تأثیر بارگذاری مکانیکی بر غضروف مفصلی

هدف از این مطلب، نشان دادن سیگنال‌دهی سلول در ارتباط با بار مکانیکی‌، برخی از جنبه‌های مکانوبیولوژی و اثرات مثبت و منفی بار مکانیکی بر روی غضروف مفصلی است. فواید بار مکانیکی روی غضروف مفصلی نشان داده شده است که دارای اثر بخشی کوتاه مدت و بلند مدت است. در این مطلب‌، نقش سیگنال‌دهی مکانیکی در حفظ غضروف مفصلی و چگونگی تغییرات در سیگنال‌دهی عادی منجر به آسیب شناسی مفصل، بررسی می‌شود. غضروف مفصلی (AC) یک بافت همبند تخصصی است که سطوح مفصل را در برمی‌گیرد و انتقال بارهای با ضریب اصطکاک کم را تسهیل می‌کند و امکان حرکت بدون اصطکاک را فراهم می‌کند.

با این وجود‌، AC دارای پتانسیل بهبودی بسیار ضعیفی است و مستعد آسیب‌های حاد و شرایط دژنراتیو مانند استئوآرتریت (OA) است که یک چالش پزشکی محسوب می‌شود. هم بالارفتن سن و پیری و هم بارگذاری مکانیکی، هموستاز AC را تحت تأثیر قرار داده و در پاتوژنز بیماری‌های دژنریتیو مفصل نقش دارند. در AC‌، سلولهای غضروفی‌، که تنها سلولهای موجود هستند‌، توسط ماتریس خارج سلولی (ECM) که شامل یک شبکه فیبریلی از هر دو نوع پروتئین کلاژن و غیرکلاژن است که در یک ماده مبتنی بر آب چسبناک غوطه خورده‌اند‌، احاطه شده‌اند.

در غضروف مفصلی فیبرها متفاوت از هم جهت‌یابی شده‌اند و سه ناحیۀ AC را تعریف می‌کنند: منطقه سطحی (SZ) با الیافی به موازات سطح مفصل‌، منطقه میانی (IZ) با الیافی در حالت مورب و منطقه عمیق (DZ) با الیاف عمود بر سطح مفصلی. ECM همچنین از توده‌های پروتئوگلیكانی (PGA) بزرگی مشتق شده از یک اسید هیالورونیک (HA) (که به آن هیالورونان نیز گفته می‌شود) با حدود 100 پروتئوگلیكان (PG) تشکیل شده است. استحکام کششی بالا و انعطاف بالای AC، توسط GAG‌هایی صورت می‌گیرد که کاتیون‌ها و آب را جذب می‌کنند و در نتیجه تورمی ایجاد می‌شود که توسط شبکه فیبری خنثی می‌شود. در حین بارگیری مفصل‌، PGA‌ها فشرده می‌شوند و اجازه توزیع نیرو را روی بقیه سطح مفصل می‌دهند و از این طریق فشار را بر روی غضروف کاهش می‌دهند.

سطح مفصل با یک گلیکوپروتئین به نام lubricin ‌اندود است‌، که این ماده دارای خاصیت روان‌کردن مرزی است و اصطکاک کم در سطوح رابط را فراهم می‌کند. از بین رفتن این روان‌کننده بر خواص عملکردی مفاصل سینوویال تأثیر می‌گذارد و می‌تواند در پاتوژنز انحطاط غضروف نقش داشته باشد.

سیگنال‌دهی سلولی و مورفولوژی غضروف مفصلی در پاسخ به بار مکانیکی تغییر می‌کند

غضروف تقریباً چرخه تولید سلولی ندارد. این امر براساس این واقعیت است که این بافت از نظر سلول‌های مایع غده‌ای و عروقی است و برای تأمین مواد مغذی خود به انتشار متکی است. بارگذاری مکانیکی AC باعث متابولیسم سلول‌های غضروفی و تحریک بیوسنتز مولکول‌ها برای حفظ بافت می‌شود. سیگنال‌های مکانیکی فعالیت بیوشیمیایی و تغییرات در رفتار سلول را از طریق انتقال مکانیزه تعدیل می‌کنند. فشرده‌سازی غضروف منجر به ایجاد تغییرات پیچیده در بافت از جمله ماتریس آن و تغییر شکل سلول‌، فشار هیدرواستاتیک و اسمزی‌، جریان مایع و تغییر میزان ماتریس آب‌، غلظت یون و تراکم بار ثابت می‌شود. این تغییرات توسط گیرنده‌های مکانیکی روی سطح سلول شناسایی می‌شوند‌، که شامل کانال‌های یون مکانیکی و اینتگرین‌ها هستند. فعال شدن این گیرنده‌ها آبشارهای سیگنال‌دهی درون سلولی (action potential) را آغاز می‌کنند و به فرایند بازسازی بافت منجر می‌شوند.

