골관절염: 관절 연골은 어떻게 구성되나요?

정상적인 관절 연골은 두 가지 주요 기능을 수행합니다. 기계적 부하 시 변형을 통해 압력을 흡수하고, 관절 표면의 매끄러움을 유지하여 관절 운동 시 마찰을 최소화합니다. 이는 세포외기질(ECM)에 둘러싸인 콘드로이틴으로 구성된 관절 연골의 독특한 구조에 의해 보장됩니다.

정상 성인 관절 연골은 여러 층 또는 구역으로 나눌 수 있습니다. 표층 또는 접선층, 이행층, 심부 또는 요골층, 그리고 석회화층입니다. 표층과 이행층 사이, 특히 이행층과 심부층 사이의 층은 명확한 경계가 없습니다. 비석회화 관절 연골과 석회화 관절 연골 사이의 경계는 "물결 경계"라고 하며, 탈회된 조직을 염색할 때 보이는 선입니다. 연골의 석회화층은 전체 연골 횡단면 높이에서 비교적 일정한 비율(6~8%)을 차지합니다. 석회화 연골층을 포함한 관절 연골의 총 두께는 관절 표면의 특정 부위에 가해지는 하중과 관절의 종류에 따라 달라집니다. 연골하골의 간헐적인 정수압은 골화를 늦춰 연골의 정상적인 구조를 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.

연골세포는 전체 조직 질량의 약 2~3%를 차지합니다. 표층(접선) 영역에서는 연골 표면을 따라, 심층(방사) 영역에서는 연골 표면에 수직으로 위치합니다. 이행 영역에서는 연골세포가 기질 전체에 2~4개의 세포군을 형성하여 분포합니다. 관절 연골의 영역에 따라 연골세포의 밀도는 다릅니다. 표층 영역에서 가장 높은 세포 밀도를, 석회화 영역에서 가장 낮은 세포 밀도를 보입니다. 또한, 세포 분포 밀도는 관절마다 다르며, 이는 연골의 두께와 해당 부위가 받는 하중에 반비례합니다.

가장 표층에 위치한 연골세포는 원반형이며, 좁은 기질 띠 아래에 위치한 접선대에서 여러 층의 세포층을 형성합니다. 이 영역의 더 깊은 곳에 위치한 세포는 윤곽이 더 고르지 않은 경향이 있습니다. 이행대에서 연골세포는 구형이며, 때로는 기질에 흩어져 작은 무리를 이루기도 합니다. 심부대의 연골세포는 주로 타원형이며, 2~6개의 세포가 방사형으로 배열된 사슬 형태로 군집합니다. 석회화대에서는 더욱 희박하게 분포하며, 일부는 괴사하지만 대부분은 생존합니다. 세포는 석회화되지 않은 기질로 둘러싸여 있으며, 세포간 공간은 석회화되어 있습니다.

따라서 인간의 관절 연골은 수화된 ECM과 그 안에 잠긴 세포들로 구성되어 있으며, 이는 전체 조직 부피의 2~3%를 차지합니다. 연골 조직에는 혈관이나 림프관이 없기 때문에 세포 간의 상호작용, 세포로의 영양분 전달, 그리고 대사산물의 제거는 ECM을 통한 확산을 통해 이루어집니다. 연골세포는 대사적으로 매우 활발하지만, 성인에서는 정상적으로 분열하지 않습니다. 연골세포는 산소가 없는 환경에서 존재하며, 대사는 주로 무산소성으로 진행되는 것으로 알려져 있습니다.

각 연골세포는 이웃 세포로부터 분리된 연골의 개별적인 대사 단위로 간주되지만, 기증된 세포 바로 근처에서 ECM 요소를 생성하고 그 구성을 유지하는 역할을 합니다.

ECM은 세 부분으로 나뉘며, 각 부분은 고유한 형태적 구조와 특정 생화학적 조성을 갖습니다. 연골세포 기저막 바로 옆에 위치한 ECM은 세포주위 기질(pericellular matrix) 또는 열공 기질(lacunar matrix)이라고 합니다. 이 기질은 히알루론산과 CD44 유사 수용체의 상호작용을 통해 세포와 연결된 프로테오글리칸 응집체의 함량이 높고, 조직화된 콜라겐 섬유가 상대적으로 없는 것이 특징입니다. 세포주위 기질 바로 옆에는 영역 기질(territorial matrix) 또는 피막 기질(capsular matrix)이 있는데, 이 기질은 개별 세포 또는 (때로는) 세포 집단을 감싸는 교차하는 섬유성 콜라겐 네트워크로 구성되어 연골을 형성하며, 세포에 특수한 기계적 지지력을 제공하는 것으로 추정됩니다. 연골세포와 피막 기질의 접촉은 미세섬유가 풍부한 수많은 세포질 과정과 안코린 및 CD44 유사 수용체와 같은 특정 기질 분자를 통해 이루어집니다. 연골세포 기저막에서 가장 크고 멀리 떨어진 ECM 부분은 영역 간 기질로, 여기에는 가장 많은 수의 콜라겐 섬유와 프로테오글리칸이 포함되어 있습니다.

