Morfologia i funkcja chrząstki stawowej.pdf

Morfologia i funkcja chrzåstki stawowej

Morphology and function of the articular cartilage

Bogdan Ciszek

ZakÆad Anatomii PrawidÆowej Centrum Biostruktury

Akademii Medycznej w Warszawie

Streszczenie

W pracy przedstawiono aktualne poglådy na budo-

wæ i biomechanikæ chrzåstki stawowej. Chrzåstka

stawowa wiækszo¥ci stawów jest chrzåstkå szklistå.

Utworzona jest przez powierzchownå warstwæ

stycznå, nastæpnie leºy warstwa po¥rednia o róºno-

kierunkowym ukÆadzie wÆókien kolagenowych,

warstwa promienista i warstwa zwapniaÆej chrzåstki

leºåca na podchrzæstnej warstwie ko¥ci. Obie ostat-

nie warstwy tworzå pÆytkæ podchrzæstnå. Dziæki za-

warto¥ci proteoglikanów wiåºåcych wodæ we wnæ-

trzu chrzåstki powstaje tzw. ci¥nienie obrzmienia

odpowiadajåce za bimechanicznå wytrzymaÆo¥ì

chrzåstki. [Acta Clinica 2001 1:10-14]

Summary

The paper presents contemporary concepts on the

morphology and biomechanics of the articular

cartilage. In the majority of synovial joints articular

cartilage is a hyaline cartilage. Superficial layer it is

tangential zone followed by transitional and radial

zones. Deepest layer is composed of the calcified

cartilage. Underneath subchondral bone is visible.

Last two layers are called subchondral plate.

Proteoglicans binding water are source of formation

of swelling pressure. It give to the cartilage bio-

mechanical resistance necessary to maintain funct-

ion of the locomotory system.

[Acta Clinica 2001 1:10-14]

SÆowa kluczowe: chrzåstka, staw, biomechanika

Key words: cartilage, synovial joint, biomechanics

Wprowadzenie

my panewkæ — wklæsÆå powierzchniæ sta-

wowå oraz wypukÆå gÆówkæ. Panewki po-

wstajå na koñcu ko¥ci w pobliºu przycze-

pów miæ¥ni, natomiast gÆówki leºå na koñ-

cach bardziej oddalonych od przyczepów

miæ¥niowych. Chrzåstka stawowa panewek

jest na ogóÆ bardziej miækka niº chrzåstka

pokrywajåca gÆówki stawów. Z wiekiem

chrzåstka traci spræºysto¥ì staje siæ bardziej

ºóÆta i coraz cieñsza.

Grubo¥ì chrzåstki jest róºna w za-

leºno¥ci od stawu. Najgrubsza warstwa wy-

stæpuje w strzaÆkowej listewce rzepki, gdzie

siæga 6 mm. ÿrednio wynosi ona od 0,5 do

2 mm. Chrzåstka grubieje w centrum

gÆówki, a staje siæ coraz cieñsza w obræbie

¥rodka panewki.

Chrzåstka stawowa w wiækszo¥ci sta-

wów jest chrzåstkå szklistå. W stawach

przedzielonych kråºkiem ¥ródstawowym

takich jak staw skroniowo-ºuchwowy,

mostkowo-obojczykowy i obojczykowo-bar-

kowy powierzchnie stawowe pokryte så

chrzåstkå wÆóknistå.

Powierzchnia chrzåstki stawowej jest

gÆadka i ¥wiecåca. Leºy ona na warstwie

zwapniaÆej chrzåstki Æåczåcej siæ bezpo¥red-

nio z ko¥ciå.

Dziæki duºej spræºysto¥ci chrzåstka

z Æatwo¥ciå odksztaÆca siæ pod wpÆywem

obciåºeñ przenoszonych w czasie ruchów

stawu. W typowym stawie wyróºniì moºe-

10 • Marzec 2001

Morfologia i funkcja chrzåstki stawowej

Ryc. 1. Makroskopowy przekrój stawu.

stawu okre¥lana jest mianem „lamina sple-

dens” jest pozbawiona komórek i ma gru-

bo¥ì 3 mm (17). Inni (14) opisujå tæ war-

stwæ jako superficial tangential zone utwo-

rzonå przez ciasno utkane pæczki wÆókien

kolagenowych równolegÆych do powierzch-

ni stawu i tworzåcych warstwæ o grubo¥ci

od 1 do 200 mm. Zawiera maÆo glikozami-

noglikanów i jest bogata w kwas hialurono-

wy. CaÆa warstwa styczna tworzy 10% gru-

bo¥ci chrzåstki(13) i ma charakter bÆony

otaczajåcej chrzåstkæ stawowå.

