Slidgigt: hvordan arrangeres ledbrusk?

Normal ledbrusk udfører to hovedfunktioner: absorptionen af tryk ved deformation under mekanisk belastning og sikring af glatheden af artikulære overflader, som gør det muligt at minimere friktion, når den bevæger sig i leddet. Dette sikres ved den unikke struktur af ledbrusk, der består af chondro-ita nedsænket i den ekstracellulære matrix (ECM).

Den normale ledbrusk hos en voksen kan opdeles i flere lag, eller zoner: en overflade, eller tangential, zone, en overgangszone, en dyb eller en radial zone og en forkalket zone. Laget mellem overflade- og overgangszoner og især mellem overgangs- og dybzoner har ingen klare grænser. Forbindelsen mellem ukorrigeret og forkalket artikulær brusk kaldes den "bølgede grænse" - dette er linien bestemt ved farvning af det afkalkede væv. Bruskens forkalkede zone er en forholdsvis konstant andel (6-8%) i crescents samlede højde. Den samlede tykkelse af artikulær brusk, herunder zonen med forkalket brusk, varierer afhængigt af belastningen på et bestemt område af ledfladen og typen af ledd. Intermitterende hydrostatisk tryk i subchondrale knogler spiller en vigtig rolle i opretholdelsen af bruskets normale struktur, nedsættelse af nedbrydning.

Chondrocytter udgør ca. 2-3% af den samlede vævsmasse; i overfladen (tangential) zonen ligger de langs, og i den dybe (radiale) zone - vinkelret på bruskets overflade; i overgangszonen danner chondrocytter grupper af 2-4 celler spredt gennem hele matrixen. Afhængig af området af ledbrusk varierer densiteten af chondrocytternes placering - den højeste celletæthed i overfladezonen, den laveste i den forkalkede. Desuden varierer celledistributionens tæthed fra fælles til fælles, den er omvendt proportional med bruskets tykkelse og den belastning, der opstår ved dens tilsvarende sted.

De mest overfladisk anførte chondrocytter er diskformede og danner i tangentialzonen adskillige lag celler placeret under en smal matrixstrimmel; Dybt beliggende celler i denne zone har tendens til at have mere ujævne konturer. I overgangsområdet har chondrocytter en sfærisk form, undertiden kombineres de i små grupper spredt i matrixen. Chondrocytter i den dybe zone er overvejende ellipsoide i form, grupperet i radialt arrangerede kæder med 2-6 celler. I den forkalkede zone fordeles de endnu mere sparsomt; nogle af dem er nekrotiske, selv om de fleste er levedygtige. Cellerne er omgivet af en ukalificeret matrix, det intercellulære rum er forkalket.

Således består den humane leddbrusk af hydreret ECM og celler nedsænket i den, hvilket udgør 2-3% af den totale vævsvolumen. Da det bruskvæv ikke har blod- og lymfekar, udføres interaktionen mellem celler, tilførsel af næringsstoffer til dem, fjernelsen af metaboliske produkter ved diffusion gennem ECM. På trods af at de metaboliske chondrocytter er meget aktive, opdeles de normalt ikke hos voksne. Chondrocytter eksisterer i et iltfri miljø, mener at deres metabolisme udføres overvejende anaerobt.

Hver chondrocyt anses som en separat metabolisk enhed af brusk, der er isoleret fra naboceller, men som er ansvarlig for produktionen af VKM-elementer i umiddelbar nærhed af den givne celle og opretholder dens sammensætning.

Videobåndoptageren udsender tre sektioner, som hver har unikke morfologiske struktur og specifik biokemisk sammensætning. VCR direkte tilstødende kbazalnoy chondrocyt membran, kaldet pericellulære, ililakunarnym, matrix. Den er kendetegnet ved høj-relateret celle interaktion hyaluronsyre indhold af proteoglycan aggregater med CD44-lignende receptorer, og den relative mangel på organiserede kollagenfibriller. I direkte kontakt med pericellulære matrix territorial eller kapsulær, en matrix, som består af et netværk af krydsende fibrillære collagener, som indkapsler de individuelle celler, eller (undertiden) en gruppe af celler, der danner hondron, og er sandsynligvis give særlige mekaniske støtte for cellerne. Kontakt chondrocyt matrix med kapsulære opnås ved talrige cytoplasmatiske rige på mikrofilamenter og ved specifikke matrixmolekyler, såsom CD44-ankorin og podobnye receptorer. Den største og mest fjernt fra basalmembranen ECM adskilt chondrocyt - interterritoriale matrix indeholdende det største antal collagenfibriller og proteoglycaner.

