Методы регенерации хрящевой ткани

Наиболее часто спортсмены покидают спорт из-за травм суставно-связочного аппарата. Его слабое место – хрящ. Проблемы с позвоночником также обусловлены в основном патологией межпозвоночных хрящей.

Можно сказать, что в спортивной травматологии лечение хрящей является заботой № 1. Попробуем более подробно рассмотреть, что же такое хрящ и определить  пределы и методы его регенерации…

Хрящевая ткань – одна из разновидностей соединительной ткани, которая выполняет в организме опорные функции. Непременным атрибутом хряща, за исключением суставного, является надхрящница, обеспечивающая его питание и рост. В суставах хрящ обнажен и контактирует непосредственно с внутренней средой сустава – синовиальной жидкостью. Она выполняет роль своеобразной смазки между трущимися поверхностями суставов, покрытых гладким глиаиновым хрящом. Хрящи костей и позвоночника постоянно испытывают как статическую, так и динамическую нагрузки.

Структура хряща позволяет ему испытывать обратимую деформацию и в то же время сохранять способность к обмену веществ и размножению. Главные его компоненты – хрящевые клетки (хондроциты) и внеклеточный матрикс, состоящий из волокон и основного вещества. Причем, большую часть массы хряща составляет именно межклеточное вещество.

Особенностью хряща, по сравнению с другими видами тканей в организме является то, что в нем мало клеток, и они окружены большим количеством межклеточного пространства – матрикса. Хрящ так плохо восстанавливается после повреждений именно потому, что в нем очень мало клеток, способных размножаться и основная часть репарации (восстановления) идет за счет внеклеточного матрикса.

В суставном хряще очень много воды (в хряще головки бедренной кости молодого человека – 75 г на 100 г ткани). Глауроновая кислота помогает матриксу связывать воду, чем и обеспечиваются упругие и эластические свойства ткани.

В гиалиновом хряще, который чаще всего представляет внутрисуставную поверхность, половину всего матрикса составляет коллаген – основной белок соединительной ткани. Только сухожилия и дерма (глубокий слой кожи) превосходят матрикс по насыщенности коллагеном. Наибольшая его концентрация в суставных хрящах сосредоточена в поверхностной зоне.

Коллаген – понятие собирательное, существуют несколько его видов. Разные по химическому составу, все они, тем не менее, состоят из очень крупных молекул, свернутых в тройные спирали. Такое строение волокон делает их очень прочными на скручивание, растяжение и разрыв. Каждая из трех цепей имеет полипептидную структуру.

Если мы проанализируем состав полипептидных цепей любого из трех видов коллагена (у человека их насчитывается именно три), то увидим, что наиболее велик удельный вес аминокислоты глицина. Следом за ним по удельному весу следуют аминокислоты промен (пролин -?) и аланин. Иногда аланин «перевешивает» пролин, а иногда наоборот, пролин по своему удельному весу превосходит аланин.

Основной аминокислотой коллагена является глицин. За ним по процентному содержанию следуют аланин, пролин и валин.

У разных хрящей в матриксе преобладают либо коллагеновые, либо эластиновые волокна. Все они переплетены в прочную трехмерную сеть. Коллагеновая (эластиновая) сеть «удерживает» внутри хряща и другие молекулы как механически, так и с помощью электростатических связей.

Считается, что хрящевой матрикс состоит из 3-х основных компонентов:

1. волокнистый коллагеновый каркас, который образует трехмерную сеть переплетений;
2. молекулы протеогликанов, которые заполняют петли волокнистого каркаса;
3. вода, свободно перемещающаяся между переплетениями каркаса и молекулами протеогликанов.

У суставного хряща нет кровеносных сосудов. Он питается диффузно, поглощая питательные вещества из синовиальной жидкости.

Коллагеновый каркас является как бы «скелетом» хряща. Он обладает большой упругостью по отношению к силам растяжения и в тоже время оказывает относительно слабое сопротивление нагрузке на сжатие. Поэтому внутрисуставные хрящи (например: мениски и суставные поверхности бедренной и берцовых костей) легко повреждаются при компрессионных (сжимающих) нагрузках и почти никогда при нагрузках на растяжение («на разрыв»).