성인 관절 연골에서는 미성숙 관절 연골보다 세포외기질(ECM)의 구획 구분이 더 명확하게 나타납니다. 각 구획의 상대적인 크기는 관절 간뿐만 아니라 같은 연골 내에서도 다릅니다. 각 연골세포는 자신을 둘러싼 기질을 생성합니다. 연구에 따르면, 성숙한 연골 조직의 연골세포는 세포주위 기질과 영역 기질에 대해 능동적인 대사 조절을 하는 반면, 대사적으로 "비활성"일 수 있는 영역간 기질에 대해서는 상대적으로 덜 능동적인 조절을 합니다.

앞서 언급했듯이 관절 연골은 주로 연골세포에 의해 합성되고 조절되는 광범위한 ECM으로 구성됩니다. 조직 거대 분자와 그 농도는 변화하는 기능적 요구에 따라 일생 동안 변합니다. 그러나 세포가 전체 기질을 동시에 합성하는지 또는 생리적 필요에 따라 특정 단계에서 합성하는지 여부는 불분명합니다. 거대 분자의 농도, 그들 사이의 대사 균형, 그들의 관계 및 상호 작용은 생화학적 특성을 결정하고 따라서 단일 관절 내 관절 연골의 기능을 결정합니다. 성인 관절 연골의 ECM의 주요 구성 요소는 물(전체 질량의 65-70%)이며, 콜라겐, 프로테오글리칸 및 비콜라겐 당단백질의 일부인 연골 조직 거대 분자의 특수한 물리적 특성으로 인해 ECM 내에 단단히 결합되어 있습니다.

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연골의 생화학적 구성

콜라겐 섬유는 섬유성 단백질인 콜라겐 분자로 구성됩니다. 포유류에서 콜라겐은 신체 전체 단백질의 4분의 1을 차지합니다. 콜라겐은 트로포콜라겐(tropocollagen)이라는 구조적 소단위체로 구성된 섬유성 요소(콜라겐 피브릴)를 형성합니다. 트로포콜라겐 분자는 삼중 나선 구조를 형성하는 세 개의 사슬로 이루어져 있습니다. 트로포콜라겐 분자의 이러한 구조와 콜라겐 섬유의 구조는, 이 분자들이 길이의 약 1/4만큼 일정한 간격으로 세로 방향으로 평행하게 위치할 때, 위치하는 조직에 높은 탄성과 강도를 제공합니다. 현재 유전적으로 다른 10가지 유형의 콜라겐이 알려져 있으며, α 사슬의 화학 구조 및/또는 분자 내 구조가 서로 다릅니다. 가장 잘 연구된 처음 네 가지 유형의 콜라겐은 최대 10가지의 분자 동형체(molecular isoform)를 형성할 수 있습니다.

콜라겐 섬유는 연골을 포함한 대부분의 결합 조직의 세포외 공간에 존재합니다. 교차하는 불용성 3차원 콜라겐 섬유 네트워크 안에는 프로테오글리칸, 당단백질, 조직 특이적 단백질과 같은 더 용해성이 높은 다른 구성 요소들이 얽혀 있으며, 이러한 구성 요소들은 때때로 콜라겐 구성 요소에 공유 결합되어 있습니다.

피브릴 형태로 조직된 콜라겐 분자는 연골 유기 건조 잔류물의 약 50%(자연 연골의 10~20%)를 구성합니다. 성숙한 연골에서 콜라겐의 약 90%는 II형 콜라겐이며, 이는 일부 조직(예: 유리체, 배아 후삭)에서만 발견됩니다. II형 콜라겐은 I형(피브릴 형성) 콜라겐 분자에 속합니다. 성숙한 인간 관절 연골에는 이 외에도 IX형, XI형 콜라겐, 그리고 소량의 VI형 콜라겐도 포함되어 있습니다. 콜라겐 피브릴에서 IX형 콜라겐 섬유의 상대적인 양은 태아 연골의 15%에서 성숙한 소 연골의 약 1%로 감소합니다.