Fordelingen af ECM i afdelinger er tydeligere afgrænset i ledbrusk hos en voksen end i umodent ledbrusk. Den relative størrelse af hver afdeling varierer ikke kun i forskellige led, men også inden for samme brusk. Hver chondrocyt producerer en matrix der omgiver den. Filed undersøgelser modne chondrocytter af brusk udført aktiv metabolisk kontrol over deres pericellulære og territoriale matricer er mindre aktive kontrol interterritoriale matrix, som kan være metabolisk "indifferent".

Som tidligere nævnt består leddebrusk hovedsagelig af et stort VKM, syntetiseret og reguleret af chondrocytter. Vævsmacromolekyler og deres koncentration ændres i løbet af livet i overensstemmelse med ændrede funktionelle behov. Det er imidlertid uklart: celler syntetiserer hele matrixen samtidigt eller i bestemte faser i overensstemmelse med fysiologiske behov. Koncentrationen af makromolekyler, den metaboliske balance mellem dem, forholdet og interaktionen bestemmer de biokemiske egenskaber og dermed funktionen af ledbrusk inden for en ledd. Hovedbestanddelen af VCR voksen ledbrusk er vand (65-70% af den samlede masse), der er fast forbundet deri ved hjælp af særlige fysiske egenskaber af makromolekyler bruskvæv omfattende collagener, proteoglycaner og ikke-collagene glycoproteiner.

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

Brystets biokemiske sammensætning

Kollagenfibre består af molekyler af kollagenfibrillær protein. I pattedyr udgør andelen af kollagen en fjerdedel af alle proteiner i kroppen. Kollagen danner fibrillære elementer (kollagenfibriller), der består af strukturelle underenheder, der kaldes tropokollagen. Tropocollagenmolekylet har tre kæder, der danner en tredobbelt helix. En sådan struktur af tropocollagen molekyle, såvel som strukturen af kollagenfibrene, når disse molekyler er anbragt parallelt i længderetningen med en konstant forskydning på omtrent 1/4 af længden og sikrer en høj elasticitet og styrke af de væv, hvori de er placeret. I øjeblikket er 10 genetisk forskellige typer af kollagen kendt, forskellige i den kemiske struktur af a-kæderne og / eller deres samling i molekylet. De mest undersøgte fire første typer af kollagen er i stand til at danne op til 10 molekylære isoformer.

Kollagenfibriller er en del af det ekstracellulære rum af de fleste typer bindevæv, herunder bruskvæv. Inden for de tre dimensionalt netværk af uopløselige kollagenfibriller skærer "sammenfiltrede" andre mere opløselige bestanddele, såsom proteoglycaner, glycoproteiner og vævsspecifikke proteiner; nogle gange er de kovalent bundet til kollagenelementer.

Kollagenmolekyler, der er organiseret i fibriller, udgør omkring 50% af den organiske tørre rest i brusk (10-20% af indfødt brusk). I modent brusk er ca. 90% af collagenerne type II collagener, som kun findes i visse væv (f.eks. Glasagtige, embryonale rygmarv). Kollagen type II refererer til den første klasse (dannende fibriller) af collagenmolekyler. Udover ham findes også i den modne artikulære brusk hos en person, kollagen IX, XI-type og i et lille antal VI-type. Den relative mængde af kollagenfibre af IX-typen i kollagenfibriller falder fra 15% i fosterets brusk til ca. 1% i tyrens modne brusk.

Molekyler af kollagen I-type består af tre identiske polypeptid-a, (II) -kæder, syntetiseret og udskilt i form af precollagenforstadie. Når de færdige kollagenmolekyler er frigivet til det ekstracellulære rum, danner de fibriller. I modent ledbrusk kollagen type II danner fibrillære arkader, hvor mere "tykke" molekyler er placeret i dybe lag af væv og mere "tynde" - vandret i overfladelagene.

