Morfologia i funkcja chrząstki stawowej, Ortopedia
[ Pobierz całość w formacie 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
[ Pobierz całość w formacie PDF ]