هشاشة العظام: كيف يتم تنظيم الغضروف المفصلي؟

يؤدي الغضروف المفصلي الطبيعي وظيفتين رئيسيتين: امتصاص الضغط الناتج عن التشوه الناتج عن التحميل الميكانيكي، وتوفير نعومة الأسطح المفصلية، مما يقلل الاحتكاك أثناء حركة المفصل. ويضمن ذلك تركيبه الفريد، الذي يتكون من كوندرويتين مغمور في المصفوفة خارج الخلية (ECM).

يمكن تقسيم الغضروف المفصلي الطبيعي لدى البالغين إلى عدة طبقات أو مناطق: المنطقة السطحية أو المماسّة، والمنطقة الانتقالية، والمنطقة العميقة أو الشعاعية، والمنطقة المتكلسة. لا توجد حدود واضحة للطبقة الواقعة بين المنطقتين السطحية والانتقالية، وخاصةً بين المنطقتين الانتقاليتين والعميقة. يُطلق على نقطة التقاء الغضروف المفصلي غير المتكلس والمتكلس اسم "الحافة المتموجة"، وهو خط يظهر عند صبغ الأنسجة المتكلسة. تُشكل المنطقة المتكلسة من الغضروف نسبة ثابتة نسبيًا (6-8%) من إجمالي ارتفاع المقطع العرضي للغضروف. يختلف السُمك الكلي للغضروف المفصلي، بما في ذلك منطقة الغضروف المتكلسة، باختلاف الحمل على منطقة معينة من سطح المفصل ونوع المفصل. يلعب الضغط الهيدروستاتيكي المتقطع في العظم تحت الغضروفي دورًا هامًا في الحفاظ على البنية الطبيعية للغضروف من خلال إبطاء عملية التعظم.

تُشكّل الخلايا الغضروفية ما يقارب 2-3% من إجمالي كتلة الأنسجة؛ ففي المنطقة السطحية (العرضية)، تقع على طول سطح الغضروف، وفي المنطقة العميقة (الشعاعية) تكون عمودية عليه؛ أما في المنطقة الانتقالية، فتُشكّل الخلايا الغضروفية مجموعات من 2-4 خلايا موزعة على طول المصفوفة. وتختلف كثافة الخلايا الغضروفية باختلاف منطقة الغضروف المفصلي، حيث تكون أعلى كثافة للخلايا في المنطقة السطحية، وأقلها في المنطقة المتكلسة. كما تختلف كثافة توزيع الخلايا من مفصل لآخر، وتتناسب عكسيًا مع سمك الغضروف والحمل الذي تتعرض له المنطقة المقابلة.

تكون الخلايا الغضروفية الأكثر سطحيةً قرصية الشكل، وتُشكل عدة طبقات من الخلايا في المنطقة المماسية الواقعة أسفل شريط ضيق من المصفوفة؛ أما الخلايا العميقة في هذه المنطقة، فتميل إلى أن تكون ذات محيط أقل استواءً. في المنطقة الانتقالية، تكون الخلايا الغضروفية كروية الشكل، وقد تتحد أحيانًا في مجموعات صغيرة متناثرة في المصفوفة. أما الخلايا الغضروفية في المنطقة العميقة، فتغلب عليها الشكل الإهليلجي، وتتجمع في سلاسل شعاعية تتكون من خليتين إلى ست خلايا. أما في المنطقة المتكلسة، فتتوزع الخلايا بشكل أقل؛ بعضها نخري، على الرغم من أن معظمها قابل للحياة. تُحاط الخلايا بمصفوفة غير متكلسة، ويكون الفراغ بين الخلايا متكلسًا.

وهكذا، يتكون الغضروف المفصلي البشري من مصفوفة خارج الخلية (ECM) رطبة وخلايا مغمورة فيها، والتي تُشكل 2-3% من إجمالي حجم الأنسجة. ولأن نسيج الغضروف لا يحتوي على أوعية دموية أو لمفاوية، فإن التفاعل بين الخلايا، وتوصيل العناصر الغذائية إليها، وإزالة النواتج الأيضية، يتم عن طريق الانتشار عبر المصفوفة خارج الخلية. على الرغم من أن الخلايا الغضروفية نشطة أيضيًا للغاية، إلا أنها لا تنقسم عادةً لدى البالغين. توجد الخلايا الغضروفية في بيئة خالية من الأكسجين، ويُعتقد أن أيضها لاهوائي في الغالب.

تعتبر كل خلية غضروفية بمثابة وحدة أيضية منفصلة من الغضروف، معزولة عن الخلايا المجاورة، ولكنها مسؤولة عن إنتاج عناصر ECM في المنطقة المجاورة مباشرة للخلية المتبرع بها والحفاظ على تركيبها.

يُقسّم النسيج خارج الخلوي (ECM) إلى ثلاثة أقسام، لكل منها بنية مورفولوجية فريدة وتركيب كيميائي حيوي محدد. يُطلق على النسيج خارج الخلوي (ECM) المجاور مباشرةً للغشاء القاعدي للخلية الغضروفية اسم المصفوفة المحيطة بالخلية (أو المصفوفة الفارغة). يتميز هذا النسيج بمحتوى عالٍ من تجمعات البروتيوغليكان المرتبطة بالخلية نتيجة تفاعل حمض الهيالورونيك مع مستقبلات شبيهة بـ CD44، وغياب نسبي لألياف الكولاجين المنظمة. يقع النسيج خارج الخلوي المجاور مباشرةً للمصفوفة المحيطة بالخلية (أو المصفوفة الكبسولية)، وهو يتكون من شبكة من ألياف الكولاجين المتقاطعة التي تُغلّف الخلايا الفردية أو (أحيانًا) مجموعات من الخلايا، مُشكّلةً غضروفًا، وربما تُوفّر دعمًا ميكانيكيًا متخصصًا للخلايا. يتم تحقيق اتصال الخلايا الغضروفية بالمصفوفة الكبسولية من خلال العديد من العمليات السيتوبلازمية الغنية بالخيوط الدقيقة، وكذلك من خلال جزيئات مصفوفة محددة مثل مستقبلات الأنكورين والمستقبلات الشبيهة بـ CD44. الجزء الأكبر والأبعد من المصفوفة خارج الخلوية من الغشاء القاعدي للخلية الغضروفية هو المصفوفة بين الأقاليم، والتي تحتوي على أكبر عدد من ألياف الكولاجين والبروتيوغليكان.