I procollagengenet af type II blev der fundet en exon kodende for et cystein-rigt N-terminalt propeptid. Denne ekson er ikke udtrykt i modent brusk, men i de tidlige udviklingsstadier (prækondrogenese). På grund af tilstedeværelsen af denne exon er procollagen II-type molekylet (type II A) længere end type II-kollagen. Sandsynligvis hæmmer udtrykket af denne type prokollagen akkumuleringen af elementer i ECIK i leddbrusk. Det kan spille en rolle i udviklingen af bruskpatologi (for eksempel utilstrækkelig reparativ respons, osteofytdannelse osv.).

Et netværk af type II kollagenfibriller tilvejebringer en trækstyrkefunktion og er nødvendig for at opretholde vævets volumen og form. Denne funktion forbedres ved kovalent og tværbinding mellem kollagenmolekyler. I VKM danner lysiloxidaseenzymet et aldehyd fra hydroxylisin, som derefter omdannes til en multivalent aminosyrehydroxylisylpyridinolin, som danner tværbindinger mellem kæderne. På den ene side øges koncentrationen af denne aminosyre med alderen, men i modent brusk ændrer den praktisk talt ikke. På den anden side er der i leddbrusk en stigning i koncentrationen af tværbindinger af forskellige typer med alder dannet med alder, dannet uden deltagelse af enzymer.

Ca. 10% af den samlede mængde kollagenbruskvæv er de såkaldte mindre collagener, som i mange henseender bestemmer den unikke funktion af dette væv. Kollagen IX-typen tilhører III-klassen af kortspiralmolekyler og en unik gruppe af FACIT-collagener (Fibril-associeret collagen med afbrudte triple-helixer) med sammensmeltet triple helix. Den består af tre genetisk forskellige kæder. En af dem - en _2- kæde - glycosyleres samtidigt med chondroitinsulfat, hvilket gør dette molekyle samtidigt proteoglycan. Mellem segmenter af collagen type IX spiral og type II kollagen detekteres både modne og umodne hydroxypyridin-tværbindinger. Kollagen IX kan også fungere som en intermolekylær-interfibrillær "konnektor" (eller bro) mellem tilstødende collagenfibriller. Molekyler af collagen IX danner tværbindinger mellem sig selv, hvilket øger den mekaniske stabilitet i det fibrillære tredimensionale netværk og beskytter det mod enzymernes virkninger. De giver også modstand mod deformation, der begrænser hævelsen af proteoglycaner i netværket. Ud over den anioniske CS-kæde indeholder kollagen-IX-molekylet et kationisk domæne, som tilvejebringer en højladningsfibril og en tendens til at interagere med andre matrixmakromolekyler.

Kollagen XI-typen er kun 2-3% af den samlede masse af collagener. Det tilhører den første klasse (dannende fibriller) af collagener og består af tre forskellige a-kæder. Sammen med kollagen typer II og IX danner type X kollagen heterotiske fibriller af ledbrusk. Molekyler af kollagen XI-type findes inden for collagenfibriller af type II ved hjælp af immunoelektromikroskopi. Måske organiserer de kollagen type II molekyler, styrer den laterale vækst af fibriller og bestemmer diameteren af den heterotype kollagenfibril. Derudover er kollagen XI involveret i dannelsen af tværbindinger, men selv i modent brusk forbliver de tværgående bindinger i form af umodne divalente ketoaminer.

En lille mængde af type VI-kollagen, en anden repræsentant for klasse III af kortspændingsmolekyler, blev fundet i ledbrusk. Kollagen type VI danner forskellige mikrofibriller og er muligvis koncentreret i kapronens kapselmatrix.

Proteoglycaner er proteiner, hvortil mindst en glycosaminoglycan-kæde er kovalent bundet. Proteoglycaner tilhører et af de mest komplekse biologiske makromolekyler. De mest omfattende proteoglycaner er til stede i brusk VKM. "Entangled" inde i netværket af collagenfibriller, opfylder hydrofile proteoglycaner deres hovedfunktion - de informerer brusk om evnen til reversibel deformation. Det antages, at proteoglycaner udfører en række andre funktioner, hvis essens ikke er helt klart.

