Chrząstka stawowa budowa, biomechanika i etiologia powstawania uszkodzeń. Dr inż. Piotr Kaczka Chrząstka stawowa podstawowe informacje Morfologia chrząstki stawowej Najistotniejszą właściwością chrząstki stawowej, determinującą jej podstawową funkcję, jest duża odpornośd na ścieranie. Dlatego też, zlokalizowana jest w obrębie stawowych zakooczeo kości, zapobiegając ich degradacji w wyniku pracy aparatu ruchu. Duża sprężystośd tej tkanki sprawia, iż z łatwością odkształca się ona pod wpływem sił przenoszonych w czasie przemieszczania się ciała, w znacznej mierze znosząc duże obciążenia działające na staw. Powierzchnie stawowe ciała ludzkiego zbudowane są z 2 typów tej podporowej odmiany tkanki łącznej: szklistej (większośd) i włóknistej. Z wiekiem chrząstka zmienia swą barwę przybierając bardziej żółty kolor, zmniejsza się również jej sprężystośd i grubośd. Powoduje to ograniczoną amortyzację stawów oraz większą ich podatnośd na urazy. Rysunek 1. Schemat budowy stawu i układu warstw w przekroju poprzecznym przez chrząstkę stawową W typowym stawie wyróżniamy dwie oddziaływujące ze sobą powierzchnie: wklęsłą panewkę i wypukłą główkę (ma zwykle bardziej twardą chrząstkę). Wraz z wiekiem chrząstka grubieje w centrum główki, podczas, gdy w obrębie środka panewki staje się coraz cieosza. Grubośd chrząstki jest różna w zależności od rodzaju stawu jak i umiejscowienia w nim. Najgrubsza ma 6 mm i występuje w strzałkowej listewce rzepki, najcieosza ma ok. 0,2 mm. Średnia grubośd chrząstki waha się w zakresie 0,5 2 mm. Dośd zaskakującym pozostaje fakt, że nie zaobserwowano zależności pomiędzy objętością chrząstki stawu, a wiekiem, ciężarem i wysokością ciała. Chrząstka stawowa pozbawiona jest naczyo krwionośnych, chłonnych i pozostaje nie unerwiona. Odżywianie tej tkanki odbywa się niemalże całkowicie na drodze dyfuzji (swobodnego przenikania) substancji od strony jamy stawowej, a także, w niewielkiej części (1-7%), poprzez kapilary, które
odchodzą od naczyo warstwy podchrzęstnej do warstwy zwapniałej chrząstki. Brak ochrzęstnej, praktycznie, uniemożliwia regenerację chrząstki stawowej, co nie znaczy, że proces ten jest niemożliwy. Struktura chrząstki stawowej Chrząstka stawowa ma budowę warstwową (patrz rys. 1). Jej najbardziej zewnętrzną częśd warstwy powierzchniowej, w bezpośrednim sąsiedztwie jamy stawu, pozbawiona jest komórek, za to zawiera liczne, ułożone równolegle do powierzchni stawowej, włókna kolagenu (typ II, IX i XI), mało glikozaminoglikanów i jest bogata w kwas hialuronowy. Warstwa powierzchniowa, stanowiąca ok. 10% grubości chrząstki, pełni charakter błony ochronnej dla niżej leżących struktur chrzęstnych. W kolej warstwie, budującej 40% objętości chrząstki, włókna kolagenowe ułożone są skośnie. Dawie najgłębsze warstwy, stanowiące 50% grubości chrząstki, to warstwa promienista, o prostopadłym przebiegu włókien kolagenu, i warstwa zwapniała chrząstki, bezpośrednio stykająca się z warstwa podchrzęstną kości. Ten złożony, warstwowy układ włókien kolagenowych zapewnia chrząstce stawowej odpowiednią wytrzymałośd i skuteczne rozpraszanie sił działających na staw w trakcie poruszania się ciała, zapewniając efektywną amortyzację i chroniąc aparata ruchu przed uszkodzeniem. Molekularnie, strukturalną podstawę chrząstki stanowią agregaty proteoglikanu (agrekany; rys. 2), które w głównej mierze tworzone są przez różne glikozaminoglikany (GAG; siarczan chondroityny, dermatanu, keratanu, heparanu) połączone z innym ich rodzajem, czyli kwasem hialuronowym. Wzajemne proporcje wspomnianych związków zmieniają się wraz z wiekiem, co może też