โรคข้อเข่าเสื่อม: กระดูกอ่อนข้อมีการจัดเรียงอย่างไร?

กระดูกอ่อนข้อต่อปกติมีหน้าที่หลัก 2 ประการ ได้แก่ ดูดซับแรงกดจากการเสียรูประหว่างการรับน้ำหนักเชิงกล และสร้างความเรียบเนียนให้กับพื้นผิวข้อต่อ ซึ่งช่วยลดแรงเสียดทานขณะข้อต่อเคลื่อนไหวได้ ซึ่งรับประกันได้ด้วยโครงสร้างเฉพาะของกระดูกอ่อนข้อต่อ ซึ่งประกอบด้วยคอนโดรอิทินที่แช่อยู่ในเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM)

กระดูกอ่อนข้อปกติของผู้ใหญ่สามารถแบ่งออกได้เป็นหลายชั้นหรือหลายโซน ได้แก่ ชั้นผิวเผินหรือชั้นสัมผัส ชั้นเปลี่ยนผ่าน ชั้นลึกหรือชั้นรัศมี และชั้นแคลเซียม ชั้นระหว่างชั้นผิวเผินและชั้นเปลี่ยนผ่าน และโดยเฉพาะอย่างยิ่งระหว่างชั้นเปลี่ยนผ่านและชั้นลึกไม่มีขอบเขตที่ชัดเจน จุดเชื่อมต่อระหว่างกระดูกอ่อนข้อที่ไม่มีแคลเซียมและแคลเซียมเรียกว่า "ขอบหยัก" ซึ่งเป็นเส้นที่มองเห็นได้เมื่อย้อมเนื้อเยื่อที่มีแคลเซียมเกาะ ชั้นแคลเซียมของกระดูกอ่อนประกอบด้วยสัดส่วนที่ค่อนข้างคงที่ (6-8%) ของความสูงหน้าตัดของกระดูกอ่อนทั้งหมด ความหนาทั้งหมดของกระดูกอ่อนข้อ รวมทั้งชั้นแคลเซียมของกระดูกอ่อน จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับน้ำหนักบนพื้นที่เฉพาะของพื้นผิวข้อต่อและประเภทของข้อต่อ แรงดันไฮโดรสแตติกที่ไม่สม่ำเสมอในกระดูกใต้กระดูกอ่อนมีบทบาทสำคัญในการรักษาโครงสร้างปกติของกระดูกอ่อนด้วยการชะลอการสร้างกระดูก

เซลล์กระดูกอ่อนประกอบด้วยประมาณ 2-3% ของมวลเนื้อเยื่อทั้งหมด ในบริเวณผิวเผิน (สัมผัส) เซลล์จะตั้งอยู่ตามแนว และในบริเวณลึก (รัศมี) - ตั้งฉากกับพื้นผิวของกระดูกอ่อน ในบริเวณเปลี่ยนผ่าน เซลล์กระดูกอ่อนจะรวมตัวกันเป็นกลุ่มที่มี 2-4 เซลล์กระจายอยู่ทั่วเมทริกซ์ ขึ้นอยู่กับบริเวณของกระดูกอ่อนข้อต่อ ความหนาแน่นของเซลล์กระดูกอ่อนจะแตกต่างกันไป โดยความหนาแน่นของเซลล์สูงสุดจะอยู่ในโซนผิวเผิน และต่ำสุดจะอยู่ในโซนที่มีแคลเซียม นอกจากนี้ ความหนาแน่นของการกระจายตัวของเซลล์จะแตกต่างกันไปตามข้อต่อ โดยจะแปรผกผันกับความหนาของกระดูกอ่อนและภาระที่เกิดขึ้นในบริเวณที่เกี่ยวข้อง

เซลล์คอนโดรไซต์ที่อยู่ผิวเผินที่สุดจะเป็นรูปจานและก่อตัวเป็นชั้นของเซลล์หลายชั้นในโซนสัมผัสซึ่งอยู่ใต้แถบเมทริกซ์แคบๆ เซลล์ที่อยู่ลึกกว่าในโซนนี้มักจะมีรูปร่างที่ไม่เท่ากัน ในโซนทรานสิชั่น เซลล์คอนโดรไซต์จะเป็นทรงกลม บางครั้งจะรวมกันเป็นกลุ่มเล็กๆ ที่กระจัดกระจายอยู่ในเมทริกซ์ เซลล์คอนโดรไซต์ในโซนลึกจะมีรูปร่างเป็นทรงรีเป็นส่วนใหญ่ โดยจัดกลุ่มเป็นโซ่ที่มีเซลล์ 2-6 เซลล์ในแนวรัศมี ในเขตที่มีแคลเซียม เซลล์คอนโดรไซต์จะกระจายตัวกันอย่างเบาบางยิ่งขึ้น เซลล์บางส่วนตาย แต่ส่วนใหญ่ยังมีชีวิต เซลล์เหล่านี้ถูกล้อมรอบด้วยเมทริกซ์ที่ไม่มีแคลเซียม ส่วนช่องว่างระหว่างเซลล์จะมีแคลเซียม

ดังนั้นกระดูกอ่อนข้อของมนุษย์จึงประกอบด้วย ECM ที่เติมน้ำและเซลล์ที่แช่อยู่ในนั้น ซึ่งคิดเป็น 2-3% ของปริมาตรเนื้อเยื่อทั้งหมด เนื่องจากเนื้อเยื่อกระดูกอ่อนไม่มีหลอดเลือดหรือหลอดน้ำเหลือง การโต้ตอบระหว่างเซลล์ การส่งสารอาหารไปยังเซลล์ และการกำจัดผลิตภัณฑ์จากการเผาผลาญจึงเกิดขึ้นโดยการแพร่กระจายผ่าน ECM แม้ว่าเซลล์กระดูกอ่อนจะมีการเผาผลาญที่กระตือรือร้นมาก แต่โดยปกติแล้วเซลล์กระดูกอ่อนจะไม่แบ่งตัวในผู้ใหญ่ เซลล์กระดูกอ่อนจะดำรงอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีออกซิเจน และเชื่อกันว่าการเผาผลาญของเซลล์กระดูกอ่อนส่วนใหญ่จะเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจน

คอนโดรไซต์แต่ละแห่งถือเป็นหน่วยเผาผลาญของกระดูกอ่อนที่แยกออกจากเซลล์ข้างเคียง แต่มีหน้าที่สร้างธาตุ ECM ในบริเวณใกล้เคียงเซลล์ที่บริจาค และรักษาองค์ประกอบของเซลล์ดังกล่าว