Aggrecan er den vigtigste proteoglycan af artikulær brusk: det er omkring 90% af den samlede masse af proteoglycaner i vævet. Dets kerneprotein på 230 kD glycosyleres af et antal kovalent bundet glycosaminoglycan-kæder såvel som N-terminale og C-terminale oligosaccharider.

Glycosaminoglycankæde af ledbrusk, som udgør ca. 90% af den samlede vægt makromolekyler - keratansulfat (der repræsenterer sekvensen fra sulfateret disaccharid N-atsetilglyukozamingalaktoza flere sulfaterede portioner og andre monosaccharidrester, såsom sialinsyre) og chondroitinsulfat (der repræsenterer sekvensen fra N-acetylgalactosamin-glucuronsyre-disaccharid med sulfatester bundet til hvert fjerde eller sjette carbonatom af N-acetyl lactosamin).

Aggrecan kerneprotein indeholder tre kugleformede (G1, G2, G3) h interglobulære to (E1 og E2) domæne. Den N-terminale region indeholder G- og G2-domæner adskilt af et E1-segment med en længde på 21 nm. C3-domæne placeret i den C-terminale ende, adskilt fra G ₂ længere (ca. 260 nm) E2 segment, som optager mere end 100 chondroitinsulfat-kæder på ca. 15-25 keratansulfat kæder og O-bundne oligosaccharider. N-bundne oligosaccharider, der hovedsagelig findes i G1 og C2-domænerne og E1-segment, samt nær G ₃ -regiona. Glycosaminoglycaner er samlet i to regioner: den mest udvidede (såkaldt region rig på chondroitinsulfat) kæde omfatter chondroitinsulfat og ca. 50% af keratansulfat-kæder. Region rig på keratansulfater, lokaliseret til E ₂ -segmente nær G1-domæne går forud for en region rig på chondroitin sulfater. Aggrecan molekyler indeholder også phosphatestere, lokaliserede primært på xylose-rester, chondroitinsulfat-kæder er bundet til kernen protein; de findes også på serinresterne af kerneproteinet.

Det C-terminale segment _af C3-domænet er yderst homologt med lektinet, således at proteoglycanmolekylerne kan fastgøres i ECM ved binding til visse carbonhydridstrukturer.

Nylige undersøgelser havde fundet en exon koder det EGF-lignende (epidermal vækstfaktor), sub-domæne inden for G ₃. Ved anvendelse af anti-EGF polyklonale antistoffer lokaliseredes en EGF-lignende epitop inden for et peptid på 68 kD i aggregatet af den humane ledbrusk. Men dens funktioner kræver præcisering. Dette underdomæne findes også i strukturen af adhæsionsmolekyler, der styrer migrering af lymfocytter. Kun omkring en tredjedel af de aggrecan molekyler isoleret fra modent humant ledbrusk indeholder intakt C ₃ domæner af; Det skyldes sandsynligvis, at i ECM, kan aggrecanmolekylerne reduceres i størrelse ved hjælp af enzymruten. Den yderligere skæbne og funktion af de splittede fragmenter er ukendte.

Den vigtigste funktionelle segment er et aggrecan molekyle glikozaminoglikannesuschy E ₂ -segment. Stedet, der er rigt på keratansulfater, indeholder aminosyrerne prolin, serin og threonin. Fleste serin- og threoninrester O-glycosylerede N-atsetilgalaktozaminovymi rester, de udløser syntesen af visse oligosaccharider, der er indlejret i de keratansulfat-kæder, hvilket forøger dem. Resten af E _2- segmentet indeholder mere end 100 serin-glycin-sekvenser, hvori serien giver vedhæftning til xylosylresterne ved begyndelsen af chondroitinsulfatkæderne. Typisk og chondroitin-6-sulfat og chondroitin-4-sulfat eksistere samtidigt i de samme proteoglycanmolekyler af forholdet varierer afhængigt af lokaliseringen af brusk og alder af personen.

