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第三节 关节的微观解剖
本节主要介绍滑膜、关节软骨和滑液的组织学及其生理功能。这些组织是维持关节的正常生理功能所至关重要的,也是目前国内国际上研究较多的关节内组织。
一、 滑膜
滑膜(synovium)位于关节囊的内面,包被除关节软骨和关节内软骨以外的所有关节内结构(图3-4)。滑膜具有多种功能,对维持关节自身稳定有重要作用。滑膜表面形成绒毛(villi),防止了滑膜与关节面间发生粘连。滑膜分泌的滑液(synovial fluid)可减少关节面间的摩擦系数,同时也为关节软骨的新陈代谢提供了必需的营养物质。滑膜衬里细胞是关节内免疫体系的关键部分,可对异物分子发生反应。滑膜内复杂的毛细血管和淋巴管系统具有清除关节内废物的作用。滑膜内的有髓神经纤维和无髓神经纤维可为机体提供伤害感受反馈,并且能够控制滑膜的血流量。
图3-4 滑膜
1.滑膜的组织结构和滑膜细胞
滑膜约1~3μm厚,可分为内膜和内膜下层两层。内膜是由相互重叠成2~3层的滑膜衬里细胞(synovial lining cells)组成。这些细胞又可分为A型、B型和C型三种滑膜细胞。内膜内的胶原纤维网对这些细胞起到了支持作用。内膜下层由脂肪、纤维和蜂窝组织构成,其间也可见到大量的未分化间充质细胞、肥大细胞、巨噬细胞、成纤维细胞和浆细胞。
按功能和在内膜内的分布,可将滑膜衬里细胞分为A型、B型和C型三种滑膜细胞。A型滑膜细胞是巨噬细胞,多位于内膜的表面,约占滑膜衬里细胞的1/3。B型滑膜细胞与成纤维细胞非常类似,是数目最多的一类细胞,位于内膜的基底部。C型滑膜细胞是未分化细胞,兼有A型和B型滑膜细胞的特征。它可能是A型和B型滑膜细胞的前体,约占滑膜细胞总数的1%弱。在正常情况下,滑膜细胞很少进行有丝分裂。但是当经受创伤或滑膜切除后,滑膜细胞可再生出新的正常的滑膜组织。
A型滑膜细胞是巨噬细胞,构成了关节的吞噬细胞系统。其有多个来源途径:循环单核细胞和巨噬细胞通过滑膜内的毛细血管游走入滑膜的内膜;造血干细胞前体也可以补充到滑膜中,并在局部或全身刺激下(如白细胞介素-1)分化成巨噬细胞。
电子显微镜和免疫化学方法的应用,为区分各型滑膜细胞以及A型滑膜细胞与巨噬细胞间的密切关系提供了证据。A型滑膜细胞内具有丰富的吞饮泡,次级溶酶体和空泡,这反应出其具有吞噬和清除滑膜及滑液内不需要的物质的能力。包涵体和丝状伪足也是A型滑膜细胞的特征。丰富的线粒体反映了其新陈代谢非常活跃。A型滑膜细胞可表达多种作为膜受体的表现型,如CD11、CD14、CD44和CD68,这些细胞表面标志也见于单核―巨噬细胞系的其他细胞。A型细胞也可表达主要组织相容性抗原HLA-DR。
B型滑膜细胞来源于局部的基质干细胞,它们不能在滑膜内外游走。B型滑膜细胞内丰富的、高度发达的粗面内质网和高尔基体是其特征,这反映了它们具有分泌功能。B型滑膜细胞被8~16nm的微胶原纤维包绕。C型滑膜细胞是CD68 ―的,这可与B型滑膜细胞相区别。
A型和B型滑膜细胞可用组织化学染色的方法加以区分。在A型滑膜细胞内,非特异性酯酶和酸性磷酸酶染色为阳性。这两种酶是巨噬细胞的特征。在B型滑膜细胞内,尿苷二磷酸葡萄糖脱氢酶和透明质酸合酶染色阳性。尿苷二磷酸葡萄糖脱氢酶作用于B型滑膜细胞内透明质酸盐和其他氨基葡萄糖合成时尿苷二磷酸葡萄糖向尿苷二磷酸葡糖醛酸的转化过程中。在滑膜中该酶唯一存在于B型滑膜细胞内。尿苷二磷酸葡萄糖脱氢酶和透明质酸合酶的存在,决定了B型滑膜细胞是一种具有合成透明质酸能力的成纤维细胞的特殊亚型。
2.滑膜生理
A型滑膜细胞是关节内主要的炎性细胞。在正常情况下,其活性较低。但是,一旦被激活,它们可以产生炎性反应。这些炎性反应一方面促进了组织的修复,另一方面又导致了关节的损伤。滑膜内激活的A型滑膜细胞的出现有以下途径:一是存在于滑膜内的A型滑膜细胞被侵入该组织的抗原递呈细胞(antigen-presenting cell)激活;一是激活的巨噬细胞或造血干细胞通过滑膜毛细血管直接进入关节内。
