Prof. Dr. Hasan Dursun – NNY Ü, 2017

1.Kıkırdak dokusu

Bağ dokusu konusunda söz edildiği gibi elastik, fibro- ve hyalen olmak üzere 3 tip kıkırdak vardır.

Elastik kıkırdak matriksinde gömülü lifler arasında elastik liflerin baskın olmasıyla hyalen kıkırdaktan ayrılır. Elastik lifler bu kıkırdak tipinin kolayca esneyebilmesini, bükülebilmesini ve sonra yeniden orijinal şekline dönebilmesini sağlar. Kulak kepçesi, işitme kanalları, östaki tüpü ve epiglotis elastik kıkırdaktan oluşur. Fibrokartilaj ve elastik kıkırdak embriyolojik ve histolojik olarak hyalen kıkırdakla yakından ilgilidir, ancak mekanik ve biyokimyasal özellikler açısından büyük farklılıklar gösterirl.

Fibrokartilaj diğer kıkırdak tiplerinden farklı olarak daha çok Tip I kollajenden oluşur ve daha az proteoglikan içerir. Matrikse gömülmüş önemli miktardaki kollajen bu kıkırdak tipini gerilmeye karşı daha dirençli hale getirir. Bazı eklem boşluklarının kenarlarında, eklem kapsüllerinde ve ligamentlerin ve tendonların kemik insersiyonlarında bulunur. Ayrıca bazı eklemlerde eklem kıkırdakları arasına yerleşmiş menisküsleri ve intervertebral disklerin dış kabuğu olan annulus fibrozusu oluşturur.

Hyalen kıkırdağın karakteristik özelliği tip II kollajen ve yüksek konsantrasyonda aggrekan içermesidir. Mikroskopla bakıldığında bu kıkırdağın matriksinde lifler görülmez. Bundan dolayı açık, saydam anlamına gelen hyalen adı verilir. İntrauterin hayatın ilk 3 ayında iskelet sistemi tamamen hyalen kıkırdaktan oluşur. Bu hyalen kıkırdağın çoğu daha sonra ossifikasyon adı verilen bir süreçle kemik ile yer değiştirir. Ancak bir miktar hyalen kıkırdak eklemlerdeki kemik yüzeylerinde bir kaplama olarak kalır. Üst yedi kaburganın ucunu sternuma bağlayan kostal kıkırdaklar hyalen kıkırdaktır. Trakea ve bronşlar hyalen kıkırdağının inkomple halkaları sayesinde açık kalır. Burnumuzun septumu da hyalen kıkırdaktan yapılmıştır. Ayrıca intervertebral diskin nükleus pulpozusunda ve menisküsün iç bölgelerinde de bulunur.

Eklemde bulunan hyalen kıkırdak perikondrium içermemesi nedeni ile diğerlerinden ayrılır. Hyalen eklem kıkırdağı tanımının bir istisnası kemik uçları fibrokartilajla kaplı sinovyal bir eklem olan temporomandibüler eklemdir.

2.Hyalen kıkırdak

İnsan vücudunda üç tip eklem bulunmaktadır: fibröz, kartilajinöz ve sinoviyal. Bunlardan sadece sinovial (diartrodial) eklem geniş bir hareket açıklığına izin verir. Diartrodial eklemlerdeki kemik uçları ince, yoğun, yarı saydam, beyaz bir bağ dokusu olan hyalen (artiküler) kıkırdakla kaplıdır.

Artiküler kıkırdağın iki temel fonksiyonu vardır; (1) Ekleme binen yükleri geniş bir alana dağıtarak temas yüzeyler arasındaki stresleri azaltır ve (2) Karşılıklı yüzeylerin minimal bir sürtünme ve minimal bir aşınma ile hareket etmesini sağlar. Artiküler kıkırdak çok özel bir dokudur; kompozisyonu ve yapısıyla belirlenen biyomekanik özellikleri, bu fonksiyonlar için optimal performans sağlar ve yüksek yükler altındaki ortama bir ömür boyunca dayanabilir.

Artiküler kıkırdak 1-6 mm kalınlığında özelleşmiş bir bağ dokusudur. Diğer bağ dokuları gibi hücreler (kondrositler) ve ekstrasellüler matriksten oluşur. Solid organik matriks konsantre bir PG çözeltisi içine gömülmüş yoğun, ince bir kollajen fibril ağından oluşur. Bu yapısal elemanlar su ile birlikte kıkırdağın biyomekanik davranışlarını belirler.

Artiküler kıkırdak fizyolojik olarak kan ve lenf damarları ve nöral innervasyonu olmayan, neredeyse izole bir yapıdır. Ayrıca hücre yoğunluğu diğer dokulara göre daha azdır. Metabolik aktivitesi düşüktür. Proteoglikan turnover’ının yaklaşık 25 yıl sürdüğü, kollajenin yarı ömrünün ise onlarca yıldan 400 yıla kadar değişebileceği düşünülüyor.

 

a.Kıkırdağın biyokimyasal ve histolojik yapısı

ı. Kondrositler: Kıkırdakta hücre oranı %5’ten azdır ve sadece kondrositlerden oluşur. Kondrositler kollajen ve nonkollajen proteinlerin içinde gömülü halde; tek tek, çiftler veya gruplar halinde bulunurlar. Seyrek dağılıma rağmen ekstrasellüler matriksin organik bileşenlerininin üretimi, salgılanması, organize edilmesi ve idamesinden sorumludurlar.

Her bir kondrosit kendi mikroçevresini oluşturur. Hücre membranları proteoglikan, nonkollajenöz protein ve glikoprotein içeren perisellüler matriksle doğrudan bağlantılıdır. Bu mikro çevre kondrositi yerinde tutar ve başka bölgelere migrasyonunu engeller. Kondrositler nadiren hücreden hücreye sinyal iletirler ve hücreler arası bağlantı kurarlar. Buna rağmen büyüme faktörü, mekanik yüklenmeler, piezo elektrik kuvvetleri ve hidrostatik basınç gibi çeşitli uyarılara yanıt verirler. Kondrositlerin yaşaması optimal kimyasal ve mekanik çevreye bağlıdır.

Kondrositlerin kıkırdak onarımındaki rolü halen açık değildir. Avasküler yapısı ve perikondriumun olmaması nedeni ile progenitör hücre kaynağının olmadığı, bu nedenle kıkırdak hasarının onarılamadığı düşünülüyor. Ancak yüzeyel tabakadaki kondrositlerin progenitör hücrelere dönüşebilme ve proliferasyon yeteneği olabilir. Mekanik uyarılar, kondrositlerin apoptozisi veya doku yıkım ürünleri bu hücrelerin proliferasyonu için gerekli sinyalleri ve aracı maddeleri içeriyor olabilir. Ayrıca sinoviyal hücrelerden veya periartiküler damarlardan gelen sinyal ve aracı maddeler de kıkırdak homeostazında bir rol oynuyor olabilir.


Kollajen

ıı. Ekstrasellüler matriks: Kıkırdak hacminin %5'ten azı hücrelerden, kalanı ekstrasellüler matriksten oluşur. Normalde mineral bulunmaz, matriksin %30'u organik materyal, kalanı sudur. Organik materyalin yaklaşık %60'ı kollajen, %25'i proteoglikan ve kalanı çeşitli matriks proteinlerinden oluşur.

Normal eklem kıkırdağında yaş ağırlığın %15-22'sini kollajen, %4-7'sini PG oluşturur. Geri kalan %60- 85’i su, inorganik tuzlar ve az miktarda diğer matris proteinleri, glikoproteinler ve lipitler oluşturur.

Kollajen: Kollajenin temel biyolojik ünitesi tropokollajendir. Tropokollajen üç prokollajen zincirinden oluşan üçlü sarmal (triple helix) bir yapıdır. 1,4 nm çapında ve 300 nm uzunluğundaki bu moleküller daha büyük kolajen fibrilleri içine polimerize olur. Bu kollajen fibrillerin çapı ortalama 25- 40 nm'dir (ancak 200 nm'ye kadar çıkabilir). Tropokollajen molekülleri arasında kovalent çapraz bağlar oluşur ve bu fibrillerin yüksek gerilme direncine katkıda bulunur. Kıkırdaktaki Tip II fibriller kemik ve tendondaki Tip I kollajenden daha incedir. Bu özellik kollajenin kıkırdak dokusunda daha iyi dağılmasını sağlar.

Kıkırdakta Tip II’ye ek olarak az miktarlarda farklı kollajen tipleri de (Tip V, VI, IX, XI) bulunabilir. Tip II ve XI aynı fibrilde bulunur. Tip XI’in bulunması fibril çapını sınırlar. Tip IX kollajen fibril yüzeyinde bulunur ve kollajen ve proteoglikanlar arasındaki bağlantıyı sağlar. Tip X kollajen kalsifiye kıkırdakta bulunur ve mineralizasyonda rol oynar.

Kollajen liflerinin en önemli mekanik özellikleri tensil sertliği ve gücüdür. Gerilim altındaki tek bir Tip I kollajen fibrilinin tensil gücü 860 MPa olarak ölçülmüştür. Ancak kollajenin diğer fibriller ve ekstraselüler matriks komponentleri ile etkileşimleri etkin mekanik direncinin çok daha düşük olmasına neden olur. Örneğin kuru ağırlığının yaklaşık %80'i kollajen olan tendonların gerilme sertliği 103 MPa ve gerilme direnci 50 MPa’dır. Kollajen fibrilleri gerilim altında güçlü olmasına rağmen, kompresyona karşı dirençli değildirler. Uzunluğun kalınlığa oranı kompressif yükler altında bükülmelerini kolaylaştırır.

Kemik gibi, eklem kıkırdağı da anizotropiktir; materyal özellikleri gerilmenin yönüne göre değişir. Ancak gerilen eklem kıkırdağının böyle belirgin bir anizotropi sergilemesinin tam sebepleri ve fonksiyonsel önemi açık değildir.


Kollajen, hyaluronik asit ve aggrekan agregatı

Proteoglikan (PG): PG’lar büyük protein-polisakkarit moleküllerdirler. Bu moleküllerin en küçükleri olan biglycan ve decorin bile oldukça büyüktürler, ancak dokuda bulunan tüm PG'lerin %10'undan azını oluştururlar. Kıkırdağın temel PG’ı olan agrekanlar daha büyüktürler ve belirli bir HA -bağlayıcı bölge (HABR) vasıtasıyla bir hyaluranon molekülüne bağlanırlar. Bu bağlanma bir link proteini (LP) ile stabilize edilir. Stabilizasyon normal kıkırdağın fonksiyoni için çok önemlidir. Stabilizasyon olmasaydı PG molekül komponentleri dokudan hızla uzaklaşırdı.

Agrekanlar (monomerler) yaklaşık 150 GAG zincirinin kovalent bağlarla bağlı olduğu yaklaşık 200 nm uzunluğundaki bir özdek (core) proteinden oluşur. Agrekan iki tür GAG içerir: kondroitin sülfat (CS) ve keratan sülfat (KS). Bu GAG'lerin özdek protein boyunca dağılımı heterojendir.

Çok sayıda agrekan monomeri HA ile birlikte büyük bir PG agregatı (polimer) oluşturur. Bu agregatlar HABR vasıtası ile merkezdeki HA çekirdeğe non kovalent bağlarla bağlı yüzlerce agrekan içerebilir ve her bağlantı bölgesi bir LP tarafından stabilize edilir. Filamentöz HA molekülü, 4 mm uzunluğunda olabilen sülfatlanmamış bir disakkarit zincirdir. Eklem kıkırdağındaki PG agregatının yapısıyla yakından ilgili olduğu için biyokimyacılar HA'yı "fahri" PG olarak adlandırırlar. PG agregatlarının sağladığı stabilitenin fonksiyonal önemi büyüktür. PG agregatı ince kollajen ağ içindeki PG'lerin immobilizasyonunu arttırır, matrikse yapısal stabilite ve sertlik kazandırır.

