Тип клеток хрящевой ткани: Экспериментальные модели остеоартроза | Справочник лекарственных препаратов Компендиум

Экспериментальные модели остеоартроза | Справочник лекарственных препаратов Компендиум

Экспериментальные модели для исследования повреждения и репарации суставного хряща

in vitro

Хрящ — высокоспециализированная ткань, содержащая только один тип клеток (хондроциты), характеризующаяся отсутствием кровеносных и лимфатических сосудов. Питание хряща главным образом осуществляется путем всасывания из синовиальной жидкости. Метаболизм хондроцитов регулируется рядом растворимых факторов, вырабатывающихся локально хондроцитами и окружающими тканями. Функция хондроцитов также зависит от состава внеклеточной среды (напряжение кислорода, концентрация ионов, рН и др.), состава ВКМ, взаимодействия клеток и матрикса, физических сигналов. Главной задачей экспериментального моделирования является создание культур во внеклеточной среде без изменения фенотипа зрелых клеток. Вторая задача — создание культур для изучения преждевременного, отсроченного, короткого или продолжительного ответа хондроцитов на химические и/или физические сигналы. Исследования in vitro также дают возможность изучать поведение хондроцитов при ОА. Третьей задачей является развитие кокультуральных систем, позволяющих изучать взаимодействия различных тканей в суставе. Четвертая задача — подготовка хрящевых имплантатов к последующей трансплантации. И, наконец, пятая задача — исследование факторов роста, цитокинов или терапевтических агентов, которые способны стимулировать репарацию и/или угнетать его резорбцию хряща.

За последние десятилетия созданы различные модели культур клеток суставного хряща, среди них — монослойные культуры, взвешенные культуры, культуры хондронов, эксплантаты, кокультуры, культуры бессмертных клеток. Каждая культура имеет свои преимущества и недостатки и каждая подходит для исследования одного определенного аспекта метаболизма хондроцитов. Так, хрящевые эксплантаты — прекрасная модель для изучения оборота элементов матрикса, для чего требуются подлинные рецепторы клеточной поверхности и нормальные взаимодействия клетка–матрикс и матрикс–клетка. В то же время исследование отложений в матриксе или механизмов регуляции метаболизма хондроцитов рекомендуют проводить на культуре изолированных клеток. Монослойная культура низкой плотности необходима для изучения процесса дифференцировки клеток. Культуры, взвешенные в естественном или синтетическом матриксе, — модель для анализа адаптационного ответа хондроцитов на механический стресс.

Культуры хондроцитов

При выборе хрящевой ткани для исследований in vitro необходимо учитывать несколько важных моментов. Состав матрикса и метаболическая активность хондроцитов варьируют в разных суставах, а последняя также зависит от глубины расположения хондроцитов в ткани. Эти данные были получены в ходе нескольких экспериментов, в которых изучались изолированные субпопуляции хондроцитов из зон хряща различной глубины. Обнаружен ряд морфологических и биохимических различий между культивируемыми хондроцитами, расположенными в поверхностных и глубоких слоях суставного хряща. Поверхностные клетки синтезируют редкий, обедненный протеогликанами фибриллярный матрикс, тогда как более глубокие клетки вырабатывают матрикс, изобилующий фибриллами и протеогликанами (Aydelotte M., Kuettner K.E., 1988; Archer C. et al., 1990). Более того, поверхностные клетки вырабатывают относительно больше мелких неагрегированных протеогликанов и гиалуроновую кислоту и относительно меньше аггрекана и кератан сульфата, чем более глубоко расположенные хондроциты (Manicourt D., Pita J., 1988; Siczkowski M., Watt F., 1990; Korver T. et al., 1992). Другой важной отличительной чертой метаболизма хондроцитов, изолированных из зон хряща разной глубины, является ответ на экзогенный стимул. По данным M. Aydelotte и соавторов (1988, 1991), хондроциты быка из поверхностной зоны хряща были более чувствительны к ИЛ-1, чем клетки глубокой зоны.

Поведение клеток также зависит от локализации ткани. Хондроциты хрящей ребер и ушей, взятые от одного и того же животного, по-разному реагируют на факторы роста, такие, как фактор роста фибробластов (ФРФ) и ТФР-β. ФРФ увеличивал включение тимидина, пролина и лейцина в культуру хондроцитов ребра, но не уха. ТФР-β увеличивал включение тимидина в хондроциты хряща ребра и уха, но не влиял на включение тимидина и пролина в хондроциты уха (Lee J. et al., 1997). Хрящевые клетки, полученные из зон, несущих наибольшую нагрузку, отличаются от таковых из участков с низкой нагрузкой на хрящ. Так, хондроциты зрелого хряща коленного сустава овцы из центральной области суставной поверхности большеберцовой кости, не покрытой мениском, которая переносит наибольшую нагрузку in vivo, меньше синтезируют аггрекан, но больше декорин, чем клетки из зон, покрытых мениском (Little C., Ghosh P., 1997). Авторы также подчеркивают важность использования хряща из идентичных зон суставов при исследовании синтетической функции суставов.

Метаболизм хондроцитов и их ответ на регуляторные факторы также значительно зависит от возраста донора, развития его скелета и состояния суставов, из которых берут клетки. У хондроцитов человека наблюдается значительное снижение с возрастом пролиферативного ответа. Наибольшее снижение отмечается у доноров в возрасте 40–50 лет и старше 60 лет (Henroitin Y., Reginster J.Y., 1999). Более того, выраженность пролиферативного ответа на факторы роста (например, ФРФ и ТФР-β) снижается в процессе старения. Кроме количественных изменений пролиферации хондроцитов существуют еще и качественные изменения. Клетки молодых доноров (10–20 лет) лучше реагируют на фактор роста, полученный из тромбоцитов (ФРПТ), чем на ТФР-β, тогда как обратное наблюдается в клетках взрослых доноров (Guerne P.A. et al., 1995). Для объяснения возрастно-зависимых изменений синтетической функции хондроцитов и их ответа на действие факторов роста используют несколько механизмов. Среди них уменьшение количества и аффинности поверхностных клеточных рецепторов, изменение синтеза и биоактивности факторов роста и цитокинов, модификация пострецепторных сигналов.

Патологическое состояние суставов также изменяет морфологию и метаболическую активность хондроцитов. Так, J. Kouri и соавторы (1996) идентифицировали три субпопуляции хондроцитов в хряще при ОА. Хондроциты из поверхностной и верхней части середины хряща образуют скопления и синтезируют большее количество протеогликанов и коллагена (Lafeber F. et al., 1992; Aigner T. et al., 1997). ТФР-β и инсулиноподобный фактор роста (ИФР) способны стимулировать синтез протеогликанов хондроцитами и частично нивелировать эффекты ИЛ-1 и ФНО-α. Эксплантаты хряща, пораженного ОА, и хондроциты, изолированные из хряща больного с ОА, более чувствительны к стимуляции ТФР-β, чем хондроциты здорового хряща. Эти различия, вероятнее всего, связаны с фенотипическими изменениями хондроцитов в верхних слоях суставного хряща (Lafeber F. et al., 1997).

Изоляция отдельных хондроцитов достигается последовательной обработкой протеолитическими ферментами ВКМ. После их высвобождения из ВКМ изолированные клетки идеально подходят для исследования синтеза компонентов матрикса de novo. Некоторые авторы используют только коллагеназу клостридий, другие — предварительно инкубируют хрящ с трипсином, проназой, ДНКазой и/или гиалуронидазой. Количество изолированных клеток зависит от используемых ферментов. Так, при обработке одной коллагеназой из 1 г ткани можно получить 1,4·10⁶ хондроцитов, тогда как при использовании проназы, гиалуронидазы и коллагеназы — 4,3·10⁶. При обработке коллагеназой в культуре клеток остаются аггрекан, белки, ИЛ-6, ИЛ-8 в значительно большем количестве, чем при последовательной обработке различными ферментами.

Существует несколько объяснений этим различиям между двумя клеточными культурами:

• Клеточные рецепторы повреждены или угнетены под действием ферментов (Loeser R., 1993), ТФР-β ингибирует ДНК и синтез протеогликанов в только что изолированных хондроцитах (1-й день), тогда как ДНК и синтез протеогликанов хондроцитов, культивируемых в монослое (7 дней), стимулируется ТФР-β (van der Kraan P. et al., 1992). Однако для реэкспрессии этих компонентов мембраны необходим адекватный период перед началом эксперимента.
• Экзогенные протеазы могут разорвать взаимодействие клеток и матрикса, опосредуемое интегринами. Семейство интегринов способствует прикреплению хондроцитов к молекулам ВКМ (Shakibaei M. et al., 1997).Этот разрыв может повлиять на экспрессию матричных генов (Hering T. et al., 1994).
• Остатки компонентов матрикса могут регулировать синтетическую функцию хондроцитов. Интегрины способны распознавать продукты деградации ВКМ, тем самым играя важную роль в репарации ткани после воздействия протеолитических ферментов. T. Larsson и соавторы (1989) сообщили о том, что добавление интактных или фрагментированных протеогликанов к культуре клеток стимулирует синтез белков и протеогликанов. Однако высокий уровень гиалуроновой кислоты вызывает значительное снижение включения сульфатов в синтез протеогликанов хондроцитами эмбриона цыпленка, зрелыми хондроцитами свиньи и клетками хондросаркомы крысы (Bansal M. et al., 1986). Более того, гиалуроновая кислота — ингибитор высвобождения протеогликанов из клеток даже в присутствии ИЛ-1β, ФНО-α, ФРФ, что свидетельствует о противодействии первой биологической активности факторов роста и цитокинов (Shimazu M., 1993). Точный механизм, лежащий в основе действия гиалуроновой кислоты, остается неясным; известно, что хондроциты содержат рецептор к гиалуроновой кислоте, связанный с актиновыми филаментами цитозоля (Lacy B., Underhill C., 1987; Aruffo A. et al., 1990). Связывание гиалуроновой кислоты с ее рецептором стимулирует фосфорилирование белков (Turley E., 1989). Таким образом, эти данные демонстрируют модулирование метаболической функции хондроцитов фрагментированными или нативными молекулами матриксных белков путем активации мембранных рецепторов клеток.
• Быстрая стимуляции ферментами синтеза матриксных протеинов хондроцитами может быть следствием изменения формы хондроцитов и/или реорганизации цитоскелета.
• Некоторые цитокины (например, ИЛ-8) и факторы роста (например, ИФР-1, ТФР-β) фиксируются в ВКМ (Morales T. et al., 1991; Recklies A., Gold E., 1992). Наиболее известным примером является связывание ТФР-β декорином, что приводит к снижению способности первого индуцировать клеточный рост в клетках яичника у китайских хомячков (Yamaguchi Y. et al., 1990). Данные о том, что содержание декорина в хряще повышается с возрастом, свидетельствуют о снижении биодоступности ТФР-β при старении (Roughley P. et al., 1994). Факторы роста и цитокины могут высвобождаться из остатков матрикса во время культивирования и затем модулировать функции хондроцитов.

Монослойная культура хондроцитов. Дифференцированный фенотип хондроцитов прежде всего характеризуется синтезом коллагена ІІ типа и тканеспецифических протеогликанов, а также низким уровнем митотической активности. Имеются данные о том, что при длительном культивировании клеток в монослое, а также после нескольких повторных пассажей клеток хондроциты утрачивают свои сферические очертания, приобретают удлиненную, фибробластоподобную форму (von der Mark K. et аl., 1977). При такой фибробластной метаплазии также модифицируется синтетическая функция клеток, характеризующаяся прогрессирующим снижением синтеза коллагенов ІІ, ІХ и ХІ типов и повышением синтеза коллагенов І, ІІІ и V типов (Elima K., Vuorio E., 1989; Lefebvre V. et al., 1990). Малые неагрегированные протеогликаны синтезируются за счет функционального аггрекана (Kuettner K. et al., 1982; Watt F., 1988 ). Синтез катепсина В и L чрезвычайно низок в дифференцированных клетках, но в процессе утраты дифференцированности повышается. Коллагеназа-1 экспрессируется в дифференцированных хондроцитах, при длительной культивации ее экспрессия снижается, тогда как повышается продукция тканевых ингибиторов металлопротеаз (ТИМП) (Lefebvre V. et al., 1990).

Дифференцированные хондроциты реэкспрессируют коллаген дифференцированного фенотипа при переносе их из монослойной культуры во взвешенную (Benya P., Schaffer J., 1982; Elima K., Vuorio E., 1989). Процесс дифференцировки, вероятно, связан с формой клеток (Loty S. et al., 1995). Это свойство регулярно используется исследователями, изучающими дефектные трансплантаты с аутологичными хондроцитами. Небольшое количество клеток, полученных из биопсийного материала, можно размножить в монослойной культуре и затем вновь поместить в трехмерный матрикс перед трансплантацией. Реэкспрессию специфического фенотипа дедифференцированными хондроцитами, перенесенными в агарозную культуру, можно стимулировать ТФР-β, оссеин-гидроксиапатитным комплексом и аскорбиновой кислотой (Harrison E. et al., 1992).

В ответ на действие факторов роста и цитокинов хондроциты модифицируются во время процесса дифференцировки. Клеточный ответ на цитокины и факторы роста различаются между недифференцированными и дифференцированными хондроцитами. ИЛ-1 стимулирует пролиферацию фибробластов, тогда как рост недифференцированных хондроцитов угнетается ИЛ-1 (Guerne P. et al., 1994). Синтез ДНК стимулируется ИФР-1 в удлиненных, но не уплощенных хондроцитах (Lee D. et al., 1993). В дифференцированных хондроцитах стимулирующие эффекты ИЛ-1β и ФНО-α на продукцию проколлагеназы более выражены, чем в недифференцированных (Lefebre V. et al., 1990).

Культивирование хондроцитов во взвеси в жидкой среде или в естественном или синтетическом трехмерном матриксе стабилизирует фенотип хондроцита. Клетки сохраняют свою сферическую форму, синтезируют тканеспецифические белки. Взвешенную культуру хондроцитов обычно рекомендуют для исследования образования нового перицеллюлярного матрикса. Культуры хондроцитов в синтетических или естественных абсорбирующих полимерах используют для имплантации клеток в дефекты хряща для стимуляции регенерации хрящевой ткани сустава.

Синтетическая или естественная среда для имплантируемых клеток должна удовлетворять ряду требований (Henrotin Y., Reginster J.-Y., 1999):

• имплантаты должны иметь пористую структуру для адгезии и роста клеток,
• ни сам полимер, ни продукты его деградации не должны вызывать воспаление или токсические реакции при имплантации in vivo,
• носитель трансплантата должен иметь способность связываться с прилегающим хрящом или субхондральной костью,
• естественный или синтетический матрикс должен обладать способностью к абсорбции, его деградация должна уравновешиваться регенерацией ткани,
• для облегчения репарации хряща химическая структура и архитектура пор матрикса должны способствовать поддержанию помещенными в него хондроцитами клеточного фенотипа и синтеза тканеспецифических белков,
• во время имплантации in vivo необходимо изучить механические свойства синтетического или естественного матрикса.

Взвесь хондроцитов в жидкой фазе. Прикрепление клеток к пластиковым сосудам, в которых осуществляется культивирование хондроцитов, можно предотвратить покрытием их стенок раствором метилцеллюлозы, агарозы, гидрогеля (поли-2-гидроксиэтилметакрилат) или смесью коллаген-агароза (Reginato A. et al., 1994). В этих условиях хондроциты формируют скопления и синтезируют главным образом аггрекан и тканеспецифические коллагены (II, IX, XI типы). Обычно обнаруживают два типа клеток. Расположенные в центре клетки сохраняют сферическую форму, окружены хорошо развитым ВКМ, что подтверждается данными гистохимического и ультраструктурного исследований. На периферии хондроциты имеют дискоидные очертания, окружены редким ВКМ; о функциональных особенностях таких клеток известно мало.

Возможна культивация хондроцитов на микроносителях, поддерживаемых во взвеси; в качестве микроносителей используют декстрановые бусины (цитодекс), покрытые коллагеном декстрановые бусины (цитодекс ІІІ), беспоровые микросферы коллагена І типа (целлаген) (Freed L. et al., 1993; Fronroza C. et al., 1996). В этих условиях культивирования хондроциты прикрепляются к поверхности микроносителя, сохраняют свою сферическую форму и вырабатывают матриксно-подобный материал. Более того, использование целлагена способствует пролиферации хондроцитов и реэкспрессии нормального фенотипа (Fronroza C. et al., 1996). Поэтому культивирование хондроцитов на микросферах целлагена можно использовать для восстановления фенотипа клеток перед трансплантацией.

Еще одним методом культивирования взвеси хондроцитов в жидкой среде является их культивирование в виде плотных шариков, состоящих из клеток (0,5–1·106), полученных путем центрифугирования. Такие хондроциты способны продуцировать матрикс, содержащий большое количество протеогликанов, коллагена II типа, но не коллагена I типа, что подтверждено гистологическими, иммуногистохимическими и количественными методами (Xu C. et al., 1996; Ronziere M.-C. et al., 1997).

Взвесь хондроцитов в естественном ВКМ. Хондроциты можно культивировать во взвеси в трехмерном матриксе (мягкий агар, агароза, коллагеновый гель или губка, гиалуроновая кислота, фибриновый клей, бусины алгината).

Культивируемые в агарозе хондроциты сохраняют свой нормальный фенотип и синтезируют коллаген II типа и тканеспецифические аггрекановые агрегаты (Benya P., Schaffer J., 1982). При культивировании в агарозе синтезируемые клеткой протеогликаны выделяются в среду в течение 50 дней. Для сравнения — в монослойной культуре клеточная фаза переполняется гликозаминогликанами уже в первые 5–6 дней культивирования; при культивировании в среде после усиления синтеза и высвобождения гликозаминогликанов в первые 8–10 дней наступает времязависимое их уменьшение (Spirito S. et al., 1993). Тем не менее, поведение хондроцитов при их культивировании в агарозе отличается от такового в условиях in vivo. В агарозе большое количество синтезируемых агрегатов аггрекана содержит более мелкие и в меньшем количестве молекулы, чем in vivo (Cornelissen M. et al., 1993). ТФР-β стимулирует синтез протеогликанов в эксплантате (Morales T., Roberts A., 1988; Pujol J.-P. et al., 1991), однако снижает синтез аггрекана в агарозе (Skantze K. et al., 1985).

