks. Seda iseloomustab kõrge proteoglükaani agregaatide sisaldus, mis on rakuga seotud hüaluroonhappe ja CD44-sarnaste retseptorite interaktsiooni kaudu, ning organiseeritud kollageenfibrillide suhteline puudumine. Peritsellulaarse maatriksiga otse külgneb territoriaalne ehk kapslimaatriks, mis koosneb ristuvate fibrillaarsete kollageenide võrgustikust, mis kapseldab üksikuid rakke või (mõnikord) rakurühmi, moodustades kondroni ja pakkudes rakkudele tõenäoliselt spetsiaalset mehaanilist tuge. Kondrotsüütide kontakt kapslimaatriksiga saavutatakse arvukate mikrofilamentide poolest rikaste tsütoplasmaatiliste protsesside kaudu, samuti spetsiifiliste maatriksmolekulide, näiteks ankoriini ja CD44-sarnaste retseptorite kaudu. ECM-i suurim ja kondrotsüütide basaalmembraanist kõige kaugemal asuv osa on interterritoriaalne maatriks, mis sisaldab kõige rohkem kollageenfibrille ja proteoglükaane.

ECM-i jaotus sektsioonideks on täiskasvanud liigesekõhre puhul selgemini määratletud kui ebaküpses liigesekõhre puhul. Iga sektsiooni suhteline suurus varieerub mitte ainult liigeste vahel, vaid isegi sama kõhre sees. Iga kondrotsüüt toodab seda ümbritsevat maatriksit. Uuringute kohaselt avaldavad küpse kõhrkoe kondrotsüüdid aktiivset metaboolset kontrolli oma peritsellulaarsete ja territoriaalsete maatriksite üle ning vähem aktiivset kontrolli interterritoriaalse maatriksi üle, mis võib olla metaboolselt "inertne".

Nagu varem mainitud, koosneb liigesekõhre peamiselt ulatuslikust rakuvälisest maatriksist (ECM), mida sünteesivad ja reguleerivad kondrotsüüdid. Koe makromolekulid ja nende kontsentratsioonid muutuvad kogu elu jooksul vastavalt muutuvatele funktsionaalsetele vajadustele. Siiski jääb ebaselgeks, kas rakud sünteesivad kogu maatriksi samaaegselt või teatud faasides vastavalt füsioloogilistele vajadustele. Makromolekulide kontsentratsioon, nendevaheline ainevahetuslik tasakaal, nende omavahelised seosed ja interaktsioonid määravad liigesekõhre biokeemilised omadused ja seega ka funktsiooni ühes liigeses. Täiskasvanud liigesekõhre ECM-i peamine komponent on vesi (65–70% kogumassist), mis on selles kindlalt seotud tänu kõhrekoe makromolekulide erilistele füüsikalistele omadustele, mis on osa kollageenidest, proteoglükaanidest ja mittekollageensetest glükoproteiinidest.

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

Kõhre biokeemiline koostis

Kollageenkiud koosnevad fibrillaarse valgu kollageeni molekulidest. Imetajatel moodustab kollageen veerandi kõigist keha valkudest. Kollageen moodustab fibrillaarseid elemente (kollageenfibrille), mis koosnevad struktuuriühikutest, mida nimetatakse tropokollageeniks. Tropokollageeni molekulil on kolm ahelat, mis moodustavad kolmikheeliksi. See tropokollageeni molekuli struktuur, nagu ka kollageenkiu struktuur, kui need molekulid paiknevad pikisuunas paralleelselt, konstantse umbes 1/4 pikkuse nihkega, annab kudedele, milles nad asuvad, suure elastsuse ja tugevuse. Praegu on teada 10 geneetiliselt erinevat tüüpi kollageeni, mis erinevad α-ahelate keemilise struktuuri ja/või nende molekulis paiknemise poolest. Neli esimest paremini uuritud kollageenitüüpi on võimelised moodustama kuni 10 molekulaarset isovormi.

Kollageenfibrillid on osa enamiku sidekudede, sealhulgas kõhre, rakuvälisest ruumist. Lahustumatusse kolmemõõtmelisse ristuvate kollageenfibrillide võrgustikku on põimunud ka teisi lahustuvamaid komponente, näiteks proteoglükaane, glükoproteiine ja koepõhiseid valke; need on mõnikord kovalentselt seotud kollageenielementidega.

