Artrose: hoe is het gewrichtskraakbeen georganiseerd?

Normaal gewrichtskraakbeen vervult twee hoofdfuncties: het absorberen van druk door vervorming tijdens mechanische belasting en het zorgen voor gladheid van de gewrichtsoppervlakken, waardoor wrijving tijdens gewrichtsbewegingen tot een minimum wordt beperkt. Dit wordt gewaarborgd door de unieke structuur van gewrichtskraakbeen, die bestaat uit chondroïtinen die in de extracellulaire matrix (ECM) zijn ondergedompeld.

Normaal gewrichtskraakbeen bij volwassenen kan worden onderverdeeld in verschillende lagen of zones: de oppervlakkige of tangentiële zone, de overgangszone, de diepe of radiale zone en de verkalkte zone. De laag tussen de oppervlakkige en de overgangszone, en met name tussen de overgangszone en de diepe zone, heeft geen duidelijke grenzen. De verbinding tussen het niet-verkalkte en verkalkte gewrichtskraakbeen wordt de "golvende rand" genoemd - een lijn die zichtbaar is bij het kleuren van ontkalkt weefsel. De verkalkte kraakbeenzone vormt een relatief constant deel (6-8%) van de totale dwarsdoorsnede van het kraakbeen. De totale dikte van het gewrichtskraakbeen, inclusief de verkalkte kraakbeenzone, varieert afhankelijk van de belasting van een bepaald gebied van het gewrichtsoppervlak en van het type gewricht. Intermitterende hydrostatische druk in het subchondrale bot speelt een belangrijke rol bij het behoud van de normale structuur van het kraakbeen door de ossificatie te vertragen.

Chondrocyten vormen ongeveer 2-3% van de totale weefselmassa; in de oppervlakkige (tangentiële) zone bevinden ze zich langs het kraakbeenoppervlak, en in de diepe (radiale) zone loodrecht daarop; in de overgangszone vormen chondrocyten groepen van 2-4 cellen verspreid over de matrix. Afhankelijk van de zone van het gewrichtskraakbeen varieert de dichtheid van chondrocyten: de hoogste celdichtheid bevindt zich in de oppervlakkige zone, de laagste in de verkalkte zone. Bovendien varieert de celdichtheid van gewricht tot gewricht; deze is omgekeerd evenredig met de dikte van het kraakbeen en de belasting van het betreffende gebied.

De meest oppervlakkig gelegen chondrocyten zijn schijfvormig en vormen verschillende cellagen in de tangentiële zone, die zich onder een smalle matrixstrook bevindt; de dieper gelegen cellen in deze zone hebben de neiging onregelmatiger contouren te hebben. In de overgangszone zijn chondrocyten bolvormig, soms verenigen ze zich in kleine groepjes verspreid over de matrix. Chondrocyten in de diepe zone zijn overwegend ellipsoïde van vorm, gegroepeerd in radiaal gelegen ketens van 2-6 cellen. In de verkalkte zone zijn ze nog schaarser verspreid; sommige zijn necrotisch, hoewel de meeste levensvatbaar zijn. De cellen worden omgeven door niet-verkalkte matrix; de intercellulaire ruimte is verkalkt.

Menselijk gewrichtskraakbeen bestaat dus uit gehydrateerd ECM en cellen die erin zijn ondergedompeld. Deze cellen vormen 2-3% van het totale weefselvolume. Omdat kraakbeenweefsel geen bloed- of lymfevaten bevat, vinden de interactie tussen cellen, de aanvoer van voedingsstoffen en de afvoer van metabole producten plaats door diffusie door het ECM. Ondanks het feit dat chondrocyten een zeer actieve stofwisseling hebben, delen ze zich normaal gesproken niet bij volwassenen. Chondrocyten leven in een zuurstofvrije omgeving en hun metabolisme wordt verondersteld overwegend anaëroob te zijn.

Elke chondrocyt wordt beschouwd als een aparte metabolische eenheid van kraakbeen, geïsoleerd van naburige cellen, maar verantwoordelijk voor de productie van ECM-elementen in de directe omgeving van de gedoneerde cel en voor het behoud van de samenstelling ervan.

