軟骨

軟骨
脱灰されていない硝子軟骨の光学顕微鏡写真。軟骨細胞と細胞小器官、小窩、およびマトリックス が示されています。
識別子
メッシュ	D002356
TA98	A02.0.00.005
TA2	381
解剖学用語 [Wikidataで編集]

軟骨は、弾力性があり滑らかなタイプの結合組織です。半透明で多孔性がなく、通常は軟骨膜と呼ばれる丈夫な繊維状の膜で覆われています。四肢動物では、関節軟骨として関節部分の長骨の端部を覆い保護し、^[1]胸郭、首、気管支、椎間板など多くの体の部分の構造的要素となっています。軟骨魚類や円口類などの他の分類群では、骨格のはるかに大きな割合を占めています。^[2]骨ほど硬く堅固ではありませんが、筋肉よりもはるかに硬く、柔軟性がはるかに低いです。軟骨の基質は、グリコサミノグリカン、プロテオグリカン、コラーゲン繊維、場合によってはエラスチンで構成されています。通常は骨よりも早く成長します。

軟骨は硬いため、体内の管を開いた状態に保つ役割を果たします。例としては、輪状軟骨や気管分岐部などの気管輪が挙げられます。

軟骨は、プロテオグリカンとエラスチン繊維が豊富な基質であるコラーゲン性細胞外マトリックスを大量に生成する、軟骨細胞と呼ばれる特殊な細胞で構成されています。軟骨は、コラーゲンとプロテオグリカンの相対的な量が異なる、 弾性軟骨、硝子軟骨、線維軟骨の 3 種類に分類されます。

軟骨には血管や神経がないので、感覚がありません。しかし、膝の半月板などの一部の線維軟骨には、部分的に血液が供給されています。栄養は拡散によって軟骨細胞に供給されます。関節軟骨の圧縮または弾性軟骨の屈曲により流体の流れが生成され、軟骨細胞への栄養の拡散が促進されます。他の結合組織と比較すると、軟骨は細胞外マトリックスのターンオーバーが非常に遅く、他の組織と比較して修復速度が非常に遅いことが実証されています。

胚発生において、骨格系は中胚葉から派生する。軟骨形成（軟骨形成とも呼ばれる）は、凝縮した間葉組織から軟骨が形成されるプロセスであり、軟骨芽細胞に分化し、細胞外マトリックスを形成する分子（アグリカンおよびII型コラーゲン）を分泌し始める。すべての脊椎動物において、軟骨は発生初期の主要な骨格組織である。^{[3] [4]硬骨魚類では、多くの軟骨要素がその後、}軟骨内骨化および軟骨外骨化によって骨化する。^[5]

胚発生中に起こる最初の軟骨化に続いて、軟骨の成長は主に未熟な軟骨がより成熟した状態へと成熟することで構成されます。軟骨内の細胞分裂は非常にゆっくりと起こるため、軟骨の成長は通常、軟骨自体のサイズや質量の増加に基づいていません。^[6]最も重要なエピジェネティックモジュレーターとしての非コードRNA（miRNAや長い非コードRNAなど）が軟骨形成に影響を与えることが確認されています。これはまた、関節炎などのさまざまな軟骨依存性病態における非コードRNAの寄与を正当化します。^[7]

関節軟骨の機能は、細胞外マトリックス（ECM）の分子構成に依存しています。ECMは主にプロテオグリカンとコラーゲンで構成されています。軟骨に含まれる主なプロテオグリカンはアグリカンで、その名のとおりヒアルロン酸およびそれ自体と大きな凝集体を形成します。^[8]これらの凝集体は負に帯電し、組織内に水分を保持します。コラーゲン（主にII型コラーゲン）はプロテオグリカンを拘束します。ECMは、軟骨が受ける張力と圧縮力に反応します。^[9]軟骨の成長は、このようにマトリックスの沈着を指しますが、細胞外マトリックスの成長とリモデリングの両方を指す場合もあります。抵抗のある膝伸展時に膝蓋大腿関節にかかる大きなストレスにより、膝蓋骨の関節軟骨は人体で最も厚いものの1つになっています。関節軟骨の ECM は、細胞周囲マトリックス、領域マトリックス、領域間マトリックスの 3 つの領域に分類されます。