Agrekanlar temel bir yapıya sahip olmakla birlikte yapısal olarak hepsi aynı değildir. Uzunlukları, molekül ağırlıkları ve kompozisyonları çeşitli şekillerde değişir; yani polidisperstirler. İki farklı agrekan grubu saptanmıştır. İlki yaşam boyu mevcuttur ve CS'tan zengindir. İkincisi KS'tan zengindir ve sadece yetişkin kıkırdakta bulunur. Eklem kıkırdağı olgunlaştıkça, PG kompozisyonunda ve yapısında yaşla ilgili diğer değişiklikler ortaya çıkar. Su içeriği ve karbonhidrat protein oranı giderek azalır. Bu düşüş CS içeriğindeki azalmayı gösterir. Tersine, doğumda çok az miktarlarda bulunan KS, gelişme ve yaşlanma boyunca artar. Doğumda yaklaşık 10:1 olan CS/ KS oranı, yetişkin kıkırdakta yaklaşık 2:1'dir. Ayrıca 6 veya 4 konumunda oluşabilen CS moleküllerinin sülfasyonu da yaşla ilişkili değişikliğe uğrar. Doğum öncesi kondroitin-6-sülfat ve kondroitin-4-sülfat eşit molar miktarlarda bulunurlar, ancak kıkırdak olgunlaştıkça C-6-S:C-4-S oranı yaklaşık 25: 1'e yükselir. Aggrekanın hidrodinamik boyutunda da yaşa bağlı bir azalma saptanmıştır. Eklem kıkırdağında görülen bu erken değişikliklerden birçoğu muhtemelen artan kilo ile fonksiyonel talebin artması sonucu kıkırdak olgunlaşmasını yansıtabilir. Ancak bu ve daha ileri yaşlarda görülen değişikliklerin fonksiyonsel önemi bilinmiyor.

 

Su: Eklem kıkırdağının en bol malzemesi olan su eklem yüzeyine yakın bölgelerde yoğundur (~%80) ve konsantrasyonu dibe doğru indikçe doğrusal olarak azalarak ~%65'e düşer. Bu sıvı, kıkırdağın mekanik ve fizikokimyasal davranışlarını büyük ölçüde etkileyen birçok hareketli serbest katyon (Na+, K+ ve Ca2+) içerir. Bu sıvı avasküler kıkırdak dokunun sağlığı için de gereklidir. Çünkü kondrositler ile çevresindeki besinden zengin sinoviyal sıvı arasında gazların, besin maddelerinin ve atık ürünlerin ileri geri hareketini sağlar.

Kıkırdaktaki suyun küçük bir yüzdesi hücre içinde, yaklaşık %30'u kollajen fibrillere bağlı bir şekilde bulunur. Suyun çoğu ECM'nin interfibriler boşluğunu doldurur ve dokuya bir yük, basınç gradyeni veya diğer elektrokimyasal kuvvetler uygulandığında serbestçe hareket eder. Kollajen, PG ve su arasındaki ozmotik (interstisyel) basınç yoluyla oluşan etkileşim ECM'nin yapısal düzeninin ve şişme (kabarma) özelliklerinin düzenlenmesinde önemli bir fonksiyona sahiptir. Kompressif bir kuvvet yüklendiğinde, suyun yaklaşık %70'i yer değiştirebilir. Bu interstisyel sıvı hareketi kıkırdağın mekanik davranışının kontrol edilmesi ve eklem lubrikasyonu için de önemlidir.

ııı. Kıkırdak tabakaları (zonlar): Kollajenin eklem kıkırdağında homojen dağılmaması dokuya katmanlı bir karakter kazandırır. Bu şekilde 4 ayrı yapısal bölge (zon) tanımlanmıştır; yüzeyel (tanjansiyel), orta (transisyonel), dip ve kalsifiye kıkırdak. Dip zon ile kalsifiye kıkırdak arasında tidemark denen bir sınır bulunur. Her zonun hücre ve matriks özellikleri diğerinden farklıdır.

Toplam kalınlığın %10-20'sini oluşturan yüzeysel (tanjansiyel) zonda yoğun bir şekilde paketlenmiş ince lif tabakaları eklem yüzeyine paralel bir düzlemde rastgele uzanır. Bu zon tensil, kompressif ve makaslama kuvvetlerine karşı dirençlidir. Bu tabaka sinoviyal sıvı ile temas halindedir ve daha alt tabakaları korur.

Toplam kalınlığın %40- 60'ını oluşturan orta zonda rastgele yönelmiş ve homojen olarak dağılmış lifler arasında daha büyük mesafeler bulunur. Bu zondaki kollajen lifler yüzeyel zondan daha kalındır ve oblik şekilde yerleşmişlerdir.  Aralarda az sayıda yuvarlak kondrositler bulunur.

Toplam kalınlığın yaklaşık %30'unu oluşturan daha alttaki derin (deep) zonda lifler bir araya gelerek daha büyük, radiyal olarak yönelmiş demetler oluştururlar. Bu demetler daha sonra tidemarkı aşarak kalsifiye kıkırdağa girer böylece kıkırdağı altta yatan kemiğe kenetleyen bir "kök" sistemi oluştururlar.

 


Eklem kıkırdağı: A. Kıkırdak hücrelerinin dağılımı, B. Ekstrasellüler matriksin organizasyonu (STZ:süpersisyal transisyonel zon)

 

Eklem kıkırdağı ile altındaki kalsifiye kıkırdak arasındaki arayüz olan tidemark derin zonu kalsifiye kıkırdaktan ayırır. Kalsifiye kıkırdak dip tabakadaki kollajenin subkondral kemiğe geçişini sağlayarak kıkırdağın kemikle birleşmesini güvence altına alır.

Liflerin bu anizotropik oryantasyonu kollajen içeriğin yüzeyde en fazla olan ve derin bölgelere doğru nispeden devam eden homojen olmayan zonal çeşitliliğini gösterir. Zonlar (katmanlar) halindeki bu yapı yüzeyel interstisyel sıvı desteğini ve sürtünme özelliklerini arttırarak önemli bir biyomekanik fonksiyon sağlar.

ıv. Matriks bölgeleri: Hyalen kıkırdak matriksi yapı ve fonksiyondaki tabakalı (zonal) varyasyonlara ek olarak, kondrosite yakınlık, kompozisyon, kollajen fibril çapı ve organizayonuna göre üç farklı bölgeden oluşur. Bu bölgeler; perisellüler bölge, territorial bölge ve interterritorial bölgedir.

Perisellüler matriks hücre membranına bitişik ve hücreyi tamamen çevreleyen ince bir tabakadır. Esas olarak proteoglikan ve diğer non kollajen proteinler içerir. Bu bölge mekanik sinyallerin başlamasında fonksiyonel bir rol oynuyor olabilir.

Bölgesel (territorial) matriks perisellüler matriksi çevreler. Hücrenin çevresinde sepet şeklinde çok ince bir kollajen fibril ağından oluşur. Bu bölge perisellüler alandan daha kalındır ve kondrositleri mekanik streslerden korur. Ayrıca kıkırdağın esnekliğine ve büyük yüklere dayanma yeteneğine de katkıda bulunuyor olabilir.

Ara (interterritorial) bölge 3 matriks bölgesinin en genişidir; kıkırdağın mekanik özelliklerinin çoğundan sorumludur. Bu bölge rastgele yerleşmiş kalın kollajen bantları ve bol miktarda proteoglikan içerir.

v. Sinir ve damarları: Eklem kıkırdağı anöral ve avasküler bir materyaldir. Sinir, kan ve lenf içermez. Bunun iyi tarafı ağrısız bir harekete izin verir, kötü tarafı doku yaralanması olduğunda hissedilemez ve doku tamiri güçtür. Tamir için kemik iliği veya vasküler kaynaklı kök hücre genellikle yoktur ve bu nedenle diğer vasküler bağ dokuları gibi tamir olamaz.

Vasküler desteğin olmaması nedeni ile beslenme ve sıvı hidrasyonu zorunlu olarak difüzyonla sinoviyal sıvıdan sağlanır. Vasküler oksijen desteği olmadığı için kondrositlerin anaerobik metabolizmaları gelişmiştir ve ölümden sonra bir kaç gün daha yaşayabilirler.

vı. Beslenme ve hareket: Kondrositlerin yaşaması yeterli beslenmeye ve besin maddelerinin sinoviyal sıvıdan pasif difüzyonuna bağlıdır. Metabolitlerin ortamdan uzaklaşması da bu sayede olur. Kondrositler oksijen ihtiyacını ekstrasellüler sıvıdaki erimiş oksijenden karşılarlar. Kıkırdak yüzeyinde parsiyel O2 basıncı %20 iken, dip zonda %1'e kadar düşer.

Sinoviyal sıvı esas olarak sinoviyal membrandaki kapiller ağdan eklem boşluğuna sızan plazma filtratıdır. Sinoviyal membran büyük moleküllü proteinlerin ve hücrelerin eklem boşluğuna ve kıkırdak dokuya geçişini engeller. Sinoviyal sıvı B tipi (fibroblast benzeri) sinoviyal hüclerden salınan lubrisin ve hyaluronik asit gibi proteoglikanlarla zenginleştirilmiştir. Metabolitlerin eklem dışına transfüzyonu da aynı mekanizma ile olur. Küçük moleküllü metabolitler sinoviyal membranın kapiller ağı veya lenfatik drenajı ile doku debrisleri ve büyük maddeler ise fagositik A tipi sinoviyal hücrelerle temizlenir.

Eklem hareketleri esnasında eklem içi basınç değişiklikleri olur. Ekleme yük bindiğinde eklem içi basınç artar, yük kalktığında negatif basınç (vakum) oluşur. Moleküllerin yoğunluk farkı kadar, bu hidrostatik basınç da periartiküler ve intraartiküler sıvı, besin ve metabolit değişimine yardımcı olur.

Kompressif yüklenme olduğunda kıkırdak elastik deformasyona uğrar. Ekstrasellüler sıvı, süngere benzeyen poröz kıkırdak dokunun dışına çıkar. Yük kalktığında, kıkırdak orijinal boyutlarına geri döner ve sıvı geri emilir. Ekstrasellüler sıvının bu hareketi eklemin mekanik özellikleri kadar kondrositlerin beslenmesi için de hayati öneme sahiptir.

vıı. Matriks homeostazı: Ekstrasellüler matriksin üretilmesi ve fizyolojik regülasyonu hayat boyu kondrositler tarafından kontrol edilir. Bu hücreler sadece yapısal makromolekülleri (kollajen ve proteoglikan) yapmazlar, aynı zamanda doku turnover'ından sorumlu çeşitli metalloproteinazları (kollajenaz, gelatinaz, stromelizin ve agrekanaz) salgılarlar.

Makromoleküllerin sentezi IGF-1 ve TGFβ gibi büyüme faktörleri tarafından uyarılır. Bunun aksine IL-1, TNFα gibi sitokinler de matriks yıkımını uyarırlar. Bu sitokinler kondrositlerden proteinaz sentezini uyarır, yapısal makromolekül sentezini inhibe ederler. Normal şartlarda proteinazlarla birlikte salgılanan ve proteinazların destrüktif etkisini inhibe eden TIMP (tissue inhibitors of metalloproteinases) ile kontrol altında tutulur.

Artrit tedavisinde kullanılan antiromatizmal ilaçlar sentez/yıkım dengesini etkileyerek kıkırdak yıkımını geciktirirler. Ancak bunların matriks sentezinde istenmeyen inhibitör etkisi de vardır.

b. Kıkırdak bileşenlerinin yapısal ve fiziksel etkileşimi

PG agregatlarının kimyasal yapıları ve fiziksel etkileşimleri ECM'nin özelliklerini etkiler. CS ve KS zincirlerindeki elektrik yüklü sülfat ve karboksil grupları fizyolojik pH'taki solüsyonda birbirinden ayrılarak molekül içinde ve moleküller arasında elektriksel itme kuvveti doğuran yüksek konsantrasyonda sabit negatif yük açığa çıkarırlar. Bu itme kuvvetlerin toplamı Donnan ozmotik basıncını oluşturur. Yapısal olarak bu elektriksel (charge-charge) itme kuvvetleri kollajen ağ içindeki boşluğu dolduran PG makromoleküllerini genişletme ve sertleştirme eğilimindedir.

