המטריצה החוץ-תאית של שריר שלד (פאשיות השריר) – מבנה ותפקוד

הקדמה

מבחינה מבנית, שריר שלד מורכב מסיבי שריר ורקמת חיבור (מטריצה חוץ-תאית). רבות דובר בעת האחרונה גם על פאשיה, שהיא שם גורף לרשת של רקמות חיבור שכוללת גם את רקמות החיבור של השרירים. אבל מה אנחנו יודעים על פאשיות השרירים? ריבוי ההגדרות הנהוגות באסכולות שונות גורמות לא פעם לבלבול.

במאמר זה ניכנס לעובי הקורה של מטריצות החיבור של שרירי שלד, הידועות גם כרקמות החיבור של שריר (אנדומיזיום, פרימיזיום, אפימיזיום)  או, פאשיות השרירים. לצורך הכרות ראשונית עם המבנה והתפקוד של המטריצה בחרתי בסקירה שערכו גיליס וליבר Allison R Gillies, Richard L Lieber, 2011.

תקציר

המטריצה החוץ תאית (ECM), להלן תקרא בקיצור, 'המטריצה'  של שריר שלד ממלאת תפקיד חשוב בהעברת כוחות, תחזוקה, ותיקון של סיבי שריר. המטריצה מסתגלת באופן דרמטי למצבי פציעה וחולי, תכונה עם ביטוי קליני אשר משנה את תפקוד השרירים.

הסקירה כוללת:

• מבנה, הרכב ותכונות מטריצת שרירי השלד.
• התאים התורמים לתחזוקת המטריצה.
• סקירה כללית של השינויים המתרחשים בפתולוגיה.

סריקות של מבנה המטריצה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים עם השערות לגבי יחסי מבנה-תפקוד. יחסי מבנה-תפקוד מפורטים של המטריצה טרם הוגדרו. יוצעו נושאים למחקר עתידי.

שרירי שלד מורכבים בעיקר מחלבוני כיווץ. לכן, אין זה מפתיע שהרוב המכריע של מחקרים על שרירי השלד התמקדו בתכונות הכיווץ שלהם. שריר הוא רקמה מרוכבת (composite) הכוללת גם רקמת חיבור, כלי דם ועצבים, רקמות אלה שהמסה היחסית שלהן זעירה ביחס לחלבוני הכיווץ, עשויות להשפיע משמעותית על תפקוד השריר. קיימת עדות גוברת והולכת המצביעה על כך שהמטריצה משפיעה מאוד על התפקוד הרגיל של שריר, יכולת ההסתגלות, ועל המאגר הביולוגי של תאי גזע של שריר.

ספציפית, מחקרים ביומכניים אחרונים תומכים ברעיון שהמטריצה נושאת את רוב העומס הפסיבי של השריר, דבר שרומז על כך שבדיקה קלינית של טווח התנועה והנוקשות של מטופלים משקפת את מאפייני המטריצה שלהם.

בנוסף, למרות שפתולוגיה של שריר מתוארת בדרך כלל במונחים של שינוי סוג הסיבים, התפלגות גודל הסיבים, או גרעינים מרכזיים, כמעט כל שינוי פתולוגי המדווח בשריר קשור גם במידה מסוימת להתפתחות של פיברוזיס במטריצה (לייפת, רקמת צלקת).

 מבנה המטריצה החוץ-תאית של שריר שלד

יש מעט מידע אובייקטיבי על מטריצת השריר לעומת רקמות חיבור אחרות כגון, גיד, רצועה, עצם וסחוס, שכן הרבה ממה שנכתב על מטריצה זו מייצג ידע שנלקח ממחקרים על רקמות אחרות.

הדבר נכון במיוחד במונחים של הבנת המאפיינים התפקודיים של מטריצת השריר, בעיקר מכיוון שהגיאומטריה (צורה,מבנה) שלה מורכבת מאוד לעומת רקמות חיבור אחרות.

תמונה 1. תרשים סכמטי של הארגון ברוטו של שריר והמטריצה של שריר וגיד. (A) ניתן לסווג את מטריצת השריר כאפימיזיום (המקיף את השרירים), פרימיזיום (המקיף צרורות שריר), אנדומיזיום (המקיף סיבי שריר). (B) חתך רוחב של שריר המציין שהפרימיזיום עשוי להופיע ברצף המשכי עם הגיד, ואילו האנדומיזיום ממוקם בתוך צרורות השריר.

מטריצת השריר מוכרת בדרך כלל כרקמות החיבור של השריר או פאשיות השריר, המחולקת ל: אנדומיזיום (סביב תא/סיב שריר), פרימיזיום (סביב צרורות/פסיקולות של סיבי שריר), ואפימיזיום (סביב השריר כולו) (תמונה 1).

עם זאת, בדיקה ישירה של דגימות שריר שלד בפועל על ידי מיקרוסקופ אור, או באמצעות סריקה במיקרוסקופ אלקטרונים מגלה שתת-חלוקות סופיות כאלה הן שרירותיות יחסית. חסרים מחקרים שיטתיים של מטריצת השריר, שבהם נהוגים כללים הולמים של דגימה בתלת-ממד. כתוצאה מכך מתקבלת ספרות שבה הדגימה מוטה בדרך כלל על פי מה ש"נראה" כבולט ביותר בדגימות.

סביר להניח שקיים ארגון גבוה יותר של מטריצת השריר, שעדיין לא הוגדר, וההבנה שלנו לגבי "שלוש" תת-החלוקות של המטריצה המוכרות מספרי אנטומיה היא בעלת אופי ראשוני.

אנדומיזיום השריר

חריג לדגימה מזדמנת שבוצעה במרבית מחקרי המטריצה הוא התיאור השיטתי והכמותי של מטריצת האנדומיזיום של שרירי חתול ובקר שערכו Purslow ו-Trotter ב1993. הם הראו רשת מסודרת מאוד המקיפה סיבי שריר בודדים אשר מתעוותת באופן לא לינארי עם העלייה באורך הסרקומר. התוצאה היא רשת נושאת עומס, שהתכונות המכניות שלה משקפות יותר את צורת הרשת מאשר את התכונות המבניות של סיבי קולגן המשולבים בה (למעט באורכים גדולים מאוד). על אף שהצילומים הטופוגרפיים (תמונה 2) והמודלים כמותיים בוצעו לפני יותר מ-20 שנים, הם עדיין מהווים את המקור להבנה הבסיסית שלנו לגבי האינטראקציות המבניות בין תא השריר והאנדומיזיום.

