Nivelrikko: miten nivelrusto on järjestäytynyt?

Normaalilla nivelrustolla on kaksi päätehtävää: se vaimentaa painetta muodonmuutoksen avulla mekaanisen kuormituksen aikana ja varmistaa nivelpintojen sileyden, mikä minimoi kitkan nivelten liikkeiden aikana. Tämän varmistaa nivelruston ainutlaatuinen rakenne, joka koostuu solunulkoiseen matriisiin (ECM) upotetuista kondroitiineista.

Normaali aikuisen nivelrusto voidaan jakaa useisiin kerroksiin tai vyöhykkeisiin: pinnallinen eli tangentiaalinen vyöhyke, siirtymävyöhyke, syvä eli säteittäinen vyöhyke ja kalkkeutunut vyöhyke. Pinnallisen ja siirtymävyöhykkeen välisellä kerroksella ja erityisesti siirtymä- ja syvän vyöhykkeen välisellä kerroksella ei ole selkeitä rajoja. Kalkkiutumattoman ja kalkkeutuneen nivelruston liitoskohtaa kutsutaan "aaltoilevaksi reunaksi" – viivaksi, joka näkyy kalkkiutunutta kudosta värjättäessä. Ruston kalkkeutunut vyöhyke muodostaa suhteellisen vakion osan (6–8 %) ruston kokonaispoikkileikkauskorkeudesta. Nivelruston kokonaispaksuus, mukaan lukien kalkkeutunut rustovyöhyke, vaihtelee nivelpinnan tietyn alueen kuormituksen ja niveltyypin mukaan. Rustonalaisen luun ajoittainen hydrostaattinen paine on tärkeässä roolissa ruston normaalin rakenteen ylläpitämisessä, koska se hidastaa luutumista.

Kondrosyytit muodostavat noin 2–3 % kudoksen kokonaismassasta; pinnallisessa (tangentiaalisessa) vyöhykkeessä ne sijaitsevat ruston pintaa pitkin ja syvässä (radiaalisessa) vyöhykkeessä kohtisuorassa ruston pintaan nähden; siirtymävyöhykkeellä kondrosyytit muodostavat 2–4 solun ryhmiä, jotka ovat hajallaan matriisissa. Nivelruston vyöhykkeestä riippuen kondrosyyttien tiheys vaihtelee – suurin solutiheys on pinnallisessa vyöhykkeessä, pienin kalkkeutuneessa vyöhykkeessä. Lisäksi solujen jakautumistiheys vaihtelee nivelestä toiseen, ja se on kääntäen verrannollinen ruston paksuuteen ja vastaavan alueen kokemaan kuormitukseen.

Pinnallisesti sijaitsevat kondrosyytit ovat kiekkomaisia ja muodostavat useita solukerroksia tangentiaalisella vyöhykkeellä kapean matriisikaistaleen alapuolella; tämän vyöhykkeen syvemmällä sijaitsevat solut ovat muodoltaan yleensä epätasaisempia. Siirtymävyöhykkeellä kondrosyytit ovat pallomaisia, joskus ne yhtyvät pieniksi ryhmiksi hajallaan matriisissa. Syvän vyöhykkeen kondrosyytit ovat muodoltaan pääasiassa ellipsin muotoisia, ryhmiteltyinä säteittäisesti sijaitseviksi 2–6 solun ketjuiksi. Kalkkiutuneella vyöhykkeellä ne ovat jakautuneet vielä harvemmin; jotkut niistä ovat nekroottisia, vaikka useimmat ovat elinkelpoisia. Soluja ympäröi kalkkeutumaton matriisi, solujen välinen tila on kalkkeutunut.

Ihmisen nivelrusto koostuu siis hydratoituneesta solukalvosta (ECM) ja siihen upotetuista soluista, jotka muodostavat 2–3 % kudoksen kokonaistilavuudesta. Koska rustokudoksessa ei ole verta tai imusuonia, solujen välinen vuorovaikutus, ravinteiden toimitus niille ja aineenvaihduntatuotteiden poistuminen tapahtuvat diffuusion kautta ECM:n läpi. Huolimatta siitä, että kondrosyytit ovat metaboliselta kannalta erittäin aktiivisia, ne eivät normaalisti jakautu aikuisilla. Rustosyytit elävät hapettomassa ympäristössä, ja niiden aineenvaihdunnan uskotaan olevan pääasiassa anaerobista.

Kutakin kondrosyyttiä pidetään erillisenä ruston aineenvaihduntayksikkönä, joka on eristetty naapurisoluista, mutta vastaa ECM-elementtien tuotannosta luovutetun solun välittömässä läheisyydessä ja sen koostumuksen ylläpidosta.

