変形性関節症：どのように関節軟骨が整えられていますか？

正常な関節軟骨は、機械的ストレス中の変形による圧力吸収と関節表面の滑らかさを保証する2つの主な機能を果たし、関節内を移動する際の摩擦を最小限に抑えることができます。これは、細胞外マトリックス（ECM）に浸漬されたコンドロイタで構成される関節軟骨の独特の構造によって保証される。

成人の正常な関節軟骨は、表面または接線、ゾーン、遷移ゾーン、深部または放射状ゾーンおよび石灰化ゾーンのようないくつかの層またはゾーンに分けることができる。表面と遷移領域との間の層、特に遷移領域と深い領域との間の層は明確な境界を有さない。石灰化していない軟骨と軟骨とのつながりを「波状の境界線」と呼びます。これは、脱灰した組織を染色することによって決定される線です。軟骨の石灰化ゾーンは、カスピアの全高の比較的一定の割合（6〜8％）である。石灰化軟骨の領域を含む関節軟骨の総厚さは、関節表面のある領域の負荷および関節のタイプによって変化する。軟骨下骨の間欠的静水圧は軟骨の正常な構造を維持し、骨化を遅くするのに重要な役割を果たす。

軟骨細胞は、全組織質量の約2〜3％を構成する。（接線）ゾーンでは、軟骨の表面に沿って、深い（放射状の）ゾーンに沿って位置する。遷移ゾーンにおいて、軟骨細胞はマトリックス全体に分散した2〜4個の細胞の群を形成する。関節軟骨の領域に依存して、軟骨細胞の位置の密度は変化する。表面領域における最高細胞密度であり、石灰化細胞における最も低い細胞密度である。さらに、細胞分布の密度は、関節から関節まで様々であり、軟骨の厚さおよびそれに対応する部位が受ける荷重に反比例する。

最も表面上に位置する軟骨細胞は円板状であり、接線ゾーン内に、マトリックスの狭いストリップの下に位置するいくつかの細胞層を形成する。このゾーンの深く位置するセルは、より不均一な輪郭を有する傾向がある。移行ゾーンでは、軟骨細胞は球形をしており、マトリックス中に散在する小グループに結合されることもあります。深部ゾーンの軟骨細胞は、主に楕円形の形状であり、半径方向に配置された2〜6細胞の鎖にグループ分けされる。石灰化ゾーンでは、それらはさらに慎重に分布する。それらのうちのいくつかは生存可能であるが、壊死性である。細胞は石灰化されていないマトリックスに囲まれ、細胞間空間は石灰化される。

したがって、ヒトの関節軟骨は、水和したECMおよびその中に浸された細胞からなり、これは全組織体積の2〜3％を構成する。軟骨組織は血液およびリンパ管を有していないので、細胞間の相互作用、それらへの栄養物の送達、代謝生成物の除去は、ECMによる拡散によって行われる。代謝軟骨細胞は非常に活性があるという事実にもかかわらず、成人には通常分裂しない。軟骨細胞は無酸素環境に存在し、その代謝が主に嫌気的に行われると信じている。

各軟骨細胞は、隣接する細胞から単離された軟骨の別個の代謝単位であると考えられるが、所与の細胞のすぐ近くでその組成を維持するVKM要素の産生に関与する。

VKMでは3つの部門が区別され、それぞれの部門は独自の形態学的構造と一定の生化学的組成を持っています。VKMは、軟骨細胞のカスマ細胞に直接隣接して、細胞周囲または腔内のマトリックスと呼ばれる。これは、CD44様受容体とプロテオグリカン凝集体の高い関連細胞相互作用のヒアルロン酸含有量、および組織化コラーゲン原線維の相対的欠如によって特徴づけられます。直接細胞周囲領土マトリックスまたはカプセル、繊維状コラーゲンと交差のネットワークから成るマトリックス、個々の細胞をカプセル化し、または（時には）hondronを形成する細胞の集団、細胞のための特別な機械的支持を提供する可能性が高いと接触しています。マイクロフィラメントの豊富な多数の細胞質プロセスによって、およびそのようなCD44-ankorinとpodobnye受容体などの特定マトリックス分子によって達成莢膜で軟骨マトリックスにお問い合わせください。最大かつ最も遠隔基底膜からECMを分離軟骨細胞 - コラーゲン原線維およびプロテオグリカンの最大数を含むinterterritorialマトリックス。

部門へのECMの分割は、未成熟関節軟骨よりも成人の関節軟骨においてより明確に描写される。各部門の相対的なサイズは、異なる関節だけでなく、同じ軟骨内でさえも変化する。各軟骨細胞は、それを取り囲むマトリックスを産生する。提出された研究は、軟骨の軟骨細胞がその細胞周囲と領土行列を超えるアクティブな代謝制御を行い成熟代謝的に「不活性」することができ低活性制御interterritorialマトリックス、です。

先に示したように、関節軟骨は、主に、軟骨細胞によって合成され調節される巨大なVKMからなる。組織の高分子とその濃度は、変化する機能的要求に応じて変化する。しかし、細胞は、生理学的必要性に応じてマトリックス全体を同時にまたは特定の段階で合成することは不明のままである。巨大分子の濃度、それらの間の代謝バランス、関係および相互作用は生化学的特性を決定し、したがって1つの関節内の関節軟骨の機能を決定する。関節軟骨VCR大人の主成分はしっかりコラーゲン、プロテオグリカン、および非コラーゲン性糖タンパク質を含む巨大分子軟骨組織の特殊な物理的性質により、その中に接続されている水（合計質量の65から70パーセント）です。

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軟骨の生化学的組成

コラーゲン繊維は、コラーゲン原線維タンパク質の分子からなる。哺乳類では、コラーゲンの割合が体内のすべてのタンパク質の4分の1を占めています。コラーゲンは、トロポコラーゲンと呼ばれる構造サブユニットからなる原線維要素（コラーゲン原線維）を形成する。トロポコラーゲン分子は三重らせんを形成する3つの鎖を有する。これらの分子は、約1/4の長さの一定のシフトと長手方向に平行に配置されているようなトロポコラーゲン分子の構造、ならびにコラーゲン線維の構造、およびそれらが配置されている組織の高弾性と強度を確保します。現在、10の遺伝的に異なるタイプのコラーゲンが知られており、a鎖の化学構造および/またはそれらの分子内の集合が異なっている。最も研究された最初の4つのタイプのコラーゲンは、最大10個の分子アイソフォームを形成することができる。

コラーゲン原線維は、軟骨組織を含むほとんどのタイプの結合組織の細胞外空間の一部である。不溶性三次元ネットワーク内では、プロテオグリカン、糖タンパク質および組織特異的タンパク質などの他のより可溶性の成分は、崩壊するコラーゲン線維から「絡み合っている」。コラーゲン要素に共有結合していることもある。

フィブリルで組織されたコラーゲン分子は、軟骨の有機乾燥残留物（天然軟骨の10〜20％）の約50％を構成する。成熟軟骨では、約90％のコラーゲンがII型コラーゲンであり、特定の組織（例えば、硝子体、胚性脊髄）のみに見られる。II型コラーゲンは、コラーゲン分子の第一級（原線維形成）を指す。彼に加えて、ヒトコラーゲンIXの成熟関節軟骨には、XI型および少数のVI型も見られる。コラーゲン線維中のIX型コラーゲン線維の相対量は、胎児の軟骨の15％から雄牛の成熟軟骨の約1％に減少する。

コラーゲンI型の分子は、プレコラーゲン前駆体の形態で合成され分泌される3つの同一のポリペプチドα（II）鎖からなる。既製のコラーゲン分子が細胞外空間に放出されると、それらは原線維を形成する。成熟した関節軟骨II型コラーゲンは、組織の深い層により多くの「厚い」分子が位置し、表面層にはより水平的に「薄い」形態の原線維アーケードを形成する。

タイプIIのプロコラーゲン遺伝子においては、システインに富むN末端プロペプチドをコードするエキソンが見出された。このエキソンは成熟軟骨では発現されないが、発生初期（前軟骨形成）に発現する。このエキソンの存在により、プロコラーゲンII型分子（II型A）はII型コラーゲンよりも長い。おそらく、このタイプのプロコラーゲンの発現は、関節軟骨のECMにおける要素の蓄積を阻害する。それは、軟骨の病理（例えば、不十分な修復反応、骨細胞形成など）の発達において役割を果たす可能性がある。

II型コラーゲン原線維のネットワークは、引張強度機能を提供し、組織の体積および形状を維持するために必要である。この機能は、コラーゲン分子間の共有結合および架橋によって増強される。VKMにおいて、lシロキシダーゼ酵素は、ヒドロキシル基からアルデヒドを形成し、次いで、多価アミノ酸ヒドロキシルシル - ピリジノリンに変換され、鎖の間に架橋を形成する。一方、このアミノ酸の濃度は年齢と共に増加するが、成熟軟骨においては実質的に変化しない。他方、関節軟骨では、酵素の関与なしに形成された年齢とともに、異なる型の架橋の濃度の増加が形成される。

コラーゲン軟骨組織の総量の約10％は、多くの点でこの組織の固有の機能を決定する、いわゆるマイナーコラーゲンである。コラーゲンIX型は、クラスIII分子korotkospiralnyh及び（中断トリプル有するフィブリル関連コラーゲン固有のグループFACITコラーゲン属する -ヘリックス中断三重らせんを有する原線維関連コラーゲン）。3つの遺伝的に異なる鎖で構成されています。それらのうちの1つ（_2本鎖）はコンドロイチン硫酸と同時にグリコシル化され、この分子を同時にプロテオグリカンにする。コラーゲンIX螺旋型およびII型コラーゲンのセグメントの間に、成熟したヒドロキシピリジン架橋および未成熟ヒドロキシピリジン架橋の両方が検出される。コラーゲンIXは、隣接するコラーゲン原線維間の分子間繊維間「連結」（またはブリッジ）としても機能することができる。コラーゲンIX分子は、それらの間に架橋を形成し、これは、原線維三次元ネットワークの機械的安定性を増加させ、酵素の影響からそれを保護する。それらはまた、変形に対する抵抗性を提供し、ネットワーク内のプロテオグリカンの膨張を制限する。アニオン性CS鎖に加えて、コラーゲンIX分子は、高電荷フィブリルを提供するカチオン性ドメインおよび他のマトリックス高分子と相互作用する傾向を含む。

コラーゲンXI型は、コラーゲンの全質量のわずか2〜3％である。これは、コラーゲンの第1クラス（原線維形成）に属し、3つの異なるa鎖からなる。II型コラーゲンおよびIX型コラーゲンとともに、X型コラーゲンは関節軟骨のヘテロフィブリルを形成する。コラーゲンXI型の分子は、免疫電子顕微鏡の助けを借りてタイプIIのコラーゲン線維の内部に見出される。おそらく、それらは、II型コラーゲン分子を編成し、フィブリルの側方成長を制御し、異型コラーゲンフィブリルの直径を決定する。さらに、コラーゲンXIは架橋の形成に関与するが、成熟した軟骨においてさえも、横結合は未成熟二価ケトアミンの形態で残る。

短期間の分子のクラスIIIのもう一つの代表的なVI型コラーゲンの少量が、関節軟骨に見出された。VI型コラーゲンは種々のミクロフィブリルを形成し、おそらくコンドロンの莢膜マトリックスに濃縮される。

プロテオグリカンは、少なくとも1つのグリコサミノグリカン鎖が共有結合しているタンパク質である。プロテオグリカンは、最も複雑な生物学的巨大分子の一つに属する。最も広範なプロテオグリカンは、軟骨VKM中に存在する。コラーゲン線維のネットワーク内に「絡み合った」親水性プロテオグリカンは、その主な機能を果たします - 軟骨に可逆的に変形する能力を知らせます。プロテオグリカンは他の多くの機能を果たしていると考えられており、その本質は完全には明らかではない。

アグリカンは、関節軟骨の主要プロテオグリカンであり、組織中のプロテオグリカンの総質量の約90％である。その230kDのコアタンパク質は、N末端およびC末端オリゴ糖と同様に、多くの共有結合したグリコサミノグリカン鎖によってグリコシル化される。

総重量の巨大分子の約90％を構成する関節軟骨のグリコサミノグリカン鎖、 - （硫酸化二糖由来の配列を表すN-atsetilglyukozamingalaktoza複数硫酸部分およびそのようなシアル酸のような他の単糖残基）、ケラタン硫酸およびコンドロイチン硫酸（由来の配列を表しますN-アセチルガラクトサミンの二糖、グルクロン酸、硫酸エステル、第四またはN-atsetilgの6番目の炭素原子に接続された各 ラクトサミン）。

アグリカンコアタンパク質は、2つ（E1およびE2）ドメイン球間3球状（G1、G2、G3）Hを含んでいます。N末端部分は、Gを含む-とG2-ドメインは21nmでのE1セグメント長を分離しました。C末端、Gから離間位置C3-ドメイン₂約15~25ケラタン硫酸鎖およびO結合型オリゴ糖の100本の以上のコンドロイチン硫酸鎖を担持するより長い（約260 nm）のE2セグメント。N結合型オリゴ糖は、主G1-及びC2ドメイン及びE1-セグメント内、ならびにGの近傍に見出さ₃ -regiona。最も拡張（コンドロイチン硫酸に富むいわゆる領域）鎖は、コンドロイチン硫酸及びケラタン硫酸鎖の約50％を含む：グリコサミノグリカンは、二つの領域にグループ化されます。Eにローカライズされたケラタン硫酸塩の豊富な地域、₂ G1ドメインの近くに-segmenteは、コンドロイチン硫酸塩が豊富な地域に先行します。アグリカン分子はまた、コンドロイチン硫酸鎖がコアタンパク質に添付されているキシロース残基に主に局在するリン酸エステルを、含まれています。それらはまた、コアタンパク質のセリン残基上に見出される。

C3ドメインのC末端セグメント_は、レクチンと高度に相同であり、その結果、プロテオグリカン分子は、特定の炭化水素構造に結合することによってECMに固定され得る。

最近の研究では、G ₃内のEGF様（表皮成長因子）サブドメインをコードするエキソンが観察された。抗EGFポリクローナル抗体を用いて、ヒト関節軟骨の凝集体中の68kDのペプチド内にEGF様エピトープが局在していた。しかし、その機能には明確化が必要です。このサブドメインは、リンパ球の移動を制御する接着分子の構造にも見られる。成熟ヒト関節軟骨から単離されたアグリカン分子の約三分の一は、無傷のCを含む_3つの;のドメイン おそらく、これは、ECMにおいて、アグリカン分子は、酵素経路によってサイズを減少させることができるという事実による。分割された断片のさらなる運命および機能は不明である。

主機能セグメントは、アグリカン分子glikozaminoglikannesuschy Eで₂ -segment。ケラタン硫酸塩が豊富なこの部位には、アミノ酸であるプロリン、セリン、スレオニンが含まれています。セリンおよびトレオニン残基の大部分は、N-アセチルガラクトサミン残基でO-グリコシル化されており、ケラタン硫酸鎖に包埋されたいくつかのオリゴ糖の合成を引き起こし、それによってそれらを延長する。残りのE ₂セグメントは、そのシリーズがコンドロイチン硫酸鎖の開始時にキシロシル残基への付着を提供する100を超えるセリン - グリシン配列を含む。通常、コンドロイチン-6-硫酸とコンドロイチン-4-硫酸の両方が、プロテオグリカンの同じ分子内に同時に存在するが、軟骨組織の位置および人の年齢によって異なる。

ヒトの関節軟骨のマトリックス中のアグリカン分子の構造は、成熟および老化の過程において多くの変化を受ける。加齢に関連する変化には、コンドロイチン硫酸塩の平均鎖長の変化、ケラタン硫酸鎖の数および長さの増加の結果としての流体力学的サイズの減少が含まれる。アグリカン分子の多くの変化はまた、コアタンパク質上のタンパク質分解酵素（例えば、アグリカナーゼおよびストロメリシン）の作用を受ける。これにより、アグリカン分子のコアタンパク質の平均長さが漸進的に減少する。

アグリカン分子は、軟骨細胞によって合成され、ECMで分泌され、結合タンパク質の分子によって安定化された凝集体を形成する。この凝集は、グルクロン酸フィラメントと約200分子のアグリカンおよび結合タンパク質との間の非常に特異的な非共有的および協同的相互作用を含む。グルクロン酸は、N-アセチルグルカミンおよびグルクロン酸の多数の連続的に結合した分子からなる、細胞外で非スルホン化線状グリコサミノグリカンであり、大きな分子量を有する。アグリカンのG1ドメインの結合ループは、連続的に配置された5つのヒアルロン酸二糖と可逆的に相互作用する。同様の（高相同性の）対のループを含む結合タンパク質は、C1ドメインおよびヒアルロン酸分子と相互作用し、凝集体の構造を安定化させる。C1ドメインヒアルロン酸結合タンパク質複合体は、G1ドメインおよび結合タンパク質をタンパク質分解酵素の作用から保護する非常に安定な相互作用を形成する。分子量40〜50kDの結合タンパク質2分子が同定された。それらはグリコシル化の程度が互いに異なる。ヒアルロン酸 - アグリカン結合部位には、結合タンパク質の1分子のみが存在する。結合タンパク質の第3のより小さい分子は、タンパク質分解切断によってより大きなタンパク質から形成される。

約200分子のアグリカンが1分子のヒアルロン酸に結合して8μmの長さの凝集体を形成することができる。細胞周囲マトリックスは、細胞周囲の領域と領域の境界からなり、細胞膜上のCD44様受容体に（ヒアルロン酸のフィラメントを介して）結合することによって、細胞との結合を保持する。

ECMにおける凝集体の形成は複雑なプロセスである。新たに合成されたアグリカン分子は、すぐにヒアルロン酸に結合する能力を示さない。これは、新たに合成された分子が大きな凝集体に固定化される前にマトリックスの境界領域に到達することを可能にする調節機構として働くことができる。ヒアルロン酸と相互作用することによって凝集体を形成することができる新たに合成されたアグリカン分子および結合タンパク質の数は、年齢とともに有意に減少する。さらに、年齢とともに、人の関節軟骨から単離された凝集体のサイズが著しく減少する。これは、ヒアルロン酸分子およびアグリカン分子の分子の平均長さの減少に一部起因する。

関節軟骨には、2種類の凝集体がある。第1のタイプの凝集体の平均サイズは60Sであり、第2のタイプの凝集体（急速沈降「超凝集」）は120Sである。後者は結合タンパク質の分子が豊富であることを特徴とする。これらのスーパーアグレゲーションの存在は、組織の機能に大きな役割を果たす可能性があります。関節軟骨の中間層に四肢を固定化した後の組織の修復中に、骨関節炎の影響を受けた関節において、疾患の初期段階においてそれらのより高い濃度が見出される。

アグリカンに加えて、関節軟骨は多数のより小さなプロテオグリカンを含む。Biglikanおよびデコリン、デルマタン硫酸を有する分子は、それぞれ約100および70kDの分子量を有する。それらのコアタンパク質の質量は約30kDである。

人間ビグリカン分子の関節軟骨はより頻繁にデコリンを生じたのに対し、二つの鎖デルマタン硫酸が含まれています - 一つだけ。彼らはまた、多くのと同様に、プロテオグリカンの大きな凝集体にすることができるが、これらの分子は、関節軟骨におけるプロテオグリカンのほんの一部です。小さなプロテオグリカンは、コラーゲン原線維、フィブロネクチン、成長因子、およびその他を含むECMの他の巨大分子と相互作用する。デコリンは、もともとコラーゲンフィブリルの表面に局在し、コラーゲン原線維形成を阻害します。ロッドをしっかり従って、おそらく細胞表面受容体（インテグリン）への後者の結合を阻害する、フィブロネクチンの細胞結合ドメインを有するタンパク質を保持します。デコリンおよびバイグリカン結合フィブロネクチンの両方が細胞接着および遊走、ならびに血栓形成を阻害するという事実のために、彼らは、組織修復過程を阻害することができます。

関節軟骨のフィブロモジュリンは、コラーゲン原線維に関連する50〜65kDの分子量を有するプロテオグリカンである。デコレーションとビカカナのコアタンパク質に相同なそのコアタンパク質は、硫酸チロシン残基を大量に含んでいます。このグリコシル化形態のフィブロモジュリン（以前は59kDマトリックスタンパク質と呼ばれていた）は、コラーゲン原線維の構造の形成および維持の調節に関与し得る。フィブロモジュリンおよびデコリンは、コラーゲン原線維の表面に位置する。したがって、先に示したように、フィブリル直径の増加の前に、これらのプロテオグリカン（ならびにコラーゲンタイプIX分子）の選択的除去を行うべきである。

関節軟骨は、プロテオグリカンまたはコラーゲンのいずれにも属さない多数のVKMタンパク質を含有する。それらは他の巨大分子と相互作用して、ほとんどのVKM分子が組み込まれたネットワークを形成する。

34kDの質量を有するタンパク質であるアンホリンは、軟骨細胞の表面および細胞膜に局在し、細胞とマトリックスとの間の相互作用を媒介する。II型コラーゲンに対する高い親和性のために、それは軟骨細胞のフィブリル上の変化した圧力に関するシグナルを伝達する機械受容体として作用することができる。

フィブロネクチンは、ほとんどの軟骨組織の成分であり、血漿のフィブロネクチンとはわずかに異なる。フィブロネクチンは、細胞膜およびII型コラーゲンおよびトロンボスポンジンなどの他のマトリックス成分と相互作用することによって、マトリックスの統合を促進することが示唆されている。フィブロネクチンの断片は、軟骨細胞の代謝に負の影響を及ぼす - アグリカンの合成を阻害し、異化プロセスを刺激する。骨関節症の患者の関節液では、高濃度のフィブロネクチン断片が発見されたので、後の段階で病気の病因に関与する可能性がある。おそらく、軟骨細胞受容体に結合する他のマトリックス分子の断片も同じ効果を有する。

トロンボスポンジンスーパーファミリーのメンバーである軟骨オリゴマーマトリックスタンパク質（OMPC）は、約83kDの分子量を有する5つの同一サブユニットを有する五量体である。それらは関節軟骨、特に増殖組織中の増殖細胞の層に多数存在する。したがって、おそらく、OMPCHは細胞増殖の調節に関与する。はるかに低い濃度で、それらは成熟関節軟骨のECMに見出される。マトリックスタンパク質はまた、

• 軟骨細胞に対して高い親和性を有する基本マトリックスタンパク質（36kD）は、例えばECM中の細胞の相互作用を仲介することができる。
• GP-39（39kD）は、関節軟骨の表層および滑膜において発現される（その機能は不明である）。
• 21kDタンパク質は、肥大化軟骨細胞によって合成され、X型コラーゲンと相互作用し、「波線」領域で機能することができる。

また、軟骨細胞は、軟骨発育の特定の段階で、および病的状態における小さな非凝集プロテオグリカンの非グリコシル化形態を発現することは明らかであるが、その具体的な機能は、現在検討されています。

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関節軟骨の機能特性

アグリカンの分子は、関節軟骨に可逆変形を起こす能力を与える。それらは細胞外空間内の特異的相互作用を示し、間違いなくECMの構成、構造および機能において重要な役割を果たす。軟骨組織では、アグレカン分子は100mg / mlの濃度に達する。軟骨では、Aggregan分子は溶液中に占める体積の20％に圧縮される。コラーゲン線維によって形成された三次元ネットワークは、その特徴的な形状を組織に知らせ、プロテオグリカンの体積の増加を防止する。コラーゲンネットワークの内部では、不動性プロテオグリカンは、間質液の可動カチオン性基と相互作用することを可能にする大きな負電荷（多数のアニオン性基を含む）を有する。水と相互作用するプロテオグリカンは、いわゆる膨潤圧を提供し、これはコラーゲンネットワークによって妨げられる。

ECMに水が存在することは非常に重要です。水は組織の体積を決定する。プロテオグリカンに関連して、それは圧縮に対する耐性を提供する。さらに、水は、ECMにおける分子の輸送および拡散を提供する。組織に固定された大きなプロテオグリカンの負電荷の高密度は、「排除体積効果」を生じる。プロテオグリカンの内部濃縮溶液の孔径は非常に小さいので、大きな球状タンパク質の組織への拡散は厳しく制限される。VKMは、小さな負電荷（例えば、塩化物イオン）および大きな（アルブミンおよび免疫グロブリンなどの）タンパク質をはじく。コラーゲン線維およびプロテオグリカンの高密度ネットワーク内の細胞のサイズは、いくつかの無機分子（例えば、ナトリウムおよびカリウムではなく、カルシウムではない）の寸法でのみ相殺可能である。

VKMでは、ある量の水がコラーゲン線維中に存在する。軟骨の物理化学的および生体力学的特性が、外線維の空間を決定する。原繊維空間における水の含量は、原線維外空間におけるプロテオグリカンの濃度に依存し、後者の濃度の減少とともに増加する。

プロテオグリカンの固定負電荷は、高濃度の遊離カチオンおよび低濃度の遊離アニオンを含む細胞外培地のイオン組成を決定する。アグリカン分子の濃度が軟骨の表面から深部にかけて上昇するので、組織のイオン環境が変化する。ECM中の無機イオンの濃度は高い浸透圧を生じる。

材料としての軟骨の特性は、コラーゲン原線維、プロテオグリカンおよび組織の液相の相互作用に依存する。構造および組成の合成および異化プロセス間の不整合による変化、及び物理的損傷による高分子の分解、有意に軟骨の材料特性に影響を与え、その機能を変化させます。プロテオグリカン及びコラーゲンのマクロ分子組織の濃度と分布が軟骨ゾーンの深さに応じて変化し、各ゾーンの生体力学的特性を変化させます。例えば、プロテオグリカンの低濃度に対して接線方向に配置されたコラーゲン線維のその高濃度の表面積は、特性を最も顕著打ち消し延伸している組織表面に均等に負荷を分散します。移行ゾーンおよび深部ゾーンにおいて、高濃度のプロテオグリカンは、圧縮負荷の移動に組織特性を付与する。「波線」軟骨材料特性のレベルで硬質石灰化軟骨にしなやかnekaltsifitsirovannoyゾーンから急激に変わります。「波形線」の領域では、組織の強度はコラーゲンネットワークによって提供される。軟骨線維は軟骨部分を通過しない; 骨軟骨組織強度の化合物に特別な輪郭によって提供されるゾーンは、2つの層を「閉じ」、およびそれらの分離を防止する不規則な指状増殖物の形態でnekaltsifitsirovannogo及び石灰化軟骨との境界。石灰化軟骨は、軟骨下骨よりも低密度であるので、軟骨に圧縮荷重を軟化し、軟骨下骨がそれを送信し、中間層の機能を果たします。

負荷の間に、3つの力、すなわち伸張、せん断および圧縮の複雑な分布が生じる。関節マトリックスは、負荷ゾーンからの水（および細胞の代謝生成物）の放出のために変形され、間質液中のイオン濃度が増加する。水の動きは、印加される負荷の持続時間および強度に直接依存し、プロテオグリカンの負電荷によって遅延される。組織の変形の間、プロテオグリカンは互いにより密接に押し付けられ、それにより負電荷の密度を効果的に増加させ、分子間反発力の負電荷が組織のさらなる変形の抵抗を増加させる。膨潤圧（イオンプロテオグリカンとの相互作用）および機械的応力（相互作用プロテオグリカン及びコラーゲン） - 最終的変形は外力が平衡内部負荷抵抗力であることを特徴とする請求平衡に達します。荷重が取り除かれると、軟骨組織は栄養物とともに水を吸うことによって元の形状を獲得する。プロテオグリカンの膨潤圧がコラーゲンネットワークの広がりに対する抵抗性と釣り合っているとき、初期（予負荷）組織形態が達成される。

液相として溶解したコラーゲン-プロテオグリカン固相及び水の組成物およびイオン-関節軟骨の生体力学的特性は、織物の構造的完全性に基づいています。荷重のうち、関節軟骨の静水圧は約1〜2気圧である。この静水圧は、インビボで 100〜200気圧に増加することができる。立位時にはミリ秒単位で、歩行時には最大40-50気圧である。研究in vitroでは、時間の短い期間のために50〜150気圧（生理）の静水圧を2時間、軟骨同化作用の緩やかな成長をもたらすことが示されている-液体軟骨の喪失をもたらすが、他の変更を生じません。問題は、軟骨細胞がこの種の負荷に対してインビボでどのくらい速く反応するかである。

プロテオグリカンの濃度のその後の増加に伴う水和の減少した減少は、H ⁺およびNa ^+のような正に荷電したイオンの誘引につながる。これは、ECMおよび軟骨細胞の総イオン組成およびpHの変化をもたらす。長期間の負荷は、pHの低下および軟骨細胞によるプロテオグリカンの合成の同時減少を誘導する。おそらく、合成プロセスに対する細胞外イオン環境の影響は、ECMの組成に対するその効果に部分的に関連する。新しく合成されたアグリカンの分子は、弱酸性媒体中で、通常の状態よりも遅く凝集した形に成熟する。軟骨細胞周辺のpHの低下（例えば負荷中）が、新たに合成されたアグレカン分子がより多くの間隙マトリックスに到達する可能性がある。

負荷がなくなると、水は滑液腔から戻り、細胞の栄養分を運びます。変形性関節症によって損傷された軟骨では、プロテオグリカンの濃度が低下するので、負荷中、水は滑液腔に垂直に移動するだけでなく、他の方向にも移動し、軟骨細胞の供給を減少させる。

犬の固定化や小さな負荷動的負荷の増加は緩やかな増加プロテオグリカン合成およびコンテンツにつながる一方で、軟骨プロテオグリカン含量の合成プロセスの著しい減少につながると...激しい運動（15週間の20キロ日）は、プロテオグリカンの内容の変化を引き起こしました特に、表面領域におけるそれらの濃度の急激な減少をもたらす。軟骨の可逆的軟化および軟骨下骨の再構築があった。しかしながら、大きな静的負荷は、軟骨の損傷およびその後の変性を引き起こした。さらに、アグリカンECMの喪失は骨関節症に特徴的な異常な変化を引き起こす。アグリカンの喪失は、水の誘引および残りの少量のプロテオグリカンの腫脹をもたらす。このアグリカンの溶解は、局所的な固定電荷の密度を低下させるのに役立ち、最終的に浸透圧の変化をもたらす。