膝や股関節などの荷重を受ける関節の関節軟骨の機械的特性は、マクロ、ミクロ、ナノスケールで広範囲に研究されてきました。これらの機械的特性には、摩擦、圧縮、せん断、引張荷重に対する軟骨の反応が含まれます。軟骨は弾力性があり、粘弾性特性を示します。^[10]

軟骨には自由に移動する間質液があるため、材料の試験は困難です。この障害を克服するために一般的に使用される試験の 1 つは、制限圧縮試験であり、「クリープ」モードと「緩和」モードのどちらでも使用できます。^{[11] [12]}クリープモードでは、組織の変位は一定の荷重下で時間の関数として測定され、緩和モードでは、力は一定の変位下で時間の関数として測定されます。クリープモードでは、組織の変位は一定の荷重下で時間の関数として測定されます。このモード中、組織の変形には 2 つの主な領域があります。最初の領域では、軟骨から最初に液体が流れ出るため変位が急速であり、2 番目の領域では、変位が最終的に一定の平衡値まで遅くなります。一般的に使用される荷重条件下では、平衡変位に達するまでに数時間かかる場合があります。

閉じ込め圧縮試験のクリープモードと緩和モードの両方において、軟骨のディスクは不浸透性の液体で満たされた容器に入れられ、垂直方向への間質液の流れを制限する多孔質プレートで覆われます。この試験は、軟骨の集合体弾性係数（関節軟骨では通常0.5～0.9 MPaの範囲）^{[11] [12] [13]}とヤング率（通常0.45～0.80 MPa）[ ^{11] [13]}を測定するために使用できます。集合体弾性係数は「すべての流体の流れが停止した時の平衡状態における組織の剛性の尺度」^[11]であり、ヤング率は、与えられた応力下で材料がどれだけ歪むか（長さが変化するか）を示す尺度です。

閉じ込め圧縮試験は、材料を通る流体の流れに対する抵抗として定義される透過性の測定にも使用できます。透過性が高いほど、流体は材料のマトリックスからより速く流れ出ることができますが、透過性が低いと、最初は流体が急速に流れ、平衡までゆっくりと減少します。通常、関節軟骨の透過性は10^-15〜10^-16 m^4/Nsの範囲です。^{[11] [12]}ただし、透過性は負荷条件と試験場所の影響を受けます。たとえば、透過性は関節軟骨全体で異なり、関節表面近くで最も高く、骨（または「深部領域」）近くで最も低くなる傾向があります。組織への負荷が増加すると、透過性も低下します。

インデンテーション試験は、軟骨の特性評価によく使用される別の種類の試験です。^{[11] [14]}インデンテーション試験では、インデンター（通常 0.8 mm 未満）を使用して、一定の荷重下での組織の変位を測定します。拘束圧縮試験と同様に、平衡変位に達するまでに数時間かかる場合があります。この試験方法は、組織の集合体弾性率、ポアソン比、および透過性を測定するために使用できます。当初、軟骨は主に水ベースの組成であるため、ポアソン比は 0.5 であり、非圧縮性材料としてモデル化する必要があるという誤解がありました。^[11]しかし、その後の研究により、この考えは否定されました。関節軟骨のポアソン比は、ヒトでは約 0.4 以下と測定されており^{[11] [14]}、ウシでは 0.46～0.5 の範囲です。^[15]

関節軟骨の機械的特性は、主に異方性があり、試験に依存し、年齢に依存することもあります。^[11]これらの特性はコラーゲン-プロテオグリカン相互作用にも依存するため、水、コラーゲン、糖タンパク質などの総含有量に応じて増加/減少する可能性があります。たとえば、グルコサミノグリカン含有量が増加すると圧縮剛性が増加し、水分含有量が増加すると凝集係数が低下します。