Strukturen af aggrecanmolekylerne i matrixen af leddbrusk hos en person gennemgår en række ændringer i modningsprocessen og aldringen. De aldringsrelaterede ændringer indbefatter et fald i den hydrodynamiske størrelse som et resultat af ændringer i den gennemsnitlige kædelængde af kondroitinsulfater, en stigning i antallet og længden af keratansulfatkæder. En række ændringer i aggrecanmolekylet gennemgår også virkningen af proteolytiske enzymer (fx aggrecanase og stromelysin) på kerneproteinet. Dette fører til et progressivt fald i gennemsnitslængden af kerneproteinet i aggrecanmolekylerne.

Aggrecan molekyler syntetiseres af chondrocytter og udskilles i ECM, hvor de danner aggregater stabiliseret af molekyler af bindende proteiner. Denne aggregering indbefatter højt specifikke ikke-kovalente og kooperative interaktioner mellem glucuronsyrefilamentet og næsten 200 molekyler aggrecans og bindingsproteiner. Glucuronsyre - ekstracellulært ikke-sulfaterede glycosaminoglycan lineær høj molekylmasse består af en flerhed af sekventielt relaterede molekyler atsetilglyu-N-kozamina og glucuronsyre. De koblede sløjfer af G1-domænet af aggrecan interagerer reversibelt med fem konsekvent arrangerede hyaluronsyre-disaccharider. Det bindende protein, der indeholder lignende (høj-homologe) parrede sløjfer, interagerer med C1-domænet og hyaluronsyremolekylet og stabiliserer aggregatets struktur. Det C1-domæne-hyaluronsyrebindende proteinkompleks danner en yderst stabil interaktion, der beskytter G1-domænet og bindingsproteinet fra virkningen af proteolytiske enzymer. To molekyler af et bindende protein med en molekylvægt på 40-50 kD blev identificeret; de adskiller sig fra hinanden i graden af glycosylering. Kun ét molekyle af det bindende protein er til stede på hyaluronsyre-aggrecanbindingsstedet. Det tredje, mindre molekyle af det bindende protein dannes fra større proteiner ved proteolytisk spaltning.

Omkring 200 molekyler aggrecan kan binde til et molekyle af hyaluronsyre til dannelse af et aggregat på 8 μm i længden. Det celleassocierede matrix bestående af pericellulære og territoriale divisioner aggregater bevarer deres forhold med cellerne ved binding (via tråd hyaluronsyre) med SD44-lignende receptorer på cellemembranen.

Dannelsen af aggregater i ECM er en kompleks proces. De nyligt syntetiserede aggrecanmolekyler viser ikke umiddelbart evnen til at binde til hyaluronsyre. Dette kan tjene som en reguleringsmekanisme, der tillader, at nyligt syntetiserede molekyler når matrixens interterritoriale zone, før de immobiliseres i store aggregater. Antallet af nyligt syntetiserede aggrecanmolekyler og bindingsproteiner, der er i stand til at danne aggregater ved at interagere med hyaluronsyre, falder signifikant med alderen. Desuden reduceres størrelsen af aggregater isoleret fra leddbrusk hos en person betydeligt med alderen. Dette skyldes delvis faldet i den gennemsnitlige længde af molekyler af hyaluronsyre og aggrecanmolekyler.

Der er to typer aggregater i ledbrusk. Den gennemsnitlige størrelse af aggregater af den første type er 60 S, aggregaterne af den anden type (hurtigt udfældende "superaggregater") er 120 S. Sidstnævnte er kendetegnet ved en overflod af molekyler af bindingsproteinet. Tilstedeværelsen af disse superagregater spiller muligvis en vigtig rolle i vevets funktion; Under genoprettelsen af væv efter immobilisering af lemmerne i de midterste lag af ledbrusk er deres højere koncentrationer fundet i de led, der er ramt af slidgigt, i de tidlige stadier af sygdommen deres dimensioner er signifikant reduceret.

Foruden aggrecan indeholder ledbrusk et antal mindre proteoglycaner. Biglikan og decorin, molekyler, der bærer dermatan sulfater, har en molekylvægt på henholdsvis ca. 100 og 70 kD; massen af deres kerneprotein er ca. 30 kD.

