Osteoartritis: ¿cómo se arreglan los cartílagos articulares?

El cartílago articular normal realiza dos funciones principales: la absorción de presión por deformación durante el esfuerzo mecánico y la suavidad de las superficies articulares, lo que le permite minimizar la fricción cuando se mueve en la articulación. Esto está garantizado por la estructura única del cartílago articular, que consiste en condroitia inmerso en la matriz extracelular (MEC).

El cartílago articular normal de un adulto se puede dividir en varias capas o zonas: una superficie o zona tangencial, una zona de transición, una zona profunda o radial y una zona calcificada. La capa entre la superficie y las zonas de transición y especialmente entre las zonas de transición y profunda no tiene límites claros. La conexión entre el cartílago articular calcificado y no calcificado se denomina "borde ondulado": esta es la línea determinada por la tinción del tejido descalcificado. La zona calcificada del cartílago es una proporción relativamente constante (6-8%) en la altura total de las medias lunas. El espesor total del cartílago articular, incluida la zona del cartílago calcificado, varía según la carga en un área determinada de la superficie articular y el tipo de articulación. La presión hidrostática intermitente en el hueso subcondral juega un papel importante en el mantenimiento de la estructura normal del cartílago, ralentizando la osificación.

Los condrocitos constituyen aproximadamente el 2-3% de la masa total de tejido; en la zona de superficie (tangencial) se ubican a lo largo y en la zona profunda (radial), perpendicular a la superficie del cartílago; en la zona de transición, los condrocitos forman grupos de 2-4 células diseminadas por toda la matriz. Dependiendo del área del cartílago articular, la densidad de la ubicación de los condrocitos varía: la densidad celular más alta en la zona superficial, la más baja en la zona calcificada. Además, la densidad de la distribución celular varía de una articulación a otra, es inversamente proporcional al grosor del cartílago y la carga experimentada por su sitio correspondiente.

Los condrocitos situados más superficialmente tienen forma de disco y forman en la zona tangencial varias capas de células situadas debajo de una estrecha franja de matriz; Las células profundamente ubicadas en esta zona tienden a tener contornos más desiguales. En la zona de transición, los condrocitos tienen una forma esférica, a veces se combinan en pequeños grupos dispersos en la matriz. Los condrocitos de la zona profunda son predominantemente de forma elipsoidal, agrupados en cadenas dispuestas radialmente de 2-6 células. En la zona calcificada se distribuyen aún más escasamente; algunos de ellos son necróticos, aunque la mayoría son viables. Las células están rodeadas por una matriz no calcificada, el espacio intercelular está calcificado.

Por lo tanto, el cartílago articular humano consiste en ECM hidratada y células sumergidas en él, que constituyen el 2-3% del volumen total del tejido. Dado que el tejido cartilaginoso no tiene vasos sanguíneos y linfáticos, la interacción entre las células, la entrega de nutrientes a ellos, la eliminación de los productos metabólicos se lleva a cabo por difusión a través de la MEC. A pesar de que los condrocitos metabólicos son muy activos, normalmente no se dividen en personas adultas. Los condrocitos existen en un ambiente libre de oxígeno, creen que su metabolismo se lleva a cabo predominantemente anaeróbicamente.

Cada condrocito se considera como una unidad metabólica separada del cartílago, aislada de las células vecinas, pero responsable de la producción de elementos VKM en las inmediaciones de la célula dada y el mantenimiento de su composición.

En VKM se distinguen tres departamentos, cada uno de los cuales tiene una estructura morfológica única y una cierta composición bioquímica. VKM, inmediatamente adyacente a la célula caótica de los condrocitos, se llama matriz pericelular o lacunar. Se caracteriza por el contenido de alta relacionados con la interacción de células ácido hialurónico de los agregados de proteoglicano con receptores CD44-similares, y la relativa falta de fibrillas de colágeno organizadas. Directamente en contacto con la matriz pericelular territorial o capsular, una matriz que consiste en una red de intersección de los colágenos fibrilares, que encapsula las células individuales, o (a veces) un grupo de células que forman hondron, y es probable que proporcionar soporte mecánico especial para las células. Contacto matriz de condrocitos con capsular alcanzado por numerosos procesos citoplasmáticos ricos en microfilamentos y por moléculas de la matriz específicos, tales como receptores CD44-ankorin y podobnye. La mayor y más alejado de la membrana basal ECM separado de condrocitos - matriz interterritorial que contiene el mayor número de fibrillas de colágeno y proteoglicanos.