stanowid podstawę diagnostyczną stopnia uszkodzenia struktur chrząstki stawowej. Molekuła agrekanu składa się z ok. 200-300 kda białka stanowiącego rdzeo cząsteczki, do którego, poprzez specyficzne białka, przyłączonych jest ok. 100 łaocuchów siarczanu chondroityny i w wielu przypadkach taką samą ilośd, ułożonych za nimi, łaocuchów siarczanu keratanu. Cały kompleks jest dużą makromolekułą, o wielkości ok. 100 MDa, wykazującą ogromne zróżnicowanie, zarówno w rozmiarze, jak i składzie. Koniec białka tworzącego rdzeo proteoglikanu, za pomocą specyficznych białek, połączony jest z długimi nidmi kwasu hialuronowego (ok. 100 białek rdzeniowych na jeden łaocuch kwasu hialuronowego). Rysunek. 2 Hipotetyczny schemat struktury chrząstkowego agrekanu Chondrocyty (komórki chrzęstne) stanowią tylko około 1% objętości chrząstki i są odpowiedzialne za syntezę, katabolizm i ogólną homeostazę chrząstki. Pozostają zawieszone w macierzy, która składa się głównie z wody (60%-80% całej masy), kolagenu (60% suchej masy) i proteoglikanów (30% suchej masy). Fizjologia chrząstki i jej charakterystyczne, lepko-elastyczne właściwości bezpośrednio wynikają z faktu, że to właśnie woda jest jej głównym składnikiem.
Płyn stawowy i ochrona funkcjonalności chrząstki Jama stawowa wypełniona jest lepkim płynem, w skład, którego wchodzi kwas hialuronowy, lubrycyna, proteinazy i kolagenzy. Wydzielany jest on przez komórki błony maziowej i tworzy na jej powierzchni ok. 50 µm warstwę, sącząc się jednocześnie to mikropofałdowao i zagłębieo obecnych na powierzchni stawowej wypełniając wszystkie puste przestrzenie. Najważniejszą funkcją płynu stawowego jest zmniejszenie tarcia pomiędzy powierzchniami chrząstek stawowych. Polisacharydowa budowa kwasu hialuronowego zapewnia, dzięki oddziaływaniom cukier-cukier i/lub cukier-białko, utworzenie lepkiej bariery na powierzchni chrząstki, skutecznie zapobiegającej jej degradacji, poprzez minimalizację uwalniania z zewnątrzkomórkowej macierzy, proteoglikanów. Efekt znacznego zmniejszenia tarcia w obrębie stawu został osiągnięty, w badaniach na zwierzętach, również poprzez doustne podanie im siarczanu chondroityny, co bezpośrednio przekładało się na zwiększenie lepkości płynu stawowego, a więc stanu, jaki osiągany jest dzięki fizjologicznej obecności w jamie stawowej kwasu hialuronowego. Biochemiczna struktura siarczanu chondroityny (SC) Polisacharyd, jakim jest siarczan chondroityny (SC), stanowi podstawowy składnik macierzy zewnątrzkomórkowej wszystkich tkanek łącznych. Jego główną funkcją jest tworzenie proteoglikanów poprzez tworzenie kowalencyjnego połączenia z białkami. Podstawową cegiełkę strukturalną (monomer) chrząstkowego polisacharydu, jakim jest siarczan chondroityny, tworzy disacharyd, w skład którego wchodzi cząsteczka kwasu D-glukuronowego połączona wiązaniem 1 3 z cząsteczką N-acetyl-D-galaktozaminy (patrz rys. 3). Monomery te, z kolei, są ze sobą połączone wiązaniem 1 4. Polisacharydowe łaocuchy GAG, po syntezie, poddawane są modyfikacjom, poprzez przyłączenie do cząsteczki galaktozaminy grup sulfonowych w pozycji 4 albo 6. Zjonizowane grupy sulfonowe wraz z grupami karboksylowymi nadają łaocuchowi GAG ładunek ujemny, którego niezwykle istotne znacznie zostało opisane w dalszej części tekstu. Okazuje się, iż wzór rozmieszczenia grup sulfonowych w monomerach chondroityny jest różny w stawowej chrząstce ludzkiej, w zależności od wieku i obszaru chrząstki. I tak: w rosnącej chrząstce ludzkiej łaocuchy SC złożone są z 30-40 monomerów, z równym stosunkiem sulfonacji węgli w pozycji 4 i 6. Natomiast łaocuchy siarczanu chondroityny w dojrzałej tkance są około 20 monomerów, na łaocuch, krótsze, a typ sulfonacji jest w przeważającej części w pozycji 6. Rysunek 3. Struktura chemiczna monomeru łańcucha siarczanu chondroityny Biomechanika chrząstki stawowej Powierzchnia stawowa tylko pozornie jest gładka, w rzeczywistości ma bardzo złożoną strukturę, na którą składają się liczne pofałdowania, drobniejsze zagłębienia i jeszcze niższego rzędu grzebienie. Dzięki takiej budowie powierzchnia chrząstki stawowej może osiągad bardzo niski współczynnik