激活的A型滑膜细胞参与了宿主防御的全过程,并且是炎性关节炎中的主要细胞。这些细胞可以处理侵入关节内的抗原、合成补体和调理免疫复合物。A型滑膜细胞可以表达C3成分和免疫球蛋白的Fc受体的膜受体。FcRⅢ(Fc receptor Ⅲ)与免疫复合物结合可以激发A型滑膜细胞产生炎性介质。转化生长因子(transforming growth factor-β,TGF-β)可以刺激A型滑膜细胞增加FcRⅢ在胞膜的表达。
细胞因子和蛋白水解酶介导了激活的A型滑膜细胞的炎性反应。白介素-1(IL-1)和肿瘤坏死因子-α1(tumor necrosis factor-α1,TNF-α1)可刺激循环白细胞(如淋巴细胞和浆细胞等)向滑膜内游走。白介素-6(IL-6)和白介素-8(IL-8)是多形核白细胞和单核细胞的化学引诱物(chemoattractant)。这些细胞都可侵入关节软骨导致软骨破坏。激活的A型滑膜细胞产生的蛋白水解酶包括组织蛋白酶(cathepsin)、胶原酶(collagenase)、弹性蛋白酶(elastase)和中性金属蛋白酶(the neutral metalloproteinase)。这些酶促进了关节内异物蛋白质的降解,但同时也导致了关节的病理性侵蚀。此外,A型细胞分泌的细胞因子可以刺激某些滑膜巨噬细胞直接转化为破骨细胞,导致骨吸收的发生。B型滑膜细胞也可以被激活产生蛋白水解酶,导致关节的进一步破坏。
TGF-β和成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)等多肽生长因子,有助于调节滑膜细胞的增生。在正常滑膜中也可以见到这些生长因子。TGF-β是一种有效的有丝分裂原,可以刺激多种细胞生长。其他生长因子,如IL-3、粒细胞-单核细胞集落刺激因子(granulocyte-monocyte colony-stimulating factor)和巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor),也可以引起A型滑膜细胞的增生。
表达在滑膜衬里细胞上的细胞黏附分子(cell adhesion molecule)促进了滑膜细胞间以及滑膜细胞与基质间的相互作用。CD44和血管细胞黏附分子1(the vascular cell adhesion molecule 1,VCAM-1)在A型和B型滑膜细胞上都有表达。VCAM-1也表达在滑膜血管内皮细胞上。其他的黏附分子如β整合素受体(β integrin receptor)和细胞间黏附分子(the intercellular adhesion molecule,ICAM)由滑膜成纤维细胞产生。整合素是一种跨膜蛋白质受体,在此作为细胞外基质蛋白质的受体,使细胞与基质蛋白相连接黏附。整合素至少有19种亚型,其中β 1整合素在滑膜内的表达最丰富,它主要表达在A型滑膜细胞上,介导细胞与胶原和层粘连蛋白的结合。ICAMS-1、ICAMS-2、ICAMS-3也表达在滑膜血管内皮细胞上。透明质酸分子通过CD44与滑膜细胞结合就将活动的信号传递给了滑膜细胞。透明质酸、黏附分子VCAM-1、ICAM、CD44和β 1整合素等构成了滑膜衬里细胞、内膜下层细胞和血管内皮细胞间的信息交流系统,有利于滑膜功能和组织结构的控制。
滑膜细胞还可以合成其他多种蛋白质分子。滑膜产生的纤溶酶原抑制物(inhibitors of plasminogen)可以防止关节内纤维蛋白和血凝块的形成。滑膜成纤维细胞产生的衰变加速因子(decay-accelerating factor)有维持淋巴细胞存在和分化的作用,促进了滑膜内淋巴细胞的形成。滑膜衬里细胞内的板层小体(lamellar body)由磷脂和表面活性蛋白A组成。其被分泌到滑液中,作用尚不清楚,可能与B型滑膜细胞产生滑液的信息反馈有关。