ECM แบ่งออกเป็น 3 ส่วน โดยแต่ละส่วนมีโครงสร้างทางสัณฐานวิทยาเฉพาะตัวและองค์ประกอบทางชีวเคมีเฉพาะ ECM ที่อยู่ติดกับเยื่อฐานของเซลล์กระดูกอ่อนโดยตรงเรียกว่าเมทริกซ์รอบเซลล์หรือเมทริกซ์ว่าง มีลักษณะเฉพาะคือมีโปรตีโอไกลแคนรวมตัวเป็นก้อนในปริมาณสูงซึ่งสัมพันธ์กับเซลล์โดยปฏิกิริยาระหว่างกรดไฮยาลูโรนิกกับตัวรับที่คล้ายกับ CD44 และไม่มีเส้นใยคอลลาเจนที่เรียงตัวเป็นระเบียบ เมทริกซ์รอบเซลล์โดยตรงคือเมทริกซ์อาณาเขตหรือเมทริกซ์แคปซูล ซึ่งประกอบด้วยเครือข่ายของเส้นใยคอลลาเจนที่ตัดกันซึ่งห่อหุ้มเซลล์แต่ละเซลล์หรือ (บางครั้ง) กลุ่มเซลล์ ก่อตัวเป็นกระดูกอ่อน และอาจทำหน้าที่รองรับเซลล์ด้วยกลไกเฉพาะ เซลล์กระดูกอ่อนสัมผัสกับเมทริกซ์แคปซูลผ่านกระบวนการทางไซโทพลาซึมจำนวนมากที่มีไมโครฟิลาเมนต์จำนวนมาก รวมถึงโมเลกุลเมทริกซ์เฉพาะ เช่น แอนโครินและตัวรับที่คล้ายกับ CD44 ส่วนที่ใหญ่ที่สุดและอยู่ไกลที่สุดของ ECM จากเยื่อฐานของเซลล์กระดูกอ่อนคือเมทริกซ์ระหว่างอาณาเขต ซึ่งมีเส้นใยคอลลาเจนและโปรตีโอกลีแคนจำนวนมากที่สุด

การแบ่ง ECM ออกเป็นช่องต่างๆ นั้นชัดเจนกว่าในกระดูกอ่อนข้อของผู้ใหญ่เมื่อเทียบกับกระดูกอ่อนข้อที่ยังไม่โตเต็มที่ ขนาดสัมพันธ์ของแต่ละช่องนั้นแตกต่างกันไม่เพียงแค่ระหว่างข้อต่อเท่านั้น แต่ยังแตกต่างกันไปภายในกระดูกอ่อนเดียวกันด้วย เซลล์กระดูกอ่อนแต่ละเซลล์จะสร้างเมทริกซ์ที่ล้อมรอบเซลล์นั้น ตามการวิจัย เซลล์กระดูกอ่อนของเนื้อเยื่อกระดูกอ่อนที่โตเต็มที่นั้นควบคุมเมทริกซ์รอบเซลล์และอาณาเขตของตัวเองอย่างแข็งขัน และควบคุมเมทริกซ์ระหว่างอาณาเขตได้น้อยกว่า ซึ่งเมทริกซ์เหล่านี้อาจจะ "เฉื่อย" ในทางเมตาบอลิซึม

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ กระดูกอ่อนข้อประกอบด้วย ECM จำนวนมากที่สังเคราะห์และควบคุมโดยคอนโดรไซต์ โมเลกุลขนาดใหญ่ของเนื้อเยื่อและความเข้มข้นของโมเลกุลเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงไปตลอดชีวิตตามความต้องการในการทำงานที่เปลี่ยนไป อย่างไรก็ตาม ยังไม่ชัดเจนว่าเซลล์สังเคราะห์เมทริกซ์ทั้งหมดพร้อมกันหรือในบางเฟสตามความต้องการทางสรีรวิทยา ความเข้มข้นของโมเลกุลขนาดใหญ่ ความสมดุลของการเผาผลาญระหว่างโมเลกุลขนาดใหญ่ ความสัมพันธ์และปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลขนาดใหญ่จะกำหนดคุณสมบัติทางชีวเคมี และด้วยเหตุนี้ จึงกำหนดหน้าที่ของกระดูกอ่อนข้อภายในข้อต่อเดียว ส่วนประกอบหลักของ ECM ของกระดูกอ่อนข้อของผู้ใหญ่คือน้ำ (65-70% ของมวลรวม) ซึ่งยึดติดแน่นอยู่ภายในเนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพพิเศษของโมเลกุลขนาดใหญ่ของเนื้อเยื่อกระดูกอ่อนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของคอลลาเจน โปรตีโอกลีแคน และไกลโคโปรตีนที่ไม่ใช่คอลลาเจน

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

องค์ประกอบทางชีวเคมีของกระดูกอ่อน

เส้นใยคอลลาเจนประกอบด้วยโมเลกุลของคอลลาเจนโปรตีนเส้นใย ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม คอลลาเจนคิดเป็น 1 ใน 4 ของโปรตีนทั้งหมดในร่างกาย คอลลาเจนสร้างองค์ประกอบเส้นใย (เส้นใยคอลลาเจน) ซึ่งประกอบด้วยหน่วยย่อยของโครงสร้างที่เรียกว่าโทรโปคอลลาเจน โมเลกุลโทรโปคอลลาเจนมีโซ่ 3 เส้นที่ก่อตัวเป็นเกลียวสามชั้น โครงสร้างของโมเลกุลโทรโปคอลลาเจนนี้ เช่นเดียวกับโครงสร้างของเส้นใยคอลลาเจน เมื่อโมเลกุลเหล่านี้ตั้งอยู่ในแนวขนานในทิศทางตามยาวโดยมีการเลื่อนคงที่ประมาณ 1/4 ของความยาว และให้ความยืดหยุ่นและความแข็งแรงสูงแก่เนื้อเยื่อที่โมเลกุลตั้งอยู่ ปัจจุบัน คอลลาเจน 10 ประเภทที่แตกต่างกันทางพันธุกรรมเป็นที่ทราบกัน โดยแตกต่างกันในโครงสร้างทางเคมีของโซ่ α และ/หรือชุดโซ่ในโมเลกุล คอลลาเจน 4 ประเภทแรกที่ได้รับการศึกษาดีที่สุดสามารถสร้างไอโซฟอร์มโมเลกุลได้มากถึง 10 ไอโซฟอร์ม

เส้นใยคอลลาเจนเป็นส่วนหนึ่งของช่องว่างนอกเซลล์ของเนื้อเยื่อเกี่ยวพันส่วนใหญ่ รวมทั้งกระดูกอ่อน เส้นใยคอลลาเจนที่ตัดกันเป็นสามมิติที่ไม่ละลายน้ำจะพันกันเป็นเส้นใยคอลลาเจนซึ่งละลายน้ำได้มากกว่า เช่น โปรตีโอไกลแคน ไกลโคโปรตีน และโปรตีนเฉพาะเนื้อเยื่อ ซึ่งบางครั้งโปรตีนเหล่านี้อาจเชื่อมโยงกันอย่างโควาเลนต์กับองค์ประกอบของคอลลาเจน

โมเลกุลคอลลาเจนที่จัดอยู่ในกลุ่มเส้นใยประกอบด้วยประมาณ 50% ของสารตกค้างแห้งอินทรีย์ของกระดูกอ่อน (10-20% ของกระดูกอ่อนตามธรรมชาติ) ในกระดูกอ่อนที่โตเต็มที่ คอลลาเจนประมาณ 90% เป็นคอลลาเจนประเภท II ซึ่งพบได้เฉพาะในเนื้อเยื่อบางชนิด (เช่น วุ้นตา ไขสันหลังของตัวอ่อน) คอลลาเจนประเภท II จัดอยู่ในโมเลกุลคอลลาเจนคลาส I (สร้างเส้นใย) นอกจากนี้ กระดูกอ่อนข้อต่อของมนุษย์ที่โตเต็มที่ยังมีคอลลาเจนประเภท IX, XI และประเภท VI ในปริมาณเล็กน้อยอีกด้วย ปริมาณสัมพันธ์ของเส้นใยคอลลาเจนประเภท IX ในเส้นใยคอลลาเจนจะลดลงจาก 15% ในกระดูกอ่อนของทารกในครรภ์เหลือประมาณ 1% ในกระดูกอ่อนของวัวที่โตเต็มที่