ECM jaetaan kolmeen osaan, joilla jokaisella on ainutlaatuinen morfologinen rakenne ja spesifinen biokemiallinen koostumus. Rudosyyttien tyvikalvon välittömässä läheisyydessä olevaa ECM:ää kutsutaan perisellulaariseksi eli lakunaariseksi matriisiksi. Sille on ominaista korkea proteoglykaanien aggregaattien pitoisuus, jotka liittyvät soluun hyaluronihapon ja CD44-tyyppisten reseptorien vuorovaikutuksen kautta, ja suhteellinen järjestäytyneiden kollageenifibrillien puuttuminen. Suoraan perisellulaarisen matriisin vieressä on territoriaalinen eli kapselimatriisi, joka koostuu toisiaan leikkaavien fibrillaaristen kollageenien verkostosta, joka kapseloi yksittäisiä soluja tai (joskus) soluryhmiä muodostaen kondronin ja todennäköisesti tarjoaa soluille erikoistunutta mekaanista tukea. Rudosyyttien kosketus kapselimatriisin kanssa saavutetaan lukuisten mikrofilamentteja sisältävien sytoplasmisten prosessien sekä spesifisten matriisimolekyylien, kuten ankoriinin ja CD44-tyyppisten reseptorien, kautta. ECM:n suurin ja kaukaisin osa kondrosyyttien tyvikalvosta on interterritoriaalinen matriisi, joka sisältää eniten kollageenifibrillejä ja proteoglykaaneja.

ECM:n jako osastoihin on selkeämpi aikuisen nivelrustossa kuin kehittymättömässä nivelrustossa. Kunkin osaston suhteellinen koko vaihtelee paitsi nivelten välillä, myös saman ruston sisällä. Jokainen kondrosyytti tuottaa sitä ympäröivän matriisin. Tutkimusten mukaan kypsän rustokudoksen kondrosyytit hallitsevat aktiivista metabolista kontrollia perisellulaaristen ja reviirimäisten matriisiensa suhteen, ja ne hallitsevat vähemmän aktiivisesti alueiden välistä matriisia, joka voi olla metabolisesti "inertti".

Kuten aiemmin mainittiin, nivelrusto koostuu pääasiassa laajasta soluvälitteisestä massasta (ECM), jota kondrosyytit syntetisoivat ja säätelevät. Kudosmakromolekyylit ja niiden pitoisuudet muuttuvat elämän aikana muuttuvien toiminnallisten tarpeiden mukaisesti. On kuitenkin epäselvää, syntetisoivatko solut koko matriisin samanaikaisesti vai tietyissä vaiheissa fysiologisten tarpeiden mukaisesti. Makromolekyylien pitoisuus, niiden välinen aineenvaihduntatasapaino, niiden väliset suhteet ja vuorovaikutukset määräävät nivelruston biokemialliset ominaisuudet ja siten sen toiminnan yhdessä nivelessä. Aikuisen nivelruston ECM:n pääkomponentti on vesi (65–70 % kokonaismassasta), joka on tiukasti sitoutunut siihen rustokudoksen makromolekyylien erityisten fysikaalisten ominaisuuksien ansiosta, jotka ovat osa kollageeneja, proteoglykaaneja ja ei-kollageenisia glykoproteiineja.

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

Ruston biokemiallinen koostumus

Kollageenikuidut koostuvat fibrillaarisen proteiinin kollageenimolekyyleistä. Nisäkkäillä kollageeni muodostaa neljänneksen kaikista kehon proteiineista. Kollageeni muodostaa fibrillaarisia elementtejä (kollageenifibrillejä), jotka koostuvat tropokollageeniksi kutsutuista rakenteellisista alayksiköistä. Tropokollageenimolekyylissä on kolme ketjua, jotka muodostavat kolmoiskierteen. Tämä tropokollageenimolekyylin rakenne, samoin kuin kollageenikuidun rakenne, kun nämä molekyylit sijaitsevat yhdensuuntaisesti pituussuunnassa noin 1/4 pituuden siirtymällä, antaa suuren elastisuuden ja lujuuden kudoksille, joissa ne sijaitsevat. Tällä hetkellä tunnetaan 10 geneettisesti erilaista kollageenityyppiä, jotka eroavat toisistaan α-ketjujen kemiallisen rakenteen ja/tai niiden molekyylissä olevan järjestyksen suhteen. Parhaiten tutkitut neljä ensimmäistä kollageenityyppiä pystyvät muodostamaan jopa 10 molekyyli-isoformia.

Kollageenifibrillit ovat osa useimpien sidekudosten, mukaan lukien ruston, solunulkoista tilaa. Liukenemattomaan, toisiaan leikkaavien kollageenifibrillien kolmiulotteiseen verkostoon on kietoutunut muita, liukoisempia komponentteja, kuten proteoglykaaneja, glykoproteiineja ja kudoskohtaisia proteiineja; nämä ovat joskus kovalenttisesti sitoutuneet kollageenielementteihin.

Fibrilleihin järjestäytyneet kollageenimolekyylit muodostavat noin 50 % ruston orgaanisesta kuiva-aineesta (10–20 % natiivista rustosta). Kypsässä rustossa noin 90 % kollageeneista on tyypin II kollageeneja, joita esiintyy vain joissakin kudoksissa (esim. lasiaisessa, alkion selkäytimessä). Tyypin II kollageeni kuuluu luokan I (fibrillejä muodostaviin) kollageenimolekyyleihin. Sen lisäksi kypsä ihmisen nivelrusto sisältää myös tyyppien IX ja XI kollageeneja sekä pienen määrän tyypin VI kollageeneja. Tyypin IX kollageenikuitujen suhteellinen määrä kollageenifibrilleissä laskee sikiön ruston 15 prosentista noin 1 prosenttiin kypsässä naudan rustossa.

