Osteoartrite: como as cartilagens articulares estão dispostas?

A cartilagem articular normal desempenha duas funções principais: a absorção de pressão por deformação durante o estresse mecânico e garantindo a suavidade das superfícies articulares, o que permite minimizar a fricção quando se move na articulação. Isto é assegurado pela estrutura única da cartilagem articular, que consiste em condro-ita imerso na matriz extracelular (ECM).

A cartilagem articular normal de um adulto pode ser dividida em várias camadas, ou zonas: uma superfície, ou uma zona tangencial, uma zona de transição, uma profundidade ou uma zona radial e uma zona calcificada. A camada entre a superfície e as zonas de transição e especialmente entre as zonas de transição e as profundas não tem limites claros. A conexão entre cartilagem articular não calcificada e calcificada é chamada de "borda ondulada" - esta é a linha determinada pela coloração do tecido descalcificado. A zona calcificada da cartilagem é uma proporção relativamente constante (6-8%) na altura total dos crescentes. A espessura total da cartilagem articular, incluindo a zona de cartilagem calcificada, varia dependendo da carga em uma certa área da superfície da articulação e do tipo de articulação. A pressão hidrostática intermitente no osso subcondral desempenha um papel importante na manutenção da estrutura normal da cartilagem, diminuindo a ossificação.

Os condrócitos constituem aproximadamente 2-3% da massa total do tecido; na zona de superfície (tangencial) estão localizados ao longo, e na zona profunda (radial) - perpendicular à superfície da cartilagem; Na zona de transição, os condrócitos formam grupos de 2-4 células espalhadas por toda a matriz. Dependendo da área da cartilagem articular, a densidade da localização dos condrócitos varia - a maior densidade celular na zona de superfície, a mais baixa no calcificado. Além disso, a densidade da distribuição celular varia de articulação para articulação, é inversamente proporcional à espessura da cartilagem e à carga experimentada pelo seu site correspondente.

Os condrócitos mais superficialmente localizados são em forma de disco e formam na zona tangencial várias camadas de células localizadas abaixo de uma faixa estreita de matriz; As células profundamente localizadas desta zona tendem a ter mais contornos irregulares. Na zona de transição, os condrócitos têm uma forma esférica, às vezes são combinados em pequenos grupos dispersos na matriz. Os condrócitos da zona profunda são predominantemente de forma elipsoidal, agrupados em cadeias dispostas radialmente de 2-6 células. Na zona calcificada são distribuídos de forma ainda mais moderada; Alguns são necróticos, embora a maioria seja viável. As células são cercadas por uma matriz não calculada, o espaço intercelular é calcificado.

Assim, a cartilagem articular humana consiste em ECM hidratado e células imersas nele, que constituem 2-3% do volume total do tecido. Uma vez que o tecido cartilaginoso não possui vasos sanguíneos e linfáticos, a interação entre células, a entrega de nutrientes para eles, a remoção de produtos metabólicos é realizada por difusão através do ECM. Apesar do fato de que os condrócitos metabólicos são muito ativos, eles normalmente não dividem em pessoas adultas. Os condrócitos existem em um ambiente livre de oxigênio, acreditam que seu metabolismo é realizado predominantemente anaerobicamente.

Cada condrócito é considerado como uma unidade metabólica separada de cartilagem, isolada de células vizinhas, mas responsável pela produção de elementos VKM na vizinhança imediata da célula dada e mantendo sua composição.

Na VKM são distinguidos três departamentos, cada um dos quais possui uma estrutura morfológica única e uma certa composição bioquímica. A VKM, imediatamente adjacente à célula cósmica do condrócito, é chamada de matriz pericelular ou lacunariana. Caracteriza-se por um alto teor de agregados de proteoglicanos associados à célula pela interação do ácido hialurônico com receptores tipo CD44 e a ausência relativa de fibrilas de colágeno organizadas. Diretamente com a matriz pericelular, uma matriz territorial ou capsular é contígua, que consiste em uma rede de colágenos fibrilares que se cruzam que encapsulam células individuais ou (às vezes) grupos de células, formando chondron e, provavelmente, fornecem suporte mecânico especial para as células. O contato de condrócitos com a matriz capsular é realizado por meio de inúmeros processos citoplasmáticos ricos em microfilamentos e também por moléculas de matriz específicas, como a ânfora e receptores semelhantes a CD44. O maior e mais remoto da membrana basal do condrócito é a ECM - matriz interterritorial contendo o maior número de fibrilas de colágeno e proteoglicanos.

