Osteoartrite: como se organiza a cartilagem articular?

A cartilagem articular normal desempenha duas funções principais: absorver a pressão por deformação durante a carga mecânica e proporcionar suavidade às superfícies articulares, o que permite minimizar o atrito durante os movimentos articulares. Isso é garantido pela estrutura única da cartilagem articular, que consiste em condroitinas imersas na matriz extracelular (MEC).

A cartilagem articular adulta normal pode ser dividida em várias camadas ou zonas: a zona superficial ou tangencial, a zona de transição, a zona profunda ou radial e a zona calcificada. A camada entre as zonas superficial e de transição, e especialmente entre as zonas de transição e profunda, não possui limites claros. A junção entre a cartilagem articular não calcificada e calcificada é chamada de "borda ondulada" – uma linha visível ao se tingir tecido descalcificado. A zona calcificada da cartilagem constitui uma proporção relativamente constante (6-8%) da altura transversal total da cartilagem. A espessura total da cartilagem articular, incluindo a zona calcificada da cartilagem, varia dependendo da carga sobre uma área específica da superfície articular e do tipo de articulação. A pressão hidrostática intermitente no osso subcondral desempenha um papel importante na manutenção da estrutura normal da cartilagem, retardando a ossificação.

Os condrócitos constituem aproximadamente 2 a 3% da massa total do tecido; na zona superficial (tangencial), localizam-se ao longo da superfície da cartilagem e, na zona profunda (radial), perpendicularmente à superfície da cartilagem; na zona de transição, os condrócitos formam grupos de 2 a 4 células espalhadas pela matriz. Dependendo da zona da cartilagem articular, a densidade de condrócitos varia: a maior densidade celular está na zona superficial e a menor na zona calcificada. Além disso, a densidade da distribuição celular varia de articulação para articulação, sendo inversamente proporcional à espessura da cartilagem e à carga sofrida pela área correspondente.

Os condrócitos localizados mais superficialmente são discóides e formam várias camadas de células na zona tangencial, localizada abaixo de uma estreita faixa de matriz; as células localizadas mais profundamente nessa zona tendem a ter contornos mais irregulares. Na zona de transição, os condrócitos são esféricos e, às vezes, combinam-se em pequenos grupos dispersos na matriz. Os condrócitos da zona profunda têm formato predominantemente elipsoide, agrupados em cadeias radialmente localizadas de 2 a 6 células. Na zona calcificada, eles são distribuídos ainda mais esparsamente; alguns deles são necróticos, embora a maioria seja viável. As células são circundadas por matriz não calcificada, o espaço intercelular é calcificado.

Assim, a cartilagem articular humana consiste em MEC hidratada e células imersas nela, que constituem 2 a 3% do volume total do tecido. Como o tecido cartilaginoso não possui vasos sanguíneos ou linfáticos, a interação entre as células, o fornecimento de nutrientes a elas e a remoção de produtos metabólicos são realizados por difusão através da MEC. Apesar de os condrócitos serem muito ativos metabolicamente, eles normalmente não se dividem em adultos. Os condrócitos existem em um ambiente livre de oxigênio e acredita-se que seu metabolismo seja predominantemente anaeróbico.

Cada condrócito é considerado uma unidade metabólica separada da cartilagem, isolada das células vizinhas, mas responsável pela produção de elementos da MEC nas imediações da célula doada e pela manutenção de sua composição.

A MEC é dividida em três seções, cada uma com uma estrutura morfológica única e uma composição bioquímica específica. A MEC imediatamente adjacente à membrana basal dos condrócitos é chamada de matriz pericelular ou lacunar. Ela é caracterizada por um alto teor de agregados de proteoglicanos associados à célula pela interação do ácido hialurônico com receptores do tipo CD44 e uma relativa ausência de fibrilas de colágeno organizadas. Diretamente adjacente à matriz pericelular está a matriz territorial, ou capsular, que consiste em uma rede de colágenos fibrilares interseccionados que encapsulam células individuais ou (às vezes) grupos de células, formando um côndron, e provavelmente fornece suporte mecânico especializado para as células. O contato dos condrócitos com a matriz capsular é alcançado por meio de numerosos processos citoplasmáticos ricos em microfilamentos, bem como por meio de moléculas específicas da matriz, como ancorina e receptores do tipo CD44. A maior e mais distante seção da MEC da membrana basal dos condrócitos é a matriz interterritorial, que contém o maior número de fibrilas de colágeno e proteoglicanos.