โมเลกุลคอลลาเจนประเภท I ประกอบด้วยโซ่โพลีเปปไทด์ a, (II) ที่เหมือนกันสามโซ่ ซึ่งสังเคราะห์และหลั่งออกมาเป็นสารตั้งต้นของโปรคอลลาเจน เมื่อโมเลกุลคอลลาเจนที่เสร็จสมบูรณ์ถูกปล่อยออกสู่ช่องว่างนอกเซลล์ โมเลกุลเหล่านี้จะก่อตัวเป็นเส้นใย ในกระดูกอ่อนข้อต่อที่โตเต็มที่ คอลลาเจนประเภท II จะสร้างเส้นใยแบบโค้ง ซึ่งโมเลกุลที่ "หนากว่า" จะอยู่ในชั้นลึกของเนื้อเยื่อ และโมเลกุลที่ "บางกว่า" จะอยู่ในแนวนอนในชั้นผิวเผิน

พบเอ็กซอนที่เข้ารหัสโปรเปปไทด์ปลาย N ที่อุดมไปด้วยซิสเตอีนในยีนโปรคอลลาเจนชนิดที่ 2 เอ็กซอนนี้แสดงออกไม่ใช่ในกระดูกอ่อนที่โตเต็มที่ แต่ในระยะเริ่มต้นของการพัฒนา (พรีคอนโดรเจเนซิส) เนื่องจากมีเอ็กซอนนี้ โมเลกุลโปรคอลลาเจนชนิดที่ 2 (ชนิดที่ 2 A) จึงยาวกว่าคอลลาเจนชนิดที่ 2 อาจเป็นไปได้ว่าการแสดงออกของโปรคอลลาเจนชนิดนี้จะยับยั้งการสะสมขององค์ประกอบใน ECM ของกระดูกอ่อนข้อต่อ โปรคอลลาเจนชนิดนี้อาจมีบทบาทบางอย่างในการพัฒนาพยาธิสภาพของกระดูกอ่อน (เช่น การตอบสนองในการซ่อมแซมที่ไม่เพียงพอ การสร้างกระดูกงอก เป็นต้น)

เครือข่ายของเส้นใยคอลลาเจนชนิดที่ 2 มีหน้าที่ในการต้านทานการยืดและจำเป็นสำหรับการรักษาปริมาตรและรูปร่างของเนื้อเยื่อ หน้าที่นี้ได้รับการเสริมด้วยการเชื่อมโยงแบบโควาเลนต์และแบบขวางระหว่างโมเลกุลคอลลาเจน ใน ECM เอนไซม์ไลซิลออกซิเดสจะสร้างอัลดีไฮด์จากไฮดรอกซีไลซีน ซึ่งจะถูกแปลงเป็นกรดอะมิโนหลายวาเลนต์ไฮดรอกซีไลซิล-ไพริดินอลีน ซึ่งสร้างการเชื่อมโยงแบบขวางระหว่างโซ่ ในแง่หนึ่ง ความเข้มข้นของกรดอะมิโนนี้จะเพิ่มขึ้นตามอายุ แต่ในกระดูกอ่อนที่โตเต็มที่ กรดอะมิโนนี้แทบจะไม่เปลี่ยนแปลง ในอีกแง่หนึ่ง ในกระดูกอ่อนข้อต่อ พบว่าความเข้มข้นของการเชื่อมโยงแบบขวางของประเภทต่างๆ ที่เพิ่มขึ้นโดยไม่ได้มีส่วนร่วมของเอนไซม์นั้นเพิ่มขึ้นตามอายุ

ประมาณ 10% ของปริมาณคอลลาเจนทั้งหมดในเนื้อเยื่อกระดูกอ่อนเป็นคอลลาเจนที่เรียกว่าคอลลาเจนไมเนอร์ ซึ่งกำหนดหน้าที่เฉพาะของเนื้อเยื่อนี้เป็นส่วนใหญ่ คอลลาเจนประเภท IX จัดอยู่ในกลุ่มโมเลกุลเกลียวสั้นคลาส III และอยู่ในกลุ่มคอลลาเจน FACIT เฉพาะ (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices) ประกอบด้วยโซ่ที่แตกต่างกันทางพันธุกรรมสามโซ่ โซ่หนึ่งคือ โซ่ _a2ซึ่งถูกไกลโคซิเลตพร้อมกับคอนโดรอิทินซัลเฟต ซึ่งทำให้โมเลกุลนี้เป็นโปรตีโอไกลแคน พบไฮดรอกซีไพริดีนที่โตเต็มที่และยังไม่โตเต็มที่เชื่อมขวางระหว่างส่วนเกลียวของคอลลาเจนประเภท IX และคอลลาเจนประเภท II คอลลาเจน IX ยังสามารถทำหน้าที่เป็น "ตัวเชื่อม" (หรือสะพาน) ระหว่างเส้นใยคอลลาเจนที่อยู่ติดกัน โมเลกุลคอลลาเจน IX ก่อตัวเป็นการเชื่อมขวางซึ่งกันและกัน ซึ่งจะเพิ่มเสถียรภาพทางกลของเครือข่ายเส้นใยสามมิติ และปกป้องเส้นใยจากผลของเอนไซม์ นอกจากนี้ โมเลกุลคอลลาเจน IX ยังต้านทานการเสียรูปได้ ช่วยจำกัดการบวมของโปรตีโอกลีแคนที่อยู่ภายในเครือข่าย นอกจากโซ่ CS ที่เป็นประจุลบแล้ว โมเลกุลคอลลาเจน IX ยังมีโดเมนที่เป็นประจุบวก ซึ่งส่งประจุจำนวนมากไปยังเส้นใย และมีแนวโน้มที่จะโต้ตอบกับโมเลกุลขนาดใหญ่ของเมทริกซ์อื่นๆ

คอลลาเจนประเภท XI มีสัดส่วนเพียง 2-3% ของมวลคอลลาเจนทั้งหมด จัดอยู่ในคอลลาเจนประเภท I (สร้างเส้นใย) และประกอบด้วยโซ่ α ที่แตกต่างกันสามสาย ร่วมกับคอลลาเจนประเภท II และ IX คอลลาเจนประเภท XI จะสร้างเส้นใยเฮเทอโรไทป์ของกระดูกอ่อนข้อต่อ โมเลกุลของคอลลาเจนประเภท XI ถูกตรวจพบภายในเส้นใยคอลลาเจนประเภท II โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กโตรอิเล็กโตรสโคปี โมเลกุลเหล่านี้น่าจะจัดระเบียบโมเลกุลคอลลาเจนประเภท II โดยควบคุมการเติบโตด้านข้างของเส้นใยและกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยคอลลาเจนเฮเทอโรไทป์ นอกจากนี้ คอลลาเจน XI ยังเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของการเชื่อมขวาง แต่แม้ในกระดูกอ่อนที่โตเต็มที่ การเชื่อมขวางก็ยังคงอยู่ในรูปของคีโตอามีนที่มีประจุบวกสองชนิดที่ยังไม่โตเต็มที่

คอลลาเจนชนิด VI ในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งเป็นอีกองค์ประกอบหนึ่งของโมเลกุลเกลียวสั้นคลาส III พบในกระดูกอ่อนข้อต่อ คอลลาเจนชนิด VI ก่อตัวเป็นไมโครไฟบริลหลายชนิด และน่าจะมีความเข้มข้นในเมทริกซ์แคปซูลของคอนโดรนดรอน