De ECM is verdeeld in drie secties, elk met een unieke morfologische structuur en een specifieke biochemische samenstelling. De ECM direct grenzend aan het basaalmembraan van de chondrocyten wordt de pericellulaire of lacunaire matrix genoemd. Deze matrix wordt gekenmerkt door een hoog gehalte aan proteoglycaanaggregaten die aan de cel gebonden zijn door de interactie van hyaluronzuur met CD44-achtige receptoren, en een relatieve afwezigheid van georganiseerde collageenfibrillen. Direct grenzend aan de pericellulaire matrix bevindt zich de territoriale of capsulaire matrix, die bestaat uit een netwerk van kruisende fibrillaire collagenen die individuele cellen of (soms) groepen cellen inkapselen, een chondron vormen en waarschijnlijk gespecialiseerde mechanische ondersteuning bieden aan de cellen. Contact van chondrocyten met de capsulaire matrix wordt bereikt via talrijke cytoplasmatische processen rijk aan microfilamenten, evenals via specifieke matrixmoleculen zoals ancorine en CD44-achtige receptoren. Het grootste en verst verwijderde deel van de ECM van het basaalmembraan van de chondrocyten is de interterritoriale matrix. Deze matrix bevat de meeste collageenfibrillen en proteoglycanen.

De verdeling van het ECM in compartimenten is duidelijker gedefinieerd in volwassen gewrichtskraakbeen dan in onvolgroeid gewrichtskraakbeen. De relatieve grootte van elk compartiment varieert niet alleen tussen gewrichten, maar zelfs binnen hetzelfde kraakbeen. Elke chondrocyt produceert een matrix die hem omgeeft. Volgens onderzoek oefenen chondrocyten van volgroeid kraakbeenweefsel een actieve metabole controle uit over hun pericellulaire en territoriale matrix, en minder actieve controle over de interterritoriale matrix, die metabolisch "inert" kan zijn.

Zoals eerder vermeld, bestaat gewrichtskraakbeen voornamelijk uit uitgebreide ECM, gesynthetiseerd en gereguleerd door chondrocyten. Weefselmacromoleculen en hun concentraties veranderen gedurende het leven in overeenstemming met veranderende functionele behoeften. Het blijft echter onduidelijk of cellen de gehele matrix gelijktijdig synthetiseren of in bepaalde fasen in overeenstemming met fysiologische behoeften. De concentratie van macromoleculen, de metabole balans daartussen, hun relaties en interacties bepalen de biochemische eigenschappen en daarmee de functie van gewrichtskraakbeen binnen één gewricht. De belangrijkste component van de ECM van volwassen gewrichtskraakbeen is water (65-70% van de totale massa), dat er stevig in gebonden is dankzij de speciale fysische eigenschappen van kraakbeenmacromoleculen die deel uitmaken van collageen, proteoglycanen en niet-collageenglycoproteïnen.

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

Biochemische samenstelling van kraakbeen

Collageenvezels bestaan uit moleculen van het fibrillaire eiwit collageen. Bij zoogdieren is collageen goed voor een kwart van alle eiwitten in het lichaam. Collageen vormt fibrillaire elementen (collageenfibrillen) die bestaan uit structurele subeenheden die tropocollageen worden genoemd. Het tropocollageenmolecuul heeft drie ketens die een drievoudige helix vormen. Deze structuur van het tropocollageenmolecuul, evenals de structuur van de collageenvezel, wanneer deze moleculen parallel in de lengterichting liggen met een constante verschuiving van ongeveer 1/4 van de lengte, zorgen voor een hoge elasticiteit en sterkte aan de weefsels waarin ze zich bevinden. Momenteel zijn er 10 genetisch verschillende typen collageen bekend, die verschillen in de chemische structuur van de α-ketens en/of hun set in het molecuul. De best bestudeerde eerste vier typen collageen zijn in staat om tot 10 moleculaire isovormen te vormen.

Collageenfibrillen maken deel uit van de extracellulaire ruimte van de meeste bindweefsels, waaronder kraakbeen. Binnen het onoplosbare driedimensionale netwerk van kruisende collageenfibrillen bevinden zich andere, beter oplosbare componenten zoals proteoglycanen, glycoproteïnen en weefselspecifieke eiwitten; deze zijn soms covalent gebonden aan de collageenelementen.

Collageenmoleculen, georganiseerd in fibrillen, vormen ongeveer 50% van het organische droge residu van kraakbeen (10-20% van natuurlijk kraakbeen). In volwassen kraakbeen is ongeveer 90% van het collageen type II collageen, dat alleen in sommige weefsels voorkomt (bijv. glasvocht, embryonaal ruggenmerg). Type II collageen behoort tot klasse I (fibrilvormende) collageenmoleculen. Daarnaast bevat volwassen menselijk gewrichtskraakbeen ook collageen van type IX, XI en een kleine hoeveelheid van type VI. De relatieve hoeveelheid type IX collageenvezels in collageenfibrillen neemt af van 15% in foetaal kraakbeen tot ongeveer 1% in volwassen runderkraakbeen.

