Morfologia i funkcja chrz�stki stawowej
Morphology and function of the articular cartilage
Bogdan Ciszek
ZakĆad Anatomii PrawidĆowej Centrum Biostruktury
Akademii Medycznej w Warszawie
Streszczenie Summary
W pracy przedstawiono aktualne pogl�dy na budo- The paper presents contemporary concepts on the
wć i biomechanikć chrz�stki stawowej. Chrz�stka morphology and biomechanics of the articular
stawowa wićkszoĄci stawów jest chrz�stk� szklist�. cartilage. In the majority of synovial joints articular
Utworzona jest przez powierzchown� warstwć cartilage is a hyaline cartilage. Superficial layer it is
styczn�, nastćpnie le�y warstwa poĄrednia o ró�no- tangential zone followed by transitional and radial
kierunkowym ukĆadzie wĆókien kolagenowych, zones. Deepest layer is composed of the calcified
warstwa promienista i warstwa zwapniaĆej chrz�stki cartilage. Underneath subchondral bone is visible.
le��ca na podchrzćstnej warstwie koĄci. Obie ostat- Last two layers are called subchondral plate.
nie warstwy tworz� pĆytkć podchrzćstn�. Dzićki za- Proteoglicans binding water are source of formation
wartoĄci proteoglikanów wi��cych wodć we wnć- of swelling pressure. It give to the cartilage bio-
trzu chrz�stki powstaje tzw. ciĄnienie obrzmienia mechanical resistance necessary to maintain funct-
odpowiadaj�ce za bimechaniczn� wytrzymaĆoĄ� ion of the locomotory system.
chrz�stki. [Acta Clinica 2001 1:10-14] [Acta Clinica 2001 1:10-14]
Key words: cartilage, synovial joint, biomechanics
SĆowa kluczowe: chrz�stka, staw, biomechanika
Wprowadzenie my panewkć  wklćsĆ� powierzchnić sta-
wow� oraz wypukĆ� gĆówkć. Panewki po-
Chrz�stka stawowa w wićkszoĄci sta- wstaj� na końcu koĄci w pobli�u przycze-
wów jest chrz�stk� szklist�. W stawach pów mićĄni, natomiast gĆówki le�� na koń-
przedzielonych kr�kiem Ąródstawowym cach bardziej oddalonych od przyczepów
takich jak staw skroniowo-�uchwowy, mićĄniowych. Chrz�stka stawowa panewek
mostkowo-obojczykowy i obojczykowo-bar- jest na ogóĆ bardziej mićkka ni� chrz�stka
kowy powierzchnie stawowe pokryte s� pokrywaj�ca gĆówki stawów. Z wiekiem
chrz�stk� wĆóknist�. chrz�stka traci sprć�ystoĄ� staje sić bardziej
Powierzchnia chrz�stki stawowej jest �óĆta i coraz cieńsza.
gĆadka i Ąwiec�ca. Le�y ona na warstwie GruboĄ� chrz�stki jest ró�na w za-
zwapniaĆej chrz�stki Ć�cz�cej sić bezpoĄred- le�noĄci od stawu. Najgrubsza warstwa wy-
nio z koĄci�. stćpuje w strzaĆkowej listewce rzepki, gdzie
Dzićki du�ej sprć�ystoĄci chrz�stka sićga 6 mm. �rednio wynosi ona od 0,5 do
z ĆatwoĄci� odksztaĆca sić pod wpĆywem 2 mm. Chrz�stka grubieje w centrum
obci�eń przenoszonych w czasie ruchów gĆówki, a staje sić coraz cieńsza w obrćbie
stawu. W typowym stawie wyró�ni� mo�e- Ąrodka panewki.
10 " Marzec 2001
Morfologia i funkcja chrz�stki stawowej
stawu okreĄlana jest mianem  lamina sple-
dens jest pozbawiona komórek i ma gru-
boĄ� 3 m (17). Inni (14) opisuj� tć war-
stwć jako superficial tangential zone utwo-
rzon� przez ciasno utkane pćczki wĆókien
kolagenowych równolegĆych do powierzch-
Ryc. 1. Makroskopowy przekrój stawu.