המשמעות של גיאומטריה זו היא שהכוח בשריר מועבר ככל הנראה באופן רוחבי על ידי גזירה דרך האנדומיזיום.

מאחר ששרירים אחרים לא נחקרו באותה רמה של פירוט, לא ברור אם רמת ארגון כזו אופיינית לכל השרירים על פני מינים או אפילו לשרירים שונים באותו המין.

תמונה 2. סריקה במיקרוסקופ אלקטרונים של רשת האנדומיזיום הקולגני סביב סיבי שריר. (A) במבט כללי מתגלה מערך של "צינורות" שבהם שוכנים סיבי השריר (חיצים), כמו גם אזור מעובה המקיף את הסיבים שהוא כנראה הפרימיזיום (ראש חץ). (B) מבט קרוב יותר על רשת האנדומיזיום חושף את המבנה העדין של פני שטח האנדומיזיום (חץ). תמונה זו רומזת על כך שסיבי השריר מוטמעים במטריצה מורכבת של רקמת חיבור וכי הם קשורים אליה באופן הדוק. (From Trotter&Purslow).

במחקר הנוכחי נבדק מבנה האנדומיזיום של השריר פושט האצבעות הארוך  (extensor digitorum longus (EDL של עכבר באמצעות סריקה במיקרוסקופ אלקטרונים. באורך מנוחה, רואים "טלאים" נבדלים של המטריצה שהוסרו מסיבי השריר באזורים שבהם הסיבים הופרדו ככל הנראה במהלך הכנת הדגימה (תמונה 3A). בהתבסס על העובדה שנראה כי קצוות ה"טלאי" הפכו רציפים עם סיב השריר (תמונה 3B וD), הועלתה סברה כי הטלאי מייצג פיסת מטריצה מורמת, כנראה האנדומיזיום. מעניין לציין כי, בסיבי שריר הסמוכים לטלאי זה, מטריצת האנדומיזיום נראתה כבעלת מחזוריות אורכית על פני השטח של סיב השריר (ראו שורות בתמונה 3B), אך לא נמצאה מחזוריות אורך ברורה כזו על גבי הטלאים שהופרדו (תמונה 3C). לעתים קרובות ניתן לראות צינורית גדולה עוברת על פני הסיבים. זו עשויה לייצג חלק מכלי דם מקומיים, או אולי אקסון עצבי שחוצה את הרקמה (תמונה 3B).

תמונה 3. סריקה במיקרוסקופ אלקטרונים מראה את השריר פושט האצבעות הארוך ה extensor digitorum longus EDL של עכבר שנקבע ע"י פורמלין באורך מנוחה. (A) "טלאים" מלבניים של מטריצה נלקחו מסיבי השריר במהלך הכנת הדגימה. כל מלבן לבן עבר הגדלה בסריקות הבאות. (B) ניתן לראות ארגון קבוע ואורכי של מבני המטריצה על פני השטח של הסיבים, כאשר קווים מציינים את הארגון המחזורי של המטריצה. (C) האזור המרכזי של מלבן המטריצה שנמשך מפני השטח של סיבי השריר ממחיש את הארגון הגלי של רשת סיבי הקולגן (D) נראה שקיים קשר בין טלאי המטריצה שנמשך לבין משטח סיבי השריר. הטלאי נראה כנמצא ברצף ישיר עם המטריצה על פני השטח של סיבי השריר.

פרימיזיום השריר

מחקרים על הפרימיזיום של שרירים הם הרבה יותר דלילים, משתנים, ומוגדרים פחות בהשוואה למחקרים שתארו את האנדומיזיום, בעיקר משום שאין הגדרה קפדנית של הפרימיזיום.

חתכי רוחב במיקרוגרף אור חושפים מטריצה מעובה ש"סובבת" צרורות של תאי שריר. לכן, אזור מטריצה "מעובה" זה נחשב לעתים קרובות ישות נפרדת פשוט משום שהוא מציג דפוס ברור יותר מבחינה ויזואלית; הארגון הגבוה יותר שלו (אם בכלל) אינו ידוע. לדוגמה, לא ידוע האם הפרימיזיום מקיף צרור סיבים מתחל לאחז, או האם יש לו קשרי פנים על פני בטן שריר בדומה לרשת האנדומיזיום. לנושא זה יש השלכות עמוקות לגבי הבנת התכונות הרגילות והפתולוגיות של הפרימיזיום, והוא עדיין לא טופל באופן שיטתי.

פני השטח של הפרימיזיום מראים כי בניגוד לאנדומיזיום, סיבי הקולגן בפרימיזיום מאורגנים באוכלוסיות נפרדות ונמשכים לאורך ולרוחב סיבי השריר. ניתן לראות זאת במיקרוגרפים שבהם סיבי קולגן בכיוון האורכי יוצרים סדרה צפופה של אגדים לאורך סיבי השריר, ואילו סיבי קולגן בכיוון הרוחבי מקשרים סיבי שריר בנקודות נפרדות (ראו "לוחית הפרימיזיום" בתמונה 4).

מעניין לציין, דווח כי נקודות החיבור הרוחביות הללו חולקות את מקומן עם היצמדויות ממוקדות (focal adhesions) ועם תת-מתחמים תוך-תאיים שרומזים על כך שהפרימיזיום עשוי להיות מעורב באיתות תאי.

תמונה 4. מיקרוגרף מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של 7 סיבי שריר סמוכים. שימו לב שתצורת פני השטח משתנה בין הסיבים. ב-5 סיבים, רואים פסים על פני השטח, שחלקם מראים בבירור את פס A (סוגריים מעוקלים) ואת מחזוריות דיסק Z (נקודות). ב-3 סיבים, רואים 'כבלים' כבדים וארוכים המתארכים למרחק של לפחות 100 מיקרומטרים. במקרה אחד, נראה חיבור נבדל על פני השטח של סיב אשר ככל הנראה מייצג את 'לוחית הפרימיזיום' (מוקפת בעיגול) המחברת סיבים סמוכים. המיקרוגרף התקבל משריר EDL של עכבר שנמתח לאורך סרקומר של 3.3 מיקרומטרים.