I형 콜라겐 분자는 전구체인 프로콜라겐으로 합성 및 분비되는 세 개의 동일한 폴리펩타이드 α, (II) 사슬로 구성됩니다. 완성된 콜라겐 분자가 세포외 공간으로 방출되면 섬유를 형성합니다. 성숙한 관절 연골에서 II형 콜라겐은 섬유 아케이드를 형성하는데, 여기서 "두꺼운" 분자는 조직의 심층에, "얇은" 분자는 표층에 수평으로 위치합니다.

시스테인이 풍부한 N-말단 프로펩타이드를 암호화하는 엑손이 프로콜라겐 II형 유전자에서 발견되었습니다. 이 엑손은 성숙한 연골에서는 발현되지 않고, 발생 초기 단계(연골발생 전)에 발현됩니다. 이 엑손의 존재로 인해 프로콜라겐 II형 분자(II형 A)는 콜라겐 II형보다 더 깁니다. 아마도 이 프로콜라겐의 발현은 관절 연골의 ECM(외피 세포질) 내 성분 축적을 억제하는 것으로 보입니다. 이는 연골 병리(예: 부적절한 회복 반응, 골극 형성 등)의 발생에 특정 역할을 할 수 있습니다.

II형 콜라겐 섬유 네트워크는 신장 저항 기능을 제공하며 조직의 부피와 형태를 유지하는 데 필수적입니다. 이 기능은 콜라겐 분자 간의 공유 결합 및 가교 결합에 의해 강화됩니다. 세포외 기질(ECM)에서 리실 산화효소는 히드록시리신으로부터 알데히드를 생성하고, 이는 다가 아미노산인 히드록시리실-피리디놀린으로 전환되어 사슬 사이에 가교 결합을 형성합니다. 한편, 이 아미노산의 농도는 나이가 들면서 증가하지만, 성숙한 연골에서는 거의 변하지 않습니다. 반면, 관절 연골에서는 효소의 작용 없이 형성된 다양한 유형의 가교 결합 농도가 나이가 들면서 증가합니다.

연골 조직 전체 콜라겐 양의 약 10%는 소위 마이너 콜라겐으로, 이 조직의 고유한 기능을 크게 결정합니다. IX형 콜라겐은 III형 단나선 분자에 속하며, FACIT(Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices)라는 독특한 콜라겐 그룹에 속합니다. IX형 콜라겐은 유전적으로 서로 다른 세 개의 사슬로 구성되어 있습니다. 그중 하나인 _α2 사슬은 콘드로이틴 황산염에 의해 동시에 당화되어 프로테오글리칸이 됩니다. IX형 콜라겐과 II형 콜라겐의 나선 부분 사이에는 성숙 및 미성숙 히드록시피리딘 가교 결합이 모두 존재합니다. 콜라겐 IX는 인접한 콜라겐 피브릴 사이의 분자간-피브릴간 "연결자"(또는 다리) 역할도 합니다. 콜라겐 IX 분자는 서로 가교 결합을 형성하여 피브릴 3차원 네트워크의 기계적 안정성을 높이고 효소의 영향으로부터 보호합니다. 또한 변형에 대한 저항성을 제공하여 네트워크 내부에 위치한 프로테오글리칸의 팽창을 제한합니다. 음이온성 CS 사슬 외에도, 콜라겐 IX 분자는 양이온성 도메인을 포함하고 있어 섬유에 큰 전하를 부여하고 다른 매트릭스 거대분자와 상호작용하는 경향을 보입니다.

XI형 콜라겐은 전체 콜라겐 질량의 2~3%에 불과합니다. 이 콜라겐은 I형(섬유형성) 콜라겐에 속하며 세 가지 다른 α-사슬로 구성됩니다. II형 및 IX형 콜라겐과 함께 XI형 콜라겐은 관절 연골의 이형 섬유를 형성합니다. 면역전자현미경을 이용하여 II형 콜라겐 섬유 내에서 XI형 콜라겐 분자가 검출되었습니다. 이 분자들은 II형 콜라겐 분자를 조직화하여 섬유의 측면 성장을 조절하고 이형 콜라겐 섬유의 직경을 결정하는 것으로 추정됩니다. 또한, XI형 콜라겐은 교차 결합 형성에 관여하지만, 성숙한 연골에서도 교차 결합은 미성숙 2가 케토아민 형태로 남아 있습니다.

III형 단나선 분자의 또 다른 구성원인 VI형 콜라겐은 관절 연골에서 소량 발견됩니다. VI형 콜라겐은 다양한 미세섬유를 형성하며, 아마도 연골의 피막 기질에 농축되어 있을 것입니다.