Протеогликановый компонент матрикса отвечает за способность хряща связывать воду. Она может удаляться за пределы хряща в синовиальную жидкость и возвращаться в него обратно. Именно вода как несжимаемая субстанция обеспечивает достаточную жесткость хряща. Ее перемещения равномерно распределяет внешнюю нагрузку по всему хрящу, в результате чего происходит ослабление внешних нагрузок и обратимость возникающих при нагрузках деформаций.

Коллагеновые хрящи суставов вообще не содержат сосудов. Большая механическая нагрузка на хрящ несовместима с васкуляризацией (сосудистым обеспечением). Обмен в таком хряще осуществляется благодаря перемещению воды между компонентами матрикса. Она содержит все необходимые хрящам метаболиты. Поэтому в них резко замедлены как анаболические, так и катаболические процессы. Отсюда плохое их посттравматическое восстановление, в отличие от хрящей с васкуляризацией.

Кроме гиалинового и эластического хрящей выделяют еще одну группу – волокнистый, или фиброзный хрящ. Фиброз – значит «волокно». Матрикс фиброзного хряща образован коллагеновыми волокнами, однако, по сравнению, скажем, с глиаиновым хрящом пучки коллагеновых волокон более толстые и не имеют структуры трехмерного переплетения. Они ориентированы, в основном, параллельно друг другу. Их направление соответствует векторам сил натяжения и давления. Из фиброзного хряща состоят межпозвонковые диски, отличающиеся большой прочностью. Крупные коллагеновые волокна и их пучки располагаются в межпозвонковых дисках циркулярно. Помимо межпозвонковых дисков волокнистый хрящ находится в местах прикрепления сухожилий к костям или хрящам, а также в сочленении лобковых костей.

Поддержание всей структурной целостности матрикса хряща зависит целиком от хондроцитов. И хотя их масса невелика, они синтезируют, тем не менее, все биополимеры, из которых состоит матрикс — коллаген, эластин, протеогликоны, гликопротеины, и т.д. При удельном весе от 1 до 10% общего объема хрящевой ткани хондроциты обеспечивают образование больших масс матрикса. Они контролируют также все катаболические реакции в хряще.
В чем причина низкой метаболической активности хряща? Только в одном – в малом количестве клеток (1-10%) в единице объема ткани. В пересчете на чистую клеточную массу уровень метаболизма хондроцитов ничуть не меньше, чем у других клеток организма. Особенно низким метаболизмом отличаются суставные хрящи и пульподные ядра межпозвонковых дисков. Именно эти структуры отличаются самым малым количеством хондроцитов (1% от общей массы хряща) и именно они хуже всех других восстанавливаются после повреждений.

Насколько низка метаболическая активность хряща, можно понять из следующего сравнения. Белковый состав печени полностью обновляется за 4(!) дня. Коллаген хрящей обновляется всего лишь на 50% за 10(!) лет. Поэтому становится понятным, что любая травма хрящевой ткани практически неизлечима, если только не принять специальных мер, направленных на увеличение числа хондроцитов, которые сформируют новый матрикс.

Интересно, что матрикс – порождение хондроцитов – живет своей самостоятельной жизнью. Он способен модулировать действие различных гормонов на хондроциты, ослабляя, либо усиливая их действие. Воздействуя на матрикс, можно изменить состояние хондроцитов как в лучшую, так и в худшую сторону. Удаление части матрикса вызывает немедленную интенсификацию биосинтеза недостающих в нем макромолекул. Более того, одновременно усиливается пролиферация (разрастание) хондроцитов. Количественные изменения в матриксе способны вызвать их качественные изменения.
Длительное ограничение движений в суставе (гипсовая иммобилизация и др.) приводит к уменьшению массы хрящей. Причина на удивление проста: в неподвижном суставе отсутствует перемешивание синовиальной жидкости. При этом диффузия молекул в хрящевую ткань замедляется и питание хондроцитов ухудшается. Недостаток прямой компрессивной нагрузки (на сжатие) так же приводит к ухудшению питания хондроцитов. Хрящу нужна хотя бы минимальная компрессионная нагрузка для поддержания нормальной трофики. Чрезмерная нагрузка на растяжение в эксперименте вызывает перерождение хряща с развитием грубых фиброзных волокон.

Очень сложное влияние на состояние внутрисуставных хрящей оказывает синовиальная оболочка. Она может как усиливать анаболизм хрящевой ткани, так и усиливать ее катаболизм. Удаление синовиальной оболочки резко ухудшает трофику хрящей, которая восстанавливается лишь после ее отрастания.