Алгинат — линейный полисахарид, полученный из коричневой морской водоросли. В присутствии двухвалентных катионов, таких, как ионы Са2+, этот полимер становится гелем. Каждый хондроцит, попавший в алгинат, окружен матриксом из отрицательно заряженных полисахаридов, поры которого соизмеримы с таковыми в гиалиновом хряще. Матрикс, который формируют хондроциты в бусинах алгината, состоит из двух отделов — тонкого слоя клеточно-ассоциированного матрикса, соответствующего перицеллюлярному и территориальному матриксу, суставного хряща и более удаленного матрикса, эквивалентного межтерриториальному в нативной ткани. На 30-й день культивирования относительный и абсолютный объем, занимаемый клетками, и каждый из двух отделов в бусине алгината почти полностью идентичны таковым в нативном хряще (Hauselmann H. et al., 1996; Petit B. et al., 1996). В течение почти 30 дней хондроциты сохраняют свою сферическую форму и вырабатывают аггрекан, гидродинамические свойства которого схожи с таковыми молекул аггрекана в матриксе суставного хряща, а также коллагеновые молекулы II, IX и XI типов (Mok S. et al., 1994; Petit B. et al., 1996; Platt D. et al., 1997). В то же время, подобно другим культурам-суспензиям, на поверхности бусин алгината присутствуют уплощенные клетки, которые вырабатывают небольшое количество молекул коллагена I типа, непосредственно высвобождающихся в среду и не инкорпорирующихся в ВКМ (Petit B. et al., 1996). В бусинах алгината наблюдается умеренная пролиферация хондроцитов. После 8 мес культивирования в геле алгината зрелые хондроциты не утрачивают метаболическую активность и продолжают синтезировать тканеспецифические коллаген II типа и аггрекан (Hauselmann H. et al., 1994).

H. Tanaka и соавторы (1984) исследовали диффузионные свойства различных естественных молекул в алгинате и обнаружили, что молекулы массой более 70 кД не диффундируют через алгинат. Таким образом, культивирование клеток в алгинате подходит для исследования регуляции биосинтеза матрикса и организации ВКМ. Доступность клеток, культивируемых в алгинате, позволяет исследовать действие пептидных регуляторных факторов и фармакологических агентов на транскрипционном, посттранскрипционном и трансляционном уровнях.

Хондроциты также культивируют в матриксе из коллагеновых волокон I и II типов (Schuman L. et al., 1995; Fujisato T. et al., 1996). S. Nehrer и соавторы (1997) сравнивали функционирование хондроцитов собаки в порозных коллагеново-протеогликановых полимерных матриксах, содержащих коллагены разного типа. Они обнаружили важные различия в морфологии биосинтетической функции хондроцитов, культивируемых в коллагеновых матриксах, содержащих коллаген I и II типов. Клетки в матриксе из коллагена II типа сохряняли свою сферическую форму, в то время как в коллагене I типа имели фибробластоподобную морфологию. Более того, в матриксе из коллагена II типа хондроциты вырабатывали большее количество гликозаминогликанов. J. van Susante и соавторы (1995) сравнивали свойства хондроцитов, культивируемых в алгинате и коллагеновом (I тип) геле. Авторы обнаружили значительное увеличение количества клеток в коллагеновом геле, однако с 6-го дня культивации клетки утратили характерный фенотип, превратившись в фибробластоподобные клетки. В геле алгината наблюдали уменьшение количества клеток, однако хондроциты сохраняли свой нормальный фенотип. В коллагеновом геле количество протеогликанов, приходящихся на одну клетку, было значительно выше, чем в алгинате, однако в геле наблюдали снижение синтеза элементов матрикса, начиная с 6-го дня культивирования, тогда как в алгинате синтез продолжал расти.

Твердый трехмерный фибриновый матрикс представляет собой естественное вещество, которое поддерживает взвешенные в нем хондроциты в дифференцированном фенотипе. Трехмерный фибриновый матрикс также может использоваться в качестве носителя при трансплантации хондроцитов (Homminga G. et al., 1993). Преимуществами фибрина являются отсутствие цитотоксичности, способность заполнять пространство, адгезивная способность (Hendrickson D. et al., 1994; Fortier L. et al., 1997). Путем гистологических и биохимических исследований, ауторадиографии, электронной микроскопии обнаружено, что хондроциты в фибриновом геле сохраняют свою морфологию, размножаются и вырабатывают матрикс даже после 2 нед культивирования (Fortier L. et al., 1997). Однако G. Homminga и соавторы (1993) сообщили, что уже после 3 дней культивирования начинается дезинтеграция фибрина, прогрессирует дедифференцировка хондроцитов.

Взвесь хондроцитов в искусственном (синтетическом) ВКМ. Имплантаты хряща для реконструктивной или ортопедической хирургии могут быть получены путем выращивания изолированных хондроцитов in vitro в синтетическом биосовместимом матриксе.

Культивируемые в полигликолевой кислоте хондроциты пролиферируют и поддерживают нормальную морфологию и фенотип в течение 8 нед. Комплекс хондроциты—полигликолевая кислота состоит из клеток, гликозаминогликанов, коллагнов, имеет наружную коллагеновую капсулу. Однако в таких имплантатах присутствуют два типа коллагеновых молекул — I и II. Имплантаты из дедифференцированных серией пассажей хондроцитов имеют большее количество гликозаминогликанов и коллагенов, чем в имплантатах из первично недифференцированных хондроцитов (Freed L. et al., 1994b).

L. Freed и соавторы (1993b) сравнили поведение культур хондроцитов человека и быка в волокнистой полигликолевой кислоте (ВПГК) и порозной полилактиловой кислоте (ППЛК). Через 6–8 нед культивации хондроцитов быка в ВПГК или ППЛК авторы наблюдали пролиферацию клеток и регенерацию хрящевого матрикса. В ВПГК хондроциты имели сферическую форму, располагались в лакунах, окруженных хрящевым матриксом. После 8 нед культивирования in vitro регенерированная ткань содержала до 50% сухого вещества (4% клеточной массы, 15% гликозаминогликанов и 31% коллагенов). В ППЛК клетки имели веретенообразную форму, небольшое количество гликозаминогликанов и коллагена. В ВПГК рост клеток был в 2 раза интенсивнее, чем в ППЛК (Freed L. et al., 1993a). В условиях in vivo хондроциты, выращенные в ВПГК и ППЛК, в течение 1–6 мес вырабатывали ткань, гистологически похожую на хрящ. Имплантаты содержали гликозаминогликаны, коллагены I и II типа (Freed L. et al., 1993a).

Фетальные хондроциты быка культивировали в порозном высокой плотности гидрофобном и гидрофильном полиэтилене. После 7 дней инкубации в обоих субстратах клетки сохраняли сферическую форму, содержали главным образом коллаген II типа. После 21 дня культивации оказалось, что гидрофильный матрикс содержит большее количество коллагена II типа, чем гидрофобный (Livecchi A. et al., 1994).

Хрящевую ткань также можно получить путем культивирования в монослое на фильтрах Millicell-CM. Предварительное покрытие фильтров коллагеном необходимо для прикрепления хондроцитов. Гистологическое исследование культуры демонстрирует аккумуляцию хондроцитов в ВКМ, содержащем протеогликаны и коллаген II типа. Коллаген I типа в такой культуре не обнаружен. Хондроциты в полученной хрящевой ткани имеют сферическую форму, однако на поверхности ткани они несколько уплощены. Толщина вновь образованной ткани увеличивалась со временем и зависела от начальной плотности монослоя клеток. В оптимальных условиях культивирования толщина хрящевой ткани достигала 110 мкм, организация ее клеток и коллагена в поверхностный и глубокий слои аналогична таковой у суставного хряща. ВКМ содержит приблизительно в 3 раза большее количество коллагена и протеогликанов. После 2 нед культивации отмечена аккумуляция матрикса, позволявшая извлечь ткань из фильтра и использовать ее для трансплантации (Boyle J. et al., 1995; Kandel R. et al., 1995).

C. Sims и соавторы (1996) исследовали культивирование хондроцитов в полиэтиленоксид-геле — инкапсулированном полимерном матриксе, позволяющем переносить большое количество клеток путем инъекции. Через 6 нед после инъекции в подкожную клетчатку у бестимусных мышей был образован новый хрящ, который морфологически характеризовался белым опалесцированием подобно гиалиновому хрящу. Данные гистологического и биохимического исследований свидетельствовали о наличии активно пролиферирующих хондроцитов, вырабатывающих ВКМ.

Эксплантация. Эксплантация хрящевой ткани используется для исследования процессов ана- и катаболизма в ней, поддержания гомеостаза, резорбции и репарации (Campbell M. et al., 1985; Sandy J. et al., 1991). Хондроциты в эксплантатах хрящевой ткани поддерживают нормальный фенотип и состав ВКМ, похожие на таковые в суставном хряще in vivo. После 5 дней культивирования в присутствии сыворотки достигается постоянный уровень процессов синтеза и естественной деградации (Campbell M. et al., 1984). Резорбцию ткани можно ускорить в основной культуре и культуре с добавлением сыворотки с помощью ряда агентов, например, ИЛ-1β, ФНО-α, бактериальных липополисахаридов, дериватов ретиноивой кислоты или активных кислородных радикалов. Для изучения репарации хряща его повреждение индуцируют растворимыми медиаторами воспаления (Н2О2, ИЛ-1, ФНО-α) или физическим разрывом матрикса.

Метод органотипных культур — модель для исследования in vitro эффектов изолированных внешних факторов на хондроциты и окружающий их матрикс. В условиях in vivo хондроциты редко расположены в ВКМ и не контактируют друг с другом. Культура эксплантата суставного хряща сохраняет эту структурную организацию, а также особенные взаимодействия между хондроцитами и окружающей их внеклеточной средой. Такую модель также используют для изучения влияния механического стресса, фармакологических агентов, факторов роста, цитокинов, гормонов на метаболизм хряща.

Еще одним преимуществом эксплантации хрящевой ткани является отсутствие повреждения хондроцитов под действием протеолитических ферментов или механического фактора, что неизбежно при изоляции клеток. Рецепторы и другие мембранные белки и гликопротеины защищены от повреждающих факторов.

Культура хондронов. Хондрон — структурная, функциональная и метаболическая единица суставного хряща, состоящая из хондроцита, его перицеллюлярного матрикса и компактной филаментной капсулы и отвечающая за гомеостаз матрикса. Хондроны механическим путем экстрагируют из хряща и собирают с помощью нескольких последовательных низкоскоростных гомогенизаций. Изолированные из зон разной глубины хряща хондроны можно разделить на четыре категории: единичный хондрон, спаренные хондроны, множественные (три или более) линейно расположенные хондроны (колонки хондронов), скопление хондронов.

Единичные хондроны обычно обнаруживают в средних слоях интактного хряща, спаренные — на границе средних и глубоких слоев, линейно расположенные множественные хондроны типичны для глубоких слоев интактного хряща. Наконец, скопления хондронов состоят из случайно организованных групп единичных и спаренных хондронов, которые сохраняют агрегированное состояние после гомогенизации. Скопления хондронов представляют собой крупные фрагменты хряща, обычно содержащие несколько хондронов и радиально расположенные коллагеновые фибриллы, т. е. типичная организация, характерная для глубоких слоев матрикса (Poole C.A. et al., 1988). Хондроны иммобилизируют в прозрачной агарозе, что позволяет проводить исследования их структуры, молекулярного состава и метаболической активности. Систему хондрон — агароза рассматривают как микромодель хряща, которая отличается от традиционной системы хондроцит — агароза тем, что сохраняется естественное микроокружение, нет необходимости осуществлять его синтез и сборку (Poole C., 1997). Культура хондронов — модель для изучения взаимодействий клеток и матрикса в суставном хряще в норме и при патологических состояниях.

Культура бессмертных хондроцитов. Для создания перманентных линий клеток используют рекомбинантную ДНК или онкогенсодержащие вирусы, способные сделать клетку «бессмертной» (Horton W. et al., 1988; Thenet S. et al., 1992; Oxford J. et al., 1994; Mallein-Gerin F. et al., 1995). Бессмертные хондроциты обладают способностью к бесконечной пролиферации, сохраняя стабильный фенотип. F. Mallein-Gerin и соавторы (1995) показали, что SV40T-онкоген индуцирует пролиферацию хондроцитов мыши, которые при этом продолжают стабильно экспрессировать коллагены II, IX и XI типов, а также суставной аггрекан и связующий белок. Однако такая линия клеток приобретает способность синтезировать коллаген I типа при культивировании ее в монослойной культуре или в агарозном геле.

W. Horton и соавторы (1988) описали линию бессмертных клеток с низким уровнем экспрессии мРНК коллагена ІІ типа. Эти клетки были получены путем их трансформации ретровирусом мыши, содержащим v-myc- и v-raf-онкогены. Этот тип клеток представляет собой уникальную модель для изучения взаимодействий суставного матрикса в отсутствие коллагена ІІ типа, а также регуляцию синтеза коллагена ІІ типа (Oxford J. et al., 1994).

Культура хондроцитов с мутированными, или удаленными генами — удобная модель для исследования их физиологической функции. Эта модель особенно подходит для изучения роли специфических молекул в организации хрящевого матрикса или исследования эффектов различных регуляторных факторов на метаболизм хряща. Хондроциты с удаленным геном коллагена IX типа синтезируют коллагеновые фибриллы шире, чем нормальные, что свидетельствует о том, что коллаген IX типа регулирует диаметр фибрилл (Mallein-Gerin F. et al., 1995). Как отмечалось в главе 1, недавно обнаружена мутация гена COL2A1, кодирующего коллаген ІІ типа в семьях с первичным генерализованным ОА. Для исследования влияния мутантного коллагена ІІ типа на суставной матрикс R. Dharmrvaram и соавторы (1997) выполнили трансфекцию («заражение» чужой нуклеиновой кислотой) дефектного COL2A1 (аргинин в положении 519 заменен на цистеин) в фетальные хондроциты человека in vitro.

Система кокультур. В суставе хрящ взаимодействует с клетками других типов, содержащимися в синовиальной мембране, синовиальной жидкости, связках, субхондральной кости. На метаболизм хондроцитов могут влиять различные растворимые факторы, синтезируемые перечисленными клетками. Так, при артритах суставной хрящ разрушается протеолитическими ферментами и свободными радикалами, которые вырабатываются синовиальными клетками. Поэтому были разработаны модели для изучения сложных взаимодействий между хрящом и окружающими тканями, которые получили название кокультуры.

S. Lacombe-Gleise и соавторы (1995) культивировали хондроциты кролика и остеобласты в системе кокультур (COSTAR), в которой клетки были отделены микропористой мембраной (0,4 мкм), позволявшей обмен между клетками двух типов без каких-либо прямых контактов. Это исследование продемонстрировало способность остеобластов стимулировать рост хондроцитов посредством растворимых медиаторов.

A.M. Malfait и соавторы (1994) исследовали взаимоотношения моноцитов периферической крови и хондроцитов. Данная модель удобна для изучения процессов, опосредованных цитокинами, при воспалительных артропатиях (ревматоидный артрит, серонегативные спондилоартриты и др.). Авторы модели разделяли клетки протеинсвязывающей мембраной с порами диаметром 0,4 мкм. Исследование показало, что стимулированные липополисахаридом моноциты вырабатывали ИЛ-1 и ФНО-α, которые угнетали синтез хондроцитами аггрекана и способствовали деградации уже синтезированных агрегатов аггрекана.

K. Tada и соавторы (1994) создали модель кокультуры, в которой эндотелиальные клетки в коллагеновом (І типа) геле были помещены во внутреннюю камеру, отделенную от наружной камеры с помещенными в нее хондроцитами фильтром с размером пор 0,4 мкм. В состоянии полной изоляции от наружной камеры эндотелиальные клетки человека образовывали трубки в коллагеновом геле в присутствии ЭФР или ТФР-α. При одновременном культивировании обоих типов клеток ТФР-α зависимое образование трубок эндотелиальными клетками угнеталось. Угнетение хондроцитами этого процесса частично устранялось анти-ТФР-β антителами. Можно предположить, что ТФР-β, вырабатываемый хондроцитами, угнетает васкуляризацию самого хряща.

C. Groot и соавторы (1994) одновременно культивировали хондроциты из гипертрофической и пролиферативной зон кости 16-дневного плода мыши с кусочками мозговой ткани. После 4 дней культивирования наблюдали трансдифференцирование хондроцитов в остеобласты и начало формирования остеоида. Через 11 дней культивирования часть хряща была замещена костной тканью и костный матрикс был частично кальцифицирован. Некоторые нейропептиды и нейротрансмиттеры, вырабатываемые тканью головного мозга, влияют на метаболизм остеобластов или имеют рецепторы на них. Среди них можно выделить норэпинефрин (Kumagai H. et al., 1989), вазоактивный интестинальный пептид (Bjurholm A. et al., 1988a; 1988b), пептид, связанный с геном кальцитонина (Michelangeli V. et al., 1989; Bjurholm A. et al., 1990), субстанцию Р (Bjurholm A. et al., 1990) и соматостатин (Mackie E. et al., 1990). Культивированные совместно с хондроцитами кусочки ткани головного мозга могут вырабатывать некоторые из перечисленных факторов, способных индуцировать процесс трансдифференцировки хондроцитов в остеобласты.