tarcia, który waha się w zakresie 0,01-0,02 (dla kolana wynosi tylko 0,002). Współczynnik ten jest odwrotnie proporcjonalny do wzrostu obciążenia i jest również, znacząco, zmniejsza się w wyniku pokrycia powierzchni stawu mazią stawową. Biomechaniczne właściwości chrząstki stawowej wynikają głównie z fizykochemicznych właściwości glikozaminoglikanów, stanowiących 80%-90% masy proteoglikanów. Obecnośd szeregowo ułożonych grup hydroksylowych, zjonizowanych sulfonowych i karboksylowych, powoduje przyciąganie do proteoglikanów, w wyniku pojawienia się sił elektrostatycznych, dużej liczby cząsteczek wody. Dipole wody, pod wpływem nagromadzenia ładunków ujemnych organizują się w wielowarstwowe układy otaczające przyciągające je ładunki. Prowadzi to do powstania gradientów osmotycznych i indukcji wewnętrznego ciśnienia obrzmienia (ang. swelling pressure). Starając się byd bardziej obrazowym, chrząstkę stawową można wyobrazid sobie jako materac wypełniony wodą, w którym ciśnienie cieczy utrzymywane jest dzięki ciągłej pracy pompy wodnej. Powierzchnię materaca stanowi zewnętrzna częśd warstwy powierzchniowej chrząstki stawowej, a rolę pompy odgrywają proteoglikany wiążące wodę. Kiedy chrząstka stawowa jest poddawana obciążeniu, związana elektrostatycznie woda jest wyciskana spomiędzy struktur proteoglikanów. Zbliżające się, w następstwie tego, do siebie ujemnie naładowane grupy, powodują dalszy wzrost ciśnienia, dodatkowo utwardzając chrząstkę. Kiedy ucisk mija, dipole wody wracają w otoczenie ładunków ujemnych, odtwarzając uporządkowaną strukturę chrząstki. Charakter napięd w chrząstce nie jest jednakowy. W trakcie jej obciążania, warstwy głębsze, podlegają ściskaniu, a bardziej powierzchniowe rozciąganiu, dlatego te drugie opisane są większą sztywnością. Wykazano, iż chrząstka stawowa reaguje zmniejszeniem swej objętości, w odpowiedzi na działające na nie obciążenie. Udowodniono to na podstawie badao przeprowadzonych na ochotnikach, u których po serii 50 przysiadów zmierzono objętośd chrząstki rzepki i po 3-7 min była ona o 6% mniejsza a po 8-12 min objętośd jej była o 5% mniejsza w porównaniu ze stanem spoczynkowym. Wraz z upływem czasu, po ustaniu bodźca, zauważa się powrót rozmiarów chrząstki stawowej do początkowych parametrów. Wynika to z postępującego odtwarzania struktury chrząstki w efekcie powrotu dipolów wody w otoczenie ładunków ujemnych i pełne odtworzenie hydrodynamicznych właściwości chrząstki stawowej. Etiologia powstawania uszkodzeń chrząstki stawowej. Powierzchnia styku w obrębie stawu jest daleka od ideału, gdyż sam obszar oddziaływania jest często bardzo mały. W wyniku tego działające na staw obciążenie rozkłada się na bardzo małą powierzchnię, co może działad uszkadzająco na to miejsce i prowadzid do zahamowania wzrostu w tym rejonie chrząstki. Reakcją adaptacyjną organizmu do panujących, niekorzystnych warunków będzie przyspieszenie wzrostu chrząstki w obszarach stawowych mniej obciążonych, celem zwiększenia powierzchni oddziaływania i tym samym, rozłożenia działającej siły na większej powierzchni. Dzięki