A divisão da MEC em compartimentos é mais claramente definida na cartilagem articular adulta do que na cartilagem articular imatura. O tamanho relativo de cada compartimento varia não apenas entre as articulações, mas também dentro da mesma cartilagem. Cada condrócito produz uma matriz que o envolve. De acordo com pesquisas, os condrócitos do tecido cartilaginoso maduro exercem controle metabólico ativo sobre suas matrizes pericelular e territorial, e exercem controle menos ativo sobre a matriz interterritorial, que pode ser metabolicamente "inerte".

Como mencionado anteriormente, a cartilagem articular consiste principalmente de extensa MEC sintetizada e regulada por condrócitos. As macromoléculas teciduais e suas concentrações mudam ao longo da vida de acordo com as necessidades funcionais em constante mudança. No entanto, ainda não está claro se as células sintetizam toda a matriz simultaneamente ou em certas fases de acordo com as necessidades fisiológicas. A concentração de macromoléculas, o equilíbrio metabólico entre elas, suas relações e interações determinam as propriedades bioquímicas e, portanto, a função da cartilagem articular dentro de uma única articulação. O principal componente da MEC da cartilagem articular adulta é a água (65-70% da massa total), que está firmemente ligada a ela devido às propriedades físicas especiais das macromoléculas do tecido cartilaginoso que fazem parte de colágenos, proteoglicanos e glicoproteínas não colágenas.

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Composição bioquímica da cartilagem

As fibras de colágeno são constituídas por moléculas da proteína fibrilar colágeno. Em mamíferos, o colágeno representa um quarto de todas as proteínas do corpo. O colágeno forma elementos fibrilares (fibrilas de colágeno) constituídos por subunidades estruturais chamadas tropocolágeno. A molécula de tropocolágeno possui três cadeias que formam uma tripla hélice. Essa estrutura da molécula de tropocolágeno, assim como a estrutura da fibra de colágeno, quando essas moléculas estão dispostas paralelamente na direção longitudinal com um deslocamento constante de cerca de 1/4 do comprimento, confere alta elasticidade e resistência aos tecidos nos quais estão localizadas. Atualmente, são conhecidos 10 tipos geneticamente diferentes de colágeno, que diferem na estrutura química das cadeias α e/ou em seu conjunto na molécula. Os quatro primeiros tipos de colágeno mais bem estudados são capazes de formar até 10 isoformas moleculares.

As fibrilas de colágeno fazem parte do espaço extracelular da maioria dos tecidos conjuntivos, incluindo a cartilagem. Emaranhados na rede tridimensional insolúvel de fibrilas de colágeno interseccionadas, encontram-se outros componentes mais solúveis, como proteoglicanos, glicoproteínas e proteínas específicas do tecido; estes, por vezes, estão covalentemente ligados aos elementos de colágeno.

As moléculas de colágeno organizadas em fibrilas constituem cerca de 50% do resíduo orgânico seco da cartilagem (10-20% da cartilagem nativa). Na cartilagem madura, cerca de 90% dos colágenos são do tipo II, encontrados apenas em alguns tecidos (por exemplo, corpo vítreo e cordão dorsal embrionário). O colágeno tipo II pertence à classe I (formadora de fibrilas). Além dele, a cartilagem articular humana madura também contém colágenos dos tipos IX, XI e uma pequena quantidade do tipo VI. A quantidade relativa de fibras de colágeno do tipo IX nas fibrilas de colágeno diminui de 15% na cartilagem fetal para cerca de 1% na cartilagem bovina madura.

As moléculas de colágeno tipo I consistem em três cadeias polipeptídicas a,(II) idênticas, sintetizadas e secretadas como precursoras do pró-colágeno. Uma vez liberadas no espaço extracelular, as moléculas de colágeno prontas formam fibrilas. Na cartilagem articular madura, o colágeno tipo II forma arcadas fibrilares, nas quais as moléculas "mais espessas" estão localizadas nas camadas profundas do tecido e as "mais finas" estão localizadas horizontalmente nas camadas superficiais.