W kolejnej warstwie (stratum interme-

dium sive transitionale) która stanowi 40%

grubo¥ci chrzåstki wÆókna kolagenowe

przebiegajå sko¥nie.

Najistotniejszå wÆasno¥ciå chrzåstki

stawowej jest jej odporno¥ì na tarcie. Roz-

wija siæ zresztå najlepiej tam gdzie najbar-

dziej jest na tarcie naraºona. Ograniczenie

ruchomo¥ci stawu prowadzi do stopniowe-

go zarastania jego jamy stawowej.

W zasadzie regeneracja chrzåstki sta-

wowej jest niemoºliwa, gdyº nie posiada

ona ochrzæstnej, od której mogÆaby postæ-

powaì regeneracja.

Chrzåstka stawowa jest nie unerwiona

i nie ma naczyñ krwiono¥nych ani chÆon-

nych. Jest zatem odºywiana caÆkowicie po-

przez dyfuzjæ od strony jamy stawu. Od

naczyñ warstwy podchrzæstnej odchodzå

jednak kapilary które penetrujå do warstwy

zwapniaÆej chrzåstki a nawet przechodzå

przez niå. Ocenia siæ, ºe w ten sposób

z ukÆadem naczyniowym ma kontakt od

1 do 7% powierzchni chrzåstki.

Ryc. 2. Warstwowa budowa chrzåstki stawowej.

Dalej leºy warstawa promienista (stra-

tum radiale) gdzie wÆókna przebiegajå pro-

stopadle do powierzchni stawu.

NajgÆæbszå warstwæ stanowi warstwa

zwapniaÆej chrzåski stykajåca siæ z warstwå

podchrzæstnå ko¥ci. Obie gÆæbsze warstwy

stanowiå 50% grubo¥ci chrzåstki.

Struktura chrzåstki stawowej

Chondrocyty stanowiå zaledwie 1% ob-

jæto¥ci chrzåstki (4). W macierzy chrzåstki

otaczajåcej chondrocyty przebiegajå wÆókna

kolagenowe. Przy powierzchni i w otocze-

niu jamek majå strukturæ splotowatå,

w wiækszo¥ci så pråºkowane z okresem

64nm. UkÆad wÆókien opisywany jest jako

splotowaty, helikalny oraz radialny.

Chrzåstka stawowa ma budowæ war-

stwowå. Warstwa powierzchowna (stratum

tangentiale) utworzona jest przez maÆe ko-

mórki o charakterze zbliºonym do fibro-

blastów oraz liczne styczne do powierzchni

stawowej wÆókna kolagenowe. Najbardziej

powierzchowna warstwa zwrócona do jamy

Biomechanika chrzåstki stawowej

Chrzåstka ma bardzo niski wspóÆczyn-

nik tarcia 0,01 – 0,02 który spada wraz ze

wzrostem obciåºenia. Chociaº powierzch-

nia chrzåstki stawowej opisywana jest zwy-

czajowo jako gÆadka to jednak w rzeczy-

wisto¥ci posiada do¥ì skomplikowanå

strukturæ.

Jak powszechnie wiadomo powierzch-

nie stawowe przyjmujå ksztaÆty, które kla-

Tom 1, Numer 1 • 11

Acta Clinica

syfikujemy do szeregu typów. Wyróºniamy

zatem stawy kuliste, eliptyczne (kÆykciowe),

siodeÆkowate, zawiasowe (bloczkowe), obro-

towe (ksztaÆt cylindra), ¥rubowe i pÆaskie.

Na podstawowy zarys powierzchni sta-

wowej nakÆada siæ drugorzædowe pofaÆdo-

wanie o odlegÆo¥ciach pomiædzy szczytami

grzebieni od 0,1 do 0,5 mm, trzeciorzædowe

zagÆæbienia o ¥rednicy 20 – 50 mm i gÆæbo-

ko¥ci 0,5 – 2 mm oraz czwartorzædowe grze-

bienie o szeroko¥ci do 4 mm (10). WspóÆ-

czynnik tarcia chrzåstki ulega znacznemu

obniºeniu pod wpÆywem pokrycia jej po-

wierzchni maziå stawowå.

