關(guān)節(jié)軟骨的發(fā)育.doc

關(guān)節(jié)軟骨的發(fā)育、結(jié)構(gòu)與組成一、關(guān)節(jié)軟骨的發(fā)育人類關(guān)節(jié)發(fā)育始于胚胎第6周、第10周形成 關(guān)節(jié)，出生后關(guān)節(jié)軟骨有兩個增生層:深層是骨 骺的一部分。淺層在關(guān)節(jié)面下，供給關(guān)節(jié)軟骨 細胞，出生后第1年關(guān)節(jié)軟骨最厚，以后則淺層停 止增生，幼兒關(guān)節(jié)軟骨呈無色半透明狀，富于細胞 且肥厚，含有大量水分與黏多糖。到第6個月時 蛋白合成率降低，軟骨成熟的標(biāo)志是潮線（tide mark)的出現(xiàn)，說明軟骨內(nèi)骨化停止，血管不再穿 人關(guān)節(jié)軟骨，潮線下的軟骨鈣化，形成軟骨下骨 板。二、關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)軟骨為透明軟骨，透明呈藍白色，位于長 骨端形成關(guān)節(jié)面，隨著年齡增長而色澤變暗，軟骨 質(zhì)堅而具韌性，受壓時變形，去壓后可恢復(fù)原形。 軟骨中沒有神經(jīng)血管，但具有大tt細胞外基質(zhì)，軟 骨細胞位于陷窩之中，稀疏散在。關(guān)節(jié)軟骨可分為如下層次，自關(guān)節(jié)表面向骨 端依次為滑動帶、過渡帶、放射帶、鈣化帶和軟骨 下骨性終板（圖2-1-1)。1、滑動帶（gliding zone) 位于域表層，厚度 約200Mm，主要為膠原纖維、軟骨細胞與膠原纖 維之排列，與關(guān)節(jié)面平行，直徑為30mn，基本不 含黏多糖，除與關(guān)節(jié)平行的纖維外，還常形成直角 關(guān)節(jié)軟骨的分層互相交叉，軟骨細胞呈細長狀在陷窩內(nèi).細胞陷窩 之間隙非常小，滑動帶在關(guān)節(jié)的表面有功能性孔 或開口，以利營養(yǎng)物質(zhì)及低分子攝物質(zhì)從孔出人 軟骨。2、過渡帶（transitionalzone) 位于消動帶 切線層下，軟骨細胞較小，散在于富含膠原與糖蛋 白的基質(zhì)內(nèi)，膠原纖維的走向由表面層的與關(guān)節(jié) 面平行，逐漸變?yōu)樾毙小?、放射帶（radialzone) 在過渡帶之下，厚 度占關(guān)節(jié)軟骨下半部的1/3，特點是軟骨細胞呈 垂直放射狀，細胞排列為柱形，膠原纖維變?yōu)榇怪狈较?，有時見拱形狀，在放射帶的基底，纖維 成粗束狀，固定于潮線、放射帶的基質(zhì)更為質(zhì)密。4.潮線在HE染色時呈波浪狀嗜堿性線， 包含排列紊亂的原纖維，平行的、垂直的原纖維、 膠原纖維等。潮線下的鈣化帶含有大小不等的但 較小的軟骨的膠原細胞，可表現(xiàn)為變性及壞死。 潮線的作用是牢固地連接軟骨的膠原纖維和軟骨 下骨板.軟骨下骨板含骨小梁，厚薄不等。由骨皮 質(zhì)與哈佛系統(tǒng)所組成。三、關(guān)節(jié)軟骨的組成(一）軟骨細胞關(guān)節(jié)軟骨中軟骨細胞與基質(zhì)相比，細胞很少， 故代謝活性低，軟骨中含有高濃度乳酸和糖酵解 代謝的各種酶，含氧低，故采取厭氧代謝途徑，使 軟骨在低氧張力下發(fā)揮作用。營養(yǎng)分子可經(jīng)滑液 或骨核彌散到關(guān)節(jié)軟骨。