Fibrillideks organiseerunud kollageenimolekulid moodustavad umbes 50% kõhre orgaanilisest kuivjäägist (10-20% natiivsest kõhrest). Küpses kõhres on umbes 90% kollageenidest II tüüpi kollageenid, mida leidub ainult mõnedes kudedes (nt klaaskehas, embrüonaalses seljaajus). II tüüpi kollageen kuulub I klassi (fibrille moodustavate) kollageenimolekulide hulka. Lisaks sellele sisaldab küps inimese liigesekõhre ka IX, XI tüüpi ja vähesel määral VI tüüpi kollageene. IX tüüpi kollageenikiudude suhteline hulk kollageenifibrillides väheneb loote kõhre 15%-lt umbes 1%-ni küpse veise kõhre puhul.

I tüüpi kollageeni molekulid koosnevad kolmest identsest polüpeptiid α, (II)-ahelast, mis sünteesitakse ja sekreteeritakse prokollageeni eelkäijana. Kui valmis kollageeni molekulid vabanevad rakuvälisesse ruumi, moodustavad nad fibrille. Küpses liigesekõhres moodustab II tüüpi kollageen fibrillaarseid arkaade, milles "paksemad" molekulid paiknevad koe sügavamates kihtides ja "õhemad" paiknevad horisontaalselt pindmistes kihtides.

Prokollageeni II tüüpi geenis on leitud tsüsteiinirikast N-terminaalset propeptiidi kodeeriv ekson. Seda eksonit ei ekspresseerita küpses kõhres, vaid arengu algstaadiumis (eelkondrogenees). Selle eksoni olemasolu tõttu on prokollageeni II tüüpi molekul (tüüp II A) pikem kui kollageeni II tüüpi molekul. Tõenäoliselt pärsib seda tüüpi prokollageeni ekspressioon elementide akumuleerumist liigesekõhre rakuvälise maatriksi (ECM) kujul. See võib mängida teatud rolli kõhre patoloogia arengus (nt ebapiisav reparatiivne reaktsioon, osteofüütide moodustumine jne).

II tüüpi kollageenifibrillide võrgustik täidab venituskindluse funktsiooni ning on vajalik koe mahu ja kuju säilitamiseks. Seda funktsiooni tugevdavad kollageenimolekulide vahelised kovalentsed ja ristsidemed. ECM-is moodustab ensüüm lüsüüloksüdaas hüdroksüülsiinist aldehüüdi, mis seejärel muundatakse mitmevalentseks aminohappeks hüdroksüülüülpüridinoliiniks, mis moodustab ahelate vahele ristsidemeid. Ühelt poolt suureneb selle aminohappe kontsentratsioon vanusega, kuid küpses kõhres jääb see praktiliselt muutumatuks. Teisest küljest on liigesekõhredes vanusega täheldatud erinevat tüüpi ensüümide osaluseta moodustunud ristsidemete kontsentratsiooni suurenemist.

Umbes 10% kõhrkoe kollageenide koguhulgast on nn minoorsed kollageenid, mis määravad suuresti selle koe ainulaadse funktsiooni. IX tüüpi kollageen kuulub III klassi lühikese heeliksi molekulide ja ainulaadse FACIT-kollageenide (fibrillidega seotud kollageen katkestatud kolmikheeliksitega) rühma. See koosneb kolmest geneetiliselt erinevast ahelast. Üks neist, _a2- ahel, on glükosüülitud samaaegselt kondroitiinsulfaadiga, mis muudab selle molekuli proteoglükaaniks. IX tüüpi ja II tüüpi kollageeni spiraalsete segmentide vahel leidub nii küpseid kui ka ebaküpseid hüdroksüpüridiini ristsidemeid. Kollageen IX võib toimida ka molekulidevahelise-fibrillaarse "ühenduslülina" (või sillana) külgnevate kollageenifibrillide vahel. Kollageen IX molekulid moodustavad omavahel ristsidemeid, mis suurendab fibrillaarse kolmemõõtmelise võrgustiku mehaanilist stabiilsust ja kaitseb seda ensüümide mõju eest. Samuti pakuvad nad vastupidavust deformatsioonile, piirates võrgustikus asuvate proteoglükaanide turset. Lisaks anioonsele CS-ahelale sisaldab kollageen IX molekul katioonset domeeni, mis annab fibrillile suure laengu ja kalduvuse suhelda teiste maatriksi makromolekulidega.