Влияние внешних факторов на культуру хондроцитов

Влияние напряжения кислорода на метаболизм хондроцитов. В большинстве случаев культуры хондроцитов развиваются в условиях атмосферного напряжения кислорода. Тем не менее хорошо известно, что in vivo хондроциты существуют в условиях гипоксии и напряжение кислорода варьирует при различных патологических состояниях. Во время процесса созревания наблюдают значительные изменения кровоснабжения эпифизов. Так как васкуляризация варьирует в различных зонах пластинки роста, варьирует также и напряжение кислорода в них. C. Brighton и R. Heppenstall (1971) продемонстрировали, что в пластинке большеберцовой кости у кроликов напряжение кислорода в гипертрофической зоне меньше, чем в окружающем ее хряще. Измерения некоторых параметров метаболизма показало, что хондроциты способны быстро реагировать на локальные изменения концентрации кислорода. Прежде всего, при низком напряжении кислорода снижается его потребление хондроцитами (Haselgrove J. et al., 1993). При снижении напряжения кислорода от 21 до 0,04% увеличивается утилизация глюкозы, повышаются активность ферментов гликолиза и синтез молочной кислоты. Даже при низком напряжении кислорода абсолютное количество АТФ, АДФ и АМФ остается стабильным (Rajpurohit R. et al., 1996). Эти данные свидетельствуют о направленности метаболизма хондроцитов на максимальное сбережение энергии. Тем не менее, синтетическая активность, а значит, процессы репарации изменяются в условиях гипоксии (Lane J. et al., 1977).

Высокое напряжение кислорода также влияет на метаболизм хондроцитов, вызывая уменьшение синтеза протеогликанов и ДНК (Lane J. et al., 1977), деградацию матрикса хряща (Sledge C., Dinle J., 1965). Эти эффекты, как правило, сопровождаются продукцией свободных кислородных радикалов (Henrotin Y. et al., 1993; Dascalu A. et al., 1996).

Влияние концентрации ионов и осмотического давления окружающей среды на функцию хондроцитов. В нативном хряще концентрация ионов значительно отличается от таковой в других тканях: содержание натрия во внеклеточной среде составляет 250 — 350 ммоль, а ее осмолярность — 350–450 мосмоль. При изолировании хондроцитов из ВКМ и инкубации их в стандартных средах (DMEM (Dulbecco’s Minimal Essential Medium — минимальная эссенциальная среда Дульбекко) осмолярность — 250–280,7 мосмоль) резко изменяется окружающая клетки среда. Кроме того, концентрация кальция и калия в стандартных средах значительно ниже, чем в нативной ткани, а концентрация анионов — значительно выше.

Добавление в среду сахарозы приводит к повышению ее осмолярности и индуцирует преходящее внутриклеточное повышение концентрации Н+ и анионов кальция в цитозоле (Dascalu A. et al., 1996). Подобные внутриклеточные изменения могут влиять на процессы дифференцировки хондроцитов и их метаболическую активность. J. Urban и соавторы (1993) обнаружили, что включение 35S-сульфата и 3Н-пролина изолированными хондроцитами, инкубируемыми в стандартной среде DMEM в течение 2–4 ч, составило только 10% от такового в нативной ткани. Интенсивность синтеза достигла максимума при осмолярности внеклеточной среды 350–400 мосмоль как в только что изолированных хондроцитах, так и в эксплантатах хрящевой ткани. Более того, объем хондроцитов увеличился на 30–40% после помещения изолированных клеток в стандартную среду DMEM указанной осмолярности. Однако при культивировании хондроцитов в условиях нефизиологичной осмолярности в течение 12–16 ч клетки адаптируются к новым условиям, уменьшая интенсивность биосинтеза пропорционально сдвигу осмолярности внеклеточной среды.

P. Borgetti и соавторы (1995) исследовали влияние осмолярности внеклеточной среды на рост, морфологию и биосинтез хондроцитов свиньи. Авторы продемонстрировали схожие биохимические и морфологические особенности хондроцитов, культивируемых в средах с осмолярностью 0,28 и 0,38 мосмоль. При осмолярности среды 0,48 мосмоль в течение первых 4–6 ч культивирования наблюдали снижение пролиферации клеток и синтеза белков, однако в дальнейшем происходило восстановление этих параметров, которые в конце концов достигли контрольных величин. При культивировании хондроцитов в среде с осмолярностью 0,58 мосмоль клетки теряют способность поддерживать физиологическую интенсивность пролиферативных процессов и через 6 дней значительно уменьшается количество хондроцитов. При осмолярности среды 0,58 мосмоль наблюдают глубокое угнетение синтеза белков. Кроме того, при культивировании в средах с осмолярностью 0,28–0,38 мосмоль хондроциты сохраняют физиологический фенотип, при более высокой осмолярности (0,48–0,58 мосмоль) происходят значительные изменения морфологии клеток, что проявляется утратой характерного фенотипа, превращением хондроцитов в фибробластоподобные клетки, а также потерей клетками способности к сборке матриксных протеогликанов. Результаты данного исследования свидетельствуют о способности хондроцитов реагировать на ограниченные колебания осмолярности внеклеточной среды.

Изменение концентрации других ионов также может влиять на процессы биосинтеза в хондроцитах. Так, степень включения 35S (сульфата) увеличивается на половину при повышении концентрации ионов калия от 5 ммоль (концентрация в стандартной среде DMEM) до 10 ммоль (концентрация в ВКМ in vivo) (Urban J. et al., 1993). Концентрация кальция ниже 0,5 ммоль способствовала продукции коллагена зрелыми хондроцитами быка, тогда как концентрация 1–2 ммоль (соответствует концентрации в стандартной среде DMEM) вызывала значительное снижение синтеза коллагена. Умеренное увеличение биосинтеза наблюдали при высоких уровнях кальция (2–10 ммоль) (Koyano Y. et al., 1996). Различные катионы принимают участие в прикреплении хондроцитов к белкам ВКМ. Так, ионы магния и марганца обеспечивают прикрепление к фибронектину и коллагену ІІ типа, тогда как ионы кальция не участвуют в прикреплении хондроцитов к белкам (Loeser R., 1994). Таким образом, результаты описанных исследований свидетельствуют о влиянии изменений внеклеточных ионов калия, натрия, кальция и осмолярности среды на биосинтетическую функцию хондроцитов, инкубированных в стандартных средах.

Влияние механического стресса на метаболизм хондроцитов. Иммобилизация сустава вызывает обратимую атрофию хряща, что свидетельствует о необходимости механических стимулов для нормального протекания метаболических процессов в ВКМ. В большинстве случаев используемые модели культур клеток существуют в условиях нормального атмосферного давления. M. Wright и соавторы (1996) показали, что механическое окружение влияет на метаболизм хондроцитов, реакция клеток зависит от интенсивности и частоты компрессионной нагрузки. Эксперименты с нагрузкой на эксплантаты интактного суставного хряща in vitro продемонстрировали снижение синтеза белков и протеогликанов под действием статической нагрузки, тогда как динамическая нагрузка стимулирует эти процессы (Saamanen A. et al., 1990; Korver T. et al., 1992; Parkkinen J. et al., 1992). Точные механизмы реализации влияния механической нагрузки на хрящ сложные и, вероятно, связаны с деформацией клеток (Lee D., Bader D., 1995), гидростатическим давлением (Parkkinen J. et al., 1993), осмотическим давлением (Urban J. et al., 1993), электрическим потенциалом (Frank E., Grodzinsky A., 1987) и поверхностными клеточными рецепторами к молекулам матрикса (Holmvall K. et al., 1995). Для изучения влияния каждого из перечисленных параметров необходимо создать систему, в которой можно независимо варьировать один параметр. Например, культура эксплантата не подходит для исследования деформации клеток, однако ее можно использовать для изучения общего влияния давления на метаболическую активность хондроцитов. Компрессия хряща приводит к деформации клеток, а также сопровождается возникновением градиента гидростатического давления, электрического потенциала, тока жидкости и изменением таких физико-химических показателей, как содержание воды в матриксе, плотность электрического заряда, уровень осмотического давления. Деформацию клеток можно изучить с помощью изолированных хондроцитов, погруженных в агарозный или коллагеновый гель (Lee D., Bader D., 1995).

Для исследования влияния механической стимуляции на культуру хондроцитов разработаны несколько систем. Некоторые исследователи используют для этого системы, в которых давление прилагается к культуре клеток через газообразную фазу. Так, J.-P. Veldhuijzen и соавторы (1979), используя давление выше атмосферного на 13 кПа с низкой частотой (0,3 Гц) в течение 15 мин, наблюдали увеличение синтеза цАМФ и протеогликанов и снижение синтеза ДНК. R. Smith и соавторы (1996) показали, что перемежающаяся экспозиция культуры первичных хондроцитов быка гидростатическому давлению (10 МПа) с частотой 1 Гц в течение 4 ч вызвала повышение синтеза аггрекана и коллагена ІІ типа, тогда как постоянное давление не влияло на эти процессы. Используя аналогичную систему, M. Wright и соавторы (1996) сообщили, что циклическое давление на культуру клеток ассоциируется с гиперполяризацией клеточной мембраны хондроцитов и активацией Са2+-зависимых калиевых каналов. Таким образом, эффекты циклического давления опосредуются ионными каналами, активируемыми растяжением, в мембране хондроцитов. Ответ хондроцитов на гидростатическое давление зависит от условий культивирования клеток и частоты прилагаемой нагрузки. Так, циклическое гидростатическое давление (5 МПа) снижает включение сульфата в монослой хондроцитов при частоте 0,05, 0,25 и 0,5 Гц, тогда как при частоте более 0,5 Гц включение сульфата в эксплантат хряща увеличивается (Parkkinen J. et al., 1993).

M. Bushmann и соавторы (1992) сообщили, что хондроциты в агарозном геле изменяют биосинтез в ответ на статическую и динамическую механическую нагрузку так же, как и культивируемый интактный орган. Авторы обнаружили, что механическая нагрузка генерирует гиперосмотический стимул с последующим снижением рН в хондроцитах.

Эффект механического растяжения можно исследовать на культуре клеток, погруженных в гель. Силу растяжения можно создать с помощью контролируемого компьютером вакуума. Когда система находится в вакууме определенной степени, дно чашки Петри с культурой клеток удлиняется на известную величину, деформация максимальна по краям дна чашки и минимальна в центре. Растяжение передается и культивируемым в чашке Петри хондроцитам. С помощью этого метода K. Holmvall и соавторы (1995) показали, что в культивируемых в коллагеновом (II тип) геле клетках хондросаркомы увеличена экспрессия мРНК α2-интегрина. α2β1-интегрин способен связываться с коллагеном II типа. Его рассматривают как механорецептор, поскольку он взаимодействует с актинсвязывающими протеинами, таким образом соединяя ВКМ и цитоскелет.

Влияние рН на метаболизм хондроцитов. рН интерстициальной жидкости ВКМ хрящевой ткани более кислый, чем в других тканях. A. Maroudas (1980) определил рН матрикса суставного хряща на уровне 6,9. B. Diamant и соавторы (1966) обнаружили рН 5,5 в патологических условиях. Известно, что хондроциты живут при низком РО2, что свидетельствует о важнейшей роли гликолиза (95% всего метаболизма глюкозы) в метаболизме этих клеток; гликолиз сопровождается продукцией большого количества молочной кислоты (Stefanovic-Racic M. et al., 1994).

Кроме закисления среды продуктами гликолиза важное значение имеют сами компоненты матрикса. Большое количество фиксированного отрицательного заряда на протеогликанах модифицирует внеклеточный ионный состав: отмечаются высокая концентрация свободных катионов (например, Н+, Nа+, К+) и низкая концентрация анионов (например, Cl–, НСО3–) (Lesperance L. et al., 1992). Кроме того, под действием механической нагрузки происходит изгнание воды из ВКМ, что приводит к повышению концентрации фиксированных отрицательных зарядов и привлечению большего количества катионов в матрикс. Это сопровождается снижением рН внеклеточной среды, которое влияет на внутриклеточный рН, модифицируя тем самым метаболизм хондроцитов. R. Wilkin и A. Hall (1995) изучили влияние рН внеклеточной и внутриклеточной среды на биосинтез матрикса изолированными хондроцитами быка. Они наблюдали двойственную модификацию синтеза матрикса при снижении рН. Небольшое снижение рН (7,4<pH<7,1) на 50% увеличивало включение 35SO4 и 3Н-пролина в хондроциты, тогда как более глубокое закисление среды (рН<7,1) угнетало синтез на 75% по сравнению с контролем. Создание же низкого рН (6,65) с помощью ионов аммония вызвало снижение синтеза матрикса только на 20%. Полученные результаты свидетельствуют о том, что модификацию рН внеклеточной среды синтеза матрикса нельзя объяснить только изменениями рН внутриклеточной среды. Более того, хондроциты обладают способностью регулировать внутриклеточный рН с помощью Nа+, Н+-обменника, Nа+-зависимого Cl–—НСО3–-транспортера и Н+/АТФазой (Dascalu A. et al., 1993).

Влияние состава среды для культивирования на метаболизм хондроцитов. Среда для культивирования хондроцитов должна соответствовать условиям эксперимента. В последние годы для оптимизации условий культивирования используют телячью сыворотку. Однако при использовании сыворотки необходимо учитывать ряд важных моментов:

• наружный рост клеток от периферии ткани в культурах органа,
• вариабельность состава сывороток различных серий (Morales T., 1991a),
• наличие в них неизвестных компонентов,
• повышенный риск возникновения помех, артефактов при исследовании влияния различных биологических факторов на метаболическую активность клеток.

Примером последнего может служить исследование (Ribault D. и соавт., 1997) влияния ЭФР на хондроциты хряща у крыс. ЭФР стимулировал включение 3Н-тимидина и повышение содержания ДНК в культуре. Этот эффект был более выражен при низких концентрациях сыворотки (≤1%), однако при высокой концентрации (≥7,5%) эффект исчезал.

Хорошо известно, что уровни синтеза и деградации в DMEM, обогащенной телячьей сывороткой, значительно повышены по сравнению с условиями in vivo. Различия между метаболизмом in vivo и in vitro могут быть вызваны различиями между синовиальной жидкостью и средой, в которой культивируются клетки. D. Lee и соавторы (1997) культивировали хондроциты молодых быков в агарозе с использованием питательной среды, содержащей DMEM, обогащенную 20% телячьей сывороткой и большим количеством нормальной аллогенной синовиальной жидкости. Наличие синовиальной жидкости в среде индуцировало увеличение количества протеогликанов, до 80% от общего количества синовиальной жидкости. Полученные результаты свидетельствуют о том, что синовиальная жидкость в культуре индуцирует уровень метаболизма, аналогичный таковому in vivo, с высоким уровнем синтеза гликозаминогликанов и низким уровнем деления клеток.

G. Verbruggen и соавторы (1995) показали, что синтез 35S-аггрекана хондроцитами человека, культивируемыми в агарозе в DMEM без сыворотки, составил 20–30% от уровня синтеза, наблюдаемого в DMEM, обогащенной 10% телячьей сывороткой. Авторы определи степень, при которой ИФР-1, ИФР-2, ТФР-β или инсулин восстанавливают продукцию аггрекана в среде без сыворотки. Авторы сделали заключение, что 100 нг/мл инсулина, ИФР-1 или ИФР-2 частично восстанавливают синтез аггрекана до 39–53% от контрольного уровня. При комбинации перечисленных факторов явлений синергизма или кумуляции не выявлено. В то же время 10 нг/мл ТФР-β при наличии 100 нг/мл инсулина стимулировали синтез аггрекана до 90% и более от референтного уровня. И наконец, трансферрин сыворотки человека, один или в комбинации с инсулином, не влиял на синтез аггрекана. При замене телячьей сыворотки бычьим сывороточным альбумином содержание агрегатов аггрекана значительно снизилось. Обогащение среды для культивирования инсулином, ИФР или ТФР-β частично восстанавливало способность клеток продуцировать агрегаты аггрекана. При этом ИФР-1 и инсулин способны поддерживать гомеостаз в культурах клеток. После 40 дней культивирования в среде, обогащенной 10–20 нг/мл ИФР-1, синтез протеогликанов поддерживался на том же уровне или даже на более высоком по сравнению со средой, содержащей 20% телячьей сыворотки. Катаболические процессы протекали медленнее в среде, обогащенной ИФР-1, чем в среде, обогащенной 0,1% раствором альбумина, но несколько быстрее в среде, обогащенной 20% сывороткой. В длительно живущих культурах 20 нг/мл ИФР-1 поддерживает стабильное состояние клеток (Campbell M. et al., 1984).

D. Lee и соавторы (1993) сравнили влияние состава среды для культивирования (DMEM, DMEM+20% телячья сыворотка, DMEM+20 нг/мл ИФР-1) на синтез ДНК в культуре эксплантата хрящевой ткани, монослойной культуре и во взвеси в агарозе. При культивировании в агарозе в присутствии сыворотки авторы наблюдали тенденцию к группированию хондроцитов в крупные скопления. Клетки, культивируемые без сыворотки или с ИФР-1, сохраняли в агарозе круглую форму, собирались в небольшие группы, но не формировали крупные агрегаты. В монослое синтез ДНК был значительно выше в среде, содержащей сыворотку, чем в среде, обогащенной ИФР-1; синтез ДНК в последней был значительно выше, чем в необогащенной среде. При культивировании хондроцитов во взвеси в агарозе в необогащенной среде и в среде с ИФР-1 не обнаружено различий в синтезе ДНК. В то же время культивирование взвеси хондроцитов в агарозе в среде, обогащенной сывороткой, сопровождалось повышенным включением радионуклеотида 3Н-тимидина по сравнению с другими средами.

Витамин С необходим для активации ферментов, участвующих в формировании стабильной спиральной структуры коллагеновых фибрилл. Хондроциты, дефицитные в отношении аскорбиновой кислоты, синтезируют недогидроксилированные неспиральные предшественники коллагена, которые медленно секретируются. Введение аскорбиновой кислоты (50 мкг/мл) вызывает гидроксилирование коллагенов II и IX типов и их секретирование в нормальных количествах. Добавление витамина С не влияло на уровень синтеза протеогликанов. Следовательно, секреция коллагена регулируется независимо от секреции протеогликанов (Pacifici M., 1990).