ni stawu i tworz�cych warstwć o gruboĄci
od 1 do 200 m. Zawiera maĆo glikozami-
Najistotniejsz� wĆasnoĄci� chrz�stki
noglikanów i jest bogata w kwas hialurono-
stawowej jest jej odpornoĄ� na tarcie. Roz-
wy. CaĆa warstwa styczna tworzy 10% gru-
wija sić zreszt� najlepiej tam gdzie najbar-
boĄci chrz�stki(13) i ma charakter bĆony
dziej jest na tarcie nara�ona. Ograniczenie
otaczaj�cej chrz�stkć stawow�.
ruchomoĄci stawu prowadzi do stopniowe-
W kolejnej warstwie (stratum interme-
go zarastania jego jamy stawowej.
dium sive transitionale) która stanowi 40%
W zasadzie regeneracja chrz�stki sta-
gruboĄci chrz�stki wĆókna kolagenowe
wowej jest niemo�liwa, gdy� nie posiada
przebiegaj� skoĄnie.
ona ochrzćstnej, od której mogĆaby postć-
powa� regeneracja.
Chrz�stka stawowa jest nie unerwiona
i nie ma naczyń krwionoĄnych ani chĆon-
nych. Jest zatem od�ywiana caĆkowicie po-
przez dyfuzjć od strony jamy stawu. Od
naczyń warstwy podchrzćstnej odchodz�
jednak kapilary które penetruj� do warstwy
zwapniaĆej chrz�stki a nawet przechodz�
przez ni�. Ocenia sić, �e w ten sposób
Ryc. 2. Warstwowa budowa chrz�stki stawowej.
z ukĆadem naczyniowym ma kontakt od
1 do 7% powierzchni chrz�stki. Dalej le�y warstawa promienista (stra-
tum radiale) gdzie wĆókna przebiegaj� pro-
Struktura chrz�stki stawowej stopadle do powierzchni stawu.
NajgĆćbsz� warstwć stanowi warstwa
Chondrocyty stanowi� zaledwie 1% ob- zwapniaĆej chrz�ski stykaj�ca sić z warstw�
jćtoĄci chrz�stki (4). W macierzy chrz�stki podchrzćstn� koĄci. Obie gĆćbsze warstwy
otaczaj�cej chondrocyty przebiegaj� wĆókna stanowi� 50% gruboĄci chrz�stki.
kolagenowe. Przy powierzchni i w otocze-
niu jamek maj� strukturć splotowat�, Biomechanika chrz�stki stawowej
w wićkszoĄci s� pr�kowane z okresem
64nm. UkĆad wĆókien opisywany jest jako Chrz�stka ma bardzo niski wspóĆczyn-
splotowaty, helikalny oraz radialny. nik tarcia 0,01  0,02 który spada wraz ze
Chrz�stka stawowa ma budowć war- wzrostem obci�enia. Chocia� powierzch-
stwow�. Warstwa powierzchowna (stratum nia chrz�stki stawowej opisywana jest zwy-
tangentiale) utworzona jest przez maĆe ko- czajowo jako gĆadka to jednak w rzeczy-
mórki o charakterze zbli�onym do fibro- wistoĄci posiada doĄ� skomplikowan�
blastów oraz liczne styczne do powierzchni strukturć.
stawowej wĆókna kolagenowe. Najbardziej Jak powszechnie wiadomo powierzch-
powierzchowna warstwa zwrócona do jamy nie stawowe przyjmuj� ksztaĆty, które kla-
Tom 1, Numer 1 " 11
Acta Clinica
syfikujemy do szeregu typów. Wyró�niamy miotu pneumatycznego utrzymywanego
zatem stawy kuliste, eliptyczne (kĆykciowe), dzićki ci�gĆej pracy pompy. Powierzchnić
siodeĆkowate, zawiasowe (bloczkowe), obro- namiotu stanowi warstwa styczna, a rolć
towe (ksztaĆt cylindra), Ąrubowe i pĆaskie. pompy odgrywaj� proteoglikany wi��ce
Na podstawowy zarys powierzchni sta- wodć (1).
wowej nakĆada sić drugorzćdowe pofaĆdo- Ostatnie dane wskazuj� na to i� cha-
wanie o odlegĆoĄciach pomićdzy szczytami rakter napić� w chrz�stce powstaj�cych bez
grzebieni od 0,1 do 0,5 mm, trzeciorzćdowe jej obci�enia nie jest jednakowy. Warstwa
zagĆćbienia o Ąrednicy 20  50 m i gĆćbo- gĆćbsze podlegaj� Ąciskaniu, podczas gdy
koĄci 0,5  2 m oraz czwartorzćdowe grze- warstwy bardziej powierzchowne podlegaj�
bienie o szerokoĄci do 4 m (10). WspóĆ- rozci�ganiu. Koresponduje to z wićksz�
czynnik tarcia chrz�stki ulega znacznemu sztywnoĄci� warstw powierzchownych. By�
obni�eniu pod wpĆywem pokrycia jej po-
wierzchni mazi� stawow�.
