Knorpelstruktur wird sichtbar
Die Knorpelfeinstruktur des Gelenkknorpels setzt sich zusammen aus Knorpelzellen, die etwa 5 Prozent des Knorpelgewebes ausmachen, und der dazwischengelegenen geformten und ungeformten Knorpelmatrix, die das außerhalb der Zellen gelegene Zellzwischenraumgewebe darstellt. Die Knorpelmatrix besteht aus
einer unstrukturierten Zwischenzellgrundsubstanz. Sie besteht zu 70 Prozent aus Wasser und ist nicht durch Blutgefäße, Nerven oder Rezeptoren versorgt. Die Ernährung und der Abtransport von Abbauprodukten laufen passiv über einen Konzentrationsausgleich mit den angrenzenden Geweben ab.
einer dreidimensionalen netzwerkartigen Gitterstruktur aus Kollagenfasern, die sich in der Zwischenzellgrundsubstanz ausgespannt.
Das Verhältnis der Grundsubstanz zum Faseranteil variiert in Abhängigkeit von der Lage und der Funktion. Die rundlichen Knorpelzellen sind von der Knorpelmatrix umgeben. Sie kommen gruppiert (drei bis fünf Zellen) vor und bilden das Eiweiß für die Kollagenfasern und die Baustoffe für die Knorpelgrundsubstanz.
Bausteine des Gelenkknorpels
Die Knorpelzellen produzieren Eiweiß-Zucker-Verbindungen, sogenannte Proteoglykane. Sie bestehen aus einem Kerneiweißmolekül und Vielfachzucker-Einheiten, den Glukosaminoglykanen. Im Gelenkknorpel sind das Chondroitinsulfat, Dermatansulfat, Keratansulfat und Heparansulfat. Das größte Proteoglykan ist auch das häufigste, das Aggrekan. Es besteht aus mehr als 100 Chondroitinsulfat- und Keratansulfatketten. Die Aggrekane sind über Hyaluronsäure und Proteine miteinander verbunden.
Die Knorpelmatrix besteht aus natürlich vorkommenden körpereigenen Bausteinen:
Die Eiweiß-Zucker-Verbindung Aggrekan macht 10 Prozent des Knorpelgewichts aus. An einem langen Hyaluronsäurefaden hängen meist mehrere Aggrekan-Moleküle. Aggrekan besteht aus den beiden großen Molekülen Keratansulfat und Chondroitinsulfat.
Glykosaminoglykanen (GAG) – in diesem Fall steht Gag nicht für Witz. Die Abkürzung soll Ihnen helfen, das schwierige Wort Glykosaminoglykane besser lesen zu können. Sie stellen die wichtigsten Gelenknährstoffe dar:Chondroitin kann sehr viel Wasser binden und sorgt dafür, dass der Knorpel elastisch bleibt.Glukosamin ist ein Aminozucker. Auch er liefert den Gelenken Wasser. Er ist nützlich zur Bildung der Gelenkflüssigkeit. Er wird auch für den Einbau von Schwefelverbindungen gebraucht, die dem Knorpel Festigkeit geben und für den Stoffwechsel der Knorpelzellen nötig sind.Hyaluronsäure, ein langkettiges Glykosaminoglykan, ist im Gelenkknorpel für dessen biomechanische Funktion sehr wichtig.
Kollagen ist ein Strukturprotein. Es liefert wichtige Aminosäuren für die Bildung neuer Knorpelzellen, kann also den Stoffwechsel im Gelenk anregen.
Glykosaminoglykane verbinden sich mit Eiweißen zu noch größeren Molekülen, den Proteoglykanen. Proteoglykane und Kollagene sind für die Stabilität und die Wasserbindung des Knorpels von großer Bedeutung. Sie haben Einfluss auf die Bewegung von Molekülen durch die Knorpelmatrix.
Glykosaminoglykane (GAG) sind Kohlenhydrate aus langen unverzweigten Zuckerketten. Sie bilden einen großen Komplex aus Molekülen, der Wasser enthält und sich durch hohe Elastizität und Flexibilität auszeichnet. Darauf beruht die hervorragende stoßdämpfende Wirkung dieser gelartigen Matrix. Die GAG bilden das Gerüst vieler Stoffe, die Fasern produzieren können. Ihre hohe Elastizität verdanken sie ihrem Vermögen, Wasser aufnehmen zu können. Der gesunde Knorpel lässt sich an dieser Stelle mit einem Schwamm vergleichen, der sich mit Wasser vollsaugen kann. Die Struktur der GAG-Matrix, die durch das gebundene Wasser sehr dynamisch und flexibel ist, kann extreme Kompressionsdrücke kompensieren. Sie erweist sich daher als Schutz der Gelenke vor mechanischer Überlastung.
Hyaluronsäure ist das einfachste GAG. Man findet Hyaluronsäure sowohl im Knorpelgewebe als auch in der Gelenkflüssigkeit. Durch ihre Fähigkeit, Wassermoleküle flexibel und dynamisch aufzunehmen und wieder abzuspalten, wirkt sie wie ein Schmiermittel in den Gelenken. Die Funktionen der Hyaluronsäure lassen sich wie folgt beschreiben:
Gleitverhältnisse im Gelenkspalt optimieren
Gelenkinnenhaut zur Produktion von Hyaluronan stimulieren
verhindern, dass GAG aus der Knorpelmatrix in die Gelenkhöhle abwandern
die weißen Blutkörperchen und Immunzellen hemmen und dadurch vor Knorpelabbau schützen
Gelbildner mit Stoßdämpferfunktion
Kollagen ist das Struktureiweiß des Bindegewebes. Es sind jeweils bestimmte Kollagentypen in den unterschiedlichen Körpergeweben zu finden:
Kollagen Typ I: Knochen, Sehnen, Bänder, Faszien, Haut, Faserknorpel
Kollagen Typ II: knorpeliges Bindegewebe, Hyalinknorpel, elastischer Knorpel, Faserknorpel
Kollagen Typ III: Haut, Gefäßwände, innere Organe
Kollagen Typ IX: hyaliner Knorpel und Glaskörper des Auges
Im Knorpelgewebe machen die Kollagenfasern den größten Anteil an Molekülen aus. Die Kollagenfasern sind Voraussetzung für die Elastizität des Gelenkknorpels und dessen Stabilität gegenüber Scherkräften. Die einzelnen Kollagenfasern sind chemisch fest gebunden. Zusätzlich wird das gesamte Netzwerk noch durch Kollagentyp IX stabilisiert.
Knorpel – Schicht für Schicht
Der Gelenkknorpel lässt sich aufgrund der Anordnung der faserartigen Bausteine des Kollagens in vier Schichten unterteilen. Das ist das offensichtlichste Unterscheidungsmerkmal. Wenn Sie aber genauer hinschauen, erkennen Sie, dass die einzelnen Zonen sich in weiteren Eigenschaften unterscheiden: durch Größe, Form der Zellen, Orientierung der Zellen und Fasern zur Gelenkfläche sowie die metabolische Aktivität.
Wenn Sie an die Architektur einer Arkade denken, können Sie sich das Fasergefüge vorstellen: Die Kollagenfibrillen steigen vom Knochen ausgehend in Richtung Gelenkoberfläche auf. Vor dem Erreichen der Oberfläche biegen sie sich, um anschließend fast parallel zur Gelenkoberfläche zu verlaufen. Eine zweite Biegung folgt und sie erstrecken sich wieder in Richtung Knochen. Vom Gelenkspalt Richtung Knochen folgen diese vier Zonen aufeinander:
1 In der oberflächlichen Knorpelzone verlaufen die Kollagenfibrillen so, dass sie die gekrümmte Oberfläche an nur einem Punkt berühren. Sie können dadurch Zugspannungen auffangen. Auch die Knorpelzellen sind parallel zur Gelenkoberfläche ausgerichtet. Sie bilden eine kollagenreiche Gitterstruktur aus.
2 In der zweiten Schicht, die als Übergangszone bezeichnet wird, biegen sich die Kollagenfibrillen um. In diesem Bereich sind die Knorpelzellen rundlicher als in der oberflächlichen Knorpelzone und finden sich häufig gruppiert vor.
3 Die breiteste Schicht des Gelenkknorpels ist die tiefe Zone, die Radiärzone. Hier verlaufen die Kollagenfibrillen quasi senkrecht zur Gelenkoberfläche. Ebenso sind die Funktionseinheiten des Knorpelgewebes, die aus ein oder mehreren Knorpelzellen bestehen, vertikal ausgerichtet. Die Radiärzone ist