אפשר להעריך את מידת האינטימיות בין תא השריר לבין הפרימיזיום על בסיס העובדה שניתן לראות את נקודות הציון של התא, כגון דיסק Z ופס A, על פני השטח של הסיבים (תמונה 4). עם זאת, לא ברור עד כמה הסדר זה אופייני לכל סיבי השריר, ואין נתונים קיימים עבור שריר אדם.

בהקשר של הבנתנו את הפיזיולוגיה הרגילה של שרירים, יהיה מעניין לקבוע אם התארגנות הפרימיזיום משתנה בין שרירים עם תפקודים שונים, כגון אלה עם פעילות מתמשכת המבצעים תפקודי אנטי-כבידה, אלה הפועלים באורכי שריר ארוכים, או המעורבים בתנועות מהירות. באותו אופן שבו סוג סיבי שריר מובנים כעת בהקשר של תפקוד פיזיולוגי של השריר, סביר להניח כי מידה מסוימת של התאמה אישית של המטריצה מתקיימת בשרירים עם תפקוד שונה.

לעתים קרובות נצפו כבלי פרימיזיום מורחבים במרווח בין תאי שריר. בדגימות שבהן התאים הורחבו (בכ-30%), נצפו כבלי פרימיזיום ארוכים ומתוחים (תמונה 5A), ולעתים אף מרופטים (תמונה 5B), כשהם עוברים בין הסיבים.

תמונה 5. שריר EDL של עכבר שנמתח לכ-30% מעבר לאורך המנוחה מראה כבלי קולגן מיושרים של הפרימיזיום. (A) שני סיבי שריר מופרדים על ידי כבלים מתוחים של קולגן. כבלי הקולגן נבדלים מפני השטח של סיבי השריר. (B) כבל קולגן נראה מתפורר כאשר הוא חוצה את כבלי הקולגן המיושרים.

הכבלים עצמם היו מאורגנים בדומה לצרורות של סיבי קולגן, אבל סוג הקולגן בפועל או נוכחות/היעדר של פרוטאוגליקנים בכבלים אלה אינו ידוע. הכבלים הסתיימו על סיבי שריר כלוחית הפרימיזיום (תמונה 4). בדגימות שבהן השריר הוכן כשהוא רפוי, כבלי הפרימיזיום היו מעוותים וקשורים אינטימית לפני השטח של סיבי השריר (תמונה 6). מעניין לציין כי לכבל שהוסדר עבור תמונה 6 יש מבנה כללי המזכיר שחרור מתחים strain relief  (חץ), אשר נוכח בדרך כלל במבנים נושאי עומס הנתונים לשינויי אורך. בנוסף, ניתן להבחין במיקרוגרף זה גם בקשר ההדוק בין מה שמכונה כבלי הפרימיזיום לבין רשת האנדומיזיום (ראשי חץ). ברור כי "חשיפת" הקשרים הביולוגיים והביומכניים בין מבנים אלה מהווה אתגר עצום.

כדי להבין את הארגון של סיבי הקולגן במטריצה באופן יותר מלא, ניתן להשתמש במיקרוסקופ קונפוקלי. שיטה זו מציעה את היכולת למדוד עיוות בזמן אמת במרכיבי מטריצה בתגובה לטעינה. יחד, המחקרים התיאוריים הנ"ל של מטריצת שריר השלד מצביעים על רשת קולגן מאורגנת היטב אותה ניתן לכמת במונחים של התפלגות גודל הסיב, קישוריות, וכיוון, כפונקציה של אורך השריר ופעילותו. עם זאת, עדיין נותר לקבוע את האופי המדויק של הרשת ואתר(י) האינטגרציה המכנית שלה עם רקמת השריר שמסביב, כולל כלי הדם המקומיים והאקסונים העצביים של היחידה המוטורית.

תמונה 6. הרכבת תמונה מסריקה במיקרוסקופ אלקטרונים משריר EDL מקוצר של עכבר. רואים כבלי קולגן גדולים המסודרים בתצורה רפויה על פני השטח של סיבי השריר ומשתלבים עם פני השטח. הסתלסלות בכבלי הקולגן עשויה להצביע על כך שלכבלים אלה יש תפקיד של שחרור מתחים (חץ). הסברה היא שכבלים גדולים אלה הם פרמיזיאליים בטבעם, ואילו הרשת ברקע (ראשי החצים) היא רשת האנדומיזיום. ברור כי שתי רמות המטריצה הללו קשורות באופן הדוק.

 אפימיזיום השריר

ניתן לבודד את שכבת האפימיזיום של מטריצת השריר בנתיחה, ובכך, להגדיר אותה ספציפית יותר ולבדוק אותה מכנית. גאו ועמיתיו (Gao,2008) תיארו את המשטחים השטחיים והעמוקים של האפימיזיום כמורכבים בעיקר מצרורות גדולים מאד של קולגן, עם דפוס מוכר של תצורה גלית שנקראת: "קרימפ", המזכירה את זה שנראה בגיד. לאור ההתמחות המבנית הזו, פותח מודל מיקרו-מכני שיכול לתאר את ההתנהגות הלא-לינארית של האפימיזיום. גאו ועמיתיו העריכו כי נוקשות האפימיזיום עולה עם הגיל, עם השלכות אפשריות על הבנת התכונות הביומכניות של שריר מזדקן מבחינת תפקוד רגיל ובתגובה לפציעה. בנוסף לאפימיזיום, חיבורי רקמות חיבור בשריר וגיד עשויים להיות מעורבים בהעברת כוחות בין שרירים. בהתבסס על המראה המבני של האפימיזיום (תמונה 7), לא ברור אם יש לו תכונות מבניות מובהקות באמת לעומת הפרימיזיום. כמו כן רואים באפימיזיום מחזוריות אורכית של הסרקומר (תמונה 7A, קווים אנכיים) וכן מחזוריות אורכית של המטריצה (תמונה 7B, קווים אופקיים). עם זאת, בגלל ששיטות ההכנה הללו כל כך משבשות את הדגימה, לא ברור אם מאפיינים אלה משקפים מבנה טבעי של המטריצה.