Ledbrusken i human biglycan molekylet indeholder to kæder dermatansulfat hvorimod mere hyppigt forekommende decorin - kun én. Disse molekyler er kun en lille del af proteoglycaner i ledbrusken, selv om de også kan være en masse, samt store aggregater af proteoglycaner. Små proteoglycaner interagere med andre makromolekyler i ECM, herunder collagenfibriler, fibronectin, vækstfaktorer og andre. Decorin oprindeligt lokaliseret på overfladen af collagenfibriller og hæmmer collagen fibrillogenese. Rod fast tilbageholdt protein med en cellebindende domæne af fibronectin, således formentlig inhibere bindingen af sidstnævnte til celleoverfladereceptorer (integriner). På grund af det faktum, at både decorin og biglycan binder til fibronectin og inhiberer celleadhæsion og migrering, samt thrombedannelse, de er i stand til at inhibere væv reparationsprocesser.

Fibromodulin af ledbrusk er en proteoglycan med en molekylvægt på 50-65 kD, der er associeret med collagenfibriller. Dens kerneprotein, der er homologt med kerneproteinerne i indretningen og bigakanaen, indeholder en stor mængde tyrosinsulfatrester. Denne glycosylerede form af fibromodulin (tidligere kaldet et 59 kD matrixprotein) kan deltage i reguleringen af dannelse og vedligeholdelse af strukturen af collagenfibriller. Fibromodulin og decorin er placeret på overfladen af collagenfibriller. Således som tidligere angivet, bør forøgelsen i fibrildiameter være forudset af selektiv fjernelse af disse proteoglycaner (såvel som kollagen type IX molekyler).

Ledbrusk indeholder et antal proteiner i VKM, som ikke tilhører proteoglycaner eller collagener. De interagerer med andre makromolekyler for at danne et netværk, hvor de fleste VKM molekyler er inkorporeret.

Ankerin, et protein med en masse på 34 kD, lokaliseres på overfladen af chondrocytter og i cellemembranen medierer interaktionen mellem cellen og matrixen. På grund af sin høje affinitet for kollagen type II kan den fungere som en mekanoreceptor, som overfører et signal om det ændrede tryk på chondrocytens fibril.

Fibronectin er en bestanddel af de fleste bruskvævende væv, lidt anderledes end fibronektin af blodplasma. Det foreslås, at fibronectin fremmer integrationen af matrixen ved at interagere med cellemembraner og andre matrixbestanddele, såsom kollagen type II og thrombospondin. Fragmenter af fibronectin påvirker negativt metabolisme af chondrocytter - hæmmer syntesen af aggrecan, stimulerer kataboliske processer. I den fælles væske hos patienter med osteoartrose blev der fundet en høj koncentration af fibronektinfragmenter, så de kan deltage i sygdomspatogenesen i senere stadier. Sandsynligvis fragmenter af andre matrixmolekyler, der binder til chondrocytreceptorer, har også de samme virkninger.

Det brusk-oligomere matrixprotein (OMPC), et medlem af trombospondin-superfamilien, er en pentamer med fem identiske underenheder med en molekylvægt på ca. 83 kD. De findes i stort antal i ledbrusk, især i laget af prolifererende celler i vækstvævet. Derfor deltager OMPCH måske i reguleringen af cellevækst. Ved en meget lavere koncentration findes de i ECM af modent ledbrusk. Matrixproteiner henvises også til som:

• Basismatrixproteinet (36 kD), som har en høj affinitet for chondrocytter, kan formidle interaktionen af celler i ECM, for eksempel under vævsmodellering;
• GP-39 (39 kD) udtrykkes i overfladelaget af ledbrusk og i synovialmembranen (dens funktioner er ukendte);
• 21 kD protein syntetiseres af hypertrofierede chondrocytter, interagerer med X-type collagen, kan fungere i "bølge-line" -zonen.

Desuden er det indlysende, at chondrocytter udtrykker et ikke-glycosyleret form af små ikke-aggregerede proteoglycaner i visse faser af brusk udvikling og i patologiske tilstande, men deres specifikke funktion er ved at blive undersøgt.

