Остеоартроз: як влаштовані суглобові хрящі?

Нормальний суглобовий хрящ виконує дві основні функції: поглинання тиску шляхом деформації під час механічного навантаження та забезпечення гладкості суглобових поверхонь, що дозволяє мінімізувати тертя під час рухів суглоба. Це забезпечується унікальною структурою суглобового хряща, яка складається з хондроїтинів, занурених у позаклітинний матрикс (ECM).

Нормальний суглобовий хрящ дорослої людини можна розділити на кілька шарів або зон: поверхневу або тангенціальну зону, перехідну зону, глибоку або радіальну зону та кальцифіковану зону. Шар між поверхневою та перехідною зонами, а особливо між перехідною та глибокою зонами, не має чітких меж. Місце з'єднання між некальцифікованим та кальцифікованим суглобовим хрящем називається «хвилястою межею» – лінія, видима при фарбуванні декальцифікованої тканини. Кальцифікована зона хряща становить відносно постійну частку (6-8%) від загальної висоти поперечного перерізу хряща. Загальна товщина суглобового хряща, включаючи кальцифіковану хрящову зону, змінюється залежно від навантаження на певну ділянку суглобової поверхні та від типу суглоба. Періодичний гідростатичний тиск у субхондральній кістці відіграє важливу роль у підтримці нормальної структури хряща, уповільнюючи осифікацію.

Хондроцити становлять приблизно 2-3% від загальної маси тканини; у поверхневій (тангенціальній) зоні вони розташовані вздовж, а в глибокій (радіальній) зоні - перпендикулярно до поверхні хряща; у перехідній зоні хондроцити утворюють групи з 2-4 клітин, розкиданих по всьому матриксу. Залежно від зони суглобового хряща щільність хондроцитів варіюється - найвища щільність клітин у поверхневій зоні, найнижча - у кальцифікованій зоні. Крім того, щільність розподілу клітин варіюється від суглоба до суглоба, вона обернено пропорційна товщині хряща та навантаженню, яке відчуває відповідна ділянка.

Найбільш поверхнево розташовані хондроцити є дископодібними та утворюють кілька шарів клітин у тангенціальній зоні, розташованій під вузькою смужкою матриксу; глибше розташовані клітини цієї зони, як правило, мають більш нерівні контури. У перехідній зоні хондроцити мають сферичну форму, іноді вони об'єднуються в невеликі групи, розкидані в матриксі. Хондроцити глибокої зони переважно мають еліпсоїдну форму, згруповані в радіально розташовані ланцюжки з 2-6 клітин. У кальцифікованій зоні вони розподілені ще рідше; деякі з них некротичні, хоча більшість життєздатні. Клітини оточені некальцифікованим матриксом, міжклітинний простір кальцифікований.

Таким чином, суглобовий хрящ людини складається з гідратованого позаклітинного матеріалу (ECM) та занурених у нього клітин, які становлять 2-3% від загального об'єму тканини. Оскільки хрящова тканина не має кровоносних або лімфатичних судин, взаємодія між клітинами, доставка до них поживних речовин та видалення продуктів метаболізму здійснюються шляхом дифузії через ECM. Незважаючи на те, що хондроцити є дуже метаболічно активними, у дорослих вони зазвичай не діляться. Хондроцити існують у безкисневому середовищі, і вважається, що їхній метаболізм переважно анаеробний.

Кожен хондроцит розглядається як окрема метаболічна одиниця хряща, ізольована від сусідніх клітин, але відповідальна за продукування елементів позаклітинного матриксного матеріалу (ECM) у безпосередній близькості від донорської клітини та підтримку її складу.

