臨床整形外科42巻3号

2007年03月発行

最新基礎科学／知っておきたい

関節軟骨が持つ負荷に対する微細構造変化

著者： 笹崎義弘¹

所属機関： ¹国立病院機構村山医療センター整形外科

ページ範囲：P.270 - P.275

　軟骨は力学的負荷により変形し，衝撃を吸収します．古くから，「力学的負荷による軟骨損傷はそのframeworkであるcollagenの破断である^24）」，と考えられてきましたが，力学的負荷による軟骨collagenの微細構造変化と破断のメカニズムはいまだ明らかにされていません．そこで，本稿では，力学的負荷による軟骨の変形と破断のメカニズムをマクロレベルからナノレベルまで明らかにします．牛大腿骨膝蓋関節面から軟骨表面に平行な長軸を持つ全層のダンベル型軟骨小片を作製し，それぞれの軟骨小片に引っ張り試験器を用いて無負荷の状態から完全断裂に至るまで各段階の伸張負荷を加え，固定しました．共焦点レーザー走査型顕微鏡（CLSM）と走査型電子顕微鏡（SEM），透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて，伸張負荷によるcollagen配列の変化を観察しました．軟骨表面のcollagen meshworkは，伸張負荷が増すに従い負荷と平行に配列を変化させました．25％の伸張負荷にて，軟骨最表層のcollagen線維束が破断し，さらに負荷が加わると深層のcollagen線維へと破断が進行しました．軟骨のcollagen meshworkが伸張負荷の方向に再配列することにより軟骨組織は伸張（変形）し，その後，破断が生じることが明らかになりました^20）．

参考文献

1）Benninghoff A：Form und Bau Der Gelenkknorpel In Ihren Bezieheugen zur Funktion. Zeitschrift für Zellforschung und Mikroskopishe Anatomie zur Funktion Ⅱ：783-837, 1925

2）Broom ND：Further insights into the structural principles governing the function of articular cartilage. J Anat 139：275-294, 1984

3）Broom ND, Marra DL：Ultrastructural evidence for fibril-to-fibril associations in articular cartilage and their functional implication. J Anat 146：185-200, 1986

4）Broom ND, Chen MH, Hardy A：A degeneration-based hypothesis for interpreting fibrillar changes in the osteoarthritic cartilage matrix. J Anat 199：683-698, 2001

：Ewing JW（ed）：Articular Cartilage and Knee Joint Function. Raven Press, New York；19-56, 1990

6）Bullough PG, Goodfellow J：The significance of the fine structure of articular cartilage. J Bone Joint Surg Br 50：852-862, 1968

7）Clark JM：The organization of collagen fibrils in the superficial zones of articular cartilage. J Anat 171：117-130, 1990

8）Clarke IC：Articular cartilage：A review and scanning electron microscope study. 1. The interterritorial fibrillar architecture. J Bone Joint Surg Br 53：732-750, 1971

9）Clarke IC：Articular cartilage：A review and scanning electron microscope studyⅡ. The territorial fibrillar architecture. J Anat 118：261-280, 1974

：Kuettner KE, Schleyerbach R, Peyron JG, et al（eds）：Articular Cartilage and Osteoarthritis. Raven Press, New York；119-131, 1992

：Kuettner KE, Schleyebach R, Peyron JG, et al（eds）. Articular Cartilage, and Osteoarthritis. Raven Press, New York；5-20, 1991

12）Hültkrantz W：Über die Spaltrichtungen der Gelenkknorpel. Verhandlungen der Anatomishen Gesellschaft 12：248-256, 1898

13）Jeffery AK, Blunn GW, Archer CW, et al：Three-dimentional collagen architecture in bovine articular cartilage. J Bone Joint Surg Br 73：795-801, 1991

14）Kamalanathan S, Broom ND：The biomechanical ambiguity of the articular surface. J Anat 183：567-577, 1993

：Freeman, MAR （ed）. Adult Articular Cartilage. Pitman Medical, London；333-414, 1979

16）Maroudas AI：Balance between swelling pressure and collagen tension in normal and degenerate cartilage. Nature 260：808-809, 1976

17）Meachim G, Denham D, Emery IH, et al：Collagen alignments and artificial splits at the surface of human articular cartilage. J Anat 118：101-118, 1974

：Freeman MAR（ed）：Adult Articular Cartilage. Pitman Medical, London；1-68, 1979

：Mow VC. Hayes WC（eds）：Basic Orthopaedic Biomechanics. 2nd ed. Lippincott-Raven Publishers, Philadelphia；113-177. 1997

20）Sasazaki Y, Shore R, Seedhom B：Deformation and failure of cartilage in the tensile mode. J Anat 208：681-694, 2006

21）Speer DP, Dahners L：The collagenous architecture of articular cartilage. Correlation of scanning electron microscopy and polarized light microscopy observations. Clin Orthop 139：267-275, 1979

22）Verteramo A, Seedhom BB：Zonal and directional variations in tensile properties of bovine articular cartilage with special reference to strain rate variation. Biorheology 41：203-213, 2004

23）Walker PS, Sikorski J, Dowson D, et al：Behaviour of synovial fluid on surface of the articular cartilage. Ann Rheum Dis 28：1-14, 1969

24）Weightman BO, Freeman MA, Swanson SA：Fatigue of articular cartilage. Nature 244：303-304, 1973

25）Woo SLY, Akeson WH, Jemmott GF：Measurements of nonhomogeneous, directional mechanical properties of articular cartilage in tension. J Biomech 9：785-791, 1976