在骨發(fā)育成熟后，滑液 成為營養(yǎng)唯一來源，經(jīng)基質(zhì)彌散來營養(yǎng)軟骨細胞。 各種營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)軟骨基質(zhì)的彌散系數(shù)等于水的一 半，而且這種彌散是被動過程，即在滑液流動時， 軟骨能得到充分營養(yǎng)。關(guān)節(jié)制動時滑液停滯，增 加了分子彌散的阻力，則影響深部軟骨細胞獲得 營養(yǎng)。由于滑液可以營養(yǎng)軟骨，故脫落的軟骨和 死骨表面的軟骨可以存活。在關(guān)節(jié)反復(fù)負載的情 況下，才能保持正常軟骨的代謝，關(guān)節(jié)軟骨的非負 荷部位容易出現(xiàn)變性，反復(fù)負荷可刺激軟骨細胞 合成軟骨基質(zhì)，軟骨細胞的變性壞死與退變，主要 先見于第2、3帶。除了這些關(guān)節(jié)表面至骨之間各層的不同特 性之外，根據(jù)基質(zhì)與軟骨細胞的接近程度分為細 胞周、細胞領(lǐng)域與細胞領(lǐng)域間。這些區(qū)域的內(nèi)容 物（膠原、蛋白多糖和其他基質(zhì)成分）各不同，膠 原纖維的粗細和排列方式也不同。胞周基質(zhì)是 靠近細胞膜并完全包圍軟骨細胞的非常薄的一 層，主要由蛋白多糖與其他非膠原成分組成，幾 乎沒有膠原纖維。圍繞胞周基質(zhì)的細胞領(lǐng)域，由 于其邊界纖細膠原纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而與領(lǐng)域間基 質(zhì)區(qū)別開來。關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)中細胞領(lǐng)域間基質(zhì) 占的比例最大，決定了關(guān)節(jié)軟骨的主要特性。它 包括了細胞領(lǐng)域間基質(zhì)里單個細胞和細胞簇間 的基質(zhì)，含有大分子的膠原纖維與大部分蛋白多糖。關(guān)節(jié)軟骨的形成與維持依賴于軟骨細胞。 它們來源于間充質(zhì)細胞，在骨骼的生長過程中， 這些細胞可以增加基質(zhì)的體積。在成熟組織 中，軟骨細胞占總組織體積的10%以下，負責(zé)維 持基質(zhì)。軟骨細胞代謝活躍，可以對許多環(huán)境 刺激產(chǎn)生反應(yīng)，包括：可溶性調(diào)節(jié)因子，如生長 因子、白細胞介素、藥物、基質(zhì)分子、機械負重、 流體壓力的變化。雖然軟骨細胞一般處于穩(wěn)定 狀態(tài)，但其對一些因子（如白細胞介素-1)的反應(yīng) 可以導(dǎo)致基質(zhì)的退變。但關(guān)節(jié)軟骨的軟骨細胞對于另外一些通常調(diào)節(jié)人體生理活動信號的反 應(yīng)是有限的。關(guān)節(jié)軟骨無神經(jīng)支配，所以，不依 賴神經(jīng)沖動傳遞信息。而且，由于不含單核與 蛋白質(zhì)共價結(jié)合區(qū)域共同組成，這種分子會加 強膠原纖維與蛋白多糖間的相互連接。細胞或 免疫球蛋白，故關(guān)節(jié)軟骨中沒有免疫反應(yīng)（細胞 或體液免疫）。(二）軟骨基質(zhì)由于軟骨細胞只占關(guān)節(jié)軟骨總體積的一小 部分，其組成成分以基質(zhì)為主。水分占正常關(guān)節(jié) 軟濕重的65%80%(圖2-1-2，表2-1-1)，其余 組織的濕重由兩種大分子結(jié)構(gòu)組成：膠原和蛋白 多糖。