XI tüüpi kollageen moodustab kollageeni kogumassist vaid 2–3%. See kuulub I klassi (fibrille moodustavad) kollageenide hulka ja koosneb kolmest erinevast α-ahelast. Koos II ja IX tüüpi kollageeniga moodustab XI tüüpi kollageen liigesekõhre heterotüüpseid fibrille. II tüüpi kollageenifibrillides on immunoelektromikroskoopia abil tuvastatud XI tüüpi kollageeni molekule. Need tõenäoliselt organiseerivad II tüüpi kollageeni molekule, kontrollides fibrillide külgmist kasvu ja määrates heterotüüpse kollageenifibrilli läbimõõdu. Lisaks osaleb XI kollageen ristsidemete moodustamises, kuid isegi küpses kõhres jäävad ristsidemed ebaküpsete kahevalentsete ketoamiinide kujul.

Liigesekõhredes leidub väikeses koguses VI tüüpi kollageeni, mis kuulub samuti III klassi lühikese heeliksi molekulide hulka. VI tüüpi kollageen moodustab mitmesuguseid mikrofibrille ja on tõenäoliselt koondunud kondroni kapsli maatriksi.

Proteoglükaanid on valgud, mille külge on kovalentselt kinnitatud vähemalt üks glükosaminoglükaani ahel. Proteoglükaanid on ühed keerukamad bioloogilised makromolekulid. Proteoglükaane leidub kõige rohkem kõhre rakuvälise maatriksi (ECM) sees. Kollageenifibrillide võrgustikku "põimununa" täidavad hüdrofiilsed proteoglükaanid oma peamist funktsiooni – nad annavad kõhrele võime pöörduvalt deformeeruda. Eeldatakse, et proteoglükaanid täidavad ka mitmeid teisi funktsioone, mille olemus pole täiesti selge.

Aggrekaan on liigesekõhre peamine proteoglükaan, moodustades ligikaudu 90% koe kogu proteoglükaani massist. Selle 230 kD suurune tuumikvalk on glükosüülitud mitmete kovalentselt seotud glükosaminoglükaani ahelate ning N-terminaalsete ja C-terminaalsete oligosahhariidide abil.

Liigesekõhre glükosaminoglükaani ahelad, mis moodustavad umbes 90% makromolekulide kogumassist, on keratansulfaat (sulfaaditud disahhariidi N-atsetüülglükosaminolaktoosi järjestus mitmete sulfaaditud saitide ja teiste monosahhariidi jääkidega, näiteks siaalhape) ja kondroitiinsulfaat (disahhariidi N-atsetüülgalaktosamiinglükuroonhappe järjestus, mille sulfaatester on seotud N-atsetüülgalaktosamiini iga neljanda või kuuenda süsinikuaatomiga).

Aggrekaani tuumikvalk sisaldab kolme globulaarset (G1, G2, G3) ja kahte interglobulaarset (E1 ja E2) domeeni. N-terminaalne piirkond sisaldab G1 ja G2 domeene, mida eraldab 21 nm pikkune E1 segment. C-terminaalses piirkonnas paiknev C3 domeen on G2-st eraldatud _pikema (umbes 260 nm) E2 segmendiga, mis kannab enam kui 100 kondroitiinsulfaadi ahelat, umbes 15–25 keratiinsulfaadi ahelat ja O-seotud oligosahhariide. N-seotud oligosahhariide leidub peamiselt G1 ja C2 domeenides ning E1 segmendis, samuti G3 _piirkonna lähedal. Glükosaminoglükaanid on rühmitatud kahte piirkonda: pikim (nn kondroitiinsulfaadirikas piirkond) sisaldab kondroitiinsulfaadi ahelaid ja umbes 50% kerataansulfaadi ahelaid. Kerataansulfaadirikas piirkond asub E2 _segmendis G1 domeeni lähedal ja eelneb kondroitiinsulfaadirikkale piirkonnale. Aggrekaani molekulid sisaldavad ka fosfaatestreid, mis paiknevad peamiselt ksüloosi jääkidel, mis kinnitavad kondroitiinsulfaadi ahelaid tuumavalgu külge; neid leidub ka tuumavalgu seriini jääkidel.