תמונה 7. חתך רוחב של שכבת אפימיזיום בשריר EDL של עכבר. סביב סיבי השריר רואים בבירור נדן עוטף של רקמת חיבור. (A) מבט אל השריר לאזור שבו ניתן לראות מחזוריות סרקומרית דרך שכבת רקמת החיבור. מתוארים סיבי שריר בודדים (קווים אנכיים). (B) תצוגה מקרוב של האפימיזיום מגלה מחזוריות אורכית (קווים אופקיים) עם מרווח של כמיקרון אחד.

היררכיה מבנית משוערת של מטריצת שריר השלד

מקובל בדרך כלל לארגן באופן ההיררכי את מטריצת השריר לאנדומיזיום, פרימיזיום ואפימיזיום, אך ארגון פשוט זה אינו מסביר כיצד המטריצה משתנה משריר לגיד דרך "אזורים" אלה. פאסרי ועמיתיו (Passerieux,2007) גרמו לעיכול סיבי השריר בשריר כופף שורש היד החישורי flexor carpi radialis  של בקר וסרקו את רקמת החיבור שנותרה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים. מן התמונות עולה כי גיליונות של קולגן הפרימיזיום מצטרפים לגיד והופכים רציפים איתו. מעניין לציין כי גיד ופרימיזיום מכילים בעיקר קולגן 1, והפרוטאוגליקן העיקרי עבור שני המבנים הללו הוא דקורין. לעומת זאת, אפימיזיום ואנדומיזיום מורכבים מכמויות כמעט שוות של קולגן 1 ו-3 ומכילים פרוטאוגליקנים אחרים (ראו בהמשך).

בנוסף, מבנה הפרימיזיום שונה מהמבנה דמוי הרשת של האנדומיזיום. ראיות תומכות בהשערה כי הפרימיזיום רציף עם גיד (תמונה 1B). מתוך היגיון זה, שרירים נתפסים כמוקפים בפרימיזיום, ואילו האנדומיזיום נמצא ברצף בתוך הצרורות אבל אינו חוצה את גבול הפרימיזיום. קולגן בגיד מאורגן הרבה יותר מאשר קולגן בפרימיזיום, אבל יתכן כי ארגון הקולגן בשריר היה דומה בתחילה במהלך ההתפתחות ולפני הבידול כתוצאה מטעינה. עומסי מתיחה גבוהים על הגיד עשויים לארגן את סיבי הקולגן להתיישר עם ציר האורך של השריר, ואילו פיזור מורכב של מאמץ ומתח בבטן השריר עשוי לאפשר לקולגן בפרימיזיום לשמור על מבנה פחות מאורגן.

בהתבסס על העובדה כי סיבי שריר ביחידה מוטורית אינם נמשכים לכל אורך צרור סיבי השריר והראיות של אינטראקציה אינטימית בין גיד ופרימיזיום, מודל מבני נוכחי של רקמת שריר מתאר סיבי שריר המוטבעים בתוך מטריצה אשר יוצרת שכבות נפרדות ומחוברות מבחינה מכנית. לפיכך, כוח שנוצר בסיב שריר על ידי אינטראקציות אקטין-מיוזין יועבר למטריצה במספר היצמדויות ממוקדות לאורך סיב השריר עצמו. ברגע שהכוח יועבר למטריצה, יהיה מספר כמעט אינסופי של נתיבים בהם הכוח יוכל לעבור לגיד. באופן הזה, פציעה מקומית של המטריצה או של סיב שריר תהיה בעלת משמעות תפקודית זניחה בשל היתירות המכנית המובנית במטריצה. ניתן יהיה להפיק תועלת רבה ממחקרים מפורטים של אזורי המעבר בין אנדומיזיום, פרימיזיום, אפימיזיום וגיד (יתירות מתייחסת לשכפול של רכיבים כדי לספק ערוצים תפקודיים חלופים במקרה של כשל).

הרכב

סוגי הקולגן בשריר שלד

קולגן הוא החלבון המבני העיקרי במטריצת שריר השלד; הוא מהווה 1-10% מהמשקל היבש של מסת השריר.

סוגי קולגן 1, 3, 4, 5, 6, 11, 12, 14, 15 ו-18 מתבטאים במהלך התפתחות שריר השלד, למרות שסוגי הקולגן הסיביים 1 ו-3 שולטים באנדו-, פרי-, והאפימיזיום.

מספר מחקרים הציעו כי קולגן הפרימיזיום הוא בעיקר קולגן 1, וכי קולגן 3 מופץ באופן שווה יותר בין האנדומיזיום והאפימיזיום. עם זאת, מחקרים אלה הם במידה רבה איכותיים בגלל הקושי לבודד "אזורים" שונים של המטריצה; ולכן, לא ברור אם הכמות היחסית של קולגן משתנה בשרירים עם תפקודים שונים.

קולגן 5, סוג נוסף של קולגן היוצר סיבונים, נקשר עם קולגן 1 ו-3 ועשוי ליצור ליבה עבור סיבוני קולגן 1 בפרימיזיום ובאנדומיזיום. אין נתונים לגבי ההשפעה של ליבת קולגן 5 על התצורה הגלית של סיבון קולגן 1, חוזק המתיחה, או קוטר הסיב.

סוגי קולגן FACIT הם סוגי קולגן תלת-סליליים מקוטעים הקשורים לסיבונים (FACITs) ונחשבים מארגני קולגן. סוגי קולגן FACIT 12 ו-14 מופיעים בעיקר בפרימיזיום. למרות שנראה שהם קושרים קולגן סיבוני לרכיבי מטריצה אחרים, תפקידם המדויק אינו ידוע.

קרום הבסיס (ממברנת הבסיס) של שריר מורכב בעיקר מרשת של קולגן 4, יחד עם הסוגים 6, 15 ו-18. סוגי קולגן 15 ו-18 מסווגים כמולטיפלקסינים (multiplexins), אשר מהווים את הפרוטאוגליקנים של הפראן גופרתי (HSPGs). המולטיפלקסינים יכולים לקשור גורמי גדילה וגם לסייע בקשירת קרום הבסיס לגליקופרוטאינים אחרים בקרום הבסיס ולאנדומיזיום. למרות שקרום הבסיס נחשב נפרד מהאנדומיזיום, השניים קשורים זה לזה באופן הדוק, וכנראה מעורבים בהעברת כוחות מסיב השריר לגיד.

איפיון סוגי קולגן במטריצת שריר השלד

ניסיונות לאפיין סוגי קולגן של שריר שלד באופן מלא נכשלו בשל טכניקות ביוכימיות לקויות שאינן מסוגלות להבחין במדויק ו/או לכמת סוגי קולגן. בחלקו הדבר נובע בגלל המבנה המורכב של מולקולות הקולגן.

גליקוזאמינוגליקנים ופרוטאוגליקנים

פרוטאוגליקנים (תלכידים גדולים של מולקולות חלבון וסוכרים שסופחים מים) נמצאים בכל מקום ברקמות החיבור, כולל במטריצת השריר. ישנם מספר פרוטאוגליקנים במטריצת השריר, ורבים שייכים למשפחת הפרוטאוגליקנים הקטנים עתירי הלאוצין (small leucine-rich proteoglycans-SLRPs). אלה מורכבים מחלבון ליבה עם שרשראות גליקוזאמינוגליקנים מצורפות הכוללות, דקורין, ביגליקאן, פיברומודיולין, ולומיקאן.

לפרוטאוגליקנים הנפוצים ביותר במטריצת שריר השלד מצורפות שרשראות הגליקוזאמינוגליקנים כונדרוטין גופרתי, דרמטאן גפרתי, דקורין, וביגליקאן.

קולגן 18 (פרוטאוגליקן של הפראן גופרתי HSPGs), פרלקאן, ואגרין מהווים כ-30% מהפרוטאוגליקנים במטריצה, וידוע כי הם קושרים גורמי גדילה.

ניתן לאכסן ולשחרר גורמי גדילה בשריר שלד על ידי גליקוזאמינוגליקנים טעונים שלילית, במיוחד ע"י פרוטאוגליקנים של הפראן גופרתי. מהלך זה חשוב במיוחד בקרום הבסיס ובאנדומיזיום, המקיפים סיבי שריר שם הם יכולים לפעול באופן אוטוקריני.

חשוב לציין כי, אנזימי מטריצה יכולים לבקע את שרשראות הגליקוזאמינוגליקנים עם גורמי הגדילה המשויכים להם, דבר המאפשר להם לקיים אינטראקציה באיתות תאים ומכנוטרנסדוקציה (המרת כוחות מכניים לתוצרים ביוכימיים).

אינטראקציות בין קולגן לפרוטאוגליקנים

היות שקולגן ופרוטאוגליקנים מהווים את המרכיבים המבניים העיקריים של המטריצה, יש להם אינטראקציות יחודיות השומרות על המבנה והארגון שלה. פרוטאוגליקנים נקשרים לקולגן באתרים ספציפיים ונמצאים ביחסיות שונה ברחבי המטריצה.

לדקורין, הפרוטאוגליקן העיקרי בפרימיזיום, יש צורה של קשת, הרצפים החוזרים ונשנים עתירי הלאוצין שלו נקשרים לקולגן 1. בשל ההתקשרות שלו עם קולגן 1 במבחנה, הוצע כי דקורין משמש להסדרה של ייצור קולגן 1 בשריר שלד. דקורין מעכב את הגדילה לרוחב של סיבוני קולגן.

ביגליקאן דומה מבחינה מבנית לדקורין וגם נקשר לקולגן 1, סביר שבאותו מיקום כמו דקורין.

הקשירה של פרוטאוגליקנים לקולגן והמיקום של קשרי-צילוב קולגניים (crosslinks) עשויים להיות גורמי מפתח הקובעים את הארגון המבני של מטריצת שריר השלד.

בהיעדר דקורין או ביגליקאן, קוטר סיב הקולגן בגיד אינו סדיר. יתר על כן, בניסוי, עכברים נטולי ביגליקאן הציגו סוג של ניוון שרירים קל (mild muscular dystrophic phenotype), ואילו עור של עכברים נטולי דקורין הציג ירידה בחוזק המתיחה, דבר המעיד על החשיבות של פרוטאוגליקנים אלה בשמירה על תפקוד רקמות ותכונות מכניות תקינות.

גליקופרוטאינים וחלבוני קישור מטריצה-תא (matri-cellular)

גליקופרוטאינים רבים מתפקדים כמולקולות קישור בין קולגן 4 בקרום הבסיס לבין קרום תא השריר (סרקולמה). חלבונים חוצי קרום התא הנקראים, אינטגרינים, וכן דיסטרוגליקאן-b קושרים אליהם חלבונים של קרום הבסיס שנקראים למינינים, כמו גם פיברונקטין. אינטגרינים יכולים להיקשר ישירות לקולגן 4 או בעקיפין באמצעות פיברונקטין או נידוגן. אינטראקציות בין גליקופרוטאינים אלה מספקות מנגנונים פוטנציאליים להעברת כוחות רוחבית מסיב השריר אל האנדומיזיום ומשם אל הגיד. יחד עם מבנה הרשת המסועפת של קולגן 4, גליקופרוטאינים אלה מעצבים את היסודות לארכיטקטורת קרום הבסיס.

למינין-אינטגרין-דיסטרוגליקאן (Colognato et al.,2007)

חלבוני מטריצה-תא מופרשים למטריצה אך אינם ממלאים תפקיד מבני. בשרירי השלד הם כוללים אוסטאופונטין, חלבון מופרש חומצי ועשיר בציסטאין SPARC) Secreted Protein Acidic and Rich in Cysteine), תרומבוספונדין, וטנסצין-C. למרות שחלבונים אלו אינם מספקים תמיכה מבנית, הם חיוניים לתפקודי האיתות של המטריצה ושמירה על הארגון שלה.

• לאוסטאופונטין יש תפקידים בדומה לציטוקינים והוא אינו נצפה בדרך כלל בשרירי שלד רגילים, אך מופיע במהלך התחדשות שריר. למרות שאוסטאופונטין בדרך כלל מופרש על ידי תאים דלקתיים, גם מיובלסטים עשויים להפריש אותו.
• חלבון מופרש חומצי ועשיר בציסטאין SPARC הוכח כקושר קולגן ועשוי ללוות אינטראקציות של קולגן במטריצה.
• תרומבוספונדין זוהה במטריצת שריר השלד, ועכברים נטולי תרומבוספונדין הראו נימיות (קפילריות) גבוהה יותר מאשר עכברי בר, דבר המציין כי תפקידו עשוי להיות מניעת ייצור עודף של נימי דם.
• טנסצין-C ממוקם בצומת העצב-שריר (NMJ) וקושר פרלקאן ואגרין, דבר אשר יכול להצביע על כך שהוא ממלא תפקיד בשמירה על ארכיטקטורת צומת העצב-שריר.

אנזימים משפצי מטריצה

בשריר שלד רגיל, קיים איזון עדין בין האנזימים האחראים לייצור מטריצה לבין המעכבים שלהם. מחזור המטריצה (נטו בין ייצור לפירוק) נדרש לשם נדידת תאים, היווצרות סיבי שריר, וארגון מחדש של המטריצה ​​במהלך הסתגלות השריר. רמות האנזימים מפרקי המטריצה MMPs בשריר שלם הן בדרך כלל נמוכות. אנזימים מפרקי מטריצה שיכולים לבוא לידי ביטוי בשרירי השלד כוללים את הג'לטינאזות MMP-2 ו MMP-9 אשר מפרקים קולגן 4, פרוטאוגליקנים, פיברונקטין ולמינין, כמו גם את הקולגנאזות MMP-1 ו- MMP-13 המפרקים קולגן 1 ו-3. בנוסף ל-MMPs המופרשים, MMP-1 של הממברנה מפעיל MMP-2 ויש לו תפקודי פרוק חלבון ליד פני שטח התא. מעכבי האנזימים מפרקי המטריצה של הרקמה TIMPs, נקשרים ל MMPs פעילים או מייצבים צורות לא פעילות, ובכך מעכבים את הפעילות האנזימטית שלהם. בהתחשב במגוון הרחב של רכיבים המעורבים בייצור מטריצה, פירוק, ובעיכוב הפירוק הזה, ברור כי הרכב מטריצת שריר השלד, ולכן התכונות המכניות שלה, נמצאים תחת הסדרה הדוקה.

התאים החד-גרעיניים של המטריצה

למרות שרוב תיאורי ה"תאים" ברקמת שריר מתייחסים לסיבי השריר הרב-גרעיניים המובחנים ביותר, רקמת שריר, באופן כללי, והמטריצה, בפרט, מהווים בית גידול למגוון רחב של סוגי תאים חד-גרעיניים המעורבים בתחזוקת המטריצה ובהתחדשות השריר. תאי לווין בשריר (satellite cells) תוארו בפירוט במקומות אחרים ולא ידונו בסקירה זו. במקום זאת, הדיון יתמקד בסוגי תאים בשריר התורמים לייצור ותחזוקה של המטריצה.

במונחים של סוגי תאים "מינוריים": אקסונים עצביים מפרישים אגרין, שהוא פרוטאוגליקן של הפראן גופרתי HSPG המסייע בהתקבצות של קולטני אצטילכולין לאשכולות בצומת העצב-שריר. תאי התמיכה שלהם – תאי שוואן (Schwann) – מסוגלים לייצר למינינים במבחנה ובמודל חי וכאשר מתורבתים יחד עם תאי עצב, הם מפרישים קולגן 1 ו-3.

פיברובלסט – התא העיקרי החד-גרעיני במטריצת שריר רגילה. תא זה אחראי לייצור רוב רכיבי המטריצה, כולל קולגן, פיברונקטין, אנזימים מפרקי מטריצה, ופרוטאוגליקנים.

עם זאת, במקרים של פציעה בשריר, סוגי תאים אחרים עשויים לתרום לייצור של רכיבי המטריצה. לדוגמה, הוכח כי תאי לווין מסוגלים להפריש אנזימים מפרקי מטריצה בתרבית, דבר שעשוי לסייע להם בהגירה דרך המטריצה לאתרי פגיעה בשריר. אפשרי שאפילו סיבי שריר רב-גרעינים תורמים לייצור מטריצה בשריר רגיל. תאים מיוגניים מפרישים קולגן, MMP-2, ודקורין בתרבית, ומיובלסטים עובריים מפרישים סוגי קולגן לפני מיזוג (fusion).

אבל נראה שצריך פיברובלסטים כדי לארגן את רכיבי המטריצה למצע מתפקד. פיברובלסטים רגישים לטעינה מכנית וממירים אותות מכניים להתבטאות גנים (מכנוטרנסדוקציה).

סביר שפיברובלסטים ליד צומת השריר-גיד חווים סביבה מכנית שונה לעומת אלה הממוקמים באמצע בטן השריר, ומיקום זה עשוי להיות אחראי לייצור מוגבר של קולגן במטרה לסייע בהתפתחות ותחזוקת הגיד כמו גם ייצור של למינינים וטלינים המקשרים את קצוות סיבי השריר לקרום הבסיס בצומת השריר-גיד. בגלל שכמות הקולגן בשריר משתנה, סביר להניח כי שרירים עשויים להכיל פיברובלסטים בעלי פנוטיפ שונה עבור ייצור המטריצה התואמת את צרכיו של סוג השריר המדובר. ישנו תקדים לתפקוד דיפרנציאלי כזה של תאים המזוהים באופן כללי כ"פיברובלסטים". למשל, פיברובלסטים אקסטראוקולריים של שרירי גלגל העין (נגזרים מהאקטודרם העצבי) נבדלים באופן פנוטיפי מפיברובלסטים של שרירי הרגליים (נגזרים ממקור מזנכימלי) גם כאשר הם מבודדים מאותו המין, כך שהבדלי תעתוק גנטי (transcription) אינם מפתיעים.

מחקר שנערך לאחרונה הראה כי לפיברובלסטים המבודדים מסוגי שרירים שונים יש פוטנציאל גדילה שונה במבחנה וכי הם מבטאים רמות שונות של MMP-2. פיברובלסטים בתרבית של שרירי semitendinosus ו- sternomandibularis של שור היו בעלי יכולת גדילה גבוהה יותר מאשר פיברובלסטים משריר longissimus dorsi, וביטוי פעיל של MMP-2 היה בדרך כלל הגבוה ביותר בתרביות פיברובלסטים של שריר ה- semitendinosus והנמוך ביותר בתרביות פיברובלסטים של שריר ה- sternomandibularis. התכונות המכניות ותכולת הקולגן של השרירים הללו לא נבדקו במקביל, ולכן לא ניתן לקשר בין הבדלים אלה לבין תפקוד שרירים או מחזור המטריצה.

הנושא של מיקום ומספר הפיברובלסטים בשריר שלד לא טופל באופן שיטתי, אבל מיון תאים באמצעות פלואורסצנט (fluorescence-activated cell sorting-FACS) מאפשר לזהות ולהפריד פיברובלסטים מרקמת שריר. מדידת השינויים בפיברובלסטים של שריר לאחר פציעה ופתולוגיה יכולה להסביר את השינויים שנמדדו במטריצת השרירים הללו.

העובדה כי לחלק משמעותי של תאים חד-גרעיניים השוכנים בשריר יש תכונות של תאי גזע היא פרובוקטיבית במיוחד לאור מחקרים אחרונים אשר הוכיחו בבירור כי המאפיינים הביומכניים של מטריצת התא משפיעים מאוד על דפוסי הביטוי של גנים הקשורים בקביעת גורל התא. דבר זה מעלה את האפשרויות הברורות כי התכונות המכניות של המטריצה לא משתנות רק במצבי מחלה ופציעה, אלא שאותם שינויים מכניים או המטריצה משפיעים על מאפייני הרקמות כתוצאה מכך.

שינויים פתולוגיים במטריצת שריר השלד

פיברוזיס (לַיֶפֶת, רקמה צלקתית)

• הצטברות של עודף מטריצה – תופעה שנקראת באופן כללי, "פיברוזיס" – הינה מכנה משותף של כמעט כל מחלות השריר (מיופתיות). בפועל, למונח הזה אין הגדרה אובייקטיבית, אך הוא משמש בדרך כלל כמתאר איכותי של פתולוגיה בשריר.
• בניתוח היסטולוגי של פיברוזיס בשריר (תמונה 8) רואים עלייה בכמות האנדומיזיום והפרימיזיום (הצטברות של חלבון הקולגן בשריר), אך תיאור זה הוא כללי ביותר.
• פיברוזיס בשרירי השלד רלוונטי קלינית במיוחד לאור ההשפעה המכנית החזקה מאוד שיש למטריצה בתפקוד השרירים. עם זאת, לא ברור אם פיברוזיס בשרירים מתאפיין בייצור מופרז של מרכיבי מטריצה, שינוי בפעילות או בביטוי הגנים של אנזימים מפרקי מטריצה והאנזימים המעכבים שלהם, או שילוב של כל אלה.
• פיברובלסטים הם בדרך כלל התאים המייצרים קולגן בשריר הבוגר, אך גם סוגי תאים אחרים עשויים לתרום לייצור הקולגן בשריר פיברוטי, כולל תאי דלקת, תאי שריר, תאי אנדותל ותאי לווין.
• פיברוזיס מתרחש בשרירי שלד במחלות של ניוון שרירים, סוכרת לאורך זמן ובסיבוכים של המחלה, הקבעה/אימוביליזציה, והזדקנות.

תמונה 8. חתך רוחב בשריר Tibialis Anterior של עכבר נורמלי ומוזרק נוירוטוקסין (רעלן עצבי). (A) בשריר רגיל רואים את האנדומיזיום שעוטף סיבי שריר בודדים (המדגם מתוחם בקו אחיד) והפרימיזיום שמפריד בין צרורות סיבים (המדגם מתוחם בקו מקווקו) (a, עורק, v, וריד). (B) רואים הצטברות של רקמת חיבור סביב סיבי שריר מנוונים בשריר מוזרק הנוירוטוקסין (n, עצב). אזורים לא מושפעים מציגים מבנה סיבים נורמלי.

 גורם גדילה בתא (Transforming growth factor-beta, TGF-b) הוא ציטוקין עם תפקידים רבים בשריר שלד. תפקידו של TGF-b בפיברוזיס מהווה נושא למחקרים רבים.

• גורם גדילה בתא TGF-b שהופעל גורם לפיברובלסטים לייצר קולגן 1, פיברונקטין, גורם גדילה של רקמות חיבור (CTGF), ומדכא MMPs.
• כאשר מתרחשת פגיעה חוזרת ונשנית בשרירים, עלייה ברמת ה- TGF-b ממשיכה לאותת לייצור מטריצה ובסופו של דבר מובילה לתגובה פיברוטית.
• במקרה של מחלת ניוון השרירים ע"ש דושן (Duchenne muscular dystrophy – DMD), דקורין וביגליקאן, אשר בדרך כלל מבודדים את ה-TGF-b, מתמיינים באופן דיפרנציאלי, דבר שעשוי להוביל לשינוי האיתות של TGF-b ובסופו של דבר לפיברוזיס.

גורם גדילה של רקמות חיבור (CTGF) התגלה רק לאחרונה, ותפקידו בפיברוזיס של שריר אינו מובן לחלוטין, אבל נראה שיש קשר בין הביטוי של TGF-b ו- CTGF.

• נראה שמאמץ מכני מעורר ביטוי של CTGF, והוא עשוי להיות מעורב בפיברוזיס שרירי שעלול להתרחש לאחר פציעת מתיחה.

בנוסף לשינויים בהרכב השריר, פיברוזיס קשור גם לשינויים במכניקת השריר.

שריר עויתי (ספסטיות) במטופלים עם שיתוק מוחין (cerebral palsy) מתאפיין במטריצה חוץ-תאית מוגברת ועלייה בנוקשות הסיבים. מעניין לציין כי, מודולוס של סיבי שריר עויתי הוא פי שניים יותר מאשר זה של סיבים נורמליים, אבל מודולוס של צרורות שריר עויתי הוא נמוך משמעותית מאשר צרורות רגילים. ממצא זה מפתה להעלות השערה כי מודולוס מופחת של צרור עויתי מתרחש בתגובה לשינוי בנוקשות סיבי השריר עצמם. תוכן הקולגן עולה בשריר עויתי וקשור עם החומרה הקלינית של עוית השריר, הוכחה נוספת לחשיבות הקלינית של המטריצה בפתולוגיה.

בדיקה של שרירים מילדים עם קונטרוקטורות כפיפה של מפרק היד חשפה שינויים משמעותיים בשעתוק גנים הקשורים למטריצה באופן שונה ממודלים אחרים של שימוש לקוי או של מחלה כגון, דושן, אטרופיה בשל הקבעה, או פרפלגיה עויתית תורשתית. לכן, ייתכן כי האפקט "הסופי" שנצפה הוא פיברוזיס, אבל ישנם תהליכי תא רבים שיכולים להיות מעורבים בהיווצרותו.

הסתגלות שרירים פרובוקטיבית באותה מידה נצפתה לאחרונה במודל עכבר נטול דזמין (קור ביניים בסיב שריר). בדיקות מצטברות של הרפיית מאמץ (Incremental stress–relaxation tests) בוצעו על סיבי שריר ה-EDL וצרורות סיבים של עכברים נטולי דזמין ועכברי בר. המודול הליניארי הוגדר כשיפוע של עקומת המאמץ-עיבור המהווה מדד לנוקשות הרקמות. אובדן רשת קורי הביניים הביא בסופו של דבר להיפרטרופיה של המטריצה ולרקמת שרירים נוקשה יותר מבחינה מכנית. לפיכך, נתונים של ילדים עם שיתוק מוחי ומודלים מהונדסים של עכברים, גם יחד, מציעים את האפשרות כי התכונות המכניות של סיבי שריר ומאפייני המטריצה תלויים זה בזה. נותר הצורך להגדיר את הבסיס המכניסטי המפורט לאינטראקציה כזו.

ציטוקינים פרו-פיברוטיים ורכיבי מטריצה המקיימים איתם אינטראקציה היוו מטרות ספציפיות לטיפולים אנטי-פיברוטיים עבור שרירי שלד בהתבסס על הפוטנציאל שלהם להשפיע ישירות על ייצור מטריצה. הוארד (Huard) ועמיתיו יישמו גישה מכניסטית זו באמצעות שימוש במעכבי IGF-1, דקורין, ו- TGF-b כדי למנוע פיברוזיס בשרירי שלד. טיפולים אלה משפרים התחדשות ומונעים פיברוזיס בשריר פגוע, אך יעילותם בשריר פיברוטי טרם נקבעה.

שומן תוך שרירי

תגובה פתולוגית נוספת של שריר שלד למחלה או פציעה היא הצטברות של שומן תוך-שרירי, חוץ-תאי. זוהי תגובה שונה מההסתגלות החיובית של שריר לאימון הכוללת עלייה ברמת השומן התוך-תאי. דוגמאות פתולוגיות להצטברות שומן תוך-שרירי כוללות, הצטברות שומנית המתרחשת במקרים מתקדמים של דושן, השמנת יתר, סוכרת מסוג 2, שריר מזדקן, כמו גם "ניוון שומני" המלווה קריעה בשרירי השרוול של הכתף, ופתולוגיות הגב התחתון בבני אדם.

רק לאחרונה ניתן היה להתייחס, באופן מכניסטי יחסית, לבסיס הביולוגי של הצטברות שומן ברקמת שריר. הדבר מבוסס על גילוי של סוגי תאים שונים בשריר, עם  פוטנציאל אדיפוגני ברור, כולל תאי לווין, תאי גזע מזנכימליים, ואוכלוסיית תאים מסוימת נוספת. עם זאת, עד לאחרונה, לא היה ברור איזה מן התאים הללו אחראים לרקמת השומן בשריר. Uezumi ועמיתיו זיהו אוכלוסית תאי אב (PDGFRa+ progenitor cell) נבדלת מתאי לווין שיכולים להתמיין לרקמת שומן במודל חי בתנאים לא-רגנרטיביים. מעניין שתאים אלה נצפו יותר בפרימיזיום מאשר באנדומיזיום, דבר שעולה בקנה אחד עם הרעיון כי באופן כללי הצטברות שומן במחלה מופיעה בפרימיזיום. מנגנון מפורט להפעלת תאים אלה והגורם (ים) המסדירים את שגשוגם עדיין לא ידוע.

לסיכום, תפקידה של המטריצה במכניקת השריר ובפתולוגיה אינו מובן היטב, אך מתברר יותר ויותר ששינויים במטריצה הם משמעותיים מבחינה קלינית. נדרשים מחקרים נוספים כדי להגדיר את המבנה וההרכב המפורטים של המטריצה, לאפיין את תכונותיה המכניות ולקבוע את האופן שבו יחסים אלה משתנים במצבי מחלה.

בסקירה זו הוצעו מספר מחקרים שיכולים לטפל בתחומים אלה, וניתן לסכם את שאלות המפתח כדלקמן:

1. מהו המבנה התלת ממדי של קולגן הפרימיזיום בשריר? כיצד הוא משתנה בין שרירים עם תפקוד שונה, כגון אלה הפעילים כרונית ומבצעים תפקידי אנטי-כבידה? באורכי שריר ארוכים, או בתנועות מהירות?
2. מהו טיבו של המעבר בין מבני האנדומיזיום, הפרימיזיום, האפימיזיום והגיד? כיצד מבנים אלה מתחברים כדי להעביר כוח לאורך ולרוחב השרירים?
3. מהו טיבה של התקשורת הביולוגית והביומכנית בין תאי השריר לבין המטריצה? אילו מבנים אחראים להעברת אותות ביולוגיים ומכניים בין תאי השריר לבין המטריצה?
4. מהם השינויים המתרחשים בפיברובלסטים ובתאים החד-גרעיניים של שריר בהתפתחות תקינה, פתולוגיה, ופציעה? מהם סוגי התאים שתורמים לפיברוזיס או להצטברות של שומן המתרחשים במחלות שריר?

תשובות לשאלות אלו ישפרו במידה רבה את ההבנה הבסיסית שלנו לגבי המטריצה וכיצד היא תורמת לתפקוד השרירים הרגיל. רק אז נוכל להתחיל להבין כיצד שינויי הרכב ומבנה במטריצה משפיעים על תפקוד השרירים במחלות ובפציעות. לבסוף, זיהוי מנגנונים שבאמצעותם היפרטרופיה של המטריצה במצבי מחלה יספקו מטרות פוטנציאליות להתערבות טיפולית.

מקור הסקירה והתמונות:

Structure and function of the skeletal muscle extracellular matrix, Allison R Gillies, Richard L Lieber, 2011

תמונה ראשית: dreamstime