ECM (екстрацелюлярний матрикс) поділяється на три секції, кожна з яких має унікальну морфологічну структуру та специфічний біохімічний склад. ECM, що безпосередньо прилягає до базальної мембрани хондроцитів, називається перицелюлярним, або лакунарним, матриксом. Він характеризується високим вмістом агрегатів протеогліканів, пов'язаних з клітиною шляхом взаємодії гіалуронової кислоти з CD44-подібними рецепторами, та відносною відсутністю організованих колагенових фібрил. Безпосередньо до перицелюлярного матриксу прилягає територіальний, або капсулярний, матрикс, який складається з мережі пересічних фібрилярних колагенів, що інкапсулюють окремі клітини або (іноді) групи клітин, утворюючи хондрон, і, ймовірно, забезпечує спеціалізовану механічну підтримку для клітин. Контакт хондроцитів з капсулярним матриксом досягається завдяки численним цитоплазматичним відросткам, багатим на мікрофіламенти, а також завдяки специфічним молекулам матриксу, таким як анкорин та CD44-подібні рецептори. Найбільшою та найвіддаленішою секцією ECM від базальної мембрани хондроцитів є міжтериторіальний матрикс, який містить найбільшу кількість колагенових фібрил та протеогліканів.

Поділ позаклітинного хряща (ECM) на компартменти чіткіше визначений у дорослому суглобовому хрящі, ніж у незрілому суглобовому хрящі. Відносний розмір кожного компартменту варіюється не лише між суглобами, але й навіть у межах одного й того ж хряща. Кожен хондроцити виробляють матрикс, який його оточує. Згідно з дослідженнями, хондроцити зрілої хрящової тканини здійснюють активний метаболічний контроль над своїми перицелюлярними та територіальними матрицями, і менш активний контроль над міжтериторіальним матриксом, який може бути метаболічно «інертним».

Як згадувалося раніше, суглобовий хрящ переважно складається з екстенсивного позаклітинного матеріалу (ECM), що синтезується та регулюється хондроцитами. Макромолекули тканин та їх концентрації змінюються протягом життя відповідно до змінних функціональних потреб. Однак залишається незрозумілим, чи синтезують клітини весь матрикс одночасно, чи в певні фази відповідно до фізіологічних потреб. Концентрація макромолекул, метаболічний баланс між ними, їхні взаємодії та зв'язки визначають біохімічні властивості та, отже, функцію суглобового хряща в межах одного суглоба. Основним компонентом ECM дорослого суглобового хряща є вода (65-70% від загальної маси), яка міцно зв'язана всередині нього завдяки особливим фізичним властивостям макромолекул хрящової тканини, що входять до складу колагенів, протеогліканів та неколагенових глікопротеїнів.

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

Біохімічний склад хряща

Колагенові волокна складаються з молекул фібрилярного білка колагену. У ссавців колаген становить чверть усіх білків в організмі. Колаген утворює фібрилярні елементи (колагенові фібрили), що складаються зі структурних субодиниць, які називаються тропоколагеном. Молекула тропоколагену має три ланцюги, що утворюють потрійну спіраль. Така структура молекули тропоколагену, як і структура колагенового волокна, коли ці молекули розташовані паралельно в поздовжньому напрямку з постійним зміщенням приблизно на 1/4 довжини та забезпечують високу еластичність і міцність тканинам, в яких вони знаходяться. Наразі відомо 10 генетично різних типів колагену, що відрізняються хімічною структурою α-ланцюгів та/або їх набором у молекулі. Найкраще вивчені перші чотири типи колагену, здатні утворювати до 10 молекулярних ізоформ.

Колагенові фібрили є частиною позаклітинного простору більшості сполучних тканин, включаючи хрящ. У нерозчинній тривимірній мережі пересічних колагенових фібрил переплутані інші, більш розчинні компоненти, такі як протеоглікани, глікопротеїни та тканинно-специфічні білки; вони іноді ковалентно пов'язані з колагеновими елементами.

Молекули колагену, організовані у фібрили, становлять близько 50% органічного сухого залишку хряща (10-20% нативного хряща). У зрілому хрящі близько 90% колагену – це колаген II типу, який зустрічається лише в деяких тканинах (наприклад, склоподібне тіло, ембріональний дорсальний тяж). Колаген II типу належить до молекул колагену I класу (фібрилоутворюючих). Окрім нього, зрілий суглобовий хрящ людини також містить колагени IX, XI типів та невелику кількість VI типу. Відносна кількість колагенових волокон IX типу у колагенових фібрилах зменшується з 15% у фетальному хрящі до приблизно 1% у зрілому хрящі великої рогатої худоби.