Tyypin I kollageenimolekyylit koostuvat kolmesta identtisestä polypeptidi a,(II)-ketjusta, jotka syntetisoidaan ja eritetään prokollageenin esiasteeksi. Kun valmiit kollageenimolekyylit vapautuvat solunulkoiseen tilaan, ne muodostavat fibrillejä. Kypsässä nivelrustossa tyypin II kollageeni muodostaa fibrillaarisia arkadeja, joissa "paksummat" molekyylit sijaitsevat kudoksen syvissä kerroksissa ja "ohuemmat" molekyylit vaakasuunnassa pinnallisissa kerroksissa.

Prokollageeni tyypin II geenistä on löydetty kysteiinipitoista N-terminaalista propeptidiä koodaava eksoni. Tätä eksonia ei ilmenne kypsässä rustossa, vaan kehityksen alkuvaiheissa (prekondrogeneesi). Tämän eksonin läsnäolon vuoksi prokollageeni tyypin II molekyyli (tyyppi II A) on pidempi kuin kollageeni tyypin II. Todennäköisesti tämän prokollageenityypin ilmentyminen estää elementtien kertymistä nivelruston solukalvoon (ECM). Sillä voi olla tietty rooli rustosairauksien kehittymisessä (esim. riittämätön korjausvaste, osteofyyttien muodostuminen jne.).

Tyypin II kollageenifibrillien verkosto tarjoaa venytyksen kestävyyden ja on välttämätön kudoksen tilavuuden ja muodon ylläpitämiseksi. Tätä toimintoa tehostavat kovalenttiset ja ristisidokset kollageenimolekyylien välillä. ECM:ssä lysyylioksidaasientsyymi muodostaa hydroksilysiinistä aldehydin, joka sitten muuttuu moniarvoiseksi aminohapoksi hydroksilysyylipyridinoliiniksi, joka muodostaa ristisidoksia ketjujen välille. Toisaalta tämän aminohapon pitoisuus kasvaa iän myötä, mutta kypsässä rustossa se pysyy käytännössä muuttumattomana. Toisaalta nivelrustossa havaitaan iän myötä erityyppisten, ilman entsyymien osallistumista muodostuneiden ristisidosten pitoisuuden kasvua.

Noin 10 % rustokudoksen kollageenien kokonaismäärästä on niin sanottuja pieniä kollageeneja, jotka pitkälti määräävät tämän kudoksen ainutlaatuisen toiminnan. Tyypin IX kollageeni kuuluu luokan III lyhytkierteisiin molekyyleihin ja ainutlaatuiseen FACIT-kollageenien ryhmään (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices). Se koostuu kolmesta geneettisesti erilaisesta ketjusta. Yksi niistä, _a2- ketju, glykosyloituu samanaikaisesti kondroitiinisulfaatin kanssa, mikä tekee tästä molekyylistä proteoglykaanin. Sekä kypsiä että epäkypsiä hydroksipyridiini-ristisidoksia löytyy tyypin IX ja tyypin II kollageenin kierteisten segmenttien välissä. Kollageeni IX voi toimia myös molekyylien välisenä-fibrillaarisena "yhdistimenä" (tai siltana) vierekkäisten kollageenifibrillien välillä. Kollageeni IX -molekyylit muodostavat ristisidoksia keskenään, mikä lisää fibrillaarisen kolmiulotteisen verkoston mekaanista stabiiliutta ja suojaa sitä entsyymien vaikutuksilta. Ne tarjoavat myös vastustuskykyä muodonmuutoksille rajoittaen verkoston sisällä sijaitsevien proteoglykaanien turpoamista. Anionisen CS-ketjun lisäksi kollageeni IX -molekyyli sisältää kationisen domeenin, joka antaa fibrillille suuren varauksen ja taipumuksen olla vuorovaikutuksessa muiden matriisimakromolekyylien kanssa.

Kollageeni tyyppiä XI muodostaa vain 2–3 % kollageenin kokonaismassasta. Se kuuluu luokan I (fibrillejä muodostaviin) kollageeneihin ja koostuu kolmesta eri α-ketjusta. Yhdessä kollageenityyppien II ja IX kanssa kollageeni tyyppi XI muodostaa nivelruston heterotyyppisiä fibrillejä. Kollageenityyppiä XI on havaittu tyypin II kollageenifibrilleissä immunoelektromikroskopialla. Ne todennäköisesti järjestävät tyypin II kollageenimolekyylejä, säätelevät fibrillien sivuttaiskasvua ja määrittävät heterotyyppisen kollageenifibrillin halkaisijan. Lisäksi kollageeni XI osallistuu ristisidosten muodostumiseen, mutta jopa kypsässä rustossa ristisidokset pysyvät epäkypsien kaksiarvoisten ketoamiinien muodossa.

Nivelrustossa on pieniä määriä kollageenityyppiä VI, joka kuuluu myös luokan III lyhytkierteisiin molekyyleihin. Kollageenityyppi VI muodostaa erilaisia mikrofibrillejä ja on todennäköisesti keskittynyt ruston kapselimatriisiin.

