Хрящ — это упругий и гладкий тип соединительной ткани . Полупрозрачный и непористый, он обычно покрыт жесткой и волокнистой мембраной, называемой надхрящницей . У четвероногих он покрывает и защищает концы длинных костей в суставах как суставной хрящ , [1] и является структурным компонентом многих частей тела, включая грудную клетку , шею и бронхиальные трубки, а также межпозвоночные диски . У других таксонов, таких как хрящевые и круглоротые , он составляет гораздо большую часть скелета. [2] Он не такой твердый и жесткий, как кость , но он намного жестче и гораздо менее гибкий, чем мышца . Матрикс хряща состоит из гликозаминогликанов , протеогликанов , коллагеновых волокон и, иногда, эластина . Он обычно растет быстрее, чем кость.
Из-за своей жесткости хрящ часто служит для удержания трубок открытыми в организме. Примерами служат кольца трахеи, такие как перстневидный хрящ и карина .
Хрящ состоит из специализированных клеток, называемых хондроцитами , которые производят большое количество коллагенового внеклеточного матрикса , обильного основного вещества , богатого протеогликановыми и эластиновыми волокнами. Хрящ подразделяется на три типа — эластичный хрящ , гиалиновый хрящ и фиброзный хрящ , — которые различаются по относительному содержанию коллагена и протеогликана.
Поскольку хрящ не содержит кровеносных сосудов или нервов , он нечувствителен. Однако некоторые фиброзные хрящи, такие как мениск колена , имеют частичное кровоснабжение. Питание хондроцитов осуществляется путем диффузии . Сжатие суставного хряща или сгибание эластичного хряща создает поток жидкости, который способствует диффузии питательных веществ в хондроциты. По сравнению с другими соединительными тканями, хрящ имеет очень медленный оборот своего внеклеточного матрикса и, как было задокументировано, восстанавливается только с очень медленной скоростью по сравнению с другими тканями.
В эмбриогенезе скелетная система образуется из зародышевого слоя мезодермы . Хондрификация (также известная как хондрогенез) — это процесс, при котором хрящ образуется из уплотненной мезенхимной ткани , которая дифференцируется в хондробласты и начинает секретировать молекулы ( аггрекан и коллаген типа II), которые формируют внеклеточный матрикс. У всех позвоночных хрящ является основной скелетной тканью на ранних стадиях онтогенеза; [3] [4] у костных рыб многие хрящевые элементы впоследствии окостеневают посредством эндохондрального и перихондрального окостенения. [5]
После начальной хондрификации, которая происходит во время эмбриогенеза, рост хряща в основном состоит из созревания незрелого хряща до более зрелого состояния. Деление клеток внутри хряща происходит очень медленно, и поэтому рост хряща обычно не основан на увеличении размера или массы самого хряща. [6] Было выявлено, что некодирующие РНК (например, микроРНК и длинные некодирующие РНК) как наиболее важные эпигенетические модуляторы могут влиять на хондрогенез. Это также оправдывает вклад некодирующих РНК в различные патологические состояния, зависящие от хряща, такие как артрит и т. д. [7]
Функция суставного хряща зависит от молекулярного состава внеклеточного матрикса (ВКМ). ВКМ в основном состоит из протеогликана и коллагенов . Основным протеогликаном в хряще является аггрекан, который, как следует из его названия, образует большие агрегаты с гиалуронаном и сам с собой. [8] Эти агрегаты отрицательно заряжены и удерживают воду в ткани. Коллаген, в основном коллаген II типа, ограничивает протеогликаны. ВКМ реагирует на растягивающие и сжимающие силы, которые испытывает хрящ. [9] Таким образом, рост хряща относится к отложению матрикса, но может также относиться как к росту, так и к ремоделированию внеклеточного матрикса. Из-за большой нагрузки на пателлофеморальный сустав во время сопротивления разгибанию колена суставной хрящ надколенника является одним из самых толстых в организме человека. ВКМ суставного хряща подразделяется на три области: перицеллюлярный матрикс, территориальный матрикс и интертерриториальный матрикс.
Механические свойства суставного хряща в несущих нагрузку суставах, таких как колено и бедро, были тщательно изучены в макро-, микро- и наномасштабах. Эти механические свойства включают реакцию хряща на фрикционную, компрессионную, сдвиговую и растягивающую нагрузку. Хрящ упругий и проявляет вязкоупругие свойства. [10]
Поскольку хрящ имеет интерстициальную жидкость, которая свободно перемещается, это затрудняет тестирование материала. Одним из испытаний, обычно используемых для преодоления этого препятствия, является испытание на ограниченное сжатие, которое может использоваться либо в режиме «ползучести», либо в режиме «релаксации». [11] [12] В режиме ползучести смещение ткани измеряется как функция времени при постоянной нагрузке, а в режиме релаксации сила измеряется как функция времени при постоянном смещении. В режиме ползучести смещение ткани измеряется как функция времени при постоянной нагрузке. В этом режиме деформация ткани имеет две основные области. В первой области смещение происходит быстро из-за начального потока жидкости из хряща, а во второй области смещение замедляется до конечного постоянного равновесного значения. В обычно используемых условиях нагрузки достижение равновесного смещения может занять часы.
В обоих режимах ползучести и релаксации теста на ограниченное сжатие диск хряща помещается в непроницаемый, заполненный жидкостью контейнер и покрывается пористой пластиной, которая ограничивает поток интерстициальной жидкости в вертикальном направлении. Этот тест можно использовать для измерения совокупного модуля хряща, который обычно находится в диапазоне от 0,5 до 0,9 МПа для суставного хряща, [11] [12] [13] и модуля Юнга, который обычно составляет от 0,45 до 0,80 МПа. [11] [13] Совокупный модуль является «мерой жесткости ткани в равновесии, когда весь поток жидкости прекратился», [11] а модуль Юнга является мерой того, насколько материал деформируется (изменяет длину) при заданном напряжении.
Испытание на ограниченное сжатие также может быть использовано для измерения проницаемости, которая определяется как сопротивление потоку жидкости через материал. Более высокая проницаемость позволяет жидкости вытекать из матрицы материала быстрее, в то время как более низкая проницаемость приводит к начальному быстрому потоку жидкости и медленному снижению до равновесия. Обычно проницаемость суставного хряща находится в диапазоне от 10^-15 до 10^-16 м^4/Нс. [11] [12] Однако проницаемость чувствительна к условиям нагрузки и месту испытания. Например, проницаемость варьируется по всему суставному хрящу и имеет тенденцию быть самой высокой вблизи поверхности сустава и самой низкой вблизи кости (или «глубокой зоны»). Проницаемость также уменьшается при увеличении нагрузки на ткань.
Тестирование на вдавливание — это дополнительный тип теста, обычно используемый для характеристики хряща. [11] [14] Тестирование на вдавливание включает использование индентора (обычно <0,8 мм) для измерения смещения ткани под постоянной нагрузкой. Подобно тестированию на ограниченное сжатие, может потребоваться несколько часов, чтобы достичь равновесного смещения. Этот метод тестирования можно использовать для измерения модуля агрегата, коэффициента Пуассона и проницаемости ткани. Первоначально существовало ошибочное представление о том, что из-за своего преимущественно водного состава хрящ имеет коэффициент Пуассона 0,5 и должен моделироваться как несжимаемый материал. [11] Однако последующие исследования опровергли это убеждение. Коэффициент Пуассона суставного хряща был измерен и составил около 0,4 или ниже у людей [11] [14] и колеблется от 0,46 до 0,5 у крупного рогатого скота. [15]
Механические свойства суставного хряща в значительной степени анизотропны, зависят от теста и могут зависеть от возраста. [11] Эти свойства также зависят от взаимодействия коллагена и протеогликана и, следовательно, могут увеличиваться/уменьшаться в зависимости от общего содержания воды, коллагена, гликопротеинов и т. д. Например, повышенное содержание глюкозаминогликанов приводит к увеличению жесткости при сжатии, а повышенное содержание воды приводит к снижению агрегатного модуля.
Помимо своей роли в несущих нагрузку суставах, хрящ выполняет важную функцию градиентного материала между более мягкими тканями и костью. Механические градиенты имеют решающее значение для функционирования вашего тела и для сложных искусственных структур, включая имплантаты суставов. Интерфейсы с несовпадающими свойствами материалов приводят к областям высокой концентрации напряжений , которые за миллионы циклов нагрузки, испытываемых человеческими суставами в течение жизни, в конечном итоге приведут к отказу. Например, модуль упругости человеческой кости составляет примерно 20 ГПа, в то время как более мягкие области хряща могут составлять около 0,5–0,9 МПа. [16] [17] Однако при плавном градиенте свойств материалов напряжения распределяются равномерно по интерфейсу, что приводит к меньшему износу каждой отдельной части.
Тело решает эту проблему с помощью более жестких, высокомодульных слоев около кости, с высокой концентрацией минеральных отложений, таких как гидроксиапатит. Коллагеновые волокна (которые обеспечивают механическую жесткость хряща) в этой области прикреплены непосредственно к костям, что снижает возможную деформацию. Приближаясь к мягким тканям в область, известную как приливная отметка, плотность хондроцитов увеличивается, а коллагеновые волокна перестраиваются для оптимизации рассеивания напряжения и низкого трения. Самый внешний слой около суставной поверхности известен как поверхностная зона, которая в первую очередь служит областью смазки. Здесь хрящ характеризуется плотным внеклеточным матриксом и богат протеогликанами (которые рассеивают и реабсорбируют воду для смягчения ударов) и тонким коллагеном, ориентированным параллельно поверхности сустава, которые обладают превосходными свойствами сопротивления сдвигу. [18]
Остеоартрит и естественное старение оказывают отрицательное воздействие на хрящ в целом, а также на надлежащую функцию градиента материалов внутри. Самые ранние изменения часто происходят в поверхностной зоне, самой мягкой и самой смазывающей части ткани. Деградация этого слоя может привести к дополнительным нагрузкам на более глубокие слои, которые не предназначены для поддержки тех же деформаций. Другим распространенным эффектом старения является повышенное сшивание коллагеновых волокон. Это приводит к более жесткому хрящу в целом, что снова может привести к раннему отказу, поскольку более жесткая ткань более восприимчива к отказу из-за усталости. Старение в кальцинированных областях также обычно приводит к большему количеству минеральных отложений, что имеет аналогичный нежелательный эффект жесткости. [19] Остеоартрит имеет более экстремальные последствия и может полностью изнашивать хрящ, вызывая прямой контакт костей. [20]
Лубрицин , гликопротеин , в большом количестве присутствующий в хрящах и синовиальной жидкости , играет важную роль в биологической смазке и защите хряща от износа. [21]
Хрящ имеет ограниченные возможности восстановления: поскольку хондроциты связаны в лакунах , они не могут мигрировать в поврежденные области. Поэтому повреждение хряща трудно поддается лечению. Кроме того, поскольку гиалиновый хрящ не имеет кровоснабжения, отложение нового матрикса происходит медленно. За последние годы хирурги и ученые разработали ряд процедур восстановления хряща , которые помогают отсрочить необходимость замены сустава. Разрыв мениска коленного хряща часто можно хирургически обрезать, чтобы уменьшить проблемы. Полное заживление хряща после травмы или процедур восстановления затрудняется специфическим для хряща воспалением, вызванным участием макрофагов M1/M2 , тучных клеток и их межклеточным взаимодействием. [22]
Биологические инженерные методы разрабатываются для создания нового хряща, используя клеточный «строительный» материал и культивированные клетки для выращивания искусственного хряща. [23] Были проведены обширные исследования замороженных-оттаявших гидрогелей ПВА в качестве базового материала для такой цели. [24] Эти гели продемонстрировали большие перспективы с точки зрения биосовместимости, износостойкости, амортизации , коэффициента трения , гибкости и смазки, и, таким образом, считаются превосходящими хрящи на основе полиэтилена. Двухлетняя имплантация гидрогелей ПВА в качестве искусственного мениска у кроликов показала, что гели остаются неповрежденными без деградации, трещин или потери свойств. [24]
Несколько заболеваний могут поражать хрящ. Хондродистрофии — это группа заболеваний, характеризующихся нарушением роста и последующего окостенения хряща. Некоторые распространенные заболевания, поражающие хрящ, перечислены ниже.
Могут возникнуть опухоли , состоящие из хрящевой ткани, как доброкачественные , так и злокачественные . Обычно они появляются в кости, редко в уже существующем хряще. Доброкачественные опухоли называются хондромами , злокачественные — хондросаркомами . Опухоли, возникающие из других тканей, также могут образовывать хрящеподобный матрикс, наиболее известная из которых — плеоморфная аденома слюнных желез .
Матрикс хряща действует как барьер, предотвращая проникновение лимфоцитов или диффузию иммуноглобулинов . Это свойство позволяет проводить трансплантацию хряща от одного человека другому, не опасаясь отторжения ткани.
Хрящ не поглощает рентгеновские лучи в нормальных условиях in vivo , но в синовиальную оболочку можно ввести краситель , который заставит рентгеновские лучи поглощаться красителем. Образовавшаяся пустота на рентгеновской пленке между костью и мениском представляет собой хрящ. Для рентгеновского сканирования in vitro внешние мягкие ткани, скорее всего, удаляются, поэтому хряща и воздушной границы достаточно, чтобы контрастировать с наличием хряща из-за преломления рентгеновского луча . [27]
Хрящевые рыбы ( Chondrichthyes ) или акулы , скаты и химеры имеют скелет, состоящий полностью из хрящей.
Хрящевая ткань также встречается у некоторых членистоногих, таких как мечехвосты , некоторых моллюсков, таких как морские улитки и головоногие моллюски , и некоторых кольчатых червей, таких как сабеллиды.
Наиболее изученным хрящом у членистоногих является жаберный хрящ Limulus polyphemus . Это хрящ, богатый везикулярными клетками, из-за крупных, сферических и вакуолизированных хондроцитов, не имеющий гомологии у других членистоногих. Другой тип хряща, обнаруженный у L. polyphemus, — это эндостернитный хрящ, фиброзно-гиалиновый хрящ с хондроцитами типичной морфологии в волокнистом компоненте, гораздо более волокнистый, чем гиалиновый хрящ позвоночных, с мукополисахаридами , иммунореактивными против антител к хондроитинсульфату. Существуют гомологичные ткани эндостернитному хрящу у других членистоногих. [28] Эмбрионы Limulus polyphemus экспрессируют ColA и гиалуронан в жаберном хряще и эндостерните, что указывает на то, что эти ткани представляют собой хрящ на основе фибриллярного коллагена. Эндостернитный хрящ формируется вблизи Hh-экспрессирующих вентральных нервных тяжей и экспрессирует ColA и SoxE, аналог Sox9. Это также наблюдается в хрящевой ткани жабр. [29]
У головоногих моллюсков в качестве моделей для изучения хряща используются Octopus vulgaris и Sepia officinalis . Черепной хрящ головоногих моллюсков — это хрящ беспозвоночных, который больше похож на гиалиновый хрящ позвоночных. Считается, что рост происходит за счет движения клеток от периферии к центру. Хондроциты имеют различную морфологию, связанную с их положением в ткани. [28] Эмбрионы S. officinalis экспрессируют ColAa, ColAb и гиалуронан в черепных хрящах и других областях хондрогенеза. Это означает, что хрящ основан на фибриллярном коллагене. Эмбрион S. officinalis экспрессирует hh, присутствие которого вызывает экспрессию ColAa и ColAb, а также способен поддерживать пролиферирующие клетки недифференцированными. Было отмечено, что этот вид представляет экспрессию SoxD и SoxE, аналогов позвоночных Sox5/6 и Sox9, в развивающемся хряще. Модель роста хряща такая же, как и у позвоночных. [29]
У брюхоногих моллюсков интерес представляет одонтофор , хрящевая структура, которая поддерживает радулу. Наиболее изученным видом в отношении этой конкретной ткани является Busycotypus canaliculatus . Одонтофор представляет собой везикулярный хрящ, богатый клетками, состоящий из вакуолизированных клеток, содержащих миоглобин, окруженный небольшим количеством внеклеточного матрикса, содержащего коллаген. Одонтофор содержит мышечные клетки вместе с хондроцитами в случае Lymnaea и других моллюсков, которые пасутся на растительности. [28]
Полихеты -сабеллиды , или перьевые черви-пылесосы, имеют хрящевую ткань с клеточной и матричной специализацией, поддерживающую их щупальца. Они представляют собой две различные области внеклеточного матрикса. Эти области представляют собой бесклеточную фиброзную область с высоким содержанием коллагена, называемую хрящеподобным матриксом, и коллаген, лишенный высококлеточного ядра, называемый остеоидподобным матриксом. Хрящеподобный матрикс окружает остеоидподобный матрикс. Количество бесклеточной фиброзной области варьируется. Модельными организмами, используемыми при изучении хряща у полихет-сабеллид, являются виды Potamilla и Myxicola infundibulum . [28]
Сосудистые растения , особенно семена и стебли некоторых грибов, иногда называют «хрящевыми», хотя они не содержат хрящей. [30]