프로테오글리칸은 하나 이상의 글리코사미노글리칸 사슬이 공유 결합된 단백질입니다. 프로테오글리칸은 가장 복잡한 생물학적 거대분자 중 하나입니다. 프로테오글리칸은 연골의 세포외기질(ECM)에 가장 많이 존재합니다. 콜라겐 섬유망 내에 "얽혀 있는" 친수성 프로테오글리칸은 주요 기능, 즉 연골에 가역적인 변형 능력을 부여하는 기능을 수행합니다. 프로테오글리칸은 또한 여러 다른 기능을 수행하는 것으로 추정되지만, 그 본질은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다.

아그레칸은 관절 연골의 주요 프로테오글리칸으로, 조직 전체 프로테오글리칸 질량의 약 90%를 차지합니다. 230 kD의 핵심 단백질은 공유 결합으로 연결된 여러 개의 글리코사미노글리칸 사슬과 N 말단 및 C 말단 올리고당에 의해 당화됩니다.

관절 연골의 글리코사미노글리칸 사슬은 거대 분자 전체 질량의 약 90%를 구성하며, 케라탄 황산염(황산염화된 이당류인 N-아세틸 글루코사미노 락토오스와 여러 개의 황산화 부위 및 시알산과 같은 다른 단당류 잔류물의 서열)과 콘드로이틴 황산염(N-아세틸 갈락토사민 글루쿠론산과 N-아세틸 갈락토사민의 4번째 또는 6번째 탄소 원자에 황산 에스테르가 결합된 이당류인 N-아세틸 갈락토사민 글루쿠론산의 서열)입니다.

어그레칸의 핵심 단백질은 3개의 구형(G1, G2, G3)과 2개의 구형간(E1 및 E2) 도메인을 포함합니다. N-말단 영역에는 21nm 길이의 E1 세그먼트로 분리된 G1 및 G2 도메인이 있습니다. C-말단 영역에 위치한 C3 도메인은 100개 이상의 콘드로이틴 황산염 사슬, 약 15-25개의 케라틴 황산염 사슬 및 O-연결된 올리고당을 운반하는 더 긴(약 260nm) E2 세그먼트에 _{의해 G2와 분리되어 있습니다. N-연결된 올리고당은 주로 G1 및 C2 도메인과 E1 세그먼트, 그리고 G3영역} 근처에서 발견됩니다. 글리코사미노글리칸은 2개의 영역으로 그룹화됩니다. 가장 긴 영역(소위 콘드로이틴 황산염이 풍부한 영역)에는 콘드로이틴 황산염 사슬과 약 50%의 케라틴 황산염 사슬이 포함됩니다. 케라탄황산염이 풍부한 영역은 G1 도메인 근처 E2 _분절 에 위치하며 콘드로이틴황산염이 풍부한 영역보다 앞에 위치합니다. 아그레칸 분자는 또한 인산 에스테르를 포함하는데, 이는 콘드로이틴황산염 사슬을 코어 단백질에 부착하는 자일로스 잔기에 주로 위치하며, 코어 단백질의 세린 잔기에도 존재합니다.

_{C3 도메인} 의 C-말단 부분은 렉틴과 매우 상동성이 높아서 프로테오글리칸 분자가 특정 탄수화물 구조에 결합하여 ECM에 고정될 수 있습니다.

최근 연구에서 G3 내에서 EGF 유사 하위 도메인을 암호화하는 엑손이 발견되었습니다 _. 항-EGF 다클론 항체를 사용하여, EGF 유사 에피토프는 인간 관절 연골 아그레칸의 68kD 펩타이드 내에 위치하는 것으로 확인되었습니다. 그러나 그 기능은 아직 밝혀지지 않았습니다. 이 하위 도메인은 림프구 이동을 조절하는 접착 분자에서도 발견됩니다. 성숙한 인간 관절 연골에서 분리된 아그레칸 분자의 약 3분의 1만이 온전한 C3 _도메인을 가지고 있습니다. 이는 아그레칸 분자가 ECM에서 효소에 의해 크기가 감소될 수 있기 때문일 가능성이 높습니다. 절단된 단편의 운명과 기능은 아직 밝혀지지 않았습니다.

아그레칸 분자의 주요 기능적 부분은 글리코사미노글리칸을 함유하는 E2 _부분 입니다. 케라탄 황산염이 풍부한 이 영역에는 프로린, 세린, 트레오닌 아미노산이 들어 있습니다. 대부분의 세린과 트레오닌 잔기는 N-아세틸갈락토사민 잔기로 O-글리코실화되어 있습니다. 이들은 케라탄 황산염 사슬에 통합되는 특정 올리고당의 합성을 시작하여 사슬을 길게 합니다. E2 _부분 의 나머지 부분은 100개 이상의 세린-글리신 서열을 포함하고 있으며, 여기서 세린은 콘드로이틴 황산염 사슬의 시작 부분에 있는 자일로실 잔기에 부착됩니다. 일반적으로 콘드로이틴-6-황산염과 콘드로이틴-4-황산염은 모두 같은 프로테오글리칸 분자 내에 동시에 존재하며, 그 비율은 연골 조직의 위치와 사람의 나이에 따라 다릅니다.