_{C3 domeeni} C-terminaalne segment on lektiiniga väga homoloogne, võimaldades proteoglükaani molekulidel ECM-is fikseerida, seondudes teatud süsivesikute struktuuridega.

Hiljutised uuringud on tuvastanud G3 sees EGF-sarnast alamdomeeni kodeeriva eksoni _. EGF-vastaste polüklonaalsete antikehade abil lokaliseeriti EGF-sarnane epitoop inimese liigesekõhre aggrekaani 68-kD peptiidis. Selle funktsioon vajab aga veel selgitamist. Seda alamdomeeni leidub ka adhesioonimolekulides, mis kontrollivad lümfotsüütide migratsiooni. Ainult umbes kolmandik küpsest inimese liigesekõhredest eraldatud aggrekaani molekulidest sisaldab tervet C3 _domeeni; see on tõenäoliselt tingitud asjaolust, et aggrekaani molekulide suurust saab rakuvälise maatriksi (ECM) abil ensümaatiliselt vähendada. Lõhustatud fragmentide saatus ja funktsioon on teadmata.

Aggrekaani molekuli peamine funktsionaalne segment on glükosaminoglükaani sisaldav E2 _segment. See keratansulfaatide rikas piirkond sisaldab aminohappeid proliin, seriin ja treoniin. Enamik seriini ja treoniini jääkidest on O-glükosüülitud N-atsetüülgalaktosamiini jääkidega; need initsieerivad teatud oligosahhariidide sünteesi, mis inkorporeeritakse keratansulfaadi ahelatesse, pikendades neid seeläbi. Ülejäänud E2 _segment sisaldab enam kui 100 seriin-glütsiini järjestust, milles seriin tagab kinnituse ksülosüüli jääkidele kondroitiinsulfaadi ahelate alguses. Tavaliselt eksisteerivad nii kondroitiin-6-sulfaat kui ka kondroitiin-4-sulfaat samaaegselt samas proteoglükaani molekulis, nende suhe varieerub sõltuvalt kõhrekoe lokaliseerimisest ja inimese vanusest.

Inimese liigesekõhre maatriksi agrekaani molekulide struktuur läbib küpsemise ja vananemise käigus mitmeid muutusi. Vananemisega seotud muutuste hulka kuuluvad hüdrodünaamilise suuruse vähenemine kondroitiinsulfaadi ahelate keskmise pikkuse muutuse tõttu ning keratansulfaadi ahelate arvu ja pikkuse suurenemine. Mitmed agrekaani molekuli muutused on põhjustatud ka proteolüütiliste ensüümide (nt agrekanaas ja stromelesiin) toimest tuumavalgule. Selle tulemuseks on agrekaani molekuli tuumavalgu keskmise pikkuse järkjärguline vähenemine.

Agrekaani molekulid sünteesitakse kondrotsüütides ja sekreteeritakse rakuvälise maatriksi (ECM), kus nad moodustavad agregaate, mida stabileerivad linkervalgu molekulid. See agregatsioon hõlmab väga spetsiifilisi mittekovalentseid ja kooperatiivseid interaktsioone glükuroonhappe ahela ja ligi 200 agrekaani ja linkervalgu molekuli vahel. Glükuroonhape on rakuväline, sulfaatimata, suure molekulmassiga lineaarne glükosaminoglükaan, mis koosneb mitmest järjestikku seotud N-atsetüülglükoosamiini ja glükuroonhappe molekulist. Agrekaani G1 domeeni paardunud silmused interakteeruvad pöörduvalt viie järjestikku paikneva hüaluroonhappe disahhariidiga. Linkervalk, mis sisaldab sarnaseid (väga homoloogseid) paardunud silmuseid, interakteerub C1 domeeni ja hüaluroonhappe molekuliga ning stabiliseerib agregaadi struktuuri. C1 domeeni, hüaluroonhappe ja siduva valgu kompleks moodustab väga stabiilse interaktsiooni, mis kaitseb G1 domeeni ja siduvat valku proteolüütiliste ensüümide toime eest. On identifitseeritud kaks siduva valgu molekuli molekulmassiga 40-50 kDa; need erinevad üksteisest glükosüülimise astme poolest. Hüaluroonhappe ja aggrekaani sideme kohas asub ainult üks seondumisvalgu molekul. Kolmas, väiksem seondumisvalgu molekul moodustub suurematest proteolüütilise lõhustumise teel.