軟骨は、荷重を支える関節での役割に加えて、柔らかい組織と骨の間の勾配材料として重要な役割を果たします。機械的な勾配は、体の機能、および関節インプラントを含む複雑な人工構造にとって重要です。材料特性が一致しないインターフェースは、応力集中の高い領域につながり、人間の関節が生涯にわたって経験する何百万回もの荷重サイクルで、最終的には破損につながります。たとえば、人間の骨の弾性率はおよそ 20 GPa ですが、軟骨の柔らかい領域では約 0.5～0.9 MPa です。^{[16] [17]}ただし、材料特性の勾配が滑らかであれば、応力はインターフェース全体に均等に分散され、個々の部分の摩耗が少なくなります。

体は、骨の近くに、ハイドロキシアパタイトなどのミネラル沈着物が多く含まれる、より硬く、より高い弾性率の層を作ることでこの問題を解決します。この領域のコラーゲン繊維（軟骨に機械的剛性を与える）は骨に直接固定され、変形の可能性を減らします。軟組織に近づき、潮線と呼ばれる領域に入ると、軟骨細胞の密度が高まり、コラーゲン繊維が再配置されて、応力分散と低摩擦が最適化されます。関節面近くの最外層は表層領域と呼ばれ、主に潤滑領域として機能します。ここでは、軟骨は高密度の細胞外マトリックスを特徴とし、プロテオグリカン（水分を放出して再吸収し、衝撃を和らげる）と、関節面と平行に配向した薄いコラーゲンが豊富で、優れたせん断抵抗特性を備えています。^[18]

変形性関節症と自然な老化は、軟骨全体だけでなく、軟骨内部の物質勾配の適切な機能にも悪影響を及ぼします。最も早い変化は、多くの場合、組織の中で最も柔らかく、最も潤滑性の高い表面領域で発生します。この層の劣化は、同じ変形をサポートするように設計されていない深層にさらなるストレスを与える可能性があります。老化のもう 1 つの一般的な影響は、コラーゲン繊維の架橋の増加です。これにより、軟骨全体が硬くなり、硬い組織は疲労による破損の影響を受けやすくなるため、これも早期の破損につながる可能性があります。石灰化した領域の老化は、通常、ミネラル沈着物の増加にもつながり、同様に望ましくない硬化効果をもたらします。^[19]変形性関節症はより極端な影響を及ぼし、軟骨を完全に摩耗させ、骨と骨が直接接触する原因となる可能性があります。^[20]

軟骨と滑液に豊富に含まれる糖タンパク質であるルブリシンは、軟骨の生体潤滑と摩耗保護に大きな役割を果たしています。^[21]

軟骨の修復能力には限界があります。軟骨細胞は小窩に閉じ込められているため、損傷した部位に移動できません。そのため、軟骨損傷は治癒しにくいのです。また、硝子軟骨には血液供給がないため、新しい基質の沈着は遅くなります。過去数年にわたり、外科医と科学者は、関節置換の必要性を遅らせるのに役立つ一連の軟骨修復手順を考案してきました。膝軟骨の半月板の裂傷は、多くの場合、外科的に切除することで問題を軽減できます。

細胞「足場」材料と培養細胞を使用して人工軟骨を成長させ、新しい軟骨を生成するための生物工学技術が開発されています。 ^[22]このような目的のための基礎材料として、凍結融解PVA ハイドロゲルに関する広範な研究が行われてきました。 ^[23]これらのゲルは、生体適合性、耐摩耗性、衝撃吸収性、摩擦係数、柔軟性、潤滑性の点で大きな期待が寄せられており、ポリエチレンベースの軟骨よりも優れていると考えられています。ウサギに人工半月板としてPVAハイドロゲルを2年間移植したところ、ゲルは劣化、破損、または特性の損失がなく、そのままの状態であることが示されました。^[23]