Powierzchnia chrzåstki wykazuje cha-

rakterystyczne linie pækniæcia (split lines)

powstajåce po nakÆuciu powierzchni okråg-

Æå igÆå. Så one charakterystyczne dla kaºde-

go stawu. Wg wielu badaczy ich przebieg

ma odzwierciedlaì przebieg linii napiæcia

w obræbie chrzåstki. Koncepcjæ tå potwier-

dziÆy badania w mikroskopie polaryzacyj-

nym oraz elektronowym. Inni autorzy uwa-

ºali z kolei ºe przebieg linii pækniæcia i tym

samym sposób uporzådkowania wÆókien ko-

lagenowych odzwierciedla kierunek gÆów-

nych ruchów w stawie, a nie jego obciåºe-

nie. Inni autorzy uwaºajå, ºe podstawowå

funkcjå kolagenu chrzåstki stawowej nie jest

przenoszenie obciåºeñ a utrzymywanie

struktury domen wiscoelastycznych utwo-

rzonych przez proteoglikany chrzåstki pod-

legajåcej deformacji i przemieszczeniu (16).

Macierz chrzåstki skÆada siæ z wody

(60%-80% caÆej masy) kolagenu (60% su-

chej masy) i proteoglikanów (30% suchej

masy). Proteoglikany skÆadajå siæ z glikoza-

minoglikanów poÆåczonych z biaÆkowym

rdzeniem. Dziæki wielu grupom hydroksy-

lowym przyciågajå wodæ i kationy (Na + )co

powoduje powstanie gradientów osmotycz-

nych jonowych i siÆ Donana co prowadzi

do indukcji wewnætrznego dodatniego

ci¥nienia zwanego w dosÆownym tÆumacze-

niu ci¥nieniem obrzmienia (swelling pre-

ssure). Chrzåstkæ moºna porównaì do na-

miotu pneumatycznego utrzymywanego

dziæki ciågÆej pracy pompy. Powierzchniæ

namiotu stanowi warstwa styczna, a rolæ

pompy odgrywajå proteoglikany wiåºåce

wodæ (1).

Ostatnie dane wskazujå na to iº cha-

rakter napiæì w chrzåstce powstajåcych bez

jej obciåºenia nie jest jednakowy. Warstwa

gÆæbsze podlegajå ¥ciskaniu, podczas gdy

warstwy bardziej powierzchowne podlegajå

rozciåganiu. Koresponduje to z wiækszå

sztywno¥ciå warstw powierzchownych. Byì

Ryc. 3. Koncepcja powstawania ci¥nienia obrzmie-

nia w chrzåstce na podobieñstwo namiotu pneuma-

tycznego (1).

moºe ma to takºe wpÆyw na metabolicznå

aktywno¥ì chondrocytów w róºnych war-

stwach chrzåstki stawowej (15).

£åcznie zwapniaÆa chrzåstka i pod-

chrzæstna warstwa ko¥ci okre¥lane så mia-

nem pÆytki podchrzæstnej (subchondral

plate). Grubo¥ì tej warstwy znacznie lepiej

koreluje z wielko¥ciå nacisku niº sama gru-

bo¥ì chrzåstki. W badaniach Mil-

tza i Putza okre¥lono grubo¥ì pÆytki pod-

chrzæstnej plateau piszczeli (11). Stwier-

dzono, ºe obwodowo ma ona warto¥ì

100 – 300 mm zwiækszajåc siæ centralnie do

ponad 1500 mm. Autorzy stwierdzili ºe

rozkÆad grubo¥ci w przybliºeniu koreluje

z obszarem bezpo¥redniego styku po-

wierzchni stawowych ko¥ci udowej i pi-

szczeli. Podobne badania dotyczåce pÆytki

podchrzæstnej rzepki wykazaÆy ºe jest on

szczególnie gruba w obræbie bocznej czæ¥ci

powierzchni stawowej. siægajåc ponad

2 mm (12). W tym obszarze nastæpuje takºe

najwiæksze odksztaÆcenie chrzåstki stawowej

rzepki przy statycznym obciåºeniu (9).

12 • Marzec 2001

Morfologia i funkcja chrzåstki stawowej

Ryc. 4. Sposób wyznaczenia pÆytki podchrzæstnej

(11). 1) chrzåstka stawowa, 2) chrzåstka zwapniaÆa

3) warstwa podchrzæstna ko¥ci

w sÆabo obciåºanym obszarze, o gorszych

wÆasno¥ciach mechanicznych (3).

Zmiany zwyrodnieniowe w tym stawie

dotyczå najczæ¥ciej dolnej powierzchni gÆo-

wy ko¥ci udowej oraz tzw dachu panewki.