Collageenmoleculen van type I bestaan uit drie identieke polypeptide a,(II)-ketens die gesynthetiseerd en afgescheiden worden als precursor procollageen. Zodra de voltooide collageenmoleculen vrijkomen in de extracellulaire ruimte, vormen ze fibrillen. In volgroeid gewrichtskraakbeen vormt collageen van type II fibrillaire arcaden, waarbij de "dikkere" moleculen zich in de diepere lagen van het weefsel bevinden en de "dunnere" moleculen horizontaal in de oppervlakkige lagen.

In het gen voor procollageen type II is een exon gevonden dat codeert voor een cysteïnerijk N-terminaal propeptide. Dit exon komt niet tot expressie in volwassen kraakbeen, maar in de vroege stadia van ontwikkeling (prechondrogenese). Door de aanwezigheid van dit exon is het procollageen type II-molecuul (type II A) langer dan collageen type II. Waarschijnlijk remt de expressie van dit type procollageen de accumulatie van elementen in de ECM van het gewrichtskraakbeen. Het zou een rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van kraakbeenpathologie (bijv. inadequate herstelreactie, osteofytvorming, enz.).

Het netwerk van type II collageenfibrillen vervult de functie van rekweerstand en is noodzakelijk voor het behoud van volume en vorm van het weefsel. Deze functie wordt versterkt door covalente verbindingen en dwarsverbindingen tussen collageenmoleculen. In het ECM vormt het enzym lysyloxidase een aldehyde uit hydroxylysine, dat vervolgens wordt omgezet in het multivalente aminozuur hydroxylysylpyridinoline, dat dwarsverbindingen tussen de ketens vormt. Enerzijds neemt de concentratie van dit aminozuur toe met de leeftijd, maar in volwassen kraakbeen blijft deze vrijwel onveranderd. Anderzijds wordt in gewrichtskraakbeen met de leeftijd een toename waargenomen van de concentratie van verschillende soorten dwarsverbindingen die zonder de deelname van enzymen zijn gevormd.

Ongeveer 10% van de totale hoeveelheid collageen in kraakbeenweefsel bestaat uit de zogenaamde minor collagenen, die grotendeels de unieke functie van dit weefsel bepalen. Collageen type IX behoort tot klasse III korte-helixmoleculen en tot een unieke groep FACIT-collagenen (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices). Het bestaat uit drie genetisch verschillende ketens. Eén daarvan, de _a2- keten, is gelijktijdig geglycosyleerd met chondroïtinesulfaat, waardoor dit molecuul een proteoglycaan is. Tussen de helixsegmenten van collageen type IX en collageen type II bevinden zich zowel mature als immature hydroxypyridine-crosslinks. Collageen IX kan ook functioneren als een intermoleculaire-interfibrillaire "connector" (of brug) tussen aangrenzende collageenfibrillen. Collageen IX-moleculen vormen crosslinks met elkaar, wat de mechanische stabiliteit van het fibrillaire driedimensionale netwerk verhoogt en het beschermt tegen de effecten van enzymen. Ze bieden ook weerstand tegen vervorming, waardoor de zwelling van proteoglycanen in het netwerk wordt beperkt. Naast de anionische CS-keten bevat het collageen IX-molecuul een kationisch domein, dat de fibril een hoge lading geeft en de neiging heeft om te interageren met andere matrixmacromoleculen.

Collageen type XI maakt slechts 2-3% uit van de totale collageenmassa. Het behoort tot klasse I (fibrilvormende) collagenen en bestaat uit drie verschillende α-ketens. Samen met collageen type II en IX vormt collageen type XI heterotypische fibrillen van gewrichtskraakbeen. Moleculen van collageen type XI zijn gedetecteerd in collageen fibrillen van type II met behulp van immuno-elektromicroscopie. Ze organiseren waarschijnlijk collageen type II moleculen, controleren de laterale groei van fibrillen en bepalen de diameter van de heterotypische collageenfibril. Bovendien is collageen XI betrokken bij de vorming van crosslinks, maar zelfs in volwassen kraakbeen blijven de crosslinks in de vorm van onvolwassen divalente ketoamines.

Kleine hoeveelheden collageen type VI, een ander lid van de klasse III korte-helixmoleculen, worden aangetroffen in gewrichtskraakbeen. Collageen type VI vormt verschillende microfibrillen en is waarschijnlijk geconcentreerd in de capsulaire matrix van de chondron.

Proteoglycanen zijn eiwitten waaraan ten minste één glycosaminoglycaanketen covalent gebonden is. Proteoglycanen behoren tot de meest complexe biologische macromoleculen. Proteoglycanen komen het meest voor in de ECM van kraakbeen. "Verstrengeld" in een netwerk van collageenfibrillen vervullen hydrofiele proteoglycanen hun belangrijkste functie: ze geven kraakbeen het vermogen om reversibel te vervormen. Aangenomen wordt dat proteoglycanen ook een aantal andere functies vervullen, waarvan de essentie niet helemaal duidelijk is.