Um exon que codifica um propeptídeo N-terminal rico em cisteína foi encontrado no gene do procolágeno tipo II. Este exon não é expresso na cartilagem madura, mas sim nos estágios iniciais de desenvolvimento (pré-condrogênese). Devido à presença deste exon, a molécula de procolágeno tipo II (tipo II A) é mais longa que a do colágeno tipo II. Provavelmente, a expressão deste tipo de procolágeno inibe o acúmulo de elementos na MEC da cartilagem articular. Pode desempenhar um papel específico no desenvolvimento de patologias da cartilagem (por exemplo, resposta reparadora inadequada, formação de osteófitos, etc.).

A rede de fibrilas de colágeno tipo II fornece a função de resistência ao estiramento e é necessária para manter o volume e a forma do tecido. Essa função é reforçada por ligações covalentes e cruzadas entre as moléculas de colágeno. Na MEC, a enzima lisil oxidase forma um aldeído a partir da hidroxilisina, que é então convertida no aminoácido multivalente hidroxilisil-piridinolina, que forma ligações cruzadas entre as cadeias. Por um lado, a concentração desse aminoácido aumenta com a idade, mas na cartilagem madura ela permanece praticamente inalterada. Por outro lado, na cartilagem articular, um aumento na concentração de ligações cruzadas de vários tipos formadas sem a participação de enzimas é encontrado com a idade.

Cerca de 10% da quantidade total de colágeno no tecido cartilaginoso são os chamados colágenos menores, que determinam em grande parte a função única desse tecido. O colágeno tipo IX pertence às moléculas de hélice curta da classe III e a um grupo exclusivo de colágenos FACIT (Colagênio Associado a Fibrilas com Triplas Hélices Interrompidas). Consiste em três cadeias geneticamente diferentes. Uma delas, a cadeia _a2, é glicosilada simultaneamente com sulfato de condroitina, o que a torna um proteoglicano. Ligações cruzadas de hidroxipiridina maduras e imaturas são encontradas entre os segmentos helicoidais do colágeno tipo IX e do colágeno tipo II. O colágeno IX também pode funcionar como um "conector" intermolecular-interfibrilar (ou ponte) entre fibrilas de colágeno adjacentes. As moléculas de colágeno IX formam ligações cruzadas entre si, o que aumenta a estabilidade mecânica da rede tridimensional fibrilar e a protege dos efeitos de enzimas. Elas também fornecem resistência à deformação, limitando o inchaço dos proteoglicanos localizados dentro da rede. Além da cadeia CS aniônica, a molécula de colágeno IX contém um domínio catiônico, que confere uma grande carga à fibrila e uma tendência a interagir com outras macromoléculas da matriz.

O colágeno tipo XI representa apenas 2 a 3% da massa total de colágeno. Pertence à classe I (formador de fibrilas) e consiste em três cadeias α diferentes. Juntamente com os colágenos tipos II e IX, o colágeno tipo XI forma fibrilas heterotípicas da cartilagem articular. Moléculas de colágeno tipo XI foram detectadas dentro de fibrilas de colágeno tipo II por imunoeletromicroscopia. Elas provavelmente organizam moléculas de colágeno tipo II, controlando o crescimento lateral das fibrilas e determinando o diâmetro da fibrila heterotípica de colágeno. Além disso, o colágeno XI está envolvido na formação de ligações cruzadas, mas mesmo na cartilagem madura, as ligações cruzadas permanecem na forma de cetoaminas divalentes imaturas.

Pequenas quantidades de colágeno tipo VI, outro membro das moléculas de hélice curta da classe III, são encontradas na cartilagem articular. O colágeno tipo VI forma várias microfibrilas e provavelmente está concentrado na matriz capsular do condron.