โปรตีโอกลีแคนเป็นโปรตีนที่โซ่ไกลโคซามิโนกลีแคนอย่างน้อยหนึ่งโซ่เชื่อมติดกันอย่างโควาเลนต์ โปรตีโอกลีแคนเป็นโมเลกุลชีวภาพขนาดใหญ่ที่มีความซับซ้อนที่สุด โปรตีโอกลีแคนพบมากที่สุดใน ECM ของกระดูกอ่อน โปรตีโอกลีแคนที่มีคุณสมบัติชอบน้ำซึ่ง "พันกัน" อยู่ภายในเครือข่ายของเส้นใยคอลลาเจน ทำหน้าที่หลัก นั่นคือ ส่งเสริมให้กระดูกอ่อนสามารถเปลี่ยนรูปได้แบบกลับคืนสู่สภาพเดิม สันนิษฐานว่าโปรตีโอกลีแคนยังทำหน้าที่อื่นๆ อีกหลายอย่าง ซึ่งสาระสำคัญยังไม่ชัดเจนนัก

แอกเกรแคนเป็นโปรตีโอไกลแคนหลักของกระดูกอ่อนข้อ คิดเป็นประมาณ 90% ของมวลโปรตีโอไกลแคนทั้งหมดในเนื้อเยื่อ โปรตีนหลักขนาด 230 kD ถูกไกลโคซิเลตโดยโซ่ไกลโคสะมิโนไกลแคนที่เชื่อมกันแบบโควาเลนต์หลายโซ่และโอลิโกแซกคาไรด์ที่ปลาย N และปลาย C

โซ่ไกลโคสะมิโนไกลแคนของกระดูกอ่อนข้อ ซึ่งประกอบเป็นประมาณร้อยละ 90 ของมวลทั้งหมดของโมเลกุลขนาดใหญ่ ได้แก่ เคราทันซัลเฟต (ลำดับของไดแซ็กคาไรด์ซัลเฟต N-อะซิติลกลูโคซามิโนแล็กโตสที่มีตำแหน่งซัลเฟตหลายแห่งและกากโมโนแซ็กคาไรด์อื่น ๆ เช่น กรดไซอาลิก) และคอนโดรอิทินซัลเฟต (ลำดับของไดแซ็กคาไรด์ N-อะซิติลกาแลกโตซามีนกรดกลูคูโรนิกที่มีเอสเทอร์ซัลเฟตติดอยู่กับอะตอมคาร์บอนอะตอมที่สี่หรือหกของ N-อะซิติลกาแลกโตซามีน)

โปรตีนหลักของ Aggrecan ประกอบด้วยโดเมนทรงกลม 3 โดเมน (G1, G2, G3) และโดเมนอินเตอร์โกลบูลาร์ 2 โดเมน (E1 และ E2) บริเวณปลาย N ประกอบด้วยโดเมน G1 และ G2 ที่แยกจากกันด้วยส่วน E1 ซึ่งมีความยาว 21 นาโนเมตร โดเมน C3 ซึ่งอยู่ที่บริเวณปลาย C แยกจาก G2 _โดยส่วน E2 ที่ยาวกว่า (ประมาณ 260 นาโนเมตร) ซึ่งมีโซ่คอนดรอยตินซัลเฟตมากกว่า 100 โซ่ โซ่เคราตินซัลเฟตประมาณ 15-25 โซ่ และโอลิโกแซ็กคาไรด์ที่เชื่อมกับ O โอลิโกแซ็กคาไรด์ที่เชื่อมกับ N พบได้ส่วนใหญ่ในโดเมน G1 และ C2 และส่วน E1 รวมถึงใกล้กับ_{บริเวณ} G3 ไกลโคซามิโนไกลแคนถูกจัดกลุ่มเป็น 2 บริเวณ บริเวณที่ยาวที่สุด (เรียกว่าบริเวณที่อุดมด้วยซัลเฟตคอนโดรอิทิน) ประกอบด้วยโซ่คอนโดรอิทินซัลเฟตและโซ่เคอราแทนซัลเฟตประมาณ 50% บริเวณที่อุดมด้วยซัลเฟตคอนโดรอิทินอยู่บน_ส่วน E2 ใกล้กับโดเมน G1 และอยู่ก่อนบริเวณที่อุดมด้วยซัลเฟตคอนโดรอิทิน โมเลกุลของอักเกรแคนยังประกอบด้วยเอสเทอร์ฟอสเฟต ซึ่งส่วนใหญ่อยู่บนกากไซโลสที่ยึดโซ่คอนโดรอิทินซัลเฟตกับโปรตีนหลัก นอกจากนี้ยังพบได้ในกากเซอรีนของโปรตีนหลักอีกด้วย

ส่วนปลาย C ของ_{โดเมน} C3 มีความคล้ายคลึงกับเลกตินเป็นอย่างมาก โดยช่วยให้โมเลกุลโปรตีโอไกลแคนถูกตรึงใน ECM โดยการจับกับโครงสร้างคาร์โบไฮเดรตบางชนิด

การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ได้ระบุเอ็กซอนที่เข้ารหัสโดเมนย่อยที่คล้าย EGF ภายใน G3 _โดยใช้แอนติบอดีโพลีโคลนัลต่อต้าน EGF เอพิโทปที่คล้าย EGF จะถูกระบุตำแหน่งภายในเปปไทด์ขนาด 68 kD ในแอกกรีแคนของกระดูกอ่อนข้อของมนุษย์ อย่างไรก็ตาม หน้าที่ของเอพิโทปนี้ยังต้องอธิบายกันต่อไป โดเมนย่อยนี้ยังพบได้ในโมเลกุลการยึดเกาะที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของลิมโฟไซต์ โมเลกุลแอกกรีแคนที่แยกได้จากกระดูกอ่อนข้อของมนุษย์ที่โตเต็มวัยเพียงประมาณหนึ่งในสามเท่านั้นที่มี_{โดเมน} C3 ที่สมบูรณ์ ซึ่งอาจเป็นเพราะโมเลกุลแอกกรีแคนสามารถลดขนาดลงได้ด้วยเอนไซม์ใน ECM ชะตากรรมและหน้าที่ของชิ้นส่วนที่ถูกตัดยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด

ส่วนหน้าที่หลักของโมเลกุลแอกเกรแคนคือ_ส่วน E2 ที่มีไกลโค ซามิโนไกลแคน บริเวณนี้อุดมไปด้วยเคอราแทนซัลเฟต ซึ่งประกอบด้วยกรดอะมิโนโพรลีน เซรีน และทรีโอนีน กรดอะมิโนเซอรีนและทรีโอนีนส่วนใหญ่จะถูกโอไกลโคซิเลตด้วยกรดอะมิโนเอ็น-อะซิทิลกาแลกโตซามีน ซึ่งทำหน้าที่เริ่มต้นการสังเคราะห์โอลิโกแซ็กคาไรด์บางชนิดที่รวมเข้าในโซ่เคอราแทนซัลเฟต ซึ่งจะทำให้โซ่ยาวขึ้น ส่วนที่เหลือของ_ส่วน E2 ประกอบด้วยลำดับเซอรีน-ไกลซีนมากกว่า 100 ลำดับ ซึ่งเซอรีนจะทำหน้าที่จับกับไซโลซิลที่จุดเริ่มต้นของโซ่คอนโดรอิทินซัลเฟต โดยทั่วไป คอนโดรอิทิน-6-ซัลเฟตและคอนโดรอิทิน-4-ซัลเฟตจะมีอยู่ภายในโมเลกุลโปรตีโอไกลแคนตัวเดียวกันพร้อมๆ กัน โดยอัตราส่วนของทั้งสองจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับตำแหน่งของเนื้อเยื่อกระดูกอ่อนและอายุของบุคคลนั้น

