Wprowadzenie
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-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.
Morfologia i funkcja chrzåstki stawowej
Morphology and function of the articular cartilage
Bogdan CiszekZakÆad 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]
SÆowa kluczowe:chrzåstka, staw, biomechanika
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]
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 jestopniowe-go 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.
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
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.
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.
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-Ryc. 2. Warstwowa budowa chrzåstki stawowej. Ryc. 1. Makroskopowy przekrój stawu.
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 igokråg-Æå. 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% susu-chej 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
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 PuMil-tza 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). Ryc. 3. Koncepcja powstawania ci¥nienia obrzmie-nia w chrzåstce na podobieñstwo namiotu pneuma-tycznego (1).
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
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%.
Ryc. 4. Sposób wyznaczenia pÆytki podchrzæstnej (11). 1) chrzåstka stawowa, 2) chrzåstka zwapniaÆa 3) warstwa podchrzæstna ko¥ci
Objæto¥ì chrzåstki rzepki z 4860 mm3
po jednej godzinie obciåºenia spadaÆa do 4180 mm3a po 3 godzinach do 3830 mm3.
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 mm3do 33988 mm3.
ÿrednia objæto¥ì wynosiÆa 23124 mm3.
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.
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 3rded.
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.
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
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.