بارگذاری بیش از حد مکانیکی هم بر متابولیسم سلول‌های غضروفی تأثیر می‌گذارد‌، اما برخلاف تحریک فیزیولوژیکی‌، منجر به عدم تعادل کمی بین فعالیت آنابولیک و کاتابولیک و در نتیجه از بین رفتن اجزای ماتریس می‌شود. اینتگرین‌ها پروتئین‌هایی هستند که از طریق سلول‌های داخلی با اتصال مولکول‌های شیمیایی مانند سیتوکین‌ها و فاکتورهای رشد‌، سیگنال‌دهی سلول داخلی را فعال می‌کنند. آن‌ها در ساختار غضروف بسیار مهم هستند زیرا با ایجاد پیوند بین آن‌ها و کلاژن نوع II‌، VI و فیبرونکتین در تعامل بین سلول‌های غضروفی و ECM نقش دارند.

مطالعات بالینی در مورد بیماران وجود دارد که نشان می‌دهد ضخامت کم‌شدۀ (> 10٪) غضروف در مفصل زانو‌، به دنبال نبود بارگیری طبیعی مفصل، وهمچنین در بارگیری جزئی به دنبال شکستگی مچ پا در زانو در پای آسیب دیده به وجود می‌آید. در واقع‌، بی‌حرکتی مفصل زانو منجر به کاهش محتوای GAG‌ها می‌شود. به دلیل کاهش سختی شبکه کلاژن یا کاهش محتوای PG، غضروف نرم‌تر می‌شود. این یافته‌ها حاکی از آن است که عدم تحریک مکانیکی باعث نازک‌تر و نرم‌تر شدن غضروف می‌شود که در معرض تروما نیز قرار دارد.

علاوه بر این، مطالعات آزمایشگاهی نشان داده که فیبرهای کلاژن در حالت خوابیده تحت تنش مستعد ابتلا به تخریب هستند. یک تصویربرداری با استفاده از رزونانس مغناطیسی (MRI) بر روی بازیکنان‌، تفاوت معنی داری در ضخامت غضروف مفصلی بین بازیکنان مادام العمر و بسیار فعال و افراد ‌غیرفعال نشان نداد. با این حال‌، افزایش در سطح کل استخوان درشت نی و غضروف پاتلا مشاهده شد‌، که این نشان می‌دهد که می‌توان ورزش را مفید برای حفظ ضخامت بهینه (عادی) و در نتیجه ظرفیت تغییر شکل نیز پیش بینی کرد و به دلیل بزرگتر شدن سطح غضروف، قادر به تحمل مقدار بیشتری از بار و تنش است. بی‌حرکتی باعث ایجاد آتروفی می‌شود‌، که در درجه اول به دلیل تغییر در محتوای PG‌ها است. فعالیت بدنی سازگار و متناسب، و بارگذاری مکانیکی نرمال در مفصل سالم، بسیار مهم است. ورزش متوسط و سازگار باعث حرکت صحیح بدن ما می‌شود و از ضعف مفاصل و تغییر در AC جلوگیری می‌کند. به همین دلیل‌، فعالیت بدنی باید به عنوان یک درمان تکمیلی و اختیاری غیر دارویی در بیماران مبتلا به OA مطابق دستورالعمل‌های ملی و بین المللی‌، از جمله EULAR و OARSI‌، برای درمان این بیماری شدید در نظر گرفته شود.

علاوه بر این‌، تحریک مکانیکی حتما باید در دستکاری سرنوشت MSC در استراتژیهای درمانی مبتنی بر مهندسی بافت برای بازسازی یک غضروف مفصلی سالم با خصوصیات مکانیکی طبیعی در نظر گرفته شود.

گردآوری:یاسمن سبحانی