يُعرَّف تقسيم المصفوفة خارج الخلوية (ECM) إلى حجرات بوضوح أكبر في الغضروف المفصلي البالغ مقارنةً بالغضروف المفصلي غير الناضج. يختلف الحجم النسبي لكل حجرة ليس فقط بين المفاصل، بل حتى داخل الغضروف نفسه. تُنتج كل خلية غضروفية مصفوفة تُحيط بها. ووفقًا للدراسات، تُمارس الخلايا الغضروفية في أنسجة الغضروف الناضجة تحكمًا أيضيًا نشطًا على مصفوفاتها المحيطة بالخلايا والإقليمية، بينما تُمارس تحكمًا أقل نشاطًا على المصفوفة بين الأقاليم، والتي قد تكون "خاملة" أيضيًا.

كما ذُكر سابقًا، يتكون الغضروف المفصلي بشكل رئيسي من مصفوفة خارج الخلية (ECM) واسعة تُصنّعها وتُنظّمها الخلايا الغضروفية. تتغير الجزيئات الكبيرة في الأنسجة وتركيزاتها على مدار الحياة وفقًا للاحتياجات الوظيفية المتغيرة. ومع ذلك، لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت الخلايا تُصنّع المصفوفة بأكملها في وقت واحد أو في مراحل مُحددة وفقًا للاحتياجات الفسيولوجية. يُحدد تركيز الجزيئات الكبيرة، والتوازن الأيضي بينها، وعلاقاتها وتفاعلاتها، الخصائص الكيميائية الحيوية، وبالتالي وظيفة الغضروف المفصلي داخل المفصل الواحد. المكون الرئيسي للمصفوفة خارج الخلية (ECM) في الغضروف المفصلي البالغ هو الماء (65-70% من إجمالي الكتلة)، وهو مرتبط به بقوة بفضل الخصائص الفيزيائية الخاصة لجزيئات الأنسجة الغضروفية الكبيرة، التي تُشكّل جزءًا من الكولاجينات والبروتيوغليكان والبروتينات السكرية غير الكولاجينية.

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

التركيب الكيميائي الحيوي للغضروف

تتكون ألياف الكولاجين من جزيئات بروتين الكولاجين الليفي. في الثدييات، يُشكل الكولاجين ربع البروتينات في الجسم. يُشكل الكولاجين عناصر ليفية (ألياف كولاجين) تتكون من وحدات فرعية هيكلية تُسمى التروبوكولاجين. يتكون جزيء التروبوكولاجين من ثلاث سلاسل تُشكل حلزونًا ثلاثيًا. يُوفر هذا الهيكل لجزيء التروبوكولاجين، وكذلك هيكل ألياف الكولاجين، مرونةً وقوةً عاليتين للأنسجة التي توجد فيها عندما تكون هذه الجزيئات متوازية في الاتجاه الطولي مع إزاحة ثابتة تبلغ حوالي ربع الطول. حاليًا، يُعرف 10 أنواع مختلفة وراثيًا من الكولاجين، تختلف في التركيب الكيميائي لسلاسل ألفا و/أو موقعها في الجزيء. أفضل أربعة أنواع من الكولاجين التي تمت دراستها قادرة على تكوين ما يصل إلى 10 أشكال جزيئية متماثلة.

ألياف الكولاجين جزء من الفراغ خارج الخلوي لمعظم الأنسجة الضامة، بما في ذلك الغضاريف. تتشابك ضمن هذه الشبكة ثلاثية الأبعاد غير القابلة للذوبان من ألياف الكولاجين المتقاطعة مكونات أخرى أكثر قابلية للذوبان، مثل البروتيوجليكان، والجليكوبروتينات، والبروتينات الخاصة بالأنسجة؛ وترتبط هذه المكونات أحيانًا بعناصر الكولاجين ارتباطًا تساهميًا.

تُشكّل جزيئات الكولاجين المُنظّمة على شكل لييفات حوالي 50% من البقايا العضوية الجافة للغضروف (10-20% من الغضروف الطبيعي). في الغضروف الناضج، يُشكّل الكولاجين من النوع الثاني حوالي 90% من الكولاجين، وهو موجود فقط في بعض الأنسجة (مثل الجسم الزجاجي والحبل الظهري الجنيني). ينتمي الكولاجين من النوع الثاني إلى جزيئات الكولاجين من الفئة الأولى (المُكوّنة للييفات). بالإضافة إلى ذلك، يحتوي الغضروف المفصلي البشري الناضج أيضًا على كولاجينات من النوعين التاسع والحادي عشر، وكمية صغيرة من النوع السادس. تنخفض النسبة المئوية لألياف الكولاجين من النوع التاسع في لييفات الكولاجين من 15% في غضروف الجنين إلى حوالي 1% في غضروف الأبقار الناضج.