Umbes 200 agrekaani molekuli suudavad ühe hüaluroonhappe molekuliga seonduda, moodustades 8 μm pikkuse agregaadi. Rakuga seotud maatriksis, mis koosneb peritsellulaarsetest ja territoriaalsetest sektsioonidest, säilitavad agregaadid oma seotuse rakkudega, seondudes (hüaluroonhappe niidi kaudu) rakumembraanil asuvate CD44-sarnaste retseptoritega.

Agregaatide moodustumine rakuvälise maatriksi (ECM) sees on keeruline protsess. Äsjasünteesitud agrekaani molekulid ei ole koheselt võimelised hüaluroonhappega seonduma. See võib toimida regulatiivse mehhanismina, mis võimaldab äsjasünteesitud molekulidel jõuda maatriksi interterritoriaalsesse tsooni enne, kui need immobiliseeritakse suurteks agregaatideks. Äsjasünteesitud agrekaani molekulide ja hüaluroonhappega suheldes agregaate moodustada võimeliste siduvate valkude arv väheneb vanusega oluliselt. Lisaks väheneb vanusega oluliselt ka inimese liigesekõhredest eraldatud agregaatide suurus. See on osaliselt tingitud hüaluroonhappe molekulide ja agrekaani molekulide keskmise pikkuse vähenemisest.

Liigesekõhredes on tuvastatud kahte tüüpi agregaate. Esimese tüübi agregaatide keskmine suurus on 60 S, teise tüübi (kiiresti sadestuvad "superagregaadid") oma aga 120 S. Viimast iseloomustab siduva valgu molekulide rohkus. Nende superagregaatide olemasolu võib mängida olulist rolli koe toimimises; koe taastumisel pärast jäseme immobiliseerimist leitakse nende suuremad kontsentratsioonid liigesekõhre keskmistes kihtides, samas kui osteoartroosist mõjutatud liigeses on nende suurused haiguse algstaadiumis oluliselt vähenenud.

Lisaks aggrekaanile sisaldab liigesekõhre mitmeid väiksemaid proteoglükaane. Biglikaani ja dekoriini, dermataansulfaate kandvate molekulide, molekulmassid on vastavalt umbes 100 ja 70 kDa; nende põhivalgu mass on umbes 30 kDa.

Inimese liigesekõhre biglükaani molekul sisaldab kahte dermataansulfaadi ahelat, samas kui levinum dekoriin sisaldab ainult ühte. Need molekulid moodustavad vaid väikese osa liigesekõhre proteoglükaanidest, kuigi neid võib olla sama palju kui suuri agregeerunud proteoglükaane. Väikesed proteoglükaanid interakteeruvad rakuvälise maatriksi (ECM) teiste makromolekulidega, sealhulgas kollageenifibrillide, fibronektiini, kasvufaktoritega jne. Dekoriin lokaliseerub peamiselt kollageenifibrillide pinnale ja pärsib kollageeni fibrillogeneesi. Tuumavalk on tihedalt seotud fibronektiini raku sidumisdomeeniga, takistades seeläbi tõenäoliselt viimase seondumist rakupinna retseptoritega (integriinidega). Kuna nii dekoriin kui ka biglükaan seonduvad fibronektiiniga ja pärsivad rakkude adhesiooni ja migratsiooni, samuti trombi moodustumist, on nad võimelised pärssima kudede taastumisprotsesse.

Liigesekõhre fibromoduliin on proteoglükaan molekulmassiga 50–65 kD, mis on seotud kollageeni fibrillidega. Selle tuumavalk, mis on homoloogne dekoriini ja biglükaani tuumavalkudega, sisaldab suurel hulgal türosiinsulfaadi jääke. See glükosüülitud fibromoduliini vorm (varem nimetatud 59 kD maatriksvalguks) võib osaleda kollageeni fibrillide moodustumise ja struktuuri säilitamise regulatsioonis. Fibromoduliin ja dekoriin paiknevad kollageeni fibrillide pinnal. Seega, nagu varem märgitud, peaks fibrillide läbimõõdu suurenemisele eelnema nende proteoglükaanide (ja ka IX tüüpi kollageeni molekulide) selektiivne eemaldamine.