인간 관절 연골 기질 내 아그레칸 분자의 구조는 성숙과 노화 과정에서 여러 변화를 겪습니다. 노화 관련 변화에는 콘드로이틴 황산염 사슬의 평균 길이 변화로 인한 유체역학적 크기 감소와 케라탄 황산염 사슬의 수와 길이 증가가 포함됩니다. 아그레칸 분자의 여러 변화는 단백질 분해 효소(예: 아그레카나제 및 스트로멜레신)가 코어 단백질에 작용하여 발생합니다. 이로 인해 아그레칸 분자 코어 단백질의 평균 길이가 점진적으로 감소합니다.

어그레칸 분자는 연골세포에서 합성되어 세포외 기질(ECM)로 분비되어 링커 단백질 분자에 의해 안정화되는 응집체를 형성합니다. 이 응집은 글루쿠론산 가닥과 약 200개의 어그레칸 및 링커 단백질 분자 사이에 매우 특이적인 비공유 및 협력적 상호작용을 수반합니다. 글루쿠론산은 여러 개의 N-아세틸글루코사민과 글루쿠론산 분자가 순차적으로 연결된 세포외 비황산화 고분자량 선형 글리코사미노글리칸입니다. 어그레칸의 G1 도메인에 있는 쌍을 이루는 루프는 순차적으로 위치한 다섯 개의 히알루론산 이당류와 가역적으로 상호작용합니다. 유사한(상동성이 높은) 쌍을 이루는 루프를 포함하는 링커 단백질은 C1 도메인 및 히알루론산 분자와 상호작용하여 응집체 구조를 안정화합니다. C1 도메인-히알루론산-결합 단백질 복합체는 매우 안정적인 상호작용을 형성하여 G1 도메인과 결합 단백질을 단백질 분해 효소의 작용으로부터 보호합니다. 분자량이 40~50 kDa인 두 분자의 결합 단백질이 확인되었으며, 이 두 분자는 당화 정도가 서로 다릅니다. 히알루론산-아그레칸 결합 부위에는 결합 단백질 분자가 하나만 존재합니다. 세 번째, 더 작은 결합 단백질 분자는 단백질 분해에 의한 절단을 통해 더 큰 분자들이 모여 형성됩니다.

약 200개의 아그레칸 분자가 히알루론산 분자 하나에 결합하여 8μm 길이의 응집체를 형성할 수 있습니다. 세포주위 및 영역 구획으로 구성된 세포 관련 기질에서, 이 응집체들은 세포막의 CD44 유사 수용체에 히알루론산 실을 통해 결합함으로써 세포와의 결합을 유지합니다.

ECM 내 응집체 형성은 복잡한 과정입니다. 새롭게 합성된 아그레칸 분자는 히알루론산과 즉시 결합하는 능력을 나타내지 않습니다. 이는 새롭게 합성된 분자가 큰 응집체로 고정되기 전에 기질의 영역 간 영역에 도달하도록 하는 조절 기전으로 작용할 수 있습니다. 히알루론산과 상호작용하여 응집체를 형성할 수 있는 새롭게 합성된 아그레칸 분자와 결합 단백질의 수는 나이가 들면서 현저히 감소합니다. 또한, 인간 관절 연골에서 분리된 응집체의 크기도 나이가 들면서 현저히 감소합니다. 이는 부분적으로 히알루론산 분자와 아그레칸 분자의 평균 길이가 감소하기 때문입니다.

관절 연골에는 두 가지 유형의 응집체가 존재합니다. 첫 번째 유형의 응집체의 평균 크기는 60μS이고, 두 번째 유형(급격하게 침전되는 "초응집체")의 평균 크기는 120μS입니다. 두 번째 유형은 결합 단백질 분자가 풍부하다는 특징이 있습니다. 이러한 초응집체의 존재는 조직 기능에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 사지 고정 후 조직 회복 과정에서 관절 연골의 중간층에서 초응집체의 농도가 더 높게 나타나는 반면, 골관절염이 있는 관절에서는 질병 초기 단계에서 초응집체의 크기가 현저히 감소합니다.

관절 연골에는 아그레칸 외에도 여러 개의 작은 프로테오글리칸이 포함되어 있습니다. 데르마탄 황산염을 운반하는 분자인 비글리칸과 데코린은 각각 약 100kDa와 70kDa의 분자량을 가지고 있으며, 핵심 단백질의 질량은 약 30kDa입니다.

