軟骨は、弾力性があり滑らかなタイプの結合組織です。半透明で非多孔性で、通常は軟骨膜と呼ばれる丈夫な繊維状の膜で覆われています。四肢動物では、関節軟骨として関節で長骨の端部を覆い保護し、[1]胸郭、首、気管支、椎間板など多くの体の部分の構造的構成要素です。軟骨魚類や円口類などの他の分類群では、骨格のより大きな部分を占めています。[2]骨ほど硬く剛性ではありませんが、筋肉や腱よりもはるかに硬く、柔軟性がはるかに低いです。軟骨のマトリックスは、グリコサミノグリカン、プロテオグリカン、コラーゲン繊維、場合によってはエラスチンで構成されています。通常、骨よりも早く成長します。
軟骨は硬いため、体内の管を開いた状態に保つ役割を果たします。例えば、輪状軟骨や気管分岐部といった気管輪が挙げられます。
軟骨は、軟骨細胞と呼ばれる特殊な細胞から構成されており、コラーゲンを豊富に含む細胞外マトリックス(プロテオグリカンとエラスチン繊維を豊富に含む基質)を大量に産生します。軟骨は、コラーゲンとプロテオグリカンの含有量の相対的な違いによって、弾性軟骨、硝子軟骨、線維軟骨の3種類に分類されます。
軟骨には血管や神経がないため、感覚がありません。しかし、膝の半月板など、一部の線維軟骨には部分的に血液が供給されています。栄養は拡散によって軟骨細胞に供給されます。関節軟骨の圧迫や弾性軟骨の屈曲によって体液の流れが生じ、これが軟骨細胞への栄養の拡散を促します。他の結合組織と比較して、軟骨は細胞外マトリックスのターンオーバーが非常に遅く、修復速度も他の組織に比べて非常に遅いことが知られています。


胚発生において、骨格系は中胚葉から派生します。軟骨化(軟骨形成とも呼ばれます)は、凝縮した間葉組織から軟骨が形成される過程です。この間葉組織は軟骨芽細胞に分化し、細胞外マトリックスを形成する分子(アグリカンおよびII型コラーゲン)の分泌を開始します。すべての脊椎動物において、軟骨は発生初期段階における主要な骨格組織です。[3] [4]硬骨魚類では、多くの軟骨成分がその後、軟骨内骨化および軟骨外骨化によって骨化します。[5]
胚発生中に起こる初期の軟骨化に続いて、軟骨の成長は主に未熟な軟骨がより成熟した状態へと成熟することで構成されます。軟骨内の細胞分裂は非常にゆっくりと起こるため、軟骨の成長は通常、軟骨自体のサイズや質量の増加に基づいていません。[6]最も重要なエピジェネティック調節因子として、非コードRNA(miRNAや長鎖非コードRNAなど)が軟骨形成に影響を与えることが特定されています。このことは、関節炎など、軟骨に関連する様々な病態における非コードRNAの寄与を正当化するものです。[7]

関節軟骨の機能は、細胞外マトリックス(ECM)の分子構成に依存している。ECMは主にプロテオグリカンとコラーゲンから構成される。軟骨中の主なプロテオグリカンはアグリカンであり、その名前が示すように、ヒアルロン酸およびそれ自体と大きな凝集体を形成する。[8]これらの凝集体は負に帯電し、組織内に水分を保持する。コラーゲン(主にII型コラーゲン)は、プロテオグリカンを拘束する。ECMは、軟骨が受ける張力と圧縮力に反応する。[9]軟骨の成長は、このようにマトリックスの沈着を指すが、細胞外マトリックスの成長とリモデリングの両方を指すこともできる。膝の伸展抵抗時に膝蓋大腿関節にかかる大きなストレスにより、膝蓋骨の関節軟骨は人体で最も厚いものの1つとなっている。関節軟骨の ECM は、細胞周囲マトリックス、領域マトリックス、領域間マトリックスの 3 つの領域に分類されます。
膝関節や股関節などの荷重を受ける関節における関節軟骨の機械的特性は、マクロ、ミクロ、ナノスケールで広範囲に研究されてきました。これらの機械的特性には、摩擦、圧縮、せん断、引張荷重に対する軟骨の応答が含まれます。軟骨は弾力性があり、粘弾性特性を示します。[10]