軟骨に影響を及ぼす病気はいくつかあります。軟骨異栄養症は、軟骨の成長障害とそれに続く骨化を特徴とする一連の病気です。以下に、軟骨に影響を及ぼす一般的な病気をいくつか挙げます。

• 変形性関節症: 変形性関節症は関節全体の病気ですが、最も影響を受ける組織の 1 つは関節軟骨です。骨を覆う軟骨 (関節軟骨 - 硝子軟骨のサブセット) が薄くなり、最終的には完全に摩耗して、関節内で「骨と骨がぶつかる」状態になり、動きが制限され、痛みが生じます。変形性関節症は、高いストレスにさらされた関節に影響するため、真の病気ではなく「摩耗と断裂」の結果であると考えられています。変形性関節症は、関節を人工関節に置き換える関節形成術によって治療されます。人工関節は、多くの場合、ステンレス鋼合金 (コバルトクロモリ) と超高分子量ポリエチレンで作られています。コンドロイチン硫酸またはグルコサミン硫酸のサプリメントは、変形性関節症の症状を軽減すると言われていますが、この主張を裏付ける十分な証拠はほとんどありません。^{[24]変形性関節症では、炎症性サイトカインやケモカインの発現増加により、分化した軟骨細胞の機能に異常な変化が生じ、マトリックス}メタロプロテアーゼやアグリカナーゼなどの因子を介して軟骨細胞の過剰な分解活性につながります。^[25]
• 外傷による断裂または剥離: 膝の軟骨は頻繁に損傷しますが、膝軟骨置換療法によって部分的に修復できます。アスリートが膝の「軟骨」の損傷について話す場合、多くの場合、関節軟骨ではなく、損傷した半月板 (線維軟骨構造)について言及しています。
• 軟骨無形成症：乳児期および小児期に長骨の骨端線における軟骨細胞の増殖が減少し、小人症を引き起こす。
• 肋軟骨炎：肋骨の軟骨の炎症により胸痛を引き起こします。
• 椎間板ヘルニア：椎間板の非対称な圧迫により、袋状の椎間板が破裂し、その柔らかい内容物がヘルニア化します。ヘルニアは隣接する神経を圧迫し、腰痛を引き起こすことがよくあります。
• 再発性多発軟骨炎：おそらく自己免疫による軟骨の破壊で、特に鼻と耳の軟骨が変形します。喉頭が硬直を失い潰れるため、窒息して死に至ります。

軟骨組織からなる腫瘍は、良性でも悪性でも発生する可能性があります。腫瘍は通常骨に発生し、まれに既存の軟骨に発生します。良性の腫瘍は軟骨腫、悪性の腫瘍は軟骨肉腫と呼ばれます。他の組織から発生する腫瘍も軟骨のような基質を形成することがあり、最もよく知られているのは唾液腺の多形性腺腫です。

軟骨のマトリックスはバリアとして機能し、リンパ球の侵入や免疫グロブリンの拡散を防ぎます。この特性により、組織拒絶反応を恐れることなく、ある個人から別の個人への軟骨 移植が可能になります。

軟骨は、通常の生体内ではX線を吸収しないが、滑膜に染料を注入することで、 X線を染料に吸収させることができる。その結果、骨と半月板の間にあるレントゲン写真上の空隙が軟骨を表す。生体外X線スキャンでは、外側の軟部組織は除去される可能性が高いため、軟骨と空気の境界は、X線の屈折により軟骨の存在を対比するのに十分である。^[26]