인간 관절 연골에서 비글리칸 분자는 데르마탄 황산염 사슬 두 개를 포함하는 반면, 더 흔한 데코린은 하나만 포함합니다. 이 분자들은 관절 연골의 프로테오글리칸 중 극히 일부에 불과하지만, 응집된 큰 프로테오글리칸만큼 많을 수도 있습니다. 작은 프로테오글리칸은 세포외기질(ECM)의 다른 거대분자, 예를 들어 콜라겐 섬유, 피브로넥틴, 성장인자 등과 상호작용합니다. 데코린은 주로 콜라겐 섬유 표면에 위치하며 콜라겐 섬유형성을 억제합니다. 핵심 단백질은 피브로넥틴의 세포 결합 도메인에 단단히 고정되어 있어, 피브로넥틴이 세포 표면 수용체(인테그린)에 결합하는 것을 방해하는 것으로 보입니다. 데코린과 비글리칸은 모두 피브로넥틴에 결합하여 세포 부착 및 이동, 그리고 혈전 형성을 억제하기 때문에 조직 복구 과정을 억제할 수 있습니다.

관절 연골의 피브로모듈린은 분자량 50~65 kD의 프로테오글리칸으로, 콜라겐 섬유와 결합되어 있습니다. 데코린과 비글리칸의 핵심 단백질과 상동성을 갖는 피브로모듈린의 핵심 단백질은 다량의 티로신 황산염 잔기를 함유하고 있습니다. 이 당화된 형태의 피브로모듈린(이전에는 59 kD 매트릭스 단백질이라고 불림)은 콜라겐 섬유의 구조 형성 및 유지 조절에 관여할 수 있습니다. 피브로모듈린과 데코린은 콜라겐 섬유 표면에 위치합니다. 따라서 앞서 언급했듯이, 섬유 직경의 증가는 이러한 프로테오글리칸(및 IX형 콜라겐 분자)의 선택적 제거가 선행되어야 합니다.

관절 연골의 ECM에는 프로테오글리칸이나 콜라겐이 아닌 여러 단백질이 포함되어 있습니다. 이 단백질들은 다른 거대분자들과 상호작용하여 대부분의 ECM 분자를 포함하는 네트워크를 형성합니다.

34kD 단백질인 안코린은 연골세포 표면과 세포막에 위치하며 세포와 기질 사이의 상호작용을 매개합니다. 2형 콜라겐에 대한 높은 친화력으로 인해 기계수용체 역할을 하여 연골섬유의 압력 변화에 대한 신호를 연골세포로 전달합니다.

피브로넥틴은 대부분의 연골 조직의 구성 요소이며 혈장 피브로넥틴과는 약간 다릅니다. 피브로넥틴은 세포막 및 제2형 콜라겐, 트롬보스폰딘과 같은 다른 기질 구성 요소와 상호작용하여 기질 통합을 촉진하는 것으로 알려져 있습니다. 피브로넥틴 조각은 연골세포 대사에 부정적인 영향을 미칩니다. 즉, 아그레칸 합성을 억제하고 이화 과정을 자극합니다. 골관절염 환자의 관절액에서 고농도의 피브로넥틴 조각이 발견되어, 말기 질환의 발병 기전에 관여할 가능성이 있습니다. 연골세포 수용체에 결합하는 다른 기질 분자 조각도 유사한 효과를 나타낼 가능성이 높습니다.

트롬보스폰딘 상과에 속하는 연골 올리고머 기질 단백질(OMPC)은 분자량이 약 83 kDa인 5개의 동일한 소단위체로 구성된 5량체입니다. OMPC는 관절 연골, 특히 성장하는 조직의 증식 세포층에서 다량으로 발견됩니다. 따라서 OMPC가 세포 성장 조절에 관여할 가능성이 있습니다. 성숙한 관절 연골의 세포외 기질(ECM)에서는 훨씬 낮은 농도로 발견됩니다. 기질 단백질에는 다음이 포함됩니다.

• 연골세포에 대한 높은 친화성을 갖는 기본 기질 단백질(36 kDa)은 조직 리모델링과 같은 ECM에서 세포 간 상호작용을 매개할 수 있습니다.
• GP-39(39 kDa)는 관절 연골의 표층과 활막에 발현되며, 그 기능은 알려져 있지 않습니다.
• 21 kD 단백질은 비대해진 연골세포에서 합성되고, X형 콜라겐과 상호 작용하며, "물결선" 구역에서 기능할 수 있습니다.

또한 연골세포가 연골 발달의 특정 단계와 병리학적 조건에서 응집되지 않은 작은 프로테오글리칸의 비당화 형태를 발현한다는 것이 분명하지만, 현재 그 구체적인 기능은 연구 중이다.