Proteoglykaanit ovat proteiineja, joihin ainakin yksi glykosaminoglykaaniketju on kovalenttisesti kiinnittynyt. Proteoglykaanit ovat monimutkaisimpia biologisia makromolekyylejä. Proteoglykaaneja on runsaimmin ruston solukalvossa (ECM). Kollageenifibrillien verkkoon "kietoutuneina" hydrofiiliset proteoglykaanit suorittavat päätehtävänsä - ne antavat rustolle kyvyn muuttaa muotoaan palautuvasti. Oletetaan, että proteoglykaaneilla on myös useita muita toimintoja, joiden ydin ei ole täysin selvä.

Aggrekaani on nivelruston tärkein proteoglykaani, joka muodostaa noin 90 % kudoksen kokonaisproteoglykaanimassasta. Sen 230 kD:n ydinproteiini on glykosyloitu useilla kovalenttisesti sitoutuneilla glykosaminoglykaaniketjuilla sekä N-terminaalisilla ja C-terminaalisilla oligosakkarideilla.

Nivelruston glykosaminoglykaaniketjut, jotka muodostavat noin 90 % makromolekyylien kokonaismassasta, ovat keratansulfaatti (sulfatoituneen disakkaridi-N-asetyyliglukosaminolaktoosi-sekvenssi, jossa on useita sulfatoituneita kohtia ja muita monosakkariditähteitä, kuten siaalihappo) ja kondroitiinisulfaatti (disakkaridi-N-asetyyligalaktosamiiniglukuronihapon sekvenssi, jossa sulfaattiesteri on kiinnittynyt joka neljänteen tai kuudenteen N-asetyyligalaktosamiinin hiiliatomiin).

Aggrekaanin ydinproteiini sisältää kolme globulaarista (G1, G2, G3) ja kaksi globulaarista (E1 ja E2) domeenia. N-terminaalinen alue sisältää G1- ja G2-domeenit, joita erottaa 21 nm pitkä E1-segmentti. C-terminaalinen alue sijaitsee C3-domeenin ja G2:n välissä pidemmän (noin 260 nm) E2-segmentin avulla _, jossa on yli 100 kondroitiinisulfaattiketjua, noin 15–25 keratiinisulfaattiketjua ja O-sidottuja oligosakkarideja. N-sidottuja oligosakkarideja löytyy pääasiassa G1- ja C2-domeeneista ja E1-segmentistä sekä G3- _alueen läheltä. Glykosaminoglykaanit on ryhmitelty kahteen alueeseen: pisin (ns. kondroitiinisulfaattirikas alue) sisältää kondroitiinisulfaattiketjuja ja noin 50 % kerataanisulfaattiketjuja. Kerataanisulfaattirikas alue sijaitsee E2- _segmentissä lähellä G1-domeenia ja edeltää kondroitiinisulfaattirikasta aluetta. Aggrekaanimolekyylit sisältävät myös fosfaattiestereitä, jotka sijaitsevat pääasiassa ksyloositähteissä, jotka kiinnittävät kondroitiinisulfaattiketjut ydinproteiiniin; niitä löytyy myös ydinproteiinin seriinitähteistä.

_{C3- domeenin} C-terminaalinen segmentti on erittäin homologinen lektiinin kanssa, mikä mahdollistaa proteoglykaanimolekyylien kiinnittymisen ECM:ään sitoutumalla tiettyihin hiilihydraattirakenteisiin.

Viimeaikaiset tutkimukset ovat tunnistaneet eksonin, joka koodaa EGF:n kaltaista aladomeenia G3:ssa _. Käyttämällä EGF:n kaltaisia polyklonaalisia vasta-aineita EGF:n kaltainen epitooppi paikannettiin 68 kD:n peptidiin ihmisen nivelruston aggrekaanissa. Sen toiminta on kuitenkin vielä selvittämättä. Tätä aladomeenia löytyy myös adheesiomolekyyleistä, jotka säätelevät lymfosyyttien migraatiota. Vain noin kolmannes kypsästä ihmisen nivelrustosta eristetyistä aggrekaanimolekyyleistä sisältää ehjän C3- _domeenin; tämä johtuu todennäköisesti siitä, että aggrekaanimolekyylejä voidaan pienentää entsymaattisesti ECM:ssä. Pilkottujen fragmenttien kohtalo ja toiminta ovat tuntemattomia.

Aggrekaanimolekyylin tärkein toiminnallinen segmentti on glykosaminoglykaania sisältävä E2- _segmentti. Tämä kerataanisulfaatteja runsaasti sisältävä alue sisältää aminohapot proliini, seriini ja treoniini. Suurin osa seriini- ja treoniinitähteistä on O-glykosyloitu N-asetyyligalaktosamiinitähteillä; ne aloittavat tiettyjen oligosakkaridien synteesin, jotka liittyvät kerataanisulfaattiketjuihin ja pidentävät niitä. Loput E2-segmentistä _sisältää yli 100 seriini-glysiinisekvenssiä, joissa seriini kiinnittyy kondroitiinisulfaattiketjujen alussa oleviin ksylosyylitähteisiin. Tyypillisesti sekä kondroitiini-6-sulfaatti että kondroitiini-4-sulfaatti esiintyvät samanaikaisesti samassa proteoglykaanimolekyylissä, ja niiden suhde vaihtelee rustokudoksen sijainnin ja henkilön iän mukaan.