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

Funktionsegenskaber af brusk i leddet

Molekyler af aggrecan giver ledbrusk evnen til at gennemgå reversibel deformation. De demonstrerer specifikke interaktioner inden for det ekstracellulære rum og utvivlsomt spiller en vigtig rolle i ECMs organisation, struktur og funktion. I det bruskvæv når aggrecane molekyler en koncentration på 100 mg / ml. I brusk komprimeres Aggregan-molekylerne til 20% af det volumen, de optager i opløsningen. Et tredimensionalt netværk dannet af kollagenfibriller informerer vævet om dets karakteristiske form og forhindrer stigningen i volumenet af proteoglycaner. Inden for collagenetet bærer immobile proteoglycaner en stor negativ elektrisk ladning (indeholder et stort antal anioniske grupper), som tillader interagerende med mobilkationiske grupper af interstitialvæsken. Interagering med vand giver proteoglycaner det såkaldte hævelsestryk, som modvirkes af kollagennetværket.

Tilstedeværelsen af vand i ECM er meget vigtig. Vand bestemmer vævsmængden; associeret med proteoglycaner, giver det modstandsdygtighed mod kompression. Derudover giver vand transport af molekyler og diffusion i ECM. Den høje tæthed af negativ ladning på store proteoglycaner, der er fastgjort i væv, skaber en "ekskluderet volumeneffekt". Porestørrelsen af den intrakoncentrerede opløsning af proteoglycaner er så lille, at diffusion af store globulære proteiner ind i vævet er stærkt begrænset. VKM afviser små negativt ladede (fx chloridioner) og store (såsom albumin og immunglobuliner) proteiner. Cellernes størrelse inden for et tæt netværk af collagenfibriller og proteoglycaner kan kun sammenlignes med dimensionerne af nogle uorganiske molekyler (for eksempel natrium og kalium, men ikke calcium).

I VKM er en vis mængde vand til stede i collagenfibrillerne. Fysisk-kemiske og biomekaniske egenskaber ved brusk bestemmer ekstrafibrillar rum. Vandindholdet i det fibrillære rum afhænger af koncentrationen af proteoglycaner i ekstrafibrillarrummet og øges med et fald i koncentrationen af sidstnævnte.

Den faste negative ladning på proteoglycaner bestemmer ionpræparatet af det ekstracellulære medium indeholdende frie kationer i høj koncentration og frie anioner i lav koncentration. Da koncentrationen af aggrecanmolekylerne stiger fra overfladen til bruskets dybe zone, ændres det ioniske miljø i vævet. Koncentrationen af uorganiske ioner i ECM giver et højt osmotisk tryk.

Brusk egenskaber som et materiale afhænger af interaktionen af collagenfibriler, proteoglycaner og væskefaser væv. Strukturelle og sammensætningsmæssige ændringer på grund af uoverensstemmelse mellem det syntetiske og kataboliske processer, og nedbrydning af makromolekyler ved fysisk skade, væsentligt påvirker materialeegenskaber af brusk og ændre sin funktion. Da koncentrationen og fordelingen af makromolekylære organisation af proteoglycaner og collagener varierer afhængigt af dybden af brusk zone variere biomekaniske egenskaber af hver zone. For eksempel har overfladearealet med sin høje koncentration af collagenfibriller anbragt tangentielt i forhold til den lave koncentration af proteoglycaner den mest udtalte modvirke strækegenskaber, fordeling af belastningen jævnt over vævsoverfladen. I de overgangs- og dybe zoner giver en høj koncentration af proteoglycaner en vævsegenskab til overførslen af kompressionsbelastningen. På niveauet for "bølgede linjer" brusk materialeegenskaber varierer kraftigt fra smidig nekaltsifitsirovannoy zone til en hård mineraliseret brusk. I området med den "bølgede linje" tilvejebringes vævets styrke af kollagennetværket. Bruskfibriller krydser ikke de bruskdele i forbindelsen med osteochondralt væv styrke tilvejebringes ved særlige konturer grænselag mellem zone nekaltsifitsirovannogo og forkalket brusk i form af fingerlignende udvækster uregelmæssige, som "lukker" to lag og forhindrer deres adskillelse. Forkalket brusk er mindre tæt end den subchondrale knogle, så det udfører funktionen af et mellemliggende lag, som blødgør trykbelastningen på brusk og subchondral knogle transmitterer det.