Экспериментальное моделирование ОА у животных

K.P.H. Pritzker (1994) определил экспериментальную модель какой-либо болезни у животных как «гомогенную группу животных, у которых имеется унаследованный, естественно приобретенный или экспериментально индуцированный биологический процесс, подвергающийся научному исследованию, который по одному или нескольким параметрам схож с болезнью у человека». Модели ОА у животных удобны для исследования эволюции структурных изменений в суставных тканях для выяснения того, как различные факторы риска их инициируют или способствуют появлению этих изменений, а также для оценки применяемых терапевтических мер. Необходимо помнить, что ОА — это заболевание не одной ткани — суставного хряща, а всех тканей пораженного сустава, включая субхондральную кость, синовиальную оболочку, мениски, связки, периартикулярные мышцы и афферентные нервы, окончания которых лежат как снаружи, так и внутри суставной капсулы. Проводимые исследования фармакологических агентов на моделях у животных фокусируются главным образом на их влиянии на суставной хрящ. На экспериментальных моделях невозможно оценить главный симптом ОА у людей — боль в суставах. В то же время при моделировании ОА у животных не учитывают ряд важных факторов, способствующих развитию и прогрессированию ОА (например, вертикальное положение тела человека, слабость периартикулярных мышц и др.).

Неполный, но достаточно обширный перечень моделей ОА представлен в табл. 10. Разумеется, наиболее наглядной моделью болезни является та, которая имеет наибольшее сходство с изменениями при ОА у человека. Наибольший интерес модели ОА у животных представляют в плане исследования эффективности препаратов, «модифицирующих болезнь» (DMOAD — disease modifying OA drugs). Несмотря на то, что ряд препаратов этой группы предотвращают развитие или замедляют прогрессирование экспериментально-индуцированного или спонтанного ОА у животных, при изучении их действия у человека все они оказались неэффективными (Brandt K.D., 1999).

Физически и химически индуцированные модели ОА очень популярны в настоящее время, однако они скорее отражают процессы, которые наблюдаются при вторичном ОА у человека, чем при идиопатическом. Альтернативой им являются модели спонтанного ОА у двуногих приматов и четвероногих животных.

Некоторые авторы весьма скептически относятся к моделированию ОА у животных вообще. Так, по мнению M.E.J. Billingham (1998), использование моделей для открытия модифицирующих ОА препаратов представляет собой «…дорогостоящую авантюру».

Модели спонтанного ОА

Практически у всех инбридных линий мышей развивается ОА различной степени тяжести и локализации. Наиболее высокую заболеваемость ОА и наиболее тяжелое течение болезни наблюдают у мышей линий STR/ORT и STR/INS (Sokoloff L., 1956). Среди мышей линии STR/ORT заболевание более распространено, оно более тяжело протекает у самцов, чем у самок. Первичное повреждение суставного хряща развивается в медиальной части пластинки большеберцовой кости. Предполагалось, что появлению изменений в хряще предшествует смещение надколенника, однако R.G. Evans и соавторы (1994), C. Collins и соавторы (1994) обнаружили, что у всех мышей этой линии повреждение хряща развивается к 11 мес, однако не у всех выявлено смещение надколенника. Эти же авторы обнаружили, что изменениям в суставном хряще у мышей линий STR/ORT часто предшествует хондроцитарно-остеобластная метаплазия клеток сухожилий и связок вокруг пораженных коленных суставов, что указывает на первичность этих изменений в патогенезе ОА в данной модели. Возможно, что первичная кальцификация связок и сухожилий изменяет механическое давление на внутрисуставные структуры и дальнейшие изменения в суставном хряще отражают попытку поддержать нормальную нагрузку на сустав. В отличие от моделей с использованием морских свинок и макак, у которых дегенерации хряща предшествуют изменения в субхондральной кости, у мышей линий STR/ORT и STR/INS субхондральный склероз появляется позже.

Преимуществом данной модели ОА является небольшой размер животных, требующий минимального расхода испытуемого фармакологического агента. Однако размер также является и недостатком, поскольку у мышей затруднен биохимический, патогистологический анализ хряща.

Исследования A.M. Bendele, J.F. Hulman (1988), A.M. Bendel и соавторов (1989), а также S.C.R. Meacock и соавторов (1990), посвященные изучению естественного течения спонтанного ОА у морских свинок, активизировали интерес к этой модели болезни. Начиная с возраста 13 мес у всех самцов морских свинок линии Dunkin Hurtley появляется дегенерация суставного хряща. Аналогичные изменения у самок появляются несколько позже и носят более мягкий характер. В возрасте 1 год наблюдают полную потерю суставного хряща в области медиального мыщелка бедренной кости и пластинки большеберцовой кости. Увеличение массы тела морских свинок линии Dunkin Hurtley усугубляет течение болезни, а уменьшение массы тела до 900 г и меньше улучшает течение ОА (Bendele A.M., Hulman J.F., 1991). В возрасте 8 нед в этой модели уже обнаруживают изменения субхондральной кости, т.е. последние предшествуют поражению хряща (Watson P.J. et al., 1994). Изменения крестовидных связок коленных суставов могут ускорять ремоделирование костной ткани.

Спонтанный ОА развивается у макак rhesus и cynomolgus (DeRousseau C.J., 1985; Kessler M.J. et al., 1986; Pritzker K.P.H. et al., 1989; Chateauvert J.M. et al., 1990; Moskowitz R.W., 1992; Carlson C.S. et al., 1995). Очень важным преимуществом приматов перед другими животными, используемыми для создания экспериментальной модели ОА, является двуногость. Заболевание развивается у особей среднего/пожилого возраста. Ранними гистологическими находками являются утолщение субхондральной кости с последующим разволокнением суставного хряща в области медиальной пластинки большеберцовой кости (Carlson C.S. et al., 1995). В дальнейшем в процесс вовлекается и латеральная пластинка. Примечательно, что дегенерация суставного хряща начинает развиваться только после того, как толщина субхондральной кости достигнет 400 мкм (Carlson C.S. et al., 1996). Рост распространенности и степени тяжести ОА у макак происходит с возрастом, однако на эти показатели не влияют пол и масса тела. До настоящего времени модели ОА у приматов не использовали для изучения эффективности DMOADs.

Модели физически (хирургически) индуцированного ОА. Модели ОА, основанные на хирургически индуцированной разболтанности коленных суставов, изменяющей механическое давление на них, наиболее часто используют у собак и кроликов. Наиболее широко применяют модель с пересечением крестовидных связок у собак (Brandt K.D., 1994). При создании хирургических моделей ОА у кроликов используют операции по пересечению крестовидных связок с иссечением медиальных и коллатеральных связок или без такового, тотальную или парциальную менискэктомию, хирургический разрыв менисков (Moskowitz R.W., 1992). У морских свинок описаны хирургические модели ОА, созданные путем пересечения крестовидных и коллатеральных связок, частичной менискэктомии (Bendele A.M., White S.L., 1987; Meacock S.C.R. et al., 1990). Частичная менискэктомия у морских свинок ведет к образованию остеофитов в течение 2 нед и избыточной дегенерации суставного хряща в течение 6 нед.

До недавнего времени к модели ОА у собак, развившемуся после пересечения передних крестовидных связок, относились скептически в связи с отсутствием ульцерации хряща и заметного прогрессирования болезни, наблюдаемых при ОА у человека. J.L. Marshall и S.-E. Olsson (1971) обнаружили, что изменения в тканях коленных суставов у собак через 2 года после операции практически не отличались от зарегистрированных сразу после нее. Авторы предположили, что механические факторы (например, фиброз суставной капсулы и образование остеофитов) стабилизируют разболтанный после операции коленный сустав и препятствуют дальнейшему прогрессированию разрушению суставного хряща. Также было предложено считать данную модель моделью повреждения и репарации хряща, а не моделью ОА. Однако результаты исследований, проведенных K.D. Brandt и соавторами (1991), которые более длительно изучали динамику изменений в тканях коленных суставов, дестабилизированных пересечением передних крестовидных связок, опровергли предположения предыдущих авторов.

C.A. McDevitt и соавторы (1973, 1977) обнаружили, что уже в течение первых дней после пересечения крестовидных связок увеличивается синтез протеогликанов хондроцитами суставного хряща. В течение 64 нед после хирургического индуцирования нестабильности коленного сустава толщина суставного хряща была выше нормы, хотя биохимические, метаболические и гистологические изменения в нем соответствовали таковым при ОА (Adams M.E., Brandt K.D., 1991). Это утолщение хряща ассоциировалось с повышенным синтезом протеогликанов и их высокой концентрацией в суставном хряще. Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), M.E. Adams и K.D. Brandt (1991) показали, что после пересечения крестовидных связок гипертрофия хряща поддерживается в течение 36 мес, в дальнейшем возникает прогрессирующая потеря хряща, так что уже через 45 мес большая часть суставных поверхностей лишена хряща. Морфологическое исследование хряща через 54 мес после операции подтвердило результаты МРТ. Таким образом, M.E. Adams и K.D. Brandt (1991) доказали, что хирургически индуцированную нестабильность коленных суставов у собак можно считать моделью ОА.

Феномен гипертрофической репарации суставного хряща хорошо иллюстрирует вышеописанная модель ОА у собак. Однако известно, что данный феномен присущ не только ей. Гипертрофия суставного хряща, которая носила репаративный характер, впервые была описана у больных с ОА E.G.L. Bywaters (1937), а впоследствии L.C. Johnson. Ее также обнаруживают и в других моделях ОА — у кроликов после частичной менискэктомии (Vignon E. et al., 1983), у макак rhesus гипертрофия хряща развивается спонтанно (Chateauvert J. et al., 1989; 1990).

Современное описание патогенеза акцентируется главным образом на прогрессирующей «потере» хряща, однако часто авторы упускают из виду его утолщение и усиление синтеза протеогликанов, что соответствует гомеостатической фазе стабилизированного ОА. В течение этой фазы репарация хряща компенсирует его потерю и может поддерживать сустав в функциональном состоянии длительное время. Но репаративная ткань часто не может справляться с возложенной на нее механической нагрузкой так, как это делает здоровый суставной хрящ, что приводит к неспособности хондроцитов поддерживать нормальный состав матрикса и снижению синтеза протеогликанов. Развивается конечная стадия ОА (Brandt K.D. et al., 1991).

Изучение артропатии Шарко привело к появлению метода нейрогенного ускорения моделирования хирургически индуцированного ОА. Артропатия Шарко характеризуется тяжелой деструкцией суставов, суставными «мышами», выпотом в сустав, нестабильностью связок, образованием новой костной и хрящевой ткани в пределах сустава. Общая концепция патогенеза артропатии Шарко (нейрогенной) заключается в прерывании чувствительных сигналов от проприорецепторов и ноцицепторов конечностей в центральную нервную систему (ЦНС) (Brandt K.D., 1999). Для ускорения прогрессирования ОА, индуцированного пересечением передних крестовидных связок у собак, перед операцией выполняют ганглийэктомию (Vilensky J.A. et al., 1994) или иссечение иннервирующего сустав нерва (O’Connor B.L. et al., 1992), что приводит к появлению эрозий хряща уже в первую неделю после операции (O’Connor B.L. et al., 1985). Интересно, что новый DMOAD диацереин оказался эффективным при использовании на медленно прогрессирующей (нейрологически интактной) модели ОА, однако при нейрогенно ускоренном экспериментальном ОА препарат оказался неэффективным (Brandt K.D. et al., 1997).

В заключение необходимо отметить, что невозможно полностью оценить идентичность экспериментальной модели ОА и ОА у человека, поскольку этиология и точные механизмы патогенеза заболевания к настоящему времени не выяснены. Как указывалось ранее, основной задачей использования экспериментальных моделей ОА у животных является их использование для оценки эффективности новых препаратов, главным образом группы «модифицирующих болезнь». Вероятность того, насколько результаты лечения животного совпадут с результатами применения экспериментального фармакологического агента у человека, также невозможно определить. N.S. Doherty и соавторы (1998) акцентировали внимание на значительных различиях между видами животных, используемых для моделирования ОА, в плане разного развития патологии, различных медиаторов, рецепторов, ферментов, что приводит к необъективной экстраполяции терапевтической активности новых препаратов, используемых у животных, на человека. Примером может быть высокая эффективность НПВП при моделировании воспалительного артрита у грызунов (Rogachevsky R.A. et al., 1994). Это привело к переоценке эффективности НПВП у человека, у которого простагландины не играют той фундаментальной роли в патогенезе заболевания, которую они играют у грызунов, а клиническая эффективность НПВП скорее ограничена лечением симптомов, чем модификацией болезни.

В то же время недооценка новых фармакологических агентов при изучении их эффективности на моделях у животных может привести к утрате потенциально эффективных у человека терапевтических агентов. Например, соли золота, пеницилламин, хлорохин и сульфазалазин, обладающие определенным эффектом при терапии ревматоидного артрита, абсолютно не эффективны у животных, которых используют для скриннинга антиревматических препаратов (Zhang J. et al., 1995). Открытие эффективности этих препаратов у больных с ревматоидным артритом было счастливой случайностью, их точные механизмы действия до конца не выяснены (Brandt K.D., 1999).

Отличие ответа животного с моделированным ОА и больного с ОА на лечение DMOAD во многом зависит от коллагеназы — фермента, который, как полагают, принимает активное участие в патогенезе ОА. У грызунов с моделированным ОА часто обнаруживают ингибиторы интерстициальной коллагеназы (коллагеназы-1 или матричной металлопротеиназы (ММП) –1) (Howell D.S. et al., 1986), однако гомолог коллагеназы-1 человека у грызунов не найден, возможно, его не существует. Таким образом, специфические ингибиторы коллагеназы-1 человека не проявят терапевтическую эффективность у грызунов с экспериментальным ОА. Большинство ингибиторов ММП, созданных к настоящему времени, неселективные и поэтому угнетают коллагеназу-3 (ММП-13), участвующую в патогенезе экспериментального ОА у грызунов. Более того, как показали исследования N.R.A. Beeley и соавторов (1994), J.M.P. Freije и соавторов (1994), коллагеназа-3 человека экспрессируется в суставном хряще больных с ОА и, возможно, играет роль в патогенезе заболевания.

Можно предположить, что данные медиаторы, рецепторы или ферменты играют аналогичную роль в патогенезе моделированного ОА у определенного животного и у человека. Примером может служить хемотаксическая способность лейкотриена В4, которая у человека, мыши и кролика считается одинаковой, однако активность антагонистов этого биологически активного вещества между видами животных различается в 1000 раз (Doherty N.S. et al., 1998). Для того чтобы избежать подобных неточностей в экспериментах, необходимо создать методы, позволяющие исследовать фармакодинамику in vivo. Например, можно изучать влияние каких-либо веществ на активность экзогенных ферментов или медиаторов человека. Эта методика была применена V. Ganu и соавторами (1994) для оценки активности ингибиторов ММП путем определения способности препаратов угнетать высвобождение протеогликанов из суставного хряща после инъекции стромелезина человека в коленный сустав кролика.

Несмотря на то что результаты, полученные в эксперименте на моделированном ОА, могут привести к неправильной оценке потенциальных DMOAD, модели ОА у животных играют важную роль в базисных исследованиях. Окончательное же решение об эффективности фармакологических агентов в терапии болезней человека можно сделать только после проведения ІІІ фазы клинических испытаний у человека.

Виды хрящевой ткани и ее строение

Хрящевая ткань, как и костная, относится к скелетным тканям с опорно-механической функцией. По классификации выделяют три разновидности хрящевой ткани — гиалиновую, эластическую и волокнистую. Особенности строения различных видов хрящевой ткани зависят от места расположения ее в организме, механических условий, возраста индивидуума.

Виды хрящевой ткани: 1 — гиалиновый хрящ; 2 — эластический хрящ; 3 — волокнистый хрящ

Наиболее широкое распространение у человека получила гиалиновая хрящевая ткань.

Она входит в состав трахеи, некоторых хрящей гортани, крупных бронхов, темафизов костей, встречается в местах соединения ребер с грудиной и в некоторых других областях тела. Эластическая хрящевая ткань входит в состав ушной раковины, бронхов среднего калибра, некоторых хрящей гортани. Волокнистый хрящ обычно встречается в местах перехода сухожилий и связок в гиалиновый хрящ, например в составе межпозвоночных дисков.

Строение всех видов хрящевой ткани в общих чертах сходно: они имеют в своем составе клетки и межклеточное вещество (матрикс). Одной из особенностей межклеточного вещества хрящевой ткани является его высокая обводненность: содержание воды в норме колеблется от 60 д© 80 %. Площадь, занимаемая межклеточным веществом, значительно больше площади, занятой клетками. Межклеточное вещество хрящевой ткани вырабатывается клетками (хондробластами и молодыми хондроцитами) и имеет сложный химический состав. Оно подразделяется на основное аморфное вещество и фибриллярный компонент, который составляет примерно 40 % сухой массы межклеточного вещества и представлен в гиалиновой хрящевой ткани коллагеновыми фибриллами, образованными коллагеном II типа, идущими диффузно в различных направлениях. На гистологических препаратах фибриллы незаметны, так как имеют одинаковый с аморфным веществом показатель преломления. В эластической хрящевой ткани наряду с коллагеновыми фибриллами имеются многочисленные эластические волокна, состоящие из белка эластина, который тоже продуцируется хрящевыми клетками. Волокнистая хрящевая ткань содержит большое количество пучков коллагеновых волокон, состоящих из коллагена I и II типа.

Ведущими химическими соединениями, образующими основное аморфное вещество хрящевых тканей (хондромукоид), являются сульфатированные гликозаминогликаны (кератосульфаты и хондроитинсульфаты А и С) и нейтральные мукополисахариды, большинство из которых представлено сложными надмолекулярными комплексами. В хрящах получили широкое распространение соединения молекул гиалуроновой кислоты с протеогликанами и со специфическими сульфатированными гликозаминогликанами. Этим обеспечиваются особые свойства хрящевых тканей — механическая прочность и в то же время проницаемость для органических соединений, воды и других веществ, необходимых для обеспечения жизнедеятельности клеточных элементов. Маркерными, наиболее специфичными для межклеточного вещества хряща соединениями являются кератосульфаты и определенные разновидности хондроитинсульфатов. Они составляют около 30 % сухой массы хряща.

