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靭帯の機能、構造治癒過程


靭帯の構造

靱帯は、関節を通過し骨に固定されるコラーゲン組織の密集した帯である。

靭帯はしばしば、その表面を覆う「epiligament」と呼ばれるより血管性の被覆層を有しておりこの層は、損傷しにくく、靭帯の付着部位の周囲の骨の骨膜に融合する。

epiligamentを除去すると、靱帯の線維構造が露出する。

この線維構造はさらに、平行な線維のグループに階層的に組織化され、bundlesと呼ばれる。

これらの階層を分離するのが困難である。

つまりbundlesが相互接続されていることを示唆している。

靭帯は関節が動く単一の構造物のように見えるが、骨の位置や骨にかかる力によっては線維が引き締まったりゆるんだりすることがあり、これらの構造物が当初考えられていたよりも複雑であることを確認できる。

最近の報告は損傷と加齢に伴う関節神経支配の破壊が変形性関節症の病因に役割を果たしている可能性を示唆しているが、その病態形成は多因子性である可能性が高く、確固たる結論を下すにはさらなる研究が必要である。

顕微鏡レベルでは、もっと複雑で、線維芽細胞とよばれる細胞が基質に囲まれている。

この細胞はマトリックスの合成に関与しており、その数は比較的少なく、靭帯全体の体積のわずかな割合を占める。

これらの細胞は、物理的および機能的に隔離されているように見えるが、最近の研究は、正常な靭帯細胞が、隣接する細胞からの長く伸びて、細胞質の伸びた部分によって連絡し、精巧な三次元構造を形成することを示している。

ギャップ結合は、これらの細胞のつながりに関連して検出され、細胞間の連絡の可能性と、組織全体の細胞および代謝反応を調整する可能性を高めている。

圧着部は、生体力学的役割を果たすと考えられており、おそらく、負荷の増加に伴う靭帯状態に関連して、靭帯の一部の領域が圧着されず、損傷を維持することなく靭帯を伸長させる可能性がある。

生化学的には、靭帯は約2/3が水で1/3が固体であり、水は細胞機能と粘弾性に寄与している。

靱帯の構成成分は、主にコラーゲン(I型コラーゲンはコラーゲンの85%を占め、残りはIII型、VI型、V型、XI型、XIV型からなる)であり、乾燥重量の約75%を占め、残りはプロテオグリカン(1%未満)、エラスチン、及びアクチン、ラミニン及びインテグリンのようなタンパク質及び糖タンパク質によって構成される。

すべての乾燥重量成分の特徴が明らかにされているわけではなく、これは引き続き研究の焦点となっている領域である。

超微細構造研究は、コラーゲン線維が実際にはより小さな線維から構成されることを明らかにした。

分子レベルでは、コラーゲンはプロコラーゲン分子として合成され、微小管とよばれる細胞内構造物を介して細胞外空間に分泌される。

いったん細胞の外に出ると、三重らせんのコラーゲン分子が整列して原線維を形成し始め、次に繊維を形成する。

この段階はリシルオキシダーゼとよばれる特殊な酵素によって促進される。

リシルオキシダーゼは分子内および分子間に安定な架橋を形成する過程で架橋形成を促進する。

架橋形成はコラーゲン線維に信じられないほどの強度を与える重要な段階である。

成長および発達の間、架橋は比較的未熟であり、可溶性であるが、加齢と共に成熟し、不溶性となり、強度が増大する。

靭帯の機能

靱帯の主な機能の1つは、関節を受動的に安定させ、引張荷重が加えられたときに関節を正常な可動域に導くのを助ける機械的なものである。

靭帯は非線形異方性機械的挙動を示し、低負荷条件下では比較的柔軟性があるが、これはコラーゲンおよび他のマトリックス材料の粘弾性および相互作用によると考えられる。

靭帯へ負荷をかけ続けると、ほぼ直線的な剛性を示す段階に達するまで剛性が増加し、その後、靭帯は破壊されるまでエネルギーを吸収し続ける。

もう一つの靭帯機能は、関節ホメオスタシスを提供するのを助ける粘弾性挙動に関連する。

靭帯のクリープ現象は、一定または周期的な繰り返し荷重の下での変形(または伸び)として定義される。

過度のクリープが関節の弛緩をもたらしさらなる損傷の素因となるため関節損傷または再建手術を考慮する場合に特に重要である。

靭帯の第3の機能は関節固有感覚における役割であり、これは空間における肢位の意識的知覚と呼ばれる。

膝のような関節では、固有感覚は主に関節、筋肉、皮膚の受容体によって伝えられる。

靭帯が緊張すると、神経学的フィードバック信号を引き起こし、それが筋収縮を活性化し、これが関節位置覚に役割を果たす。

正常な靭帯機能および損傷時における固有感覚の役割を解明するための進歩が続いているが、より正確な定量化が進行中の分析の主題である。

靭帯損傷

靭帯は外傷性の関節損傷で断裂することが最も多く、その結果、部分的または完全な靭帯損傷を来すことがある。

部分断裂の研究は困難であるため、完全断裂に焦点を当てる。

ウサギモデルを参照すると、内側側副靭帯は、炎症を伴う出血、基質および細胞の増殖、最終的にリモデリングおよび成熟という三つの段階を含む過程によって治癒する。

1段階では、破壊された靭帯末端の退縮、凝血塊の形成、その後の再吸収および細胞浸潤が起こる。

その後、破壊された末端で肥大性血管反応が起こり、血管分布と血流の両方が増加し、両方とも時間とともに減少する。

増殖期は、肥大線維芽細胞による「瘢痕組織」の産生と定義される。

この瘢痕組織は組織学的に正常な靱帯マトリックスよりも多くの欠損(多くの血管、脂肪細胞、線維芽細胞、炎症細胞、疎性結合組織)が同定される。

数週間後、コラーゲン原線維のタイプは異常であり(タイプIに関連したタイプIIIの増加とタイプVの増加)、コラーゲン原線維は増殖している組織においてより小さな直径計を有するという事実にもかかわらず、コラーゲンは靭帯の長軸と非常によく整列するようになる。

靭帯治癒の第3相はマトリックスリモデリングである。

瘢痕の欠損は充填され、マトリックスは時間とともにより靭帯様になるが、組成、構造および機能におけるいくつかの主要な差異は持続する。

持続する差異には、変性前プロテオグリカン、およびコラーゲンタイプ、コラーゲン架橋の障害、小さなコラーゲン線維直径の持続、変化した細胞結合、増加した血管、異常な神経支配、増加した細胞性およびマトリックスの不完全な分解がある。

リモデリング相では、粘弾性特性は正常の10~20%以内に回復し、瘢痕はストレスをより大きく緩和する傾向があり、したがって正常な靭帯より効果的に負荷を維持しないことを意味する。

また、瘢痕組織は、静的荷重中に通常の2倍のクリープを生じる。

生体力学的には、長期にわたる靭帯の回復または治癒は、初期間隙の大きさ、断裂した靭帯端部の間に接触が存在するかどうか、およびそれらが受ける関節運動の程度を含む多数の変数に依存し得る。

靭帯を元の性質や機能に戻す「治癒」ために、多くの異なる戦略が用いられてきた。

制御された関節運動、生化学的調節、外科的修復、移植、遺伝子治療、および組織工学のようないくつかは、靭帯治癒の理解に役立ってきたが、完全な靭帯治癒は依然として不明瞭で今後の研究の継続的焦点であり続けるであろう。

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