滑膜内膜内的许多细胞外蛋白质分子为滑膜衬里细胞提供了支撑作用。这些蛋白质分子也形成了一种胶样屏障,阻止了大分子物质通过滑膜扩散到滑液当中去。滑膜内膜基质内也存在有纤维结合素(fibronectin)、韧粘素(tenascin)、内功素(entactin)、层粘连蛋白(laminin)和Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型胶原。纤维结合素与透明质酸结合,可以防止滑膜与关节软骨粘连。4-硫酸软骨素、6-硫酸软骨素、硫酸乙酰肝素和透明质酸也是内膜的细胞外基质成分。硫酸角质素位于内膜下层。这些基质分子都可在滑膜衬里细胞的胞浆中见到。
二、 关节软骨
关节软骨由透明软骨(hyaline cartilage)构成。在关节运动时,关节软骨与它周围组织间精确的相互作用,使得关节的磨损降到了最小。关节盘和关节唇等关节内结构可以通过分散关节承受的负荷以减轻关节软骨上的应力。肌肉、肌腱和韧带等结构,可以吸收通过关节的力量,同时增加关节的稳定性。关节稳定性的增加也可以减少关节软骨的磨损。软骨下骨面和骨小梁为关节软骨的附着提供了坚实的支架。关节头内骨小梁间的液压支撑系统(a system of hydraulic support)像一个震荡吸收器,减轻了本来应由关节软骨吸收的应力。关节内的滑液使相对应的关节软骨面间的接触几乎没有摩擦。关节软骨间的摩擦系数为0.005~0.02,而由钴-铬合金和超高分子聚乙烯构成的人工关节的摩擦系数为0.05~0.11。因此,关节软骨可以长期反复的运动而几乎没有磨损。
关节面的形态学特点,也有利于减轻软骨的磨损。关节软骨的厚度随年龄和关节的不同而不同,一般是1~2mm。但是年轻人的大关节内,其厚度可达5~7mm。关节软骨与软骨下骨面高度符合,在关节头,关节软骨中间厚,周围薄,而在关节窝则是中间薄,周围厚,且周围与骨膜结合。当通过关节的负荷增加时,关节面间的接触面也增大,加大了负荷的分散,使软骨承受的应力减少。这些因素在完善关节软骨的功能和最大限度的延长其寿命中起着重要的作用。
1.关节软骨的组成成分
关节软骨由软骨细胞(chondrocyte)和细胞外基质(extracellular matrix)构成。基质中含量最多的是水,约占软骨体积的65%~80%。软骨内的水约1/3存在于细胞内,其余的与胞外基质蛋白质相结合。除水外,软骨基质的主要成分有胶原(collagen)和蛋白多糖(proteoglycan),还含有结构糖蛋白、少量脂肪和无机盐等成分。
基质中还有少量其他蛋白质存在:①Lubricin是一种在关节软骨表面起润滑作用的糖蛋白,有助于关节软骨的低摩擦特性,并有助于关节软骨间的界面润滑(boundary lubrication)作用。正常血浆中不存在该糖蛋白。②核心蛋白多糖(decorin)是一种基质蛋白多糖成分,可能有助于胶原的构成,其在软骨的表面层中含量最高。核心蛋白多糖通过与Ⅱ型胶原相互作用,有利于关节软骨适应增加的负荷,但同时增加的核心蛋白多糖影响基质的转化,抑制修复。③锚连蛋白CⅡ(anchorin CⅡ)被认为是传递信号给软骨细胞的一种机械性刺激感受器,它可与软骨细胞膜和细胞外胶原纤维连接。④纤维调节素(fibromodulin)是一种与胶原结合的阴离子蛋白质,在胶原纤维网的形成中起一定作用。纤维调节素在各年龄段关节软骨中均存在。在青少年时期,纤维调节素以蛋白多糖形式存在,具有硫酸角质素链,含量丰富。随年龄增长,硫酸角质素链长度缩短。在成年软骨,纤维调节素不具有硫酸角质素链,含量稀疏,分子量变小。⑤软骨钙素(chondrocalcin)与羟基磷灰石(hydroxyapatite)有亲和力,可能涉及软骨基质的钙化。
(1) 胶原:
胶原是关节软骨内主要的纤维蛋白成分,排列成网架结构,维持软骨的结构和形状。并是软骨张力强度的决定因素。胶原占关节软骨湿重的10%~30%。关节软骨内胶原有多种不同的类型,其中Ⅱ型胶原是关节软骨的主要结构成分,占胶原总量的约90%。Ⅱ型胶原分子的结构特征是三个α-1(Ⅱ型)链构成的三重螺旋分子,分子量约为300 000。它有两种亚型:ⅡA型和ⅡB型。关节软骨内其他的胶原类型有Ⅵ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ型等。Ⅵ型胶原位于软骨陷窝的周围,包绕着软骨细胞。Ⅸ型胶原是一种蛋白多糖,通过羟基吡啶(hydroxypyridine)与Ⅱ型胶原交联,有助于关节软骨的稳定性。Ⅸ型胶原是由三个胶原区域间隔着四个非胶原区域构成,可促进Ⅱ型胶原纤维的生成。Ⅺ型胶原占关节软骨中胶原成分的3%,位于Ⅱ型胶原内,控制胶原纤维的直径,并在调节纤维与纤维、纤维与蛋白多糖之间的相互作用中起重要作用。Ⅱ、Ⅸ和Ⅺ型胶原都位于同一胶原纤维内。Ⅹ型胶原见于关节软骨的潮线区(tidemark),与该区域软骨的钙化有关。
在关节软骨的表层内胶原含量最高。由浅层到深层,软骨的胶原含量逐渐减少。胶原纤维在关节软骨的表层内走行方向与软骨面平行,相互交叉形成纤维网状结构,有较强的耐磨能力。胶原纤维在由软骨钙化层向表层斜向走行过程中,由于方向不同,从而交织成无数“拱形结构”,具有抵抗压力负荷的作用。胶原的合成需经过一系列复杂的过程。最初的过程是在软骨细胞内,胶原纤维的最后装配发生在细胞外软骨基质中。骨骼的生长停止后,胶原的合成速度变得极低。在成人,胶原的半衰期估计是几个月到几年。但是,在患关节炎或关节受到损伤时,这种情况会发生变化。
(2) 蛋白多糖:
蛋白多糖(proteoglycan)是一类大的蛋白多肽分子,由核心蛋白和氨基葡聚糖(glycosaminoglycan)构成,约占软骨干重的一半。蛋白多糖广泛的分布在关节软骨内。其在软骨内不同区域的浓度与该区域内胶原的浓度成反比。在软骨表层胶原浓度最高,而蛋白多糖的浓度很低。蛋白多糖的这种结构反映出了它的功能,即为软骨提供一定的抗压和分散负荷的能力。
可聚蛋白多糖(aggrecan)是关节软骨内蛋白多糖的主要形式。它由一条核心蛋白(core protein)和100多条硫酸软骨素链(chondroitin sulfate chain)及20~50条硫酸角质素链(keratan sulfate chain)构成。其平均分子量是100万~300万。可聚蛋白多糖分子被包埋在胶原纤维网内,有助于关节软骨在承受负荷时的可逆的变形。可聚蛋白多糖分子带有大量的负电荷,有很强的亲水性,可以吸收超过其重量50多倍的水分。此外,可聚蛋白多糖分子间隙的渗透压和它吸收水分的趋势,也有利于可聚蛋白多糖吸收水分。蛋白多糖所带的大量负电荷可以通过负电荷间的排斥力增加关节软骨的弹性。在基质内,可聚蛋白多糖分子可以结合成巨大的聚合体。约200条可聚蛋白多糖分子与一条透明质酸分子以非共价键结合可形成一个聚合体。这种复杂的结构限制了它们在软骨基质中的移动。
4-硫酸软骨素(chondroitin 4-sulfate)、6-硫酸软骨素、硫酸乙酰肝素(heparan sulfate)、硫酸皮肤素(dermatan sulfate)和硫酸角质素(keratan sulfate)是关节软骨内主要的氨基葡聚糖,其中硫酸软骨素异构体的量最多。6-硫酸软骨素在成熟个体中较多,而4-硫酸软骨素在未成熟的关节软骨中较多。在软骨的深层硫酸软骨素的含量较浅层多。
滑液中有硫酸角质素存在。它在血清中的出现已被用于估计可聚蛋白多糖在关节软骨中的降解情况。硫酸角质素在血清中的半衰期大约是45分钟。还没有发现血清中的硫酸角质素水平与疾病活动性之间有关联,因此把它用做软骨退变的一个标志是值得怀疑的。
(3) 结构糖蛋白:
结构糖蛋白为非胶原非蛋白多糖类的糖蛋白,主要的两种结构糖蛋白是纤维粘连蛋白(fibronectin)和层粘连蛋白(laminin)。纤维粘连蛋白为大分子黏附蛋白,聚集在软骨细胞附近的基质中,调节软骨细胞的黏附、迁移、增生和分化。层粘连蛋白主要分布在基底膜,是细胞表面结合受体的组成部分。在退化的软骨中,纤维粘连蛋白含量增高与蛋白多糖退化部位相一致。
2.软骨细胞