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관절 연골의 기능적 특성

아그레칸 분자는 관절 연골에 가역적 변형을 가능하게 합니다. 이 분자들은 세포외 공간 내에서 특이적인 상호작용을 나타내며, 세포외 기질(ECM)의 조직, 구조 및 기능에 중요한 역할을 합니다. 연골 조직에서 아그레칸 분자의 농도는 100mg/ml에 이릅니다. 연골에서 아그레칸 분자는 용액 내 부피의 20%로 압축됩니다. 콜라겐 섬유가 형성하는 3차원 네트워크는 조직에 특징적인 형태를 부여하고 프로테오글리칸의 부피 증가를 방지합니다. 콜라겐 네트워크 내에서 고정된 프로테오글리칸은 큰 음전하를 띠고 있어(많은 음이온기를 포함), 간질액의 이동성 양이온기와 상호작용할 수 있습니다. 프로테오글리칸은 물과 상호작용하여 소위 부종 압력을 발생시키는데, 이는 콜라겐 네트워크에 의해 상쇄됩니다.

ECM 내 수분의 존재는 매우 중요합니다. 수분은 조직의 부피를 결정하며, 프로테오글리칸과 결합하여 압축 저항성을 제공합니다. 또한, ECM 내에서 분자의 이동과 확산을 담당합니다. 조직에 고정된 큰 프로테오글리칸의 높은 음전하 밀도는 "배제 부피 효과"를 유발합니다. 농축된 프로테오글리칸 용액의 기공 크기는 매우 작아서 큰 구형 단백질의 조직 내 확산이 급격히 제한됩니다. ECM은 작은 음전하 단백질(예: 염소 이온)과 큰 단백질(예: 알부민, 면역글로불린)을 밀어냅니다. 콜라겐 섬유와 프로테오글리칸으로 이루어진 밀집된 네트워크 내 세포의 크기는 일부 무기 분자(예: 나트륨과 칼륨, 칼슘)의 크기와 비슷할 뿐입니다.

ECM에서 콜라겐 섬유에는 약간의 수분이 존재합니다. 섬유외 공간은 연골의 물리화학적 및 생체역학적 특성을 결정합니다. 섬유내 공간의 수분 함량은 섬유외 공간의 프로테오글리칸 농도에 따라 달라지며, 섬유외 공간의 농도가 감소함에 따라 증가합니다.

프로테오글리칸의 고정된 음전하는 세포외 매질의 이온 구성을 결정하는데, 세포외 매질에는 고농도의 자유 양이온과 저농도의 자유 음이온이 포함됩니다. 연골의 표층에서 심부로 아그레칸 분자의 농도가 증가함에 따라 조직의 이온 환경이 변화합니다. 세포외 기질(ECM) 내 무기 이온의 농도는 높은 삼투압을 생성합니다.

연골의 물질적 특성은 콜라겐 섬유, 프로테오글리칸, 그리고 조직의 액상 간의 상호작용에 따라 달라집니다. 합성과 이화 과정의 차이, 거대분자의 분해, 그리고 물리적 외상으로 인한 구조적 및 조성적 변화는 연골의 물질적 특성에 상당한 영향을 미치고 기능을 변화시킵니다. 콜라겐과 프로테오글리칸의 농도, 분포, 그리고 거대분자 구성은 연골 영역의 깊이에 따라 달라지므로, 각 영역의 생체역학적 특성도 달라집니다. 예를 들어, 콜라겐 농도가 높고, 접선 방향으로 위치한 섬유, 그리고 상대적으로 낮은 프로테오글리칸 농도를 가진 표층 영역은 신장에 대한 저항성이 가장 뛰어나 조직 전체 표면에 하중을 균일하게 분산시킵니다. 전이 영역과 심층 영역에서는 프로테오글리칸의 농도가 높아 조직이 압축 하중을 견뎌낼 수 있는 특성을 부여합니다. "물결선" 수준에서 연골의 물질적 특성은 유연한 비석회화 영역에서 더 단단한 광물화 연골로 급격히 변화합니다. "물결선" 영역에서는 콜라겐 네트워크가 조직의 강도를 제공합니다. 하부 연골 부분은 콜라겐 섬유에 의해 교차되지 않습니다. 골연골 접합부에서는 비석회화 연골 영역과 석회화 연골 영역 사이의 경계에 나타나는 특수한 윤곽이 조직의 강도를 제공하며, 이는 불규칙한 손가락 모양의 돌기 형태로 나타나 두 층을 "닫고" 분리를 방지합니다. 석회화 연골은 연골하골보다 밀도가 낮아 연골에 가해지는 압축 하중을 완화하고 연골하골로 전달하는 중간층 역할을 합니다.

하중이 가해지는 동안, 신전, 전단, 압축이라는 세 가지 힘이 복합적으로 분포됩니다. 관절 기질은 하중 영역에서 수분(및 세포 대사 산물)이 배출되면서 변형되고, 간질액의 이온 농도가 증가합니다. 수분의 이동은 가해진 하중의 지속 시간과 힘에 직접적으로 의존하며, 프로테오글리칸의 음전하로 인해 지연됩니다. 조직 변형 시, 프로테오글리칸은 서로 더 강하게 밀착되어 음전하의 밀도를 효과적으로 증가시키고, 음전하를 밀어내는 분자 간 힘은 조직의 추가 변형에 대한 저항력을 증가시킵니다. 궁극적으로 변형은 외부 하중력이 내부 저항력(팽창 압력(프로테오글리칸과 이온의 상호작용)과 기계적 응력(프로테오글리칸과 콜라겐의 상호작용))에 의해 균형을 이루는 평형 상태에 도달합니다. 하중이 제거되면 연골 조직은 영양소와 함께 수분을 흡수하여 원래 형태를 회복합니다. 조직의 초기(사전 부하) 모양은 프로테오글리칸의 팽창 압력이 콜라겐 네트워크의 확산 저항력에 의해 균형을 이룰 때 형성됩니다.

관절 연골의 생체역학적 특성은 조직의 구조적 무결성, 즉 고체상은 콜라겐-프로테오글리칸, 액체상은 물과 용해된 이온으로 구성되어 있다는 점에 기반합니다. 무부하 상태에서 관절 연골의 정수압은 약 1~2기압입니다. 이 정수압은 생체 내에서 서 있는 동안 밀리초당 100~200기압, 보행 중에는 40~50기압까지 증가할 수 있습니다. 시험관 내 연구에 따르면 50~150기압(생리적)의 정수압은 단기간 연골 동화작용을 적당히 증가시키고, 2시간 이상 지속되면 연골액 손실을 유발하지만 다른 변화는 유발하지 않는 것으로 나타났습니다. 연골세포가 생체 내에서 이러한 유형의 부하에 얼마나 빨리 반응하는지에 대한 의문은 아직 풀리지 않았습니다.

^{수화의 유도된 감소와 그에 따른 프로테오글리칸 농도의 증가는 H +} 및 Na ⁺ 와 같은 양전하 이온의 끌어당김으로 이어진다. 이는 ECM 및 연골세포의 전반적인 이온 구성 및 pH의 변화로 이어진다. 장기간의 운동은 pH의 감소를 유도하고 동시에 연골세포의 프로테오글리칸 합성을 감소시킨다. 세포외 이온 환경이 합성 과정에 미치는 영향은 ECM 구성에 미치는 영향과 부분적으로 관련이 있을 가능성이 있다. 새로 합성된 아그레칸 분자는 정상 조건보다 약산성 환경에서 나중에 응집된 형태로 성숙한다. 연골세포 주변의 pH가 감소하면(예: 운동 중) 새로 합성된 아그레칸 분자가 영역 간 기질에 도달할 수 있을 가능성이 있다.

하중이 제거되면, 물이 활막강에서 다시 돌아와 세포에 영양분을 공급합니다. 골관절염이 있는 연골에서는 프로테오글리칸 농도가 감소합니다. 따라서 하중이 가해지는 동안, 수분은 활막강으로 수직으로만 이동하는 것이 아니라 다른 방향으로도 이동하여 연골세포의 영양 공급을 감소시킵니다.

고정 또는 경미한 부하(loading)는 연골 합성과 프로테오글리칸 함량의 현저한 감소를 초래하는 반면, 동적 부하 증가는 프로테오글리칸 합성 및 함량의 적당한 증가를 초래합니다. 개에게 격렬한 운동(15주 동안 하루 20km)을 시킨 결과, 프로테오글리칸 함량의 변화가 나타났으며, 특히 표층부의 농도가 급격히 감소했습니다. 가역적인 연골 연화 및 연골하 골 재형성이 일부 관찰되었습니다. 그러나 심한 정적 부하(static loading)는 연골 손상 및 그에 따른 퇴행을 유발했습니다. 또한, ECM 아그레칸(aggrecan)의 손실은 골관절염의 특징적인 비정상적인 변화를 유발합니다. 아그레칸 손실은 수분 유착을 유발하고 남아 있는 소량의 프로테오글리칸을 부풀립니다. 이러한 아그레칸의 용해는 국소 고정 전하 밀도의 감소에 기여하여 궁극적으로 삼투압 변화를 초래합니다.