其他成分還包括脂肪、磷脂、蛋白質(zhì)及糖 蛋白，然而它們在總基質(zhì)中的具體作用還不明 確，但必須認識到它們是除了膠原與蛋白多糖之 外的重要成分。例如，K型膠原是雜合的，即由 膠原和糖胺聚糖與蛋白質(zhì)共價結(jié)合區(qū)域共同組 成，這種分子會加強膠原纖維與蛋白多糖間的相 互連接。雖然這些成分總體數(shù)量少，但也可能與U 型膠原或大分子聚合物有相同的摩爾當(dāng)量（如 連接蛋白），而且也是在基質(zhì)中發(fā)揮重要的功 能。1. 水分 是正常關(guān)節(jié)軟骨最豐富的成分，占 濕重的65%80%。骨關(guān)節(jié)炎的早期，組織分解 以前水分的含量可以達到90%以上。少量水分 位于細胞間隙，30%位于膠原中的纖維間隙，剩余 的位于基質(zhì)中的分子間隙。組織水分中溶解有無 機鹽，如鈉、鈣、氯、鉀。整個關(guān)節(jié)軟骨中水分的含 量不盡相同，軟骨表面為80%，深層只有65%。 當(dāng)固體基質(zhì)受到擠壓或存在壓力梯度時，水分可以在基質(zhì)中流動。流經(jīng)基質(zhì)分子孔隙的摩擦阻力 非常高，而組織的滲透性非常低?；|(zhì)中水分的 摩擦阻力和耐壓基于兩個基本機制，使得關(guān)節(jié)軟 骨能支持非常高的負荷。通過組織和關(guān)節(jié)表面的 水分流動，可以促進輸送營養(yǎng)物質(zhì)，潤滑關(guān)節(jié)。軟 骨中水分流動的流體力學(xué)機制遵循流體力學(xué)與物 理化學(xué)定律。根據(jù)定律可以證明，使水分在基質(zhì) 中流動需要很大的壓力。例如：使水以17.5；im/S (很低）的速度通過正常的關(guān)節(jié)軟骨，需要IMPa(145psi)的壓力。也就是說，要使水分以該速度 通過軟骨，則組織兩側(cè)必須存在IMPa的壓力 差。關(guān)節(jié)軟骨對水的親和力主要源自蛋白多糖的 親水特性，膠原蛋白影響較小。純膠原蛋白構(gòu)成 的物質(zhì)通過毛細管現(xiàn)象與表面張力被水濕化，這 是一個相對較弱的物理機制。蛋白多糖吸收水分 的能力取決于兩方面的物理化學(xué)機制：Dorman滲透壓，由組織間隙中可以自由移動的對流離子（如Ca2+，Na+)所形成，而離子是為了中和蛋白多糖的電荷所產(chǎn)生；或者同樣地產(chǎn)生于分布在蛋白多 糖分子上的固定的負電荷之間的靜電排斥力，蛋 白多糖在溶液中存在體積膨脹的趨勢。對于關(guān)節(jié)軟卄，水合的程度取決于蛋內(nèi)多搪產(chǎn)生總的膨脹 m力與包繞蛋白多糖的粗大膠原網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)牛的約 束力之間的平衡。因此，當(dāng)水分一旦與任何一種 大分子接觸，就形成黏肴穩(wěn)定的間態(tài)基質(zhì)，使紺織 與水分緊密結(jié)合。2. 膠原膠原是基質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)大分子（表 2-1-2)，至少有15種不同的膠原種類，它們由至 少29種遺傳性狀不同的鏈組成。所有的膠原家 族成員均有特定的三螺旋結(jié)構(gòu)，組成其分子的大 部分長度，或者，被1個或幾個非螺旋形的結(jié)構(gòu)域 中斷。膠原蛋白占關(guān)節(jié)軟骨干ffi的50%以上，其 中，90%95%是丨丨甩膠原。