软骨细胞(chondrocyte)位于软骨陷窝内,约占关节软骨总容积的1%,具有产生和维持细胞外软骨基质的作用。软骨陷窝由胶原纤维所包绕,充以富含硫酸软骨素和水的蛋白多糖基质。软骨细胞生存在一个相对缺氧的环境中。细胞内有大量的糖原沉积作为能源储备。虽然软骨细胞既可进行无氧代谢又可进行有氧代谢,但是主要以无氧糖酵解来产生高能磷酸键。
软骨细胞可以根据局部的需求改变其新陈代谢活动。在细胞因子和生长因子调节下,软骨细胞可以精确调节蛋白酶及其抑制因子的含量,诱导基质成分的正常转化。化学信号和机械压力都能促进软骨细胞增加细胞外基质的产生。与细胞外软骨基质量相比,软骨内软骨细胞的含量相对较少,所以在其维持周围环境的稳定时,每个细胞的新陈代谢率都相对较高。每个软骨细胞都能合成不同数量和种类的基质成分。同时也能以不同的速率降解基质成分,并对细胞外信号做出不同的反应。
在未成熟的关节软骨内,成软骨细胞(chondroblast)是主要的细胞类型,广泛地分布在整个软骨内。相对比,在成熟软骨内软骨细胞以2~4个细胞为一群而出现。成软骨细胞合成软骨基质的活动很活跃。它们具有巨大的细胞核和高度发达的合成基质成分所必需的细胞器系统。蛋白多糖的合成是在核糖体和高尔基器内进行,而胶原分子的装配则主要是在粗面内质网内。成软骨细胞的有丝分裂活动很频繁。有丝分裂活动最活跃的部位是软骨表面的下部。但是一旦机体停止了生长发育,在正常情况下软骨细胞不再进行分裂。
在关节软骨的不同层内,软骨细胞的形态和结构各具特点。在表层,软骨细胞呈现出纤维细胞的超微结构。细胞变得扁平,形成与关节面平行的几层细胞。不像关节软骨内其他部位的软骨细胞,表层内的软骨细胞不合成硫酸软骨素样的硫酸化的蛋白多糖。移形层的软骨细胞呈圆形,新陈代谢活跃。它们具有很发达的包括线粒体和分泌液泡在内的细胞器系统。辐射层的软骨细胞的新陈代谢活动较少,它们形成与关节面垂直的短柱状。钙化层内的软骨细胞较小,细胞器不发达,呈现出衰老状。
3.关节软骨的结构
关节软骨由内向外可分为4层(图3-5)。钙化层(the zone of calcified cartilage)位于最内侧,借垂直于关节腔的粗胶原纤维与软骨下骨面紧密连接。其主要作用是抵抗剪应力,其组织学表现是被胶原纤维包绕的羟基磷灰石晶体。该层的水分含量最少,软骨细胞数极少,呈现退变状。辐射层(the radial zone)位于钙化层的浅侧,由于其内部的胶原纤维呈辐射状排列而得名。该层的软骨细胞呈卵圆形或短柱状,与关节面垂直。潮线(tidemark)是辐射层与钙化层的分界。辐射层的浅面是移形层(the transitional zone)。该层内有两种大小不同的胶原纤维:一种是直径4~10nm的小纤维,另一种是直径10~80nm的大纤维。大纤维呈斜形排列,小纤维随机排列呈晶格状为大纤维提供支持作用。该层的软骨细胞呈圆形或卵圆形,新陈代谢活跃。
图3-5 关节软骨(兔)
关节软骨的表面是表层(the superficial zone),也称为切线层(the tangential zone)。其厚度约200~600μm。该层内胶原纤维的含量最多。胶原纤维的排列方面与关节面平行,胶原纤维间则相互垂直。其直径约为20nm。在该层内还可存在有少量的Ⅰ型胶原纤维。由于其下面的基质的流体静力学膨胀作用使得表层常处于绷紧状态。表层的表面是由细胶原纤维构成的厚约4~10μm的皮肤样结构,在光镜下表现为双折射线。由于表层内部胶原纤维结构的存在,使得在电镜下表层的表面呈波浪起伏样。该层的软骨细胞呈梭形,形似纤维细胞,其长轴与软骨表面平行。
4.关节软骨的营养
成人的关节软骨内缺乏血管、神经和淋巴系统。由于没有血管直接供给软骨细胞营养物质,其营养的来源依赖于通过滑液扩散的营养物质。血浆中的溶质和营养成分穿过滑膜内的毛细血管壁和滑膜进入滑液,然后扩散入软骨基质供应给软骨细胞。关节运动时产生的压力有利于这些营养物质在滑膜和软骨基质内的扩散。