Liigesekõhre rakuvälise maatriksi (ECM) struktuuris on mitmeid valke, mis ei ole ei proteoglükaanid ega kollageenid. Need interakteeruvad teiste makromolekulidega, moodustades võrgustiku, mis hõlmab enamikku ECM-i molekulidest.

Ankoriin, 34 kD valk, lokaliseerub kondrotsüütide pinnal ja rakumembraanis, vahendades interaktsioone raku ja maatriksi vahel. Tänu oma kõrgele afiinsusele II tüüpi kollageeni suhtes võib see toimida mehaanoretseptorina, edastades kondrotsüütidele signaali fibrillile avaldatava rõhu muutuse kohta.

Fibronektiin on enamiku kõhrede komponent ja erineb veidi plasma fibronektiinist. Arvatakse, et fibronektiin soodustab maatriksi integratsiooni, suheldes rakumembraanide ja teiste maatriksi komponentidega, näiteks II tüüpi kollageeni ja trombospondiiniga. Fibronektiini fragmentidel on negatiivne mõju kondrotsüütide metabolismile: nad pärsivad aggrekaani sünteesi ja stimuleerivad kataboolseid protsesse. Osteoartriidiga patsientide liigesevedelikus on leitud suuri fibronektiini fragmentide kontsentratsioone, seega võivad need osaleda haiguse patogeneesis hilisemates staadiumides. Teiste maatriksi molekulide fragmentidel, mis seonduvad kondrotsüütide retseptoritega, on tõenäoliselt sarnane toime.

Kõhrli oligomeerne maatriksvalk (OMPC), mis kuulub trombospondiinide superperekonda, on viie identse subühikuga pentameer, mille molekulmass on umbes 83 kDa. Neid leidub suurtes kogustes liigesekõhredes, eriti kasvava koe prolifereeruvate rakkude kihis. Seetõttu on võimalik, et OMPC osaleb rakkude kasvu regulatsioonis. Küpse liigesekõhre rakuvälise maatriksmatriksi (ECM) kontsentratsioonides leidub neid palju madalamates kontsentratsioonides. Maatriksvalkude hulka kuuluvad ka:

• aluseline maatriksvalk (36 kDa), millel on kondrotsüütide suhtes kõrge afiinsus, võib vahendada rakkudevahelisi interaktsioone rakuvälise maatriksi (ECM) sees, näiteks kudede ümberehituse ajal;
• GP-39 (39 kDa) ekspresseerub liigesekõhre pindmises kihis ja sünoviaalmembraanis (selle funktsioonid on teadmata);
• 21 kD valku sünteesivad hüpertrofeerunud kondrotsüüdid, see interakteerub X-tüüpi kollageeniga ja võib toimida "lainelise joone" tsoonis.

Lisaks on ilmne, et kondrotsüüdid ekspresseerivad kõhre arengu teatud etappides ja patoloogilistes tingimustes väikeste mitteagregeerunud proteoglükaanide glükosüülimata vorme, kuid nende spetsiifilist funktsiooni uuritakse praegu.

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

Liigese kõhre funktsionaalsed omadused

Agrekaani molekulid annavad liigesekõhrele võime pöörduvalt deformeeruda. Neil on spetsiifilised interaktsioonid rakuvälise ruumi piires ning nad mängivad kahtlemata olulist rolli rakuvälise maatriksi (ECM) organisatsioonis, struktuuris ja funktsioonis. Kõhrkoes saavutavad agrekaani molekulide kontsentratsiooni 100 mg/ml. Kõhrkoes surutakse agrekaani molekulid kokku 20%-ni nende lahuses hõivatud mahust. Kollageenifibrillidest moodustunud kolmemõõtmeline võrgustik annab koele iseloomuliku kuju ja takistab proteoglükaanide mahu suurenemist. Kollageenivõrgustikus kannavad liikumatud proteoglükaanid suurt negatiivset elektrilaengut (need sisaldavad suurt hulka anioonseid rühmi), mis võimaldab neil suhelda interstitsiaalse vedeliku liikuvate katioonsete rühmadega. Veega suheldes tekitavad proteoglükaanid nn paisumisrõhu, millele kollageenivõrgustik vastu astub.