temu następuje zmniejszenie jej uszkadzającego charakteru. Jeden z najczęściej proponowanych mechanizmów rozwoju stanu zwyrodnieniowego chrząstki stawowej, jako główną jego przyczynę podaje wysoką dynamikę bodźca, który jest bardzo silny i, przede wszystkim, działa krótko. Jego uszkadzający wpływ wynika z faktu, iż stawowa tkanka chrzęstna i leżące pod nią warstwy, wymagają czasu, aby dostosowad kształt do raptownie zmieniających się warunków mechanicznych. Przy zbyt silnym bodźcu mechanizm ten nie może zadziaład (wymagana jest dłużej
trwające obciążenie statyczne) i misterna struktura, oparta na koncepcji materaca wypełnionego wodą, może ulec uszkodzeniu i stracid swe hydrodynamiczne właściwości. W ten sposób może się rozpocząd proces depolimeryzacji proteoglikanów i degradacji chrząstki stawowej. Stwierdzono, iż normalne, fizjologiczne obciążenie stawów jest niezbędne do utrzymania równowagi pomiędzy syntezą i degradacją elementów zewnątrzkomórkowej macierzy, jak również dla zachowania odpowiedniego tempa przemodelowywania struktur chrząstkowych, niezbędnych w prawidłowej biomechanice chrząstki stawowej. Z drugiej, jednak strony, prawdą jest, iż zbyt duże, mechaniczne obciążenie struktur chrząstki stawowej, towarzyszące na przykład otyłości, jest kluczowym czynnikiem etiologicznym powstania i rozwoju artretyzmu. Uważa się, iż zaburzenie biomechaniki chrząstki stawowej jest wynikiem zmiany kształtu chondrocytów i, w efekcie, zmiany sposobu interakcji z macierzą zewnątrzkomórkową, co w następstwie może aktywowad różne wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe, wpływając na sekrecję składników produkowanych w chondrocytach. Bardziej szczegółowo można to wyjaśnid, w sposób następujący: nadmierny mechaniczny ucisk na chrząstkę stawową może zmieniad fizykochemiczne właściwości macierzy (ph, siła jonowa, itp.), a w następstwie łatwośd dyfuzji i koncentrację czynników wzrostowych i cytokin, i przez to zmieniad charakterystykę oddziaływania ligand-receptror, co w efekcie dawad może właśnie zaburzenia charakterystyki wewnątrzkomórkowych szlaków sygnałowych. Anaboliczno-kataboliczna równowaga w obrębie chrząstki stawowej Biosynteza proteoglikanu i jej regulacja W chrzęstnej tkance stawowej, ponad 50% chondrocytów wykazuje symptomy wejścia na drogę programowanej (apoptotycznej) śmierci, podczas, gdy w typowej tkance chrzęstnej tylko 10% jej komórek wykazuje podobne symptomy. Fakt ten odzwierciedla, jak bardzo dynamiczny jest to obszar naszego ciała i jak wydajnie, w obrębie stawu, muszą zachodzid procesy rozkładu i regeneracji struktur tkankowych. Co więcej, jak precyzyjnie muszą byd one regulowane. Do syntezy proteoglikanów wymagane są białka, aktywowane węglowodany (większośd z nich to pochodne urydyno difosforanowe-udp) i enzymy (glikozy- i sulfotransferazy). Białka rdzeniowe agregatów proteoglikanów syntetyzowane są na rybosomach szorstkiego retikulum endoplazmatycznego i wydzielane do jego światła. Następnie, w aparacie Golgiego dołączane są do nich łaocuchy polisacharydowe chondroityny i keratanu. Ostatnim krokiem jest sulfonacja specyficznych atomów węgla. Proces syntezy jednego agregatu proteoglikanu wymaga ponad 10000 reakcji enzymatycznych. Synteza chrząstkowych proteoglikanów jest hamowana przez urydyno difosforan N-acetyl-Dglukozaminy (UDP-GlaNac), będący inhibitorem aminotransferazy i jest aktywowana przez urydyno difosforan ksylozy inicjator syntezy łaocucha polisacharydowego. Dodatkowo, każdy nowo zsyntetyzowany monomer (disacharyd) łaocucha glikozaminoglikanu aktywuje dalszą elongację tworzącej się struktury.