但楚，軟骨基質(zhì)中也 有乂、1、)(1咽膠股。關(guān)節(jié)軟骨的膠原蛋白 使組織具有張力與的力特性，固定萆質(zhì)中的蛋白 多糖。軟骨中的膠原纖維一般比肌腱或骨組織中 的要纖細，部分原W也許與其在紺織中與相對多 的蛋白多糖相互作用的功能有關(guān)。M然膠原的寬 度可以W年齡或疾病增加，但在10lOOnm變 化，膠原纖維并不十分有序排列，特別辦:軟骨的中 間層呈隨機分布（閿2-1-3)。所有膠原具有三螺旋結(jié)構(gòu)，由3條多肽鏈（a 鏈）組成。鏈中33%的氨基酸是甘氨酸，25%是 脯氨酸。由于脯氨酸的存在，每一條多肽鏈都呈 現(xiàn)特征性的左手螺旋構(gòu)銦，并且在三螺旋結(jié)構(gòu)中 繞共同的軸右旋，編織成獨特的具有抗拉伸應(yīng)力 的結(jié)構(gòu)。膠原蛋白還含有羥脯氨酸、羥賴氨酸、糖 坫化(半乳糖基或半乳糖葡萄糖基）羥賴氨酸。膠 職三螺旋結(jié)構(gòu)的氨基酸序列可以表示為（Gly- Xaa-Yaa) n，除氨酸以外，Xaa與 Yaa處可以是 任何一種氨基酸，主要是脯氨酸與羥脯氨酸。 鉍酸是構(gòu)成三螺旋空間結(jié)構(gòu)中必需的分子W敁小 的氨基酸，因為每三個殘基的功能組構(gòu)成螺旋內(nèi) 部結(jié)構(gòu)。因羥脯氨酸能使分子內(nèi)氫鍵沿著分子的 長度形成，故對于維持膠原的穩(wěn)定性是必需的。 羥賴氨酸參與共價結(jié)合以維持膠原纖維集合的穩(wěn) 定性。某些膠原（如n型），分布于整個軟骨基質(zhì)，而 另外一些則局限于特定區(qū)域，如VI、K、XI型膠股。 圖2-1-4是膠原單體（以前的文獻稱為原膠原）的 典型投?；|(zhì)中，膠原單體由連續(xù)的三螺旋結(jié) 構(gòu)it尾或側(cè)側(cè)相連排列成1/4交錯取杵的三維結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生了膠原纖維的特征性的帶形。 軟骨中該結(jié)構(gòu)以丨I 5?膠原最為典甩，X丨甩膠原蛋 白也可形成膠原纖維但較纖細。rtl于三螺旋結(jié)構(gòu) 的斷裂，K型膠原A身不形成纖維結(jié)構(gòu)，但與纖維 表面有關(guān)。3、蛋白多糖蛋白多糖是一種雜的大分 子，從名字上看，由核心蛋白共價結(jié)合多糖鏈（糖 胺聚糖）（以前的名稱為黏多糖）組成。蛋白多糖 正規(guī)應(yīng)該叫做蛋白質(zhì)核心多糖或黏多糖，后者仍 被用來描述遺傳件疾病。糖胺聚糖（glyeosamin- oglycaruGAG)由長鏈的、未分叉的重復(fù)二糖單位 組成。軟骨的蛋白多糖主要有3種類型 :即4-與 6-硫酸軟背紊同分異構(gòu)體、硫酸角柬和硫酸皮膚 素。軟卄中硫酸軟卄索是敁主要的糖胺聚糖，占 總獄的55%90%，主要根據(jù)個體的年齡或骨關(guān)節(jié)炎的情況而定。每一條鏈由2530個重復(fù)二 糖單位組成，平均重量1520ku。關(guān)節(jié)軟骨中的 硫酸角質(zhì)素主要存在于大的蛋白多糖聚合體中， 不像硫酸軟骨素一樣定義明確。其組成與硫酸化 的程度因個體、年齡的不同而變化。人類關(guān)節(jié)軟 骨的硫酸角質(zhì)素鏈比硫酸軟骨素鏈要短，平均分 子量為510ku。透明質(zhì)酸也是一種糖胺聚糖， 但與上述不同，是非硫酸化的，而且，不與核心蛋 白共價結(jié)合，因此，不是蛋白多糖的一部分。在軟 骨中，作為一未分支的鏈其分子錄極大，大于IX106kuo關(guān)節(jié)軟骨中發(fā)現(xiàn)的所有葡糖胺聚糖都有重g 的羧基或硫酸基團。在溶液中這些基團離子化 (coo和sor)，在生理環(huán)境中需要陽性對流離子如Ca2、Naf等來保持其電中性。在間質(zhì)水分 中，這些可以自由移動的離子形成Donnan滲透 壓。同樣地，組織里的蛋白多糖被包裹于自身流 動液體的1/5體積中，所以固定電荷基團的空間 距離為1015人，導(dǎo)致很強的電荷與電荷之間的 相斥力量，這種電荷間相互排斥的力量大小也取 決于組織中對流離子的濃度。關(guān)節(jié)軟骨中80%90%的蛋白多糖形成大 的聚合體，稱之為可聚蛋白聚糖（aggrecan)。它 們包括一個長的伸展的核心蛋白，與多達100個 硫酸軟骨素鏈和50個硫酸角質(zhì)素的糖胺聚糖鏈 以共價結(jié)合。在年輕人，硫酸角質(zhì)素的濃度相對 較低，4-硫酸軟骨素是硫酸軟骨素的主要形式。 隨年齡增長，硫酸角質(zhì)素的含量增加，6-硫酸軟骨 素成為硫酸軟骨素的主要形式?？删鄣鞍拙厶堑?核心蛋白大而復(fù)雜（分子量2ku或更大），形成幾 個球狀或伸展結(jié)構(gòu)域。一個伸展結(jié)構(gòu)域含有大多 數(shù)的硫酸角質(zhì)素糖胺聚糖鏈，鄰近最長伸展區(qū)域 的是由硫酸軟骨素與一些散在分布的硫酸角質(zhì)素 鏈結(jié)合的區(qū)域。小的寡糖與核心蛋白相連。核心 蛋白的N-末端，一個球狀結(jié)構(gòu)域(GJ有特殊的功能，能與透明質(zhì)酸相結(jié)合?？删鄣鞍拙厶瞧渌驙罱Y(jié)構(gòu)域的功能未明， 一個孤立的、較小分子的連接蛋白與可聚蛋白聚 糖的G,結(jié)構(gòu)域和透明質(zhì)酸結(jié)合，穩(wěn)定連接以形 成可聚蛋白聚糖-透明質(zhì)酸-連接蛋白復(fù)合體，即 所謂的蛋白多糖集聚體。它們間以非共價鍵結(jié) 合。但是，該復(fù)合體間的非共價結(jié)合力很強大。 如果沒有蛋白水解酶的降解這種連接是不可逆轉(zhuǎn) 的?；|(zhì)中，聚合作用可以穩(wěn)定可聚蛋白聚糖，而 且由于每條透明質(zhì)酸鏈都是無分叉的長鏈，許多 可聚蛋白聚糖分子可以與單一透明質(zhì)酸鏈結(jié)合形 成大的蛋白多糖集聚。集聚體的大小因年齡和疾 病狀態(tài)而變化，隨年增加，軟骨退行性時，集聚體 變小。胎兒關(guān)節(jié)軟骨中含有的集聚體大于300ku 可聚蛋白聚糖，而大部分成熟關(guān)節(jié)軟骨的集聚體 只是其部分片段。關(guān)節(jié)軟骨中蛋白多糖的分布隨組織深度而改 變，呈不均勻分布。淺表層富含膠原，蛋白多糖較 少。在移行層，蛋白多糖的含量增加，分布趨于均 一。在深層，分布的變化更大。每一個軟骨細胞 的胞周基質(zhì)所聚集的蛋白多糖的量，是遠離細胞 的基質(zhì)中的2倍。人膝關(guān)節(jié)軟骨糖蛋白的平均半衰期在300d 以上，而髖關(guān)節(jié)軟骨是800d,硫酸角質(zhì)素的轉(zhuǎn)換 率低于硫酸軟骨素。老年軟骨氨基多糖中硫酸角 質(zhì)素占有較大部分，雖然關(guān)節(jié)軟骨的大部分糖蛋 白的壽命約600d，但部分糖蛋白迅速降解并再合 成。關(guān)節(jié)軟骨表面的糖蛋白丟失，可能是由于滑 膜的透明質(zhì)酸對蛋白合成的抑制，