Vee olemasolu rakuvälise meediumi (ECM) sees on väga oluline. Vesi määrab koe mahu; proteoglükaanidega seondununa pakub see vastupidavust kokkusurumisele. Lisaks tagab vesi molekulide transpordi ja difusiooni ECM-is. Koes fikseeritud suurte proteoglükaanide kõrge negatiivse laengu tihedus loob "välistatud mahu efekti". Proteoglükaanide intrakontsentreeritud lahuse pooride suurus on nii väike, et suurte globulaarsete valkude difusioon koesse on järsult piiratud. ECM tõrjub eemale väikeseid negatiivselt laetud valke (nt kloriidioone) ja suuri valke (nagu albumiin ja immunoglobuliinid). Kollageenifibrillide ja proteoglükaanide tihedas võrgustikus olevate rakkude suurus on võrreldav ainult mõnede anorgaaniliste molekulide suurusega (nt naatriumi ja kaaliumi, kuid mitte kaltsiumi).

ECM-is leidub kollageenifibrillides vett. Ekstrafibrillaarne ruum määrab kõhre füüsikalis-keemilised ja biomehaanilised omadused. Veesisaldus intrafibrillaarses ruumis sõltub proteoglükaanide kontsentratsioonist ekstrafibrillaarses ruumis ja suureneb viimaste kontsentratsiooni vähenemisega.

Proteoglükaanide fikseeritud negatiivne laeng määrab rakuvälise keskkonna ioonkoostise, mis sisaldab suures kontsentratsioonis vabu katioone ja väikeses kontsentratsioonis vabu anioone. Aggrekaani molekulide kontsentratsiooni suurenedes kõhre pindmisest tsoonist sügavamale tsoonile muutub koe ioonkeskkond. Anorgaaniliste ioonide kontsentratsioon rakuvälise meediumi (ECM) sees tekitab kõrge osmootse rõhu.

Kõhre materiaalsed omadused sõltuvad kollageenifibrillide, proteoglükaanide ja koe vedelfaasi vastastikmõjust. Sünteesi ja katabolismi protsesside lahknevusest, makromolekulide lagunemisest ja füüsilisest traumast tingitud struktuurilised ja koostiselised muutused mõjutavad oluliselt kõhre materiaalseid omadusi ja muudavad selle funktsiooni. Kuna kollageenide ja proteoglükaanide kontsentratsioon, jaotumine ja makromolekulaarne organisatsioon muutuvad sõltuvalt kõhre tsooni sügavusest, varieeruvad ka iga tsooni biomehaanilised omadused. Näiteks pindmine tsoon, millel on kõrge kollageeni kontsentratsioon, tangentsiaalselt paiknevad fibrillid ja suhteliselt madal proteoglükaanide kontsentratsioon, omab kõige tugevamaid omadusi venituse vastu, jaotades koormuse ühtlaselt kogu koe pinnale. Ülemineku- ja sügavates tsoonides annab proteoglükaanide kõrge kontsentratsioon koele võime taluda survekoormust. "Lainelise joone" tasandil muutuvad kõhre materiaalsed omadused järsult painduvast mittelubjastunud tsoonist jäigema mineraliseerunud kõhreni. "Lainelise joone" piirkonnas tagab koe tugevuse kollageenivõrgustik. Aluseid kõhrelõike ei läbi kollageenfibrillid; osteokondraalse ühenduskoha piirkonnas tagavad koe tugevuse kaltsineerimata ja kaltsineerunud kõhre tsoonide vahelise piiri spetsiaalsed kontuurid ebakorrapäraste sõrmetaoliste väljakasvude kujul, mis "sulgevad" kaks kihti ja takistavad nende eraldumist. Kaltsineerunud kõhr on väiksema tihedusega kui subhondraalne luu, seega toimib see vahekihina, mis pehmendab kõhrele avalduvat survekoormust ja kannab selle üle subhondraalsele luule.