Doğada elektrik yüklü bir cisim uzun süre deşarj olmadan veya elektronötraliteyi korumak için zıt yüklü iyonları (counter-ions) kendine çekmeden kalamaz. Dolayısıyla, eklem kıkırdağındaki PG'larda fikse olan negatif yüklü sülfat ve karboksil grupları elektronötraliteyi korumak için dokuya çeşitli zıt yüklü iyonları (counter-ions) ve aynı yüklü iyonları (co-ions) (çoğunlukla Na+, Ca2+ ve C1-) çekmek zorundadır.

Bu zıt ve aynı yüklü iyonların toplam konsantrasyonu Donnan denge iyon dağılım kanunuyla belirlenir. Doku içindeki mobil iyonlar sabit sülfat ve karboksil yüklerini çevreleyen bir bulut oluşturur ve böylece bu yükleri birbirlerinden korurlar (negatif yüklerin birbirini itmesini engellerler).

Bu yük (şarj) koruması elektriksel itme kuvvetinin çok fazla olmasını engeller. Net sonuç, Donnan ozmotik basınç yasasına göre şişme basıncıdır. Donnan ozmotik basınç teorisi eklem kıkırdağı ve intervertebral diskin şişme basınçlarını hesaplamada kullanılmaktadır. Starling kanununa göre kollajen ağ içerisinde oluşan gerilim bu şişme basıncına direnir ve basıncı dengeler, böylece PG'lar serbet solüsyon (çözünme, genişleme) kapasitelerinin sadece %20'sine kadar genişleyebilirler.

Kıkırdak PG'leri, matriks boyunca homojen olarak dağılmamıştır, konsantrasyonları genellikle orta bölgede en yüksek, yüzeysel ve derin bölgelerde en düşüktür. Bu non-homojen PG dağılımı kıkırdağın şişme davranışının da non-homojen olmasına neden olur. Ayrıca dokunun derinliği boyunca zıt yüklü iyonların interstisyel dağılımını ve kıkırdağın ozmotik ortamını da etkiler.

Kıkırdak yüzeyine kompressif bir stres uygulandığında, esas olarak PG’ların moleküler alanındaki değişikliğin neden olduğu ani bir deformasyon olur. Bu dış stres matriksteki iç basıncın şişme basıncını aşmasına ve böylece sıvının dokudan dışarı akmaya (çıkmaya) başlamasına neden olur. Sıvı çıkışı esnasında PG konsantrasyonu artar, bu da Donnan ozmotik şişme basıncını veya elektriksel itime kuvvetini ve kütle kompressif stresini, dış stresle dengeleninceye kadar arttırır. Kollajen ağı içine sıkışan PG jelin fizikokimyasal özellikleri kompresyona direnci bu şekilde sağlar. Bu mekanizma gerilmeye karşı güçlü, ancak kompresyona karşı zayıf olan kolajenin rolünü tamamlar. PG'ların kompresyona direnme yeteneğinin iki kaynağı vardır: (1) GAG'larla tıka basa dolmuş sabit anyonik gruplarla bağlantılı Donnan ozmotik şişme basıncı ve (2) solid kollajen-PG matriksin kütle kompressif direnci. Donnan ozmotik basınç 0.05-0.35 MPa aralığında iken, kollajen-PG katı matrisin elastik modülü 0.5-1.5 MPa aralığındadır.

Kolajen ve PG'ler arasındaki etkileşimlerin de fonksiyonel açıdan büyük önemi vardır. PG'lerin küçük bir kısmı kollajen çapraz bağlarının kurulması için bir bağlanma maddesi görevi görebilirler.

PG'lerin kollajen fibrillerin yapı düzenini ve mekanik özelliklerini korumada önemli rol oynadıkları düşünülmektedir. PG'ler birbirleriyle etkileşime girerek önemli güç ağları oluştururlar. Dahası, ağ oluşturan etkileşim bölgelerinin yoğunluğu ve kuvveti agrekanlar ve agregatlar gibi kolajen ile PG arasında da link protein varlığına bağlıdır. Kanıtlar, eklem kıkırdağının yüzeyel zonunda daha az agregat olduğunu ve biglikan ve decorin'in agrekandan daha fazla bulunduğunu göstermektedir. Dolayısıyla, yüzeyel bölgedeki bu PG'ler ve kollajen fibriller arasındaki etkileşim, daha derin bölgelerdekine göre farklı olmalıdır. Aslında, PG ile kollajen arasındaki etkileşim sadece ECM'nin düzenlenmesinde bir rol oynamakla kalmaz, dokunun mekanik özelliklerine de doğrudan katkıda bulunur.

Kollajen ve PG arasındaki fiziksel, kimyasal ve mekanik etkileşimlerin spesifik karakteristikleri henüz tam olarak belirlenmemiştir. Yine de bu yapısal makromoleküllerin, su ve iyonlarla şişen ve eklemdeki yüksek stres ve straine direnebilen solid bir maddenin tüm temel mekanik özelliklerine sahip, poröz – permeabl ve lifle takviyeli bir kompozit matriks oluşturmak üzere etkileşime girdiği biliniyor. Bu kollajen-PG etkileşimlerinin agrekan, HA filamenti, Tip II kollajen, diğer küçük kolajen tipleri, bilinmeyen bir bağlama maddesi ve muhtemelen daha küçük kıkırdak komponentlerini (Tip IX kolajen, yeni tanımlanan glikoproteinler ve/ veya polimerik HA gibi) içerdiği gösterilmiştir.

Eklem kıkırdağı eksternal yüklere maruz kaldığında, kıkırdağı ECM'de ortaya çıkan aşırı stres ve straine karşı korumak için solid kollajen-PG matriks ve interstisyel sıvı birlikte mükemmel bir şekilde çalışır. Ayrıca, osteoartrit (OA) sırasında olduğu gibi, ECM'nin biyokimyasal kompozisyonu ve yapısal düzenindeki değişiklikler, kıkırdağın biyomekanik özelliklerinde değişiklikler ile paralellik gösterir.

c. Eklem kıkırdağının biyomekanik davranışları

Eklem kıkırdağının biyomekanik davranışı, doku multifazik bir ortam olarak kabul edildiğinde daha iyi anlaşılabilir. Eklem kıkırdağı esas olarak sıkıştırılamayan ve birbiri ile karışmayan bifazik bir madde olarak davranır. Bu fazlar: sıvı (interstisyel sıvı) fazı ve katı (solid, poröz-permeabl kollajen-PG, yani ECM) fazdır. PG'ların elektrik yüklerinin ve iyonların katkısı da göz önüne alındığında üç farklı faz tanımlanabilir; sıvı fazı, iyon fazı ve elektrik yüklü solid faz. Suyun mekanik özelliklere nasıl katkıda bulunduğunu anlamak için eklem kıkırdağının fonksiyonel davranışında rol oynayan her bir bileşen ile birlikte sıvı dolu poröz- permeabl (yüksüz) bifazik bir ortam olarak düşünülebilir.

Hareket esnasında eklem yüzeyine binen kuvvetler sıfırdan vücut ağırlığının on katına kadar değişebilir. Temas alanları da karmaşık bir şekilde değişir ve genellikle sadece birkaç cm2 kadardır. Kalçadaki pik temas stresi bir sandalyeden kalkarken 20 MPa'a, merdiven çıkarken 10 MPa'a ulaşabilir. Dolayısıyla, eklem kıkırdağı, fizyolojik yükleme koşulları altında, oldukça stresli bir malzemedir. Bu yüksek fizyolojik yükleme koşulları altında dokunun nasıl tepki verdiğini anlamak için kompresyon, gerilme ve makaslama esnasındaki intrensek mekanik özellikleri bilmek gerekir.

ı. Eklem kırdağının viskoelastik natürü: Bir materyal sabit bir yük veya sabit bir deformasyonun etkisine maruz kaldığında buna yanıtı zamanla değişirse o materayalin mekanik davranışı viskoelastiktir. Böyle bir malzemenin tepkisi teorik olarak viskoz akışkan (amortisör) ve elastik solid (yay) tepkilerin bir kombinasyonu olarak modellenebilir.

Bir viskoelastik malzemenin iki temel yanıtı sünme (creep) ve stresin gevşemesidir (stress relaxation). Sünme, malzeme sabit bir yüke maruz kaldığında ortaya çıkar. Malzemede önce hızlı, sonra bir denge durumuna ulaşılıncaya kadar giderek artan yavaş bir deformasyon olur. Stresin (gerilimin) relaksasyonu ise, malzeme sabit bir deformasyona maruz kaldığında ortaya çıkar. Malzemedeki başlangıçta yüksek gerilim, deformasyonun sürmesiyle yavaş yavaş azalır. Bu olay stresin relaksasyonu olarak bilinir.

Sünme ve stresin relaksasyonu fenomenleri farklı mekanizmalara bağlı olabilir. Tek fazlı katı polimerik malzemeler için bu olay gerilen malzeme içinde birbiri üzerinde kayan polimer zincirlerinin iç sürtünmesinin bir sonucudur. Tendon ve ligamentlerin viskoelastik davranışları öncelikle bu mekanizmayla olur. Kemikte uzun vadeli viskoelastik davranışın interstisyel sıvı akışı ile birlikte osteonlar içindeki lamellerin kaymasına bağlı olduğu düşünülüyor. Eklem kıkırdağının kompressif viskoelastik davranışı öncelikle interstisyel sıvı akışına ve bu akış ile ilişkili sürtünme etkisine bağlıdır. Makaslamada (shear) ise tek fazlı viskoelastik polimerlerde olduğu gibi öncelikle kolajen ve PG'ler gibi uzun polimer zincirlerinin hareketinden kaynaklanır. Eklem kıkırdağının interstisyel sıvı akışına bağlı viskoelastisite komponenti bifazik viskoelastik davranış olarak, makromolekül hareketine bağlı viskoelastisite komponenti kollajen-PG solid matriksin akıştan bağımsız veya intrinsek viskoelastik davranışı olarak bilinir.

Deformasyonel davranış lineer solid veya elastik solid olarak tarif edilmesine rağmen, bu modeller suyun viskoelastik davranıştaki rolünü ve basınç altındaki sıvının eklem yüklerine destekte ve kıkırdak lubrikasyonundaki önemli katkısını göstermezler. Deneysel ölçümler interstisyel (ozmotik) sıvı basıncının kıkırdak yüzeyine binen yüklerin, uygulamadan hemen sonra %90'dan fazlasını karşıladığını göstermiştir. Bu etki 1000sn’den uzun süre devam edebilir ve yüklenmeden kaynaklanan yüksek streslerin (20 MPa) ezici deformasyonlarına karşı ECM'yi ve kondrositleri korur.

 

 

ıı. Kompresyon altındaki eklem kıkırdağının bifazik sünme (creep) yanıtı: Eklem kıkırdağında sünme interstisyel sıvının sızmasına bağlıdır. Sızıntı (eksüdasyon) başlangıçta hızlıdır, sonra akış kesilinceye kadar kademeli olarak azalır. Sünme esnasında yüzeye uygulanan yük kollajen-PG katı matris içinde oluşan kompressif stresle ve interstisyel sıvı akışının oluşturduğu sürtünme direnciyle dengelenir. Sünme, katı matriks içerisinde oluşan kompressif stresin uygulanan stresi tek başına dengelediği noktada son bulur; bu noktada hiç sıvı akışı olmaz ve denge strain’ine (∞) ulaşılır.