Aggrecan is de belangrijkste proteoglycaan van gewrichtskraakbeen en vormt ongeveer 90% van de totale proteoglycaanmassa in het weefsel. Het 230 kD grote kernproteïne wordt geglycosyleerd door meerdere covalent gebonden glycosaminoglycaanketens en N-terminale en C-terminale oligosachariden.

De glycosaminoglycaanketens van gewrichtskraakbeen, die ongeveer 90% van de totale massa van macromoleculen vormen, zijn keratansulfaat (een sequentie van het gesulfateerde disacharide N-acetylglucosaminolactose met meerdere gesulfateerde plaatsen en andere monosacharideresiduen zoals siaalzuur) en chondroïtinesulfaat (een sequentie van het disacharide N-acetylgalactosamineglucuronzuur met een sulfaatester gebonden aan elk vierde of zesde koolstofatoom van N-acetylgalactosamine).

Het kerneiwit van aggrecan bevat drie globulaire (G1, G2, G3) en twee interglobulaire (E1 en E2) domeinen. Het N-terminale gebied bevat de G1- en G2-domeinen, gescheiden door het E1-segment, dat 21 nm lang is. Het C3-domein, gelegen in het C-terminale gebied, wordt van G2 gescheiden _door een langer (ongeveer 260 nm) E2-segment, dat meer dan 100 ketens chondroïtinesulfaten, ongeveer 15-25 ketens keratinesulfaten en O-gebonden oligosachariden bevat. N-gebonden oligosachariden worden voornamelijk aangetroffen in de G1- en C2-domeinen en het E1-segment, evenals in de buurt van de G3- _regio. Glycosaminoglycanen zijn gegroepeerd in twee regio's: de langste (de zogenaamde chondroïtinesulfaatrijke regio) bevat chondroïtinesulfaatketens en ongeveer 50% keratansulfaatketens. De keratansulfaatrijke regio bevindt zich op het E2- _segment, vlakbij het G1-domein, en gaat vooraf aan de chondroïtinesulfaatrijke regio. Aggrecanmoleculen bevatten ook fosfaatesters, voornamelijk op de xyloseresiduen die de chondroïtinesulfaatketens aan het kerneiwit binden; ze worden ook aangetroffen op serineresiduen van het kerneiwit.

Het C-terminale segment van het C3- _domein is sterk homogeen met lectine, waardoor proteoglycaanmoleculen zich in de ECM kunnen vastzetten door zich te binden aan bepaalde koolhydraatstructuren.

Recente studies hebben een exon geïdentificeerd dat codeert voor een EGF-achtig subdomein binnen G3 _. Met behulp van polyklonale anti-EGF-antilichamen werd het EGF-achtige epitoop gelokaliseerd in een 68-kD peptide in aggrecan van humaan gewrichtskraakbeen. De functie ervan moet echter nog worden opgehelderd. Dit subdomein wordt ook aangetroffen in adhesiemoleculen die de migratie van lymfocyten controleren. Slechts ongeveer een derde van de aggrecanmoleculen die uit volwassen humaan gewrichtskraakbeen zijn geïsoleerd, bevat een intact C3- _domein; dit komt waarschijnlijk doordat aggrecanmoleculen enzymatisch in de ECM kunnen worden verkleind. Het lot en de functie van de gekloofde fragmenten zijn onbekend.

Het belangrijkste functionele segment van het aggrecanmolecuul is het glycosaminoglycaandragende E2- _segment. Dit gebied, rijk aan keratansulfaten, bevat de aminozuren proline, serine en threonine. De meeste serine- en threonineresiduen zijn O-geglycosyleerd met N-acetylgalactosamineresiduen; zij initiëren de synthese van bepaalde oligosachariden die in de keratansulfaatketens worden opgenomen, waardoor deze langer worden. De rest van het E2- _segment bevat meer dan 100 serine-glycinesequenties waarin serine zorgt voor binding aan xylosylresiduen aan het begin van de chondroïtinesulfaatketens. Doorgaans bestaan chondroïtine-6-sulfaat en chondroïtine-4-sulfaat gelijktijdig in hetzelfde proteoglycaanmolecuul, waarbij hun verhouding varieert afhankelijk van de lokalisatie van het kraakbeenweefsel en de leeftijd van de persoon.