Ihmisen nivelrustomatriisin aggrekaanimolekyylien rakenne käy läpi useita muutoksia kypsymisen ja ikääntymisen aikana. Ikääntymiseen liittyviä muutoksia ovat hydrodynaamisen koon pieneneminen kondroitiinisulfaattiketjujen keskimääräisen pituuden muutoksen vuoksi sekä kerataanisulfaattiketjujen lukumäärän ja pituuden kasvu. Useita aggrekaanimolekyylin muutoksia aiheuttaa myös proteolyyttisten entsyymien (esim. aggrekanaasin ja stromelesiinin) vaikutus ydinproteiiniin. Tämä johtaa aggrekaanimolekyylin ydinproteiinin keskimääräisen pituuden asteittaiseen lyhenemiseen.

Rudosyytit syntetisoivat aggrekaanimolekyylejä ja erittävät ne solukalvoon (ECM), jossa ne muodostavat linkkeriproteiinimolekyylien stabiloimia aggregaatteja. Tähän aggregaatioon liittyy erittäin spesifisiä ei-kovalenttisia ja kooperatiivisia vuorovaikutuksia glukuronihappojuosteen ja lähes 200 aggrekaani- ja linkkeriproteiinimolekyylin välillä. Glukuronihappo on solunulkoinen, sulfatoimaton, suurimolekyylipainoinen lineaarinen glykosaminoglykaani, joka koostuu useista peräkkäin kytkeytyneistä N-asetyyliglukosamiini- ja glukuronihappomolekyyleistä. Aggrekaanin G1-domeenin parilliset silmukat ovat palautuvasti vuorovaikutuksessa viiden peräkkäin sijaitsevan hyaluronihappodisakkaridin kanssa. Linkkeriproteiini, joka sisältää samankaltaisia (erittäin homologisia) parillisia silmukoita, on vuorovaikutuksessa C1-domeenin ja hyaluronihappomolekyylin kanssa ja stabiloi aggregaattirakennetta. C1-domeenin, hyaluronihapon ja sitoutumisproteiinin kompleksi muodostaa erittäin stabiilin vuorovaikutuksen, joka suojaa G1-domeenia ja sitoutumisproteiinia proteolyyttisten entsyymien toiminnalta. Sitoutumisproteiinista on tunnistettu kaksi molekyyliä, joiden molekyylipaino on 40-50 kDa; ne eroavat toisistaan glykosylaatioasteen suhteen. Vain yksi sitoutumisproteiinin molekyyli sijaitsee hyaluronihapon ja aggrekaanin sidoksen kohdassa. Kolmas, pienempi sitoutumisproteiinin molekyyli muodostuu suuremmista molekyylistä proteolyyttisen pilkkoutumisen kautta.

Noin 200 aggrekaanimolekyyliä voi sitoutua yhteen hyaluronihappomolekyyliin muodostaen 8 μm pitkän aggregaatin. Solujen välisessä matriisissa, joka koostuu perisellulaarisista ja reviiriosastoista, aggregaatit säilyttävät yhteyden soluihin sitoutumalla (hyaluronihapposäikeen kautta) solukalvon CD44-tyyppisiin reseptoreihin.

Aggregaattien muodostuminen solukalvossa (ECM) on monimutkainen prosessi. Uudet syntetisoidut aggrekaanimolekyylit eivät välittömästi osoita kykyä sitoutua hyaluronihappoon. Tämä voi toimia säätelymekanismina, jonka avulla äskettäin syntetisoidut molekyylit pääsevät matriisin alueiden väliselle alueelle ennen kuin ne immobilisoituvat suuriksi aggregaateiksi. Hyaluronihapon kanssa vuorovaikutuksessa olevien aggregaattien muodostamiseen kykenevien äskettäin syntetisoitujen aggrekaanimolekyylien ja sitoutumisproteiinien määrä vähenee merkittävästi iän myötä. Lisäksi ihmisen nivelrustosta eristettyjen aggregaattien koko pienenee merkittävästi iän myötä. Tämä johtuu osittain hyaluronihappomolekyylien ja aggrekaanimolekyylien keskimääräisen pituuden lyhenemisestä.

Nivelrustossa on havaittu kahdenlaisia aggregaatteja. Ensimmäisen tyypin aggregaattien keskimääräinen koko on 60 S, kun taas toisen tyypin (nopeasti saostuvat "superaggregaatit") koko on 120 S. Jälkimmäiselle on ominaista sitoutumisproteiinin molekyylien runsaus. Näiden superaggregaattien läsnäololla voi olla merkittävä rooli kudoksen toiminnassa; raajan immobilisaation jälkeisen kudoksen palautumisen aikana niitä havaitaan suurempina pitoisuuksina nivelruston keskikerroksissa, kun taas nivelrikon vaurioituneessa nivelessä niiden koot pienenevät merkittävästi taudin alkuvaiheessa.

Aggrekaanin lisäksi nivelrusto sisältää useita pienempiä proteoglykaaneja. Biglykaani ja dekoriini, dermataanisulfaatteja kuljettavat molekyylit, ovat molekyylipainoltaan noin 100 ja 70 kDa; niiden ydinproteiinin massa on noin 30 kDa.