Nispeten kalın (1- 6 mm) insan eklem kıkırdağında sünme dengesine erişmek 4-16 saat alır. Teorik olarak sünme dengesine ulaşma zamanı dokunun kalınlığının karesi ile ters orantılıdır. Nispeten yüksek (>1.0 MPa) yük altında toplam sıvı içeriğinin %50'si dokudan sızabilir. Sızan bu sıvı yük kalktığında tamamen geri döner.

ııı. Kompresyon altındaki eklem kıkırdağının bifazik stres - relaksasyon yanıtı: Eklem kıkırdağına sabit bir kompresyon uygulandığında stres ve strain (deplasman) giderek artar, kıkırdak incelir. Bir noktada deplasman (kıkırdağın incelmiş hali) korunursa, stres bu noktadan itibaren bir miktar azalır (stresin relaksasyonu) ve nihayet dengelenir.

Kompresyon fazındaki stres artışı sıvının dışarı sızmasına (eksüdasyona), stresin relaksasyonu ise sıvının poröz katı matriks içinde yeniden dağılmasına bağlıdır.

Kompresyon fazı sırasında interstisyel sıvının basınç zoruyla eksüdasyonu ve katı matriksin yüzeye yakın bölgelerinin sıkışması stresi giderek artırır. Stresin relaksasyonu katı matriksin yüzeye yakın yüksek sıkışma bölgesinin rahatlamasıyla oluşur. Bu stres – relaksasyon sürecinin analizine göre; fizyolojik yüklenmelerde aşırı stres düzeylerinin sürdürülmesi zordur.  Çünkü stresin relaksasyonu dokuda gelişen stresi hızla hafifletir. Bu hareket esnasında eklemdeki temas bölgelerinin hızlı bir şekilde yayılmasına neden olur. Ayrıca kıkırdak derinliği boyunca intrensek kompressif modülün homojen olmaması dokunun daha hızlı bir şekilde gevşemesini sağlar.

ıv. Artiküler kıkırdağın permeabilitesi: Sıvı dolu gözenekli (poröz) malzemeler geçirgen olabilir veya olmayabilir. Poröz malzemenin sıvı hacminin toplam hacmine oranı porozite olarak bilinir. Eklem kıkırdağı porozitesi yüksek (yaklaşık %80) bir malzemedir. Gözenekler birbiriyle bağlantılıysa poröz malzeme geçirgendir. Permeabilite (geçirgenlik) gözenekli bir materyalin sıvıyı geçirme yeteneğinin bir ölçümüdür ve poröz - permeabl materyal içinden akan sıvının sürtünme etkisi ile ters orantılıdır. Permeabilite poröz-permeabl materyalden belirli bir hızla sıvı akışını sağlamak için gerekli olan rezistif kuvvetin bir ölçüsüdür. Friksiyonel rezistif kuvvet interstisyel sıvı ve  poröz- permeabl malzemenin gözenek duvarlarının etkileşimi ile üretilir.

Artiküler kartilajın permeabilitesi çok düşüktür ve dolayısıyla sıvı gözenekli solid matriks içinden akarken yüksek friksiyonel rezistif kuvvetler oluşur. Eklem kıkırdağı içindeki gözenek (pore) çapı 6 nm olarak tahmin edilmektedir, yani gözenekler moleküler boyuttadır. Katı matriksin sıkıştırılması matriks içindeki ortalama gözenek çapını azaltarak sürtünme direncini arttırır. Sonuçta kompressif strain ve uygulanan sıvı basıncı arttıkça permeabilite eksponansiyel olarak azalır.

v. Artiküler kıkırdağın uniaksiyel gerilim altındaki davranışı: Gerilim altındaki kıkırdak anizotropiktir (kıkırdağı paralel kesen çizgiler dik kesenlerden daha sert ve güçlüdür) ve non-homojendir (yüzeyel bölgeler dip bölgelerden daha sert ve güçlüdür). Bu anizotropik ve non - homojen özelliklerin kollajen ve PG yapısının eklem yüzeyindeki değişken düzenine ve dokunun katmanlı yapısına bağlı olduğu düşünülmektedir. Yani kollajen bakımından zengin yüzeysel zon kıkırdağı koruyan sağlam ve aşınmaya dirençli bir deri görevi görmektedir.

Eklem kıkırdağı gerilince viskoelastik davranış sergiler. Bu viskoelastik davranış hem polimerik hareketle ilişkili iç sürtünmeye hem de interstisyel sıvı akışına bağlıdır. Eklem kıkırdağı da tendon ve ligament gibi strain arttıkça sertleşir. Fizyolojik strain seviyelerinde Young modülünün 5-10 MPa arasında olduğu düşünülmektedir.

Stres-strain eğrisinde başlangıçta kavisli parmak (toe) bölgesini, kopma (failure) noktasına kadar lineer bir bölge takip eder. Toe bölgesi gevşek kollajen liflerin gerilirken yeniden sıralanmasından (realignment) kaynaklanır. Sonraki lineer bölge gergin hale gelmiş liflerin uzamasına bağlıdır. Kıkırdak kollajen lifleri kopuncaya kadar doğrusal olarak gerilir. Kopma (failure) kolajen liflerin tamamının kopmasıyla ortaya çıkar.

Kollajenin moleküler yapısı, liflerin kollajen ağ içindeki organizasyonu veya liflerin çapraz bağlanması değişirse (hafif fibrilasyonda veya OA'da olduğu gibi) ağın gerilme özellikleri değişir. İnsan diz eklemi kıkırdağında hafif fibrilasyondan OA'ya kadar progressif degradasyonun kollajen-PG solid matriksin intrensek tensil özelliklerinde progressif bir bozulmaya yol açtığı gösterilmiştir. OA'nın gelişimine yol açan ilk olaylarda kollajen ağının bozulması kilit rol oynar. Ayrıca kollajen ağın gevşemesi osteoartritik kıkırdağın artmış şişmesi ve dolayısıyla su içeriğinden sorumlu olabilir. Ayrıca, kollajenazla sindirilmenin fizyolojik gerilme amplitüdleri ve frekansları altında tensil özelliklerini bozması, kollajenin kıkırdağın dinamik kompressif özelliklerine önemli ölçüde katkıda bulunduğunu gösterir. Artan su içeriği kompressif sertliği azaltır ve eklem kıkırdağının permeabilietsini artırır.

vı. Artiküler kıkırdağın pür makaslama gerilimi altındaki davranışı: Gerilim (tension) ve kompresyonda sadece katı (kollajen-PG) matriksin intrensek denge özellikleri saptanabilir. Bunun nedeni tek eksenli gerilime veya sıkıştırmaya tabi tutulduğunda bir materyal içinde her zaman hacimsel bir değişim meydana gelmesidir. Bu hacimsel değişim interstisyel sıvı akışına ve dokuda bifazik viskoelastik etkilere neden olur. Ancak eklem kıkırdağı son derece küçük gerilme koşulları altında saf kesme (shear) kuvveti ile test edildiğinde doku içinde herhangi bir basınç gradyanı veya hacimsel değişiklik olmaz; dolayısıyla, interstisyel sıvı akışı meydana gelmez.

Katı matriksin makaslama gerilimi altındaki viskoelastik özellikleri ince dairesel bir tabaka halindeki dokuya düzenli bir sinüzoidal torsiyonel makaslama kuvveti uygulanarak belirlenebilir. Dinamik makaslama modülünün büyüklüğü viskoelastik materyal tarafından sunulan toplam direncin bir ölçüsüdür. Uygulanan sinüzoidal strain ve sinüzoidal tork tepkisi arasındaki açı malzeme içindeki toplam sürtünme enerjisinin dağılımının bir ölçüsüdür. İç sürtünme dağılımı olmayan saf bir elastik malzeme için faz kayma açısı 0; saf viskoz bir akışkan için faz kayma açısı 90°'dir.

Normal sığır eklem kıkırdağı (insan kıkırdağına benzer)  için dinamik makaslama modülünün büyüklüğü 1 ila 3 MPa arasında değişirken, faz kaydırma açısı 9° ila 20° arasında ölçülmüştür. Eklem kıkırdağının makaslama sertliği, kollajen içeriğinden veya kollajen-PG etkileşiminden kaynaklanır.

vıı. Artiküler kıkırdağın şişme davranışı: GAG zincirleri üzerindeki sıkı bir şekilde paketlenmiş sabit anyonik grupların (SO3- ve COO-) yanı sıra kollajen ağı içerisindeki PG agregatlarının sertliği PG jelin sıkışmaya karşı direnmesini sağlar. Kıkırdaktaki bu sabit yük yoğunluğunun (fixed charge density - FCD) etkilerini hesaba katmak için kıkırdağı üç uyumlu fazdan oluşan bir karışım olarak modelleyen trifazik mekanik-elektrokimyasal, çoklu elektrolitik bir teori geliştirilmiştir. Kollajen-PG ağını temsil eden yüklü bir katı faz, interstisyel sıvıyı temsil eden sıvı faz ve tek değerli katyon Na+ ve anyon Cl-'yi ve ayrıca Ca2+ gibi diğer çok değerlikli türleri kapsayan bir iyon fazı.

Bu üç fazlı teori, eklem kıkırdağının mekano-elektrokimyasal davranışlarını tanımlamada kullanılmaktadır. Bunlara kimyasal yük altında serbest şişme tahmini, hidrolik permeabilitenin FCD ile doğrusal olmayan bağımlılığı, akış potansiyellerinin FCD ile doğrusal olmayan bağımlılığı, kıkırdak tabakalarının kıvrılması, pre- stres, ozmotik ve negatif ozmotik akışlar, ozmotik şok yüklemeye hücrelerin şişme ve elektriksel tepkileri ve homojen olmayan sabit yük yoğunluğunun etkisi dahildir.

Üç fazlı teori kullanılarak yapılan analizden dokudaki şişme davranışının, eklem kıkırdağının denge durumunda kompressif yük taşıma kapasitesinin önemli bir bölümünden sorumlu olabileceği anlaşılır. Bu trifazik mekanik-elektrokimyasal teori kıkırdağın potansiyel mekanik sinyal iletim mekanizmalarını da açıklayabilir.

d. Eklem kıkırdağının lubrikasyonu

Normal şartlar altında, ekleme gelen anormal yüklere rağmen kıkırdak yüzeyi çok az yıpranır. Bu durum eklem kıkırdağının sofistike bir şekilde lubrikasyonuna (yağlanmasına) bağlıdır. Lubrikasyon hareket ve yüklenme esnasında kıkırdak yüzeyleri arasında kaygan bir sıvı-film tabakası oluşmasına ve lubrisin denen kaygan proteinin eklem yüzeyine emdirilmesine bağlıdır. Eklem ihtiyaçlarının çeşitliliği, başka mekanizmaların da lubrikasyondan sorumlu olduğunu düşündürmektedir.

Mühendislik açısından iki temel lubrikasyon türü vardır. Bunlardan biri; yük taşıyan her bir yüzey üzerine tek bir katman halinde lubrikan moleküllerin emdirilmesini içeren sınır lubrikasyondur (boundary lubrication). Diğeri ise ince bir sıvı-film tabakasının yüzeyleri birbirinden ayırdığı sıvı-film lubrikasyon (fluid-film lubrication) yöntemidir. Eklem kıkırdağında her iki lubrikasyon tipi de görülür. Sağlam sinovyal eklemlerin sürtünme katsayısı oldukça düşüktür (yaklaşık 0.02). Sınır lubrikasyonla yağlanan yüzeyler bir sıvı-film tarafından yağlanan yüzeylerden bir ya da iki kademe daha fazla sürtünme katsayısına sahiptir. Bu durum sinovyal eklemlerin, en azından kısmen sıvı-film mekanizması tarafından yağlandığını göstermektedir. Sinovyal eklemlerin yükleme durumuna göre en etkili şekilde lubrikasyonunu sağlayacak mekanizmayı kullanıyor olması mümkündür. Nasıl olduğu anlaşılmamış olsa da sinovyal eklemler lubrikan sıvı-film üretirler.