Хондроциты способны и к ауторегуляции. Они синтезируют специальные факторы роста, стимулирующие разрастание соседних хондроцитов. Пока их структура полностью не расшифрована. Известно лишь то, что они имеют полипептидную природу.
Все хрящи, но особенно хрящи опорно-двигательного аппарата постоянно подвергаются микротравматизации.

В гиалиновых хрящах суставов уже начиная с 30-летнего возраста обнаруживается фибриляция – разволокнение хрящевой поверхности. При микроскопическом исследовании на поверхности хряща обнаруживаются разломы и расщепления. Расщепление хряща происходит как вертикальном, так и в горизонтальном направлении. При этом местами встречаются скопление клеток хрящевой ткани как ответная реакция организма на разрушение хряща. Иногда отмечается возрастное увеличение (!) толщины суставных хрящей как ответное действие на действия механических (тренировка) факторов. Возрастную эволюцию хрящей коленного сустава многие исследователи отмечают начиная уже с 40-летнего возраста. Наиболее существенное изменение, отмечаемое при старении хряща – это уменьшение содержания воды, что автоматически приводит к снижению его прочности.

Отсюда чрезвычайная сложность его посттравматического лечения. Более того, иногда непросто бывает даже сохранение нормального состояния хрящей в ходе обычного тренировочного процесса. Рост мышечной ткани опережает упрочнение суставно-связочного аппарата и в особенности его хрящевой части. Поэтому, рано или поздно, нагрузки достигают такой величины, которую хрящевая часть опорно-двигательного аппарата уже не может выдержать. В результате возникают «неизбежные» труднозалечиваемые травмы, из-за которых спортсмен иногда расстается со спортом. Самостоятельное восстановление хряща никогда не бывает полным. В лучшем случае хрящ восстанавливается на 50% от исходной величины. Однако это не значит, что дальнейшее его восстановление невозможно. Оно возможно при грамотном фармакологическом воздействии, призванном вызвать, с одной стороны, размножение хондроцитов, а с другой – изменение состояния матрикса хряща. Проблема восстановления хряща многократно усложняется еще и тем, что на месте погибшей хрящевой ткани развивается рубцовая ткань. Она не дает хрящу регенерировать в нужном месте. Компенсаторное разрастание участков хряща по соседству с местом повреждения приводит к его деформации, затрудняя задачу фармакологической стимуляции роста. Впрочем, все эти сложности преодолимы, если деформированный хрящ вначале подвергнуть хирургической коррекции.

Потенциальные возможности регенерации хряща достаточно велики. Он может регенерировать за счет собственного потенциала (размножение хондроцитов и рост матрикса) и, что не менее важно, за счет других видов соединительной ткани, которые имеют общее с ним происхождение. Примыкающие к хрящу ткани обладают способностью к переориентации своих клеток и превращению их в хрящеподобную ткань, которая неплохо справляется со своими функциями. Возьмем для примера самый частый вид повреждений – повреждение внутрисуставного хряща. Источником регенерации являются:

1. сам хрящ;
2. синовиальная оболочка сустава, нарастающая с краев дефекта и превращающаяся в хрящеподобную ткань;
3. костные клетки, которые, не будем забывать, имеют хрящевое происхождение и при необходимости могут трансформироваться «обратно» в ткань, напоминающую по своему строению хрящевую;
4. клетки костного мозга, которые могут служить источником регенерации при глубоких повреждениях хрящей в сочетании с костным повреждением.

Сразу же после травмы наблюдается «взрыв» митоической активности хондроцитов, которые размножаются и формируют новый матрикс. Процесс этот наблюдается в течение 2-х недель после повреждения, однако ремодулирование поверхности хряща длится не менее 6-и месяцев, а полностью прекращается лишь через год. Качество «нового» хряща, конечно же, уступает качеству «старого». Если, например, поврежден гиалиновый внутрисуставный хрящ, то через 3-6 месяцев вырастает регенерат, имеющий характер гиалиново-фиброзного молодого хряща, а через 8-12 месяцев, он уже превращается в типичный фиброзный хрящ с матриксом, состоящим из плотно прилегающих друг к другу коллагеновых волокон.

Из журнала «Muscle Nutrition Review» № 8

Метки:медицина, спорт, суставы, травмы