Proteoglicanos são proteínas às quais pelo menos uma cadeia de glicosaminoglicanos está covalentemente ligada. Estão entre as macromoléculas biológicas mais complexas e são mais abundantes na MEC da cartilagem. "Enredados" em uma rede de fibrilas de colágeno, os proteoglicanos hidrofílicos desempenham sua função principal: conferem à cartilagem a capacidade de se deformar reversivelmente. Supõe-se que os proteoglicanos também desempenhem uma série de outras funções, cuja essência não é completamente clara.

O agrecano é o principal proteoglicano da cartilagem articular, compreendendo aproximadamente 90% da massa total de proteoglicanos no tecido. Sua proteína central de 230 kD é glicosilada por múltiplas cadeias de glicosaminoglicanos covalentemente ligadas e oligossacarídeos N-terminais e C-terminais.

As cadeias de glicosaminoglicanos da cartilagem articular, que constituem cerca de 90% da massa total de macromoléculas, são queratano sulfato (uma sequência do dissacarídeo sulfatado N-acetil glucosamino lactose com múltiplos locais sulfatados e outros resíduos de monossacarídeos, como ácido siálico) e condroitina sulfato (uma sequência do dissacarídeo N-acetil galactosamina ácido glucurônico com um éster sulfato ligado a cada quarto ou sexto átomo de carbono da N-acetil galactosamina).

A proteína central do agrecano contém três domínios globulares (G1, G2, G3) e dois interglobulares (E1 e E2). A região N-terminal contém os domínios G1 e G2 separados pelo segmento E1, que tem 21 nm de comprimento. O domínio C3, localizado na região C-terminal, é separado de G2 _por um segmento E2 mais longo (cerca de 260 nm), que carrega mais de 100 cadeias de sulfatos de condroitina, cerca de 15-25 cadeias de sulfatos de queratina e oligossacarídeos ligados a O. Os oligossacarídeos ligados a N são encontrados principalmente dentro dos domínios G1 e C2 e do segmento E1, bem como perto da _região G3. Os glicosaminoglicanos são agrupados em duas regiões: a mais longa (a chamada região rica em sulfato de condroitina) contém cadeias de sulfato de condroitina e cerca de 50% de cadeias de sulfato de queratina. A região rica em sulfato de queratano está localizada no _segmento E2, próxima ao domínio G1, e precede a região rica em sulfato de condroitina. As moléculas de agrecano também contêm ésteres de fosfato, localizados principalmente nos resíduos de xilose que ligam as cadeias de sulfato de condroitina à proteína central; eles também são encontrados nos resíduos de serina da proteína central.

O segmento C-terminal do _domínio C3 é altamente homólogo à lectina, permitindo que moléculas de proteoglicano sejam fixadas na MEC por meio da ligação a certas estruturas de carboidratos.

Estudos recentes identificaram um exon que codifica um subdomínio semelhante a EGF em G3 _. Usando anticorpos policlonais anti-EGF, o epítopo semelhante a EGF foi localizado em um peptídeo de 68 kD em agrecano de cartilagem articular humana. No entanto, sua função ainda precisa ser elucidada. Este subdomínio também é encontrado em moléculas de adesão que controlam a migração de linfócitos. Apenas cerca de um terço das moléculas de agrecano isoladas de cartilagem articular humana madura contêm um _domínio C3 intacto; isso provavelmente ocorre porque as moléculas de agrecano podem ter seu tamanho reduzido enzimaticamente na MEC. O destino e a função dos fragmentos clivados são desconhecidos.

O principal segmento funcional da molécula de agrecano é o _segmento E2 contendo glicosaminoglicanos. A região, rica em sulfatos de queratano, contém os aminoácidos prolina, serina e treonina. A maioria dos resíduos de serina e treonina são O-glicosilados com resíduos de N-acetilgalactosamina; eles iniciam a síntese de certos oligossacarídeos que são incorporados às cadeias de sulfato de queratano, alongando-as. O restante do _segmento E2 contém mais de 100 sequências de serina-glicina nas quais a serina fornece ligação a resíduos de xilosil no início das cadeias de sulfato de condroitina. Tipicamente, tanto o condroitina-6-sulfato quanto o condroitina-4-sulfato existem simultaneamente dentro da mesma molécula de proteoglicano, sua proporção variando dependendo da localização do tecido cartilaginoso e da idade da pessoa.