تتكون جزيئات الكولاجين من النوع الأول من ثلاث سلاسل بولي ببتيد متطابقة من النوع أ (II)، تُصنّع وتُفرز على شكل بروكولاجين أولي. بمجرد إطلاق جزيئات الكولاجين النهائية في الفراغ خارج الخلوي، تُشكّل لييفات. في الغضروف المفصلي الناضج، يُشكّل الكولاجين من النوع الثاني أقواسًا ليفية، حيث توجد الجزيئات "الأكثر سمكًا" في الطبقات العميقة من النسيج، بينما تقع الجزيئات "الأقل سمكًا" أفقيًا في الطبقات السطحية.

عُثر على إكسون يُشفِّر ببتيدًا طرفيًا أمينيًا غنيًا بالسيستين في جين البروكولاجين من النوع الثاني. لا يُعبَّر عن هذا الإكسون في الغضروف الناضج، بل في المراحل المبكرة من النمو (مرحلة ما قبل تكوين الغضروف). وبسبب وجود هذا الإكسون، يكون جزيء البروكولاجين من النوع الثاني (النوع الثاني أ) أطول من الكولاجين من النوع الثاني. ومن المرجح أن يُثبِّط تعبير هذا النوع من البروكولاجين تراكم العناصر في المصفوفة خارج الخلوية للغضروف المفصلي. وقد يلعب دورًا في تطور أمراض الغضروف (مثل ضعف الاستجابة الإصلاحية، وتكوين النتوءات العظمية، وما إلى ذلك).

توفر شبكة ألياف الكولاجين من النوع الثاني وظيفة مقاومة التمدد، وهي ضرورية للحفاظ على حجم وشكل الأنسجة. وتتعزز هذه الوظيفة بفضل الروابط التساهمية والعرضية بين جزيئات الكولاجين. في المصفوفة خارج الخلوية، يُكوّن إنزيم أوكسيديز الليزيل ألدهيد من هيدروكسي ليسين، والذي يتحول بدوره إلى حمض أميني متعدد التكافؤ، هيدروكسي ليزيل بيريدينولين، الذي يُشكّل روابط عرضية بين السلاسل. من ناحية، يزداد تركيز هذا الحمض الأميني مع التقدم في السن، ولكنه يبقى ثابتًا تقريبًا في الغضروف الناضج. من ناحية أخرى، في الغضروف المفصلي، يزداد تركيز الروابط العرضية من أنواع مختلفة، والتي تتشكل دون مشاركة الإنزيمات، مع التقدم في السن.

تُشكل ما يُسمى بالكولاجينات الثانوية حوالي 10% من إجمالي كمية الكولاجين في أنسجة الغضاريف، وهي التي تُحدد إلى حد كبير الوظيفة الفريدة لهذا النسيج. ينتمي الكولاجين من النوع التاسع إلى جزيئات الحلزون القصير من الصنف الثالث، وإلى مجموعة فريدة من كولاجينات FACIT (الكولاجين المرتبط بالألياف مع اللوالب الثلاثية المتقطعة). يتكون من ثلاث سلاسل مختلفة وراثيًا. إحداها، وهي السلسلة _a2 ، تُغلَك بالتزامن مع كبريتات الكوندرويتين، مما يجعل هذا الجزيء بروتيوغليكان. توجد روابط متصالبة من الهيدروكسي بيريدين، ناضجة وغير ناضجة، بين الأجزاء الحلزونية من الكولاجين من النوع التاسع والكولاجين من النوع الثاني. كما يمكن للكولاجين من النوع التاسع أن يعمل كـ"وصلة" بين الجزيئات والألياف (أو جسر) بين لييفات الكولاجين المتجاورة. تُشكّل جزيئات الكولاجين التاسع روابط متقاطعة مع بعضها البعض، مما يزيد من الاستقرار الميكانيكي للشبكة الليفية ثلاثية الأبعاد ويحميها من تأثيرات الإنزيمات. كما أنها تُوفّر مقاومة للتشوّه، مما يحدّ من انتفاخ البروتيوغليكانات الموجودة داخل الشبكة. بالإضافة إلى سلسلة CS الأنيونية، يحتوي جزيء الكولاجين التاسع على نطاق كاتيوني، يُضفي شحنة كبيرة على اللييف ويميل إلى التفاعل مع جزيئات المصفوفة الكبيرة الأخرى.

يُشكل الكولاجين من النوع الحادي عشر (XI) ما نسبته 2-3% فقط من إجمالي كتلة الكولاجين. وهو ينتمي إلى الكولاجين من الفئة الأولى (المُكوِّن للألياف)، ويتألف من ثلاث سلاسل ألفا مختلفة. يُشكِّل الكولاجين من النوع الحادي عشر، إلى جانب الكولاجين من النوعين الثاني والتاسع، لييفات غير متجانسة في الغضروف المفصلي. وقد اكتُشفت جزيئات الكولاجين من النوع الحادي عشر داخل لييفات الكولاجين من النوع الثاني باستخدام المجهر الإلكتروني المناعي. ويُحتمل أن هذه الجزيئات تُنظِّم جزيئات الكولاجين من النوع الثاني، مُتحكِّمةً في النمو الجانبي للييفات ومُحدِّدةً قطر لييف الكولاجين غير المتجانس. بالإضافة إلى ذلك، يُشارك الكولاجين الحادي عشر في تكوين الروابط المتقاطعة، ولكن حتى في الغضروف الناضج، تبقى هذه الروابط على شكل كيتو أمينات ثنائية التكافؤ غير ناضجة.

توجد كميات صغيرة من الكولاجين من النوع السادس، وهو عضو آخر من جزيئات الحلزون القصير من الصنف الثالث، في الغضروف المفصلي. يُشكل الكولاجين من النوع السادس أليافًا دقيقة متنوعة، ويُرجّح أنه يتركز في مصفوفة كبسولة الغضروف.