Основные клетки хрящевой ткани — хондробласты и хондроциты.

Хондробласты представляют собой молодые, малодифференцированные клетки. Они располагаются вблизи надхрящницы, лежат поодиночке и характеризуются округлой или овальной формой с неровными краями. Крупное ядро занимает значительную часть цитоплазмы. Среди клеточных органелл преобладают органеллы синтеза — рибосомы и полисомы, гранулярная эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, митохондрии; характерны включения гликогена. При общегистологической окраске препаратов гематоксилином и эозином хондробласты слабобазофильны. Структура хондробластов указывает на то, что эти клетки обнаруживают высокую метаболическую активность, в частности, связанную с синтезом межклеточного вещества. Показано, что в хондробластах синтез коллагеновых и неколлагеновых белков пространственно разделен. Весь цикл синтеза и выведения высокомолекулярных компонентов межклеточного вещества в функционально активных хондробластах у человека занимает менее суток. Новообразованные белки, протеогликаны и гликозаминогликаны не располагаются непосредственно вблизи поверхности клетки, а распространяются диффузно на значительном расстоянии от клетки в образовавшемся ранее межклеточном веществе. Среди хондробластов встречаются и функционально неактивные клетки, строение которых характеризуется слабым развитием синтетического аппарата. Кроме того, часть хондробластов, находящаяся сразу под надхрящницей, не утратила способность к делению.

Хондроциты — зрелые клетки хрящевой ткани — занимают, главным образом, центральные участки хряща. Синтетические способности этих клеток значительно ниже, чем у хондробластов. Дифференцированные хондроциты чаще всего лежат в хрящевых тканях не поодиночке, а группами, включающими по 2, 4, 8 клеток. Это так называемые изогенные группы клеток, которые образовались в результате деления одной хрящевой клетки. Структура зрелых хондроцитов указывает на то, что они не способны к делению и заметному синтезу межклеточного вещества. Но некоторые исследователи считают, что при определенных условиях митотическая активность в этих клетках все же возможна. Функция хондроцитов заключается в поддержании на определенном уровне обменных метаболических процессов в хрящевых тканях.

Изогенные группы клеток находятся в хрящевых полостях, окруженных матриксом. Форма хрящевых клеток в изогенных группах может быть различной — округлой, овальной, веретеновидной, треугольной — в зависимости от положения на том или ином участке хряща. Хрящевые полости окружены узкой, более светлой, чем основное вещество, полоской, образующей как бы оболочку хрящевой полости. Эта оболочка, отличающаяся оксифильностью, называется клеточной территорией, или территориальным матриксом. Более удаленные участки межклеточного вещества называются интерстициальным матриксом. Территориальный и интерстициальный матриксы — участки межклеточного вещества с различными структурно-функциональными свойствами. В пределах территориального матрикса коллагеновые фибриллы ориентированы вокруг поверхности изогенных клеточных групп. Переплетения коллагеновых фибрилл образуют стенку лакун. Пространства между клетками внутри лакун заполнены протеогликанами. Интерстициальный матрикс характеризуется слабобазофильной или оксифильной окраской и соответствует наиболее старым участкам межклеточного вещества.

Таким образом, дефинитивная хрящевая ткань характеризуется строго поляризованным распределением клеток в зависимости от степени их дифференцировки. Вблизи надхрящницы находятся наименее дифференцированные клетки — хондробласты, имеющие вид вытянутых параллельно надхрящнице клеток. Они активно синтезируют межклеточное вещество и сохраняют митотическую способность. Чем ближе к центру хряща, тем клетки более дифференцированы, они располагаются изогенными группами и характеризуются резким снижением синтеза компонентов межклеточного вещества и отсутствием митотической активности.

В современной научной литературе описан еще один тип клеток хрящевой ткани — хондрокласты. Они встречаются только при разрушении хрящевой ткани, а в условиях ее нормальной жизнедеятельности не обнаруживаются. По своим размерам хондрокласты значительно крупнее, чем хондроциты и хондробласты, так как содержат в цитоплазме несколько ядер. Функция хондрокластов связана с активацией процессов дегенерации хряща и участием в фагоцитозе и лизисе фрагментов разрушенных хрящевых клеток и компонентов хрящевого матрикса. Иными словами, хондрокласты — это макрофаги хрящевой ткани, входящие в единую макрофагально-фагоцитарную систему организма.

Болезни суставов

В.И. Мазуров

функции, особенности строения, виды, восстановление

Хрящевая ткань является разновидностью твердой соединительной ткани. Из названия понятно, что состоит она из хрящевых клеток и межклеточного вещества. Основная функция хрящевой ткани – опорная.

Хрящевая ткань обладает высокой упругостью и эластичностью. Для суставов хрящевая ткань очень важна – она исключает трение за счет выделения жидкости и смазывания суставов. Благодаря этому нагрузка на суставы существенно снижается.

К сожалению, с возрастом хрящевая ткань утрачивает свои свойства. Нередко хрящевая ткань повреждается и в молодом возрасте. Все потому, что хрящевая ткань очень склонна к разрушению. Очень важно вовремя заняться своим здоровьем, поскольку поврежденная хрящевая ткань – одна из основных причин заболеваний опорно-двигательного аппарата.

Виды хрящевой ткани

1. Гиалиновый хрящ
2. Эластический хрящ
3. Волокнистый хрящ

Гиалиновая хрящевая ткань
встречается в составе хрящей гортани, бронхов, костных темафизов, в области присоединения ребер к грудине.

Из эластичной хрящевой ткани
состоят ушные раковины, бронхи, гортань.

Волокнистая хрящевая ткань
находится в области перехода связок и сухожилий в гиалиновую хрящевую ткань.

Однако все три вида хрящевой ткани схожи по своему составу – они состоят из клеток (хондроцитов) и межклеточного вещества. Последнее обладает высокой обводностью, примерно 60-80 процентов воды. Кроме этого, межклеточное вещество занимает больше пространства, нежели клетки. Химический состав довольно сложный. Межклеточное вещество хрящевой ткани разделяют на аморфное вещество и фибриллярный компонент, в состав которого входит около сорока процентов сухого вещества — коллагена. Выработкой матрикса (межклеточного вещества) занимаются хондробласты и молодые хондроциты.

Хондробласты и хондроциты

Хондробласты

представляют собой клетки округлой или овоидной формы. Основная задача: продуцирование компонентов межклеточного вещества, такие как коллаген, эластин, гликопротеины, протеогликаны.

Хондроцитами

принять считать зрелые клетки хрящевой ткани крупного размера. Форма может быть округлая, овальная, полигональная. Где находятся хондроциты? В лакунах. Окружает хондроциты межклеточное вещество. Стенки лакун представляют собой два слоя – наружный (из коллагенновых волокон) и внутреннего (из агрегатов протеогликанов).

Сочетает в себе не только коллагеновые фибриллы, но и эластические волокна, которые состоят из белка эластина. Его выработка – также задача хрящевых клеток. Эластическая хрящевая ткань отличается повышенной гибкостью.

В состав волокнистой хрящевой ткани входят пучки коллагеновых волокон. Волокнистая хрящевая ткань очень прочная. Фиброзные кольца межпозвоночных дисков, внутрисуставные диски состоят из волокнистой хрящевой ткани. Кроме этого, волокнистая хрящевая ткань покрывает суставные поверхности височно-нижнечелюстного, а также грудино-ключичного суставов.

36.Скелетные
ткани.общая характеристика.Хрящевые
ткани,локализация в организме.Клеточный
состав,особенности организации
межклеточного вещества у разных видов
хряща.Структурно-функциональная
характеристика клеток и межклеточного
вещества.понятие об изогенной группе
клеток.

Скелетные
ткани

Общая
характеристика
костной
и
хрящевой
тканей

Скелетные
ткани
(textus skeletales) —
это
разновидность
соединительных
тканей
с
выраженной
опорной,
механической
функцией,
обусловленной
наличием
плотного
межклеточного
вещества.
К
скелетным
тканям
относят:

хрящевые
ткани
,

костные
ткани
,

дентин
зуба

цемент
зуба
.

Помимо
главной
опорной
функции,
эти
ткани
принимают
участие
в
водно-солевом
обмене,
— в
основном,
солей
кальция
и
фосфатов.

Как
и
все
прочие
ткани
внутренней
среды
организма,
скелетные
ткани
развиваются
из
мезенхимы,
— точнее
из
той
мезенхимы,
что
выселяется
из
склеротомов
мезодермы.

Хрящевые
ткани

Хрящевые
ткани
(textus cartilaginei) отличаются
упругостью
и
прочностью,
что
связано
с
положением
этой
ткани
в
организме.
Хрящевая
ткань
входят
в
состав
органов
дыхательной
системы,
суставов,
межпозвоночных
дисков.

Как
и
в
других
тканях,
в
хрящевой
ткани
выделяют
клетки
и
межклеточное
вещество.
Главные
клеточные
элементы
–
хондробласты
и
хондроциты.
Межклеточного
вещества
в
хрящевой
ткани
больше,
чем
клеток.
Оно
отличается
гидрофильностью
и
упругостью.
Именно
с
упругостью
межклеточного
вещества
связана
опорная
функция
хрящевых
тканей.

Хрящевая
ткань
значительно
гидратирована,
— в
свежей
ткани
содержится
до
80% воды.
Более
половины
объема
«сухого»
вещества
хрящевой
ткани
составляет
фибриллярный
белок
коллаген.
В
хрящевой
ткани
остутствуют
сосуды
–
питательные
вещества
диффундируют
из
окружающих
тканей.

Классификация

Различают
три
вида
хрящевой
ткани
:

гиалиновую,

эластическую,

волокнистую.

Такое
подразделение
хрящевых
тканей
основано
на
структурно-функциональных
особенностях
строения
их
межклеточного
вещества,
степени
содержания
и
соотношения
коллагеновых
и
эластических
волокон.

Краткая
характеристика
клеток
хрящевой
ткани

Хондробласты
–
небольшие
уплощенные
клетки,
способные
делиться
и
синтезировать
межклеточное
вещество.
Выделяя
компоненты
межклеточного
вещества,
ходробласты
как
бы
«замуровывают»
себя
в
нем,
— превращаются
в
хондроциты.
Происходящий
при
этом
рост
хряща
называется
периферическим,
или
аппозиционным,
— т.е.
путем
«наложения»
новых
слоев
хряща.

Хондроциты
— имеют
больший
размер
и
овальную
форму.
Они
лежат
в
особых
полостях
межклеточного
вещества
–
лакунах.
Хондроциты
часто
образуют
т.н.
изогенные
группы
из
2-6 клеток,
которые
произошли
из
одной
клетки.
При
этом
некоторые
хондроциты
сохраняют
способность
к
делению,
а
другие
активно
синтезируют
компоненты
межклеточного
вещества.
За
счёт
деятельности
хондроцитов
происходит
увеличение
массы
хряща
изнутри
— интерстициальный
рост.

виды
хрящевой ткани, возрастные изменения
и регенерация хряща

Исходя
из особенностей строения межклеточного
вещества, хрящевые ткани делят на три
вида – гиалиновую, эластическую и
волокнистую, или фиброзную.

Гиалиновая
хрящевая ткань

Гиалиновая
хрящевая ткань (textus cartilaginous hyalinus),
называемая еще стекловидной (от греч.
hyalos — стекло) — в связи с ее прозрачностью
и голубовато-белым цветом, является
наиболее распространенной разновидностью
хрящевой ткани. Во взрослом организме
гиалиновая ткань встречается на суставных
поверхностях костей, в местах соединения
ребер с грудиной, в гортани и воздухоносных
путях.

Большая
часть встречающейся в организме у
человека гиалиновой хрящевой ткани
покрыта надхрящницей (perichondrium) и
представляет собой вместе с пластинкой
хрящевой ткани анатомические образования
— хрящи.

В
надхрящнице выделяют два слоя: наружный,
состоящий из волокнистой соединительной
ткани с кровеносными сосудами; и
внутренний, преимущественно клеточный,
содержащий хондробласты и их предшественники
— прехондробласты. Под надхрящницей в
поверхностном слое хряща располагаются
молодые хондроциты веретенообразной
уплощенной формы. В более глубоких слоях
хрящевые клетки приобретают овальную
или округлую форму. В связи с тем что
синтетические и секреторные процессы
у этих клеток ослабляются, они после
деления далеко не расходятся, а лежат
компактно, образуя изогенные группы от
2 до 4 (реже до 6) хондроцитов.

Эластическая
хрящевая ткань

Второй
вид хрящевой ткани — эластическая
хрящевая ткань (textus cartilagineus elasticus)
встречается в тех органах, где хрящевая
основа подвергается изгибам (в ушной
раковине, рожковидных и клиновидных
хрящах гортани и др.). В свежем,
нефиксированном состоянии эластическая
хрящевая ткань бывает желтоватого цвета
и не такая прозрачная, как гиалиновая.
По общему плану строения эластический
хрящ сходен с гиалиновым. Снаружи он
покрыт надхрящницей. Хрящевые клетки
(молодые и специализированные хондроциты)
располагаются в лакунах поодиночке или
образуют изогенные группы.

Одним
из главных отличительных признаков
эластического хряща является наличие
эластических волкон в его межклеточном
веществе, наряду с коллагеновыми
волокнами. Эластические волокна
пронизывают межклеточное вещество во
всех направлениях.

В
слоях, прилежащих к надхрящнице,
эластические волокна без перерыва
переходят в эластические волокна
надхрящницы. Липидов, гликогена и
хондроитинсульфатов в эластическом
хряще меньше, чем в гиалиновом.

Волокнистая
хрящевая ткань

Третий
вид хрящевой ткани — волокнистая, или
фиброзная, хрящевая ткань (textus cartilaginous
fibrosa) находится в межпозвоночных дисках,
полуподвижных сочленениях, в местах
перехода плотной волокнистой соединительной
ткани сухожилий и связок в гиалиновый
хрящ, где ограниченные движения
сопровождаются сильными натяжениями.
Межклеточное вещество содержит
параллельно направленные коллагеновые
пучки, постепенно разрыхляющиеся и
переходящие в гиалиновый хрящ. В хряще
имеются полости, в которые заключены
хрящевые клетки. Хондроциты располагаются
поодиночке или образуют небольшие
изогенные группы. Цитоплазма клеток
часто бывает вакуолизированной. По
направлению от гиалинового хряща к
сухожилию волокнистый хрящ становится
все более похожим на сухожилие. На
границе хряща и сухожилия между
коллагеновыми пучками лежат столбиками
сдавленные хрящевые клетки, которые
без какой-либо границы переходят в
сухожильные клетки, расположенные в
плотной оформленной волокнистой
соединительной ткани сухожилия.

Возрастные
изменения и регенерация

По
мере старения организма в хрящевой
ткани уменьшаются концентрация
протеогликанов и связанная с ними
гидрофильность ткани. Ослабляются
процессы размножения хондробластов и
молодых хондроцитов.

В
резорбции дистрофически измененных
клеток и межклеточного вещества участвуют
хондрокласты. Часть лакун после гибели
хондроцитов заполняется аморфным
веществом и коллагеновыми фибриллами.
Местами в межклеточном веществе
обнаруживаются отложения солей кальция
(«омеление хряща»), вследствие чего хрящ
становится мутным, непрозрачным,
приобретает твердость и ломкость. В
результате появляющееся нарушение
трофики центральных участков хряща
может привести к врастанию в них
кровеносных сосудов с последующим
костеобразованием.

Физиологическая
регенерация хрящевой ткани осуществляется
за счет малоспециализированных клеток
надхрящницы и хряща путем размножения
и дифференцировки прехондробластов и
хондробластов. Однако этот процесс идет
очень медленно. Посттравматическая
регенерация хрящевой ткани внесуставной
локализации осуществляется за счет
надхрящницы. Восстановление может
происходить за счет клеток окружающей
соединительной ткани, не потерявших
способности к метаплазии (т.е. превращения
фибробластов в хондробласты).

В
суставном хряще в зависимости от глубины
травмы регенерация происходит как за
счет размножения клеток в изогенных
группах (при неглубоком повреждении),
так и за счет второго источника регенерации
— камбиальных клеток субхондральной
костной ткани (при глубоком повреждении
хряща).

Хрящевая ткань
, как и костная, относится к скелетным тканям с опорно-механической функцией. По классификации выделяют три разновидности хрящевой ткани — гиалиновую, эластическую и волокнистую. Особенности строения различных видов хрящевой ткани зависят от места расположения ее в организме, механических условий, возраста индивидуума.

Виды хрящевой ткани:
1 — гиалиновый хрящ; 2 — эластический хрящ; 3 — волокнистый хрящ

Наиболее широкое распространение у человека получила
гиалиновая хрящевая ткань
.

Она входит в состав трахеи, некоторых хрящей гортани, крупных бронхов, темафизов костей, встречается в местах соединения ребер с грудиной и в некоторых других областях тела. Эластическая хрящевая ткань входит в состав ушной раковины, бронхов среднего калибра, некоторых хрящей гортани. Волокнистый хрящ обычно встречается в местах перехода сухожилий и связок в гиалиновый хрящ, например в составе межпозвоночных дисков.

Строение всех видов хрящевой ткани в общих чертах сходно: они имеют в своем составе клетки и межклеточное вещество (матрикс). Одной из особенностей межклеточного вещества хрящевой ткани является его высокая обводненность: содержание воды в норме колеблется от 60 д 80 %. Площадь, занимаемая межклеточным веществом, значительно больше площади, занятой клетками. Межклеточное вещество хрящевой ткани вырабатывается клетками (хондробластами и молодыми хондроцитами) и имеет сложный химический состав. Оно подразделяется на основное аморфное вещество и фибриллярный компонент, который составляет примерно 40 % сухой массы межклеточного вещества и представлен в гиалиновой хрящевой ткани коллагеновыми фибриллами, образованными коллагеном II типа, идущими диффузно в различных направлениях. На гистологических препаратах фибриллы незаметны, так как имеют одинаковый с аморфным веществом показатель преломления. В эластической хрящевой ткани наряду с коллагеновыми фибриллами имеются многочисленные эластические волокна, состоящие из белка эластина, который тоже продуцируется хрящевыми клетками. Волокнистая хрящевая ткань содержит большое количество пучков коллагеновых волокон, состоящих из коллагена I и II типа.