在骨骼发育未成熟时,关节软骨的营养来源有两个途径:一是直接来源于穿过软骨下骨的血管,一是间接地通过滑液的扩散。穿越骺板的小血管穿过软骨下骨面可供应营养给关节软骨的最深层。当骺板闭合和软骨的钙化层形成后,关节软骨就不能再从软骨下血管获取营养成分。软骨下骨特别致密,缺乏哈弗系统(haversian system)。
5.关节软骨的新陈代谢
关节软骨的新陈代谢过程涉及了软骨的每个组成成分。关节软骨不同部位的更新速率不同,因此其重新塑形过程也不统一。关节软骨内的胶原和蛋白多糖具有不同的更新速率。氨基葡聚糖的平均半衰期约为150~300天。胶原的周转率约为氨基葡聚糖的十分之一。
软骨细胞可对不同的刺激作出反应,改变其新陈代谢率。在某些化学介质的刺激下,软骨细胞可以增加对氨基酸的摄取,并增加细胞外基质的合成。蛋白多糖、pH值、氧压、局部钙浓度、生长激素、损伤、前列腺素、胰岛素和血栓素等都可以改变软骨细胞的新陈代谢状态。机械性刺激也可以影响软骨细胞的合成速率。如运动可以刺激软骨细胞新陈代谢,增加蛋白多糖的合成。关节软骨周期性的负重可以通过刺激软骨细胞的合成作用起到对细胞外基质的保护作用。关节制动可降低软骨细胞的新陈代谢率,导致蛋白多糖的合成减少和软骨量的下降。在细胞培养时,透明质酸可以通过黏附到软骨细胞膜上起到抑制软骨细胞的合成作用。
多种酶可以促进关节软骨的降解。由多形核白细胞、滑膜衬里细胞和软骨细胞产生的中性蛋白酶(neutral proteases)可降解蛋白多糖和胶原。由滑膜衬里细胞和软骨细胞产生的分解代谢产物(catabolin,一类低分子量细胞因子(Mr21 000))可刺激软骨细胞产生有降解作用的酶。该分解代谢产物可能也是蛋白酶合成的扳机点。这促进了炎性关节炎时所见的软骨的破坏。
滑膜和软骨内涉及关节软骨降解的酶还有:透明质酸酶(hyaluronidase)、组织蛋白酶(cathepsin)和TNF-敏感基因6(TNF-sensitive gene 6,TSG-6)。组织蛋白酶D是一种细胞膜结合酶,能够降解蛋白多糖。TSG-6是软骨细胞合成的一种透明质酸结合蛋白。它可以在无酶分裂情况下分解蛋白多糖。TSG-6可能在软骨基质的正常更新中很重要,同时在病理情况下也可以促进关节软骨的破坏。
6.关节软骨的机械特性
关节软骨常常承受反复的、周期性的负荷。当关节承受一短时间的负荷时,关节软骨像弹性固体一样具有弹性,它会发生简单变形,去掉负荷后又恢复正常形状。当关节承受一持久负荷时,关节软骨又可作为一种黏弹性固体而起作用。在持久负荷作用下,细胞外基质缓慢变形,导致软骨内蛋白多糖的电荷密度增加。基质内的蛋白多糖变得松解,迫使其小间隙内的液体回到关节腔内。被压榨出的液体是滑液的超滤液(ultrafiltrate),不含蛋白多糖成分。一旦压负荷被去除,增加的电荷密度有助于软骨形态的恢复。随后滑液被再吸收到软骨的小间隙内,促使软骨再水化和软骨细胞需要的营养物质的渗入。
关节软骨的弹性模量(elastic modulus)在10 8~10 6 dyne/cm 2间。当软骨承受短暂负荷时弹性模量最高,承受长时间负荷时弹性模量则较低。在某些情况下,透明软骨不具有完善的弹性。在承受周期性负荷或一持久负荷后关节软骨会发生蠕动(creep)。对负荷作出反应的能力是关节软骨的一个重要特性。这使关节软骨能够在承受压应力和剪应力时减少磨损,有助于软骨的长期使用,延长寿命。
关节软骨的摩擦系数很小,这起到了保护软骨的作用,使它免受磨损。其摩擦系数很小应归因于多种因素。首先,滑液使关节软骨的摩擦系数减少到0.002~0.01,明显低于人工关节的摩擦系数。其次,透明软骨是多孔的物质,表现出海绵样行为。在压负荷作用下,滑液被从软骨内压榨到关节面上,在两关节软骨面间形成液膜(fluid film),产生液膜润滑(fluid lubrication)作用。另外,关节软骨表层有微孔,孔的大小约为6nm。在关节软骨吸收滑液中水分和小溶质时,这些微孔阻止了滑液内蛋白质和透明质酸分子进入关节软骨内。而对滑液中水分和小溶质的再吸收导致了滑液蛋白质和透明质酸分子在关节软骨表面的聚积,这就在两软骨面间形成了界面润滑(boundary lubrication)作用。这将进一步减少关节面间的摩擦。
7.关节软骨的老化
正常的老化对关节软骨有多种影响。软骨细胞的数量在大约30岁时达到稳定,以后其总体密度维持在一个稳定状态。随着年龄的增长,软骨细胞数量逐渐减少。为了维持细胞外基质量,剩余的软骨细胞的新陈代谢变得更加活跃,并增加了胶原和蛋白多糖的合成速度。结果造成软骨细胞肥大,细胞器更丰富以满足其较高新陈代谢率的需求。
随着年龄的增长,软骨的基质也发生多种变化。在未成熟的关节软骨内Ⅱ型胶原的含量最多。随着软骨的老化,胶原与蛋白多糖的比率下降,胶原含量减少。这使得软骨的弹性下降,致使关节软骨变得更加脆弱易碎。
老化导致可聚蛋白多糖分子在数量、大小和构成上都产生变化。随着年龄的增长,由于酶解作用增加,蛋白多糖的数量和大小均减少。在未成熟的软骨内,氨基葡聚糖占软骨干重的约22%,而在成人则下降约14%。在未成熟的关节软骨中硫酸角质素含量最少,硫酸软骨素含量最多。到中年时,硫酸角质素增多,与硫酸软骨素的比例几乎相当。
三、 滑液
滑液(synovial fluid)是滑膜关节内的一种清晰的具有高黏性的液体,呈弱碱性,为关节提供了液态环境。它在滑膜内产生后被分泌到关节腔内。滑液是来自于血浆的超滤液,由B型滑膜细胞产生。它具有润滑软骨面的作用,对维持其低摩擦特性至关重要。滑液还可作为运输媒介向软骨细胞传送必需的营养物质,因此滑液是关节软骨正常的新陈代谢所必需的。
滑液包括液体和细胞两种成分。作为血浆的透析液,滑液内不含有凝血因子、红细胞或血红蛋白。滑液的约95%是水,血浆的一些溶质、蛋白质和氨基葡聚糖也见于其中。滑液中还有几类蛋白水解酶,如蛋白酶和碱性磷酸酶。每毫升滑液中通常含有60~200个单个核细胞,包括淋巴细胞、单核细胞和巨噬细胞。
由于滑液内有透明质酸和lubricin等物质的存在,使滑液有别于血浆。这两种分子是滑液黏滞性(viscosity)的主要决定因素。透明质酸是唯一的非硫酸化的氨基葡聚糖。它大量存在于滑液中,其含量约为3.5mg/dl。当滑液与弱酸混合时,透明质酸可和清蛋白一起引起黏蛋白凝块的形成。透明质酸是由氨基葡萄糖(glucosamine)和葡萄糖醛酸(glucuronate)在透明质酸合酶(hyaluronan synthase)作用下聚合而成。在生理pH下,它带有负电荷。在滑液内一条无支链的透明质酸的平均分子量是5 × 10 6。滑液内的透明质酸链通常无支链,其长度变化范围很大。透明质酸链可自我交联呈晶格状,阻止微粒通过滑液自由运动。
滑液中蛋白质含量约是血浆的1/3,约为1.3~2.8g/dl。滑液中的蛋白质经电泳和免疫学测定与血浆蛋白质完全相同。蛋白质从滑膜毛细血管进入滑液的量与蛋白质分子的大小和半径成反比。另外,蛋白质分子携带的电荷也影响其通过滑膜进行交换。滑膜毛细血管壁上的窗孔只允许小分子蛋白质和溶质通过。滑膜基质内小孔的直径范围约为0.1~0.5μm。这些孔阻止了分子量大于160 000的大分子进入滑液,同时也防止了滑液内的透明质酸分子进入滑膜淋巴管而后进入循环系统。
小的血浆蛋白质,如清蛋白(Mr59 000)、转铁蛋白(Mr90 000)和一些γ球蛋白可以穿过毛细血管壁和滑膜基质进入滑液。滑液中含量最多的蛋白质是清蛋白,其浓度约是血浆中清蛋白的浓度的40%。清蛋白对滑液黏滞性的作用很小,而对滑液的胶体渗透压(oncotic pressure)则起主要作用。正常滑液中没有血浆中的大分子物质,如纤维蛋白原(Mr330 000)、β 2-巨球蛋白(Mr1 000 000)和α 2-巨球蛋白(Mr820 000)等。因为滑液内没有纤维蛋白原,所以它不会凝结。年龄、性别、关节渗出和关节炎等情况可以通过改变滑液的胶体渗透压和流体静力压(hydrostatic pressure)的平衡,进而影响蛋白质进入滑液的能力,从而影响滑液内蛋白质的含量。