A estrutura das moléculas de agrecano na matriz da cartilagem articular humana sofre uma série de alterações durante a maturação e o envelhecimento. As alterações relacionadas ao envelhecimento incluem uma diminuição no tamanho hidrodinâmico devido a uma alteração no comprimento médio das cadeias de sulfato de condroitina e um aumento no número e no comprimento das cadeias de sulfato de queratana. Diversas alterações na molécula de agrecano também são causadas pela ação de enzimas proteolíticas (p. ex., agrecanase e estromelesina) sobre a proteína central. Isso resulta em uma diminuição progressiva no comprimento médio da proteína central da molécula de agrecano.

As moléculas de agrecano são sintetizadas por condrócitos e secretadas na MEC, onde formam agregados estabilizados por moléculas de proteína de ligação. Essa agregação envolve interações não covalentes e cooperativas altamente específicas entre uma fita de ácido glicurônico e quase 200 moléculas de agrecano e proteína de ligação. O ácido glicurônico é um glicosaminoglicano linear extracelular, não sulfatado e de alto peso molecular, composto por múltiplas moléculas de N-acetilglicosamina e ácido glicurônico ligadas sequencialmente. As alças pareadas do domínio G1 do agrecano interagem reversivelmente com cinco dissacarídeos de ácido hialurônico localizados sequencialmente. A proteína de ligação, que contém alças pareadas semelhantes (altamente homólogas), interage com o domínio C1 e a molécula de ácido hialurônico e estabiliza a estrutura agregada. O complexo domínio C1 - ácido hialurônico - proteína de ligação forma uma interação altamente estável que protege o domínio G1 e a proteína de ligação da ação de enzimas proteolíticas. Duas moléculas da proteína de ligação com peso molecular de 40-50 kDa foram identificadas; elas diferem entre si no grau de glicosilação. Apenas uma molécula da proteína de ligação está presente no sítio da ligação ácido hialurônico-agrecano. A terceira molécula, menor, da proteína de ligação é formada a partir de moléculas maiores por clivagem proteolítica.

Cerca de 200 moléculas de agrecano podem se ligar a uma molécula de ácido hialurônico para formar um agregado de 8 μm de comprimento. Na matriz associada à célula, composta por compartimentos pericelulares e territoriais, os agregados mantêm sua associação com as células ligando-se (por meio de um filamento de ácido hialurônico) a receptores semelhantes ao CD44 na membrana celular.

A formação de agregados na MEC é um processo complexo. Moléculas de agrecano recém-sintetizadas não apresentam imediatamente a capacidade de se ligar ao ácido hialurônico. Isso pode servir como um mecanismo regulador, permitindo que moléculas recém-sintetizadas alcancem a zona interterritorial da matriz antes de serem imobilizadas em grandes agregados. O número de moléculas de agrecano recém-sintetizadas e proteínas de ligação capazes de formar agregados por meio da interação com o ácido hialurônico diminui significativamente com a idade. Além disso, o tamanho dos agregados isolados da cartilagem articular humana diminui significativamente com a idade. Isso se deve, em parte, à diminuição do comprimento médio das moléculas de ácido hialurônico e de agrecano.

Dois tipos de agregados foram identificados na cartilagem articular. O tamanho médio do primeiro tipo de agregado é de 60 S, enquanto o do segundo tipo (superagregados de precipitação rápida) é de 120 S. Este último se distingue pela abundância de moléculas da proteína de ligação. A presença desses superagregados pode desempenhar um papel importante no funcionamento do tecido; durante a restauração tecidual após a imobilização do membro, concentrações mais elevadas deles são encontradas nas camadas médias da cartilagem articular, enquanto em uma articulação afetada pela osteoartrose, seus tamanhos são significativamente reduzidos nos estágios iniciais da doença.

Além do agrecano, a cartilagem articular contém vários proteoglicanos menores. O biglicano e a decorina, moléculas que transportam sulfatos de dermatano, têm pesos moleculares de cerca de 100 e 70 kDa, respectivamente; a massa da proteína central é de cerca de 30 kDa.