البروتيوغليكانات هي بروتينات ترتبط بها سلسلة غليكوز أمينوغليكان واحدة على الأقل ارتباطًا تساهميًا. تُعد البروتيوغليكانات من أكثر الجزيئات الحيوية تعقيدًا، وتتواجد بكثرة في المصفوفة خارج الخلوية للغضروف. تؤدي البروتيوغليكانات المحبة للماء، المتشابكة ضمن شبكة من ألياف الكولاجين، وظيفتها الرئيسية، وهي منح الغضروف القدرة على التشوه بشكل عكسي. ويُفترض أن البروتيوغليكانات تؤدي أيضًا عددًا من الوظائف الأخرى، التي لم يتضح جوهرها تمامًا.

الأجريكان هو البروتيوجليكان الرئيسي في الغضروف المفصلي، ويشكل حوالي 90% من إجمالي كتلة البروتيوجليكان في الأنسجة. بروتينه الأساسي، الذي تبلغ كتلته 230 كيلو دالتون، مُغلَق بواسطة سلاسل غليكوز أمينوجليكان متعددة مرتبطة تساهميًا، وسكريات قليلة التعدد من النهايتين الأمينية والكربونية.

سلاسل جليكوز أمينوغليكان في الغضروف المفصلي، والتي تشكل حوالي 90٪ من الكتلة الإجمالية للجزيئات الكبيرة، هي كبريتات الكيراتين (سلسلة من ثنائي السكاريد المكبرتي N-acetyl glucosamino lactose مع مواقع كبريتية متعددة وبقايا أحادية السكاريد الأخرى مثل حمض السياليك) وكبريتات شوندروتن (سلسلة من ثنائي السكاريد N-acetyl galactosamine glucuronic acid مع إستر كبريتات مرتبط بكل ذرة كربون رابعة أو سادسة من N-acetyl galactosamine).

يحتوي البروتين الأساسي للأجريكان على ثلاثة نطاقات كروية (G1، G2، G3) ونطاقين بين كرويين (E1 وE2). تحتوي المنطقة الطرفية الأمينية على النطاقين G1 وG2، ويفصل بينهما الجزء E1، الذي يبلغ طوله 21 نانومترًا. أما النطاق C3، الواقع في المنطقة الطرفية الكربوكسيلية، فيفصله عن G2 _جزء E2 أطول (حوالي 260 نانومترًا)، يحمل أكثر من 100 سلسلة من كبريتات الكوندرويتين، وحوالي 15-25 سلسلة من كبريتات الكيراتين، وسكريات قليلة التعدد مرتبطة بالأكسجين (O). توجد السكريات القليلة التعدد المرتبطة بالأكسجين بشكل رئيسي داخل النطاقين G1 وC2 والجزء E1، بالإضافة إلى قرب _{المنطقة} G3. تُصنف الغليكوز أمينوغليكان في منطقتين: الأطول (ما يُسمى المنطقة الغنية بكبريتات الكوندرويتين) تحتوي على سلاسل كبريتات الكوندرويتين وحوالي 50% من سلاسل كبريتات الكيراتان. تقع المنطقة الغنية بكبريتات الكيراتان في _القطعة E2 بالقرب من النطاق G1، وتسبق المنطقة الغنية بكبريتات الكوندرويتين. تحتوي جزيئات الأجريكان أيضًا على إسترات الفوسفات، الموجودة بشكل أساسي على بقايا الزيلوز التي تربط سلاسل كبريتات الكوندرويتين بالبروتين الأساسي؛ كما توجد أيضًا على بقايا السيرين من البروتين الأساسي.

يعتبر الجزء الطرفي C من _المجال C3 متماثلًا للغاية مع الليكتين، مما يسمح بتثبيت جزيئات البروتيوغليكان في ECM عن طريق الارتباط بهياكل كربوهيدراتية معينة.

حددت دراسات حديثة إكسونًا يُشفِّر نطاقًا فرعيًا شبيهًا بعامل نمو البشرة (EGF) ضمن الطبقة G3 _. باستخدام أجسام مضادة متعددة النسائل لعامل نمو البشرة، تم تحديد موضع النمط الشبيه بعامل نمو البشرة (EGF) ضمن ببتيد وزنه 68 كيلو دالتون في أجريكان غضروف مفصلي بشري. ومع ذلك، لا تزال وظيفته غير واضحة. يوجد هذا النطاق الفرعي أيضًا في جزيئات الالتصاق التي تتحكم في هجرة الخلايا الليمفاوية. يحتوي حوالي ثلث جزيئات الأجريكان المعزولة من غضروف مفصلي بشري ناضج على _نطاق C3 سليم ؛ ويرجع ذلك على الأرجح إلى إمكانية تقليل حجم جزيئات الأجريكان إنزيميًا في المصفوفة خارج الخلوية. مصير ووظيفة الأجزاء المشقوقة غير معروفين.

الجزء الوظيفي الرئيسي لجزيء الأجريكان هو _الجزء E2 الحامل للجليكوز أمينوغليكان. يحتوي هذا الجزء، الغني بكبريتات الكيراتان، على الأحماض الأمينية برولين، وسيرين، وثريونين. تُغلَك معظم بقايا السيرين والثريونين بواسطة بقايا N-أسيتيل غالاكتوزامين؛ حيث تبدأ هذه البقايا بتخليق بعض السكريات القليلة التعدد التي تُدمج في سلاسل كبريتات الكيراتان، مما يُطيلها. يحتوي الجزء المتبقي من _الجزء E2 على أكثر من 100 تسلسل سيرين-غليسين، حيث يرتبط السيرين ببقايا الزايلوسيل في بداية سلاسل كبريتات الكوندرويتين. عادةً، يتواجد كل من كبريتات شوندرويتين-6 وكبريتات شوندرويتين-4 في نفس الوقت داخل نفس جزيء البروتيوجليكان، وتختلف نسبتهما اعتمادًا على موقع أنسجة الغضروف وعمر الشخص.