โครงสร้างของโมเลกุลแอกกรีแคนในเมทริกซ์กระดูกอ่อนข้อของมนุษย์จะเกิดการเปลี่ยนแปลงหลายอย่างระหว่างการเจริญเติบโตและการแก่ชรา การเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับการแก่ชราได้แก่ การลดลงของขนาดไฮโดรไดนามิกอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงในความยาวเฉลี่ยของโซ่คอนดรอยตินซัลเฟต และการเพิ่มขึ้นของจำนวนและความยาวของโซ่เคอราแทนซัลเฟต การเปลี่ยนแปลงหลายอย่างในโมเลกุลแอกกรีแคนยังเกิดจากการทำงานของเอนไซม์โปรตีโอไลติก (เช่น แอกกรีคาเนสและสโตรมีเลซิน) บนโปรตีนหลัก ส่งผลให้ความยาวเฉลี่ยของโปรตีนหลักของโมเลกุลแอกกรีแคนลดลงอย่างต่อเนื่อง

โมเลกุล Aggrecan สังเคราะห์โดยเซลล์กระดูกอ่อนและหลั่งเข้าไปใน ECM ซึ่งโมเลกุลเหล่านี้จะรวมตัวกันจนเสถียรโดยโมเลกุลโปรตีนลิงก์เกอร์ การรวมกลุ่มนี้เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์แบบไม่มีโควาเลนต์และร่วมมือกันอย่างจำเพาะเจาะจงระหว่างสายกรดกลูคูโรนิกกับโมเลกุลโปรตีน Aggrecan และลิงก์เกอร์เกือบ 200 โมเลกุล กรดกลูคูโรนิกเป็นไกลโคซามิโนกลีแคนเชิงเส้นนอกเซลล์ที่ไม่มีซัลเฟตและมีน้ำหนักโมเลกุลสูง ประกอบด้วยโมเลกุล N-acetylglucosamine และกรดกลูคูโรนิกที่เชื่อมโยงกันตามลำดับหลายโมเลกุล ลูปคู่ของโดเมน G1 ของ Aggrecan จะโต้ตอบกลับได้กับไดแซ็กคาไรด์กรดไฮยาลูโรนิก 5 ตัวที่ตั้งอยู่ในลำดับ โปรตีนลิงก์เกอร์ซึ่งประกอบด้วยลูปคู่ที่คล้ายคลึงกัน (มีความคล้ายคลึงกันสูง) จะโต้ตอบกับโดเมน C1 และโมเลกุลกรดไฮยาลูโรนิก และทำให้โครงสร้างรวมมีเสถียรภาพ คอมเพล็กซ์โปรตีนที่จับกับกรดไฮยาลูโรนิก C1 จะสร้างปฏิสัมพันธ์ที่เสถียรสูงซึ่งปกป้องโดเมน G1 และโปรตีนที่จับจากการทำงานของเอนไซม์โปรตีโอไลติก โมเลกุลของโปรตีนที่จับกับกรดไฮยาลูโรนิก 2 โมเลกุลที่มีน้ำหนักโมเลกุล 40-50 kDa ได้รับการระบุแล้ว โดยแต่ละโมเลกุลมีระดับไกลโคไซเลชันที่แตกต่างกัน มีเพียงโมเลกุลเดียวของโปรตีนที่จับกับกรดไฮยาลูโรนิกที่บริเวณพันธะแอกกรีแคน โมเลกุลที่สามซึ่งเล็กกว่าของโปรตีนที่จับกับโปรตีนจะก่อตัวจากโมเลกุลที่ใหญ่กว่าโดยการแตกตัวของโปรตีโอไลติก

โมเลกุลแอกกรีแคนประมาณ 200 โมเลกุลสามารถจับกับกรดไฮยาลูโรนิกหนึ่งโมเลกุลเพื่อสร้างมวลรวมที่มีความยาว 8 ไมโครเมตร ในเมทริกซ์ที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ซึ่งประกอบด้วยช่องรอบเซลล์และช่องอาณาเขต มวลรวมจะรักษาความสัมพันธ์กับเซลล์โดยการจับกับตัวรับที่คล้ายกับ CD44 บนเยื่อหุ้มเซลล์ (ผ่านเส้นใยกรดไฮยาลูโรนิก)

การก่อตัวของมวลรวมใน ECM เป็นกระบวนการที่ซับซ้อน โมเลกุลแอกกรีแคนที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่จะไม่แสดงความสามารถในการจับกับกรดไฮยาลูโรนิกทันที ซึ่งอาจทำหน้าที่เป็นกลไกควบคุมที่ช่วยให้โมเลกุลที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่เข้าถึงโซนระหว่างอาณาเขตของเมทริกซ์ได้ก่อนที่จะถูกตรึงไว้เป็นมวลรวมขนาดใหญ่ จำนวนโมเลกุลแอกกรีแคนที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่และโปรตีนที่จับกับมวลรวมที่สามารถสร้างมวลรวมโดยโต้ตอบกับกรดไฮยาลูโรนิกจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญตามอายุ นอกจากนี้ ขนาดของมวลรวมที่แยกจากกระดูกอ่อนข้อของมนุษย์จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญตามอายุ ซึ่งส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการลดลงของความยาวเฉลี่ยของโมเลกุลกรดไฮยาลูโรนิกและโมเลกุลแอกกรีแคน

มีการสร้างมวลรวมสองประเภทในกระดูกอ่อนข้อ มวลรวมประเภทแรกมีขนาดเฉลี่ย 60 S ในขณะที่มวลรวมประเภทที่สอง (ซึ่งเป็น "มวลรวมขนาดใหญ่ที่ตกตะกอนอย่างรวดเร็ว") มีขนาด 120 S มวลรวมประเภทหลังจะแตกต่างกันโดยมีโมเลกุลของโปรตีนยึดเกาะอยู่มาก การมีมวลรวมขนาดใหญ่เหล่านี้อาจมีบทบาทสำคัญในการทำงานของเนื้อเยื่อ ในระหว่างการฟื้นฟูเนื้อเยื่อหลังจากตรึงแขนขา จะพบมวลรวมขนาดใหญ่ในชั้นกลางของกระดูกอ่อนข้อ ในขณะที่ข้อต่อที่ได้รับผลกระทบจากโรคข้อเสื่อม มวลรวมเหล่านี้จะลดลงอย่างมากในระยะเริ่มต้นของโรค

นอกจากแอกกรีแคนแล้ว กระดูกอ่อนข้อยังประกอบด้วยโปรตีโอกลีแคนขนาดเล็กอีกจำนวนหนึ่ง บิ๊กลีแคนและเดโคริน ซึ่งเป็นโมเลกุลที่บรรจุเดอร์มาแทนซัลเฟต มีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 100 และ 70 kDa ตามลำดับ โดยมวลของโปรตีนหลักอยู่ที่ประมาณ 30 kDa