Na cartilagem articular humana, a molécula de biglicano contém duas cadeias de sulfato de dermatano, enquanto a decorina, mais comum, contém apenas uma. Essas moléculas constituem apenas uma pequena fração dos proteoglicanos na cartilagem articular, embora possam ser tão numerosas quanto proteoglicanos agregados grandes. Pequenos proteoglicanos interagem com outras macromoléculas na MEC, incluindo fibrilas de colágeno, fibronectina, fatores de crescimento, etc. A decorina está localizada principalmente na superfície das fibrilas de colágeno e inibe a fibrilogênese do colágeno. A proteína central é firmemente retida com o domínio de ligação celular da fibronectina, provavelmente impedindo que esta se ligue aos receptores da superfície celular (integrinas). Como tanto a decorina quanto o biglicano se ligam à fibronectina e inibem a adesão e a migração celular, bem como a formação de trombos, eles são capazes de inibir os processos de reparo tecidual.

A fibromodulina da cartilagem articular é um proteoglicano com peso molecular de 50-65 kD associado às fibrilas de colágeno. Sua proteína central, homóloga às proteínas centrais decorina e biglicana, contém um grande número de resíduos de sulfato de tirosina. Essa forma glicosilada da fibromodulina (anteriormente chamada de proteína da matriz de 59 kD) pode participar da regulação da formação e manutenção da estrutura das fibrilas de colágeno. A fibromodulina e a decorina estão localizadas na superfície das fibrilas de colágeno. Portanto, como indicado anteriormente, um aumento no diâmetro da fibrila deve ser precedido pela remoção seletiva desses proteoglicanos (bem como das moléculas de colágeno tipo IX).

A cartilagem articular contém diversas proteínas na MEC que não são proteoglicanos nem colágenos. Elas interagem com outras macromoléculas para formar uma rede que inclui a maioria das moléculas da MEC.

A ancorina, uma proteína de 34 kD, está localizada na superfície dos condrócitos e na membrana celular, mediando as interações entre a célula e a matriz. Devido à sua alta afinidade pelo colágeno tipo II, ela pode atuar como um mecanorreceptor, transmitindo um sinal sobre a alteração da pressão na fibrila para o condrócito.

A fibronectina é um componente da maioria dos tecidos cartilaginosos e difere ligeiramente da fibronectina plasmática. Acredita-se que a fibronectina promova a integração da matriz ao interagir com membranas celulares e outros componentes da matriz, como colágeno tipo II e trombospondina. Fragmentos de fibronectina têm um efeito negativo no metabolismo dos condrócitos: inibem a síntese de agrecano e estimulam processos catabólicos. Altas concentrações de fragmentos de fibronectina foram encontradas no fluido articular de pacientes com osteoartrite, portanto, podem participar da patogênese da doença em estágios avançados. Fragmentos de outras moléculas da matriz que se ligam aos receptores dos condrócitos provavelmente têm efeitos semelhantes.

A proteína da matriz oligomérica da cartilagem (OMPC), membro da superfamília das trombospondinas, é um pentâmero com cinco subunidades idênticas e peso molecular de cerca de 83 kDa. É encontrada em grandes quantidades na cartilagem articular, especialmente na camada de células em proliferação no tecido em crescimento. Portanto, é possível que a OMPC esteja envolvida na regulação do crescimento celular. Ela é encontrada em concentrações muito menores na MEC da cartilagem articular madura. As proteínas da matriz também incluem:

• proteína da matriz básica (36 kDa), que tem alta afinidade pelos condrócitos, pode mediar interações célula-célula na MEC, como durante a remodelação do tecido;
• GP-39 (39 kDa) é expresso na camada superficial da cartilagem articular e na membrana sinovial (suas funções são desconhecidas);
• A proteína de 21 kD é sintetizada por condrócitos hipertrofiados, interage com o colágeno tipo X e pode funcionar na zona da “linha ondulada”.

Além disso, é evidente que os condrócitos expressam formas não glicosiladas de pequenos proteoglicanos não agregados em certos estágios do desenvolvimento da cartilagem e sob condições patológicas, mas sua função específica está atualmente em estudo.

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Propriedades funcionais da cartilagem articular

As moléculas de agrecano conferem à cartilagem articular a capacidade de sofrer deformação reversível. Elas demonstram interações específicas dentro do espaço extracelular e, sem dúvida, desempenham um papel importante na organização, estrutura e função da MEC. No tecido cartilaginoso, as moléculas de agrecano atingem uma concentração de 100 mg/ml. Na cartilagem, as moléculas de agrecano são comprimidas a 20% do volume que ocupam em solução. Uma rede tridimensional formada por fibrilas de colágeno confere ao tecido sua forma característica e previne o aumento do volume de proteoglicanos. Dentro da rede de colágeno, os proteoglicanos imóveis carregam uma grande carga elétrica negativa (contêm um grande número de grupos aniônicos), o que lhes permite interagir com grupos catiônicos móveis do fluido intersticial. Interagindo com a água, os proteoglicanos fornecem a chamada pressão de inchaço, que é neutralizada pela rede de colágeno.

A presença de água na MEC é muito importante. A água determina o volume do tecido; ligada a proteoglicanos, ela proporciona resistência à compressão. Além disso, a água proporciona transporte e difusão de moléculas na MEC. A alta densidade de carga negativa em proteoglicanos grandes fixados no tecido cria o "efeito de volume excluído". O tamanho dos poros da solução intraconcentrada de proteoglicanos é tão pequeno que a difusão de proteínas globulares grandes para o tecido é drasticamente limitada. A MEC repele pequenas proteínas com carga negativa (p. ex., íons cloreto) e proteínas grandes (como albumina e imunoglobulinas). O tamanho das células dentro da densa rede de fibrilas de colágeno e proteoglicanos é comparável apenas ao tamanho de algumas moléculas inorgânicas (p. ex., sódio e potássio, mas não cálcio).

Na MEC, há alguma água presente nas fibrilas de colágeno. O espaço extrafibrilar determina as propriedades físico-químicas e biomecânicas da cartilagem. O conteúdo de água no espaço intrafibrilar depende da concentração de proteoglicanos no espaço extrafibrilar e aumenta com a diminuição da concentração deste último.

A carga negativa fixa nos proteoglicanos determina a composição iônica do meio extracelular, que contém cátions livres em alta concentração e ânions livres em baixa concentração. À medida que a concentração de moléculas de agrecano aumenta da zona superficial para a profunda da cartilagem, o ambiente iônico do tecido se altera. A concentração de íons inorgânicos na MEC cria alta pressão osmótica.

As propriedades materiais da cartilagem dependem da interação de fibrilas de colágeno, proteoglicanos e da fase líquida do tecido. Alterações estruturais e composicionais associadas à discrepância entre os processos de síntese e catabolismo, degradação de macromoléculas e trauma físico afetam significativamente as propriedades materiais da cartilagem e alteram sua função. Como a concentração, a distribuição e a organização macromolecular de colágenos e proteoglicanos mudam dependendo da profundidade da zona da cartilagem, as propriedades biomecânicas de cada zona variam. Por exemplo, a zona superficial, com sua alta concentração de colágeno, fibrilas localizadas tangencialmente e concentração relativamente baixa de proteoglicanos, apresenta as propriedades mais pronunciadas de resistência ao estiramento, distribuindo a carga uniformemente por toda a superfície do tecido. Nas zonas de transição e profundas, a alta concentração de proteoglicanos confere ao tecido a propriedade de suportar cargas compressivas. No nível da "linha ondulada", as propriedades materiais da cartilagem mudam acentuadamente, passando da zona flexível e não calcificada para a cartilagem mineralizada, mais rígida. Na região da "linha ondulada", a resistência do tecido é proporcionada pela rede de colágeno. As seções de cartilagem subjacentes não são atravessadas por fibrilas de colágeno; na área da junção osteocondral, a resistência do tecido é proporcionada pelos contornos especiais da fronteira entre as zonas de cartilagem não calcificada e calcificada, na forma de protuberâncias irregulares em forma de dedos, que "fecham" as duas camadas e impedem sua separação. A cartilagem calcificada é menos densa que o osso subcondral, atuando como uma camada intermediária que suaviza a carga compressiva sobre a cartilagem e a transfere para o osso subcondral.