Ihmisen nivelrustossa biglykaanimolekyyli sisältää kaksi dermataanisulfaattiketjua, kun taas yleisempi dekoriini sisältää vain yhden. Nämä molekyylit muodostavat vain pienen osan nivelruston proteoglykaaneista, vaikka niitä voi olla yhtä paljon kuin suuria aggregoituneita proteoglykaaneja. Pienet proteoglykaanit ovat vuorovaikutuksessa muiden ECM:n makromolekyylien, kuten kollageenifibrillien, fibronektiinin, kasvutekijöiden jne., kanssa. Dekoriini lokalisoituu pääasiassa kollageenifibrillien pinnalle ja estää kollageenin fibrillogeneesiä. Ydinproteiini on tiiviisti kiinnittynyt fibronektiinin solun sitoutumisdomeeniin, mikä todennäköisesti estää jälkimmäistä sitoutumasta solun pintareseptoreihin (integriineihin). Koska sekä dekoriini että biglykaani sitoutuvat fibronektiiniin ja estävät solujen kiinnittymistä ja migraatiota sekä trombin muodostumista, ne kykenevät estämään kudosten korjausprosesseja.

Nivelruston fibromoduliini on proteoglykaani, jonka molekyylipaino on 50–65 kD ja joka liittyy kollageenifibrilleihin. Sen ydinproteiini, joka on homologinen dekoriinin ja biglykaanin ydinproteiinien kanssa, sisältää suuren määrän tyrosiinisulfaattitähteitä. Tämä glykosyloitunut fibromoduliinin muoto (aiemmin kutsuttu 59 kD:n matriisiproteiiniksi) voi osallistua kollageenifibrillien muodostumisen ja rakenteen ylläpidon säätelyyn. Fibromoduliini ja dekoriini sijaitsevat kollageenifibrillien pinnalla. Kuten aiemmin on osoitettu, fibrillin halkaisijan kasvua tulisi edeltää näiden proteoglykaanien (sekä tyypin IX kollageenimolekyylien) selektiivinen poisto.

Nivelruston solukalvo (ECM) sisältää useita proteiineja, jotka eivät ole proteoglykaaneja eivätkä kollageeneja. Ne vuorovaikuttavat muiden makromolekyylien kanssa muodostaen verkoston, joka sisältää suurimman osan ECM-molekyyleistä.

Ankoriini, 34 kD:n proteiini, sijaitsee kondrosyyttien pinnalla ja solukalvossa välittäen solun ja matriisin välisiä vuorovaikutuksia. Koska sillä on korkea affiniteetti tyypin II kollageeniin, se voi toimia mekanoreseptorina, joka välittää signaalin fibrillin paineen muutoksesta kondrosyytille.

Fibronektiini on osa useimpia rustokudoksia ja eroaa hieman plasman fibronektiinistä. Fibronektiinin uskotaan edistävän matriisin integraatiota vuorovaikuttamalla solukalvojen ja muiden matriisin komponenttien, kuten tyypin II kollageenin ja trombospondiinin, kanssa. Fibronektiinifragmenteilla on negatiivinen vaikutus kondrosyyttien aineenvaihduntaan: ne estävät aggrekaanien synteesiä ja stimuloivat katabolisia prosesseja. Nivelrikkopotilaiden nivelnesteessä on löydetty suuria pitoisuuksia fibronektiinifragmentteja, joten ne voivat osallistua taudin patogeneesiin myöhemmissä vaiheissa. Muiden matriisimolekyylien fragmenteilla, jotka sitoutuvat kondrosyyttireseptoreihin, on todennäköisesti samanlaisia vaikutuksia.

Oligomeerinen ruston matriisiproteiini (OMPC), joka kuuluu trombospondiinien superperheeseen, on pentameeri, jossa on viisi identtistä alayksikköä ja jonka molekyylipaino on noin 83 kDa. Niitä löytyy suuria määriä nivelrustosta, erityisesti kasvavan kudoksen lisääntyvien solujen kerroksessa. Siksi on mahdollista, että OMPC osallistuu solujen kasvun säätelyyn. Niitä löytyy paljon pienempinä pitoisuuksina kypsän nivelruston solukalvosta (ECM). Matriisiproteiineihin kuuluvat myös:

• emäksinen matriisiproteiini (36 kDa), jolla on korkea affiniteetti kondrosyyteihin, voi välittää solujen välisiä vuorovaikutuksia ECM:ssä, kuten kudosten uudelleenmuodostuksen aikana;
• GP-39 (39 kDa) ilmentyy nivelruston pinnallisessa kerroksessa ja nivelkalvossa (sen toimintoja ei tunneta);
• 21 kD:n proteiinia syntetisoivat hypertrofiset kondrosyytit, se on vuorovaikutuksessa X-tyypin kollageenin kanssa ja voi toimia "aaltoviiva" -vyöhykkeellä.

Lisäksi on ilmeistä, että kondrosyytit ilmentävät pienten, aggregoitumattomien proteoglykaanien glykosyloitumattomia muotoja ruston kehityksen tietyissä vaiheissa ja patologisissa olosuhteissa, mutta niiden spesifistä tehtävää tutkitaan parhaillaan.