ı. Sıvı – film lubrikasyon: Sıvı film lubrikasyonda yüzeylerin ayrılmasına neden olan ince lubrikan bir film kullanılır. Yüzeydeki yük daha sonra bu sıvı filmde gelişen basınç tarafından desteklenir. Mühendislikte rulmanların sıvı film kalınlığı genellikle 20 μm'den azdır. Sıvı film lubrikasyon işleminde gerekli minimum sıvı-film kalınlığının kıkırdağın kombine istatistiksel yüzey pürüzlerinin (4-25 μm gibi) üç katını aşması gerekir (spesifik lubrikasyon teorisine göre). Ağır ve uzun süreli yüklenme, uyumsuz boşluk geometrisi, yavaş karşılıklı öğütme hareketi veya düşük sinovyal sıvı viskozitesi sıvı-film lubrikasyonun azalmasına neden olur.


Eklem kıkırdağının sınır lubrikasyonu. Yük, eklem yüzeylerine tek katman halinde emdirilen lubrikan glikoprotein (LGP, lubrisin)) tarafından taşınır. Tek tabaka sürtünmeyi etkili bir şekilde azaltır ve kıkırdak aşınmasını önlemeye yardımcı olur..

Hiyalüronidaz tedavisi ile HA depolimerize edilerek sinoviyal sıvı viskozitesinin azaltıldığı (salin seviyesine düşüren) çalışmalar sinoviyal sıvının lubrikasyona pek etkisi olmadığını göstermiştir. Sıvı-film lubrikasyon büyük ölçüde lubrikantın viskozitesine bağımlı olduğu için, bu sonuçlar eklemlerin düşük sürtünme katsayısından asıl sorumlu alternatif bir yağlama yöntemi olduğunu göstermektedir.

ıı. Sınır (boundary) lubrikasyon: Yüzey lubrikasyonunda yüzeylere, yüzeylerin birbiri ile doğrudan temasını ve yüzeydeki aşınmayı büyük ölçüde engelleyen bir lubrikant emdirilir. Sınır lubrikasyon esas itibarıyla lubrikantın (viskozite gibi) ve taşıyıcı malzemenin (sertlik gibi) fiziksel özelliklerinden bağımsız, ancak lubrikantın kimyasal özelliklerine bağlıdır. Sinovyal eklemlerde spesifik bir glikoprotein olan "lubricin" sınır lubrikasyondan sorumlu sinovyal sıvı bileşeni gibi görünmektedir. Lubrisin, proteoglikan-4 (PRG-4) olarak da bilinir ve her bir eklem yüzeyine tek bir makromoleküler tabaka halinde emdirilir. Birleşik kalınlığı 1 -100 nm arasında değişen bu iki katman yük taşıyabilir ve sürtünmeyi azaltmada etkilidir.

Ayrıca sinovyal sıvıda bulunan ve dipalmitoil fosfatidilkolin olarak adlandırılan bir fosfolipidin diğer bir sınır lubrikant olduğu ileri sürülmüştür. Eskiden sınır lubrikasyonun sürtünme katsayısını 60 kat azalttığı düşünülüyordu, ancak deneyler bu azalmanın 3-6 kat olduğunu göstermiştir. Üstelik kıkırdağın yüzeysel alanının (absorbe edilen lubrisin tabakası ile birlikte) çıkarılması sürtünme katsayısını etkilemez. Bu sonuçlar sınır lubrikasyonun tamamlayıcı bir lubrikasyon yöntemi olduğunu düşündürmektedir.

ııı. Karma (mikst) lubrikasyon: Sıvı-film veya sınır lubrikasyonun kombinasyonu ya da basitçe karma lubrikasyon olarak düşünülen iki lubrikasyon senaryosu vardır. Birincisi sıvı-film ve sınır lubrikasyonun farklı bölgelerde bir süre için geçici olarak bir arada olması, "güçlendirilmiş (boosted) lubrikasyon" denen diğeri ise aynı lokasyondaki lubrikasyonun sıvı-filmden zamanla sınır lubrikasyona geçişi ile karakterizedir.

Eklem kıkırdak yüzeyi, tüm yüzeylerde olduğu gibi mükemmel şekilde pürüzsüz değildir. Sinovyal eklemlerde sıvı-film kalınlığı ile eklem yüzeyinin ortalama kabalığının aynı seviyede olduğu durumlar olabilir. Bu gibi durumlarda kaba bölgeler arasında sınır lubrikasyon meydana gelebilir. Bu gerçekleşirse karma bir lubrikasyon yöntemi oluşur; lubrikasyon, yük taşıyan yüzeyin temas etmeyen alanlarında sıvı- film ve temas eden kaba alanlarında sınır lubrikasyon ile sağlanır. Bu karma lubrikasyon şeklinde yükün çoğu sıvı-film tarafından karşılanırken sürtünmenin çoğunun (hala çok düşüktür) sınır lubrikasyonun olduğu alanlarda oluşması muhtemeldir.

Karma lubrikasyonun ikinci modu (güçlendirilmiş lubrikasyon) eklemde yaklaşan yüzeyler arasındaki boşlukta bulunan sıvının hareketine dayanır. Özellikle güçlendirilmiş lubrikasyonda eklemin yüklenmesi esnasında artiküler yüzeylerin sinovyal sıvının kollajen-PG matrisi içerisinden ultrafiltrasyonuyla korunduğu düşünülmektedir. Bu ultrafiltrasyon sinoviyal sıvıdaki çözücü bileşenin (su ve küçük elektrolitlerin) squeeze-film hareketi (filmin sıkişması) sırasında eklem kıkırdağına geçmesini sağlar ve böylece yük taşıyan yüzeyleri kaplayan ve kayganlaştıran HA protein kompleks jeli konsantre olur. Bu teoriye göre HA makromolekülleri fiziksel olarak çok büyük (0.22-0.65 μm) oldukları için, yüzeyler birbirine yaklaştıkça yük taşıyan yüzeyler arasındaki boşluktan kaçamazlar. Hal bu ki su ve çözünen küçük moleküller eklem kıkırdağına ve / veya eklem çevresindeki boşluklara kaçabilirler. Ancak HA jelin eklem lubrikasyonundaki rolü belirsizliğini koruyor.

Özetlemek gerekirse, uygulanan bir yük altında herhangi bir zeminin etkili lubrikasyon şekli uygulanan yüklere, hareketin hızına ve hareket yönüne bağlıdır. Sinovyal sıvı glikoproteini olan lubrisinin artiküler yüzeyler tarafından emilmesi (sınır lubrikasyon) yüksek yükler, görece düşük hızlar ve uzun temas süreleri gibi ağır yükleme şartları altında daha önemli gibi görünmektedir. Bu koşullar altında yüzeyler bir arada preslendiğinde, yüzey lubrikan tabakalar (monolayer) etkileşime girerek eklem yüzeylerinin doğrudan temasını engeller. Aksine yükler ve/veya salınım büyüklüğü düşükse ve temas eden yüzeylerin hızı görece yüksekse sıvı -film lubrikasyon çalışır. Normal fonksiyonu sırasında diarthrodial eklemlerde tek bir yağlama şeklinin olması ihtimal dışıdır. Halen, belirli bir lubrikayon mekanizmasının hangi koşullarda çalışabileceğini kesinlikle belirtmek olanaksızdır. Bununla birlikte, insan kalça eklemi örnek olarak kullanarak, bazı genel ifadeler mümkündür:

1. Muhtemelen eklem lubrikasyonunda elastohidrodinamik sıvı-filmlerin her ikisi de; hem kayma (hidrodinamik) ve hem de sıkıştırma (squeeze) tipi önemli bir rol oynamaktadır. Yürümenin salınım fazında, eklem üzerindeki yükler minimal olduğunda, muhtemelen sinovyal sıvı-film tabakası muhafaza edilir. Topuk vuruşunda ilk pik kuvvetten sonra, eklem kıkırdağı tarafından sıvı lubrikan bir madde sağlanır. Ancak bu sıvı - filmin kalınlığı basma fazının yüksek yükü altında azalmaya başlar. Yani squeeze (sıkıştırma) - film eylemi gerçekleşir. Yürüme sırasındaki ikinci pik kuvvet ayak parmağı zeminden ayrılmadan hemen önce ortaya çıkar. Böylece parmak kalkışında (toe-off) taze bir sıvı-film temin edilir ve bir sonraki salınım fazı için gerekli lubrikant sağlanabilir.

2. Yüksek yükler ve göreceli düşük hareket hızlarında, örneğin ayakta dururken sıvı yüzeyler arasında sıkışan sıvı-filmin kalınlığı azalacaktır. Bu durumda sıkışan eklem kıkırdağından sızan sıvı lubrikan filmin ana komponenti olabilir.

3. Darbe (impact) sonrası uzun süre ayakta kalma gibi aşırı yükleme koşullarında sıvı-film elimine olabilir ve yüzeyler birirne temas edebilir. Ancak yüzeyler yine de  muhtemelen ya ince bir ultrafiltre edilmiş sinovyal sıvı jel tabakası (boosted lubrikasyon) ya da adsorbe edilmiş bir lubrisin tabakası (boundary lubrikasyon) tarafından korunmay devam eder.

v. Eklem lubrikasyonunda interstisyel sıvı basıncının rolü: Hareket esnasında eklemden transfer edilen yükler karşıt katı yüzeylerin temasıyla, sıvı-film tabakası ile veya bu ikisinin karışımı ile (mikst) desteklenebilir. Sıvı filmin eklem lubrikasyonuna katkısı geçicidir, yüklerin etkisi ile sıvı-film kalınlığı hızla azalır. Sürtünme katsayısının zamana bağlı olması nedeni ile eklem lubrikasyonun altında yatan mekanizma için bifazik bir teori önerilmiştir.

Yükün bifazik kıkırdağın katı ve sıvı fazları arasında bölünmüş olmasına rağmen, sürtünme katsayısı yalnızca katı matriks tarafından desteklenen  (yani toplam yük ile sıvının hidrostatik basıncı tarafından desteklenen yük arasındaki fark) yükün oranına bağlı olan değeri ifade eder. Bu yüklenme esnasında sütünmenin zamana bağlı olarak değiştiği anlamına gelir. Daha önce değinildiği gibi interstisyel sıvı ve kollajen-PG matriks arasındaki sıvı akışı dokunun viskoelastik özelliklerini belirler. Kollajen ve proteoglikanın enzimlerle parçalanması, kıkırdağın mekanik ve sürtünme özelliklerini değiştirir.

Yüklenmenin başlangıcında interstisyel sıvı basıncı yüksek olduğunda sürtünme katsayısı çok düşük olabilir. Sünme (creep) dengeye ulaştığında yükün katı matrikse aktarılmasıyla sürtünme katsayısı yükselir (ör. 0.15). Ayrıca interstisyel sıvının basınç altında olması aynı anda yüzeyi yağlayan sıvı eksüdasyonu olmadan eklem lubrikasyonuna katkıda bulunuyor olabilir. Bu teori hızın ve yükün artmasıyla sürtünmede gözlenen azalmayı açıklayabilir.

Uniaksiyel sünme ve ve stres relaksasyon esnasında kıkırdağın interstisyel sıvı basıncı ölçülmüştür. Buna göre bifazik teoride öngörüldüğü gibi, interstisyel sıvı basıncı yüklenmeyi takiben yüzlerce saniye boyunca yükün % 90'ınından fazlasını destekler.

Subkondral kemik permeabilitesindeki artış interstisyel sıvı basıncının düşmesine ve üstteki kıkırdağın yük taşıma kapasitesine zarar verebilir.

İnterstisyel sıvı içerisindeki hidrostatik basınç kollajen - PG solid matrikste (veya aradaki kondrositlerde) deformasyona ve mekanik hasara neden olmaz.

e. Eklem kıkırdağının aşınması

Aşınma (wear) mekanik etkiyle katı yüzeylerdeki malzemelerin istenmeyen şekilde çıkarılmasıdır. Aşınmanın iki komponenti vardır: yük taşıyan yüzeylerin etkileşiminden kaynaklanan ara yüzey aşınması (interfacial wear) ve yük altındaki yüzeyin deformasyonundan kaynaklanan yorulma aşınması (fatigue wear).