軟骨魚類（軟骨魚類）またはサメ、エイ、ギンザメは、完全に軟骨で構成された骨格を持っています。

軟骨組織は、カブトガニなどの一部の節足動物、海生巻貝や頭足動物などの一部の軟体動物、およびサベリッド多毛類などの一部の環形動物 にも見られます。

節足動物で最も研究されている軟骨は、カブトガニの鰓軟骨である。これは、他の節足動物には相同性のない、大きく球状の空胞軟骨細胞による小胞細胞が豊富な軟骨である。カブトガニに見られる他のタイプの軟骨は、内胸骨軟骨である。これは、線維性成分中に典型的な形態の軟骨細胞を持つ線維性硝子軟骨で、脊椎動物の硝子軟骨よりもはるかに線維性があり、コンドロイチン硫酸抗体に対して免疫反応性のあるムコ多糖類を含む。他の節足動物にも内胸骨軟骨と相同組織がある。^[27]カブトガニの胚は、えら軟骨と内胸骨にColAとヒアルロン酸を発現しており、これはこれらの組織が線維性コラーゲンベースの軟骨であることを示している。内胸骨軟骨はHhを発現する腹側神経索の近くに形成され、ColAとSox9類似体であるSoxEを発現する。これは鰓軟骨組織でも見られる。^[28]

頭足動物では、軟骨の研究にOctopus vulgarisとSepia officinalisがモデルとして用いられている。頭足動物の頭蓋軟骨は無脊椎動物の軟骨であり、脊椎動物の硝子軟骨によく似ている。成長は細胞が周辺から中心に向かって移動することで起こると考えられている。軟骨細胞は組織内の位置に応じて異なる形態を示す。^[27] S. officinalis の胚は頭蓋軟骨や軟骨形成の他の領域でColAa、ColAb、ヒアルロン酸を発現している。これは軟骨が線維状コラーゲンベースであることを意味している。S . officinalisの胚はhhを発現しており、その存在がColAaとColAbの発現を引き起こし、増殖細胞を未分化に維持することもできる。この種は、発達中の軟骨において、脊椎動物のSox5/6およびSox9の類似体であるSoxDおよびSoxEの発現を示すことが観察されている。軟骨の成長パターンは脊椎動物の軟骨と同じである。^[28]

腹足類では、歯舌を支える軟骨組織である歯軋骨に注目が集まっている。この組織に関して最も研究されている種は、 Busycotypus canaliculatusである。歯軋骨は小胞細胞を多く含む軟骨で、ミオグロビンを含む空胞細胞で構成され、コラーゲンを含む少量の細胞外マトリックスに囲まれている。モノアラガイや植物を食む他の軟体動物の場合、歯軋骨には軟骨細胞とともに筋細胞も含まれる。^[27]

サベリッド多毛類、または羽毛ぼうき虫は、触手を支える細胞と基質が特殊化した軟骨組織を持っています。この動物には2つの異なる細胞外基質領域があります。これらの領域は、軟骨様基質と呼ばれるコラーゲン含有量の高い無細胞繊維領域と、骨様基質と呼ばれる高度に細胞化されたコアを持たないコラーゲンの領域です。軟骨様基質は骨様基質を取り囲んでいます。無細胞繊維領域の量はさまざまです。サベリッド多毛類の軟骨の研究に使用されるモデル生物は、Potamilla種とMyxicola infundibulumです。^[27]

維管束植物、特に種子や一部のキノコの茎は、軟骨を含まないにもかかわらず、「軟骨植物」と呼ばれることがあります。^[29]

• Cartilage.org、国際軟骨再生・関節保存協会
• KUMC.edu 2011-04-08 にWayback Machineにアーカイブ、軟骨チュートリアル、カンザス大学メディカルセンター
• Bartleby.com、グレイの解剖学からのテキスト
• MadSci.org、「耳と鼻の成長は止まらない」と聞いたことがあります。これは間違いですか?
• CartilageHealth.com、関節軟骨損傷の予防、修復、リハビリテーションに関する情報
• About.com 2011-07-07 にWayback Machineでアーカイブ、 変形性関節症
• 軟骨の種類
• TheFreeDictionary のさまざまな軟骨
• 軟骨の顕微鏡写真