De structuur van aggrecanmoleculen in de matrix van het menselijke gewrichtskraakbeen ondergaat een aantal veranderingen tijdens rijping en veroudering. Verouderingsgerelateerde veranderingen omvatten een afname van de hydrodynamische grootte als gevolg van een verandering in de gemiddelde lengte van chondroïtinesulfaatketens, en een toename van het aantal en de lengte van keratansulfaatketens. Een aantal veranderingen in het aggrecanmolecuul wordt ook veroorzaakt door de werking van proteolytische enzymen (bijv. aggrecanase en stromelesine) op het kerneiwit. Dit resulteert in een progressieve afname van de gemiddelde lengte van het kerneiwit van het aggrecanmolecuul.

Aggrecanmoleculen worden gesynthetiseerd door chondrocyten en uitgescheiden in de ECM, waar ze aggregaten vormen die worden gestabiliseerd door linker-eiwitmoleculen. Deze aggregatie omvat zeer specifieke niet-covalente en coöperatieve interacties tussen een glucuronzuurstreng en bijna 200 aggrecan- en linker-eiwitmoleculen. Glucuronzuur is een extracellulaire, niet-gesulfateerde, hoogmoleculaire lineaire glycosaminoglycaan, bestaande uit meerdere sequentieel gekoppelde N-acetylglucosamine- en glucuronzuurmoleculen. De gepaarde lussen van het G1-domein van aggrecan interageren reversibel met vijf sequentieel gelokaliseerde hyaluronzuurdisachariden. Het linker-eiwit, dat vergelijkbare (zeer homologe) gepaarde lussen bevat, interageert met het C1-domein en het hyaluronzuurmolecuul en stabiliseert de aggregaatstructuur. Het complex van C1-domein - hyaluronzuur - bindend eiwit vormt een zeer stabiele interactie die het G1-domein en het bindend eiwit beschermt tegen de werking van proteolytische enzymen. Er zijn twee moleculen van het bindend eiwit met een molecuulgewicht van 40-50 kDa geïdentificeerd; ze verschillen van elkaar in de mate van glycosylering. Slechts één molecuul van het bindend eiwit is aanwezig op de plaats van de hyaluronzuur-aggrecanbinding. Het derde, kleinere molecuul van het bindend eiwit wordt gevormd uit grotere moleculen door proteolytische splitsing.

Ongeveer 200 aggrecanmoleculen kunnen zich aan één molecuul hyaluronzuur binden en zo een aggregaat van 8 μm lang vormen. In de celgebonden matrix, bestaande uit pericellulaire en territoriale compartimenten, behouden de aggregaten hun binding met de cellen door zich (via een hyaluronzuurdraad) te binden aan CD44-achtige receptoren op het celmembraan.

De vorming van aggregaten in de ECM is een complex proces. Nieuw gesynthetiseerde aggrecanmoleculen vertonen niet direct het vermogen om zich te binden aan hyaluronzuur. Dit kan dienen als een regulerend mechanisme waardoor nieuw gesynthetiseerde moleculen de interterritoriale zone van de matrix kunnen bereiken voordat ze worden geïmmobiliseerd tot grote aggregaten. Het aantal nieuw gesynthetiseerde aggrecanmoleculen en bindende eiwitten die aggregaten kunnen vormen door interactie met hyaluronzuur, neemt significant af met de leeftijd. Bovendien neemt de grootte van aggregaten die uit menselijk gewrichtskraakbeen worden geïsoleerd significant af met de leeftijd. Dit komt deels door een afname van de gemiddelde lengte van hyaluronzuurmoleculen en aggrecanmoleculen.

Er zijn twee soorten aggregaten vastgesteld in gewrichtskraakbeen. De gemiddelde grootte van het eerste type aggregaten is 60 s, terwijl die van het tweede type (snel neerslaande "superaggregaten") 120 s bedraagt. Dit laatste type kenmerkt zich door een overvloed aan moleculen van het bindende eiwit. De aanwezigheid van deze superaggregaten kan een belangrijke rol spelen in de werking van het weefsel; tijdens weefselherstel na immobilisatie van een ledemaat worden hogere concentraties ervan aangetroffen in de middelste lagen van het gewrichtskraakbeen, terwijl in een gewricht dat is aangetast door artrose, hun grootte in de vroege stadia van de ziekte aanzienlijk afneemt.

Naast aggrecan bevat gewrichtskraakbeen een aantal kleinere proteoglycanen. Biglycan en decorine, moleculen die dermatansulfaten dragen, hebben een molecuulgewicht van respectievelijk ongeveer 100 en 70 kDa; de massa van hun kernproteïne is ongeveer 30 kDa.

In menselijk gewrichtskraakbeen bevat het biglycanmolecuul twee ketens dermatansulfaat, terwijl het meer voorkomende decorine er slechts één bevat. Deze moleculen vormen slechts een klein deel van de proteoglycanen in gewrichtskraakbeen, hoewel ze net zo talrijk kunnen zijn als grote geaggregeerde proteoglycanen. Kleine proteoglycanen interageren met andere macromoleculen in het ECM, waaronder collageenfibrillen, fibronectine, groeifactoren, enz. Decorine is voornamelijk gelokaliseerd op het oppervlak van collageenfibrillen en remt de collageenfibrillogenese. Het kerneiwit wordt stevig vastgehouden door het celbindende domein van fibronectine, waardoor deze waarschijnlijk niet kan binden aan celoppervlakreceptoren (integrinen). Omdat zowel decorine als biglycan zich binden aan fibronectine en celadhesie en -migratie, evenals trombusvorming, remmen, zijn ze in staat weefselherstelprocessen te remmen.

Fibromoduline van gewrichtskraakbeen is een proteoglycaan met een moleculair gewicht van 50-65 kD, geassocieerd met collageenfibrillen. Het kerneiwit, homoloog aan de kerneiwitten decorine en biglycan, bevat een groot aantal tyrosinesulfaatresiduen. Deze geglycosyleerde vorm van fibromoduline (voorheen het 59 kD matrixeiwit genoemd) kan bijdragen aan de regulatie van de vorming en het behoud van de structuur van collageenfibrillen. Fibromoduline en decorine bevinden zich op het oppervlak van collageenfibrillen. Zoals eerder aangegeven, moet een toename van de fibrildiameter daarom worden voorafgegaan door selectieve verwijdering van deze proteoglycanen (en ook van type IX collageenmoleculen).

Gewrichtskraakbeen bevat een aantal eiwitten in de ECM die noch proteoglycanen noch collageen zijn. Ze interageren met andere macromoleculen en vormen zo een netwerk dat de meeste ECM-moleculen omvat.

Ancorine, een 34 kD-eiwit, is gelokaliseerd op het oppervlak van chondrocyten en in het celmembraan en bemiddelt interacties tussen de cel en de matrix. Door zijn hoge affiniteit voor type II collageen kan het fungeren als een mechanoreceptor en een signaal over een veranderde druk op de fibril doorgeven aan de chondrocyt.

Fibronectine is een bestanddeel van de meeste kraakbeenweefsels en verschilt enigszins van plasma-fibronectine. Men denkt dat fibronectine de matrixintegratie bevordert door interactie met celmembranen en andere matrixcomponenten, zoals collageen type II en trombospondine. Fibronectinefragmenten hebben een negatief effect op het metabolisme van chondrocyten: ze remmen de aggrecansynthese en stimuleren katabole processen. Hoge concentraties fibronectinefragmenten zijn aangetroffen in de gewrichtsvloeistof van patiënten met artrose, waardoor ze mogelijk in een laat stadium bijdragen aan de pathogenese van de ziekte. Fragmenten van andere matrixmoleculen die zich binden aan chondrocytreceptoren hebben waarschijnlijk vergelijkbare effecten.

Oligomeer matrixeiwit van kraakbeen (OMPC), een lid van de trombospondinesuperfamilie, is een pentameer met vijf identieke subeenheden en een molecuulgewicht van ongeveer 83 kDa. Ze worden in grote hoeveelheden aangetroffen in gewrichtskraakbeen, met name in de laag van prolifererende cellen in groeiend weefsel. Daarom is het mogelijk dat OMPC betrokken is bij de regulatie van celgroei. Ze worden in veel lagere concentraties aangetroffen in de ECM van volwassen gewrichtskraakbeen. Matrixeiwitten omvatten ook:

• basismatrixproteïne (36 kDa), dat een hoge affiniteit heeft voor chondrocyten, kan cel-celinteracties in de ECM bemiddelen, zoals tijdens weefselremodellering;
• GP-39 (39 kDa) wordt tot expressie gebracht in de oppervlakkige laag van het gewrichtskraakbeen en in het synoviaalmembraan (de functies ervan zijn onbekend);
• Het 21 kD-eiwit wordt gesynthetiseerd door gehypertrofieerde chondrocyten, interageert met collageen type X en kan functioneren in de ‘golvende lijn’-zone.

Bovendien is het duidelijk dat chondrocyten niet-geglycosyleerde vormen van kleine, niet-geaggregeerde proteoglycanen tot expressie brengen in bepaalde stadia van de kraakbeenontwikkeling en onder pathologische omstandigheden. Hun specifieke functie wordt echter momenteel nog onderzocht.