ในกระดูกอ่อนข้อของมนุษย์ โมเลกุลบิ๊กลีแคนประกอบด้วยเดอร์มาแทนซัลเฟต 2 สาย ในขณะที่เดโครินซึ่งพบได้ทั่วไปมีเพียง 1 สาย โมเลกุลเหล่านี้ประกอบเป็นเพียงเศษเสี้ยวเล็กๆ ของโปรตีโอกลีแคนในกระดูกอ่อนข้อ แม้ว่าอาจมีจำนวนมากเท่ากับโปรตีโอกลีแคนที่รวมตัวกันเป็นกลุ่มใหญ่ก็ตาม โปรตีโอกลีแคนขนาดเล็กทำปฏิกิริยากับโมเลกุลขนาดใหญ่อื่นๆ ใน ECM รวมทั้งเส้นใยคอลลาเจน ไฟโบนิกติน ปัจจัยการเจริญเติบโต เป็นต้น เดโครินส่วนใหญ่จะอยู่บนพื้นผิวของเส้นใยคอลลาเจนและยับยั้งการสร้างเส้นใยคอลลาเจน โปรตีนแกนกลางจะถูกกักไว้อย่างแน่นหนาด้วยโดเมนที่จับเซลล์ของไฟโบนิกติน จึงมีแนวโน้มว่าอาจป้องกันไม่ให้ไฟโบนิกตินจับกับตัวรับบนพื้นผิวเซลล์ (อินทีกริน) เนื่องจากเดโครินและบิ๊กลีแคนจับกับไฟโบนิกตินและยับยั้งการยึดเกาะและการเคลื่อนตัวของเซลล์ รวมถึงการสร้างลิ่มเลือด จึงสามารถยับยั้งกระบวนการซ่อมแซมเนื้อเยื่อได้

ไฟโบรโมดูลินของกระดูกอ่อนข้อต่อเป็นโปรตีโอไกลแคนที่มีน้ำหนักโมเลกุล 50-65 kD ซึ่งเกี่ยวข้องกับเส้นใยคอลลาเจน โปรตีนหลักของไฟโบรโมดูลินซึ่งคล้ายคลึงกับโปรตีนหลักของเดโครินและบิ๊กไกลแคนประกอบด้วยไทโรซีนซัลเฟตจำนวนมาก ไฟโบรโมดูลินในรูปแบบไกลโคซิเลตนี้ (ก่อนหน้านี้เรียกว่าโปรตีนเมทริกซ์ 59 kD) อาจมีส่วนร่วมในการควบคุมการสร้างและการรักษาโครงสร้างของเส้นใยคอลลาเจน ไฟโบรโมดูลินและเดโครินอยู่บนพื้นผิวของเส้นใยคอลลาเจน ดังนั้น ดังที่ได้ระบุไว้ก่อนหน้านี้ การเพิ่มขึ้นของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยควรเกิดขึ้นก่อนการกำจัดโปรตีโอไกลแคนเหล่านี้อย่างเลือกสรร (เช่นเดียวกับโมเลกุลคอลลาเจนประเภท IX)

กระดูกอ่อนในข้อประกอบด้วยโปรตีนจำนวนหนึ่งใน ECM ซึ่งไม่ใช่โปรตีโอกลีแคนหรือคอลลาเจน โปรตีนเหล่านี้จะโต้ตอบกับโมเลกุลขนาดใหญ่ชนิดอื่นเพื่อสร้างเครือข่ายที่รวมโมเลกุล ECM ส่วนใหญ่ไว้ด้วยกัน

แอนโคริน ซึ่งเป็นโปรตีนขนาด 34 kD จะอยู่บนพื้นผิวของเซลล์กระดูกอ่อนและในเยื่อหุ้มเซลล์ โดยทำหน้าที่ควบคุมการโต้ตอบระหว่างเซลล์และเมทริกซ์ เนื่องจากมีความสัมพันธ์กับคอลลาเจนชนิดที่ 2 สูง จึงสามารถทำหน้าที่เป็นตัวรับแรงกด โดยส่งสัญญาณเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงแรงกดบนเส้นใยไปยังเซลล์กระดูกอ่อน

ไฟโบนิคตินเป็นส่วนประกอบของเนื้อเยื่อกระดูกอ่อนส่วนใหญ่และแตกต่างจากไฟโบนิคตินในพลาสมาเล็กน้อย เชื่อกันว่าไฟโบนิคตินส่งเสริมการรวมตัวของเมทริกซ์โดยโต้ตอบกับเยื่อหุ้มเซลล์และส่วนประกอบเมทริกซ์อื่นๆ เช่น คอลลาเจนชนิดที่ 2 และทรอมโบสปอนดิน เศษไฟโบนิคตินมีผลเสียต่อการเผาผลาญของเซลล์กระดูกอ่อน โดยจะไปยับยั้งการสังเคราะห์แอกเกรแคนและกระตุ้นกระบวนการย่อยสลาย พบเศษไฟโบนิคตินในความเข้มข้นสูงในของเหลวในข้อของผู้ป่วยโรคข้อเสื่อม จึงอาจมีส่วนร่วมในการก่อโรคในระยะท้ายได้ เศษของโมเลกุลเมทริกซ์อื่นๆ ที่จับกับตัวรับของเซลล์กระดูกอ่อนน่าจะมีผลคล้ายกัน

โปรตีนเมทริกซ์โอลิโกเมอริกของกระดูกอ่อน (OMPC) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มทรอมโบสปอนดิน เป็นเพนทาเมอร์ที่มีซับยูนิตเหมือนกัน 5 ซับยูนิต โดยมีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 83 kDa พบโปรตีนเหล่านี้ในปริมาณมากในกระดูกอ่อนข้อต่อ โดยเฉพาะในชั้นของเซลล์ที่แบ่งตัวในเนื้อเยื่อที่กำลังเติบโต ดังนั้น จึงมีความเป็นไปได้ที่ OMPC จะมีส่วนเกี่ยวข้องในการควบคุมการเติบโตของเซลล์ โดยพบโปรตีนเหล่านี้ในความเข้มข้นที่ต่ำกว่ามากใน ECM ของกระดูกอ่อนข้อต่อที่โตเต็มที่ โปรตีนเมทริกซ์ยังรวมถึง:

• โปรตีนเมทริกซ์เบสิก (36 kDa) ซึ่งมีความสัมพันธ์สูงกับคอนโดรไซต์ อาจทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการโต้ตอบระหว่างเซลล์ใน ECM เช่น ในระหว่างการปรับโครงสร้างเนื้อเยื่อ
• GP-39 (39 kDa) แสดงออกในชั้นผิวเผินของกระดูกอ่อนข้อและในเยื่อหุ้มข้อ (หน้าที่ของมันไม่ทราบแน่ชัด)
• โปรตีน 21 kD สังเคราะห์โดยคอนโดรไซต์ที่มีขนาดโตเกินขนาด ทำปฏิกิริยากับคอลลาเจนชนิด X และสามารถทำงานในโซน "เส้นหยัก" ได้

นอกจากนี้ ยังเห็นได้ชัดว่าเซลล์กระดูกอ่อนแสดงโปรตีโอกลีแคนขนาดเล็กที่ไม่รวมตัวกันในรูปแบบที่ไม่ผ่านไกลโคซิเลตในระยะบางระยะของการพัฒนาของกระดูกอ่อนและภายใต้สภาวะทางพยาธิวิทยา แต่ปัจจุบันฟังก์ชันเฉพาะของเซลล์กระดูกอ่อนยังอยู่ระหว่างการศึกษาวิจัย