滑膜内膜层的细胞相互重叠成2~3层,允许滑膜毛细血管和滑液间进行物质交换。电解质、水和葡萄糖通过滑膜毛细血管壁后可以自由的进入滑液。葡萄糖、O 2和其他电解质可以通过滑液和软骨基质扩散到软骨细胞,以供给其营养成分。软骨细胞和软骨的代谢产物可以通过滑液被运输到滑膜的血管、淋巴管并远离关节。
滑液中溶质的含量不同于其在血浆中的含量。这是由毛细血管的流体静力压、溶质的扩散系数、滑膜细胞间通道的大小和滑膜细胞以及软骨细胞对溶质的利用等因素决定的。滑液中葡萄糖的浓度大约是血清中葡萄糖浓度的2/3。这可以反映出软骨细胞是依靠无氧糖酵解产生能量的。滑液中的乳酸水平已被用来测定软骨细胞和滑膜细胞的代谢率。滑液中K +、Na +、Ca 2+等溶质的浓度也明显低于血清中的浓度。磷酸盐、碳酸氢盐和氯化物在滑液和血清中的浓度相同。在正常情况下,血清和滑液间保持着一种平衡状态。
在正常关节内,滑液的体积约是0.13~0.2ml。滑膜间隙、滑液和血浆的胶体渗透压以及小动脉的流体静力压的改变会引起滑液体积的改变。关节内负压促进了滑液进入关节腔。而滑膜基质的渗透压(osmotic pressure)和关节运动的作用会使滑液的量减至最少。关节运动时通过泵机制促进了滑膜的淋巴和静脉回流,也促进了滑液内蛋白质的清除。关节运动还可以通过使关节内压力增加对抗毛细血管的流体静力压。滑膜内的弹性纤维蛋白也有助于滑膜静脉和淋巴回流的泵机制,促进了滑液的更新。滑液内蛋白质的更新大约需要1个小时,透明质酸的更新估计需要更长的时间。通过改变滑液的体积可以改变滑液和血清间溶质交换的速率。
以下介绍滑液的生物摩擦学(biotribology of synovial fluid)。
滑膜关节的摩擦和磨损特性是由多种因素决定的。滑液的黏滞性(viscosity)和润滑性(lubricating property)、关节的几何形状和运动类型都影响着关节软骨的磨损。滑液是一种作为非牛顿液体(non-newtonian liquid)而起作用的具有高度黏滞性的物质。它能够在关节运动时抵抗剪应力(shear stress),并吸收能量。滑液具有胶体变凝性(thixotropy)特性,它的黏滞性随剪力率的增加而下降。pH和温度的变化也会使滑液的黏滞性发生改变。滑液的黏滞性不因蛋白酶或胰蛋白酶的增加而改变,因此滑液内蛋白质的含量不影响滑液的黏滞性。另外,滑液的润滑性不依赖于它的黏滞性。
滑液可通过不同方式的润滑作用减轻关节面的摩擦。在关节承受负荷时,滑液可以在关节面间形成液膜(fluid layer),作为流体动力润滑剂(hydrodynamic lubricant)起作用。因为流体动力润滑作用可以降低滑液的黏滞性,所以它在剪应力率较大时流体动力润滑作用最有效。滑液内的透明质酸分子可以黏附到关节软骨面上,阻止关节面在运动时相互接触。因此,滑液也可以作为界面润滑剂(boundary lubricant)起到界面润滑(boundary lubrication)作用。滑液具有黏弹性(viscoelasticity)特性。在持久的负荷作用下,滑液能松解透明质酸分子形成的晶格。正常的滑液内没有透明质酸酶(hyaluronidase)。然而,在滑液内加入透明质酸酶并不能降低滑液作为润滑剂的能力或影响关节面间的摩擦系数。
压渗润滑(weeping lubrication)是滑液降低关节面间摩擦和磨损的另一种作用机制。液体(压渗液(weeping fluid),从受压软骨内挤压出的液体)从软骨向关节面的流体静力学流动有助于在关节面间形成液膜。在承受负荷时,液膜能够吸收负荷和最大限度地减少关节面间的接触。这可能是关节软骨最重要的保护机制。滑液和软骨间的表面张力也有助于关节在运动和休息时的稳定性,这也可以减少软骨的磨损。软骨的弹性流体力学特性(elastohydrodynamic property)构成了减少其摩擦和磨损的又一作用机制。在关节承载负荷时滑液形成薄膜,使关节软骨经受弹性变形。软骨的弹性变形可以降低它的摩擦系数,也可以减轻软骨下骨承受的应力。当软骨丧失其流体动力学特性时其弹性也就被削弱了。