Koormuse ajal toimub kolme jõu keeruline jaotus - pikenemine, nihkumine ja kokkusurumine. Liigesmaatriks deformeerub vee (ja ka rakkude ainevahetusproduktide) väljatõrjumise tõttu koormustsoonist, ioonide kontsentratsioon interstitsiaalses vedelikus suureneb. Vee liikumine sõltub otseselt rakendatud koormuse kestusest ja jõust ning seda aeglustab proteoglükaanide negatiivne laeng. Koe deformatsiooni ajal surutakse proteoglükaanid tihedamalt üksteise vastu, suurendades seeläbi negatiivse laengu tihedust ja molekulidevahelised jõud, mis negatiivset laengut tõrjuvad, suurendavad omakorda koe vastupanu edasisele deformatsioonile. Lõppkokkuvõttes saavutab deformatsioon tasakaalu, kus välised koormusjõud tasakaalustatakse sisemiste takistusjõududega - paisumisrõhk (proteoglükaanide interaktsioon ioonidega) ja mehaaniline pinge (proteoglükaanide ja kollageenide interaktsioon). Koormuse eemaldamisel omandab kõhrkude oma algse kuju, absorbeerides vett koos toitainetega. Koe esialgne (eellaadimise) kuju saavutatakse siis, kui proteoglükaanide paisumisrõhk tasakaalustatakse kollageenivõrgustiku vastupanuga nende levikule.

Liigesekõhre biomehaanilised omadused põhinevad koe struktuurilisel terviklikkusel – tahke faas on kollageeni-proteoglükaani koostis ning vedel faas vesi ja lahustunud ioonid. Koormuseta on liigesekõhre hüdrostaatiline rõhk umbes 1–2 atm. See hüdrostaatiline rõhk võib in vivo tõusta seistes 100–200 atm-ni millisekundi kohta ja kõndides 40–50 atm-ni. In vitro uuringud on näidanud, et hüdrostaatiline rõhk 50–150 atm (füsioloogiline) viib lühikese aja jooksul kõhre anabolismi mõõduka suurenemiseni ja 2 tunni jooksul kõhrevedeliku kadumiseni, kuid ei põhjusta muid muutusi. Küsimus, kui kiiresti kondrotsüüdid in vivo sellisele koormusele reageerivad, jääb lahendamata.

Indutseeritud hüdratsiooni vähenemine koos järgneva proteoglükaani kontsentratsiooni suurenemisega viib positiivselt laetud ioonide, näiteks H ⁺ ja Na ⁺, ligitõmbumiseni. See viib rakuvälise meediumi (ECM) ja kondrotsüütide üldise ioonkoostise ja pH muutumiseni. Pikaajaline füüsiline koormus kutsub esile pH languse ja samal ajal kondrotsüütide proteoglükaani sünteesi vähenemise. On võimalik, et rakuvälise ioonkeskkonna mõju sünteesiprotsessidele on osaliselt seotud ka selle mõjuga ECM-i koostisele. Uued sünteesitud agrekaani molekulid küpsevad agregaatideks nõrgalt happelises keskkonnas hiljem kui normaalsetes tingimustes. On tõenäoline, et pH langus kondrotsüütide ümber (nt treeningu ajal) võimaldab rohkematel uutel sünteesitud agrekaani molekulidel jõuda interterritoriaalsesse maatriksi.

Koormuse eemaldamisel naaseb vesi sünoviaalõõnest, kandes rakkudele toitaineid. Osteoartriidi poolt kahjustatud kõhredes väheneb proteoglükaanide kontsentratsioon, mistõttu koormuse ajal liigub vesi mitte ainult vertikaalselt sünoviaalõõnde, vaid ka teistes suundades, vähendades seeläbi kondrotsüütide toitumist.

Liikumatus või kerge koormus põhjustab kõhre sünteesi ja proteoglükaani sisalduse märkimisväärset vähenemist, samas kui suurenenud dünaamiline koormus põhjustab proteoglükaani sünteesi ja sisalduse mõõdukat suurenemist. Pingeline treening (20 km/päevas 15 nädala jooksul) kutsus koertel esile muutusi proteoglükaani sisalduses, eriti nende kontsentratsiooni järsu vähenemise pindmises tsoonis. Esines pöörduvat kõhre pehmenemist ja subhondraalse luu ümberkujunemist. Raske staatiline koormus põhjustas aga kõhre kahjustusi ja sellele järgnevat degeneratsiooni. Lisaks algatab rakuvälise maatriksi (ECM) aggrekaani kadu osteoartriidile iseloomulikke ebanormaalseid muutusi. Aggrekaani kadu põhjustab vee ligitõmbamist ja allesjäänud väikese koguse proteoglükaani turset. See aggrekaani lahustumine aitab kaasa lokaalse fikseeritud laengutiheduse vähenemisele ja viib lõpuks osmolaarsuse muutuseni.