Mechanizm degradacji chrząstki stawowej W sposób naturalny, siarczan chondroityny, w obrębie zewnątrzkomórkowej macierzy chrząstki, jest rozkładany w wyniku działalności wydzielanych przez komórki tkanki łącznej, enzymów liposomowych - glikozydaz (N-acetyl-glukozamidaza, galaktozydaza, glukuronidaza) i chondroitaz, które niszczą wiązanie pomiędzy N-acetyl-D-glukozaminą i kwasem D-glukuronowym, doprowadzając do rozpadu w obrębie monomerów tworzących długi łaocuch glikozaminoglikanu. Mechanizm ten jest naturalną drogą przebudowy struktur tkankowych, wykorzystywany również w procesie usuwania zniszczonych i/lub uszkodzonych jej fragmentów. Niemniej jednak sam proces degradacji może "wymykad" sie kontroli organizmu i zachodzid na dużo większą skalę, obejmując pozostałe składniki macierzy chrząstkowej. Ma to miejsce w czasie rozwijania się stanu zapalnego w obrębie chrząstki stawowej. W procesie tym uczestniczą białe krwinki (leukocyty), które wydzielając enzymy- elastazy, dezorganizują (degradują) skomplikowaną strukturę agregatów proteoglikanu i kolagenu. W tej "masowej" degradacji chrząstki stawowej bardzo często uczestniczą również chondrocyty, produkując do macierzy zewnątrzkomórkowej enzymy, takie jak katepsyna B, metaloproteazy, czy proteazy serynowe, które niezwykle skutecznie przyczyniają się do dalszego niszczenia proteoglikanów i kolagenu, efektywnie pozbawiają chrząstkę jej charakterystycznych lepko-elastycznych właściwości. Całe szczęście okazuje się, iż można temu procesowi skutecznie przeciwdziaład. Jak już zostało wcześniej wspomniane, podawanie siarczanu chondroityny (SC) skutkowało polepszeniem lepkości płynu stawowego, zmniejszeniem tarcia pomiędzy powierzchniami stawowymi i tym samym zmniejszeniem dolegliwości związanych z artretyzmem. Udowodniono, iż SC jest w stanie hamowad niszczycielską aktywnośd wspomnianych powyżej enzymów, poprzez tworzenie elektrostatycznych wiązao pomiędzy ujemnie naładowanymi grupami siarczanowymi glikozaminoglikanów, a dodatnio naładowanym centrum aktywnym enzymów proteolitycznych, blokując w ten sposób te ostatnie. Siła ochronnego efektu SC, na chrząstkę stawową, jest tym większa, im większa masa molowa występujących w środowisku tkankowym łaocuchów tego glikozamioglikanu. Istotne znacznie ma tu również wzór sulfonacji cząsteczek N-acetyl-D-galaktozaminy, wchodzących w skład monomeru siarczanu chondroityny. Otóż okazuje się, iż znacznie skuteczniejsza inhibicja (hamowanie) procesu zapalnego następuje w momencie, gdy w przewadze są izomery sulfonowane w pozycji 6. Podsumowanie Natura bardzo często przychodzi nam z pomocą w leczeniu różnych schorzeo. Tak jest również w przypadku zaburzeo prawidłowego funkcjonowania w obrębie aparatu ruchu. Siarczan chondroityny, to tylko jedna z kilku skutecznych substancji dających ulgę i przyczyniających sie do poprawy stanu zdrowia naszych stawów. Jej skutecznośd działania, podobnie jak kilku innych związków chemicznych, jest coraz szerzej dokumentowana wynikami badao klinicznych. Świadomośd tego, co dzieje się w naszym organizmie, daje nam wiedzę, jak przeciwdziaład niekorzystnym zmianom w nim zachodzącym. Ufam, iż, niniejszym artykułem, udało mi sie rozbudzid Paostwa ciekawośd w zakresie budowy, funkcjonowania i równowagi procesów biochemicznych zachodzących w chrząstce stawowej. Natomiast, jakim "orężem" walczyd z pogarszającym sie stanem zdrowia naszych stawów i przede wszystkim, jak przeciwdziaład tym niekorzystnym zmianom, postaram się Paostwu przybliżyd w kolejnych artykułach z tego cyklu.