Молекули колагену I типу складаються з трьох ідентичних поліпептидних α,(II)-ланцюгів, синтезованих та секретованих як попередник проколагену. Після вивільнення готових молекул колагену в позаклітинний простір вони утворюють фібрили. У зрілому суглобовому хрящі колаген II типу утворює фібрилярні аркади, в яких «товстіші» молекули розташовані в глибоких шарах тканини, а «тонші» – горизонтально в поверхневих шарах.

У гені проколагену II типу було виявлено екзон, що кодує багатий на цистеїн N-кінцевий пропептид. Цей екзон експресується не у зрілому хрящі, а на ранніх стадіях розвитку (прехондрогенез). Завдяки наявності цього екзону молекула проколагену II типу (тип II A) довша за колаген II типу. Ймовірно, експресія цього типу проколагену гальмує накопичення елементів у позаклітинному масі суглобового хряща. Це може відігравати певну роль у розвитку патології хряща (наприклад, неадекватна репаративна відповідь, утворення остеофітів тощо).

Мережа колагенових фібрил II типу забезпечує функцію опору розтягуванню та необхідна для підтримки об'єму та форми тканини. Ця функція посилюється ковалентними та поперечними зв'язками між молекулами колагену. У позаклітинному хрящі фермент лізилоксидаза утворює альдегід з гідроксилізину, який потім перетворюється на багатовалентну амінокислоту гідроксилізил-піридинолін, яка утворює поперечні зв'язки між ланцюгами. З одного боку, концентрація цієї амінокислоти збільшується з віком, але у зрілому хрящі вона практично не змінюється. З іншого боку, у суглобовому хрящі з віком виявляється збільшення концентрації поперечних зшивок різних типів, що утворюються без участі ферментів.

Близько 10% від загальної кількості колагенів у хрящовій тканині – це так звані мінорні колагени, які значною мірою визначають унікальну функцію цієї тканини. Колаген типу IX належить до молекул короткої спіралі III класу та до унікальної групи колагенів FACIT (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices). Він складається з трьох генетично різних ланцюгів. Один з них, ланцюг _a2, глікозилюється одночасно з хондроїтинсульфатом, що робить цю молекулу протеогліканом. Між спіральними сегментами колагену типу IX та колагену типу II виявлені як зрілі, так і незрілі гідроксипіридинові зшивки. Колаген IX також може функціонувати як міжмолекулярно-міжфібрилярний «з'єднувач» (або місток) між сусідніми колагеновими фібрилами. Молекули колагену IX утворюють зшивки одна з одною, що підвищує механічну стабільність фібрилярної тривимірної мережі та захищає її від впливу ферментів. Вони також забезпечують стійкість до деформації, обмежуючи набухання протеогліканів, розташованих всередині мережі. Окрім аніонного ланцюга CS, молекула колагену IX містить катіонний домен, який надає фібрилі великого заряду та схильності до взаємодії з іншими макромолекулами матриксу.

Колаген типу XI становить лише 2-3% від загальної маси колагену. Він належить до колагенів I класу (фібрилоутворюючих) і складається з трьох різних α-ланцюгів. Разом з колагеном II та IX типів, колаген типу XI утворює гетеротипові фібрили суглобового хряща. Молекули колагену типу XI були виявлені в колагенових фібрилах типу II за допомогою імуноелектромікроскопії. Вони, ймовірно, організовують молекули колагену типу II, контролюючи латеральний ріст фібрил та визначаючи діаметр гетеротипової колагенової фібрили. Крім того, колаген XI бере участь в утворенні зшивок, але навіть у зрілому хрящі зшивки залишаються у формі незрілих двовалентних кетоамінів.

Невелика кількість колагену VI типу, ще одного представника молекул короткої спіралі III класу, знаходиться в суглобовому хрящі. Колаген VI типу утворює різні мікрофібрили та, ймовірно, зосереджений у капсулярній матриці хондрона.