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

คุณสมบัติการทำงานของกระดูกอ่อนข้อ

โมเลกุล Aggrecan ช่วยให้กระดูกอ่อนข้อต่อมีความสามารถในการเปลี่ยนรูปกลับได้ โมเลกุล Aggrecan แสดงปฏิสัมพันธ์เฉพาะภายในช่องว่างนอกเซลล์และมีบทบาทสำคัญในการจัดระเบียบ โครงสร้าง และหน้าที่ของ ECM ในเนื้อเยื่อกระดูกอ่อน โมเลกุล Aggrecan จะมีความเข้มข้นถึง 100 มก./มล. ในกระดูกอ่อน โมเลกุล Aggrecan จะถูกบีบอัดให้เหลือ 20% ของปริมาตรที่ครอบครองในสารละลาย เครือข่ายสามมิติที่เกิดจากเส้นใยคอลลาเจนทำให้เนื้อเยื่อมีรูปร่างเฉพาะและป้องกันไม่ให้ปริมาณของโปรตีโอกลีแคนเพิ่มขึ้น ภายในเครือข่ายคอลลาเจน โปรตีโอกลีแคนที่เคลื่อนที่ไม่ได้จะมีประจุไฟฟ้าลบจำนวนมาก (ประกอบด้วยกลุ่มแอนไออนิกจำนวนมาก) ซึ่งทำให้โปรตีโอกลีแคนสามารถโต้ตอบกับกลุ่มแอนไออนิกที่เคลื่อนที่ได้ของของเหลวในเนื้อเยื่อ โปรตีโอกลีแคนที่โต้ตอบกับน้ำจะก่อให้เกิดแรงดันบวม ซึ่งจะถูกต่อต้านโดยเครือข่ายคอลลาเจน

การมีน้ำอยู่ใน ECM มีความสำคัญมาก น้ำกำหนดปริมาตรของเนื้อเยื่อ เมื่อจับกับโปรตีโอกลีแคน น้ำจะต้านทานแรงอัด นอกจากนี้ น้ำยังทำหน้าที่ขนส่งโมเลกุลและแพร่กระจายใน ECM อีกด้วย ความหนาแน่นสูงของประจุลบในโปรตีโอกลีแคนขนาดใหญ่ที่ตรึงอยู่ในเนื้อเยื่อจะสร้าง "เอฟเฟกต์ปริมาตรที่แยกออก" ขนาดรูพรุนของสารละลายโปรตีโอกลีแคนที่มีความเข้มข้นภายในมีขนาดเล็กมาก ทำให้การแพร่กระจายของโปรตีนทรงกลมขนาดใหญ่เข้าไปในเนื้อเยื่อถูกจำกัดอย่างมาก ECM จะขับไล่โปรตีนที่มีประจุลบขนาดเล็ก (เช่น ไอออนคลอไรด์) และโปรตีนขนาดใหญ่ (เช่น อัลบูมินและอิมมูโนโกลบูลิน) ขนาดของเซลล์ภายในเครือข่ายคอลลาเจนไฟบริลและโปรตีโอกลีแคนที่หนาแน่นนั้นเทียบได้กับขนาดของโมเลกุลอนินทรีย์บางชนิดเท่านั้น (เช่น โซเดียมและโพแทสเซียม แต่เทียบไม่ได้กับแคลเซียม)

ใน ECM มีน้ำบางส่วนอยู่ในเส้นใยคอลลาเจน ช่องว่างนอกเส้นใยกำหนดคุณสมบัติทางเคมีกายภาพและชีวกลศาสตร์ของกระดูกอ่อน ปริมาณน้ำในช่องว่างภายในเส้นใยขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของโปรตีโอกลีแคนในช่องว่างนอกเส้นใยและจะเพิ่มขึ้นตามการลดลงของความเข้มข้นของโปรตีโอกลีแคน

ประจุลบคงที่บนโปรตีโอกลีแคนกำหนดองค์ประกอบไอออนิกของสื่อนอกเซลล์ ซึ่งประกอบด้วยไอออนบวกอิสระในความเข้มข้นสูงและไอออนลบอิสระในความเข้มข้นต่ำ เมื่อความเข้มข้นของโมเลกุลแอกกรีแคนเพิ่มขึ้นจากบริเวณผิวเผินไปจนถึงบริเวณลึกของกระดูกอ่อน สภาพแวดล้อมไอออนิกของเนื้อเยื่อจะเปลี่ยนไป ความเข้มข้นของไอออนอนินทรีย์ใน ECM สร้างแรงดันออสโมซิสสูง

คุณสมบัติของวัสดุของกระดูกอ่อนขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างเส้นใยคอลลาเจน โปรตีโอกลีแคน และเฟสของเหลวของเนื้อเยื่อ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับความแตกต่างระหว่างกระบวนการสังเคราะห์และการสลายตัว การย่อยสลายของโมเลกุลขนาดใหญ่ และการบาดเจ็บทางกายภาพ ส่งผลต่อคุณสมบัติของวัสดุของกระดูกอ่อนอย่างมีนัยสำคัญ และเปลี่ยนแปลงหน้าที่ของมัน เนื่องจากความเข้มข้น การกระจาย และการจัดระเบียบโมเลกุลขนาดใหญ่ของคอลลาเจนและโปรตีโอกลีแคนเปลี่ยนแปลงไปตามความลึกของโซนกระดูกอ่อน คุณสมบัติทางชีวกลศาสตร์ของแต่ละโซนจึงแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น โซนผิวเผินที่มีคอลลาเจนเข้มข้นสูง เส้นใยที่ตั้งอยู่ตามเส้นสัมผัส และโปรตีโอกลีแคนเข้มข้นค่อนข้างต่ำ มีคุณสมบัติเด่นชัดที่สุดในการต้านทานการยืด โดยกระจายน้ำหนักอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิวของเนื้อเยื่อ ในโซนเปลี่ยนผ่านและโซนลึก ความเข้มข้นสูงของโปรตีโอกลีแคนทำให้เนื้อเยื่อมีคุณสมบัติในการทนต่อแรงกด ในระดับของ "เส้นหยัก" คุณสมบัติของวัสดุของกระดูกอ่อนจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจากบริเวณที่อ่อนตัวและไม่มีแคลเซียมไปเป็นกระดูกอ่อนที่มีแคลเซียมที่แข็งกว่า ในบริเวณ "เส้นหยัก" ความแข็งแรงของเนื้อเยื่อนั้นเกิดจากเครือข่ายคอลลาเจน ส่วนกระดูกอ่อนที่อยู่ด้านล่างนั้นไม่ได้ถูกเส้นใยคอลลาเจนตัดขวาง ในบริเวณรอยต่อระหว่างกระดูกอ่อนและกระดูกอ่อนที่ไม่มีแคลเซียมในรูปแบบของการเจริญเติบโตที่ไม่สม่ำเสมอคล้ายนิ้ว ซึ่งจะ "ปิด" ทั้งสองชั้นและป้องกันไม่ให้แยกออกจากกัน กระดูกอ่อนที่มีแคลเซียมจะมีความหนาแน่นน้อยกว่ากระดูกใต้กระดูกอ่อน จึงทำหน้าที่เป็นชั้นกลางที่ช่วยลดแรงกดทับบนกระดูกอ่อนและถ่ายโอนไปยังกระดูกใต้กระดูกอ่อน