ZwÆaszcza u mÆodych osobników ten ostat-

ni obszar ze wzglædu na rozwijajåcå siæ do-

piero peÆnå zborno¥ì stawu pozostaje nie

obciåºony. Z powodu podobnego braku

obciåºenia peryferyjne czæ¥ci chrzåstki po-

krywajåcej gÆowæ ko¥ci udowej od strony

szyjki ulegajå czæstemu procesowi zwyrod-

nieniowemu.

W pozycji kucznej dochodzi do lepsze-

go kontaktu powierzchni gÆowy ko¥ci udo-

wej i panewki. Jak wynika z obserwacji

populacyjnych spoÆeczno¥ci w których po-

pularna jest taka pozycja rzadko rozwijajå

siæ zwyrodnienia w stawie biodrowym.

Chrzåstka stawu biodrowego jest generalnie

dwa razy sztywniejsza i jednocze¥nie cieñ-

sza w porównaniu ze stawem kolanowym.

Waºnym elementem oceny chrzåstki

¥wiadczåcym i jej stanie czynno¥ciowym så

jej wymiary: grubo¥ì i objæto¥ì. Okazuje siæ

ºe chrzåstka stawowa bardzo szybko reaguje

na zwiækszone obciåºenie zmniejszeniem

objæto¥ci. W badaniach przeprowadzonych

na ochotnikach (6) po wykonaniu 50 przy-

siadów objæto¥ì chrzåstki rzepki byÆa o 6%

mniejsza po 3 – 7 min a po 8 – 12 min o ok.

5% w porównaniu ze spoczynkiem.

W badaniach radiograficznych (2)

stwierdzono ºe obciåºenie stawu udowego

4 – 6-krotnå maså ciaÆa prowadzi do

zmniejszenia grubo¥ci chrzåstki o 14%.

Badania w rezonansie magnetycznym

przeprowadzono na preparatach anato-

micznych (8) i wykazano, ºe odksztaÆcenie

w stawie rzepkowo — udowym w wiækszym

stopniu dotyczy chrzåstki stawowej rzepki

(moºe siægaì do 60% po 2 godzinach).

W obræbie chrzåstki ko¥ci udowej od-

ksztaÆcenie siæga ok. 40%. Juº w pierw-

szych 10 minutach po przyÆoºeniu obciåºe-

nia odksztaÆcenie osiåga do 30%.

Zetkniæcie powierzchni gÆówki i pa-

newki w stawie nie jest doskonaÆe. Czæsto

obszar zetkniæcia jest bardzo maÆy. PrzyÆo-

ºenie obciåºenia prowadzi wtedy do prze-

niesienia go w caÆo¥ci na maÆe pole styku

zwane w literaturze anglosaskiej momenta-

rily loaded area — MLA. Prowadziì to moºe

do zahamowania wzrostu chrzåstki w tym

obszarze i jego przyspieszenia w mniej ob-

ciåºonych okolicach co w efekcie prowadzi

do zwiækszenia powierzchni kontaktu po-

miædzy powierzchniami stawowymi. Obciå-

ºenie stawu krótko dziaÆajåcå duºå siÆå mo-

ºe groziì mikrouszkodzeniami chrzåstki

i warstw podchrzæstnych gdyº wspomniane

juº wiskoelestyczne wasno¥ci chrzåstki wy-

magajå czasu, aby dostosowaì jej ksztaÆt do

zmienionych warunków mechanicznych.

Mechanizm ten dziaÆa przy dÆuºej trwajå-

cym obciåºeniu statycznym. Jest to jeden

z proponowanych mechanizmów rozwoju

procesu zwyrodnieniowego stawów (7).

Badania stawu biodrowego dowodzå, ºe

u podstaw rozwoju zmian zwyrodnienio-

wych leºå morfologiczne i biomechaniczne

wÆasno¥ci stawu. Zwyrodnienia rozwijajå siæ

Tom 1, Numer 1 • 13

Acta Clinica

Objæto¥ì chrzåstki rzepki z 4860 mm 3

po jednej godzinie obciåºenia spadaÆa do

4180 mm 3 a po 3 godzinach do 3830 mm 3 .

Ocena objæto¥ci chrzåstki caÆego stawu

metodå rezonansu magnetycznego pozwala

na ocenæ wzrostu tkanki (w okresie rozwo-

ju) oraz jej adaptacji do przyjmowanych

obciåºeñ, a takºe pozwala monitorowaì

przebieg procesów patologicznych zwiåza-

nych ze zniszczeniem chrzåstki. Objæto¥ì

chrzåstki stawu kolanowego waha siæ od

16341 mm 3 do 33988 mm 3 .

ÿrednia objæto¥ì wynosiÆa 23124 mm 3 .