軟骨には自由に移動する組織液があるため、試験が困難です。この障害を克服するために一般的に使用される試験の 1 つが、拘束圧縮試験であり、「クリープ」モードと「緩和」モードのどちらでも使用できます。[11] [12]クリープモードでは、組織の変位は一定荷重下での時間の関数として測定され、緩和モードでは、力は一定変位下での時間の関数として測定されます。このモードでは、組織の変形には主に 2 つの領域があります。最初の領域では、軟骨から最初に液体が流出するため変位が急速であり、2 番目の領域では、変位が最終的に一定の平衡値まで減速します。一般的に使用される荷重条件下では、平衡変位に達するまでに数時間かかる場合があります。
拘束圧縮試験のクリープモードと緩和モードの両方において、軟骨の円板を不浸透性の液体充填容器に入れ、多孔板で覆い、組織間液の流れを垂直方向に制限します。この試験は、軟骨の全体弾性係数(関節軟骨では通常0.5~0.9 MPa)[11] [12] [13]とヤング率(通常0.45~0.80 MPa)を測定するために用いられます。[11 ] [13]全体弾性係数とは、「すべての液体の流れが停止した平衡状態における組織の剛性の尺度」[11]であり、ヤング率は、与えられた応力下で材料がどれだけ歪むか(長さが変化するか)を示す尺度です。
拘束圧縮試験は、材料中の流体の流れに対する抵抗として定義される透過性の測定にも使用できます。透過性が高いほど、流体は材料のマトリックスからより速く流出しますが、透過性が低いほど、初期の流体の流れは速く、その後ゆっくりと平衡状態まで減少します。通常、関節軟骨の透過性は10^-15~10^-16 m^4/Nsの範囲です。[11] [12]しかし、透過性は荷重条件と試験場所の影響を受けます。例えば、透過性は関節軟骨全体で異なり、関節表面付近で最も高く、骨付近(または「深部領域」)で最も低くなる傾向があります。また、組織への荷重が増加すると透過性は低下します。
インデンテーション試験は、軟骨の特性評価に一般的に用いられる試験の一種です。[11] [14]インデンテーション試験では、通常0.8 mm未満のインデンターを用いて、一定荷重下での組織の変位を測定します。拘束圧縮試験と同様に、平衡変位に達するまでに数時間かかる場合があります。この試験法は、組織の弾性係数、ポアソン比、および透過性を測定するために使用できます。当初、軟骨は主に水系で構成されていることから、ポアソン比は0.5であり、非圧縮性材料としてモデル化されるべきであるという誤解がありました。[11]しかし、その後の研究により、この考えは否定されました。関節軟骨のポアソン比は、ヒトでは約0.4以下と測定されており[11] [14]、ウシでは0.46~0.5の範囲です。[15]
関節軟骨の機械的特性は、主に異方性があり、試験に依存し、加齢に依存する可能性があります。[11]これらの特性はコラーゲン-プロテオグリカン相互作用にも依存するため、水、コラーゲン、糖タンパク質などの総含有量に応じて増加/減少する可能性があります。たとえば、グルコサミノグリカン含有量の増加は圧縮剛性の増加につながり、水分含有量の増加は凝集弾性率の低下につながります。
軟骨は、荷重を支える関節での役割に加え、柔らかい組織と骨の間の勾配材料として重要な役割を果たします。力学的勾配は、人体の機能だけでなく、関節インプラントを含む複雑な人工構造にとっても重要です。材料特性が一致しない界面は、応力集中の激しい領域につながり、人間の関節が生涯にわたって経験する何百万回もの荷重サイクルにより、最終的には破損につながります。例えば、人間の骨の弾性率はおよそ 20 GPa ですが、軟骨の柔らかい部分では約 0.5~0.9 MPa です。[16] [17]しかし、材料特性の勾配が滑らかであれば、応力は界面全体に均等に分散され、個々の部品の摩耗が少なくなります。
体はこの問題を、骨近傍のより硬く弾性率の高い層、特にハイドロキシアパタイトなどの高濃度の鉱物質沈着物で解決しています。この領域のコラーゲン繊維(軟骨の機械的剛性を担う)は骨に直接固定されており、変形の可能性を低減しています。軟部組織に近づき、タイドマークと呼ばれる領域に入ると、軟骨細胞の密度が高まり、コラーゲン繊維は応力分散と低摩擦を最適化するように再配置されます。関節面近傍の最外層は表層と呼ばれ、主に潤滑領域として機能します。この部分の軟骨は、緻密な細胞外マトリックスを特徴とし、プロテオグリカン(水分を放出・再吸収して衝撃を和らげる)と、関節面と平行に配向した薄いコラーゲンが豊富に含まれており、優れたせん断抵抗特性を有しています。[18]
変形性関節症と自然老化はどちらも、軟骨全体だけでなく、軟骨内部の物質勾配の適切な機能にも悪影響を及ぼします。最も初期の変化は、組織の中で最も柔らかく、最も潤滑性の高い部分である表層で起こることがよくあります。この層の劣化は、同じ変形を支えるように設計されていない深層にさらなるストレスを与える可能性があります。老化のもう一つの一般的な影響は、コラーゲン繊維の架橋の増加です。これは軟骨全体の硬化につながり、硬い組織は疲労による破損の影響を受けやすくなるため、これも早期の破損につながる可能性があります。石灰化した領域の老化は、一般的にミネラル沈着の増加にもつながり、同様に望ましくない硬化効果をもたらします。[19]変形性関節症はより深刻な影響を及ぼし、軟骨を完全に摩耗させ、骨と骨が直接接触する原因となる可能性があります。[20]
軟骨と滑液に豊富に含まれる糖タンパク質であるルブリシンは、軟骨の生体潤滑と摩耗保護に大きな役割を果たしています。[21]
軟骨の修復能力には限界があります。軟骨細胞は小窩に閉じ込められているため、損傷部位へ移動できません。そのため、軟骨損傷は治癒が困難です。また、硝子軟骨には血液供給がないため、新しい基質の沈着は遅くなります。近年、外科医や科学者は、関節置換の必要性を遅らせるのに役立つ一連の軟骨修復術を開発しました。膝軟骨の半月板断裂は、多くの場合、外科的に切除することで問題を軽減できます。損傷後または修復術後の軟骨の完全な治癒は、M1/M2マクロファージ、肥満細胞、およびそれらの細胞間相互作用によって引き起こされる軟骨特異的炎症によって妨げられます。[22]
細胞性「足場」材料と培養細胞を用いて人工軟骨を成長させる生物工学技術が開発されている。 [23]このような目的のための基礎材料として、凍結融解PVA ハイドロゲルに関する広範な研究が行われてきた。 [24]これらのゲルは、生体適合性、耐摩耗性、衝撃吸収性、摩擦係数、柔軟性、潤滑性において大きな期待が寄せられており、ポリエチレンベースの軟骨よりも優れていると考えられている。ウサギに人工半月板としてPVAハイドロゲルを2年間移植した結果、ゲルは劣化、破損、特性の喪失を起こさず、完全な状態を維持することが示された。[24]

軟骨に影響を与える疾患は数多くあります。軟骨異栄養症は、軟骨の成長障害とそれに続く骨化を特徴とする疾患群です。以下に、軟骨に影響を与える一般的な疾患をいくつか挙げます。
軟骨組織からなる腫瘍は、良性でも悪性でも発生する可能性があります。通常は骨に発生し、まれに既存の軟骨に発生することがあります。良性腫瘍は軟骨腫、悪性腫瘍は軟骨肉腫と呼ばれます。他の組織から発生した腫瘍も軟骨様基質を形成することがあり、最もよく知られているのは唾液腺多形性腺腫です。
軟骨基質はバリアとして機能し、リンパ球の侵入や免疫グロブリンの拡散を防ぎます。この特性により、組織拒絶反応を恐れることなく、ある個体から別の個体への軟骨 移植が可能になります。
軟骨は通常の生体内ではX線を吸収しませんが、滑膜に造影剤を注入することでX線を吸収させることができます。その結果、骨と半月板の間にあるX線写真上の空隙が軟骨となります。体外X線スキャンでは、外側の軟部組織が除去される可能性が高いため、 X線の屈折により、軟骨と空気の境界だけで軟骨の存在を明瞭に識別することができます。[27]

軟骨魚類(軟骨魚類)またはサメ、エイ、ギンザメは、完全に軟骨で構成された骨格を持っています。
軟骨組織は、カブトガニなどの一部の節足動物、巻貝や頭足動物などの一部の軟体動物、サベリッド多毛類などの一部の環形動物 にも見られます。
節足動物で最も研究されている軟骨は、カブトガニの鰓軟骨である。これは、他の節足動物には相同性のない、大きく球状の空胞を持つ軟骨細胞が豊富な小胞軟骨である。カブトガニに見られる他の種類の軟骨は、線維性硝子軟骨である内胸骨軟骨で、線維性成分に典型的な形態の軟骨細胞があり、脊椎動物の硝子軟骨よりもはるかに線維性が高く、コンドロイチン硫酸抗体に対して免疫反応を示すムコ多糖類を含む。他の節足動物にも内胸骨軟骨と相同組織がある。[28]カブトガニの胚は、鰓軟骨と内胸骨にColAとヒアルロン酸を発現しており、これはこれらの組織が線維性コラーゲンをベースとした軟骨であることを示している。内胸骨軟骨はHhを発現する腹側神経索の近くに形成され、ColAとSox9類似体であるSoxEを発現する。これは鰓軟骨組織にも見られる。[29]
頭足動物では、軟骨の研究に用いられるモデルとして、オクトパス・ブルガリス(Octopus vulgaris)とセピア・オフィシナリス(Sepia officinalis)が用いられる。頭足動物の頭蓋軟骨は、脊椎動物の硝子軟骨に類似した無脊椎動物の軟骨である。成長は、細胞が末梢から中心に向かって移動することで起こると考えられている。軟骨細胞は、組織内の位置に応じて異なる形態を示す。[28]セピア・オフィシナリス(S. officinalis) の胚は、頭蓋軟骨やその他の軟骨形成部位でColAa、ColAb、ヒアルロン酸を発現する。これは、軟骨が線維状コラーゲンをベースとしていることを意味している。セピア・オフィシナリス(S. officinalis)の胚はhhを発現し、その存在はColAaとColAbの発現を引き起こし、増殖細胞を未分化に維持することもできる。この種は、発達中の軟骨において、脊椎動物のSox5/6およびSox9の類似体であるSoxDおよびSoxEの発現を示すことが観察されている。軟骨の成長パターンは脊椎動物の軟骨と同じである。[29]
腹足類では、歯舌を支える軟骨構造である歯軋骨に注目が集まっています。この組織に関する研究が最も進んでいるのは、Busycotypus canaliculatusです。歯軋骨は小胞細胞を豊富に含む軟骨で、ミオグロビンを含む空胞細胞と、その周囲を少量のコラーゲンを含む細胞外マトリックスが覆っています。モノアラガイなどの植物を食草とする軟体動物では、歯軋骨には軟骨細胞に加え、筋細胞も含まれています。[28]
サベリッド多毛類(羽毛ぼうき)は、細胞と基質が特殊化した軟骨組織を有し、触手を支える。サベリッド多毛類は2つの異なる細胞外基質領域を有する。これらの領域は、コラーゲン含有量の高い無細胞線維性領域(軟骨様基質)と、高度に細胞化された核を持たないコラーゲン様基質(類骨様基質)である。軟骨様基質は類骨様基質を取り囲んでいる。無細胞線維性領域の量は変動する。サベリッド多毛類の軟骨研究に用いられるモデル生物は、Potamilla属とMyxicola infundibulumである。[28]
維管束植物、特に種子や一部のキノコの茎は、軟骨を含まないにもかかわらず、「軟骨性」と呼ばれることがあります。[30]