ระหว่างการรับน้ำหนัก จะเกิดการกระจายแรงสามอย่างที่ซับซ้อน ได้แก่ การยืด การเฉือน และการบีบอัด เมทริกซ์ของข้อต่อจะเสียรูปเนื่องจากการขับไล่ของน้ำ (รวมถึงผลิตภัณฑ์จากการเผาผลาญของเซลล์) ออกจากโซนรับน้ำหนัก ความเข้มข้นของไอออนในของเหลวระหว่างช่องว่างจะเพิ่มขึ้น การเคลื่อนที่ของน้ำขึ้นอยู่กับระยะเวลาและแรงของแรงที่กระทำโดยตรง และจะล่าช้าลงเนื่องจากประจุลบของโปรตีโอกลีแคน ระหว่างการเสียรูปของเนื้อเยื่อ โปรตีโอกลีแคนจะถูกกดเข้าหากันแน่นขึ้น ส่งผลให้ความหนาแน่นของประจุลบเพิ่มขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ และแรงระหว่างโมเลกุลที่ผลักประจุลบจะเพิ่มความต้านทานของเนื้อเยื่อต่อการเสียรูปเพิ่มเติม ในที่สุด การเสียรูปจะถึงจุดสมดุลซึ่งแรงรับน้ำหนักภายนอกจะสมดุลกันด้วยแรงต้านทานภายใน ซึ่งได้แก่ แรงดันบวม (ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีโอกลีแคนกับไอออน) และความเครียดทางกล (ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีโอกลีแคนและคอลลาเจน) เมื่อเอาแรงรับน้ำหนักออก เนื้อเยื่อกระดูกอ่อนจะกลับคืนสู่รูปร่างเดิมโดยการดูดซับน้ำพร้อมกับสารอาหาร รูปร่างเริ่มต้น (การโหลดล่วงหน้า) ของเนื้อเยื่อจะเกิดขึ้นเมื่อแรงดันบวมของโปรตีโอกลีแคนสมดุลโดยความต้านทานของเครือข่ายคอลลาเจนต่อการแพร่กระจาย

คุณสมบัติทางชีวกลศาสตร์ของกระดูกอ่อนข้อขึ้นอยู่กับความสมบูรณ์ของโครงสร้างของเนื้อเยื่อ ซึ่งก็คือองค์ประกอบของคอลลาเจน-โปรตีโอไกลแคนในรูปของแข็ง และไอออนของน้ำและสารละลายในรูปของเหลว เมื่อไม่มีภาระ แรงดันไฮโดรสแตติกของกระดูกอ่อนข้อจะอยู่ที่ประมาณ 1-2 บรรยากาศ แรงดันไฮโดรสแตติกนี้สามารถเพิ่มขึ้นในร่างกายได้ถึง 100-200 บรรยากาศต่อมิลลิวินาทีขณะยืน และเพิ่มขึ้นถึง 40-50 บรรยากาศขณะเดิน จากการศึกษาในหลอดทดลองพบว่าแรงดันไฮโดรสแตติกที่ 50-150 บรรยากาศ (ทางสรีรวิทยา) ส่งผลให้การสร้างกระดูกอ่อนเพิ่มขึ้นในระดับปานกลางในช่วงเวลาสั้นๆ และเมื่อผ่านไป 2 ชั่วโมง จะทำให้ของเหลวในกระดูกอ่อนสูญเสียไป แต่จะไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ คำถามที่ว่าคอนโดรไซต์ตอบสนองต่อภาระประเภทนี้ในร่างกายได้เร็วเพียงใดยังคงไม่มีคำตอบ

การลดลงของระดับน้ำที่เกิดขึ้นพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของโปรตีโอไกลแคนที่ตามมาจะนำไปสู่การดึงดูดของไอออนที่มีประจุบวก เช่น H ⁺และ Na ⁺ส่งผลให้องค์ประกอบไอออนิกโดยรวมและค่า pH ของ ECM และคอนโดรไซต์เปลี่ยนแปลงไป การออกกำลังกายเป็นเวลานานทำให้ค่า pH ลดลง และในขณะเดียวกันก็ทำให้การสังเคราะห์โปรตีโอไกลแคนโดยคอนโดรไซต์ลดลงด้วย เป็นไปได้ว่าอิทธิพลของสภาพแวดล้อมไอออนิกนอกเซลล์ต่อกระบวนการสังเคราะห์อาจเกี่ยวข้องกับอิทธิพลที่มีต่อองค์ประกอบของ ECM ด้วยเช่นกัน โมเลกุลแอกกรีแคนที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่จะโตเต็มที่เป็นรูปแบบที่รวมตัวกันในภายหลังในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดอ่อนกว่าในสภาวะปกติ มีแนวโน้มว่าการลดลงของค่า pH รอบๆ คอนโดรไซต์ (เช่น ในระหว่างการออกกำลังกาย) จะทำให้โมเลกุลแอกกรีแคนที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่เข้าถึงเมทริกซ์ระหว่างอาณาเขตได้มากขึ้น

เมื่อภาระถูกกำจัดออกไป น้ำจะไหลกลับจากโพรงเยื่อหุ้มข้อเพื่อนำสารอาหารไปให้เซลล์ ในกระดูกอ่อนที่ได้รับผลกระทบจากโรคข้อเสื่อม ความเข้มข้นของโปรตีโอกลีแคนจะลดลง ดังนั้น ในระหว่างการรับภาระ น้ำจะเคลื่อนตัวไม่เพียงแต่ในแนวตั้งเข้าไปในโพรงเยื่อหุ้มข้อเท่านั้น แต่ยังเคลื่อนตัวไปในทิศทางอื่นๆ ด้วย ส่งผลให้เซลล์กระดูกอ่อนได้รับสารอาหารน้อยลง

การหยุดนิ่งหรือการรับน้ำหนักเล็กน้อยส่งผลให้การสังเคราะห์กระดูกอ่อนและเนื้อหาของโปรตีโอไกลแคนลดลงอย่างเห็นได้ชัด ในขณะที่การรับน้ำหนักแบบไดนามิกที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้การสังเคราะห์และเนื้อหาของโปรตีโอไกลแคนเพิ่มขึ้นในระดับปานกลาง การออกกำลังกายอย่างหนัก (20 กม./วันเป็นเวลา 15 สัปดาห์) ในสุนัขทำให้เนื้อหาของโปรตีโอไกลแคนเปลี่ยนแปลงไป โดยเฉพาะความเข้มข้นที่ลดลงอย่างรวดเร็วในบริเวณผิวเผิน กระดูกอ่อนอ่อนลงบางส่วนและกระดูกใต้กระดูกอ่อนเกิดการสร้างขึ้นใหม่ อย่างไรก็ตาม การรับน้ำหนักคงที่ที่รุนแรงทำให้กระดูกอ่อนเสียหายและเกิดการเสื่อมสภาพตามมา นอกจากนี้ การสูญเสียแอกกรีแคนของ ECM ยังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ผิดปกติซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของโรคข้อเสื่อม การสูญเสียแอกกรีแคนส่งผลให้เกิดการดึงดูดของน้ำและอาการบวมของโปรตีโอไกลแคนที่เหลืออยู่ในปริมาณเล็กน้อย การละลายของแอกกรีแคนนี้ส่งผลให้ความหนาแน่นของประจุคงที่ในบริเวณนั้นลดลง และในที่สุดนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของออสโมลาริตี้