Глава I. Краткие сведения о структуре и функции суставов в норме и при патологических состояниях
Синовиальный сустав является высокоспециализированной интегрированной структурой, состоящей из различных соединительнотканных элементов, включая мышцы, сухожилия, связки, синовиальную оболочку и капсулу, хрящ и кость, которые организованы таким образом, чтобы обеспечить стабильность и подвижность скелета. Структуры сустава предназначены для оптимального распределения нормальных механических усилий и сотрясений и имеют оптимальную организацию для осуществления движений с минимальным трением. Не только структурные свойства компонентов суставов, но и биохимические компоненты синовиальной жидкости обеспечивают уникальные механические характеристики суставов.
Суставной хрящ является специализированной соединительной тканью, которая покрывает соприкасающиеся поверхности синовиальных суставов [1, 2]. Основными функциями хряща являются обеспечение движений между костями с минимальным трением и максимальной скоростью, поглощение передающихся при движениях усилий и поддержание стабильности сустава. Ключевую роль в обеспечении смазки подвижных поверхностей суставов играет синовиальная жидкость.
1.1. Синовиальная жидкость
Объем и состав синовиальной жидкости определяется свойствами синовия и его кровоснабжением. В нормальных суставах жидкость содержится в небольших количествах (2,5 мл в коленном суставе), достаточных для покрытия синовиальных поверхностей тонкой пленкой, но не для разделения поверхностей. Синовиальная жидкость обеспечивает не только смазку, но и питание аваскулярных структур сустава, включая хрящ суставов и сухожильных оболочек.
По сути, синовиальная жидкость представляет собой ультрафильтрат плазмы крови, обогащенный факторами, синтезируемыми в синовии. Концентрация белков в синовиальной жидкости зависит от кровотока в синовии, содержании протеинов в плазме крови, сосудистой проницаемости и лимфатического дренажа, а также их синтеза и потребления внутри сустава. Содержание белков в синовиальной жидкости обратно пропорционально их молекулярному весу [3], содержание альбумина составляет около 45% от его концентрации в плазме крови [4]. Фибриноген, макроглобулины и компоненты комплемента практически не попадают в синовиальную жидкость [5]. Общая концентрация белка в нормальной синовиальной жидкости составляет 1,3 г/дл. Концентрация электролитов и молекул малого размера в синовиальной жидкости эквивалентна таковому в плазме крови [6].
Рис. 1 Схематическое изображение коленного сустава в норме и при остеоартрите
При остеоартрите имеет место нарушение однородности суставных поверхностей, разволкнение и фиссуры гиалинового хряща, и даже его эрозирование с обнажением подлежащей кости. Образуются краевые остеофиты, представляющие разрастание кости, покрытое новообразованным нерегулярным гиалиновым и фиброзным хрящом.
Удаление суставной жидкости обеспечивается лимфатической системой синовия и облегчается при движениях сустава. В отличие от ультрафильтрации, скорость лимфосорбции белков не зависит от их молекулярного веса, однако крупномолекулярные компоненты, включая гиалуронат и протеогликаны хряща, значительно медленнее удаляются лимфатической системой [5]. Часть компонентов синовиальной жидкости, такие как регуляторные пептиды, могут разрушаться на месте под действием специфических ферментов.
Гиалуронат (гиалуроновая кислота) синтезируется фибробласто-подобными клетками синовиальной оболочки и в синовиальной жидкости он обнаруживается в концентрации порядка 3 г/л, что многократно превышает содержание в плазме крови около 30 мкг/л [7]. Еще один компонент синовиальной жидкости, обеспечивающий смазку суставных поверхностей, гликопротеин лубрицин, также синтезируется клетками синовиальной оболочки [8]. Считается, что в отличие от гиалуроната, лубрицин обеспечивает пограничную смазку [8].
Объем синовиальной жидкости в основном зависит от количества гиалуроната, одной из основных функций данного гликозаминогликана считают удержание воды [9, 10]. Гиалуронат может задерживать различные молекулы в синовиальной полости, действуя как фильтр на поверхности синовиальной оболочки, ограничивая выход жидкости из полости сустава [10]. Сама синовиальная жидкость и ее белковые компоненты имеют короткое время обмена (около 1 часа в нормальном коленном суставе). Однако скорость обмена гиалуроната в нормальных условиях намного ниже (порядка 13 часов), благодаря чему он может служить «ловушкой» для многих молекул [11].
При воспалении наблюдается повышение концентрации белка в синовиальной жидкости [7]. Повышенная сосудистая проницаемость при воспалении обуславливает облегчение проницаемости для всех белков, но особенно заметные изменения касаются протеинов высокой молекулярной массы. В то же время проницаемость для воды, электролитов и малых молекул при воспалении не изменяется [7, 11]. Таким образом, синовиальное воспаление приводит к выраженному повышению концентрации белков без адекватного увеличения поступления питательных веществ и удаления продуктов распада.
Полость сустава в норме представляет собой спавшуюся полость, содержащую незначительное количество жидкости, распределенной по суставным поверхностям. Такое спавшееся состояние поддерживается субатмосферным давлением полости сустава. В нормальных условиях внутрисуставное давление поддерживается в покое на уровне немного ниже атмосферного (от 0 до -5 мм.рт.ст.) [12, 13]. Во время движений может наблюдаться дальнейшее снижение гидростатического давления.
Рис. 2 Роль тонкопленочной смазки в обеспечении снижения трения суставных поверхностей
Та легкость, с которой осуществляется движение в суставе, зависит от приложенной силы, характеристик противолежащих поверхностей и свойств материала, находящегося между поверхностями. Именно гиалуриновая кислота в составе синовиальной жидкости обеспечивает создание оптимальных условий для снижения коэффициента трения и обеспечивает тонкопленочную смазку суставных поверхностей.
Точный механизм поддержания субатмосферного давления в суставах в настоящее время не до конца изучен. Предполагается, что высокое коллоидное осмотическое давление в околокапсулярном гелеобразном слое может обеспечивать отрицательное гидростатическое давление внутри капсулы. Для поддержания такого баланса необходима фиксация гликозаминогликанов, в первую очередь гиалуроната, в слое геля, покрывающего суставные поверхности. Введение гиалуронидазы приводит к разрушению геля и повышению внутрисуставного давления [7]. Таким образом, гиалуронат является основой молекулярной «губки», адсорбирующей воду и обеспечивающей отрицательное гидростатическое давление.
При хронических артритах имеет место повышение внутрисуставного давления из-за увеличения объема синовиальной жидкости и уменьшения растяжимости суставной капсулы. Часто давление достигает 10-20 мм.рт.ст. и может быть еще выше [7]. При наличии выпота в сустав повторные механические нагрузки могут приводить к нарушению синовиальной перфузии. Наиболее низкое давление при наличии выпота наблюдается при сгибании в суставе около 30 градусов. Полное сгибание и разгибание сустава повышает давление и вызывает значительный субъективный дискомфорт, что, в свою очередь, приводит к ограничению объема движений [7]. Повышенное давление может служить причиной патологических протрузий капсулы сустава, и даже нарушения ее целостности.
1.2. Гиалуроновая кислота и ее роль в физиологии и патологии суставов
В 1934 году Карл Майер и Джон Палмер описали гликозаминогликан, выделенный ими из стекловидного тела глаза, и предложили название «гиалуроновая кислота» [14]. В настоящее время эта макромолекула чаще всего называется «гиалуронан», что отражает тот факт, что in vivo она существует как полианион, а не в форме протонированной кислоты.
Расшифровка химической структуры показала, что гиалуронат состоит из дисахаридных повторов D-глюкуроновой кислоты и D-N-ацетилглюкозамина, которые соединяются посредством чередующихся бета-1,4 и бета-1,3 гликозидных связей [15]. Такая структура является энергетически очень стабильной.
Число дисахаридных повторов, образующих одну молекулу гиалуроната может быть огромным (более 30000), а молекулярная масса может превышать 107 Да [16]. Средняя длина одного дисахарида составляет около 1 нм. Таким образом, молекула гиалуроната из 10000 повторов имеет длину порядка 10 мкм, что сопоставимо с диаметром эритроцита. Молекула гиалуроната имеет как гидрофобные, так и гидрофильные участки и в физиологическом растворе сворачивается в виде перекрученной ленты, образуя довольно большой домен. У подобной доменной структуры есть важные физиологические последствия малые молекулы, такие как вода, электролиты и питательные вещества свободно проникают внутрь нее, а крупные молекулы белков с большим трудом могут попасть в домен [17].
Рис. 3 Схематическое изображение структуры молекулы гиалуроната (по [15] с изменениями).
Молекула гиалуроната представлена в разных плоскостях (А). Видно, что она «ленточной» структуры, которая имеет плавные изгибы в двух плоскостях.
Структурными «кирпичиками», из которых состоит гиалуронан, являются дисахаридные повторы D-глюкуроновой кислоты и D-N-ацетилглюкозамина, соединяющиеся посредством чередующихся бета-1,4 и бета-1,3 гликозидных связей (Б), энергетическая стабильность молекулы очень высока.
В растворе молекула гиалуроната сворачивается в виде перекрученной ленты, образуя домен (В); вода, электролиты, аминокислоты и сахара свободно проникают внутрь домена, в то же время молекулы белков с большим трудом могут попасть в домен.
Почти в каждой ткани человека содержится гиалуронан. В хряще, синовии и синовиальной жидкости имеется относительно небольшое количество гиалуроната в абсолютном значении (1 мг/г в гиалиновом хряще, 3-4 мг/мл в синовиальной жидкости), но это важнейший компонент матрикса [18]. С эволюционной точки зрения, гиалуронат является «консервативной» молекулой и обнаруживается у всех позвоночных [16].