Bibliografia: 1) Bali JP, Cousse H, Neuzil E. Semin. Biochemical basis of the pharmacologic action of chondroitin sulfates on the osteoarticular system. Arthritis Rheum. 2001 Aug;31(1):58-68. 2) Sauerland K, Plaas AH, Raiss RX, Steinmeyer J. The sulfation pattern of chondroitin sulfate from articular cartilage explants in response to mechanical loading. Biochim Biophys Acta. 2003 Jul 30;1638(3):241-8. 3) Ciszek B. Morfologia i funkcja chrząstki stawowej. Acta Clinica 2001 1:10-14 4) Buckwalter JA, Mankin HG: Articular cartilage I Tissue design and chondrocyte matrix interactions J. Bone Joit Surg (Am) 1977 79:600 611 5) Eckstein F, Winzheimer M, Westhoff J, Schnier M, Haubner M, Englmeier KH, Reiser M, Putz R: Quantitative relationships of normal cartilage volumes of the humen knee joint assessment by magnetic resonance imaging. Anat Embryol. 197:383 390 1998. 6) Eckstein F, Tieschky M, Faber SC, Haubner M, Kolem H, Englmeier K-H Reiser M: Effect of physical exercise on cartilage volume and thicness in vivo: MR imaging study. Radiology 207:243 248 1998 7) Frost HM: Joint anatomy, design, and arthroses: insights of the utah paradigm. Anat. Rec. 255:162 173 1999 8) Modl JM, Sether LA, Haughton VM, Kneeland JB: Articular cartilage: correlation of histologic zones with signal intensity at MR imaging Radiology 1991 181:853 855. 9) Buckwalter JA, Mankin HJ: Articular cartilage: degeneration and osteoarthritis, repair, regeneration, and transplantation, AAOS Instr. Course Lect. 47 (1998) 487 504. 10) Bayliss MT, Osborne D, Woodhouse S, Davidson C: Sulfation of chondroitin sulphate in human articular cartilage. The effect of age, topographical position, and zone of cartilage on tissue composition. J Biol Chem 1999;274:15892-900. 11) Caplan AJ: Cartilage. Sci Amer 1984;251:82-90. 12) Neuzil E, Cassaigne A: L eau, une mole cule tre s particulie`re. L alimentation et la vie. 1992;92:5-18. 13) Hata RI, Nagai Y: A low-sulfated chondroitin sulphate in rat blood: an acidic glycosaminoglycan with a high metabolic rate. Biochim Biophys Acta 1978;543:149-55. 14) Conte A, Volpi N, Palmieri L, Bahous I, Ronca G: Biochemical and pharmacokinetic aspects of oral treatment with chondroitin sulphate. Arzneim Forsch/Drug Res 1995;45:918-25. 15) Baici A, Bradamante P: Interaction between human leukocyte elastase and chondroitin sulphate. Chem Biol Interac 1984;51:1-11. 16) Nishikawa H, Mori I, Umemoto J: Influences of sulfated glycosaminoglycans on biosynthesis of hyaluronic acid in rabbit knee synovial membranes. Arch Biochem Biophys 1985; 240:145-53.