Ведущими химическими соединениями, образующими основное аморфное вещество хрящевых тканей (хондромукоид), являются сульфатированные гликозаминогликаны (кератосульфаты и хондроитинсульфаты А и С) и нейтральные мукополисахариды, большинство из которых представлено сложными надмолекулярными комплексами. В хрящах получили широкое распространение соединения молекул гиалуроновой кислоты с протеогликанами и со специфическими сульфатированными гликозаминогликанами. Этим обеспечиваются особые свойства хрящевых тканей — механическая прочность и в то же время проницаемость для органических соединений, воды и других веществ, необходимых для обеспечения жизнедеятельности клеточных элементов. Маркерными, наиболее специфичными для межклеточного вещества хряща соединениями являются кератосульфаты и определенные разновидности хондроитинсульфатов. Они составляют около 30 % сухой массы хряща.

Основные клетки хрящевой ткани —
хондробласты и хондроциты
.

Хондробласты
представляют собой молодые, малодифференцированные клетки. Они располагаются вблизи надхрящницы, лежат поодиночке и характеризуются округлой или овальной формой с неровными краями. Крупное ядро занимает значительную часть цитоплазмы. Среди клеточных органелл преобладают органеллы синтеза — рибосомы и полисомы, гранулярная эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, митохондрии; характерны включения гликогена. При общегистологической окраске препаратов гематоксилином и эозином хондробласты слабобазофильны. Структура хондробластов указывает на то, что эти клетки обнаруживают высокую метаболическую активность, в частности, связанную с синтезом межклеточного вещества. Показано, что в хондробластах синтез коллагеновых и неколлагеновых белков пространственно разделен. Весь цикл синтеза и выведения высокомолекулярных компонентов межклеточного вещества в функционально активных хондробластах у человека занимает менее суток. Новообразованные белки, протеогликаны и гликозаминогликаны не располагаются непосредственно вблизи поверхности клетки, а распространяются диффузно на значительном расстоянии от клетки в образовавшемся ранее межклеточном веществе. Среди хондробластов встречаются и функционально неактивные клетки, строение которых характеризуется слабым развитием синтетического аппарата. Кроме того, часть хондробластов, находящаяся сразу под надхрящницей, не утратила способность к делению.

Хондроциты
— зрелые клетки хрящевой ткани — занимают, главным образом, центральные участки хряща. Синтетические способности этих клеток значительно ниже, чем у хондробластов. Дифференцированные хондроциты чаще всего лежат в хрящевых тканях не поодиночке, а группами, включающими по 2, 4, 8 клеток. Это так называемые изогенные группы клеток, которые образовались в результате деления одной хрящевой клетки. Структура зрелых хондроцитов указывает на то, что они не способны к делению и заметному синтезу межклеточного вещества. Но некоторые исследователи считают, что при определенных условиях митотическая активность в этих клетках все же возможна. Функция хондроцитов заключается в поддержании на определенном уровне обменных метаболических процессов в хрящевых тканях.

Изогенные группы клеток находятся в хрящевых полостях, окруженных матриксом. Форма хрящевых клеток в изогенных группах может быть различной — округлой, овальной, веретеновидной, треугольной — в зависимости от положения на том или ином участке хряща. Хрящевые полости окружены узкой, более светлой, чем основное вещество, полоской, образующей как бы оболочку хрящевой полости. Эта оболочка, отличающаяся оксифильностью, называется клеточной территорией, или территориальным матриксом. Более удаленные участки межклеточного вещества называются интерстициальным матриксом. Территориальный и интерстициальный матриксы — участки межклеточного вещества с различными структурно-функциональными свойствами. В пределах территориального матрикса коллагеновые фибриллы ориентированы вокруг поверхности изогенных клеточных групп. Переплетения коллагеновых фибрилл образуют стенку лакун. Пространства между клетками внутри лакун заполнены протеогликанами. Интерстициальный матрикс характеризуется слабобазофильной или оксифильной окраской и соответствует наиболее старым участкам межклеточного вещества.

Таким образом, дефинитивная хрящевая ткань характеризуется строго поляризованным распределением клеток в зависимости от степени их дифференцировки. Вблизи надхрящницы находятся наименее дифференцированные клетки — хондробласты, имеющие вид вытянутых параллельно надхрящнице клеток. Они активно синтезируют межклеточное вещество и сохраняют митотическую способность. Чем ближе к центру хряща, тем клетки более дифференцированы, они располагаются изогенными группами и характеризуются резким снижением синтеза компонентов межклеточного вещества и отсутствием митотической активности.

В современной научной литературе описан еще один тип клеток хрящевой ткани —
хондрокласты
. Они встречаются только при разрушении хрящевой ткани, а в условиях ее нормальной жизнедеятельности не обнаруживаются. По своим размерам хондрокласты значительно крупнее, чем хондроциты и хондробласты, так как содержат в цитоплазме несколько ядер. Функция хондрокластов связана с активацией процессов дегенерации хряща и участием в фагоцитозе и лизисе фрагментов разрушенных хрящевых клеток и компонентов хрящевого матрикса. Иными словами, хондрокласты — это макрофаги хрящевой ткани, входящие в единую макрофагально-фагоцитарную систему организма.

Болезни суставов

В.И. Мазуров

Не секрет, что спортсмены даже в хорошей физической форме и в сравнительно раннем возрасте часто бросают тренировки из-за травм. Большая доля их проблем — связки. Наиболее слабая их часть — хрящевая ткань. Функции поврежденных суставов, оказывается, можно восстанавливать, если вовремя обратить внимание на проблему и создать подходящие условия для лечения и регенерации их клеток.

Ткани в организме человека

Человеческий организм — это сложная и гибкая система, способная к саморегулированию. Состоит она из различных по строению и выполняемым функциям клеток. В них происходит основной обмен веществ. Вместе с неклеточными структурами они объединены в ткани: эпителиальная, мышечная, нервная, соединительная.

Эпителиальные клетки составляют основу кожного покрова. Они выстилают внутренние полости (брюшную, грудную, верхние дыхательные пути, кишечный тракт). Мышечная ткань дает возможность человеку двигаться. Также она обеспечивает перемещение внутренних сред во всех органах и системах. Мускулатура подразделяется на виды: гладкая (стенки полостных органов и сосудов), сердечная, скелетная (поперечнополосатая). Нервная ткань обеспечивает передачу импульсов от мозга. Некоторые клетки способны расти и размножаться, часть из них способны к регенерации.

Соединительная ткань является внутренней средой организма. Она различна по структуре, строению и свойствам. Из нее состоят прочные кости скелета, подкожная жировая клетчатка, жидкие среды: кровь и лимфа. К ней также относится и хрящевая ткань. Функции ее — формирующая, амортизационная, поддерживающая и опорная. Все они играют важную роль и являются необходимыми в сложной системе организма.

строение и функции

Ее характерная черта — рыхлость в расположении клеток. Рассматривая их по отдельности, можно заметить, как четко отделены они друг от друга. Связкой между ними выступает межклеточное вещество — матрикс. Причем у разных видов хрящей оно образовано кроме основного аморфного вещества различными волокнами (эластичными и коллагеновыми). Хотя они имеют общее белковое происхождение, но различаются по свойствам и в зависимости от этого выполняют различные функции.

Все кости организма сформировались из хрящей. Но по мере роста их межклеточное вещество заполнилось кристаллами солей (в основном кальция). В результате кости приобрели прочность и стали частью скелета. Хрящи также выполняют опорные функции. В позвоночнике, находясь между сегментами, они воспринимают постоянные нагрузки (статические и динамические). Ушные раковины, нос, трахея, бронхи — в этих участках ткань играет больше формирующую роль.

Рост и питание хряща осуществляются через надхрящницу. Она в ткани является обязательной частью, кроме суставов. В них между трущимися поверхностями присутствует синовиальная жидкость. Она омывает, смазывает и питает их, отводит продукты обмена.

Структура

В хряще мало клеток, способных к делению, и много пространства вокруг них, заполненного различным по свойствам белковым веществом. Из-за такой особенности процессы регенерации часто в большей мере идут именно в матриксе.

Выделяют два вида клеток ткани: ходнроциты (зрелые) и хондробласты (молодые). Различаются они размерами, местом и способом расположения. Хондроциты имеют округлую форму, и они крупнее. Располагаются парами или в группах до 10 клеток. Хондробласты обычно мельче и находятся в ткани по периферии или же одиночно.

В цитоплазме клеток под оболочкой накапливается вода, имеются включения гликогена. Кислород и питательные вещества поступают в клетки диффузно. Там происходит синтез коллагена и эластина. Они необходимы для формирования межклеточного вещества. От его специфики зависит, какого типа это будет хрящевая ткань. Особенности строения и отличаются от межпозвоночных дисков, в том числе и содержанием коллагена. В в хряще носа межклеточное вещество состоит на 30 % из эластина.

Виды

Как классифицируется Функции ее зависят от преобладания в матриксе специфических волокон. Если в межклеточном веществе больше эластина, то хрящевая ткань будет более пластична. Она почти такая же прочная, но пучки волокон в ней тоньше. Они хорошо выдерживают нагрузки не только на сжатие, но и на растяжение, способны к деформациям без критических последствий. Такие хрящи называют эластическими. Их ткани формируют гортань, ушные раковины, нос.

Если в матриксе вокруг клеток большое содержание коллагена со сложной структурой построения полипептидных цепей, такой хрящ называют гиалиновым. Он чаще всего покрывает внутренние поверхности суставов. Наибольшее количество коллагена сосредоточено в поверхностной зоне. Он играет роль каркаса. Пучки волокон в нем по структуре напоминают трехмерные переплетенные сети спиралевидной формы.

Есть еще одна группа: фиброзные, или волокнистые, хрящи. Они, как и гиалиновые, содержат в межклеточном веществе большое количество коллагена, но он имеет особую структуру. Пучки их волокон не имеют сложного переплетения и расположены вдоль оси наибольших нагрузок. Они более толстые, имеют особую прочность на сжатие, плохо восстанавливаются при деформации. Из такой ткани сформированы межпозвоночные диски, места стыка сухожилий с костями.

Функции

Благодаря особенным биомеханическим свойствам ткань хряща идеально подходит для связывания составляющих опорно-двигательного аппарата. Она способна принимать воздействие сил сжатия и растяжения при движениях, перераспределять их равномерно нагрузке, до некоторой степени поглощать или рассеивать.

Хрящи образуют устойчивые к истиранию поверхности. В совокупности с синовиальной жидкостью такие суставы при допустимых нагрузках способны продолжительное время нормально выполнять свои функции.

Сухожилия — это не хрящевая ткань. Функции их также заключаются в связывании в общую аппарата. Они также состоят из пучков коллагеновых волокон, но их структура и происхождение другие. органов дыхания, ушных раковин кроме того что выполняют формирующую и опорную функции являются местом крепления мягких тканей. Но в отличие от сухожилий мышцы рядом с ними не имеют такой нагрузки.

Особые свойства

В эластических хрящах очень мало сосудов. И это объяснимо, ведь сильная динамическая нагрузка способна их повредить. Как же питается хрящевая соединительная ткань? Функции эти берет на себя межклеточное вещество. В гиалиновом хряще вообще нет сосудов. Их трущиеся поверхности довольно жесткие и плотные. Питание их осуществляется за счет синовиальной жидкости сустава.

В матриксе вода перемещается свободно. Она содержит все необходимые вещества для обменных процессов. Протеогликановые компоненты в хрящах идеально связывают воду. Она как несжимаемая субстанция обеспечивает жесткость и дополнительную амортизацию. При нагрузках вода принимает на себя воздействие, растекается по всему межклеточному пространству и плавно снимает напряжение, препятствуя необратимым критическим деформациям.

Развитие

В теле взрослого человека до 2 % массы приходится на хрящевую ткань. Где она сосредоточена и какие функции выполняет? Хрящевая и костная ткань в эмбриональном периоде не дифференцируется. У зародышей костей нет. Они развиваются из хрящевой ткани и образуются к моменту рождения. Но часть ее так и не окостеневает. Из нее образуются уши, нос, гортань, бронхи. Также она присутствует в суставах рук и ног, сочленениях межпозвоночных дисках, менисках коленей.

Развитие хряща происходит в несколько этапов. Сначала клетки мезенхимы насыщаются водой, округляются, утрачивают отростки и начинают продуцировать вещества для матрикса. После этого происходит их дифференцировка на хондроциты и хондробласты. Первые оказываются плотно окруженными межклеточным веществом. В таком состоянии они могут делиться ограниченное количество раз. После таких процессов образуется изогенная группа. Клетки, оставшиеся на поверхности ткани, становятся хондробластами. В процессе продуцирования веществ матрикса происходит окончательная дифференцировка, формируется структура с отчетливым делением на тонкую кайму и основу ткани.

Возрастные изменения

Функции хрящевой в процессе жизни не меняются. Однако со временем можно заметить признаки старения: ослабевают мышцы и сухожилия суставов, теряется гибкость, беспокоят боли на перемену погоды или при непривычной нагрузке. Такой процесс считается физиологической нормой. К возрасту 30-40 лет симптомы изменений могут в большей или меньшей степени уже начинать причинять неудобства. Старение ткани суставного хряща происходит из-за потери его эластичности. Теряется упругость волокон. Ткань высыхает, разрыхляется.

На гладкой поверхности появляются трещинки, она становится шероховатой. Плавность и легкость скольжения уже невозможна. Поврежденные края разрастаются, в них образуются отложения, в ткани формируются остеофиты. Эластические хрящи стареют с накоплением в межклеточном веществе кальция, но на их функциях (нос, ушные раковины) это почти не отражается.

Нарушение функции хрящевой и костной ткани

Когда и как это может произойти? В большой степени это зависит от того, какую функцию выполняет хрящевая ткань. В межпозвоночных дисках, основная функция которых стабилизирующая и опорная, чаще всего нарушение работы происходит при развитии дистрофических или дегенеративных процессов. Ситуация может привести к смещениям, что, в свою очередь, повлечет сдавливание окружающих тканей. Неизбежен отек, ущемление нервов, сдавливание сосудов.

Чтобы восстановить стабильность, организм пытается бороться с проблемой. Позвонок в месте деформации «подстраивается» под ситуацию, разрастается в виде своеобразных костных выростов (усов). Это также не идет на пользу окружающим тканям: снова отек, ущемление, сжатие. Такая проблема имеет комплексный характер. Нарушения функционирования костно-хрящевого аппарата принято называть остеохондрозом.

Длительное ограничение движения (гипс при травмах) также негативно сказывается на хрящах. Если при чрезмерных нагрузках эластические волокна перерождаются в грубые фиброзные пучки, то при низкой активности хрящи перестают нормально питаться. Синовиальная жидкость плохо перемешивается, хондроциты недополучают питательные вещества, в результате не вырабатывается необходимое количество коллагена и эластина для матрикса.

Вывод напрашивается сам: для нормальной работы суставов хрящи должны получать достаточную нагрузку на растяжение и сжатие. Чтобы это обеспечить, нужно заниматься физическими упражнениями, вести здоровый и активный образ жизни.

В теле человека хрящевые ткани служат опорой и связью между структурами скелета. Выделяют несколько типов хрящевых структур, каждый из которых имеет свое местоположение и выполняет свои задачи. Скелетная ткань подвергается патологическим изменениям вследствие интенсивных физических нагрузок, врожденных патологий, возраста и других факторов. Чтобы уберечь себя от травм и заболеваний, нужно принимать витамины, препараты кальция и не травмироваться.

Значение хрящевых структур

Суставной хрящ скрепляет скелетные кости, связки, мышцы и сухожилия в единую опорно-двигательную систему. Именно этот тип соединительной ткани обеспечивает амортизацию во время движения, уберегая позвоночник от повреждений, предотвращая переломы и ушибы. Функция хрящей — делать скелет упругим, эластичным и гибким.
Кроме того, хрящи составляют опорный каркас для многих органов, оберегая их от механических повреждений.

Особенности строения хрящевой ткани

Удельный вес матрикса превышает суммарную массу всех клеток. Общий план строения хряща состоит из 2-х ключевых элементов: межклеточного вещества и клеток. Во время гистологического изучения образца под линзами микроскопа клетки располагаются на сравнительно меньшем проценте площади пространства. Межклеточное вещество содержит порядка 80% воды в составе. Строение гиалинового хряща обеспечивает его главную роль в росте и движении сочленений.

Межклеточное вещество

Прочность хряща определяется его строением.

Матрикс, как орган хрящевой ткани, неоднороден и содержит до 60% аморфной массы и 40% волокон хондрина. Фибриллы по гистологии напоминают коллаген кожи человека, однако отличаются более хаотичным размещением. Основное вещество хряща состоит из комплексов белка, глюкозаминогликанов, соединений гиалуронана и мукополисахаридов. Эти компоненты обеспечивают прочные свойства хрящевой ткани, сохраняя ее проницаемой для необходимых нутриентов. Есть капсула, ее название — надхрящница, это источник элементов регенерации хряща.

Клеточный состав

Хондроциты расположены в межклеточном веществе довольно хаотично. Классификация делит клетки на недифференцированные хондробласты и зрелые хондроциты. Предшественники образовываются надхрящницей, а по мере продвижения в глубже расположенные шары ткани клетки дифференцируются. В хондробластах вырабатываются ингредиенты матрикса, к которым относятся белки, протеогликаны и глюкозаминогликаны. Молодые клетки путем деления обеспечивают интерстициальный рост хряща.

Хондроциты, расположенные в глубинных шарах ткани, группируются по 3-9 клеток, известные как «изогенные группы». Этот зрелый тип клеток имеет небольшое ядро. Они не делятся, а скорость их обмена веществ сильно снижена. Изогенная группа охвачена переплетенными коллагеновыми волокнами. Клетки в этой капсуле разделены молекулами протеинов и имеют многообразную форму.

При дегенеративно-дистрофических процессах появляются многоядерные клетки хондрокласты, которые разрушают и поглощают ткани.

Таблица представляет основные отличия структуры типов хрящевых тканей:

Кровоснабжение и нервы

Ткань не снабжается кровью из собственных сосудов, а получает ее методом диффузии из рядом расположенных.

Благодаря очень плотной структуре хрящи не имеют кровеносных сосудов даже самого мелкого диаметра. Кислород и все необходимые для жизнедеятельности и функционирования питательные вещества поступают методом диффузии из рядом расположенных артерий, надхрящницы или кости, а также извлекаются из синовиальной жидкости. Продукты распада также выводятся диффузно.

В верхних шарах надхрящницы находится только небольшое количество отдельных ответвлений нервных волокон. Таким образом, нервный импульс не формируется и не распространяется при патологиях. Локализация болевого синдрома определяется только тогда, когда болезнь разрушает кость, а структуры хрящевой ткани в суставах практически полностью уничтожены.

Разновидности и функции

В зависимости от типа и взаиморасположения фибрилл гистология выделяет такие виды хрящевой ткани:

• гиалиновую;
• эластическую;
• волокнистую.

Каждый вид характеризуется определенным уровнем упругости, устойчивости и плотности. Местонахождение хряща определяет его задачи. Основная функция хрящей — обеспечение прочности и стабильности соединений частей скелета. Гладкий гиалиновый хрящ, который встречается в суставах, делает возможным совершать движения костей. Благодаря своему внешнему виду он называется стекловидным. Физиологическое соответствие поверхностей гарантирует плавное скольжение. Особенности строения гиалинового хряща и его толщина делают его составной частью ребер, колец верхних дыхательных путей.

Форма носа образуется эластичным типом хрящевой ткани.

Эластический хрящ образовывает внешность, голос, слух и дыхание. Это относится к структурам, которые находятся в остове бронхов малого и среднего калибра, ушных раковин и кончике носа. Элементы гортани участвуют в образовании личного и неповторимого тембра голоса. Волокнистый хрящ связывает скелетные мышцы, сухожилия и связки со стекловидным хрящом. Из фиброзных структур построены межпозвоночные и внутрисуставные диски и мениски, ими покрыты височно-нижнечелюстное и грудино-ключичное сочленения.

Хрящевая ткань — это… Что такое Хрящевая ткань?

Хрящевая ткань

Хрящ — один из видов соединительной ткани, отличается плотным упругим межклеточным веществом, образующим вокруг клеток-хондроцитов и групп их особые оболочки, капсулы. Важнейшее отличие хрящевой ткани от костной (и большинства других типов тканей) — отсутствие внутри хряща нервов и кровеносных сосудов. Если межклеточное вещество однородно, то хрящ называется стекловидным или гиалиновым, если пронизано волокнами — волокнистым, если заключает сеть эластических волокон — сетчатым. Снаружи хрящ одет особой соединительно-тканной оболочкой — перихондрием, или надхрящницей. Хрящ играет роль твёрдой основы, скелета тела животного или образует упругие части костного скелета (одевает концы костей, образуя суставные поверхности, или соединяет кости в виде прослоек — например. такую роль играют межпозвоночные диски). В онтогенезе высших позвоночных большинство костей образуется сначала в виде хрящевых закладок, которые затем замещаются костной тканью

Хрящи впервые появились у хрящевых рыб, таких как акула, выполняя роль костей. При этом в хрящах позвоночных с костным скелетом низкое содержание минеральных солей (фосфата кальция) в межклеточном веществе (матриксе), поэтому они менее жёсткие, чем кости. У акул и других хрящевых рыб хрящ во многих частях скелета пропитывается минеральными солями, при этом живые клетки сохраняются только на его поверхности.

Cartilage observé au microscope à coloration hématoxyline-éosine (Hyaliner Knorpel im lichtmikroskopischen Bild)

Chondron; Isogene Gruppe; Territorium; Knorpel (Schematisches Beispiel eines Chondrons)

При варении хрящи дают особое вещество — хондрин. Хрящи животных используют при приготовлении студня.

См. также

Ссылки

Опорно-двигательная система, соединительная ткань: костная и хрящевая
Хрящи
Хрящевой рост	надхрящница, костная мозоль, эпифизарная пластинка
Клетки	хондробласт, хондроцит
Типы хрящевой ткани	гиалиновая, эластическая, волокнистая
Кости
Оссификация	эндесмальная, эндохондральная
Клетки	остеобласт, остеоцит, остеокласт
Типы костной ткани	губчатая, компактная
Отделы	субхондральная кость, эпифиз, метафиз, диафиз
Структура	остеон, гаверсовы каналы, фолькмановские каналы, эндост, надкостница, костный мозг
Форма	длинные, короткие, плоские, сесамовидные

Wikimedia Foundation.
2010.

• Хряк
• Хрущёв Н.

Смотреть что такое «Хрящевая ткань» в других словарях:

• ХРЯЩЕВАЯ ТКАНЬ — ХРЯЩЕВАЯ ТКАНЬ, гибкая опорная ткань, которая состоит из плотного белка КОЛЛАГЕНА. У зародыша позвоночных большая часть скелета состоит из хрящевой ткани, которая в ходе развития постепенно заменяется на КОСТНУЮ, за исключением таких мест,… …   Научно-технический энциклопедический словарь

• ХРЯЩЕВАЯ ТКАНЬ — относится к группе твердой соединительной ткани и отличается от костной макроскопически своим полупросвечивающим видом, а также значительной упругостью и сгибаемостью. Микроскопически она состоит из клеток и межклеточного, основного вещества. По… …   Большая медицинская энциклопедия

• Хрящевая ткань — особенный вид поддерживающей (соединительной) ткани. Подробности см. Ткань соединительная …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

• ХРЯЩЕВАЯ ТКАНЬ — хрящевая ткань, хрящ, разновидность опорно трофической ткани, характеризующаяся наличием плотного межклеточного вещества и клеток (хондриоцитов) с округлёнными контурами и не имеющими отростков. Выполняет в организме опорную функцию.Различают три …   Ветеринарный энциклопедический словарь

• Ткань — (textus, LNH) система клеток и неклеточных структур, объединенных общей функцией, строением и (или) происхождением. Ткань грануляционная (granulationes; син.: грануляции, Т. зернистая) соединительная Т., образующаяся при заживлении дефектов ткани …   Медицинская энциклопедия

• ткань хрящевая стекловидная — см. Ткань хрящевая гиалиновая …   Большой медицинский словарь

• Ткань (биология) — У этого термина существуют и другие значения, см. Ткань (значения). Ткань  система клеток и межклеточного вещества, объединенных общим происхождением, строением и выполняемыми функциями. Строение тканей живых организмов изучает наука… …   Википедия

• ткань хрящевая гиалиновая — (cartilago hyalina, LNH; син.: Т. хрящевая стекловидная, хрящ гиалиновый) Т. х., межклеточное вещество которой содержит коллагеновые волокна и хондромукопротеиды; из Т. х. г. состоят хрящи ребер, трахеи и бронхов, суставных поверхностей костей …   Большой медицинский словарь

• Ткань Соединительная (Connective Tissue) — обширная группа тканей, которые выполняют опорную, трофическую, защитную функции, образует строму органов, связывает или разделяет какие либо другие ткани и органы или функционирует как связывающая ткань в теле человека. В состав соединительной… …   Медицинские термины

• ТКАНЬ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ — (connective tissue) обширная группа тканей, которые выполняют опорную, трофическую, защитную функции, образует строму органов, связывает или разделяет какие либо другие ткани и органы или функционирует как связывающая ткань в теле человека. В… …   Толковый словарь по медицине

Битва за хрящевую ткань в Вашем городе

Выберите специалиста:

Детский стоматологОртодонтТерапевтГигиенистПародонтологХирургОртопедПедиатрЛОРДетский эндокринолог

• Вострикова Юлия Валентиновна
  Детский стоматолог-терапевт

• Пономарева Мария Львовна
  Ортодонт детский, подростковый

• Глазырина Юлия Леонидовна
  Терапевт стоматолог, детский

• Паутова Лариса Евгеньевна
  Терапевт стоматолог, детский

• Шириханова Наталья Валентиновна
  Терапевт стоматолог, детский

• Шевцова Юлия Вадимовна
  Терапевт стоматолог, детский

• Гребенкина Виктория Алексеевна
  Терапевт стоматолог, детский

• Химчук Наталья Сергеевна
  Детский стоматолог

• Соснина Наталья Эдуардовна
  Детский стоматолог

• Харламова Анна Юрьевна
  Детский стоматолог

• Светлицкая Александра Николаевна
  Стоматолог-терапевт детский, подростковый

• Стрелкова Дарья Михайловна
  Стоматолог-терапевт детский, подростковый

• Русинова Анастасия Сергеевна
  Детский стоматолог

• Пономарева Мария Львовна
  Ортодонт детский, подростковый

• Давыдов Кирилл Андреевич
  Стоматолог-ортодонт

• Сахнов Александр Анатольевич
  Стоматолог-ортодонт

• Горева Ольга  Борисовна
  Стоматолог-ортодонт

• Мокина (Домашевич) Ольга Васильевна
  ортодонт детский, подростковый

• Кострова Вера Анатольевна
  Стоматолог-терапевт

• Мкртчян Аида Михайловна
  Стоматолог-терапевт

• Сатина Анна Сергеевна
  Стоматолог-терапевт

• Мотыль Герман Викторович
  Стоматолог-терапевт

• Чудинова Ирина Викторовна
  Стоматолог-терапевт

• Шуматова Ольга  Валерьевна
  Стоматолог-терапевт

• Елисеева Светлана Юрьевна
  Стоматолог-терапевт

• Давыдова (Аминина) Екатерина Викторовна
  Стоматолог терапевт

• Рябкова Ольга Борисовна
  Стоматолог-терапевт

• Гирш Ирина Леонидовна
  Стоматолог-пародонтолог

• Чикурова Валентина Анатольевна
  Стоматолог-терапевт

• Яковлева Полина Олеговна
  Стоматолог-терапевт

• Кучукова Гульнара Салимзяновна
  Стоматолог-гигиенист

• Агадуллина Юлия  Александровна
  Стоматолог-гигиенист

• Ярославцева Елена Павловна
  Стоматолог-гигиенист

• Пестрикова (Украинцева) Татьяна Ивановна
  детский гигиенист

• Зеленина Юлия Игоревна
  Детский стоматолог-гигиенист

• Ивонина Венера Рашидовна
  Стоматолог-гигиенист

• Пошибалкина Ольга Владимировна
  Стоматолог-парадонтолог

• Гирш Ирина Леонидовна
  Стоматолог-пародонтолог

• Ханжина Елена Владимировна
  Пародонтолог

• Майстренко Евгений Михайлович
  Стоматолог-хирург

• Ермаков Денис Валерьевич
  Стоматолог-ортопед

• Петров Кирилл Александрович
  Стоматолог-ортопед

• Заболотская Александра Николаевна
  Педиатр

• Котельникова Юлия Юрьевна
  Отоларинголог

• Красноперова Ольга Игоревна
  Детский эндокринолог

Определенные методы использования стволовых клеток могут оказаться эффективными для стимуляции регенерации хрящевой ткани суставов

Определенные методы использования стволовых клеток могут оказаться эффективными для стимуляции регенерации хрящевой ткани суставов

У пациентов с артрозом нижнечелюстного сустава, который развивается вследствие разрушения хрящевой ткани, возможно только симптоматическое лечение и до сих пор не существовало методов лечения позволяющих восстановить поврежденные ткани. Но недавно проведенное на мышах исследование показало, что определенное воздействие на собственные стволовые клетки , которые присутствуют в нижнечелюстном суставе, позволяет восстановить хрящевую ткань этого сустава .

Результаты исследования, проведенного в медицинском центре Колумбийского университета в Нью-Йорке, были опубликованы в журнале Nature Communications. Авторы исследования описали, каким образом они воздействовали на стволовые клетки в височно-нижнечелюстном суставе мышей, с наличием артроза этого сустава, и эти манипуляции стимулировали восстановление хрящевой ткани.

Исследователи также обнаружили, что просто трансплантация только ВНЧС стволовых клеток мышам приводила к спонтанной стимуляции роста хряща, костной ткани, и даже начинали формировать нишу костного мозга.

Соавтор исследования доктор Милдред С. Эмбри, доцент кафедры стоматологии в Колумбийском университете, говорит:

«Результаты исследования представляют большой интерес, так как методы лечения для пациентов с проблемами в НЧС имели очень ограниченный диапазон.»

Стволовые клетки — это незрелые клетки, у которых есть потенциал трансформироваться в любой тип клеток, и их использование весьма перспективно для методов регенеративной терапии, которые позволяют восстанавливать поврежденные ткани с помощью стимуляции процессов регенерации.

Альтернатива пересадке стволовых клеток

Одним из методов стимуляции регенерации тканей является трансплантация культуры стволовых клеток в поврежденные ткани. Но, как объясняют авторы исследования, этот метод стимуляции регенерации достаточно рискованный, так как клетки — доноры могут быть уничтожены иммунной системой реципиента или трансформироваться в опухолевые клетки.

Альтернативный подход, который мог бы избежать этих рисков — это индуцировать стволовые клетки, уже присутствующие в пораженной области, что позволило бы восстановить поврежденные ткани.

Хрящевая ткань — это особый тип ткани, покрывающий поверхности дистальных отделов костей, формирующих сустав, и эта ткань снижает трение при движениях суставов.

В ВНЧС хрящевая ткань волокнистая. Аналогичный тип хрящевой ткани располагается в коленном суставе ( мениске) и в межпозвонковых дисках .

После повреждения (вследствие травмы или заболевания) эта ткань практически не восстанавливается. Поэтому ,многие люди с повреждением хрящевой ткани со временем становятся нетрудоспособными .

Только в Соединенных Штатах почти 10 миллионов человек — в основном женщины — с нарушениями ВНЧС. У детей с ювенильным идиопатическим артритом также может быть нарушение формирования челюстного сустава, и методов лечения этого состояния в настоящее время нет. Исследователи предполагают, что результаты их работы могут привести к появлению новых методов лечения которые смогли бы помочь этим группам пациентов .

Подавление сигналов Wnt

В своем исследовании профессор Эмбри и его коллеги — в том числе Джереми Мао, Эдвин С. профессор стоматологии в Колумбии – впервые показали, что «волокнистая поверхностная зона» в ВНЧС мышей укрывает стволовые клетки (FCSCs).

Они также обнаружили, что даже просто пересадка клеток FCSC в живую мышь способна не только стимулировать формирование хряща и костей, но также создавать микросреду для поддержки процесса – аналогично специализированным нишам в костном мозге.

Более того, исследователи показали, что им удается воздействовать на клетки FCSCs заставляя дифференцироваться в требуемые типы клеток, путем подавления сигнала клетки под названием Wnt. Они обнаружили, что сверхактивные Wnt сигналы нарушают стабильность фиброзной ткани и способствуют развитию дегенерации за счет истощения FCSCs.

Полученные результаты могут позволить начать разработки новых методов лечения как челюстных, так и других суставов, включая коленные суставы и межпозвоночные диски

Как объясняет профессор Эмбри:

«Эти типы хряща имеют различные клеточные компоненты, поэтому, нам необходимо исследовать молекулярные основы процесса относительно того, как эти клетки регулируются.»

«Последствия этих выводов широкие, в том числе для клинической терапии. Они предполагают, что молекулярные сигналы, которые регулируют стволовые клетки, могут иметь терапевтическое применение для хрящевой и костной регенерации.»

Профессор Джереми Ма

Bioprinting of Cartilage and Skin Tissue Analogs Utilizing a Novel Passive Mixing Unit Technique for Bioink Precellularization

Результаты в этой рукописи разделены на две секции. Во-первых жизнеспособность клеток был проанализирован после смешивания с механическим способом или пассивной смесительного узла. Далее хрящей и кожи конструкции были культивировали и проанализированы соответствующие гистологические маркеров.

Распределения клеток появился однородных в обоих случаях. Однако действия смешивания вручную, с помощью шпателя (рис. 2b) имеет больше дисперсию, чем смешивания с пассивным смесительного узла(рисунок 2). Степень, скорость и смешивания технику с помощью шпателя сильно зависит от пользователя. Однако смешивая клетки в bioink с пассивным блок смешивания стандартизирует смешивания и сводит к минимуму различия между партиями. Кроме того, 30, 60 и 90 s смешивания время мая не будет достаточно для смешивания большое количество клеток в большое количество bioink. Может потребоваться более тщательного смешивания путем смешивания с помощью шпателя. В сравнении лучше используя пассивная смесительного узла поддерживает смешивание соотношение клеток к bioink во время смешивания и обеспечивает выполнение равномерного смешивания. Кроме того образец потеря является проблемой с традиционными методами смешивая где bioink можно оставить в Петри, трубы и смешивания средства из-за их высокой вязкости. Жизнеспособность клеток был высоким для смешивания с блоком смешивания (> 90%) 1, 2 или 3 раза. Когда пассивная смесительного узла использовался, смешивания занимает около 1 мин медленными темпами устойчивый смешивания. В то время как смешивания с помощью шпателя выставлены высокой жизнеспособности после перемешивания в течение 30-60 сек, больше чем 90 s смешивания привело к значительному уменьшению жизнеспособности, по сравнению с другими группами (77,9 ± 14%, p < 0,05) (рис. 2c). Это может быть из-за чрезмерного смешивания, что приводит к повреждению клеток. Долгосрочный жить/мертвые пятная после 14 дней и 28 дней культуры показан дополнительный рисунок1. Клетки начинают распространять день 14 и весьма распространенном день 28, указывают хорошая жизнеспособность.