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

Nivelruston toiminnalliset ominaisuudet

Aggrekaanimolekyylit antavat nivelrustolle kyvyn palautuvaan muodonmuutokseen. Ne osoittavat erityisiä vuorovaikutuksia solunulkoisessa tilassa ja niillä on epäilemättä tärkeä rooli solunulkoisen massan (ECM) organisaatiossa, rakenteessa ja toiminnassa. Rustokudoksessa aggrekaanimolekyylien pitoisuus on 100 mg/ml. Rustossa aggrekaanimolekyylit puristuvat 20 prosenttiin liuoksessa viemästään tilavuudesta. Kollageenifibrillien muodostama kolmiulotteinen verkosto antaa kudokselle sen ominaisen muodon ja estää proteoglykaanien tilavuuden kasvun. Kollageeniverkoston sisällä liikkumattomilla proteoglykaaneilla on suuri negatiivinen sähkövaraus (ne sisältävät suuren määrän anionisia ryhmiä), minkä ansiosta ne voivat olla vuorovaikutuksessa kudosnesteen liikkuvien kationisten ryhmien kanssa. Vuorovaikutuksessa veden kanssa proteoglykaanit aiheuttavat niin sanotun turpoamispaineen, jota kollageeniverkosto vastustaa.

Veden läsnäolo solukalvossa (ECM) on erittäin tärkeää. Vesi määrää kudoksen tilavuuden; proteoglykaaneihin sitoutuneena se tarjoaa vastustuskyvyn puristumiselle. Lisäksi vesi mahdollistaa molekyylien kuljetuksen ja diffuusion ECM:ssä. Kudokseen kiinnittyneiden suurten proteoglykaanien suuri negatiivisen varauksen tiheys luo "suljetun tilavuuden vaikutuksen". Proteoglykaanien väkevöidyssä liuoksessa olevien huokoskoko on niin pieni, että suurten pallomaisten proteiinien diffuusio kudokseen on jyrkästi rajoittunutta. ECM hylkii pieniä negatiivisesti varautuneita proteiineja (esim. kloridi-ioneja) ja suuria proteiineja (kuten albumiinia ja immunoglobuliineja). Solujen koko tiheässä kollageenifibrillien ja proteoglykaanien verkostossa on verrattavissa vain joidenkin epäorgaanisten molekyylien kokoon (esim. natrium ja kalium, mutta ei kalsium).

ECM:ssä (solukalvon väliaineessa) kollageenifibrilleissä on jonkin verran vettä. Ekstrafibrillaarinen tila määrittää ruston fysikaalis-kemialliset ja biomekaaniset ominaisuudet. Intrafibrillaarisen tilan vesipitoisuus riippuu proteoglykaanien pitoisuudesta ekstrafibrillaarisessa tilassa ja kasvaa jälkimmäisten pitoisuuden laskiessa.

Proteoglykaanien kiinteä negatiivinen varaus määrää solunulkoisen väliaineen ionikoostumuksen, joka sisältää runsaasti vapaita kationeja ja vähän vapaita anioneja. Kun aggrekaanimolekyylien pitoisuus kasvaa ruston pinnallisesta alueesta syvälle, kudoksen ioniympäristö muuttuu. Epäorgaanisten ionien pitoisuus solukalvossa luo korkean osmoottisen paineen.

Ruston materiaaliominaisuudet riippuvat kollageenifibrillien, proteoglykaanien ja kudoksen nestemäisen faasin vuorovaikutuksesta. Synteesi- ja kataboliaprosessien välisten ristiriitojen, makromolekyylien hajoamisen ja fyysisen trauman aiheuttamat rakenteelliset ja koostumukselliset muutokset vaikuttavat merkittävästi ruston materiaaliominaisuuksiin ja muuttavat sen toimintaa. Koska kollageenien ja proteoglykaanien pitoisuus, jakautuminen ja makromolekyylinen organisaatio muuttuvat rustoalueen syvyyden mukaan, kunkin alueen biomekaaniset ominaisuudet vaihtelevat. Esimerkiksi pinnallinen alue, jolla on korkea kollageenipitoisuus, tangentiaalisesti sijaitsevat fibrillit ja suhteellisen alhainen proteoglykaanien pitoisuus, kestää parhaiten venytystä ja jakaa kuorman tasaisesti koko kudoksen pinnalle. Siirtymä- ja syvillä alueilla proteoglykaanien korkea pitoisuus antaa kudokselle ominaisuuden kestää puristuskuormitusta. "Aaltoviivan" tasolla ruston materiaaliominaisuudet muuttuvat jyrkästi taipuisasta, kalkkeutumattomasta alueesta jäykempaan mineralisoituneeseen rustoon. "Aaltoviivan" alueella kudoksen lujuuden tarjoaa kollageeniverkosto. Alla olevien rusto-osien läpi ei kulje kollageenifibrillejä; osteokondraalisen liitoskohdan alueella kudoslujuuden takaavat kalkkeutumattoman ja kalkkeutuneen rustoalueen välisen rajan erityiset muodot, jotka muodostavat epäsäännöllisiä sormimaisia kasvustoja, jotka "sulkevat" kaksi kerrosta ja estävät niiden erottumisen. Kalkkiutunut rusto on ohuempaa kuin subkondraalinen luu, joten se toimii välikerroksena, joka pehmentää rustoon kohdistuvaa puristuskuormaa ja siirtää sen subkondraaliseen luuhun.