Ara yüzey aşınmaları yüzeyleri birbirinden ayıran lubrikan film (sınır veya sıvı) olmadığında, yüzeylerin doğrudan temasa girmesiyle ortaya çıkar. Bu tür aşınma iki yoldan biriyle olabilir: Yapışma veya sıyrılma (adhesion veya abrasion).

Yapışmada, yüzey parçaları temas ettikçe birbirine yapışır ve kayma (sliding) esnasında yüzeyden kopar. Sıyrılma yumuşak bir malzeme daha sert bir alet tarafından kazınırsa meydana gelir. Eklem kıkırdaklarında yüzeyler arasında doğrudan temas nadiren ortaya çıktığı için yüzey (interfasyal) aşınma oranı düşüktür. Ancak sıyrılma aşınması göz ardı edilmemelidir. Etkin lubrikasyon yöntemleri eklem kıkırdağının ara yüzlerde aşınmasını imkansız hale getiren mekanizmalardır. Ancak bozulmuş veya dejenerasyona uğramış sinovyal bir eklemde adhezif veya abrazif aşınma meydana gelebilir. Ultrastrüktürel bozukluklar ve / veya kütlesinde azalma olduğunda kıkırdak yüzeyi daha yumuşak ve daha geçirgen hale gelir. Dolayısıyla lubrikan filmdeki sıvı kıkırdak yüzeyinden kolayca uzaklaşabilir. Yüzeyler arasındaki lubrikan sıvı kaybı, doğrudan temas olasılığını artırır ve sıyrılma prosesini kötüleştirir.

Yorulma aşınması yüzeylerin temasından kaynaklanmaz;  tekrarlayan gerilmeler yüzeyde mikroskopik hasar birikimine neden olur. Temas yüzeyindeki bozulma yüksek yüklerin nispeten kısa bir sürede tekrar tekrar uygulanmasıyla veya bu yüklerin büyüklüğü malzemenin maksimum gücünden çok daha düşük olmasına rağmen uzun süreler boyunca tekrarlanmasıyla ortaya çıkabilir. Bu yorulma aşınması iyi yağlanmış yüzeylerde bile gerçekleşebilir.

Sinovyal eklemlerde, çoğu fizyolojik aktivite sırasında toplam eklem yükündeki periyodik değişiklik, eklem kıkırdağında tekrarlayan streslere (deformasyon) neden olur. Ek olarak rotasyon ve kayma (sliding) sırasında, artiküler yüzeyin belirli bir bölgesi yük altındaki temas alanına girip çıkar ve bu artiküler bölge tekrar tekrar strese maruz kalır. Eklem kıkırdağı üzerindeki yükler kollajen-PG matriks ve matriks içindeki sıvı hareketinin neden olduğu direnç tarafından karşılanır. Böylece, tekrarlayan eklem hareketi ve yüklemesi katı matriksin tekrar tekrar stres altında kalmasına ve interstisyel sıvısının dokudan tekrar tekrar sızmasına ve emilmesine neden olur. Bu işlemler kollajen-PG katı matrikste bozulmaya ve PG erozyonuna neden olarak kıkırdakta yorgunluk hasarının birikmesine neden olur.

Tekrarlayan kollajen-PG matriks stresleri kolajen lifleri, PG makromolekülleri ve / veya bu iki bileşen arasındaki ara yüzeyi bozabilir. Ayrıca interstisyel sıvının tekrar tekrar masif eksudasyonu ve  emilmesi bozulmuş PG'lerin ECM'den temizlenmesine neden olur; doku permeabilitesi artar, sertliği azalır;  interstisyel sıvı - yük desteği stresi yenemez ve kıkırdak dejenerasyonu kısır döngüsü kurulur. Bunların dışında yüklenmenin darbe etkisi, yani yükün yüksek hızla uygulanması da hasara neden olabilir. Normal fizyolojik yüklemede, kompresyon esnasında sıkışan bölge boyunca lubrikan sıvı sızar ve kıkırdak içindeki sıvının yeniden dağıtılması ile bu sıkışan bölgedeki stres azalır. Bu stres gevşeme süreci hızlı bir şekilde gerçekleşir; Stres 2-5 sn içinde %63 oranında azalabilir. Bununla birlikte, yüklenme çok hızlı olur ve doku içindeki sıvının yeniden dağılması için yeterli zaman kalmaz ise kollajen-PG matrikste oluşan yüksek stres hasara neden olabilir.

Bu aşınma ve hasar mekanizmaları, eklem kıkırdağında gözlenen yaygın yapısal defektlerin nedenidir. Bu defektlerden biri kıkırdak yüzeyinin yarılmasıdır. Fibrilasyon olarak bilinen bu lezyonlar eklem kıkırdağının dibine kadar uzanır. Diğer bir defekt türünde ise kıkırdak tabakası bölünmeden ziyade aşınmış (kemirilmiş) gibi gözükür. Bu erozyon düz yüzeyli destrüktif incelme olarak bilinir.

f. Kıkırdak dejenerasyonunun biyomekaniği ile ilgili hipotezler

ı. Biyomekanik faktörlerin rolü: Eklem kıkırdağının onarım ve rejenerasyon kapasitesi sınırlıdır ve anormal streslere maruz kalırsa hızlı bir şekilde tamamen yıpranabilir. Hasarın ilerlemesinin aşağıdakilerle ilişkili olduğu ileri sürülmüştür: (1) uygulanan streslerin büyüklüğü; (2) sürekli tekrarlanan pik streslerin toplam sayısı; (3) kolajen-PG matriksinin moleküler ve mikroskopik yapısındaki intrensek değişiklikler; ve (4) dokunun intrensek mekanik özelliklerinde meydana gelen değişiklikler.

Hasara neden olan en önemli faktör, anormal PG genişlemesine ve dolayısıyla dokunun şişmesine izin veren kollajen ağın gevşemesi gibi görünüyor. Bu değişiklikler hareket esnasında kıkırdak sertliğinde azalma ve kıkırdak geçirgenliğinde artışa neden olarak kıkırdak fonksiyonlarını olumsuz etkiler.

Eklem kıkırdağındaki stresin büyüklüğü hem eklemdeki toplam yük ile hem de bu yükün eklem yüzeyinin temas alanı üzerine dağılımı ile belirlenir. Temas alanındaki her hangi bir yoğun stres konsantrasyonu doku dejenerasyonunda birincil bir rol oynayacaktır. Bu stres yoğunlaşmalarının çoğu anormal derecede küçük bir temas alanı oluşturan eklem yüzey uyuşmazlıklarından kaynaklanır. Konjenital asetabular displazi, kaymış (slipped) femur başı epifizi ve intra-artiküler kırıklar eklem yüzey uyuşmazlıklarına örnektir. Dizde menisküsün yük dağılım fonksiyonunu ortadan kaldıran meniskektomi ve aşırı hareket ve anormal mekanik zorlanmalara neden olan ligament rüptürü diğer iki örnektir.

Makroskopik olarak, eklem yüzeylerindeki stres lokalizasyonu ve konsantrasyonu başka bir etkiye sahiptir. Eklem yüzeyleri arasındaki yüksek temas basıncı sıvı-film yağlamanın olasılığını azaltır. Arka arkaya gerçek yüzey teması, daha fazla doku hasarına neden olan mikroskopik stres konsantrasyonlarına neden olacaktır.

Futbolcuların dizleri ve bale dansçılarının ayak bilekleri gibi belirli mesleklere sahip bireylerde spesifik eklem dejenerasyonunun görülme sıklığı, bu kişilerin eklemlerinin yüksek ve anormal yük frekansı ve büyüklüğünün artmasıyla açıklanabilir. Bazı vakalarda, OA eklemdeki pik kuvvetleri minimize eden mekanizmalarındaki yetersizlikten kaynaklanmaktadır. Eklem fleksiyonu ve kas uzaması ( eksantrik kasılma) gibi aktif süreçler ve subkondral kemik ve menisküs tarafından şokların pasif emilimi bu mekanizmalara örnektir.

Eklem kıkırdağının yapısı ve kompozisyonundaki dejeneratif değişiklikler anormal doku şişmesine ve fonksiyonel olarak biyomekanik özelliklerin azalmasına neden olabilir. Bu zayıflamış kıkırdak ultrastrüktürü normal hareketler esnasındaki streslerle giderek tahrip olacaktır. OA ayrıca kollajen-PG matrisinin intrensek moleküler ve mikroskopik yapısındaki bozulmadan dolayı sekonder olarak da ortaya çıkabilir. Romatoid artritle ilişkili dejenerasyon, hemofili ile ilişkili eklem boşluğu kanaması, çeşitli kollajen metabolizma bozuklukları ve proteolitik enzimlerle doku degradasyonu matriks bütünlüğünde bozulmaya neden olan tıbbi durumlardır. Sitokinler (IL-1) ve büyüme faktörleri (TGF -β1) gibi çözünür mediatörler OA'da önemli bir rol oynamaktadır. OA'nın etyolojisine bir diğer katkıda bulunan faktör yaşla ilgili olabilir.

ıı. Kondrosit fonksiyonlarının rolü: ECM mekanik yüklemeyi çevresel bir impuls havuzuna dönüştüren bir transdüser gibi davranarak yüklerin kondrositlere iletilmesini düzenler ve böylece kondrosit fonksiyonuna aracılık eder. Sağlıklı eklem kıkırdağında, normal eklem hareketleri esnasındaki yükler normal doku fonksiyonunu teşvik eden mekanik-elektrokimyasal uyaranlara (örneğin, hidrostatik basınç, stres ve ve strain alanları, akış potansiyelleri) ve normal kıkırdağın idamesine (kondrositler tarafından) neden olur. Ancak kollajen-PG ağının (transduser) bütünlüğü travma veya hastalık gibi bir nedenle bozulursa, normal eklem hareketleri anormal mekanoelektrokimyasal uyaranlara ve kondrositler tarafından anormal ECM emodelingi ve doku fonksiyonlarının zayıflamasına yol açar.

Eklemde yüklenme yoksa, kondrositin normal ortamı, kollajen liflerinin gerilimi ve Donnan ozmotik basıncı arasındaki denge tarafından belirlenen prestres ile karakterizedir. Eklem yüklemesi sırasında, dokunun düşük permeabilitesinden dolayı kondrositlerin normal ortamında interstisyel sıvıdaki hidrostatik basınç baskındır. İnterstisyel sıvı akışından kaynaklanan çeşitli fenomenler de mevcuttur. İnterstisyel sıvının (yani bağlanmamış suyun) akışı besin maddesi difüzyonundaki artışla birlikte elektriksel nitelikteki hücresel uyarılara da neden olur. Buna ek olarak, normal kıkırdak katı matriksindeki küçük gözeneklerden (50 nm) interstisyel sıvı akışına karşı oluşan önemli bir direnç sıvı ile indüklenen matriks sıkıştırması olarak adlandırılan mekanik bir fenomene neden olur.

Kondrosit deformasyonunun üç yüklenme mekanizması tarafından yönetildiği söyelenebilir: doğrudan ECM deformasyonu; akışla indüklenen sıkıştırma ve sıvı basıncı. Üzerlerindeki stres ve gerginlik seviyeleri ve diğer mekanik-elektrokimyasal değişiklikler kondrositlerin anabolik ve katabolik aktivitelerini etkileyebilir ve ilerleyici kıkırdak dejenerasyonuna katkıda bulunabilir.

3.İntervertebral disk

İntervertebral diskler vertebra gövdeleri arasına yerleştirilmiş ve vertebral kolonun toplam uzunluğunun yaklaşık dörtte birini oluşturan katilajinöz yapılardır. Komşu vertebra gövdelerini birbirine bağlarlar, spinal hareketlere izin verirler ve stabilite sağlarlar. Ayrıca çeşitli kurvatürlerin (lordoz ve kifoz) oluşmasından sorumludurlar. İntervertebral foramenin ve vertebral kanalın ön duvarının bir parçasıdırlar. Bu nedenle arka tarafa doğru bombe yapmaları halinde omuriliği ve komşu sinir köklerinin sıkıştırabilirler.


İntervertebral diskin komoponentleri

a. Yapısı

Her disk yapısal olarak üç entegre dokudan oluşur; merkezde nükleus pulpozus, onu çevreleyen annulus fibrozus ve sınırlayıcı kıkırdak son plaklar (end plate). Annulus fibrozusun lifleri ve kıkırdak son plaklar diskleri vertebra gövdesine bağlar.

ı. Nükleus pulpozus: Diskin merkezinde bulunur. Artiküler kıkırdağa benzer. Kondrosit benzeri hücreler, Tip II kollajen, PG (ağırlıklı olarak aggrekan) ve sudan oluşur. PG içeriği fazla, yumuşak, son derece hidrofilik bir maddedir. Sıkıştırılabilme özelliği ile karakterizedir. Viskoelastik matriks kuvvetleri düzgün şekilde annulusa ve son plakalara dağıtır Sıvı içeriği bebeklerde %80-88 iken ileri yaşlarda %60-70'e düşer.

ıı. Annulus fibrozus: Nükleus pulpozusu çevreler. Ligamente benzer. Fibroblast benzeri hücreler, Tip I (ve Tip II) kollajen, PG ve sudan oluşur. Kollajen içeriği fazla, yüksek gerilme direncine sahip bir yapıdır. Birbirine paralel seyreden kollajen lifleri annüler (halka şeklinde) lameller oluşturur. Bir diskte kalınlıkları 200 ila 400µm arasında değişen ortalama 20 lamel bulunur. Bitişik lamellerin kollajen lifleri birbirini çaprazlar. Lameller arasında çok az bağlantı vardır; dolayısıyla kompresyon ve gerilim (tension) sırasında hareket fazla kısıtlanmaz.

ııı. Kıkırdak son plak (end plate): Hyalen kıkırdaktan oluşur. Vertebra gövdesinin her iki yüzeyinde bulunur ve diskin anatomik sınırını temsil eder. Kalınlığı periferde yaklaşık 1mm’dir; merkeze doğru azalır. Omur gövdesini basınç atrofisine karşı koruduğu, anulus fibrosus ve nükleus pulposus'u anatomik sınırları içinde tuttuğu ve annulus, nükleus ve vertebra gövdesi arasında sıvı alışverişini sağlayan yarı geçirgen bir zar gibi davrandığı düşünülmektedir.

b. Kanlanması

İntervertebral disk de artiküler kıkırdak gibi avaskülerdir. Kapiller damarlar kıkırdak son plaklarda sonlanır. Besinler nükleus pulpozusa son plaklardaki gözeneklerden difüzyonla ulaşır. Hareket, difüzyon işlemi için kritik önem taşır. Sürekli yüklemenin difüzyonu bozar. Difüzyonun yüklenmenin olmadığı koşullara geri dönmesi için uzun bir toparlanma (recovery) süresine ihtiyaç vardır. Difüzyonun bozulması dejeneratif değişikliklere neden olur.

c. İnnervasyonu

Annulusun yüzeysel lifleri arka kök gangliyonundan gelen sinuvertebral sinirle innerve olur. Sinir lifleri annulusun yüzeysel liflerinin ötesine geçmez. Annulusun iç lamelleri ve nükleus pulpozus sinir dokusu içermez.

d. Biyomekanik özellikleri

Günlük aktivitelerde disk kompleks bir şekilde yüklenir ve gerilme (tension), sıkışma (kompresyon), makaslama (shear), bükülme (bending), burulma (torsion) gibi streslere maruz kalır. Omurganın fleksiyon, ekstansiyon ve lateral fleksiyonu esas olarak diskte gerilme ve kompressif stresleri üretirken, rotasyon esas olarak makaslama stresi üretir.

Annulus fibrozus yüksek tensil (gerilme) streslere, nükleus pulpozus ise yüksek kompressif (basınç) streslere maruz kalır. Kaba kollajen lif demetlerinden oluşan lamellerin çapraz düzeni annulus fibrozusun yüksek makaslama, bükülme ve burulma yüklerine dayanmasına izin verir. Nükleus pulpozusun viskoelastik yapısı kompressif yüklerin emilmesini ve annulus fibrozusa ve kıkırdak son plakaya aktarılmasını sağlar.

İntradiskal basınç pozisyona bağlıdır. Supin pozisyonunda yatarken en az, ayakta dururken orta derecede, otururken ve elde yükle öne eğilirken en fazladır. Ağırlık taşırken, cisim vücuda ne kadar yakın olursa basınç o kadar azalır. İntradiskal basınç yüklenmenin olmadığı koşullarda yaklaşık 10 N/cm2'dir. Yük altında eksternal yükün 1,5 katı kadar olduğu tahmin edilmektedir.

İntervertebral diskler viskoelastik dokulardır; sünme (creep) ve histerezis gibi viskoelastik özellikleri vardır. Sünme sabit yük altındaki diskin zamanla deforme olmasıdır. Histerezis ise tekrarlı aksiyel kompresyonla enerji absorbsiyonunu sağlar.

4. İntraartiküler diskler

İntervertebral diskler gibi bazı sinoviyal (diz, sternoklavikular, akromiyoklavikular, temporomandibular ve distal radioulnar) eklem kavitelerinde ve pubis simfizinde fibrokartialajinöz birer disk bulunur. Eklem içi diskler akromiyoklavikular eklemde değişken (inkonstant), diğer eklemlerde ise oldukça gelişkin ve sağlamdır. Bu diskler sinovya ile kaplı değildirler. Esas olarak avasküler ve anöral yapılar olmalarına eklem kenarlarına yakın kısımları damar ve sinir içerebilir.

İntraartiküler diskler eklem kenarlarında kapsül, ligament ve tendonlara sıkıca bağlanarak stabilizasyona, kemik yüzeylerinin uyumunu sağlayarak ve elastik yastık oluşturarak eklem yüzeyine binen yüklerin homojen dağılmasına, absorbe edilmesine ve eklem yüzeylerinin lubrikasyonuna yardımcı olurlar.

Bu diskler fibrokartilaj yapılardır, ancak diz eklemindeki menisküslerin büyük kompressif yüklere maruz kalan santral kısmı hyalen kıkırdak gibi aggregat oluşturan proteoglikanlar üretir. Bu en çok erişkinlerdedir ve eklemin yük taşıyabilme özelliğini artırır. Bu şekildeki kondroid metaplazi sadece menisküse özgü değildir, aynı şeklide kemik üzerinden geçerken sıkışan tendonlarda da gözlenir. Menisektomi sonrası osteoartritin sık görülmesi menisküsün santral bölgesindeki bu kondroid özelliğe bağlanmaktadır. Santral kısmı korunan parsiyel menisektomilere göre, total menisektomiden sonra osteoartrit sıklığı artmaktadır. 

 



Menisküs.

 

a. Menisküsler

Diz eklemindeki intraartiküler disklere "yarım ay şeklinde, meniskal" yapısından dolayı menisküs adı verilir. Bunlar semilunar kartilaj olarak da adlandırılırlar.

Menisküsler femoral ve tibial kondiller arasında bulunan hilal şeklinde, enine kesitleri üçgen şeklindeki yapılardır. Kalın periferal kanarları dışbükeydir ve eklem kapsülünün iç yüzeyine yapışmıştır. Kapsülün lifleri menisküsü tibial kondillere bağlar ve medial ve lateral koroner ligamanentleri oluşturur. Medial menisküs MCL'e tutunurken, lateral menisküs LCL'e bağlanmaz. Her iki menisküsün de serbest iç kenarı ince ve konkavdır. Menisküs yüzeyi üstte pürüzsüz ve konkavdır, femoral kondillerle eklemleşir. Menisküsün fibrokartilaj doku bantlarına dönüştüğü ve tibia'ya bağlandığı bölgelere “boynuz” adı verilir.

Menisküsler tibial yüzeye doğru hafif eğimlidirler. Böylece eklemin kuvvet hattı bölgesinde visköz, lubrikan bir film oluşturulabilirler. Menisküsler femoral ve tibial yüzeyler arasındaki uyumu artırırlar, ekleme binen yüke karşı koyarlar, amortisör (şok emici) olarak hareket ederler, lubrikasyona yardımcı olurlar ve dizin kilitleme mekanizmasına katılırlar.

 


   Şekil: Menisküste kollajen lif demetlerinin düzeni

 

ı. Yapısı: Fibrokartilajinöz menisküs histolojik olarak yoğun (dens) bir fibröz kıkırdak ile hyalen kıkırdak arasında bir yapıdadır ve bir matrikste gömülü büyük kollajen demetleri içerir. Kollajen lifler mikroskopik olarak çember şeklinde (circumferential) ve ışınsal (radial) olarak düzenlenmişlerdir. Kollajen liflerin oryantasyonu ağırlık taşıma sırasındaki stres yönü ile yakından ilişkilidir. Kompresyon altında, ana kuvvet dışa doğrudur ve sirkumferansiyel lifler tarafından engellenir. Radial lifler muhtemelen longitüdinal bölünmeyi önlemek için ligament gibi davranırlar.

Menisküs üzerindeki şiddetli gerilim (strain), fibrokartilajın longitüdinal ve bazen de transvers yönde yırtılmasına neden olabilir. Medial kollateral ligamente bağlanmasından dolayı, medial menisküs daha sık yaralanır; ince iç kısmı kalın dış kısımdan ayrılır (bucket-handle; kova sapı rüptürü). Ayrılan parça eklemin merkezine gidebilir, böylece dizin tam ekstansiyonu engellenir.

Fetüste ve küçük çocuklarda tüm menisküs damarla beslenir. Erişkinde ise sadece %20'lik periferik kısım ve boynuzlar vaskülerdir, menisküs sinovyal sıvıdan difüzyonla beslenir.

Menisküsün dış 1/3'ü birkaç miyelinli ve miyelinsiz liflerle innerve olur. Ancak özelleşmiş sinir uçları bulunamadığı için bunların kesin rolleri anlaşılamamıştır. Kuşkusuz bazıları vazomotor liflerdir.

5. Eklem Kapsülü

Eklemi çevreleyen bağ sokusu (eklem kapsülü) yapı ve fonksiyon bakımından birbirinden farklı iki tabakadan oluşur. Dışta kollajenden zengin, parlak beyaz renkte fibröz tabaka (stratum fibrosum), içte elastik liflerden zengin, sarı renkte ince sinoviyal membran (stratum sinovium) bulunur.

a. Fibröz Tabaka (Stratum fibrosum): Eklemin etrafını örterek eklem kavitesini oluşturan, içte sinovyal membranla kaplı fibröz bir bağ dokusudur. Pasif (eklem hareketlerini sınırlayarak) ve aktif (refleks kas aktivitesi ile) olarak eklemi stabilize eder. Bazı eklemlerde (diz gibi) eklem yüzeyinin bir parçası olarak görev yapar. İntraartiküler disklerin de eklem yüzeyleri arasına girerek artikülasyona katılan kapsül dokusu olduğunu iddia edenler vardır.

Kapsülün kalınlığı ve lif yönelimi gelen strese bağlıdır. Örneğin, kalça ekleminde ön kısım arkadan daha kalındır, çünkü ağırlık merkezi eklemin arkasından geçer ve eklemin hiperekstansiyona eğilimi vardır. Birçok eklemde, kapsül 2 veya daha fazla yerde kalınlaşarak kapsüler ligamentleri oluşturur. İnsan kalçasında en az 4 ayırt edilebilir kapsüler ligaman sistemi bulunmaktadır. Eklem kapsülü, hareketi de sınırlayan, kapsülün içinde veya dışındaki aksesuar bağlarla da desteklenebilir. Tendonlar birçok bölgede kapsüle bağlanır ve bazı durumlarda onu değiştirir. Örneğin kuadriseps ve patellar tendonlar diz eklemi kapsülünün ön kısmını ve ekstansör tendonlar interfalangeal kapsüllerin dorsal kısmını oluşturur. Bu şekilde desteklenen en kompleks kapsül omuz eklemindedir. Omuz kapsülü eklemin geniş hareket yelpazesine izin vermek için son derece gevşektir. Kapsül, supraspinatus tendonları, teres minör, trisepsin uzun başı ve subskapularis tarafından desteklenir.