La división de ECM en departamentos está más claramente delineada en el cartílago articular de un adulto que en el cartílago articular inmaduro. El tamaño relativo de cada departamento varía no solo en diferentes articulaciones, sino incluso dentro del mismo cartílago. Cada condrocito produce una matriz que lo rodea. Estudios Archivado maduran condrocitos de cartílago realizado el control metabólico activos en sus matrices pericelulares y territoriales son matriz interterritorial de control menos activa, que puede ser metabólicamente "inerte".

Como se indicó anteriormente, el cartílago articular consiste principalmente en una gran VKM, sintetizada y regulada por condrocitos. Las macromoléculas tisulares y su concentración cambian durante la vida de acuerdo con las cambiantes necesidades funcionales. Sin embargo, no está claro: las células sintetizan toda la matriz simultáneamente o en ciertas fases de acuerdo con las necesidades fisiológicas. La concentración de macromoléculas, el equilibrio metabólico entre ellos, definen la relación y propiedades bioquímicas de interacción, y por lo tanto la función del cartílago articular en una articulación. El componente principal del adulto VCR cartílago articular es el agua (65-70% de la masa total), que está conectado firmemente en ella por medio de las propiedades físicas especiales de macromoléculas tejido de cartílago que comprenden los colágenos, proteoglicanos y glicoproteínas no colágenas.

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Composición bioquímica del cartílago

Las fibras de colágeno consisten en moléculas de proteína fibrilar de colágeno. En los mamíferos, la proporción de colágeno representa una cuarta parte de todas las proteínas en el cuerpo. El colágeno forma elementos fibrilares (fibrillas de colágeno), que consisten en subunidades estructurales, llamadas tropocolágeno. La molécula de tropocolágeno tiene tres cadenas que forman una triple hélice. Esta estructura de la molécula de tropocolágeno, así como la estructura de la fibra de colágeno, cuando estas moléculas son paralelas en la dirección longitudinal con un desplazamiento constante de aproximadamente 1/4 de la longitud y proporcionan una alta elasticidad y resistencia a los tejidos en los que están ubicadas. Actualmente, se conocen 10 tipos de colágeno genéticamente diferentes, que difieren en la estructura química de las cadenas a y / o su recolección en la molécula. Los primeros cuatro tipos de colágeno más estudiados son capaces de formar hasta 10 isoformas moleculares.

Las fibrillas de colágeno son parte del espacio extracelular de la mayoría de los tipos de tejido conectivo, incluido el tejido cartilaginoso. Dentro de la red tridimensional insoluble, otros componentes más solubles, tales como proteoglicanos, glicoproteínas y proteínas específicas de tejido, se "enredan" a partir de las fibrillas de colágeno colapsantes; a veces están unidos covalentemente a elementos de colágeno.

Las moléculas de colágeno organizadas en fibrillas constituyen aproximadamente el 50% del residuo orgánico seco del cartílago (10-20% del cartílago nativo). En el cartílago maduro, aproximadamente el 90% de los colágenos son colágenos tipo II, que se encuentran solo en ciertos tejidos (p. Ej., Vítreo, médula espinal embrionaria). El colágeno tipo II se refiere a la primera clase (formando fibrillas) de moléculas de colágeno. Además de él, en el cartílago articular maduro de una persona también se encuentran colágeno IX, tipo XI y en un pequeño número de tipo VI. La cantidad relativa de fibras de colágeno de tipo IX en las fibrillas de colágeno disminuye del 15% en el cartílago del feto a aproximadamente el 1% en el cartílago maduro del toro.

Las moléculas del tipo de colágeno I consisten en tres cadenas polipeptídicas a, (II) idénticas, sintetizadas y secretadas en forma de precursor de precollagen. Una vez que las moléculas de colágeno listas para usar se liberan en el espacio extracelular, forman fibrillas. En el cartílago articular maduro, el colágeno tipo II forma arquerías fibrilares, en las cuales las moléculas más "gruesas" se localizan en capas profundas de tejido, y más "delgadas" - horizontalmente en las capas superficiales.