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

Functionele eigenschappen van gewrichtskraakbeen

Aggrecanmoleculen geven gewrichtskraakbeen de mogelijkheid om reversibele vervorming te ondergaan. Ze vertonen specifieke interacties binnen de extracellulaire ruimte en spelen ongetwijfeld een belangrijke rol in de organisatie, structuur en functie van de ECM. In kraakbeenweefsel bereiken aggrecanmoleculen een concentratie van 100 mg/ml. In kraakbeen worden aggrecanmoleculen samengeperst tot 20% van het volume dat ze in oplossing innemen. Een driedimensionaal netwerk gevormd door collageenfibrillen geeft het weefsel zijn karakteristieke vorm en voorkomt een toename van het volume van proteoglycanen. Binnen het collageennetwerk dragen immobiele proteoglycanen een grote negatieve elektrische lading (ze bevatten een groot aantal anionische groepen), waardoor ze kunnen interageren met mobiele kationische groepen in de interstitiële vloeistof. Door interactie met water zorgen proteoglycanen voor de zogenaamde zwellingsdruk, die wordt tegengegaan door het collageennetwerk.

De aanwezigheid van water in de ECM is erg belangrijk. Water bepaalt het volume van het weefsel; gebonden aan proteoglycanen biedt het weerstand tegen compressie. Daarnaast zorgt water voor transport van moleculen en diffusie in de ECM. De hoge dichtheid van negatieve lading op grote proteoglycanen die in het weefsel gefixeerd zijn, creëert het "uitgesloten volume-effect". De poriegrootte van de intrageconcentreerde oplossing van proteoglycanen is zo klein dat de diffusie van grote bolvormige eiwitten in het weefsel sterk beperkt is. De ECM stoot kleine negatief geladen eiwitten (bijv. chloride-ionen) en grote eiwitten (zoals albumine en immunoglobulinen) af. De grootte van de cellen binnen het dichte netwerk van collageenfibrillen en proteoglycanen is alleen vergelijkbaar met de grootte van sommige anorganische moleculen (bijv. natrium en kalium, maar niet calcium).

In de ECM is er een kleine hoeveelheid water aanwezig in collageenfibrillen. De extrafibrillaire ruimte bepaalt de fysicochemische en biomechanische eigenschappen van kraakbeen. Het watergehalte in de intrafibrillaire ruimte is afhankelijk van de concentratie proteoglycanen in de extrafibrillaire ruimte en neemt toe bij een afname van de concentratie van laatstgenoemde.

De vaste negatieve lading van proteoglycanen bepaalt de ionische samenstelling van het extracellulaire medium, dat vrije kationen in hoge concentraties en vrije anionen in lage concentraties bevat. Naarmate de concentratie aggrecaanmoleculen toeneemt van de oppervlakkige naar de diepe zone van het kraakbeen, verandert de ionische omgeving van het weefsel. De concentratie anorganische ionen in de ECM creëert een hoge osmotische druk.

De materiaaleigenschappen van kraakbeen zijn afhankelijk van de interactie tussen collageenfibrillen, proteoglycanen en de vloeibare fase van het weefsel. Structurele en compositionele veranderingen die samenhangen met de discrepantie tussen de processen van synthese en katabolisme, de afbraak van macromoleculen en fysiek trauma beïnvloeden de materiaaleigenschappen van kraakbeen aanzienlijk en veranderen de functie ervan. Omdat de concentratie, distributie en macromoleculaire organisatie van collageen en proteoglycanen variëren afhankelijk van de diepte van de kraakbeenzone, variëren de biomechanische eigenschappen van elke zone. Zo heeft de oppervlakkige zone met zijn hoge concentratie collageen, tangentieel gelegen fibrillen en relatief lage concentratie proteoglycanen de meest uitgesproken eigenschappen om rek te weerstaan, waardoor de belasting gelijkmatig over het gehele weefseloppervlak wordt verdeeld. In de overgangszone en de diepe zone geeft de hoge concentratie proteoglycanen het weefsel de eigenschap om drukbelasting te weerstaan. Op het niveau van de "golvende lijn" veranderen de materiaaleigenschappen van het kraakbeen sterk van de plooibare, niet-verkalkte zone naar het meer rigide, gemineraliseerde kraakbeen. In het gebied van de "golvende lijn" wordt de weefselsterkte geleverd door het collageennetwerk. De onderliggende kraakbeendelen worden niet doorkruist door collageenfibrillen; in het gebied van de osteochondrale verbinding wordt de weefselsterkte geleverd door de speciale contouren van de grens tussen de niet-verkalkte en verkalkte kraakbeenzones in de vorm van onregelmatige, vingervormige uitgroeisels, die de twee lagen "afsluiten" en hun scheiding voorkomen. Verkalkt kraakbeen heeft een lagere dichtheid dan het subchondrale bot en fungeert daardoor als een tussenlaag die de drukbelasting op het kraakbeen verzacht en overdraagt naar het subchondrale bot.