Kuormituksen aikana tapahtuu kolmen voiman monimutkainen jakautuminen - venytys, leikkaus ja puristus. Nivelmatriisi muuttaa muotoaan veden (sekä solujen aineenvaihduntatuotteiden) poistumisen vuoksi kuormitusalueelta, ja ionien pitoisuus kudosnesteessä kasvaa. Veden liike riippuu suoraan käytetyn kuormituksen kestosta ja voimasta, ja proteoglykaanien negatiivinen varaus hidastaa sitä. Kudoksen muodonmuutoksen aikana proteoglykaanit puristuvat tiiviimmin toisiaan vasten, mikä lisää tehokkaasti negatiivisen varauksen tiheyttä, ja molekyylien väliset voimat, jotka hylkivät negatiivista varausta, lisäävät puolestaan kudoksen vastustuskykyä lisämuodonmuutokselle. Lopulta muodonmuutos saavuttaa tasapainon, jossa ulkoiset kuormitusvoimat tasapainottuvat sisäisillä vastusvoimilla - turpoamispaineella (proteoglykaanien vuorovaikutus ionien kanssa) ja mekaanisella rasituksella (proteoglykaanien ja kollageenien vuorovaikutus). Kun kuorma poistetaan, rustokudos saa alkuperäisen muotonsa imemällä vettä ravinteiden mukana. Kudoksen alkuperäinen (kuormitusta edeltävä) muoto saavutetaan, kun proteoglykaanien turpoamispaine tasapainottuu kollageeniverkoston vastustuksella niiden leviämiselle.

Nivelruston biomekaaniset ominaisuudet perustuvat kudoksen rakenteelliseen eheyteen – kiinteänä faasina kollageeni-proteoglykaani-yhdiste ja nestemäisenä faasina vettä ja liuenneita ioneja. Kuormittamattomana nivelruston hydrostaattinen paine on noin 1–2 ilmakehän paine. Tämä hydrostaattinen paine voi nousta in vivo 100–200 ilmakehän paineeseen millisekunnissa seistessä ja 40–50 ilmakehän paineeseen kävellessä. In vitro -tutkimukset ovat osoittaneet, että 50–150 ilmakehän hydrostaattinen paine (fysiologinen) johtaa ruston anabolian kohtalaiseen lisääntymiseen lyhyessä ajassa ja yli kahden tunnin aikana rustonesteen menetykseen, mutta ei aiheuta muita muutoksia. Kysymys siitä, kuinka nopeasti kondrosyytit reagoivat in vivo tällaiseen kuormitukseen, on edelleen ratkaisematta.

Nesteytyksen väheneminen ja sitä seuraava proteoglykaanipitoisuuden nousu johtavat positiivisesti varautuneiden ionien, kuten H ⁺ ja Na ⁺, vetävät puoleensa. Tämä johtaa muutokseen solunulkoisen massan (ECM) ja kondrosyyttien kokonaisionikoostumuksessa ja pH-arvossa. Pitkäaikainen liikunta aiheuttaa pH:n laskua ja samalla kondrosyyttien proteoglykaanisynteesin vähenemistä. On mahdollista, että solunulkoisen ioniympäristön vaikutus synteettisiin prosesseihin liittyy osittain myös sen vaikutukseen ECM-koostumukseen. Uudet syntetisoidut aggrekaanimolekyylit kypsyvät aggregaatteiksi myöhemmin heikosti happamassa ympäristössä kuin normaaleissa olosuhteissa. On todennäköistä, että pH:n lasku kondrosyyttien ympärillä (esim. liikunnan aikana) sallii useampien uusien syntetisoitujen aggrekaanimolekyylien pääsyn alueiden väliseen matriisiin.

Kun kuormitus poistuu, vesi palaa nivelontelosta kuljettaen ravinteita soluille. Nivelrikon vaurioittamassa rustossa proteoglykaanien pitoisuus vähenee, joten kuormituksen aikana vesi liikkuu paitsi pystysuunnassa nivelonteloon, myös muihin suuntiin, mikä vähentää kondrosyyttien ravitsemusta.

Liikkumattomuus tai lievä kuormitus johtaa ruston synteesin ja proteoglykaanipitoisuuden merkittävään vähenemiseen, kun taas lisääntynyt dynaaminen kuormitus johtaa proteoglykaanisynteesin ja -pitoisuuden kohtalaiseen kasvuun. Rasittava liikunta (20 km/päivä 15 viikon ajan) aiheutti koirilla muutoksia proteoglykaanipitoisuudessa, erityisesti niiden pitoisuuden jyrkässä laskussa pinnallisella alueella. Jonkin verran palautuvaa ruston pehmenemistä ja subkondraalista luun uudelleenmuodostusta esiintyi. Voimakas staattinen kuormitus aiheutti kuitenkin rustovaurioita ja sitä seuraavaa rappeutumista. Lisäksi solun ulkopuolisen aineen (ECM) aggrekaanin menetys käynnistää nivelrikolle tyypillisiä poikkeavia muutoksia. Aggrekaanin menetys johtaa veden puoleensavetämiseen ja jäljellä olevan pienen proteoglykaanimäärän turpoamiseen. Tämä aggrekaanin liukeneminen myötävaikuttaa paikallisen kiinteän varaustiheyden pienenemiseen ja lopulta osmolaarisuuden muutokseen.