En el gen de procolágeno de tipo II, se encontró un exón que codifica un propéptido N-terminal rico en cisteína. Este exón no se expresa en el cartílago maduro, sino en las primeras etapas del desarrollo (precondrogénesis). Debido a la presencia de este exón, la molécula tipo procolágeno II (tipo II A) es más larga que el colágeno tipo II. Probablemente, la expresión de este tipo de procolágeno inhibe la acumulación de elementos en la MEC del cartílago articular. Puede desempeñar un papel en el desarrollo de la patología del cartílago (por ejemplo, respuesta reparadora inadecuada, formación de osteofitos, etc.).

Una red de fibrillas de colágeno tipo II proporciona una función de resistencia a la tracción y es necesaria para mantener el volumen y la forma del tejido. Esta función se ve reforzada por el enlace covalente y cruzado entre las moléculas de colágeno. En VKM, la enzima lysiloxidase forma un aldehído a partir de hidroxilizina, que luego se convierte en un aminoácido multivalente hidroxililpiridinolina, que forma enlaces cruzados entre las cadenas. Por un lado, la concentración de este aminoácido aumenta con la edad, sin embargo, en el cartílago maduro prácticamente no cambia. Por otro lado, en el cartílago articular, con la edad se forma un aumento en la concentración de enlaces cruzados de diferentes tipos con la edad, formado sin la participación de enzimas.

Alrededor del 10% del colágeno total de cartílago son los llamados colágenos menores, que determinan en gran medida la característica única de este tejido. El colágeno tipo IX pertenece a la clase III moléculas korotkospiralnyh y grupo único FACIT-colágeno (fibrillas asociadas colágeno con triples interrumpidas hélices - colágeno de fibrillas asociadas con triple hélice interrumpida). Consiste en tres cadenas genéticamente diferentes. Uno de ellos - un ₂ -cadenas - glicosilada simultáneamente con sulfato de condroitina, lo que hace que la molécula en el mismo proteoglicano tiempo. Entre los segmentos de la hélice del colágeno IX colágeno tipo, y exhibición de tipo II ambas reticulaciones gidroksipiridinovye maduros e inmaduros. El colágeno IX también puede funcionar como un intermolecular-interfibrillyarny "conector" (o puente) entre las fibrillas de colágeno adyacentes. Moléculas de colágeno IX forman enlaces cruzados entre sí, lo que aumenta la estabilidad mecánica de la red fibrilar tridimensional y lo protege de la exposición a enzimas. También proporcionan resistencia a la deformación, lo que limita la hinchazón de los proteoglicanos dentro de la red. También molécula de colágeno IX-cadena CS aniónico contiene dominio catiónico informar de fibrillas de gran carga y la tendencia de la interacción con otras macromoléculas de la matriz.

El tipo de colágeno XI es solo el 2-3% de la masa total de colágenos. Pertenece a la primera clase (formando fibrillas) de colágenos y consta de tres cadenas a diferentes. Junto con los tipos de colágeno II y IX, el colágeno tipo X forma fibrillas heteróticas del cartílago articular. Las moléculas de colágeno tipo XI se encuentran dentro de las fibrillas de colágeno de tipo II con la ayuda de la inmunoelectromicroscopía. Quizás organizan moléculas de colágeno tipo II, controlan el crecimiento lateral de las fibrillas y determinan el diámetro de la fibrilla de colágeno heterotípica. Además, el colágeno XI está involucrado en la formación de enlaces cruzados, pero incluso en el cartílago maduro, los enlaces transversales permanecen en forma de cetoaminas divalentes inmaduras.

Se encontró una pequeña cantidad de colágeno tipo VI, otro representante de la clase III de moléculas de tramo corto, en el cartílago articular. El colágeno tipo VI forma varias microfibrillas y, posiblemente, se concentra en la matriz capsular del condón.

Los proteoglicanos son proteínas a las que se une covalentemente al menos una cadena de glicosaminoglicanos. Los proteoglicanos pertenecen a una de las macromoléculas biológicas más complejas. Los proteoglicanos más extensos están presentes en el cartílago VKM. "Enredados" dentro de la red de fibrillas de colágeno, los proteoglicanos hidrófilos cumplen su función principal: informan al cartílago de la capacidad de deformarse de forma reversible. Se cree que los proteoglicanos llevan a cabo una serie de otras funciones, cuya esencia no está del todo clara.

El agrecano es el principal proteoglicano del cartílago articular: representa aproximadamente el 90% de la masa total de proteoglicanos en el tejido. Su proteína central de 230 kD está glicosilada por varias cadenas de glicosaminoglicanos unidas covalentemente, así como por oligosacáridos N-terminales y C-terminales.

Cadena de glicosaminoglicano de cartílago articular, que constituyen aproximadamente el 90% de las macromoléculas de peso total - sulfato de queratano (que representa la secuencia de disacárido sulfatado N-atsetilglyukozamingalaktoza múltiples porciones sulfatados y otros residuos de monosacáridos, tales como ácido siálico) y sulfato de condroitina (que representa la secuencia de disacárido de N-acetilgalactosamina, ácido glucurónico, éster de sulfato, cada uno conectado a la cuarta o al átomo de carbono sexto de la N-atsetilg lactosamina).

Proteína del núcleo de agrecano contiene tres (G1, G2, G3) h globular interglobular dos (E1 y E2) de dominio. Porción N-terminal comprende una G, - y dominios G2- separó E1 longitud de segmento de 21 nm. C3-dominio ubicado en el extremo C-terminal, separado de G ₂ más largo (aproximadamente 260 nm) segmento E2 que lleva más de 100 cadenas de sulfato de condroitina de cerca de 15-25 cadenas de sulfato de queratano y oligosacáridos O-ligados. Oligosacáridos encontrados principalmente dentro de los dominios G1 y C2 y E1-segmento, así como cerca de la G N-ligada ₃ -regiona. Los glicosaminoglicanos se agrupan en dos regiones: la más extendida (la llamada región rica en sulfato de condroitina) cadena comprende sulfato de condroitina y aproximadamente el 50% de las cadenas de sulfato de queratano. Región rica en sulfatos de queratano, localizadas a E ₂ -segmente cerca G1-dominio precede a una región rica en sulfatos de condroitina. Moléculas de agrecano también contienen ésteres de fosfato, localizadas principalmente en residuos de xilosa que las cadenas de sulfato de condroitina se unen a la proteína del núcleo; también se encuentran en los residuos de serina de la proteína del núcleo.

El segmento C-terminal _del dominio C3 es altamente homólogo a la lectina, por lo que las moléculas de proteoglicanos pueden ser fijadas en la ECM uniéndose a ciertas estructuras de hidrocarburos.

En estudios recientes, se observó un exón que codifica el subdominio de tipo EGF (factor de crecimiento epidérmico) dentro _de G3 . Usando anticuerpos policlonales anti-EGF, se localizó un epítopo de tipo EGF dentro de un péptido de 68 kD en el agregado del cartílago articular humano. Sin embargo, sus funciones requieren aclaración. Este subdominio también se encuentra en la estructura de las moléculas de adhesión que controlan la migración de linfocitos. Sólo aproximadamente un tercio de las moléculas aisladas de aggrecan madura cartílago articular humano contiene C intacto ₃ dominios de; probablemente esto se debe al hecho de que en el ECM, las moléculas de agrecano pueden reducirse en tamaño por la ruta de la enzima. El destino y la función adicional de los fragmentos divididos son desconocidos.

El segmento funcional principal es una molécula de aggrecan glikozaminoglikannesuschy E ₂ -segment. El sitio, rico en keratan sulfatos, contiene los aminoácidos prolina, serina y treonina. La mayoría de los residuos de serina y treonina están O-glucosilados con residuos de N-acetilgalactosamina, desencadenan la síntesis de algunos oligosacáridos que están incrustados en las cadenas de sulfato de queratan, por lo que los prolongan. El resto de la E ₂ -segmenta contiene más de 100 secuencias de serina-glicina, en el que la serie proporciona unión ksilozilnym a los residuos en el inicio de las cadenas de sulfato de condroitina. Por lo general, tanto condroitin-6-sulfato como condroitin-4-sulfato existen simultáneamente dentro de la misma molécula de proteoglicano, de la relación varía dependiendo de la ubicación del tejido del cartílago y la edad de la persona.

La estructura de las moléculas de agrecano en la matriz del cartílago articular de una persona sufre una serie de cambios en el proceso de maduración y envejecimiento. Los cambios relacionados con el envejecimiento incluyen una disminución en el tamaño hidrodinámico como resultado de los cambios en la longitud de la cadena promedio de los condroitín sulfatos, un aumento en el número y la longitud de las cadenas de queratán sulfato. Una serie de cambios en la molécula de agrecano también experimentan la acción de enzimas proteolíticas (por ejemplo, agrecanasa y estromelisina) en la proteína del núcleo. Esto conduce a una disminución progresiva en la longitud promedio de la proteína del núcleo de las moléculas de agrecano.

Las moléculas de agrecano se sintetizan mediante condrocitos y se secretan en la MEC, donde forman agregados estabilizados por moléculas de proteínas de unión. Esta agregación incluye interacciones no covalentes y cooperativas altamente específicas entre el filamento de ácido glucurónico y casi 200 moléculas de agrecanos y proteínas de unión. El ácido glucurónico es un glicosaminoglicano lineal no sulfonado extracelular con un gran peso molecular, que consiste en una serie de moléculas unidas secuencialmente de N-acetilglucamina y ácido glucurónico. Los bucles acoplados del dominio G1 de agrecano interactúan reversiblemente con cinco disacáridos de ácido hialurónico dispuestos de forma consecutiva. La proteína de unión, que contiene bucles pareados similares (homólogos), interactúa con el dominio C1 y la molécula de ácido hialurónico y estabiliza la estructura del agregado. El complejo de proteína de unión al ácido hialurónico del dominio C1 forma una interacción altamente estable que protege el dominio G1 y la proteína de unión de la acción de las enzimas proteolíticas. Se identificaron dos moléculas de una proteína de unión con un peso molecular de 40-50 kD; se diferencian entre sí en el grado de glicosilación. Solo una molécula de la proteína de unión está presente en el sitio de unión ácido hialurónico-agrecano. La tercera molécula, más pequeña, de la proteína de unión se forma a partir de proteínas más grandes por escisión proteolítica.

Aproximadamente 200 moléculas de aggrecan pueden unirse a una molécula de ácido hialurónico para formar un agregado de 8 μm de longitud. En la matriz asociada a la célula, que consiste en las divisiones pericelular y territorial, los agregados retienen su conexión con las células uniéndose (a través del filamento de ácido hialurónico) a los receptores de tipo CD44 en la membrana celular.

La formación de agregados en el ECM es un proceso complejo. Las moléculas de agrecano recién sintetizadas no manifiestan inmediatamente la capacidad de unirse al ácido hialurónico. Esto puede servir como un mecanismo regulador que permite que las moléculas recién sintetizadas alcancen la zona interterritorial de la matriz antes de inmovilizarse en grandes agregados. El número de moléculas de agrecano recién sintetizadas y proteínas de unión capaces de formar agregados por interacción con ácido hialurónico disminuye significativamente con la edad. Además, con la edad, el tamaño de los agregados aislados del cartílago articular de una persona se reduce significativamente. Esto se debe en parte a la disminución en la longitud promedio de las moléculas de ácido hialurónico y moléculas de agrecano.

Hay dos tipos de agregados en el cartílago articular. El tamaño promedio de los agregados del primer tipo es 60 S, los agregados del segundo tipo ("superagregados" que precipitan rápidamente) son 120 S. Este último se caracteriza por la abundancia de moléculas de la proteína de unión. La presencia de estos superagogamientos puede jugar un papel importante en el funcionamiento del tejido; durante la restauración del tejido después de la inmovilización de la extremidad en las capas medias del cartílago articular, se encuentran sus concentraciones más altas, en la articulación afectada por la osteoartritis, en las primeras etapas de la enfermedad sus dimensiones se reducen significativamente.

Además de agrecano, el cartílago articular contiene varios proteoglicanos más pequeños. Biglikan y decorina, las moléculas que llevan dermatán sulfatos tienen una masa molecular de aproximadamente 100 y 70 kD, respectivamente; la masa de su proteína central es de aproximadamente 30 kD.

El cartílago articular de la molécula de biglicano humano contiene dos cadenas de sulfato de dermatano, mientras que se producen con más frecuencia decorina - sólo una. Estas moléculas son sólo una pequeña parte de los proteoglicanos en el cartílago articular, aunque también pueden ser mucho, así como grandes agregados de proteoglicanos. Proteoglicanos pequeños interactúan con otras macromoléculas en la ECM, incluyendo fibrillas de colágeno, fibronectina, factores de crecimiento, y otros. Decorin localizado originalmente en la superficie de las fibrillas de colágeno e inhibe la fibrilogénesis del colágeno. Varilla retenido firmemente proteína con un dominio de unión celular de la fibronectina, por lo tanto, probablemente la inhibición de la unión de este último a los receptores de superficie celular (integrinas). Debido al hecho de que tanto la decorina y el biglicano se unen a la fibronectina e inhiben la adhesión celular y la migración, así como la formación de trombos, que son capaces de inhibir los procesos de reparación de tejidos.

La fibromodulina del cartílago articular es un proteoglicano con una masa molecular de 50-65 kD, asociado con fibrillas de colágeno. Su proteína central, homóloga a las proteínas del núcleo de la decoración y bigakana, contiene una gran cantidad de residuos de sulfato de tirosina. Esta forma glicosilada de fibromodulina (anteriormente llamada proteína de matriz de 59 kD) puede participar en la regulación de la formación y mantenimiento de la estructura de las fibrillas de colágeno. La fibromodulina y la decorina se encuentran en la superficie de las fibrillas de colágeno. Por lo tanto, como se indicó anteriormente, el aumento en el diámetro de la fibrilla debe estar precedido por la eliminación selectiva de estos proteoglicanos (así como las moléculas de colágeno de tipo IX).

El cartílago articular contiene varias proteínas en el VKM, que no pertenecen ni a los proteoglicanos ni a los colágenos. Interactúan con otras macromoléculas para formar una red en la que se incorporan la mayoría de las moléculas de VKM.

Anchorin, una proteína con una masa de 34 kD, se localiza en la superficie de los condrocitos y en la membrana celular, media la interacción entre la célula y la matriz. Debido a su alta afinidad por el colágeno tipo II, puede actuar como un mecanoreceptor que transmite una señal sobre la presión alterada sobre la fibrilla del condrocito.

La fibronectina es un componente de la mayoría de los tejidos cartilaginosos, ligeramente diferente de la fibronectina del plasma sanguíneo. Se sugiere que la fibronectina promueve la integración de la matriz al interactuar con las membranas celulares y otros constituyentes de la matriz, como el colágeno tipo II y la trombospondina. Los fragmentos de fibronectina afectan negativamente el metabolismo de los condrocitos: inhiben la síntesis de agrecano y estimulan los procesos catabólicos. En el líquido articular de pacientes con osteoartrosis, se encontró una alta concentración de fragmentos de fibronectina, por lo que pueden participar en la patogénesis de la enfermedad en etapas posteriores. Probablemente, los fragmentos de otras moléculas de matriz que se unen a los receptores de condrocitos también tienen los mismos efectos.

La proteína de matriz oligomérica del cartílago (OMPC), un miembro de la superfamilia de trombospondina, es un pentámero con cinco subunidades idénticas con un peso molecular de aproximadamente 83 kD. Se encuentran en grandes cantidades en el cartílago articular, especialmente en la capa de células proliferantes en el tejido en crecimiento. Por lo tanto, quizás, OMPCH participe en la regulación del crecimiento celular. A una concentración mucho más baja, se encuentran en el ECM del cartílago articular maduro. Las proteínas de matriz también se conocen como:

• la proteína de matriz básica (36 kD), que tiene una alta afinidad por los condrocitos, puede mediar la interacción de las células en la MEC, por ejemplo, durante la remodelación tisular;
• GP-39 (39 kD) se expresa en la capa superficial del cartílago articular y en la membrana sinovial (se desconocen sus funciones);
• La proteína de 21 kD es sintetizada por condrocitos hipertrofiados, interactúa con el colágeno de tipo X, puede funcionar en la zona de "línea de onda".

Además, es evidente que los condrocitos expresan las formas no glicosiladas de pequeños proteoglicanos no agregados en ciertas etapas del desarrollo del cartílago y en condiciones patológicas, pero su función específica se está estudiando actualmente.

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Propiedades funcionales del cartílago de la articulación

Las moléculas de agrecano le dan al cartílago articular la capacidad de experimentar una deformación reversible. Demuestran interacciones específicas dentro del espacio extracelular e indudablemente juegan un papel importante en la organización, estructura y función de ECM. En el tejido cartilaginoso, las moléculas de agrecano alcanzan una concentración de 100 mg / ml. En el cartílago, las moléculas de Aggregan se comprimen al 20% del volumen que ocupan en la solución. Una red tridimensional formada por fibrillas de colágeno informa el tejido de su forma característica y evita el aumento en el volumen de proteoglicanos. Dentro de la red de colágeno, los proteoglicanos inmóviles tienen una gran carga eléctrica negativa (contiene una gran cantidad de grupos aniónicos), lo que permite interactuar con grupos catiónicos móviles del fluido intersticial. Al interactuar con el agua, los proteoglicanos proporcionan la llamada presión de hinchamiento, que es contrarrestada por la red de colágeno.

La presencia de agua en el ECM es muy importante. El agua determina el volumen de tejido; asociado con proteoglicanos, proporciona resistencia a la compresión. Además, el agua proporciona transporte de moléculas y difusión en el ECM. La alta densidad de carga negativa en proteoglicanos grandes fijados en el tejido crea un "efecto de volumen excluido". El tamaño de poro de la solución intraconcentrada de proteoglicanos es tan pequeño que la difusión de proteínas globulares grandes en el tejido está severamente restringida. VKM repele las proteínas con carga negativa (p. Ej., Iones cloruro) y grandes (como albúmina e inmunoglobulinas). El tamaño de las células dentro de una red densa de fibrillas de colágeno y proteoglicanos es conmensurable solo con las dimensiones de algunas moléculas inorgánicas (por ejemplo, sodio y potasio, pero no calcio).

En VKM, cierta cantidad de agua está presente en las fibrillas de colágeno. Las propiedades fisicoquímicas y biomecánicas del cartílago determinan el espacio extrafibrilar. El contenido de agua en el espacio fibrilar depende de la concentración de proteoglicanos en el espacio extrafibrilar y aumenta con una disminución en la concentración de este último.

La carga negativa fija sobre los proteoglicanos determina la composición iónica del medio extracelular que contiene cationes libres en alta concentración y aniones libres en baja concentración. Dado que la concentración de las moléculas de agrecano se eleva desde la superficie a la zona profunda del cartílago, cambia el entorno iónico del tejido. La concentración de iones inorgánicos en la ECM produce una alta presión osmótica.

Las propiedades del cartílago como material dependen de la interacción de las fibrillas de colágeno, los proteoglicanos y la fase líquida del tejido. Los cambios estructurales y de composición asociados con una falta de coincidencia entre los procesos de síntesis y catabolismo, la degradación de las macromoléculas y el trauma físico, afectan significativamente las propiedades materiales del cartílago y alteran su función. Dado que la concentración, la distribución y la organización macro-molecular de colágenos y proteoglicanos varían con la profundidad de la zona del cartílago, las propiedades biomecánicas de cada zona varían. Por ejemplo, el área de superficie con su alta concentración de fibrillas de colágeno dispuestas tangencialmente con respecto a la baja concentración de proteoglicanos ha la counteract más pronunciada estiramiento propiedades, distribuyendo la carga uniformemente a través de la superficie del tejido. En las zonas de transición y profundas, una alta concentración de proteoglicanos imparte una propiedad de tejido a la transferencia de la carga de compresión. En el nivel de la "línea ondulada", las propiedades del material del cartílago varían notablemente desde la zona dúctil no calcificada al cartílago mineralizado más rígido. En el área de la "línea ondulada", la red de colágeno proporciona la fuerza del tejido. Las fibrillas cartilaginosas no cruzan las partes cartilaginosas; en el compuesto de la fuerza del tejido osteocondral es proporcionado por contornos especiales límite entre zonas nekaltsifitsirovannogo y cartílago calcificado en forma de excrecencias en forma de dedos irregulares, que "cierra" dos capas y evita su separación. El cartílago calcificado es menos denso que el hueso subcondral, por lo que actúa como una capa intermedia, que suaviza la carga de compresión en el cartílago y lo transfiere al hueso subcondral.

Durante la carga, se produce una distribución compleja de tres fuerzas: estiramiento, cortante y compresión. La matriz articular se deforma debido a la expulsión de agua (así como productos metabólicos de las células) de la zona de carga, la concentración de iones en el fluido intersticial aumenta. El movimiento del agua depende directamente de la duración y la fuerza de la carga aplicada y se retrasa por la carga negativa de los proteoglicanos. Durante la deformación del tejido, los proteoglicanos se presionan más estrechamente entre sí, con lo que se aumenta eficazmente la densidad de la carga negativa, y la carga de fuerza intermolecular negativa repulsiva aumenta a su vez la resistencia del tejido a la deformación adicional. En última instancia, la deformación alcanza el equilibrio, en el que las fuerzas externas de la carga se equilibran con las fuerzas internas de resistencia: la presión de hinchamiento (interacción de proteoglicanos con iones) y el estrés mecánico (interacción de proteoglicanos y colágenos). Cuando se elimina la carga, el tejido cartilaginoso adquiere su forma original al chupar agua junto con los nutrientes. La forma de tejido inicial (precarga) se logra cuando la presión de hinchamiento de los proteoglicanos se equilibra con la resistencia de la red de colágeno a su propagación.

Las propiedades biomecánicas del cartílago articular se basan en la integridad estructural del tejido: la composición de colágeno-proteoglicano como una fase sólida y agua y se disuelve en iones como una fase líquida. Fuera de la carga, la presión hidrostática del cartílago articular es de aproximadamente 1-2 atm. Esta presión hidrostática puede aumentar in vivo a 100-200 atm. En milisegundos durante la posición de pie y hasta 40-50 atm durante la marcha. Estudios in vitro han demostrado que la presión hidrostática del 50-150 atm (fisiológica) durante un corto período de tiempo conduce a un crecimiento moderado del anabolismo del cartílago, durante 2 horas - conduce a la pérdida de cartílago líquido, pero no causando cualquier otro cambio. La pregunta sigue siendo cuán rápido reaccionan los condrocitos in vivo a este tipo de carga.

La reducción inducida de la hidratación con el posterior aumento en la concentración de proteoglicanos conduce a la atracción de iones cargados positivamente, tales como H ⁺ y Na ⁺. Esto conduce a un cambio en la composición iónica total y el pH de la ECM y los condrocitos. La carga prolongada induce una disminución en el pH y una disminución simultánea en la síntesis de proteoglicanos por condrocitos. Quizás la influencia del ambiente iónico extracelular en los procesos sintéticos también se relaciona en parte con su efecto sobre la composición de la MEC. Las moléculas recién sintetizadas de agrecano en un medio débilmente ácido más tarde que en condiciones normales maduran en formas agregadas. Es probable que una disminución del pH alrededor de los condrocitos (por ejemplo, durante una carga) permita que más moléculas de agrecano recién sintetizadas alcancen la matriz interterritorial.

Cuando se elimina la carga, el agua regresa de la cavidad sinovial, llevando consigo nutrientes para las células. El cartílago afectado con la osteoartritis, la concentración de proteoglicanos se reduce, por lo tanto, durante la carga se mueve el agua no sólo verticalmente en la cavidad sinovial, sino también en otras direcciones, reduciendo de esta manera los condrocitos de potencia.

Inmovilización o carga pequeña conduce a una marcada disminución en los procesos de síntesis de contenido de proteoglicanos del cartílago y, mientras que el aumento de la carga dinámica conduce a una síntesis aumento de proteoglicanos modesto y contenido .. El ejercicio intenso (20km al día durante 15 semanas) en perros causó un cambio en el contenido de proteoglicanos en particular, una fuerte disminución en su concentración en la zona de superficie. Ha habido un ablandamiento reversible del cartílago y una remodelación del hueso subcondral. Sin embargo, una gran carga estática causó daños en el cartílago y la posterior degeneración. Además, la pérdida de ECM de Aggrecan inicia cambios anormales característicos de la osteoartrosis. La pérdida de agrecano conduce a la atracción de agua y a la hinchazón de la pequeña cantidad restante de proteoglicanos. Esta disolución de agrecano ayuda a reducir la densidad de la carga fija local y finalmente conduce a un cambio en la osmolaridad.