Протеоглікани – це білки, до яких ковалентно приєднаний принаймні один ланцюг глікозаміноглікану. Протеоглікани є одними з найскладніших біологічних макромолекул. Протеоглікани найбільш поширені в позаклітинному матеріалі хряща. «Заплутані» всередині мережі колагенових фібрил, гідрофільні протеоглікани виконують свою основну функцію – вони надають хрящу здатність до оборотної деформації. Передбачається, що протеоглікани також виконують ряд інших функцій, суть яких не до кінця зрозуміла.

Агрекан є основним протеогліканом суглобового хряща, що становить приблизно 90% від загальної маси протеогліканів у тканині. Його основний білок з масою 230 кДа глікозильований кількома ковалентно зв'язаними ланцюгами глікозаміногліканів та N-кінцевими та C-кінцевими олігосахаридами.

Глікозаміногліканові ланцюги суглобового хряща, які становлять близько 90% загальної маси макромолекул, являють собою кератансульфат (послідовність сульфатованого дисахариду N-ацетилглюкозамінолактози з кількома сульфатованими ділянками та іншими залишками моносахаридів, такими як сіалова кислота) та хондроїтинсульфат (послідовність дисахариду N-ацетилгалактозамін глюкуронової кислоти із сульфатним ефіром, приєднаним до кожного четвертого або шостого атома вуглецю N-ацетилгалактозаміну).

Основний білок агрекану містить три глобулярні (G1, G2, G3) та два міжглобулярні (E1 та E2) домени. N-кінцева область містить домени G1 та G2, розділені сегментом E1, довжина якого становить 21 нм. Домен C3, розташований у C-кінцевій області, відділений від G2 _довшим (близько 260 нм) сегментом E2, який містить понад 100 ланцюгів хондроїтинсульфатів, близько 15-25 ланцюгів кератину сульфатів та O-зв'язані олігосахариди. N-зв'язані олігосахариди знаходяться переважно в доменах G1 та C2 та сегменті E1, а також поблизу _{області} G3. Глікозаміноглікани згруповані у дві області: найдовший (так звана область, багата на хондроїтин сульфат) містить ланцюги хондроїтин сульфату та близько 50% ланцюгів кератан сульфату. Багатий на кератансульфат регіон розташований на _{сегменті} E2 поблизу домену G1 та передує регіону, багатому на хондроїтинсульфат. Молекули агрекану також містять фосфатні ефіри, розташовані переважно на залишках ксилози, які приєднують ланцюги хондроїтинсульфату до основного білка; вони також знаходяться на залишках серину основного білка.

С-кінцевий сегмент С3- _домену є високо гомологічним лектину, що дозволяє молекулам протеогліканів фіксуватися в позаклітинному матриксі шляхом зв'язування з певними вуглеводними структурами.

Нещодавні дослідження виявили екзон, що кодує EGF-подібний субдомен у G3 _. За допомогою поліклональних антитіл проти EGF, EGF-подібний епітоп був локалізований у пептиді 68-kD в агрекані суглобового хряща людини. Однак його функція залишається нез'ясованою. Цей субдомен також міститься в молекулах адгезії, які контролюють міграцію лімфоцитів. Лише близько третини молекул агреканів, виділених зі зрілого суглобового хряща людини, містять інтактний C3- _домен; це, ймовірно, тому, що молекули агреканів можуть бути ферментативно зменшені в розмірі в позаклітинному матриксі (ECM). Доля та функція розщеплених фрагментів невідомі.

_{Основним функціональним сегментом молекули агрекану є сегмент} Е2, що містить глікозаміноглікани. Ця область, багата на кератансульфати, містить амінокислоти пролін, серин і треонін. Більшість залишків серину та треоніну O-глікозильовані залишками N-ацетилгалактозаміну; вони ініціюють синтез певних олігосахаридів, які включаються до ланцюгів кератансульфату, тим самим подовжуючи їх. Решта сегмента Е2 _{містить} понад 100 послідовностей серин-гліцин, в яких серин забезпечує приєднання до залишків ксилозилу на початку ланцюгів хондроїтинсульфату. Як правило, як хондроїтин-6-сульфат, так і хондроїтин-4-сульфат існують одночасно в одній молекулі протеоглікану, їх співвідношення змінюється залежно від локалізації хрящової тканини та віку людини.