Objæto¥ì chrzåstki rzepki stanowi od 11 do

22%, ko¥ci udowej 54 do 69%, boczna czæ¥ì

powierzchni górnej piszczeli 11 – 16%, czæ¥ì

przy¥rodkowa 7 – 12% caÆkowitej objæto¥ci

stawu. Nie stwierdzono korelacji pomiædzy

objæto¥ciå chrzåstki stawu a wiekiem, ciæºa-

rem i wysoko¥ciå ciaÆa ciaÆa (5) co wydaje

siæ do¥ì zaskakujåcym wynikiem.

6. Eckstein F., Tieschky M., Faber S.C., Haubner

M., Kolem H., Englmeier K-H Reiser M. Effect of

physical exercise on cartilage volume and thicness in

vivo: MR imaging study. Radiology 207:

243 – 248 1998

7. Frost H.M.: Joint anatomy, design, and arthroses:

insights of the utah paradigm. Anat. Rec. 255:

162 – 173 1999

8. Harberhold C., Stammberger T., Faber S., Putz

R., Englmeier K,H., Reiser M., Eckstein F.: An

MR-based technique for quantifying the deforma-

tion of articular cartilage during mechanical loading

in an intact cadaver joint. MRM 39:843 – 850 1998

9. Haberhold C., Faber S., Stammberger T., Stein-

lechner M., Putz R., Englmeier K.H., Reiser M.,

Eckstein F., In situ measurement of articular carti-

lage deformation in intact femoropatellar joints

under static loading J. Biomech 32:1287 – 1295

1999

10. Longmore R.D., Gardner D.L. The surface

structure of ageing human articular cartilage: a stu-

dy by reflected light interference microscopy

(RILM) J. Anat 126:353 – 365 1978.

11. Miltz A. Putz R. Quantative morfology of the

subchondral plate J. Anat. 185:103 – 110 1994

12. Miltz A., Eckstein F., Putz R.: The thickness of

the subchondral plate and its correlation with the

thicknes of the uncalcified articular cartilage in the

human patella. Ant. Embryol. 192:437 – 44 1995

13. Modl JM, Sether L.A. Haughton VM, Kneeland

JB Articular cartilage: correlation of histologic zones

with signal intensity at MR imaging Radiology

1991 181:853 – 855.

14. Mow V.C. Lai W.M. Redler I Some surface cha-

racteristics of articular cartilage I A scaning electron

microscopy study and a theoretical model for the

dynamic interaction of synovial fluid and articular

cartilage J. Biomech 7:449 – 456 1974

15. Narmoneva D.A., Wang J.Y., Setton L.A.: No-

nuniform swelling-induced residual strains in arti-

cular cartilage J. Biomech. 32:401 – 408 1999.

16. Serafini-Fracassini A &Smith J The structure

and bichemistry of cartilage Churchil Livingstone

Edinburgh 1974

17. Weiss C. Rosenberg L. Helfert A.J. An ultra-

structural study of normal young adult human arti-

cular cartilage J. Bone Jt Surg 50A: 663 – 674 1968

Pi¥miennictwo

1. Akeson W.H. Amiel D. A Gershuni D.H. Articu-

lar cartilage physiology and metabolism. In: Resnick

D.ed. Diagnosis of bone and joint disorders 3 rd ed.

Philadelphia Pa: Saunders 1995: 769 – 790

2. Armstrong C. G Bahrani A.S., Gardner D.L.: In

vitro measurement of articular cartilage deforma-

tions in the intact human hip joint under load J.

Bone Joint Surg. 61A 744 – 755 1979

3. Athanasiou K.A., Agarval A., Dzida F.J.: Compa-

rative study of the intrinsic mechanical proprietes of

the human acetabular and femoral head cartilage.

Journal of Orthopaedic Research 12:340 – 349 1994

4. Buckwalter J.A., Mankin H.G. Articular cartilage

I Tissue design and chondrocyte matrix interactions

J. Bone Joit Surg (Am) 1977 79:600 – 611

5. Eckstein F., Winzheimer M., Westhoff J., Schnier

M., Haubner M., Englmeier K.H., Reiser M., Putz

R.: Quantitative relationships of normal cartilage

volumes of the humen knee joint — assessment by

magnetic resonance imaging. Anat Embryol

197:383 – 390 1998.

Adres do korespondencji / Address for correspon-

dence: Bogdan Ciszek. ZakÆad Anatomii Prawid-

Æowej Centrum Biostruktury Akademii Medycznej

w Warszawie, ul. ChaÆubiñskiego 5, 02-004 War-

szawa.

14 • Marzec 2001

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: