Osteoartritis: bagaimana tulang rawan artikular diatur?

Tulang rawan artikular yang normal menjalankan dua fungsi utama: menyerap tekanan akibat deformasi selama pembebanan mekanis dan memberikan kehalusan pada permukaan artikular, yang memungkinkan meminimalkan gesekan selama gerakan sendi. Hal ini dipastikan oleh struktur unik tulang rawan artikular, yang terdiri dari kondroitin yang terbenam dalam matriks ekstraseluler (ECM).

Tulang rawan artikular dewasa normal dapat dibagi menjadi beberapa lapisan atau zona: zona superfisial atau tangensial, zona transisional, zona dalam atau radial, dan zona kalsifikasi. Lapisan antara zona superfisial dan transisional dan terutama antara zona transisional dan dalam tidak memiliki batas yang jelas. Persambungan antara tulang rawan artikular yang tidak mengalami kalsifikasi dan yang mengalami kalsifikasi disebut "batas bergelombang" - garis yang terlihat saat pewarnaan jaringan yang mengalami dekalsifikasi. Zona kalsifikasi tulang rawan merupakan proporsi yang relatif konstan (6-8%) dari total tinggi penampang tulang rawan. Ketebalan total tulang rawan artikular, termasuk zona tulang rawan yang mengalami kalsifikasi, bervariasi tergantung pada beban pada area tertentu dari permukaan artikular dan pada jenis sendi. Tekanan hidrostatik intermiten pada tulang subkondral memainkan peran penting dalam mempertahankan struktur normal tulang rawan dengan memperlambat osifikasi.

Kondrosit membentuk sekitar 2-3% dari total massa jaringan; di zona superfisial (tangensial) mereka terletak di sepanjang, dan di zona dalam (radial) - tegak lurus terhadap permukaan tulang rawan; di zona transisi, kondrosit membentuk kelompok 2-4 sel yang tersebar di seluruh matriks. Bergantung pada zona tulang rawan artikular, kepadatan kondrosit bervariasi - kepadatan sel tertinggi ada di zona superfisial, terendah - di zona kalsifikasi. Selain itu, kepadatan distribusi sel bervariasi dari sendi ke sendi, berbanding terbalik dengan ketebalan tulang rawan dan beban yang dialami oleh area yang sesuai.

Kondrosit yang terletak paling dangkal berbentuk cakram dan membentuk beberapa lapisan sel di zona tangensial yang terletak di bawah potongan matriks yang sempit; sel-sel yang terletak lebih dalam di zona ini cenderung memiliki kontur yang lebih tidak rata. Di zona transisi, kondrosit berbentuk bulat, terkadang mereka bergabung menjadi kelompok-kelompok kecil yang tersebar di matriks. Kondrosit di zona dalam sebagian besar berbentuk elipsoid, dikelompokkan menjadi rantai yang terletak secara radial yang terdiri dari 2-6 sel. Di zona yang mengalami kalsifikasi, mereka terdistribusi lebih jarang; beberapa di antaranya nekrotik, meskipun sebagian besar masih hidup. Sel-sel dikelilingi oleh matriks yang tidak mengalami kalsifikasi, ruang antar sel mengalami kalsifikasi.

Dengan demikian, tulang rawan artikular manusia terdiri dari matriks ekstraseluler terhidrasi dan sel-sel yang terbenam di dalamnya, yang membentuk 2-3% dari total volume jaringan. Karena jaringan tulang rawan tidak memiliki pembuluh darah atau limfatik, interaksi antara sel, pengiriman nutrisi ke sel, dan pembuangan produk metabolisme dilakukan melalui difusi melalui matriks ekstraseluler. Meskipun kondrosit sangat aktif secara metabolik, mereka biasanya tidak membelah pada orang dewasa. Kondrosit ada dalam lingkungan bebas oksigen, dan metabolisme mereka diyakini sebagian besar bersifat anaerobik.

Setiap kondrosit dianggap sebagai unit metabolisme tulang rawan yang terpisah, terisolasi dari sel-sel tetangga, tetapi bertanggung jawab atas produksi elemen ECM di sekitar sel yang didonorkan dan pemeliharaan komposisinya.

ECM dibagi menjadi tiga bagian, masing-masing dengan struktur morfologi unik dan komposisi biokimia tertentu. ECM yang berdekatan dengan membran dasar kondrosit disebut matriks periseluler, atau lakuna. Matriks ini ditandai dengan kandungan agregat proteoglikan yang tinggi yang dikaitkan dengan sel melalui interaksi asam hialuronat dengan reseptor mirip CD44, dan relatif tidak adanya fibril kolagen yang terorganisir. Tepat berdekatan dengan matriks periseluler adalah matriks teritorial, atau kapsuler, yang terdiri dari jaringan kolagen fibrilar yang saling bersilangan yang membungkus sel-sel individual atau (kadang-kadang) kelompok sel, membentuk kondron, dan mungkin memberikan dukungan mekanis khusus untuk sel-sel tersebut. Kontak kondrosit dengan matriks kapsuler dicapai melalui berbagai proses sitoplasma yang kaya akan mikrofilamen, serta melalui molekul matriks spesifik seperti ankorin dan reseptor mirip CD44. Bagian ECM yang terbesar dan terjauh dari membran dasar kondrosit adalah matriks interteritorial, yang mengandung jumlah fibril kolagen dan proteoglikan terbanyak.

Pembagian ECM ke dalam kompartemen lebih jelas didefinisikan pada tulang rawan artikular dewasa daripada pada tulang rawan artikular yang belum matang. Ukuran relatif setiap kompartemen bervariasi tidak hanya antara sendi tetapi bahkan dalam tulang rawan yang sama. Setiap kondrosit menghasilkan matriks yang mengelilinginya. Menurut penelitian, kondrosit jaringan tulang rawan dewasa melakukan kontrol metabolik aktif atas matriks periseluler dan teritorialnya, dan mereka melakukan kontrol yang kurang aktif atas matriks interteritorial, yang mungkin secara metabolik "inert."

Seperti disebutkan sebelumnya, tulang rawan artikular terutama terdiri dari ECM yang luas yang disintesis dan diatur oleh kondrosit. Makromolekul jaringan dan konsentrasinya berubah sepanjang hidup sesuai dengan perubahan kebutuhan fungsional. Namun, masih belum jelas apakah sel-sel mensintesis seluruh matriks secara bersamaan atau dalam fase-fase tertentu sesuai dengan kebutuhan fisiologis. Konsentrasi makromolekul, keseimbangan metabolisme di antara mereka, hubungan dan interaksi mereka menentukan sifat biokimia dan, oleh karena itu, fungsi tulang rawan artikular dalam satu sendi. Komponen utama ECM tulang rawan artikular dewasa adalah air (65-70% dari total massa), yang terikat kuat di dalamnya karena sifat fisik khusus makromolekul jaringan tulang rawan yang merupakan bagian dari kolagen, proteoglikan, dan glikoprotein non-kolagen.

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

Komposisi biokimia tulang rawan

Serat kolagen terdiri dari molekul protein fibrilar kolagen. Pada mamalia, kolagen merupakan seperempat dari semua protein dalam tubuh. Kolagen membentuk elemen fibrilar (fibril kolagen) yang terdiri dari subunit struktural yang disebut tropokolagen. Molekul tropokolagen memiliki tiga rantai yang membentuk heliks rangkap tiga. Struktur molekul tropokolagen ini, seperti halnya struktur serat kolagen, ketika molekul-molekul ini terletak sejajar dalam arah longitudinal dengan pergeseran konstan sekitar 1/4 dari panjangnya dan memberikan elastisitas dan kekuatan yang tinggi pada jaringan tempat mereka berada. Saat ini, diketahui 10 jenis kolagen yang berbeda secara genetik, berbeda dalam struktur kimia rantai-α dan/atau susunannya dalam molekul. Empat jenis kolagen pertama yang paling banyak dipelajari mampu membentuk hingga 10 isoform molekuler.

Fibril kolagen merupakan bagian dari ruang ekstraseluler pada sebagian besar jaringan ikat, termasuk tulang rawan. Terjerat dalam jaringan tiga dimensi fibril kolagen yang tidak larut, terdapat komponen lain yang lebih larut seperti proteoglikan, glikoprotein, dan protein khusus jaringan; komponen ini terkadang terikat secara kovalen dengan elemen kolagen.

Molekul kolagen yang tersusun menjadi fibril merupakan sekitar 50% dari residu kering organik tulang rawan (10-20% dari tulang rawan asli). Pada tulang rawan dewasa, sekitar 90% kolagen merupakan kolagen tipe II, yang hanya ditemukan di beberapa jaringan (misalnya, badan vitreus, sumsum tulang belakang embrionik). Kolagen tipe II termasuk dalam molekul kolagen kelas I (pembentuk fibril). Selain itu, tulang rawan artikular manusia dewasa juga mengandung kolagen tipe IX, XI, dan sejumlah kecil tipe VI. Jumlah relatif serat kolagen tipe IX dalam fibril kolagen menurun dari 15% pada tulang rawan janin menjadi sekitar 1% pada tulang rawan sapi dewasa.

Molekul kolagen tipe I terdiri dari tiga rantai polipeptida a, (II) identik yang disintesis dan disekresikan sebagai prekursor prokolagen. Setelah molekul kolagen yang sudah jadi dilepaskan ke ruang ekstraseluler, mereka membentuk fibril. Pada tulang rawan artikular dewasa, kolagen tipe II membentuk arkade fibrilar di mana molekul yang "lebih tebal" terletak di lapisan dalam jaringan, dan yang "lebih tipis" terletak secara horizontal di lapisan superfisial.

Ekson yang mengkode propeptida N-terminal kaya sistein telah ditemukan dalam gen prokolagen tipe II. Ekson ini diekspresikan bukan pada tulang rawan dewasa, tetapi pada tahap awal perkembangan (prekondrogenesis). Karena adanya ekson ini, molekul prokolagen tipe II (tipe II A) lebih panjang daripada kolagen tipe II. Mungkin, ekspresi prokolagen tipe ini menghambat akumulasi elemen dalam ECM tulang rawan artikular. Ini mungkin memainkan peran tertentu dalam perkembangan patologi tulang rawan (misalnya, respons reparatif yang tidak memadai, pembentukan osteofit, dll.).

Jaringan fibril kolagen tipe II memberikan fungsi ketahanan terhadap peregangan dan diperlukan untuk mempertahankan volume dan bentuk jaringan. Fungsi ini ditingkatkan oleh ikatan kovalen dan ikatan silang antara molekul kolagen. Dalam ECM, enzim lisil oksidase membentuk aldehida dari hidroksilisin, yang kemudian diubah menjadi asam amino multivalen hidroksilisil-piridinolin, yang membentuk ikatan silang antara rantai. Di satu sisi, konsentrasi asam amino ini meningkat seiring bertambahnya usia, tetapi pada tulang rawan dewasa, konsentrasinya hampir tidak berubah. Di sisi lain, pada tulang rawan artikular, peningkatan konsentrasi ikatan silang berbagai jenis yang terbentuk tanpa partisipasi enzim ditemukan seiring bertambahnya usia.

Sekitar 10% dari jumlah total kolagen dalam jaringan tulang rawan adalah yang disebut kolagen minor, yang sangat menentukan fungsi unik jaringan ini. Kolagen tipe IX termasuk dalam molekul heliks pendek kelas III dan kelompok kolagen FACIT (Kolagen Terkait Fibril dengan Triple-heliks Terputus) yang unik. Kolagen ini terdiri dari tiga rantai yang berbeda secara genetik. Salah satunya, rantai _a2, diglikosilasi secara bersamaan dengan kondroitin sulfat, yang menjadikan molekul ini sebagai proteoglikan. Baik ikatan silang hidroksipiridina yang matang maupun yang belum matang ditemukan di antara segmen heliks kolagen tipe IX dan kolagen tipe II. Kolagen IX juga dapat berfungsi sebagai "penghubung" (atau jembatan) intermolekul-interfibrilar antara fibril kolagen yang berdekatan. Molekul kolagen IX membentuk ikatan silang satu sama lain, yang meningkatkan stabilitas mekanis jaringan tiga dimensi fibrilar dan melindunginya dari efek enzim. Mereka juga memberikan ketahanan terhadap deformasi, membatasi pembengkakan proteoglikan yang terletak di dalam jaringan. Selain rantai CS anionik, molekul kolagen IX mengandung domain kationik, yang memberikan muatan besar pada fibril dan kecenderungan untuk berinteraksi dengan makromolekul matriks lainnya.

Kolagen tipe XI hanya mencakup 2-3% dari total massa kolagen. Kolagen ini termasuk kolagen kelas I (pembentuk fibril) dan terdiri dari tiga rantai alfa yang berbeda. Bersama dengan kolagen tipe II dan IX, kolagen tipe XI membentuk fibril heterotipik pada tulang rawan artikular. Molekul kolagen tipe XI telah dideteksi dalam fibril kolagen tipe II menggunakan imunoelektromikroskopi. Molekul tersebut mungkin mengatur molekul kolagen tipe II, mengendalikan pertumbuhan lateral fibril dan menentukan diameter fibril kolagen heterotipik. Selain itu, kolagen XI terlibat dalam pembentukan ikatan silang, tetapi bahkan pada tulang rawan yang matang, ikatan silang tersebut tetap dalam bentuk ketoamina divalen yang belum matang.

Kolagen tipe VI dalam jumlah kecil, anggota lain dari molekul heliks pendek kelas III, ditemukan dalam tulang rawan artikular. Kolagen tipe VI membentuk berbagai mikrofibril dan mungkin terkonsentrasi dalam matriks kapsul kondron.

Proteoglikan adalah protein yang paling sedikit memiliki satu rantai glikosaminoglikan yang terikat secara kovalen. Proteoglikan termasuk makromolekul biologis yang paling kompleks. Proteoglikan paling banyak terdapat di ECM tulang rawan. "Terjerat" dalam jaringan fibril kolagen, proteoglikan hidrofilik menjalankan fungsi utamanya - yaitu memberi tulang rawan kemampuan untuk berubah bentuk secara reversibel. Diasumsikan bahwa proteoglikan juga menjalankan sejumlah fungsi lain, yang esensinya tidak sepenuhnya jelas.

Aggrecan merupakan proteoglikan utama tulang rawan artikular, yang meliputi sekitar 90% dari total massa proteoglikan dalam jaringan. Protein inti 230 kD-nya diglikosilasi oleh beberapa rantai glikosaminoglikan yang terhubung secara kovalen dan oligosakarida N-terminal dan C-terminal.

Rantai glikosaminoglikan tulang rawan artikular, yang menyusun sekitar 90% dari total massa makromolekul, adalah keratan sulfat (urutan disakarida tersulfat N-asetil glukosamin laktosa dengan beberapa tempat tersulfat dan residu monosakarida lain seperti asam sialat) dan kondroitin sulfat (urutan disakarida N-asetil galaktosamin asam glukuronat dengan ester sulfat yang terikat pada setiap atom karbon keempat atau keenam N-asetil galaktosamin).

Protein inti aggrekan mengandung tiga domain globular (G1, G2, G3) dan dua domain interglobular (E1 dan E2). Wilayah N-terminal mengandung domain G1 dan G2 yang dipisahkan oleh segmen E1, yang panjangnya 21 nm. Domain C3, yang terletak di wilayah C-terminal, dipisahkan dari G2 _oleh segmen E2 yang lebih panjang (sekitar 260 nm), yang membawa lebih dari 100 rantai kondroitin sulfat, sekitar 15-25 rantai keratin sulfat, dan oligosakarida terkait-O. Oligosakarida terkait-N ditemukan terutama dalam domain G1 dan C2 dan segmen E1, serta di dekat _wilayah G3. Glikosaminoglikan dikelompokkan dalam dua wilayah: yang terpanjang (yang disebut wilayah kaya kondroitin sulfat) mengandung rantai kondroitin sulfat dan sekitar 50% rantai keratan sulfat. Wilayah yang kaya akan keratan sulfat terletak pada _segmen E2 di dekat domain G1 dan mendahului wilayah yang kaya akan kondroitin sulfat. Molekul aggrekan juga mengandung ester fosfat, yang terletak terutama pada residu xilosa yang menempelkan rantai kondroitin sulfat ke protein inti; mereka juga ditemukan pada residu serin dari protein inti.

Segmen C-terminal _domain C3 sangat homolog dengan lektin, yang memungkinkan molekul proteoglikan untuk difiksasi dalam ECM dengan mengikat struktur karbohidrat tertentu.

Studi terkini telah mengidentifikasi ekson yang mengkode subdomain mirip EGF dalam G3 _. Dengan menggunakan antibodi poliklonal anti-EGF, epitop mirip EGF dilokalisasi dalam peptida 68-kD dalam agrekan tulang rawan artikular manusia. Akan tetapi, fungsinya masih harus dijelaskan. Subdomain ini juga ditemukan dalam molekul adhesi yang mengendalikan migrasi limfosit. Hanya sekitar sepertiga molekul agrekan yang diisolasi dari tulang rawan artikular manusia dewasa yang mengandung _domain C3 yang utuh; hal ini kemungkinan karena molekul agrekan dapat dikurangi ukurannya secara enzimatis dalam ECM. Nasib dan fungsi fragmen yang terbelah tidak diketahui.

_{Segmen fungsional utama dari molekul aggrekan adalah segmen} E2 yang mengandung glikosaminoglikan. Wilayah tersebut, yang kaya akan keratan sulfat, mengandung asam amino prolin, serin, dan treonin. Sebagian besar residu serin dan treonin mengalami O-glikosilasi dengan residu N-asetilgalaktosamin; residu tersebut memulai sintesis oligosakarida tertentu yang dimasukkan ke dalam rantai keratan sulfat, sehingga memperpanjangnya. Sisa segmen E2 _mengandung lebih dari 100 urutan serin-glisin di mana serin memberikan perlekatan pada residu xilosil di awal rantai kondroitin sulfat. Biasanya, baik kondroitin-6-sulfat maupun kondroitin-4-sulfat ada secara bersamaan dalam molekul proteoglikan yang sama, rasionya bervariasi tergantung pada lokalisasi jaringan tulang rawan dan usia orang tersebut.

Struktur molekul aggrekan dalam matriks tulang rawan artikular manusia mengalami sejumlah perubahan selama pematangan dan penuaan. Perubahan yang berkaitan dengan penuaan meliputi penurunan ukuran hidrodinamik akibat perubahan panjang rata-rata rantai kondroitin sulfat, dan peningkatan jumlah dan panjang rantai keratan sulfat. Sejumlah perubahan pada molekul aggrekan juga disebabkan oleh aksi enzim proteolitik (misalnya, aggrekanase dan stromelesin) pada protein inti. Hal ini mengakibatkan penurunan progresif pada panjang rata-rata protein inti molekul aggrekan.

Molekul aggrekan disintesis oleh kondrosit dan disekresikan ke dalam ECM, tempat mereka membentuk agregat yang distabilkan oleh molekul protein penghubung. Agregasi ini melibatkan interaksi nonkovalen dan kooperatif yang sangat spesifik antara untai asam glukuronat dan hampir 200 molekul aggrekan dan protein penghubung. Asam glukuronat adalah glikosaminoglikan linier ekstraseluler, nonsulfat, dan berbobot molekul tinggi yang terdiri dari beberapa molekul N-asetilglukosamin dan asam glukuronat yang terhubung secara berurutan. Loop berpasangan dari domain G1 aggrekan berinteraksi secara reversibel dengan lima disakarida asam hialuronat yang terletak secara berurutan. Protein penghubung, yang mengandung loop berpasangan yang serupa (sangat homolog), berinteraksi dengan domain C1 dan molekul asam hialuronat dan menstabilkan struktur agregat. Kompleks protein pengikat domain C1 - asam hialuronat - membentuk interaksi yang sangat stabil yang melindungi domain G1 dan protein pengikat dari aksi enzim proteolitik. Dua molekul protein pengikat dengan berat molekul 40-50 kDa telah diidentifikasi; keduanya berbeda satu sama lain dalam tingkat glikosilasi. Hanya satu molekul protein pengikat yang ada di lokasi ikatan asam hialuronat-agrekan. Molekul ketiga, yang lebih kecil, dari protein pengikat terbentuk dari molekul yang lebih besar melalui pembelahan proteolitik.

Sekitar 200 molekul aggrekan dapat mengikat satu molekul asam hialuronat untuk membentuk agregat sepanjang 8 μm. Dalam matriks terkait sel, yang terdiri dari kompartemen periseluler dan teritorial, agregat mempertahankan hubungannya dengan sel dengan mengikat (melalui benang asam hialuronat) ke reseptor mirip CD44 pada membran sel.

Pembentukan agregat dalam ECM merupakan proses yang kompleks. Molekul agrekan yang baru disintesis tidak langsung menunjukkan kemampuan untuk mengikat asam hialuronat. Hal ini dapat berfungsi sebagai mekanisme pengaturan yang memungkinkan molekul yang baru disintesis mencapai zona interteritorial matriks sebelum diimobilisasi menjadi agregat besar. Jumlah molekul agrekan yang baru disintesis dan protein pengikat yang mampu membentuk agregat dengan berinteraksi dengan asam hialuronat berkurang secara signifikan seiring bertambahnya usia. Selain itu, ukuran agregat yang diisolasi dari tulang rawan artikular manusia berkurang secara signifikan seiring bertambahnya usia. Hal ini sebagian disebabkan oleh penurunan panjang rata-rata molekul asam hialuronat dan molekul agrekan.

Dua jenis agregat telah terbentuk dalam tulang rawan artikular. Ukuran rata-rata jenis agregat pertama adalah 60 S, sedangkan jenis kedua ("superagregat" yang mengendap dengan cepat) adalah 120 S. Yang terakhir dibedakan oleh banyaknya molekul protein pengikat. Keberadaan superagregat ini dapat memainkan peran utama dalam fungsi jaringan; selama pemulihan jaringan setelah imobilisasi anggota tubuh, konsentrasi yang lebih tinggi dari superagregat ini ditemukan di lapisan tengah tulang rawan artikular, sedangkan pada sendi yang terkena osteoartrosis, ukurannya berkurang secara signifikan pada tahap awal penyakit.

Selain aggrecan, tulang rawan artikular mengandung sejumlah proteoglikan yang lebih kecil. Biglycan dan decorin, molekul yang membawa dermatan sulfat, memiliki berat molekul masing-masing sekitar 100 dan 70 kDa; massa protein intinya sekitar 30 kDa.

Pada tulang rawan artikular manusia, molekul biglycan mengandung dua rantai dermatan sulfat, sedangkan decorin yang lebih umum hanya mengandung satu. Molekul-molekul ini hanya merupakan sebagian kecil dari proteoglikan pada tulang rawan artikular, meskipun jumlahnya mungkin sebanyak proteoglikan agregat besar. Proteoglikan kecil berinteraksi dengan makromolekul lain dalam ECM, termasuk fibril kolagen, fibronektin, faktor pertumbuhan, dll. Decorin terutama terlokalisasi pada permukaan fibril kolagen dan menghambat fibrilogenesis kolagen. Protein inti dipertahankan erat dengan domain pengikat sel fibronektin, sehingga kemungkinan mencegah fibronektin mengikat reseptor permukaan sel (integrin). Karena decorin dan biglycan mengikat fibronektin dan menghambat adhesi dan migrasi sel, serta pembentukan trombus, keduanya mampu menghambat proses perbaikan jaringan.

Fibromodulin tulang rawan artikular merupakan proteoglikan dengan berat molekul 50-65 kD yang dikaitkan dengan fibril kolagen. Protein intinya, yang homolog dengan protein inti dekorin dan biglikan, mengandung sejumlah besar residu tirosin sulfat. Bentuk fibromodulin glikosilasi ini (sebelumnya disebut protein matriks 59 kD) dapat berperan dalam pengaturan pembentukan dan pemeliharaan struktur fibril kolagen. Fibromodulin dan dekorin terletak pada permukaan fibril kolagen. Dengan demikian, seperti yang ditunjukkan sebelumnya, peningkatan diameter fibril harus didahului dengan penghilangan selektif proteoglikan ini (serta molekul kolagen tipe IX).

Tulang rawan artikular mengandung sejumlah protein dalam matriks ekstraseluler yang bukan proteoglikan maupun kolagen. Protein-protein tersebut berinteraksi dengan makromolekul lain untuk membentuk jaringan yang mencakup sebagian besar molekul matriks ekstraseluler.

Ancorin, protein 34 kD, terlokalisasi pada permukaan kondrosit dan membran sel, memediasi interaksi antara sel dan matriks. Karena afinitasnya yang tinggi terhadap kolagen tipe II, ia dapat bertindak sebagai mekanoreseptor, yang mengirimkan sinyal tentang perubahan tekanan pada fibril ke kondrosit.

Fibronektin merupakan komponen dari sebagian besar jaringan tulang rawan dan sedikit berbeda dari fibronektin plasma. Fibronektin diyakini dapat meningkatkan integrasi matriks dengan berinteraksi dengan membran sel dan komponen matriks lainnya, seperti kolagen tipe II dan trombospondin. Fragmen fibronektin memiliki efek negatif pada metabolisme kondrosit: menghambat sintesis agrekan dan merangsang proses katabolik. Konsentrasi tinggi fragmen fibronektin telah ditemukan dalam cairan sendi pasien dengan osteoartritis, sehingga fragmen tersebut dapat berperan dalam patogenesis penyakit pada tahap akhir. Fragmen molekul matriks lain yang mengikat reseptor kondrosit kemungkinan memiliki efek serupa.

Protein matriks oligomerik tulang rawan (OMPC), anggota superfamili trombospondin, adalah pentamer dengan lima subunit identik dengan berat molekul sekitar 83 kDa. Mereka ditemukan dalam jumlah besar di tulang rawan artikular, terutama di lapisan sel yang berproliferasi di jaringan yang sedang tumbuh. Oleh karena itu, ada kemungkinan bahwa OMPC terlibat dalam pengaturan pertumbuhan sel. Mereka ditemukan dalam konsentrasi yang jauh lebih rendah di ECM tulang rawan artikular dewasa. Protein matriks juga meliputi:

• protein matriks dasar (36 kDa), yang memiliki afinitas tinggi terhadap kondrosit, dapat memediasi interaksi sel-ke-sel di ECM, seperti selama remodeling jaringan;
• GP-39 (39 kDa) diekspresikan di lapisan superfisial tulang rawan artikular dan di membran sinovial (fungsinya tidak diketahui);
• Protein 21 kD disintesis oleh kondrosit yang mengalami hipertrofi, berinteraksi dengan kolagen tipe X, dan dapat berfungsi di zona “garis bergelombang”.

Selain itu, jelas bahwa kondrosit mengekspresikan bentuk non-glikosilasi dari proteoglikan kecil non-agregat pada tahap perkembangan tulang rawan tertentu dan dalam kondisi patologis, tetapi fungsi spesifiknya saat ini sedang dipelajari.

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

Sifat fungsional tulang rawan artikular

Molekul aggrekan memberikan kemampuan pada tulang rawan artikular untuk mengalami deformasi reversibel. Molekul ini menunjukkan interaksi spesifik dalam ruang ekstraseluler dan tidak diragukan lagi memainkan peran penting dalam organisasi, struktur, dan fungsi ECM. Dalam jaringan tulang rawan, molekul aggrekan mencapai konsentrasi 100 mg/ml. Dalam tulang rawan, molekul aggrekan dikompresi hingga 20% dari volume yang ditempatinya dalam larutan. Jaringan tiga dimensi yang dibentuk oleh fibril kolagen memberikan bentuk khas pada jaringan dan mencegah peningkatan volume proteoglikan. Dalam jaringan kolagen, proteoglikan yang tidak bergerak membawa muatan listrik negatif yang besar (mengandung sejumlah besar gugus anionik), yang memungkinkannya berinteraksi dengan gugus kationik bergerak dari cairan interstisial. Berinteraksi dengan air, proteoglikan memberikan apa yang disebut tekanan pembengkakan, yang dilawan oleh jaringan kolagen.

Keberadaan air dalam matriks ekstraseluler sangatlah penting. Air menentukan volume jaringan; dengan terikat pada proteoglikan, air memberikan ketahanan terhadap kompresi. Selain itu, air menyediakan transportasi molekul dan difusi dalam matriks ekstraseluler. Kepadatan muatan negatif yang tinggi pada proteoglikan besar yang terfiksasi dalam jaringan menciptakan "efek volume yang dikecualikan". Ukuran pori larutan proteoglikan intrakonsentrasi sangat kecil sehingga difusi protein globular besar ke dalam jaringan sangat terbatas. Matriks ekstraseluler menolak protein bermuatan negatif kecil (misalnya, ion klorida) dan protein besar (seperti albumin dan imunoglobulin). Ukuran sel dalam jaringan padat fibril kolagen dan proteoglikan hanya sebanding dengan ukuran beberapa molekul anorganik (misalnya, natrium dan kalium, tetapi bukan kalsium).

Dalam ECM, sejumlah air hadir dalam fibril kolagen. Ruang ekstrafibril menentukan sifat fisikokimia dan biomekanik tulang rawan. Kandungan air dalam ruang intrafibril bergantung pada konsentrasi proteoglikan dalam ruang ekstrafibril dan meningkat seiring dengan penurunan konsentrasi proteoglikan.

Muatan negatif tetap pada proteoglikan menentukan komposisi ionik dari media ekstraseluler, yang mengandung kation bebas dalam konsentrasi tinggi dan anion bebas dalam konsentrasi rendah. Ketika konsentrasi molekul aggrekan meningkat dari zona superfisial ke zona dalam tulang rawan, lingkungan ionik jaringan berubah. Konsentrasi ion anorganik dalam ECM menciptakan tekanan osmotik yang tinggi.

Sifat material tulang rawan bergantung pada interaksi fibril kolagen, proteoglikan, dan fase cair jaringan. Perubahan struktural dan komposisi yang terkait dengan perbedaan antara proses sintesis dan katabolisme, degradasi makromolekul, dan trauma fisik secara signifikan memengaruhi sifat material tulang rawan dan mengubah fungsinya. Karena konsentrasi, distribusi, dan organisasi makromolekul kolagen dan proteoglikan berubah tergantung pada kedalaman zona tulang rawan, sifat biomekanik setiap zona bervariasi. Misalnya, zona superfisial dengan konsentrasi kolagen yang tinggi, fibril yang terletak secara tangensial, dan konsentrasi proteoglikan yang relatif rendah memiliki sifat yang paling menonjol untuk menahan peregangan, mendistribusikan beban secara merata ke seluruh permukaan jaringan. Di zona transisi dan zona dalam, konsentrasi proteoglikan yang tinggi memberikan sifat pada jaringan untuk menahan beban tekan. Pada tingkat "garis bergelombang", sifat material tulang rawan berubah tajam dari zona non-kalsifikasi yang lentur menjadi tulang rawan mineralisasi yang lebih kaku. Pada daerah "garis bergelombang" kekuatan jaringan disediakan oleh jaringan kolagen. Bagian tulang rawan yang mendasarinya tidak dilintasi oleh fibril kolagen; pada area sambungan osteochondral kekuatan jaringan disediakan oleh kontur khusus batas antara zona tulang rawan yang tidak mengalami kalsifikasi dan yang mengalami kalsifikasi dalam bentuk tonjolan tidak beraturan seperti jari, yang "menutup" kedua lapisan dan mencegah pemisahannya. Tulang rawan yang mengalami kalsifikasi kurang padat daripada tulang subchondral, sehingga berfungsi sebagai lapisan perantara yang melembutkan beban kompresif pada tulang rawan dan mentransfernya ke tulang subchondral.

Selama pembebanan, terjadi distribusi kompleks dari tiga gaya - ekstensi, geser, dan kompresi. Matriks artikular mengalami deformasi akibat pengeluaran air (serta produk metabolisme sel) dari zona pembebanan, konsentrasi ion dalam cairan interstisial meningkat. Pergerakan air secara langsung bergantung pada durasi dan gaya pembebanan yang diberikan dan tertunda oleh muatan negatif proteoglikan. Selama deformasi jaringan, proteoglikan ditekan lebih erat satu sama lain, sehingga secara efektif meningkatkan kepadatan muatan negatif, dan gaya antarmolekul yang menolak muatan negatif pada gilirannya meningkatkan ketahanan jaringan terhadap deformasi lebih lanjut. Pada akhirnya, deformasi mencapai keseimbangan di mana gaya pembebanan eksternal diimbangi oleh gaya resistensi internal - tekanan pembengkakan (interaksi proteoglikan dengan ion) dan tekanan mekanis (interaksi proteoglikan dan kolagen). Ketika beban dihilangkan, jaringan tulang rawan memperoleh bentuk aslinya dengan menyerap air bersama dengan nutrisi. Bentuk awal (pra-pemuatan) jaringan tercapai ketika tekanan pembengkakan proteoglikan seimbang dengan resistensi jaringan kolagen terhadap penyebarannya.

Sifat biomekanik tulang rawan artikular didasarkan pada integritas struktural jaringan - komposisi kolagen-proteoglikan sebagai fase padat dan air serta ion terlarut sebagai fase cair. Saat tidak diberi beban, tekanan hidrostatik tulang rawan artikular sekitar 1-2 atm. Tekanan hidrostatik ini dapat meningkat secara in vivo hingga 100-200 atm per milidetik saat berdiri dan hingga 40-50 atm saat berjalan. Studi in vitro telah menunjukkan bahwa tekanan hidrostatik 50-150 atm (fisiologis) menyebabkan peningkatan sedang dalam anabolisme tulang rawan dalam waktu singkat, dan lebih dari 2 jam menyebabkan hilangnya cairan tulang rawan, tetapi tidak menyebabkan perubahan lain. Pertanyaan tentang seberapa cepat kondrosit merespons secara in vivo terhadap jenis beban ini masih belum terjawab.

Penurunan hidrasi yang diinduksi dengan peningkatan konsentrasi proteoglikan berikutnya menyebabkan tarikan ion bermuatan positif seperti H ⁺ dan Na ⁺. Hal ini menyebabkan perubahan dalam komposisi ionik keseluruhan dan pH ECM dan kondrosit. Latihan jangka panjang menginduksi penurunan pH dan, pada saat yang sama, penurunan sintesis proteoglikan oleh kondrosit. Ada kemungkinan bahwa pengaruh lingkungan ionik ekstraseluler pada proses sintetis juga sebagian terkait dengan pengaruhnya terhadap komposisi ECM. Molekul agrekan yang baru disintesis matang menjadi bentuk agregat lebih lambat dalam lingkungan yang sedikit asam daripada dalam kondisi normal. Kemungkinan besar penurunan pH di sekitar kondrosit (misalnya, selama latihan) memungkinkan lebih banyak molekul agrekan yang baru disintesis untuk mencapai matriks interteritorial.

Ketika beban dihilangkan, air kembali dari rongga sinovial, membawa nutrisi untuk sel-sel. Pada tulang rawan yang terkena osteoartritis, konsentrasi proteoglikan berkurang, oleh karena itu, selama beban, air bergerak tidak hanya secara vertikal ke dalam rongga sinovial, tetapi juga ke arah lain, sehingga mengurangi nutrisi kondrosit.

Imobilisasi atau pembebanan ringan mengakibatkan penurunan yang nyata dalam sintesis tulang rawan dan kandungan proteoglikan, sedangkan peningkatan pembebanan dinamis mengakibatkan peningkatan sedang dalam sintesis dan kandungan proteoglikan. Latihan berat (20 km/hari selama 15 minggu) pada anjing menyebabkan perubahan kandungan proteoglikan, khususnya penurunan tajam konsentrasinya di zona superfisial. Beberapa pelunakan tulang rawan reversibel dan remodeling tulang subkondral terjadi. Namun, pembebanan statis yang parah menyebabkan kerusakan tulang rawan dan degenerasi berikutnya. Selain itu, hilangnya aggrekan ECM memicu perubahan abnormal yang menjadi ciri osteoartritis. Hilangnya aggrekan mengakibatkan daya tarik air dan pembengkakan sejumlah kecil proteoglikan yang tersisa. Pelarutan aggrekan ini berkontribusi terhadap penurunan kerapatan muatan tetap lokal dan akhirnya menyebabkan perubahan osmolaritas.