يخضع تركيب جزيئات الأجريكان في مصفوفة الغضروف المفصلي البشري لعدد من التغيرات خلال النضج والشيخوخة. تشمل التغيرات المرتبطة بالشيخوخة انخفاضًا في الحجم الهيدروديناميكي نتيجةً لتغير متوسط طول سلاسل كبريتات الكوندرويتين، وزيادة في عدد وطول سلاسل كبريتات الكيراتان. كما يُحدث تأثير الإنزيمات المحللة للبروتين (مثل الأجريكاناز والستروميليسين) على البروتين الأساسي عددًا من التغيرات في جزيء الأجريكان. يؤدي هذا إلى انخفاض تدريجي في متوسط طول البروتين الأساسي لجزيء الأجريكان.

تُصنّع الخلايا الغضروفية جزيئات الأجريكان وتُفرز في المصفوفة خارج الخلوية (ECM)، حيث تُشكّل تكتلات تُثبّتها جزيئات البروتين الرابط. يتضمن هذا التكتل تفاعلات غير تساهمية وتعاونية عالية التحديد بين خيط حمض الجلوكورونيك وما يقرب من 200 جزيء من الأجريكان والبروتين الرابط. حمض الجلوكورونيك هو جليكوز أمينوغليكان خطي خارج خلوي، غير مُكَبَّر، عالي الوزن الجزيئي، ويتكوّن من جزيئات متعددة مترابطة تسلسليًا من N-أسيتيل جلوكوزامين وحمض الجلوكورونيك. تتفاعل الحلقات المزدوجة للنطاق G1 من الأجريكان بشكل عكسي مع خمسة سكريات ثنائية لحمض الهيالورونيك متسلسلة المواقع. يتفاعل البروتين الرابط، الذي يحتوي على حلقات مزدوجة متشابهة (متجانسة للغاية)، مع النطاق C1 وجزيء حمض الهيالورونيك، مُثبّتًا بنية التكتل. يُشكّل مُركّب بروتين ربط النطاق C1 - حمض الهيالورونيك - تفاعلًا عالي الاستقرار يحمي النطاق G1 وبروتين الربط من تأثير الإنزيمات المُحلِّلة للبروتين. تمّ تحديد جزيئين من بروتين الربط بوزن جزيئي يتراوح بين 40 و50 كيلو دالتون؛ يختلفان عن بعضهما البعض في درجة الارتباط بالجليكوزيل. يوجد جزيء واحد فقط من بروتين الربط في موقع رابطة حمض الهيالورونيك - الأجريكانية. يتكوّن الجزيء الثالث، الأصغر، من بروتين الربط من جزيئات أكبر عن طريق الانقسام البروتيني.

يمكن لحوالي 200 جزيء أجريكان أن يرتبط بجزيء واحد من حمض الهيالورونيك لتكوين تجمع بطول 8 ميكرومتر. في المصفوفة المرتبطة بالخلية، والمكونة من حجرات محيطية وإقليمية، تحافظ التجمعات على ارتباطها بالخلايا عن طريق الارتباط (عبر خيط حمض الهيالورونيك) بمستقبلات شبيهة بـ CD44 على غشاء الخلية.

تكوّن التكتلات في المصفوفة خارج الخلوية عملية معقدة. لا تُظهر جزيئات الأجريكان المُصنّعة حديثًا القدرة على الارتباط بحمض الهيالورونيك فورًا. قد يكون هذا بمثابة آلية تنظيمية تسمح للجزيئات المُصنّعة حديثًا بالوصول إلى المنطقة بين الأقاليم في المصفوفة قبل تثبيتها في تكتلات كبيرة. يتناقص عدد جزيئات الأجريكان المُصنّعة حديثًا وبروتينات الارتباط القادرة على تكوين التكتلات من خلال التفاعل مع حمض الهيالورونيك بشكل ملحوظ مع التقدم في السن. بالإضافة إلى ذلك، يتناقص حجم التكتلات المعزولة من غضروف مفصل الإنسان بشكل ملحوظ مع التقدم في السن. ويعود ذلك جزئيًا إلى انخفاض متوسط طول جزيئات حمض الهيالورونيك وجزيئات الأجريكان.

تم تحديد نوعين من التكتلات في الغضروف المفصلي. يبلغ متوسط حجم النوع الأول 60 سليلوز، بينما يبلغ متوسط حجم النوع الثاني (التكتلات فائقة الترسيب سريعة الترسيب) 120 سليلوز. يتميز النوع الثاني بوفرة جزيئات بروتين الربط. قد يلعب وجود هذه التكتلات الفائقة دورًا رئيسيًا في وظائف الأنسجة؛ فخلال ترميم الأنسجة بعد تثبيت الأطراف، توجد تركيزات أعلى منها في الطبقات الوسطى من الغضروف المفصلي، بينما في المفصل المصاب بهشاشة العظام، يقل حجمها بشكل ملحوظ في المراحل المبكرة من المرض.

بالإضافة إلى الأغريكان، يحتوي الغضروف المفصلي على عدد من البروتيوغليكانات الأصغر حجمًا. يبلغ الوزن الجزيئي للبيغليكان والديكورين، وهما جزيئان يحملان كبريتات الديرماتان، حوالي 100 و70 كيلو دالتون على التوالي؛ بينما تبلغ كتلة بروتينهما الأساسي حوالي 30 كيلو دالتون.

في الغضروف المفصلي البشري، يحتوي جزيء البيغليكان على سلسلتين من كبريتات الديرماتان، بينما يحتوي الديكورين، وهو الأكثر شيوعًا، على سلسلة واحدة فقط. تُشكل هذه الجزيئات جزءًا صغيرًا فقط من البروتيوغليكان في الغضروف المفصلي، على الرغم من أنها قد تكون بنفس عدد البروتيوغليكانات الكبيرة المتجمعة. تتفاعل البروتيوغليكانات الصغيرة مع جزيئات كبيرة أخرى في المصفوفة خارج الخلوية، بما في ذلك لييفات الكولاجين، والفيبرونيكتين، وعوامل النمو، وغيرها. يتمركز الديكورين بشكل أساسي على سطح لييفات الكولاجين، ويمنع تكوين لييفات الكولاجين. يرتبط البروتين الأساسي ارتباطًا وثيقًا بمجال ربط الخلايا في الفيبرونيكتين، مما يمنعه على الأرجح من الارتباط بمستقبلات سطح الخلية (الإنترينات). ولأن كلًا من الديكورين والبيغليكان يرتبطان بالفيبرونيكتين، ويمنعان التصاق الخلايا وهجرتها، بالإضافة إلى تكوين الخثرات، فهما قادران على تثبيط عمليات إصلاح الأنسجة.

فيبروموديولين الغضروف المفصلي هو بروتيوجليكان بوزن جزيئي يتراوح بين 50 و65 كيلو دالتون، مرتبط بألياف الكولاجين. يحتوي بروتينه الأساسي، المماثل للبروتينات الأساسية للديكورين والبيغليكان، على عدد كبير من بقايا كبريتات التيروزين. قد يشارك هذا الشكل المُجلكوزيل من الفيبرومودولين (الذي كان يُسمى سابقًا بروتين المصفوفة 59 كيلو دالتون) في تنظيم تكوين ألياف الكولاجين والحفاظ على بنيتها. يقع الفيبرومودولين والديكورين على سطح ألياف الكولاجين. لذلك، وكما ذُكر سابقًا، يجب أن يسبق زيادة قطر الألياف إزالة انتقائية لهذه البروتيوجليكان (بالإضافة إلى جزيئات الكولاجين من النوع التاسع).

يحتوي الغضروف المفصلي على عدد من البروتينات في المصفوفة خارج الخلوية، وهي ليست بروتيوجليكانات ولا كولاجينات. تتفاعل هذه البروتينات مع جزيئات كبيرة أخرى لتكوين شبكة تضم معظم جزيئات المصفوفة خارج الخلوية.

الأنكورين، وهو بروتين ذو وزن 34 كيلو دالتون، يقع على سطح الخلايا الغضروفية وفي غشاء الخلية، ويتوسط التفاعلات بين الخلية والمصفوفة. ونظرًا لتقاربه العالي مع الكولاجين من النوع الثاني، يمكنه العمل كمستقبل ميكانيكي، ناقلًا إشارةً حول تغير الضغط على اللييف إلى الخلية الغضروفية.

الفيبرونيكتين هو أحد مكونات معظم الأنسجة الغضروفية، ويختلف اختلافًا طفيفًا عن الفيبرونيكتين البلازمي. يُعتقد أن الفيبرونيكتين يعزز تكامل المصفوفة من خلال تفاعله مع أغشية الخلايا ومكونات المصفوفة الأخرى، مثل الكولاجين من النوع الثاني والثرومبوسبوندين. لشظايا الفيبرونيكتين تأثير سلبي على أيض الخلايا الغضروفية، إذ إنها تثبط تخليق الأغريكان وتحفز عمليات الهدم. وقد وُجدت تركيزات عالية من شظايا الفيبرونيكتين في سائل مفصل مرضى الفصال العظمي، مما قد يُسهم في تطور المرض في مراحله المتأخرة. ومن المرجح أن يكون لشظايا جزيئات المصفوفة الأخرى التي ترتبط بمستقبلات الخلايا الغضروفية تأثيرات مماثلة.

بروتين المصفوفة قليل القسيمات للغضروف (OMPC)، وهو عضو في عائلة الثرومبوسبوندينات، هو خماسي الوحدات يتكون من خمس وحدات فرعية متطابقة، بوزن جزيئي يبلغ حوالي 83 كيلو دالتون. يوجد بكميات كبيرة في الغضروف المفصلي، وخاصةً في طبقة الخلايا المتكاثرة في الأنسجة النامية. لذلك، من المحتمل أن يكون لـ OMPC دور في تنظيم نمو الخلايا. يوجد بتركيزات أقل بكثير في المصفوفة خارج الخلوية للغضروف المفصلي الناضج. تشمل بروتينات المصفوفة أيضًا:

• قد يتوسط بروتين المصفوفة الأساسية (36 كيلو دالتون)، والذي يتمتع بتقارب كبير مع الخلايا الغضروفية، التفاعلات بين الخلايا في المصفوفة خارج الخلوية، مثل أثناء إعادة تشكيل الأنسجة؛
• يتم التعبير عن GP-39 (39 كيلو دالتون) في الطبقة السطحية من الغضروف المفصلي وفي الغشاء الزليلي (وظائفه غير معروفة)؛
• يتم تصنيع بروتين 21 كيلو دالتون بواسطة الخلايا الغضروفية المتضخمة، ويتفاعل مع الكولاجين من النوع X، ويمكنه العمل في منطقة "الخط المتموج".

بالإضافة إلى ذلك، من الواضح أن الخلايا الغضروفية تعبر عن أشكال غير سكرية من البروتيوجليكان الصغيرة غير المتجمعة في مراحل معينة من تطور الغضروف وفي ظل الظروف المرضية، ولكن وظيفتها المحددة قيد الدراسة حاليًا.

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

الخصائص الوظيفية للغضروف المفصلي

تُزوّد جزيئات الأجريكان الغضروف المفصلي بالقدرة على الخضوع لتشوّه عكسي. وتُظهر تفاعلات مُحددة داخل الحيز خارج الخلوي، وتلعب بلا شك دورًا هامًا في تنظيم وبنية ووظيفة المصفوفة خارج الخلوية. في أنسجة الغضروف، يصل تركيز جزيئات الأجريكان إلى 100 ملغ/مل. في الغضروف، تُضغط جزيئات الأجريكان إلى 20% من الحجم الذي تشغله في المحلول. تُعطي شبكة ثلاثية الأبعاد مُكوّنة من ألياف الكولاجين الأنسجة شكلها المُميز وتمنع زيادة حجم البروتيوغليكان. داخل شبكة الكولاجين، تحمل البروتيوغليكانات الثابتة شحنة كهربائية سالبة كبيرة (لأنها تحتوي على عدد كبير من المجموعات الأنيونية)، مما يسمح لها بالتفاعل مع المجموعات الكاتيونية المتحركة في السائل الخلالي. بتفاعلها مع الماء، تُوفر البروتيوغليكانات ما يُسمى بضغط التورم، والذي تُعاكسه شبكة الكولاجين.

يُعد وجود الماء في المصفوفة خارج الخلوية (ECM) بالغ الأهمية. يُحدد الماء حجم النسيج؛ فهو يرتبط بالبروتيوغليكان، مما يُوفر مقاومة للضغط. بالإضافة إلى ذلك، يُوفر الماء نقل الجزيئات وانتشارها في المصفوفة خارج الخلوية. تُؤدي الكثافة العالية للشحنة السالبة على البروتيوغليكانات الكبيرة المثبتة في النسيج إلى ما يُعرف بـ"تأثير الحجم المُستبعد". حجم مسام محلول البروتيوغليكانات المُركّز صغير جدًا، مما يُقلل بشدة من انتشار البروتينات الكروية الكبيرة في النسيج. تُصدّ المصفوفة خارج الخلوية البروتينات الصغيرة سالبة الشحنة (مثل أيونات الكلوريد) والبروتينات الكبيرة (مثل الألبومين والغلوبولينات المناعية). حجم الخلايا داخل الشبكة الكثيفة من لييفات الكولاجين والبروتيوغليكان يُضاهي فقط حجم بعض الجزيئات غير العضوية (مثل الصوديوم والبوتاسيوم، ولكن ليس الكالسيوم).

في المصفوفة خارج الخلوية (ECM)، يوجد بعض الماء في لييفات الكولاجين. يُحدد الفراغ خارج اللييف الخواص الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية الحيوية للغضروف. يعتمد محتوى الماء في الفراغ داخل اللييف على تركيز البروتيوغليكان فيه، ويزداد مع انخفاض تركيزه.

تُحدد الشحنة السالبة الثابتة على البروتيوغليكان التركيب الأيوني للوسط خارج الخلوي، والذي يحتوي على كاتيونات حرة بتركيز عالٍ وأنيونات حرة بتركيز منخفض. مع ازدياد تركيز جزيئات الأجريكان من المنطقة السطحية إلى المنطقة العميقة من الغضروف، تتغير البيئة الأيونية للأنسجة. يُؤدي تركيز الأيونات غير العضوية في المصفوفة خارج الخلوية إلى ارتفاع الضغط الاسموزي.

تعتمد خصائص مادة الغضروف على تفاعل لييفات الكولاجين والبروتيوغليكان والطور السائل للنسيج. تؤثر التغيرات البنيوية والتركيبية المرتبطة بالتباين بين عمليات التخليق والهدم، وتحلل الجزيئات الكبيرة، والصدمات الفيزيائية بشكل كبير على خصائص مادة الغضروف وتغير وظيفته. ونظرًا لتغير تركيز وتوزيع وتنظيم الجزيئات الكبيرة للكولاجين والبروتيوغليكان تبعًا لعمق منطقة الغضروف، فإن الخصائص الميكانيكية الحيوية لكل منطقة تختلف. على سبيل المثال، تتميز المنطقة السطحية بتركيزها العالي من الكولاجين، وأليافها المتماسية، وتركيزها المنخفض نسبيًا من البروتيوغليكان، بخصائص مقاومة التمدد الأكثر وضوحًا، حيث توزع الحمل بالتساوي على كامل سطح النسيج. أما في المناطق الانتقالية والعميقة، فإن التركيز العالي للبروتيوغليكان يمنح النسيج خاصية تحمل الحمل الانضغاطي. على مستوى "الخط المتموج"، تتغير خصائص مادة الغضروف بشكل حاد من منطقة مرنة غير متكلسة إلى غضروف معدني أكثر صلابة. في منطقة "الخط المتموج"، تُوفر شبكة الكولاجين قوة الأنسجة. لا تتقاطع أجزاء الغضروف الأساسية مع ألياف الكولاجين؛ أما في منطقة الوصل العظمي الغضروفي، فتُوفر قوة الأنسجة من خلال الخطوط المميزة للحدود بين منطقتي الغضروف غير المتكلسة والمتكلسة، على شكل نتوءات غير منتظمة تشبه الأصابع، مما يُغلق الطبقتين ويمنع انفصالهما. الغضروف المتكلس أقل كثافة من العظم تحت الغضروفي، وبالتالي يعمل كطبقة وسيطة تُخفف الضغط على الغضروف وتنقله إلى العظم تحت الغضروفي.