Tijdens belasting vindt een complexe verdeling van drie krachten plaats: rek, schuif en compressie. De gewrichtsmatrix vervormt door de uitdrijving van water (en celstofwisselingsproducten) uit de belastingszone, waardoor de concentratie ionen in de interstitiële vloeistof toeneemt. De waterbeweging is direct afhankelijk van de duur en kracht van de toegepaste belasting en wordt vertraagd door de negatieve lading van proteoglycanen. Tijdens weefselvervorming worden proteoglycanen strakker tegen elkaar gedrukt, waardoor de dichtheid van de negatieve lading effectief toeneemt. De intermoleculaire krachten die de negatieve lading afstoten, verhogen op hun beurt de weerstand van het weefsel tegen verdere vervorming. Uiteindelijk bereikt de vervorming een evenwicht waarin de externe belastingskrachten in evenwicht worden gehouden door interne weerstandskrachten: zwellingsdruk (interactie van proteoglycanen met ionen) en mechanische spanning (interactie van proteoglycanen en collageen). Wanneer de belasting wordt verwijderd, neemt het kraakbeenweefsel zijn oorspronkelijke vorm aan door water en voedingsstoffen op te nemen. De initiële (voorbelastings)vorm van het weefsel wordt bereikt wanneer de zwellingsdruk van de proteoglycanen in evenwicht wordt gebracht met de weerstand van het collageennetwerk tegen hun verspreiding.

De biomechanische eigenschappen van gewrichtskraakbeen zijn gebaseerd op de structurele integriteit van het weefsel - een collageen-proteoglycaansamenstelling als vaste fase en water en opgeloste ionen als vloeibare fase. Onbelast bedraagt de hydrostatische druk van gewrichtskraakbeen ongeveer 1-2 atm. Deze hydrostatische druk kan in vivo toenemen tot 100-200 atm per milliseconde tijdens het staan en tot 40-50 atm tijdens het lopen. In vitro-studies hebben aangetoond dat een hydrostatische druk van 50-150 atm (fysiologisch) leidt tot een matige toename van het kraakbeenanabolisme in een korte periode, en na 2 uur tot een verlies van kraakbeenvloeistof, maar veroorzaakt geen andere veranderingen. De vraag hoe snel chondrocyten in vivo reageren op dit type belasting blijft onbeantwoord.

De geïnduceerde afname in hydratatie met de daaropvolgende toename in proteoglycaanconcentratie leidt tot het aantrekken van positief geladen ionen zoals H ⁺ en Na ⁺. Dit leidt tot een verandering in de algehele ionische samenstelling en pH van de ECM en chondrocyten. Langdurige oefening induceert een verlaging van de pH en, tegelijkertijd, een afname van de proteoglycaansynthese door chondrocyten. Het is mogelijk dat de invloed van de extracellulaire ionische omgeving op syntheseprocessen ook gedeeltelijk verband houdt met de invloed ervan op de ECM-samenstelling. Nieuw gesynthetiseerde aggrecanmoleculen rijpen later tot geaggregeerde vormen in een zwak zure omgeving dan onder normale omstandigheden. Het is waarschijnlijk dat een verlaging van de pH rond chondrocyten (bijv. tijdens inspanning) ervoor zorgt dat meer nieuw gesynthetiseerde aggrecanmoleculen de interterritoriale matrix bereiken.

Wanneer de belasting wordt weggenomen, komt er water terug uit de synoviale holte, met voedingsstoffen voor de cellen. In kraakbeen dat door artrose is aangetast, is de concentratie proteoglycanen verminderd. Tijdens de belasting stroomt het water dus niet alleen verticaal de synoviale holte in, maar ook in andere richtingen, waardoor de voeding van de chondrocyten afneemt.

Immobilisatie of milde belasting resulteert in een duidelijke afname van de kraakbeensynthese en het proteoglycaangehalte, terwijl verhoogde dynamische belasting resulteert in een matige toename van de proteoglycaansynthese en het proteoglycaangehalte. Zware inspanning (20 km/dag gedurende 15 weken) bij honden veroorzaakte veranderingen in het proteoglycaangehalte, met name een scherpe daling van hun concentratie in de oppervlakkige zone. Er trad enige reversibele verweking van het kraakbeen en subchondrale botremodellering op. Ernstige statische belasting veroorzaakte echter kraakbeenschade en daaropvolgende degeneratie. Bovendien initieert verlies van ECM-aggrecan de abnormale veranderingen die kenmerkend zijn voor artrose. Verlies van aggrecan resulteert in wateraantrekking en zwelling van de kleine hoeveelheid overgebleven proteoglycaan. Deze oplossing van aggrecan draagt bij aan een afname van de lokale vaste ladingsdichtheid en leidt uiteindelijk tot een verandering in osmolariteit.