Powierzchnia chrz�stki wykazuje cha-
rakterystyczne linie pćknićcia (split lines)
powstaj�ce po nakĆuciu powierzchni okr�g-
� ig�. S� one charakterystyczne dla ka�de-
go stawu. Wg wielu badaczy ich przebieg
Ryc. 3. Koncepcja powstawania ciĄnienia obrzmie-
ma odzwierciedla� przebieg linii napićcia
nia w chrz�stce na podobieństwo namiotu pneuma-
w obrćbie chrz�stki. Koncepcjć t� potwier-
tycznego (1).
dziĆy badania w mikroskopie polaryzacyj-
nym oraz elektronowym. Inni autorzy uwa- mo�e ma to tak�e wpĆyw na metaboliczn�
�ali z kolei �e przebieg linii pćknićcia i tym aktywnoĄ� chondrocytów w ró�nych war-
samym sposób uporz�dkowania wĆókien ko- stwach chrz�stki stawowej (15).
lagenowych odzwierciedla kierunek gĆów- Ł�cznie zwapniaĆa chrz�stka i pod-
nych ruchów w stawie, a nie jego obci�e- chrzćstna warstwa koĄci okreĄlane s� mia-
nie. Inni autorzy uwa�aj�, �e podstawow� nem pĆytki podchrzćstnej (subchondral
funkcj� kolagenu chrz�stki stawowej nie jest plate). GruboĄ� tej warstwy znacznie lepiej
przenoszenie obci�eń a utrzymywanie koreluje z wielkoĄci� nacisku ni� sama gru-
struktury domen wiscoelastycznych utwo- boĄ� chrz�stki. W badaniach Mil-
rzonych przez proteoglikany chrz�stki pod- tza i Putza okreĄlono gruboĄ� pĆytki pod-
legaj�cej deformacji i przemieszczeniu (16). chrzćstnej plateau piszczeli (11). Stwier-
Macierz chrz�stki skĆada sić z wody dzono, �e obwodowo ma ona wartoĄ�
(60%-80% caĆej masy) kolagenu (60% su- 100  300 m zwićkszaj�c sić centralnie do
chej masy) i proteoglikanów (30% suchej ponad 1500 m. Autorzy stwierdzili �e
masy). Proteoglikany skĆadaj� sić z glikoza- rozkĆad gruboĄci w przybli�eniu koreluje
minoglikanów poĆ�czonych z biaĆkowym z obszarem bezpoĄredniego styku po-
rdzeniem. Dzićki wielu grupom hydroksy- wierzchni stawowych koĄci udowej i pi-
lowym przyci�gaj� wodć i kationy (Na+) co szczeli. Podobne badania dotycz�ce pĆytki
powoduje powstanie gradientów osmotycz- podchrzćstnej rzepki wykazaĆy �e jest on
nych jonowych i siĆ Donana co prowadzi szczególnie gruba w obrćbie bocznej czćĄci
do indukcji wewnćtrznego dodatniego powierzchni stawowej. sićgaj�c ponad
ciĄnienia zwanego w dosĆownym tĆumacze- 2 mm (12). W tym obszarze nastćpuje tak�e
niu ciĄnieniem obrzmienia (swelling pre- najwićksze odksztaĆcenie chrz�stki stawowej
ssure). Chrz�stkć mo�na porówna� do na- rzepki przy statycznym obci�eniu (9).
12 " Marzec 2001
Morfologia i funkcja chrz�stki stawowej
w sĆabo obci�anym obszarze, o gorszych
wĆasnoĄciach mechanicznych (3).
Zmiany zwyrodnieniowe w tym stawie
dotycz� najczćĄciej dolnej powierzchni gĆo-
wy koĄci udowej oraz tzw dachu panewki.
ZwĆaszcza u mĆodych osobników ten ostat-
ni obszar ze wzglćdu na rozwijaj�c� sić do-
piero peĆn� zbornoĄ� stawu pozostaje nie
obci�ony. Z powodu podobnego braku
obci�enia peryferyjne czćĄci chrz�stki po-
krywaj�cej gĆowć koĄci udowej od strony
szyjki ulegaj� czćstemu procesowi zwyrod-
nieniowemu.
W pozycji kucznej dochodzi do lepsze-
go kontaktu powierzchni gĆowy koĄci udo-
wej i panewki. Jak wynika z obserwacji
populacyjnych spoĆecznoĄci w których po-
Ryc. 4. Sposób wyznaczenia pĆytki podchrzćstnej
(11). 1) chrz�stka stawowa, 2) chrz�stka zwapniaĆa pularna jest taka pozycja rzadko rozwijaj�
3) warstwa podchrzćstna koĄci
sić zwyrodnienia w stawie biodrowym.
Chrz�stka stawu biodrowego jest generalnie
Zetknićcie powierzchni gĆówki i pa- dwa razy sztywniejsza i jednoczeĄnie cień-
newki w stawie nie jest doskonaĆe. Czćsto sza w porównaniu ze stawem kolanowym.
obszar zetknićcia jest bardzo maĆy. PrzyĆo- Wa�nym elementem oceny chrz�stki
�enie obci�enia prowadzi wtedy do prze- Ąwiadcz�cym i jej stanie czynnoĄciowym s�
niesienia go w caĆoĄci na maĆe pole styku jej wymiary: gruboĄ� i objćtoĄ�. Okazuje sić
zwane w literaturze anglosaskiej momenta- �e chrz�stka stawowa bardzo szybko reaguje
rily loaded area  MLA. Prowadzi� to mo�e na zwićkszone obci�enie zmniejszeniem
do zahamowania wzrostu chrz�stki w tym objćtoĄci. W badaniach przeprowadzonych
obszarze i jego przyspieszenia w mniej ob- na ochotnikach (6) po wykonaniu 50 przy-
ci�onych okolicach co w efekcie prowadzi siadów objćtoĄ� chrz�stki rzepki byĆa o 6%
do zwićkszenia powierzchni kontaktu po- mniejsza po 3  7 min a po 8  12 min o ok.
mićdzy powierzchniami stawowymi. Obci�- 5% w porównaniu ze spoczynkiem.
�enie stawu krótko dziaĆaj�c� du�� siĆ� mo- W badaniach radiograficznych (2)
�e grozi� mikrouszkodzeniami chrz�stki stwierdzono �e obci�enie stawu udowego
i warstw podchrzćstnych gdy� wspomniane 4  6-krotn� mas� ciaĆa prowadzi do
ju� wiskoelestyczne wasnoĄci chrz�stki wy- zmniejszenia gruboĄci chrz�stki o 14%.
magaj� czasu, aby dostosowa� jej ksztaĆt do Badania w rezonansie magnetycznym
zmienionych warunków mechanicznych. przeprowadzono na preparatach anato-
Mechanizm ten dziaĆa przy dĆu�ej trwaj�- micznych (8) i wykazano, �e odksztaĆcenie
cym obci�eniu statycznym. Jest to jeden w stawie rzepkowo  udowym w wićkszym
z proponowanych mechanizmów rozwoju stopniu dotyczy chrz�stki stawowej rzepki
procesu zwyrodnieniowego stawów (7). (mo�e sićga� do 60% po 2 godzinach).
Badania stawu biodrowego dowodz�, �e W obrćbie chrz�stki koĄci udowej od-
u podstaw rozwoju zmian zwyrodnienio- ksztaĆcenie sićga ok. 40%. Ju� w pierw-
wych le�� morfologiczne i biomechaniczne szych 10 minutach po przyĆo�eniu obci�e-
wĆasnoĄci stawu. Zwyrodnienia rozwijaj� sić nia odksztaĆcenie osi�ga do 30%.
Tom 1, Numer 1 " 13
Acta Clinica
ObjćtoĄ� chrz�stki rzepki z 4860 mm3 6. Eckstein F., Tieschky M., Faber S.C., Haubner
M., Kolem H., Englmeier K-H Reiser M. Effect of
po jednej godzinie obci�enia spadaĆa do
physical exercise on cartilage volume and thicness in
4180 mm3 a po 3 godzinach do 3830 mm3.