После культуры хрящей и кожи ткани аналоги были проанализированы через гистологии. Анализ конструкций хряща на 0, 14 и 28 дней показывает увеличение количества и сферы охвата приколов как показано через Альциановый синий краситель (рис. 3a-3_c). Отсутствие пятно заметили в день 0, в то время как в день 14 пятнать ограничивается местах проксимальнее клетки. Однако в день 28 культуры, Альциановый синий встречается по всей конструкции, демонстрируя формирования chondrocytic ECM. Bioprinted кожи конструкции были проанализированы через гистологические пятнать коллагена я используя Masson Trichrome пятно (Рисунок 3d-3f). Подобно конструкции хряща, день 0 образцы выставлены не коллаген осаждения. На 14 день культуры были отмечены значительные запасы коллагена вокруг ячеек и вдоль поверхности конструкции. Это было еще более усиливается день 28, как плотные коллаген слои были обнаружены на поверхности конструкции и в основную.

Рисунок 1 : Пассивное устройство система смешивания. () 1 мл шприц для суспензии клеток, (b) 12 мл шприц с bioink, (c) дозирующее устройство, пассивный смесительного узла (d), (e) заполнение картриджей, (f) Ассамблея bioink шприц (1) и клеток подвеска шприца (2) в дозатор, вложение пассивной смесительного блока в конец шприцы (3), (g) привязанности самки-Luer блокировки разъем (4) и вложение заправки картриджа (5) завершает Ассамблеи, (h ) сжимать дозатор премьер смесительного устройства (6), (я) продолжать толкать вниз на дозатор перемешать суспензию клеток с bioink и обойтись в заправки картриджа (7). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2 : Сотовый жизнеспособности изображений и анализ. Представитель изображения показаны живые (зеленый) и мертвых (красный) фибробластов после смешивания с пассивной, смешивая блок 1, 2 или 3 раза () или шпателем на 30, 60 или 90 секунд (b) и 3D культуры за 1 день. Показываются изображения при 4-кратном. Масштаб полоски указывают 200 µm. (c) процент средняя жизнеспособности человека фибробластов после смешивания с пассивной, смешивая блок или шпателем и 3D культуры за 1 день. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение от среднего, * 0,005. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3: ткани конкретных внеклеточной матрицы осаждения. Bioprinted хряща конструкции витражи для гликозаминогликанов, используя Альциановый синий в () день 0, (b) 14 и (c) 28. Изображения, снятые на 5 X увеличение. Bioprinted кожи конструкции витражи для коллагена я использую день 0, (e) 14, Массон в Trichrome (d) и (f) 28. Изображения, снятые на 5 X увеличение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Дополнительные рисунок 1: жизнеспособность клеток в день 14 () и день 28 (b). Линейки шкалы составляет 200 мкм, зеленый относится к живой клетки, красный относится к мертвых клеток. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Хрящ, кости и оссификация: Руководство по гистологии

Хрящ:

Три типа хряща

Есть три типа хрящей:

• Гиалин — наиболее часто встречается в ребрах, носу, гортани, трахее. Предшественник кости.
• Fibro — встречается в межпозвоночных дисках, суставных капсулах, связках.
• Эластик — находится в наружном ухе, надгортаннике и гортани.

Гиалиновый хрящ

Это схема гиалинового хряща, на которой показаны активные хондроциты, сидящие в своих лакунах.

Этот тип хряща имеет стеклянный вид в свежем виде, отсюда и его название, так как hyalos в переводе с греческого означает «стеклообразный». В сечениях H&E он в целом выглядит слегка базофильным.

Гиалиновый хрящ имеет широко рассредоточенные тонкие коллагеновых волокон (тип II), которые укрепляют его.Коллагеновые волокна трудно увидеть в разрезе. Он имеет перихондрия, , и это самый слабый из трех типов хряща.

Посмотрите на электронный микроскоп среза хряща слева. Убедитесь, что вы можете идентифицировать хондроцитов , лакуны , матрицу и надхрящницу .

Переключить ярлыки

Это изображение также можно просмотреть с помощью программы просмотра Zoomify.

Фиброхрящ

Это часть межпозвоночного диска , которая содержит слой фиброзного хряща .

Можете ли вы найти фиброхрящ в этом разделе? Идентифицируйте хондроцитов в лакунах и толстые пучки коллагеновых волокон .

Это самый прочный вид хряща , потому что он имеет чередующиеся слои гиалинового хрящевого матрикса и толстые слои плотных коллагеновых волокон , ориентированных в направлении функциональных напряжений.

Этот тип хряща не имеет надхрящницы , поскольку это обычно переходный слой между гиалиновым хрящом и сухожилием или связкой.

Хрящ эластичный

На изображении выше показан участок эластичного хряща , окрашенный , так что вы можете видеть эластичных волокон . На срезах H&E эластичный хрящ выглядит так же, как гиалиновый хрящ, поэтому его нужно специально окрашивать, чтобы показать эластичные волокна.Например, морилка Ван Гизена окрашивает эластичные волокна в черный цвет

.

В эластичном хряще хондроциты находятся в нитевидной сети из эластичных волокон внутри матрикса.

Эластичный хрящ обеспечивает прочность и эластичность, а также сохраняет форму определенной структуры, такой как наружное ухо. Имеет надхрящницу .

Это схема эластичного хряща.

Проверьте свои знания:

1. Посмотрите, сможете ли вы определить этот хрящ, обнаруженный в стенках трахеи.

2. Посмотрите, сможете ли вы отличить волокнистый хрящ от гиалинового хряща

Суставной хрящ и изменения при артрите: клеточная биология остеоартрита | Исследования и терапия артрита

Хотя соединительная ткань имеет более низкую плотность клеток, чем другие ткани, которые вы изучите в этом году, клетки этих тканей чрезвычайно важны.

Фибробласты на сегодняшний день являются наиболее распространенным типом нативных клеток соединительной ткани. Фибробласт синтезирует коллаген и основное вещество внеклеточного матрикса. Эти клетки производят большое количество белка, который они секретируют для создания слоя соединительной ткани. Некоторые фибробласты обладают сократительной функцией; их называют миофибробластами.

Хондроциты и остеоциты образуют внеклеточный матрикс хряща и кости. Более подробную информацию и хондроциты можно будет найти позже в этой лаборатории; Остеоциты будут покрываться в Лаборатории по костям.

Макрофаг — это соединительная ткань, представляющая ретикулоэндотелиальную или мононуклеарную систему фагоцитов. Эта система состоит из ряда тканеспецифичных, подвижных фагоцитарных клеток, которые происходят от моноцитов — к ним относятся клетки Купфера печени, альвеолярные макрофаги легкого, микроглия центральной нервной системы и ретикулярные клетки селезенка. Позже вы встретитесь с каждым из них; А пока убедитесь, что вы понимаете, что все они происходят от моноцитов и что макрофаг — это версия соединительной ткани.Макрофаги неотличимы от фибробластов, но их можно распознать, когда они усваивают большое количество видимых индикаторных веществ, таких как красители или частицы углерода. Макрофаги фагоцитируют чужеродный материал в слое соединительной ткани, а также играют важную роль в качестве антигенпредставляющих клеток, функция, о которой вы узнаете больше в иммунобиологии.

Тучные клетки — это гранулированные клетки, обычно встречающиеся в соединительной ткани. Эти клетки опосредуют иммунные ответы на инородные частицы.В частности, они высвобождают большое количество гистамина и ферментов в ответ на распознавание антигена. Этот процесс дегрануляции является защитным, когда в организм вторгаются инородные организмы, но также является причиной многих аллергических реакций.

Белые жировые клетки специализируются на хранении триглицеридов и встречаются по отдельности или небольшими группами, разбросанными по рыхлой соединительной ткани. Они особенно распространены на более мелких кровеносных сосудах. Когда жировые клетки накапливаются в таком количестве, что вытесняют или заменяют клеточные и волокнистые элементы, это накопление называют жировой тканью.Эти клетки могут вырасти до 100 микрон и обычно содержат когда-то центрально расположенную липидную вакуоль — цитоплазма образует круговое кольцо вокруг этой вакуоли, а ядро ​​сжимается и смещается в сторону. Функция белого жира — служить источником энергии и теплоизолятором.

Клетки коричневого жира являются узкоспециализированными для регулирования температуры. Этих клеток много у новорожденных и млекопитающих, находящихся в спячке, но редко у взрослых. У них есть многочисленные липидные капли меньшего размера и большое количество митохондрий, цитохромы которых придают ткани коричневый цвет.Цепь переноса электронов в этих митохондриях нарушается разобщающим белком, который вызывает диссипацию митохондриального градиента ионов водорода без производства АТФ. Это генерирует тепло.

Хрящ 101 — Что такое хрящ и для чего он нужен?

Доктор Брайан М. Зальцман, доктор медицины

Мы часто слышим о важности хрящей для защиты здоровья наших суставов. Но что такое хрящ и как он поддерживает здоровье наших суставов?

Доктор.Брайан Зальцман, доктор медицины, разбирает основы первой части «Хряща 101». Доктор Зальцман специализируется на восстановлении хрящей, спортивной медицине подростков и взрослых, плечах, локтях и коленях.

Что такое хрящ?

Хрящ — это основной тип соединительной ткани, встречающейся по всему телу. Он служит множеству структурных и функциональных целей и существует в разных типах наших суставов, костей, позвоночника, легких, ушей и носа.

Из чего состоит хрящ?

Хрящ — прочное и гладкое вещество, состоящее из «хондроцитов» или специализированных хрящевых клеток, которые производят матрицу из коллагена, протеогликанов (особый тип белка) и других неколлагеновых белков.Эти материалы помогают хрящам притягивать воду и придают ей форму и особые свойства.

Какие бывают типы хрящей?

Существует три основных типа хрящей: эластичный хрящ, волокнистый хрящ и гиалиновый хрящ. Эти типы различаются по своему составу из перечисленных выше веществ.

Эластичный хрящ

Эластичный хрящ присутствует в ухе, носу и частях легких. Это очень гибкий хрящевой состав.

Фиброхрящ

Фиброхрящ находится в менисках колена и дисках позвоночника. Он гораздо менее гибкий, чем эластичный хрящ.

Гиалиновый хрящ

Гиалиновый хрящ находится на концах костей, выстилающих суставы тела, а также на перегородке носа и части дыхательной трубки.

Зачем нам СОВМЕСТНЫЙ хрящ?

Гиалиновый, или суставной, хрящ покрывает концы костей, создавая среду с низким коэффициентом трения и подушку на суставной поверхности.Когда хрящ в суставе здоров, он эффективно обеспечивает плавные сгибающие / выпрямляющие движения и защищает сустав от нагрузок, связанных с нагрузкой.

Что происходит, если суставной хрящ поврежден или нездоров?

Если хрящ начинает дегенерировать с возрастом или если он поврежден в результате травмы, сустав теряет часть этой защитной подушки и обнажает нижележащие концы кости. Это повреждение может привести к чрезмерной нагрузке на те участки кости, которые плохо приспособлены для выдерживания сильных нагрузок.

Доктор Брайан М. Зальцман, доктор медицины, прошел стажировку в области медицины плечевого и локтевого суставов и спортивной медицины. Он практикует в Институте Восстановления Хряща, Центре Спортивной Медицины и Университетском офисе OrthoCarolina, , специализируясь на восстановлении хряща, а также в спортивной медицине для подростков и взрослых, плечах, локтях и коленях.

Гиалиновый хрящ

соединительнотканный хрящ

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

6000 9109 0 9109 9006 9109 9006 Хрящ — это полужесткая, гибкая бессосудистая форма соединительной ткани, предназначенная для выполнения поддерживающей функции. Он состоит из клеток и матрикса (волокон и аморфного основного вещества).

Типы хряща

1. Гиалиновый хрящ

Гиалиновый хрящ состоит из:

1. Перихондрия

Это сосудистая соединительнотканная капсула, которая покрывает внешнюю поверхность хряща. Он состоит из двух слоев: а) Наружный фиброзный слой, состоящий из плотной соединительной ткани неправильной формы, содержащей кровеносные сосуды и нервы. б) I внутренний клеточный или хондрогенный слой, состоящий из хондробластов, которые активно участвуют в производстве матрикса во время роста и регенерации хряща.

2. Хрящевые клетки
3. Хондробласты (хрящевидные клетки)

Они находятся в основном во внутреннем хондрогенном слое надхрящницы. Это овальные или веретеновидные клетки с овальными эухроматическими ядрами. Цитоплазма базофильная, богата рибосомами, rER и мешочками Гольджи. Они выделяют матрицу вокруг себя и глубоко погружаются в матрицу хряща, где их называют хондроцитами.

1. Хондроциты (зрелые хрящевые клетки)

Они расположены в крошечных пространствах внутри хрящевого матрикса, известных как лакуны.

Под надхрящницей хондроциты маленькие, их лакуны имеют эллиптическую форму, а их длинные оси параллельны поверхности.

Глубоко внутри хряща клетки более крупные и многогранные с короткими отростками. У них шаровидное ядро ​​с одним или большим ядрышком. Клетки накапливают в цитоплазме гликоген и липиды, которые кажутся вакуолизированными.

Некоторые лакуны содержат только одну клетку; другие содержат две, четыре, а иногда и шесть ячеек. Эти многоклеточные лакуны называются клеточными гнездами или изогенными группами, потому что каждый кластер является потомком одной клетки.

3. Matrix

Гиалиновый хрящевой матрикс представляет собой аморфный гель, состоящий в основном из сульфатированных гликозаминогликанов, которые являются сильно базофильными, PAS-положительными и метахроматическими.

Волокнистый компонент, представленный тонкими фибриллами коллажа, состоящими из коллагена типа II, который имеет тот же показатель преломления, что и аморфное основное вещество, поэтому их нельзя увидеть на обычных срезах H&E.

Гиалиновый хрящ встречается во многих местах, таких как суставная поверхность, скелет плода, носовая перегородка, гортань, трахея и бронхи.

1. Эластичный хрящ

Гистологическая структура эластичного хряща аналогична гиалиновому хрящу, за исключением: 1) клеточных гнезд мало. 2) Матрицы содержат плотную сеть эластичных волокон, которые видны на участках H&E.

Эластичный хрящ встречается в наружном ухе и наружном слуховом проходе, надгортаннике, роговице и клиновидном хряще гортани.

III.Fibrocarlilage

Это переходная форма между гиалиновым хрящом и плотной нормальной соединительной тканью. Он состоит из правильных параллельных пучков коллагеновых волокон, разделенных инкапсулированными хондроцитами, которые расположены поодиночке, парами или иногда образуют ряды. Основных веществ мало, и они встречаются только вокруг хондроцитов. Волокнистый хрящ находится в межпозвонковых дисках, менисках коленного сустава и в местах прикрепления сухожилий и костей.

Рост хряща

1. Аппозиционный рост

При этом типе роста хондробласты внутреннего хондрогенного слоя надхрящницы делятся и дают начало новым дочерним клеткам.

Клетки начинают выделять матрицу вокруг себя, образуя новый хрящевой слой, который добавляется к периферии хряща. Это заставляет хрящ увеличиваться в ширину.

2. Интерстициальный рост

Хондроциты, расположенные внутри их лакуны, начинают делиться, образуя гнезда клеток (изогенная группа). Матрикс, продуцируемый дочерними клетками, заставляет хрящевой матрикс в целом расширяться изнутри. Это приводит к увеличению длины хряща.

Питание хряща

Хрящ — бессосудистый соединительнотканный тип. Клетки хряща получают свою питательную поддержку в основном за счет диффузии кислорода и питательных веществ через матрикс из кровеносных сосудов, расположенных в надхрящнице.

Кальцификация хрящевого матрикса может происходить при старении и во время развития костей. В этом случае диффузия блокируется, и клетки хряща погибают.

Хрящ

Хрящ — это особый тип соединительной ткани, уникальное сочетание жесткости, эластичности и упругости которой обусловлено, прежде всего, особыми свойствами его матрицы .Как и в других соединительных тканях, его матрица состоит из волокон (коллагеновых или эластичных) и основного вещества , которое богато внеклеточными гликозаминогликанами (особенно хондроитинсульфатами ). Хрящ не имеет сосудов, но его матрица проницаема для питательных веществ и продуктов жизнедеятельности.

Хрящ — это первичная скелетная ткань плода, которая служит моделью для развития эндохрондральной кости .У взрослого человека хрящ образует суставных поверхностей, суставов, скелет наружного уха, перегородку носа, опорные кольца и пластины трахеи и бронхов, а также межпозвонковые диски. У взрослых есть три типа хрящей: гиалиновый, эластичный и волокнистый. Они классифицируются в соответствии с преобладающим компонентом внеклеточного матрикса . Как и в других классификациях соединительной ткани, между этими основными типами есть градации.

Гиалиновый хрящ

# 5 Трахея (H&E)

На малом увеличении найдите неполные кольца гиалинового хряща в стенке трахеи. При большем увеличении наблюдайте, что надхрящница окружает хрящ; он сливается с хрящом с одной стороны и с окружающей соединительной тканью с другой стороны. Кровеносные сосуды в надхрящнице обеспечивают кровоснабжение бессосудистого хряща. Хондробласты — это клетки, прилегающие к надхрящнице и недавно полученные из нее.Они еще не полностью встроены в матрицу. Зрелые хрящевые клетки или хондроцитов окружены матриксом и лежат в пространствах, называемых лакунами . В жизни хондроциты полностью заполняют лакуны. Обратите внимание, что хрящевой матрикс является относительно однородным и базофильным. Это происходит из-за маскировки коллагеновых волокон высокой концентрацией гликозаминогликанов в основном веществе.

Эластичный хрящ

# 6 Наружное ухо (эластичное пятно)

Эластичный хрящ обеспечивает гибкую поддержку.Общая организация этого типа хряща сходна с организацией гиалинового хряща, за исключением того, что эластичных волокон преобладают над коллагеновыми волокнами в матриксе. Эластичные волокна окрашиваются специфическим (черным) пятном Вейгерта. Где еще в теле встречается эластичный хрящ?

Фиброхрящ

Фиброхрящ можно рассматривать как переходный тип ткани между гиалиновым хрящом и плотной коллагеновой соединительной тканью, и он возникает в областях, где желательны поддержка и высокая прочность на разрыв .

вопросов

1. Каковы механизмы роста хряща?

2. Обнаружены ли кровеносные сосуды в хряще и как это связано с питанием хряща?

.