Brosk

Brosk är en vattenrik, huvudsakligen avaskulär stödjevävnad vars mekaniska egenskaper bestäms av samspelet mellan kondrocyter, kollagennätverk, proteoglykaner och interstitiell vätska. Hyalint, elastiskt och fibröst brosk har skilda matrixsammansättningar och anatomiska specialiseringar för kompression, reversibel deformation respektive kombinerad drag- och tryckbelastning.

Definition, avgränsning och klassifikation

Brosk är en specialiserad stödjevävnad där kondrocyter ligger i lakuner i en omfattande extracellulär matrix. Matrixen består framför allt av vatten, kollagen, proteoglykaner och adhesiva glykoproteiner. Hos vuxna är brosk vanligen avaskulärt, saknar lymfkärl och är aneuraliskt. Smärta från en broskskada uppkommer därför främst från närliggande innerverade vävnader, exempelvis synovium, ledkapsel, ligament, subkondralt ben eller perikondrium.

Brosk skiljs från tät bindväv genom den proteoglykanrika, starkt hydrerade matrixen och från ben genom att matrixen normalt inte är mineraliserad och saknar osteoner och märgrum. Undantag är förkalkat brosk, tillväxtplattans mineraliseringszon och vissa ålders- eller sjukdomsrelaterade förkalkningar. Kondrocyternas låga täthet, ofta endast omkring 1–5 volymprocent, innebär att matrixen svarar för merparten av vävnadens volym och mekaniska funktion.

Permanent brosk kvarstår som brosk efter avslutad utveckling, exempelvis ledbrosk, revbensbrosk och elastiskt brosk. Temporärt brosk bildar däremot en modell som successivt ersätts av ben genom endokondral ossifikation. Epifysplattan är ett specialiserat temporärt brosk som möjliggör längdtillväxt tills plattan sluts.

Celler, lakuner och matrixkompartment

Kondrogena progenitorceller finns framför allt i perikondriets inre lager och i utvecklande mesenkym. När de differentierar till kondroblaster ökar produktionen av kollagen II, aggrekan och andra matrixkomponenter. En kondroblast som omges av sin egen matrix benämns kondrocyt och ligger då i en lakun. Lakunen är ett histologiskt matrixrum och ska inte förväxlas med en tom kavitet; vid preparering kan cellen krympa och lossna från lakunens vägg.

Kondrocyter kan dela sig efter att de inneslutits i matrix. Dottercellerna bildar då isogena grupper, vilka markerar interstitiell tillväxt. En kondrocyt eller isogen grupp tillsammans med omgivande pericellulär och territoriell matrix kallas chondron. Chondronen fungerar som en mikromekanisk och biokemisk enhet där matrixen filtrerar belastning och påverkar transporten av signalmolekyler till cellen.

Matrixen indelas i tre delvis överlappande kompartment. Den pericellulära matrixen ligger närmast cellmembranet och innehåller bland annat kollagen VI, proteoglykaner och adhesionsmolekyler. Territoriell matrix omger lakunen eller den isogena gruppen, är relativt proteoglykanrik och färgas därför starkt basofilt eller metakromatiskt. Interterritoriell matrix utgör den största volymen, innehåller mer organiserat fibrillärt kollagen och svarar för mycket av vävnadens övergripande drag- och lastfördelande funktion.

Extracellulär matrix: kollagen, aggrekan och vatten

I hyalint och elastiskt brosk utgör kollagen II det huvudsakliga fibrillära kollagenet. Kollagen XI deltar i fibrillbildningen och begränsar fibrillernas diameter, medan kollagen IX är fibrillassocierat och förmedlar kontakt mellan fibriller och övriga matrixmolekyler. De fina fibrillerna ligger under ljusmikroskopets upplösningsgräns i rutinpreparat, vilket bidrar till hyalint brosks homogena utseende. Kollagen kan svara för omkring 50–60 procent av broskets torrvikt.

Fibröst brosk innehåller i stället rikligt med kollagen I i grova buntar, anpassade för dragbelastning. Kollagen II finns i varierande mindre mängd, särskilt nära kondrocyterna. Kollagen X uttrycks av hypertrofa kondrocyter och förekommer i hypertrofiskt och förkalkat brosk. Det underlättar omorganisation och mineralisering av matrix inför kärlinväxt och benbildning.

Aggrekan består av ett centralt kärnprotein med många kedjor av kondroitinsulfat och keratansulfat. Flera aggrekanmolekyler binds icke-kovalent till en lång hyaluronanmolekyl och stabiliseras av länkprotein. Sulfat- och karboxylgrupperna ger en hög koncentration fasta negativa laddningar. Dessa attraherar motjoner, höjer det osmotiska trycket och drar in vatten i vävnaden. Brosk innehåller därför vanligen omkring 60–80 procent vatten.

Det osmotiska svälltrycket skulle expandera matrixen om det inte balanserades av kollagennätverkets dragspänning. Kombinationen av ett svällande proteoglykansystem och ett sammanhållande kollagennät ger hög kompressionsresistens: belastning höjer vätskepressen, medan kollagenet begränsar lateral expansion. Proteoglykanförlust minskar svälltryck och kompressionsstyvhet; kollagenskada ökar svällning, vattenhalt och risk för irreversibel deformation.

Hyalint brosk

Hyalint brosk har makroskopiskt en blåvit, halvgenomskinlig och glasartad karaktär. I H&E-färgade snitt framträder rundade eller polygonala kondrocyter i lakuner, ofta ordnade i isogena grupper. Den territoriella matrixen är mer basofil än den interterritoriella på grund av högre koncentration av sulfaterade glykosaminoglykaner.

Ledbrosk är en specialiserad form av hyalint brosk. Det saknar perikondrium och får näring huvudsakligen från synovialvätskan samt i begränsad omfattning via den osteokondrala enheten. Avsaknaden av perikondrium innebär också att någon effektiv appositionell läkning inte kan ske. Ytans struktur och zonala organisation är i stället anpassade till glidning och återkommande kompression.

Övrigt hyalint brosk omges vanligen av perikondrium, med undantag för vissa övergångar och förkalkade områden. I trakea och bronker ger C-formade eller oregelbundna brosksegment radiell stadga, medan glatt muskulatur och bindväv medger förändring av lumen. I revbensbrosk möjliggör den hydrerade matrixen liten men kliniskt betydelsefull deformation under andning.

Ledbroskets zonala organisation och osteokondrala enhet

Ledbrosket organiseras från ledytan mot benet i superficial, intermediär, djup radiär och förkalkad zon. I den superficiala zonen är kondrocyterna platta och ligger parallellt med ytan. Kollagenfibrillerna är täta och tangentiellt orienterade, vilket ger motstånd mot skjuvning. Vattenhalten är relativt hög, medan proteoglykanhalten är lägre än på större djup.

I intermediärzonen är kondrocyterna rundare och kollagenfibrillerna mer oregelbundet eller bågformat orienterade. Zonen fungerar som övergång mellan ytans skjuvanpassning och djupzonens kompressionsanpassning. I den djupa radiära zonen ligger kondrocyterna i kolumner vinkelrätt mot ledytan, kollagenfibrillerna löper radiellt och proteoglykanhalten är hög. Permeabiliteten varierar med djupet och är typiskt högre nära ytan och lägre nära benet.

Det oförkalkade brosket avgränsas från förkalkat brosk av tidemarken, en undulerande, basofil gräns omkring 2–5 µm bred. Det förkalkade brosket innehåller mineral och kollagen X och förankrar det mjukare ledbrosket till subkondralt ben. Tillsammans bildar ledbrosk, förkalkat brosk, subkondral benplatta och trabekulärt ben en osteokondral enhet som fördelar belastning över en stor styvhetsgradient. Patellarbrosket hör till kroppens tjockaste ledbrosk, vilket är förenligt med de höga belastningarna i patellofemoralleden.

Elastiskt brosk

Elastiskt brosk har en grundmatrix som liknar hyalint brosk, med kollagen II, proteoglykaner och hög vattenhalt. Därutöver finns ett tätt, förgrenat nät av elastiska fibrer. Kondrocyterna ligger ofta relativt tätt och kan bilda isogena grupper. Vävnaden omges av perikondrium, som bidrar till nutrition och viss appositionell tillväxt.

Elastinfibernätet möjliggör stor, reversibel deformation. När en yttre kraft upphör återgår strukturen mot sin ursprungliga form, vilket ger formminne. Denna kombination av böjlighet och bestående geometrisk stabilitet behövs i ytterörats aurikel, epiglottis och delar av tuba auditiva. Epiglottis kan därmed deformeras under sväljning utan att permanent förlora sin form.

Vid rutinmässig H&E-färgning kan elastiskt brosk förväxlas med hyalint brosk, särskilt om fibrerna är tunna eller preparatet överfärgat. Elastiska fibrer demonstreras säkrare med exempelvis orcein eller Verhoeff–Van Gieson. I sådana preparat framträder det förgrenade fibernätet tydligt mellan och runt lakunerna.

Fibröst brosk

Fibröst brosk är en övergångsvävnad mellan tät kollagen bindväv och hyalint brosk. Matrixen domineras av grova, parallella eller korsande buntar av kollagen I, med mindre mängder kollagen II och proteoglykaner. Kondrocyterna ligger i lakuner, ofta ordnade i rader mellan kollagenbuntarna. Någon tydlig gräns mellan brosk och angränsande sen- eller ligamentvävnad behöver inte finnas.

Den riktade kollagenarkitekturen gör vävnaden anisotrop: hållfastheten är störst i kollagenbuntarnas längdriktning. Samtidigt ger proteoglykaner och vätska motstånd mot kompression. I annulus fibrosus växlar kollagenlamellernas riktning mellan angränsande lager, vilket motstår multidirektionell dragning och innesluter nucleus pulposus. I meniskerna omvandlar framför allt cirkumferentiella kollagenfibrer axiell kompression till dragspänning, så kallad hoop stress.

Fibröst brosk förekommer även i symphysis pubica och i fibrösa enteser där senor eller ligament övergår i ben. Perikondrium saknas. Meniskens centrala och inre delar är avaskulära, men den perifera delen har kärlförsörjning från ledkapseln. Perifera meniskskador har därför bättre läkningspotential än centrala skador, vilket påverkar valet mellan sutur och partiell resektion.

Perikondrium, nutrition och matrixhomeostas

Perikondrium består av ett yttre fibröst lager med kollagen I, fibroblaster, kärl och nerver samt ett inre kondrogent lager med progenitorceller. Det yttre lagret ger mekanisk infästning, medan det inre kan bilda kondroblaster och möjliggöra appositionell tillväxt. Perikondrium saknas över ledbrosk och kring fibröst brosk.

Syre, glukos och andra små molekyler når kondrocyterna genom diffusion från perikondriella kärl eller synovialvätska. Metaboliter transporteras i motsatt riktning. Intermittent kompression pressar ut vätska och avlastning medger återinflöde, vilket understödjer transporten. Låga syrgashalter och långa diffusionsavstånd begränsar dock cellernas metabolism; kondrocyter använder därför i hög grad anaerob glykolys.

Matrixhomeostas kräver balans mellan syntes och nedbrytning. IGF-1 stimulerar överlevnad och matrixsyntes, medan TGF-β via SMAD-signalering kan främja aggrekan- och kollagenproduktion. Katabolism sker bland annat genom aggrekanaserna ADAMTS-4 och ADAMTS-5 samt matrixmetalloproteinaser. MMP-13 har särskild betydelse för nedbrytning av kollagen II. Vid artros förskjuter mekanisk skada och inflammatoriska mediatorer balansen mot proteolys, varvid aggrekan ofta förloras före omfattande kollagennedbrytning.

Kondrogenes och brosktillväxt

Kondrogenes inleds genom mesenkymal kondensation. Ökad expression av adhesionsmolekyler såsom N-cadherin och NCAM för samman progenitorceller och skapar täta prekondrogena cellaggregat. Transkriptionsfaktorn SOX9 aktiverar tillsammans med SOX5 och SOX6 kondrocytspecifika gener, däribland COL2A1 och aggrekan. När matrixdepositionen separerar cellerna övergår de från kondroblaster till kondrocyter.

BMP-signalering främjar i flera utvecklingsstadier kondensation och kondrogen differentiering. FGF-signaler reglerar proliferation och mognad men är starkt kontextberoende; signalering via FGFR3 hämmar tillväxtplattans kondrocytproliferation. Kanonisk Wnt/β-kateninsignalering hämmar ofta tidig kondrogenes och gynnar osteogen eller hypertrof differentiering, medan icke-kanoniska Wnt-vägar kan stödja kondrocytmognad och matrixorganisation. Effekten beror på cellstadium, anatomisk lokalisation och signalstyrka.

Interstitiell tillväxt sker genom kondrocytdelning och matrixdeposition inifrån vävnaden och är viktig i embryonalt brosk och tillväxtplattor. Appositionell tillväxt sker från perikondriets inre lager, där progenitorceller blir kondroblaster och lägger matrix på ytan. IHH–PTHrP-systemet reglerar tillväxtplattans mognad: Indian hedgehog stimulerar PTHrP-relaterad signalering, som fördröjer hypertrofi och därmed bevarar proliferationszonen.

Tillväxtplatta och endokondral ossifikation

I epifysplattans vilozon ligger små, relativt inaktiva kondrocyter utan tydlig kolumnorganisation. De fungerar som reservoar för efterföljande prolifererande celler. I proliferationszonen delar sig kondrocyterna och ordnas i längsgående kolumner. Ny broskmatrix bildas mellan cellerna, vilket förskjuter epifysen från metafysen och driver benets längdtillväxt.

Kondrocyterna övergår därefter till prehypertrof och hypertrof fenotyp. De ökar kraftigt i volym, minskar uttrycket av typiska mogna broskmarkörer och uttrycker bland annat kollagen X, RUNX2 och alkaliskt fosfatas. Hypertrofa kondrocyter producerar VEGF, som stimulerar kärlinväxt. Matrixens sammansättning förändras och förbereds för mineralisering.

I förkalkningszonen deponeras mineral i broskmatrixen. Kondrocyterna försvinner genom celldöd eller kan i vissa sammanhang bidra till efterföljande cellpopulationer, medan kärl, hematopoetiska celler och osteoprogenitorer invaderar området. Osteoklaster och andra resorptiva celler bryter ned förkalkade broskseptum, och osteoblaster lägger osteoid på kvarvarande broskspikula. Därmed ersätts broskmodellen successivt av primärt ben.

När sekundära ossifikationscentra utvecklas i epifyserna kvarstår brosk dels som epifysplatta, dels som ledbrosk. Epifysplattan sluts efter avslutad tillväxt genom att broskproduktionen upphör och zonen ossifieras. Ledbrosket kvarstår däremot och deltar inte normalt i fullständig endokondral ersättning.

Biomekanik: kompression, dragning och tidsberoende deformation

Brosk kan beskrivas som ett bifasiskt eller poroviskoelastiskt material: en porös fast fas av kollagen och proteoglykaner är mättad med interstitiell vätska. Vid snabb kompression hinner vätskan inte lämna matrixen och den höga interstitiella vätskepressen bär en stor del av lasten. När belastningen kvarstår pressas vätska gradvis ut, varpå mer last överförs till den fasta matrixen.

Under konstant kraft fortsätter deformationen successivt, vilket benämns creep. Vid konstant deformation sjunker kraften över tid, vilket benämns stressrelaxation. Jämvikt kan i laboratorieförsök dröja timmar. Efter avlastning driver proteoglykanernas svälltryck vätska tillbaka in i matrixen, men återhämtningen blir ofullständig om kollagennätverket har skadats.

Värdena är metod-, riktning-, belastnings- och djupberoende. Dragstyvheten är högst i riktningar som följer kollagenfibrillerna, medan kompressionsbeteendet påverkas starkt av proteoglykanhalt och vätsketransport. Begränsad kompression, obehindrad kompression och indentation ger därför inte identiska resultat. Provets tjocklek, ytans integritet, belastningshastighet, temperatur, osmotisk miljö och tiden till jämvikt är viktiga felkällor.

Ledfriktion, smörjning och slitstyrka

Ledbrosk har under fysiologiska förhållanden en friktionskoefficient på ungefär 0,001–0,02. Den låga friktionen kan inte förklaras av en enda mekanism. Vätskefilmssmörjning, interstitiell vätskepress och gränsskiktssmörjning samverkar, med varierande betydelse beroende på belastning, rörelsehastighet och kontakttid.

När leden belastas pressuriseras vätskan i brosket och bär en stor del av kraften. Därmed minskar den effektiva belastningen på den fasta matrixens kontaktyta. Vid längre statisk belastning sjunker vätskepressen när vätska lämnar vävnaden, vilket ökar betydelsen av gränsskiktet. Lubricin, även benämnt PRG4, adsorberas till ytan och minskar adhesion och skjuvspänning. Hyaluronan och ytaktiva fosfolipider bidrar till ett hydrerat, lågfriktionsskapande molekylskikt.

Den superficiala zonens tangentiella kollagenfibriller motstår ytnära dragning och skjuvning. Låg permeabilitet bidrar till att bevara vätskepressen under dynamisk belastning. Förlust av lubricin, kollagenuppluckring eller proteoglykanskada ökar direktkontakt och friktion. Följden kan bli ytlig fibrillering, sprickbildning, delaminering och cyklisk utmattning, vilka i sin tur accelererar fortsatt matrixnedbrytning.

Åldrande, skada och reparationsförmåga

Åldrande brosk uppvisar kondrocytsenescens, minskad respons på anabola tillväxtfaktorer och försämrad mekanosignalering. Aggrekanmolekylerna blir färre eller mindre, och vattenbindningen förändras. I kollagennätverket tillkommer korsbindningar som kan öka lokal styvhet men minska seghet och utmattningsresistens. Senescenta kondrocyter kan dessutom frisätta cytokiner och proteaser som förstärker en katabol vävnadsmiljö.

En ytlig eller partiell broskskada som inte når subkondralt ben får inget inflöde av blod, inflammatoriska celler eller mesenkymala progenitorer. Kondrocyterna kan inte migrera långt genom den täta matrixen, och deras proliferationskapacitet är begränsad. Defekten fylls därför sällan med funktionellt hyalint brosk. En fulltjockleksskada som penetrerar subkondralt ben kan däremot fyllas av ett märghärlett koagel med progenitorceller.

Märgreaktionen bildar vanligen fibrocartilaginär reparationsvävnad rik på kollagen I, snarare än ursprungligt kollagen II- och aggrekanrikt ledbrosk. Denna vävnad har sämre zonal organisation, hållfasthet och slitstyrka. Mikrofrakturering utnyttjar principen genom att perforera subkondralt ben och skapa tillträde för märgceller, men lämpar sig främst för avgränsade defekter och ger inte säkert varaktig hyalin regeneration.

Osteokondral autograft- eller allografttransplantation överför moget brosk tillsammans med subkondralt ben och kan återskapa en belastningsbärande yta, men begränsas av donatorvävnad, geometri och integrationsproblem. Autolog kondrocytimplantation innebär skörd, odling och återimplantation av patientens kondrocyter, ofta i ett matrixbaserat implantat. Målet är hyalinliknande vävnad, men utfallet beror på defektstorlek, subkondral benstatus, ledmekanik och postoperativ rehabilitering.

Histologisk och klinisk relevans

Rutinmässig H&E-färgning visar celler, lakuner, perikondrium och övergripande matrixarkitektur men är mindre känslig för tidig proteoglykanförlust. Safranin O binder till sulfaterade glykosaminoglykaner och används ofta vid artrosgradering. Alcian blue demonstrerar sura mukopolysackarider, och toluidinblått ger metakromasi i proteoglykanrika områden. Trikromfärgningar framhäver kollagen, medan orcein eller Verhoeff–Van Gieson används för elastiska fibrer.

Fixering och preparering kan ge betydande artefakter. Kondrocyter kan krympa och lämna en konstgjord spalt mot lakunväggen. Dekalcifiering behövs ofta för osteokondrala preparat men kan extrahera mineral, påverka antigener och försvåra bedömningen av tidemark och förkalkat brosk. Snitt vinkelrätt mot ledytan behövs för korrekt zonbedömning; tangentiella snitt kan simulera förändrad celltäthet eller fiberriktning. Proteoglykanextraktion och matrixkrympning kan dessutom ge skenbar förtunning.

Vid artros uppträder tidigt proteoglykanförlust, ökad vattenhalt och kollagendesorganisation, följt av fibrillering, sprickor och broskförtunning. Sjukdomen omfattar hela leden, inklusive synovium och subkondralt ben. Vid reumatoid artrit driver synovit och cytokiner såsom TNF och IL-1 produktion av proteaser och pannusrelaterad erosion. Diskdegeneration medför proteoglykanförlust, dehydrering och sprickor i annulus fibrosus. Meniskskadans prognos påverkas av om rupturen ligger i den vaskulariserade periferin eller i den avaskulära centrala delen.

Relapserande polykondrit är en inflammatorisk sjukdom som särskilt angriper öron-, näs- och luftvägsbrosk; laryngotrakealt engagemang kan ge livshotande luftvägskollaps. Akondroplasi orsakas av aktiverande förändring i FGFR3 och medför hämmad kondrocytproliferation och differentiering i epifysplattorna. Broskbildande tumörer omfattar bland annat enkondrom, osteokondrom och kondrosarkom; diagnostiken bygger på kombinationen av lokalisation, bildmorfologi, tillväxtmönster och histologisk atypi.

Slätröntgen visualiserar inte ledbrosket direkt. Ledspringans bredd används som indirekt mått men påverkas även av meniskläge och projektion. MRT kan visa broskets tjocklek, yta och fokala defekter. T2-kartering speglar främst vattenmiljö och kollagenorganisation; förhöjt T2 kan ses vid ökad vattenhalt och kollagendesorganisation. dGEMRIC använder fördröjd gadoliniumförstärkning för indirekt bedömning av glykosaminoglykanhalt och kan påvisa kompositionsförändringar innan uttalad morfologisk broskförlust har utvecklats.

Källor

• Cartilage
• Brosk
• Category:Cartilage
• Cartilage
• Bild: File:Cartoon Hyaline Cartilage.jpg — Hwill016, CC BY-SA 4.0
• Bild: File:Composition of the cartilage.jpg — Michael J.F. Blumer, CC BY 4.0
• Bild: File:Cartilage from mouse joint.jpg — Kevin Mackenzie, University of Aberdeen, CC BY 4.0
• Bild: File:During endochondral ossification, immature cartilage, mature cartilage, and bone differentiate under the control of Sox9 and Runx2 GRNs.jpg — Gómez-Picos P and Eames BF, CC BY 4.0
• Bild: File:Hypertrophic Zone of Epiphyseal Plate.jpg — Robert M. Hunt, Public domain