Durante a carga, ocorre uma distribuição complexa de três forças: extensão, cisalhamento e compressão. A matriz articular é deformada devido à expulsão de água (bem como de produtos do metabolismo celular) da zona de carga, e a concentração de íons no fluido intersticial aumenta. O movimento da água depende diretamente da duração e da força da carga aplicada e é retardado pela carga negativa dos proteoglicanos. Durante a deformação do tecido, os proteoglicanos são pressionados com mais força uns contra os outros, aumentando assim efetivamente a densidade da carga negativa, e as forças intermoleculares que repelem a carga negativa, por sua vez, aumentam a resistência do tecido a novas deformações. Por fim, a deformação atinge um equilíbrio no qual as forças externas de carga são compensadas pelas forças internas de resistência: pressão de inchaço (interação dos proteoglicanos com os íons) e estresse mecânico (interação dos proteoglicanos com o colágeno). Quando a carga é removida, o tecido cartilaginoso recupera sua forma original, absorvendo água e nutrientes. A forma inicial (pré-carregamento) do tecido é alcançada quando a pressão de inchaço dos proteoglicanos é equilibrada pela resistência da rede de colágeno à sua propagação.

As propriedades biomecânicas da cartilagem articular baseiam-se na integridade estrutural do tecido – uma composição de colágeno-proteoglicano como fase sólida e água e íons dissolvidos como fase líquida. Sem carga, a pressão hidrostática da cartilagem articular é de cerca de 1-2 atm. Essa pressão hidrostática pode aumentar in vivo para 100-200 atm por milissegundo durante a postura ereta e para 40-50 atm durante a caminhada. Estudos in vitro demonstraram que uma pressão hidrostática de 50-150 atm (fisiológica) leva a um aumento moderado no anabolismo da cartilagem em um curto período de tempo, e ao longo de 2 h leva à perda de fluido da cartilagem, mas não causa outras alterações. A questão de quão rapidamente os condrócitos respondem in vivo a esse tipo de carga permanece sem solução.

A diminuição induzida na hidratação com o subsequente aumento na concentração de proteoglicanos leva à atração de íons carregados positivamente, como H ⁺ e Na ⁺. Isso leva a uma mudança na composição iônica geral e no pH da MEC e dos condrócitos. O exercício de longo prazo induz uma diminuição no pH e, ao mesmo tempo, uma diminuição na síntese de proteoglicanos pelos condrócitos. É possível que a influência do ambiente iônico extracelular nos processos sintéticos também esteja parcialmente relacionada à sua influência na composição da MEC. Moléculas de agrecano recém-sintetizadas amadurecem em formas agregadas mais tarde em um ambiente fracamente ácido do que em condições normais. É provável que uma diminuição no pH ao redor dos condrócitos (por exemplo, durante o exercício) permita que mais moléculas de agrecano recém-sintetizadas alcancem a matriz interterritorial.

Quando a carga é removida, a água retorna da cavidade sinovial, transportando nutrientes para as células. Na cartilagem afetada pela osteoartrite, a concentração de proteoglicanos é reduzida; portanto, durante a carga, a água se move não apenas verticalmente para dentro da cavidade sinovial, mas também em outras direções, reduzindo assim a nutrição dos condrócitos.

A imobilização ou carga leve resulta em uma diminuição acentuada na síntese da cartilagem e no conteúdo de proteoglicanos, enquanto o aumento da carga dinâmica resulta em um aumento moderado na síntese e no conteúdo de proteoglicanos. Exercícios extenuantes (20 km/dia por 15 semanas) em cães induziram alterações no conteúdo de proteoglicanos, particularmente uma diminuição acentuada em sua concentração na zona superficial. Ocorreu algum amolecimento reversível da cartilagem e remodelação óssea subcondral. No entanto, a carga estática severa causou danos à cartilagem e subsequente degeneração. Além disso, a perda de agrecano da MEC inicia as alterações anormais características da osteoartrite. A perda de agrecano resulta na atração de água e no inchaço da pequena quantidade de proteoglicano restante. Essa dissolução do agrecano contribui para uma diminuição na densidade de carga fixa local e, por fim, leva a uma alteração na osmolaridade.