Несмотря на то, что структура гиалуроната достаточно простая, этот гликозаминогликан обладает несколькими очень важными функциями. Прежде всего, он влияет на взаимодействие клеток с межклеточным веществом и оказывает воздействие на клеточную миграцию [17, 19]. Следовательно, гиалуронат является одним из ключевых компонентов в процессах, связанных с миграцией клеток, таких как эмбриогенез, заживление ран, воспаление и метастазирование. Многие из этих процессов находятся под контролем рецепторов гиалуроната, наиболее изученным из которых является гликопротеин CD44 (трансмембранный рецептор, связанный с цитоскелетом) [20]. Гиалуронат также может обеспечивать связь аггрекана с поверхностью клеток хондроцитов посредством рецептора CD44 [21].
Кроме того, гиалуронат играет ключевую роль в задержании аггрекана внутри матрикса хряща. Множество молекул аггрекана нековалентно связываются с одной молекулой гиалуроната, образуя очень большие комплексы [22]. Если учитывать массу более 50 молекул аггрекана, связанных с гиалуронаном [23], такой комплекс является самым крупным во внеклеточном матриксе. Аггрекан представляет собой протеогликан высокой молекулярной массы, специфичный для хрящевой ткани [24]. Связывание аггрекана с гиалуронаном происходит во внеклеточном пространстве и не требует участия ферментативных систем. В составе синовиальной жидкости гиалуронат может служить лубрикантом (веществом, обеспечивающим смазку поверхностей). При артритах снижается масса и длина молекул гиалуроната [25].
Гиалуронат синтезируется уникальным способом. Ферменты синтазы гиалуроната (HAS-протеины) находятся в плазматической мембране клеток, и образующийся полимер гиалуроната напрямую попадает в околоклеточное пространство, минуя эндоплазматический ретикулум и комплекс Гольджи. Синтез гиалуроната обеспечивается HAS-протеинами. Было идентифицировано 3 таких белка, из которых HAS2 наиболее распространен [16, 26]. Белки HAS1 и HAS2 обеспечивают синтез гиалуроната высокой молекулярной массы, а HAS3 синтезирует молекулы меньшей длины [26]. При блокировании функции HAS2 в хондроцитах человека происходит нарушение сборки внеклеточного матрикса и отмечается потеря протеогликанов из околоклеточного пространства, при этом жизнеспособность собственно клеток не нарушается [27]. Эти сведения подчеркивают важность гиалуроната в поддержании архитектуры внеклеточного матрикса. Гиалуронаны с очень короткой длиной цепи стимулируют пролиферацию клеток и могут быть вовлечены в процессы ангиогенеза и воспаления. Гиалуронаны высокой молекулярной массы, напротив, ингибируют пролиферацию.
Рис. 4 Фермент синтаза гиалуроната (HAS-протеин) структурная и функциональная схема (по [16] с изменениями)
Гиалуронат синтезируется уникальным способом. Ферменты синтазы гиалуроната (HAS-протеины) находятся в плазматической мембране клеток, и образующийся полимер гиалуроната напрямую попадает в околоклеточное пространство, минуя эндоплазматический ретикулум и комплекс Гольджи. Идентифицировано синтазы, HAS1 и HAS2 обеспечивают синтез гиалуроната высокой молекулярной массы, а HAS3 синтезирует молекулы меньшей длины.
Гиалуронан, как и другие компоненты матрикса, постоянно обновляется. Следовательно, поддержание оптимального состояния матрикса зависит от скоординированной регуляции синтеза и распада данного гликозаминогликана. В настоящее время принято считать, что потеря матрикса хряща лежит в основе остеоартрита, поэтому синтез и распад гиалуроната тесно связан с патогенезом данного заболевания [28].
Вискосапплементарная терапия (от англ. viscosupplementation) лечение, направленное на улучшение вязко-упругих свойств синовиальной жидкости. По сути, единственная группа препаратов, обеспечивающая такое влияние на синовиальную жидкость, является препаратами гиалуроната. Поэтому термин «вискосапплементарная терапия» рассматривается как синоним лечения препаратами гиалуроната.
Необходимо отметить, что были предложены и альтернативные подходы к улучшению вязко-упругих свойств синовиальной жидкости, например, введение так называемых «протезов синовиальной жидкости» на основе полиакриламидного геля (препарат «Нолтрекс»). Однако эффективность и безопасность таких препаратов не установлена, поскольку не было проведено ни одного РКИ при ОА КС или ОА других локализаций. Доказательные данные, полученные при изучении препаратов гиалуроната, ни в коем случае не должны экстраполироваться на полиакриламидный гель и другие соединения, претендующие называться «протезами синовиальной жидкости», поскольку такие средства имеют иные биохимические, фармакокинетические и фармакодинамические свойства. Регистрация в Российской Федерации таких средств как «устройств медицинского назначения», а не лекарственных препаратов, позволяет производителю не проводить не только полномасштабных клинических испытаний, подтверждающих их эффективность, но даже не осуществлять фармакокинетических исследований в полном объеме.
Рис. 5 Упрощенная схема метаболизма аггрекана (по [2], [18] и [33])
Синтез аггрекана, связывающего протеина и гиалуроната осуществляется хондроцитами, а последующая сборка комплекса происходит во внеклеточном пространстве. В центре катаболизма находятся аггреканазы и металлопротеиназы, потеря фрагментов происходит в синовиальную жидкость, а гиаулронан захватывается хондроцитами посредством рецептора CD44.