Структура молекул агрекану в матриксі суглобового хряща людини зазнає низки змін під час дозрівання та старіння. Зміни, пов'язані зі старінням, включають зменшення гідродинамічного розміру через зміну середньої довжини ланцюгів хондроїтинсульфату та збільшення кількості та довжини ланцюгів кератансульфату. Ряд змін у молекулі агрекану також спричинений дією протеолітичних ферментів (наприклад, агреканази та стромелезину) на основний білок. Це призводить до прогресуючого зменшення середньої довжини основного білка молекули агрекану.

Молекули агрекану синтезуються хондроцитами та секретуються в позаклітинний матрикс (ECM), де вони утворюють агрегати, стабілізовані молекулами лінкерного білка. Ця агрегація включає високоспецифічні нековалентні та кооперативні взаємодії між ланцюгом глюкуронової кислоти та майже 200 молекулами агрекану та лінкерного білка. Глюкуронова кислота - це позаклітинний, несульфатований, високомолекулярний лінійний глікозаміноглікан, що складається з кількох послідовно з'єднаних молекул N-ацетилглюкозаміну та глюкуронової кислоти. Парні петлі G1-домену агрекану оборотно взаємодіють з п'ятьма послідовно розташованими дисахаридами гіалуронової кислоти. Лінкерний білок, який містить подібні (високогомологічні) парні петлі, взаємодіє з C1-доменом та молекулою гіалуронової кислоти та стабілізує структуру агрегату. Комплекс C1-домен - гіалуронова кислота - зв'язуючий білок утворює високостабільну взаємодію, яка захищає G1-домен та зв'язуючий білок від дії протеолітичних ферментів. Було ідентифіковано дві молекули зв'язуючого білка з молекулярною масою 40-50 кДа; вони відрізняються одна від одної ступенем глікозилювання. У місці зв'язку гіалуронова кислота - агрекан присутня лише одна молекула зв'язуючого білка. Третя, менша, молекула зв'язуючого білка утворюється з більших шляхом протеолітичного розщеплення.

Близько 200 молекул агреканів можуть зв'язуватися з однією молекулою гіалуронової кислоти, утворюючи агрегат довжиною 8 мкм. У клітинно-асоційованому матриксі, що складається з перицелюлярних та територіальних компартментів, агрегати підтримують свій зв'язок з клітинами шляхом зв'язування (через нитку гіалуронової кислоти) з CD44-подібними рецепторами на клітинній мембрані.

Формування агрегатів у позаклітинному хрящі (ECM) – це складний процес. Новосинтезовані молекули агреканів не одразу проявляють здатність зв'язуватися з гіалуроновою кислотою. Це може служити регуляторним механізмом, що дозволяє новосинтезованим молекулам досягати міжтериторіальної зони матриксу, перш ніж вони будуть іммобілізовані у великі агрегати. Кількість новосинтезованих молекул агреканів та зв'язуючих білків, здатних утворювати агрегати шляхом взаємодії з гіалуроновою кислотою, значно зменшується з віком. Крім того, розмір агрегатів, виділених із суглобового хряща людини, значно зменшується з віком. Частково це пов'язано зі зменшенням середньої довжини молекул гіалуронової кислоти та молекул агреканів.

У суглобовому хрящі встановлено два типи агрегатів. Середній розмір першого типу агрегатів становить 60 S, тоді як другого типу (швидко утворюються «суперагрегати») — 120 S. Останній відрізняється великою кількістю молекул зв'язуючого білка. Наявність цих суперагрегатів може відігравати важливу роль у функціонуванні тканини; під час відновлення тканин після іммобілізації кінцівки вищі їх концентрації виявляються в середніх шарах суглобового хряща, тоді як у суглобі, ураженому остеоартрозом, їх розміри значно зменшуються на ранніх стадіях захворювання.

Окрім агрекану, суглобовий хрящ містить ряд менших протеогліканів. Біглікан та декорин, молекули, що переносять дерматансульфати, мають молекулярні маси близько 100 та 70 кДа відповідно; маса їхнього основного білка становить близько 30 кДа.