vivo: MR imaging study. Radiology 207:
Ocena objćtoĄci chrz�stki caĆego stawu
243  248 1998
metod� rezonansu magnetycznego pozwala
7. Frost H.M.: Joint anatomy, design, and arthroses:
na ocenć wzrostu tkanki (w okresie rozwo- insights of the utah paradigm. Anat. Rec. 255:
162  173 1999
ju) oraz jej adaptacji do przyjmowanych
8. Harberhold C., Stammberger T., Faber S., Putz
obci�eń, a tak�e pozwala monitorowa�
R., Englmeier K,H., Reiser M., Eckstein F.: An
przebieg procesów patologicznych zwi�za-
MR-based technique for quantifying the deforma-
nych ze zniszczeniem chrz�stki. ObjćtoĄ�
tion of articular cartilage during mechanical loading
chrz�stki stawu kolanowego waha sić od
in an intact cadaver joint. MRM 39:843  850 1998
16341 mm3 do 33988 mm3. 9. Haberhold C., Faber S., Stammberger T., Stein-
lechner M., Putz R., Englmeier K.H., Reiser M.,
�rednia objćtoĄ� wynosiĆa 23124 mm3.
Eckstein F., In situ measurement of articular carti-
ObjćtoĄ� chrz�stki rzepki stanowi od 11 do
lage deformation in intact femoropatellar joints
22%, koĄci udowej 54 do 69%, boczna czćĄ�
under static loading J. Biomech 32:1287  1295
powierzchni górnej piszczeli 11  16%, czćĄ�
1999
przyĄrodkowa 7  12% caĆkowitej objćtoĄci
10. Longmore R.D., Gardner D.L. The surface
stawu. Nie stwierdzono korelacji pomićdzy structure of ageing human articular cartilage: a stu-
dy by reflected light interference microscopy
objćtoĄci� chrz�stki stawu a wiekiem, cić�a-
(RILM) J. Anat 126:353  365 1978.
rem i wysokoĄci� ciaĆa ciaĆa (5) co wydaje
11. Miltz A. Putz R. Quantative morfology of the
sić doĄ� zaskakuj�cym wynikiem.
subchondral plate J. Anat. 185:103  110 1994
12. Miltz A., Eckstein F., Putz R.: The thickness of
the subchondral plate and its correlation with the
thicknes of the uncalcified articular cartilage in the
human patella. Ant. Embryol. 192:437  44 1995
13. Modl JM, Sether L.A. Haughton VM, Kneeland
PiĄmiennictwo
JB Articular cartilage: correlation of histologic zones
with signal intensity at MR imaging Radiology
1. Akeson W.H. Amiel D. A Gershuni D.H. Articu- 1991 181:853  855.
lar cartilage physiology and metabolism. In: Resnick 14. Mow V.C. Lai W.M. Redler I Some surface cha-
D.ed. Diagnosis of bone and joint disorders 3rd ed. racteristics of articular cartilage I A scaning electron
Philadelphia Pa: Saunders 1995: 769  790 microscopy study and a theoretical model for the
2. Armstrong C. G Bahrani A.S., Gardner D.L.: In dynamic interaction of synovial fluid and articular
vitro measurement of articular cartilage deforma- cartilage J. Biomech 7:449  456 1974
tions in the intact human hip joint under load J. 15. Narmoneva D.A., Wang J.Y., Setton L.A.: No-
Bone Joint Surg. 61A 744  755 1979 nuniform swelling-induced residual strains in arti-
3. Athanasiou K.A., Agarval A., Dzida F.J.: Compa- cular cartilage J. Biomech. 32:401  408 1999.
rative study of the intrinsic mechanical proprietes of 16. Serafini-Fracassini A &Smith J The structure
the human acetabular and femoral head cartilage. and bichemistry of cartilage Churchil Livingstone
Journal of Orthopaedic Research 12:340  349 1994 Edinburgh 1974
4. Buckwalter J.A., Mankin H.G. Articular cartilage 17. Weiss C. Rosenberg L. Helfert A.J. An ultra-
I Tissue design and chondrocyte matrix interactions structural study of normal young adult human arti-
J. Bone Joit Surg (Am) 1977 79:600  611 cular cartilage J. Bone Jt Surg 50A: 663  674 1968
5. Eckstein F., Winzheimer M., Westhoff J., Schnier
M., Haubner M., Englmeier K.H., Reiser M., Putz Adres do korespondencji / Address for correspon-
R.: Quantitative relationships of normal cartilage dence: Bogdan Ciszek. ZakĆad Anatomii Prawid-
volumes of the humen knee joint  assessment by Ćowej Centrum Biostruktury Akademii Medycznej
magnetic resonance imaging. Anat Embryol w Warszawie, ul. ChaĆubińskiego 5, 02-004 War-
197:383  390 1998. szawa.
14 " Marzec 2001