Under belastningen forekommer en kompleks fordeling af tre kræfter-strækning, forskydning og kompression. Ledematrixen deformeres på grund af uddrivelsen af vand (såvel som metaboliske produkter fra celler) fra belastningszonen, øger koncentrationen af ioner i interstitialvæsken. Vands bevægelse afhænger direkte af varigheden og styrken af den påførte belastning og forsinkes af den negative ladning af proteoglycaner. I proteoglycaner tid vævsdeformation mere tæt presset mod hinanden og derved effektivt at øge den negative ladningstæthed og intermolekylære frastødende negative charge kræfter igen forøge modstanden mod yderligere deformation af stoffet. I sidste ende deformation når ligevægt, hvor de ydre kræfter er afbalancerede interne belastning modstandsstyrkerne - kvældningstrykket (interaktionen med ioner proteoglycaner) og mekanisk belastning (interaktion proteoglycaner og collagener). Når belastningen elimineres, erhverver det bruskvæv sin oprindelige form ved at suge vand sammen med næringsstoffer. Den oprindelige (præ-load) vævsform opnås, når hæmningstrykket af proteoglycaner afbalanceres af modstanden af kollagennetværket til deres spredning.

Biomekaniske egenskaber af ledbrusk er baseret på den strukturelle integritet af stoffet - collagen-proteoglycan sammensætning som en fast fase og vand og ioner opløst deri som en flydende fase. Ud af belastningen er det hydrostatiske tryk i ledbrusk ca. 1-2 atm. Dette hydrostatiske tryk kan stige in vivo til 100-200 atm. I millisekunder under stående og op til 40-50 atm under gang. Undersøgelser in vitro har vist, at det hydrostatiske tryk på 50-150 atm (fysiologisk) i en kort tidsperiode fører til en moderat vækst af brusk anabolisme i 2 timer - fører til tab af væske brusk, men ikke forårsage nogen andre ændringer. Spørgsmålet er, hvor hurtigt chondrocyterne reagerer in vivo for denne slags belastning.

Induceret reduktion af hydrering med efterfølgende stigning i koncentrationen af proteoglycaner fører til tiltrækning af positivt ladede ioner, såsom H ⁺ og Na ⁺. Dette fører til en ændring i den totale ionpræparat og pH i ECM og chondrocytter. Langvarig belastning inducerer et fald i pH og et samtidigt fald i syntesen af proteoglycaner med chondrocytter. Måske er påvirkning af det ekstracellulære ioniske miljø på syntetiske processer også delvis relateret til dets virkning på ECM's sammensætning. De nyligt syntetiserede molekyler af aggrecan i et svagt surt medium senere end i normale betingelser modner i aggregerede former. Det er sandsynligt, at et fald i pH omkring chondrocytter (for eksempel under en belastning) tillader mere nyligt syntetiserede aggrecane molekyler at nå den interterritoriale matrix.

Når belastningen er elimineret, vender vandet tilbage fra det synoviale hulrum og transporterer næringsstoffer til cellerne. Brusken påvirket med slidgigt, er proteoglycan koncentration sænkes derfor under lastning vandet bevæger sig ikke kun lodret i synovialkaviteten, men også i andre retninger, hvorved power chondrocytter.

Immobilisering eller lille belastning fører til et markant fald i de syntetiske processer i brusk proteoglycan indhold og, mens stigningen i dynamisk belastning fører til en beskeden stigning proteoglycansyntese og indhold .. Intens motion (20km om dagen i 15 uger) hos hunde forårsagede en ændring i indholdet af proteoglycaner især et kraftigt fald i deres koncentration i overfladezonen. Der har været en vis reversibel blødgøring af brusk og remodeling af subchondralbenet. En stor statisk belastning forårsagede dog bruskskade og efterfølgende degenerering. Desuden initierer tabet af Aggrecan ECM unormale ændringer, der er karakteristiske for osteoarthrose. Tab af aggrecan fører til tiltrækning af vand og hævelse af den resterende lille mængde proteoglycaner. Denne fortynding reducerer aggrecan lokal faste ladningstæthed og i sidste ende fører til en ændring i osmolaritet.