أثناء التحميل، يحدث توزيع معقد لثلاث قوى: التمدد، والقص، والضغط. يتشوه المصفوفة المفصلية نتيجة طرد الماء (وكذلك نواتج أيض الخلايا) من منطقة التحميل، ويزداد تركيز الأيونات في السائل الخلالي. تعتمد حركة الماء بشكل مباشر على مدة وقوة التحميل المطبق، وتتأخر بسبب الشحنة السالبة للبروتيوغليكان. أثناء تشوه الأنسجة، تضغط البروتيوغليكانات بقوة أكبر على بعضها البعض، مما يزيد من كثافة الشحنة السالبة بشكل فعال، وتزيد القوى بين الجزيئات التي تطرد الشحنة السالبة بدورها من مقاومة الأنسجة لمزيد من التشوه. في النهاية، يصل التشوه إلى حالة توازن تتوازن فيها قوى التحميل الخارجية مع قوى المقاومة الداخلية - ضغط التورم (تفاعل البروتيوغليكان مع الأيونات) والإجهاد الميكانيكي (تفاعل البروتيوغليكان والكولاجين). عند إزالة الحمل، يستعيد نسيج الغضروف شكله الأصلي عن طريق امتصاص الماء مع العناصر الغذائية. يتم الوصول إلى الشكل الأولي (التحميل المسبق) للأنسجة عندما يتم موازنة ضغط تورم البروتيوجليكان بمقاومة شبكة الكولاجين لانتشارها.

تعتمد الخصائص البيوميكانيكية للغضروف المفصلي على السلامة الهيكلية للأنسجة - تركيبة الكولاجين-البروتيوغليكان في الحالة الصلبة، والماء والأيونات المذابة في الحالة السائلة. يبلغ الضغط الهيدروستاتيكي للغضروف المفصلي، عند تفريغه من الضغط، حوالي 1-2 ضغط جوي. يمكن أن يزداد هذا الضغط الهيدروستاتيكي داخل الجسم الحي إلى 100-200 ضغط جوي لكل ملي ثانية أثناء الوقوف، وإلى 40-50 ضغط جوي أثناء المشي. أظهرت الدراسات المختبرية أن الضغط الهيدروستاتيكي الذي يتراوح بين 50 و150 ضغط جوي (فسيولوجي) يؤدي إلى زيادة معتدلة في بناء الغضروف خلال فترة زمنية قصيرة، ويؤدي على مدار ساعتين إلى فقدان سائل الغضروف، ولكنه لا يسبب أي تغيرات أخرى. لا يزال السؤال حول سرعة استجابة الخلايا الغضروفية داخل الجسم الحي لهذا النوع من الضغط دون إجابة.

يؤدي الانخفاض المستحث في الترطيب مع الزيادة اللاحقة في تركيز البروتيوغليكان إلى جذب الأيونات المشحونة إيجابيا مثل H ⁺ و Na ⁺. يؤدي هذا إلى تغيير في التركيب الأيوني الكلي ودرجة الحموضة للمصفوفة خارج الخلوية والخلايا الغضروفية. يؤدي التمرين طويل الأمد إلى انخفاض في درجة الحموضة، وفي الوقت نفسه، انخفاض في تخليق البروتيوغليكان بواسطة الخلايا الغضروفية. من الممكن أن يكون تأثير البيئة الأيونية خارج الخلية على العمليات التركيبية مرتبطًا جزئيًا أيضًا بتأثيرها على تركيبة المصفوفة خارج الخلوية. تنضج جزيئات الأجريكان المصنعة حديثًا إلى أشكال مجمعة في وقت لاحق في بيئة حمضية ضعيفة مقارنة بالظروف العادية. من المرجح أن يسمح انخفاض درجة الحموضة حول الخلايا الغضروفية (على سبيل المثال، أثناء التمرين) لمزيد من جزيئات الأجريكان المصنعة حديثًا بالوصول إلى المصفوفة بين الأقاليم.

عند إزالة الحمل، يعود الماء من التجويف الزليلي حاملاً العناصر الغذائية للخلايا. في الغضروف المصاب بهشاشة العظام، ينخفض تركيز البروتيوغليكان، لذلك، أثناء الحمل، لا ينتقل الماء عمودياً إلى التجويف الزليلي فحسب، بل أيضاً في اتجاهات أخرى، مما يقلل من تغذية الخلايا الغضروفية.

يؤدي التثبيت أو التحميل الخفيف إلى انخفاض ملحوظ في تخليق الغضروف ومحتوى البروتيوغليكان، بينما يؤدي التحميل الديناميكي المتزايد إلى زيادة معتدلة في تخليق البروتيوغليكان ومحتواه. تسبب التمرين الشاق (20 كم / يوم لمدة 15 أسبوعًا) في الكلاب في حدوث تغييرات في محتوى البروتيوغليكان، وخاصة انخفاض حاد في تركيزه في المنطقة السطحية. حدث بعض تليين الغضروف القابل للعكس وإعادة تشكيل العظام تحت الغضروف. ومع ذلك، تسبب التحميل الساكن الشديد في تلف الغضروف والتنكس اللاحق. بالإضافة إلى ذلك، فإن فقدان أجريكان ECM يبدأ التغيرات غير الطبيعية المميزة لهشاشة العظام. يؤدي فقدان أجريكان إلى انجذاب الماء وتورم الكمية الصغيرة المتبقية من البروتيوغليكان. يساهم هذا الذوبان للأجريكان في انخفاض كثافة الشحنة الثابتة المحلية ويؤدي في النهاية إلى تغيير في الأسمولية.