Kapsülün kemik bağlantısı özeldir. Kollajen demetleri kapsülün ligamente dönüştüğü veya tendonla karıştığı yerlerde kemiğe Sharpey lifleri ile doğrudan bağlanır (entezis), diğer yerlerde periosteumla devam eder. Yaralanmaların çoğu entezis bölgesinde veya çevresinde olur. Yaralanma genellikle bağlanma zonunun altında avulsiyon fraktürleri veya üstünde tendon, ligament veya kapsülün yırtılması şeklinde olur.

Fibröz kapsül sinoviyal membrana göre daha az elastiktir; daha az damar, ancak fazla sinir lifi içerir. Sinir lfleri ve kan damarları kapsülü doğrudan geçerek sinoviyal membrana girerler. Sinirler genellikle eklem çevresindeki kaslardan gelir. Bazı sinir uçları kapsüllüdür. Bunlar proprioseptif duyuyu algılar ve kapsül (ligament) – kas refleksleriyle kapsül ve ligamentleri korurlar. Ağrı duyusunu algılayan serbest sinir uçları insersiyon bölgelerinde yoğunlaşmıştır.

 


Diz eklem kapsülü

 

ı. Eklem patolojilerinde kapsül tutulumu: Kapsülün laksitesi omuz dislokasyonu ve kalçanın kongenital dislokasyonun en sık nedenidir. Laksite ayrıca femur başının uygun gelişimini ve geometrisini de etkileyebilir. Laksite cerrahi olarak tedavi edilir.

Tam tersi, özellikle travma veya immobilizasyon sonrası kapsül dokusunun kasılması kapsülün kısalmasına ve kalınlaşmasına; sonuçta eklem mobilitesinin azalmasına neden olur. Benzer nedenlerle oluşan adezif kapsülitte kapsül kalınlaşır ve komşu yapılara yapışarak normal hareketi engeller. Bu “donuk omuz“ için tipiktir, fakat travma sonrası komplikasyon olarak ayak bileği, kalça ve el bileği gibi diğer eklemlerde de görülebilir. Tedavide fizyoterapi ve eklem içi enjeksiyonlar, sonuç alınamaz ise cerrahi kapsülotomi gerekebilir.

Kapsül sistemik romatizmal hastalıklarda da tutulabilir. Kapsülün, ligamentin veya tendonun kemiğe bağlandığı yerde kemiğin büyümesine bağlı kemik çıkıntıları gelişebilir. Diffuz idiyopatik skletal hiperostoz (DISH) buna örnektir. Yine ankilozan spondilitte, özellikle omurgada kapsüler ligamente doğru kemik formasyonu görülür. Kapsüler dokuda mineral kristal depozisyonu da olabilir. Mesela menisküs ve kapsülde kalsiyum pirofosfat kristalleri (psödogut) ve özellikle omuz eklem kapsülünün tendonunda Ca hidroksiapatit kristalleri birikir (kalsifiye tendinit). Romatoid artrit parmaklarda kapsülü zayıflatarak ağır deformitelere yol açabilir. Ağır osteoartrit kıkırdak kaybına neden olarak kapsülde aşınmaya ve rüptüre neden olabilir.

b.Sinoviyal membran (stratum sinoviyale): Sinoviyal membran fibröz eklem kapsülünün, tendon kılıflarının ve bursaların iç yüzünü örten yumuşak bir doku tabakasıdır. Açıktaki herhangi bir kemik yüzeyini, intrakapsüler ligament ve tendon yüzeylerii de örter, menisküs gibi intraartiküler diskleri örtmez. Eklem kıkırdağının kenarından hemen önce sonlanır ve perifer alanı sadece birkaç milimetre kalınlığında sinovyal membrandan kıkırdağa geçiş bölgesi oluşturur.

Sinoviyal membran yüzeyde epitel gibi aralıksız bir hücre tabakası (intima) ve altta subintima olmak üzere iki tabakadan oluşur.

Sinoviyal membran göreceli olarak hücreden fakirdir. İntima tabakası 1-2 hücre kalınlığındadır ve makrofaj (A tipi hücreler) ve fibroblastlardan (B tipi hücreler, sinoviosit) oluşur. A tipi hücreler sinoviyal sıvıyı ve debrisleri rezorbe ederler. Sayıları normalde oldukça azdır, ancak enflamatuvar artritte dramatik olarak artar ve romatoid artritte intimal tabakanın %80’ ini oluşturur. B tipi hücreler hyaluronik asit ve lubrisin gibi glikoproteinlerin sentezinden sorumludurlar.

Subintima kollajen (tip III, IV, V, VI ve çok az tip I), elastik lifler ve bol gevşek areolar doku, kan ve lenf damarları ve sinir lifleri içeren amorf veya ince fibriler bir yapıdır. GAG ve proteoglikanlar ve bazal membranın tüm komponentlerini içerir, fakat bazal mambranı bulunmaz. Bu nedenle kristalloidler ve proteinler sinoviyal membrandan serbestçe geçer, ancak visköz hyaluranonun hızlı geçişi mümkün olmaz. Bu fonksiyon muhtemelen intimal makrofajlarla fibroblastların koordineli çalışmasına bağlıdır. Normal sinoviyal dokunun mikroskobik anatomisi, subintimal tabakanın yapısına ve içeriğine dayalı olarak çoğunlukla üç ana tipe dönüşmektedir: fibröz, areolar ve adipöz. Areolar tipi en özel şekildir.

Kılcal damarlar, intima altında veya içinde bulunur. Normal sinovyumda küçük venüller daha belirgindir. Daha derinde, subintimal tabakada arteriyoller ve lenfatiklerle birlikte daha büyük venüller bir dizi anastomoz oluşturur.

Sinovyal membran elastik bir tampon oluşturarak nispeten non-elastik komşu dokuların hareketini kolaylaştırır. Viskoelastik özellikleri sayesinde, eklem hareketleri esnasında gerilme, kıvrılma ve katlanmaya dayanıklıdır. Ayrıca sağlam ve yapışmasız doku yüzeyinin korunmasını, kıkırdağın lubrikasyonunu, sinoviyal sıvı volümünün ve kompozisyonunun kontrolünü ve eklem içindeki kondrositlerin beslenmesini sağlar.

Hareketin olması için sinoviyal yüzeyin yapışkan olmaması gerekir. Hyaluronik asit üretimi adhezyonun inhibisyonunda önemli olabilir. İntimal fibroblastlardan salınan plazminojen aktivatörü ve DAF (complement decay-accelerating factor) fibrin formasyonunu ve skar oluşumunu engeller.

Sinoviyal sıvının kıkırdak yüzeyi yağlama (lubrikasyon) yeteneği “lubrisin” veya “yüzeyel zon proteini” denen glikoproteine bağlıdır. Lubrisin hem kıkırdak hem de sinoviya yüzeyinde bulunur. Hyaluranon sinoviyal sıvının lubrikasyon yeteneğine fazla katkıda bulunmaz. Ancak kıkırdak yüzeyindeki lubrikan filmin idamesi için önemli olabilir. Hyaluranon egezersiz esnasında sinoviyal sıvının sabit hacimde kalmasını sağlayan esas faktördür. Sabit volüm muhtemelen sinoviyal doku için önemli bir tampon ve kıkırdak için lubrikant rezervuarıdır.

ı. Eklem patolojilerinde sinsoviyal membran tutulumu: Sinoviyal hiperplazi, ödem veya kronik sinovit gibi durumlarda eklem kapsülünün anatomik büyüklüğü değişir. Böylece eklemde tutukluk ve hareket açıklığında azalma meydana gelir.

Eklem kapsülünün enflamasyonu (artrit) yaygın bir patolojidir ve iyi bilinir. Sinoviyal dokuya zarar veren ve kıkırdak hasarı yapan birçok enflamatuvar olay vardır. Bunlardan romatoid artrit ve osteoartrit en sık görülen iki formdur.

Sinoviyal plika eklem yüzeyleri arasına girmiş sinoviyal membran kıvrımlarıdır. Sinoviyal plikaların irrite olmasıyla ortaya çıkan klinik tabloya plika sendromu adı verilir. Dizin plika sendromunda diz eklem çevresindeki sinoviyal dokuda enflamasyon vardır. Koşma, sıçrama gibi tekrarlı aktivitelere veya akut travmaya bağlı olabilir. Tanısı zordur, çünkü belirtileri patellofemoral sendrom, iliotibial bant sendromu gibi dizi etkileyen diğer sorunlara benzer. Fizyoterapi ile düzelebilir, sonuç alınamaz ise plika cerrahi olarak çıkarılır.

c.Sinoviyal sıvı: Sinoviyal sıvı esas olarak plazma filtratıdır. Kondrositlerden salgılanan hyaluronik asit ve lubrisin gibi maddelerle visköz ve jelöz bir özellik kazanır. Yumurta akına benzeyen, yapışkan, müsinöz bir maddedir. Biyokimyasal içeriği kan değerlerine yakındır. Glikoz ve ürik asit seviyeleri plazmaya eşdeğerdir. Ancak protein plazma düzeyinden daha düşüktür (yaklaşık üçte biri). Eklem sıvısına gelen plazma bileşenleri çift bariyerli bir zarı geçmelidir. İlk olarak, kılcal damarların endotel tabakası, daha sonra sinoviyal hücreleri çevreleyen matriks geçilir. Bu ultrafiltrat, sinovyum tarafından sentezlenen bir mukopolisakkarit (hiyalüronat) ile birleşir.

Sadece eklem kavitesini değil, kıkırdak içindeki boşlukları da doldurur ve eklemleşen kemik uçlarını kaplar. Hareket esnasında sürtünmeyi azaltır ve mekanik yüklerin eklem içinde dengeli dağılmasına yardımcı olur.

Kondrositler esas olarak sinoviyadan beslenirler. Yetişkin eklemde subkondral kemiğin beslenmeye katkısı yoktur. Beslenme hareket esnasında kıkırdak içinden eklem boşluğuna sızan ve sonra geri emilen ekstrasellüler sıvı ile sinoviyal sıvı arasındaki materyal değişimiyle olur.

ı. Eklem patolojilerinde sinsoviyal sıvı: Romatoid artrit ve osteoartrit gibi eklem hastalıklarında artmış sinoviyal sıvı eklem içi basıncı artırarak kondrositlerin beslenmesini engelleyebilir. Sinoviyal effüzyon ayrıca ağrıya ve eklem hareketlerinde kısıtlanmaya neden olur. Diğer yandan gerilen eklem kapsülü refleks kas inhibisyonu ile periartküler kas atrofisine zemin hazırlar.

Hyaluronan sentezi muhtemelen B tipi sinoviyal fibroblastarın mekanik olarak uyarılmasına bağlıdır. Sinoviyal sıvı hacmi yüksek olduğunda, artan basınçla üretim hızı azalır veya tersi. Yıpranmış kemik ve kıkırdağın mekanik tahrişine bağlı efüzyonlarında sinovyal sıvı kompozisyonu normaldır. Osteoartrit gibi sürtünme kuvvetleri tarafından uyarılan intimal fibroblastlar tarafından oluşan effüzyonda hiyalüronanın aşırı üretimi söz konusudur. Enflamatuvar sinovitte efüzyonun nedeni muhtemelen plevral efüzyona benzer bir eksüdanın birikimine, yani sinovyal dokuda artmış vasküler geçirgenliğe bağlı enflamatuvar ödeme bağlıdır.