У суглобовому хрящі людини молекула біглікану містить два ланцюги дерматансульфату, тоді як більш поширений декорин містить лише один. Ці молекули становлять лише невелику частку протеогліканів у суглобовому хрящі, хоча їх може бути стільки ж, скільки й великих агрегованих протеогліканів. Малі протеоглікани взаємодіють з іншими макромолекулами в позаклітинному хрящі, включаючи колагенові фібрили, фібронектин, фактори росту тощо. Декорин переважно локалізується на поверхні колагенових фібрил та пригнічує фібрилогенез колагену. Основний білок щільно утримується з клітинно-зв'язуючим доменом фібронектину, тим самим, ймовірно, запобігаючи зв'язуванню останнього з рецепторами клітинної поверхні (інтегринами). Оскільки як декорин, так і біглікан зв'язуються з фібронектином та пригнічують адгезію та міграцію клітин, а також утворення тромбів, вони здатні пригнічувати процеси відновлення тканин.

Фібромодулін суглобового хряща – це протеоглікан з молекулярною масою 50-65 кДа, пов'язаний з колагеновими фібрилами. Його основний білок, гомологічний основним білкам декорину та біглікану, містить велику кількість залишків тирозинсульфату. Ця глікозильована форма фібромодуліну (раніше називалася матриксним білком 59 кДа) може брати участь у регуляції формування та підтримки структури колагенових фібрил. Фібромодулін та декорин розташовані на поверхні колагенових фібрил. Таким чином, як зазначалося раніше, збільшенню діаметра фібрил має передувати селективне видалення цих протеогліканів (а також молекул колагену IX типу).

Суглобовий хрящ містить ряд білків у позаклітинному матриксі (ECM), які не є ні протеогліканами, ні колагенами. Вони взаємодіють з іншими макромолекулами, утворюючи мережу, яка включає більшість молекул ECM.

Анкорин, білок з масою 34 кДа, локалізується на поверхні хондроцитів та в клітинній мембрані, опосередковуючи взаємодію між клітиною та матриксом. Завдяки високій спорідненості до колагену II типу, він може діяти як механорецептор, передаючи сигнал про зміну тиску на фібрилу до хондроциту.

Фібронектин є компонентом більшості хрящових тканин і дещо відрізняється від фібронектину плазми. Вважається, що фібронектин сприяє інтеграції матриксу, взаємодіючи з клітинними мембранами та іншими компонентами матриксу, такими як колаген II типу та тромбоспондин. Фрагменти фібронектину негативно впливають на метаболізм хондроцитів: вони пригнічують синтез агреканів та стимулюють катаболічні процеси. Високі концентрації фрагментів фібронектину були виявлені в суглобовій рідині пацієнтів з остеоартритом, тому вони можуть брати участь у патогенезі захворювання на пізніх стадіях. Фрагменти інших молекул матриксу, які зв'язуються з рецепторами хондроцитів, ймовірно, мають подібний ефект.

Олігомерний матриксний білок хряща (ОМБХ), член надродини тромбоспондинів, являє собою пентамер з п'ятьма ідентичними субодиницями з молекулярною масою близько 83 кДа. Вони містяться у великих кількостях у суглобовому хрящі, особливо в шарі проліферуючих клітин у тканині, що росте. Отже, можливо, що ОМБХ бере участь у регуляції росту клітин. Вони містяться в значно нижчих концентраціях в позаклітинному масі зрілого суглобового хряща. Матриксні білки також включають:

• основний матриксний білок (36 кДа), який має високу спорідненість до хондроцитів, може опосередковувати міжклітинні взаємодії в позаклітинному матриксі, наприклад, під час ремоделювання тканин;
• GP-39 (39 кДа) експресується в поверхневому шарі суглобового хряща та в синовіальній оболонці (його функції невідомі);
• Білок 21 кДа синтезується гіпертрофованими хондроцитами, взаємодіє з колагеном типу X та може функціонувати в зоні «хвилястої лінії».

Крім того, очевидно, що хондроцити експресують неглікозильовані форми малих неагрегованих протеогліканів на певних стадіях розвитку хряща та за патологічних умов, але їхня специфічна функція наразі вивчається.

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

Функціональні властивості суглобового хряща

Молекули агреканів забезпечують суглобовий хрящ здатністю до оборотної деформації. Вони демонструють специфічні взаємодії в позаклітинному просторі та, безсумнівно, відіграють важливу роль в організації, структурі та функціонуванні позаклітинного матрикса (ECM). У хрящовій тканині молекули агреканів досягають концентрації 100 мг/мл. У хрящі молекули агреканів стискаються до 20% від об'єму, який вони займають у розчині. Тривимірна мережа, утворена колагеновими фібрилами, надає тканині характерної форми та запобігає збільшенню об'єму протеогліканів. У колагеновій мережі нерухомі протеоглікани несуть великий негативний електричний заряд (вони містять велику кількість аніонних груп), що дозволяє їм взаємодіяти з рухомими катіонними групами міжклітинної рідини. Взаємодіючи з водою, протеоглікани забезпечують так званий тиск набухання, якому протидіє колагенова мережа.

Присутність води в позаклітинному матриксі (ECM) дуже важлива. Вода визначає об'єм тканини; зв'язана з протеогліканами, вона забезпечує опір стисканню. Крім того, вода забезпечує транспорт молекул і дифузію в ECM. Висока щільність негативного заряду на великих протеогліканах, зафіксованих у тканині, створює «ефект виключеного об'єму». Розмір пор внутрішньоконцентрованого розчину протеогліканів настільки малий, що дифузія великих глобулярних білків у тканину різко обмежена. ECM відштовхує дрібні негативно заряджені білки (наприклад, іони хлориду) та великі білки (такі як альбумін та імуноглобуліни). Розмір клітин у густій мережі колагенових фібрил та протеогліканів можна порівняти лише з розміром деяких неорганічних молекул (наприклад, натрію та калію, але не кальцію).

У позаклітинному матриксі певна кількість води присутня у колагенових фібрилах. Екстрафібрилярний простір визначає фізико-хімічні та біомеханічні властивості хряща. Вміст води у внутрішньофібрилярному просторі залежить від концентрації протеогліканів у екстрафібрилярному просторі та збільшується зі зменшенням концентрації останніх.

Фіксований негативний заряд на протеогліканах визначає іонний склад позаклітинного середовища, яке містить вільні катіони у високій концентрації та вільні аніони в низькій концентрації. Зі збільшенням концентрації молекул агреканів від поверхневої до глибокої зони хряща змінюється іонне середовище тканини. Концентрація неорганічних іонів у позаклітинному масі (ECM) створює високий осмотичний тиск.

Матеріальні властивості хряща залежать від взаємодії колагенових фібрил, протеогліканів та рідкої фази тканини. Структурні та композиційні зміни, пов'язані з невідповідністю процесів синтезу та катаболізму, деградацією макромолекул та фізичною травмою, суттєво впливають на матеріальні властивості хряща та змінюють його функцію. Оскільки концентрація, розподіл та макромолекулярна організація колагенів і протеогліканів змінюються залежно від глибини хрящової зони, біомеханічні властивості кожної зони різняться. Наприклад, поверхнева зона з високою концентрацією колагену, тангенціально розташованими фібрилами та відносно низькою концентрацією протеогліканів має найбільш виражені властивості протистояти розтягуванню, рівномірно розподіляючи навантаження по всій поверхні тканини. У перехідній та глибокій зонах висока концентрація протеогліканів надає тканині властивість витримувати стискальне навантаження. На рівні «хвилястої лінії» матеріальні властивості хряща різко змінюються від гнучкої некальцифікованої зони до більш жорсткого мінералізованого хряща. В області «хвилястої лінії» міцність тканини забезпечується колагеновою мережею. Нижче розташовані ділянки хряща не перетинаються колагеновими фібрилами; в області остеохондрального з'єднання міцність тканини забезпечується особливими контурами межі між некальцифікованою та кальцифікованою хрящовими зонами у вигляді неправильних пальцеподібних виростів, що «замикає» два шари та запобігає їх роз'єднанню. Кальцифікований хрящ менш щільний, ніж субхондральна кістка, тому він функціонує як проміжний шар, що пом'якшує компресійне навантаження на хрящ і передає його субхондральній кістці.

Під час навантаження відбувається складний розподіл трьох сил – розтягування, зсуву та стиснення. Суглобовий матрикс деформується через вигнання води (а також продуктів клітинного метаболізму) із зони навантаження, концентрація іонів в міжтканинній рідині збільшується. Рух води безпосередньо залежить від тривалості та сили прикладеного навантаження та затримується негативним зарядом протеогліканів. Під час деформації тканин протеоглікани щільніше притискаються один до одного, тим самим ефективно збільшуючи щільність негативного заряду, а міжмолекулярні сили, що відштовхують негативний заряд, у свою чергу, збільшують опір тканини подальшій деформації. Зрештою, деформація досягає рівноваги, при якій зовнішні сили навантаження врівноважуються силами внутрішнього опору – тиском набухання (взаємодія протеогліканів з іонами) та механічним напруженням (взаємодія протеогліканів та колагенів). Коли навантаження знято, хрящова тканина набуває своєї початкової форми, поглинаючи воду разом з поживними речовинами. Початкова (донавантажувальна) форма тканини досягається, коли тиск набухання протеогліканів врівноважується опором колагенової мережі їх розтіканню.

Біомеханічні властивості суглобового хряща базуються на структурній цілісності тканини – колаген-протеоглікановому складі як твердій фазі та воді та розчинених іонах як рідкій фазі. Без навантаження гідростатичний тиск у суглобовому хрящі становить близько 1-2 атм. Цей гідростатичний тиск може зростати in vivo до 100-200 атм за мілісекунду під час стояння та до 40-50 атм під час ходьби. Дослідження in vitro показали, що гідростатичний тиск 50-150 атм (фізіологічний) призводить до помірного збільшення анаболізму хряща протягом короткого періоду часу, а протягом 2 годин призводить до втрати хрящової рідини, але не викликає жодних інших змін. Питання про те, як швидко хондроцити реагують in vivo на цей тип навантаження, залишається невирішеним.

Індуковане зниження гідратації з подальшим збільшенням концентрації протеогліканів призводить до притягання позитивно заряджених іонів, таких як H ⁺ та Na ⁺. Це призводить до зміни загального іонного складу та pH позаклітинного матриксу (ECM) та хондроцитів. Тривалі фізичні навантаження викликають зниження pH і, водночас, зниження синтезу протеогліканів хондроцитами. Можливо, що вплив позаклітинного іонного середовища на синтетичні процеси також частково пов'язаний з його впливом на склад ECM. Новосинтезовані молекули агреканів дозрівають в агреговані форми пізніше в слабокислому середовищі, ніж за нормальних умов. Ймовірно, що зниження pH навколо хондроцитів (наприклад, під час фізичних навантажень) дозволяє більшій кількості новосинтезованих молекул агреканів досягти міжтериторіального матриксу.

Коли навантаження знімається, вода повертається із синовіальної порожнини, несучи поживні речовини для клітин. У хрящі, ураженому остеоартритом, концентрація протеогліканів знижується, тому під час навантаження вода рухається не тільки вертикально в синовіальну порожнину, але й в інших напрямках, тим самим зменшуючи живлення хондроцитів.

Іммобілізація або легке навантаження призводить до помітного зниження синтезу хряща та вмісту протеогліканів, тоді як підвищене динамічне навантаження призводить до помірного збільшення синтезу та вмісту протеогліканів. Інтенсивні фізичні навантаження (20 км/день протягом 15 тижнів) у собак викликали зміни вмісту протеогліканів, зокрема різке зниження їх концентрації в поверхневій зоні. Відбулося деяке оборотне розм'якшення хряща та ремоделювання субхондральної кістки. Однак сильне статичне навантаження спричинило пошкодження хряща та подальшу дегенерацію. Крім того, втрата агрекану позаклітинного матриксного матеріалу ініціює аномальні зміни, характерні для остеоартриту. Втрата агрекану призводить до притягання води та набряку невеликої кількості протеоглікану, що залишився. Це розчинення агрекану сприяє зменшенню локальної щільності фіксованого заряду та зрештою призводить до зміни осмолярності.