A divisão da ECM em departamentos é mais claramente delineada na cartilagem articular de um adulto do que na cartilagem articular imatura. O tamanho relativo de cada departamento varia não apenas em diferentes articulações, mas mesmo dentro da mesma cartilagem. Cada condrócito produz uma matriz que a rodeia. De acordo com estudos, os condrócitos do tecido cartilaginoso maduro exercem controle metabólico ativo sobre suas matrizes pericelulares e territoriais, menos ativamente controlam a matriz interterritorial, que pode ser metabólicamente "inerte".

Conforme indicado anteriormente, a cartilagem articular consiste principalmente em uma VKM vasta, sintetizada e regulada por condrócitos. As macromoléculas de tecidos e a sua concentração mudam durante a vida de acordo com a mudança das necessidades funcionais. No entanto, ainda não está claro: 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 eles, a relação e a interação determinam as propriedades bioquímicas e, portanto, a função da cartilagem articular dentro de uma articulação. O principal componente da cartilagem articular de adultos VCR é água (65-70% da massa total), que está firmemente ligado aí, por meio de propriedades físicas especiais de macromoléculas do tecido de cartilagem compreendendo os colagios, os proteoglicanos e glicoproteinas não-colagenosos.

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Composição bioquímica da cartilagem

As fibras de colágeno consistem em moléculas de proteína fibrilar de colágeno. Nos mamíferos, a proporção de colágeno é responsável por um quarto de todas as proteínas do corpo. O colágeno forma elementos fibrilares (fibrilas de colágeno), constituídos por subunidades estruturais, chamadas tropocollagen. A molécula de tropocollagen tem três cadeias que formam uma hélice tripla. Esta estrutura da molécula de tropocollagen, bem como a estrutura da fibra de colágeno, quando essas moléculas são paralelas na direção longitudinal com uma mudança constante de cerca de 1/4 do comprimento e proporcionam alta elasticidade e resistência aos tecidos em que estão localizados. Atualmente, são conhecidos 10 tipos de colágeno geneticamente distintos, diferindo na estrutura química das cadeias a e / ou a sua coleta na molécula. Os quatro primeiros tipos de colágeno mais estudados são capazes de formar até 10 isoformas moleculares.

As fibrilas de colágeno são parte do espaço extracelular da maioria dos tipos de tecido conjuntivo, incluindo o tecido cartilaginoso. Dentro da rede tridimensional insolúvel, outros componentes mais solúveis, como proteoglicanos, glicoproteínas e proteínas específicas de tecido, estão "emaranhados" com as fibrilas de colágeno em colapso; Às vezes, eles são covalentemente ligados a elementos de colágeno.

As moléculas de colágeno organizadas em fibrilas constituem cerca de 50% do resíduo seco orgânico de cartilagem (10-20% de cartilagem nativa). Na cartilagem madura, cerca de 90% dos colágenos são colágenos de tipo II, que são encontrados apenas em determinados tecidos (p. Ex., Vítreo, medula espinhal embrionária). O colágeno tipo II refere-se à primeira classe (formando fibrilas) de moléculas de colágeno. Além disso, também é encontrada na cartilagem articular madura de uma pessoa tipo colágeno IX, XI e em um pequeno número de VI. A quantidade relativa de fibras de colágeno de tipo IX em fibrilas de colágeno diminui de 15% na cartilagem do feto para cerca de 1% na cartilagem madura do touro.

As moléculas de tipo colágeno I consistem em três cadeias de polipéptidos a, (II) idênticos, sintetizadas e segregadas na forma de precursor precollágeno. Uma vez que as moléculas de colágeno prontas são liberadas no espaço extracelular, formam fibrilas. No quadro de arcadas fibrilares de colágeno articular articular maduro tipo II, em que moléculas mais "grossas" estão localizadas em camadas profundas de tecido e mais "finas" - horizontalmente nas camadas superficiais.

No gene de procollagen do tipo II, encontrou-se um exão que codifica um propéptido N-terminal rico em cisteína. Este exão não é expresso em cartilagem madura, mas nos estágios iniciais de desenvolvimento (pré-estrógeno). Devido à presença deste exão, a molécula de tipo procollagen II (tipo II A) é mais longa do que o colágeno tipo II. Provavelmente, a expressão deste tipo de procollagen inibe a acumulação de elementos no ECM da cartilagem articular. Pode desempenhar um papel no desenvolvimento da patologia da cartilagem (por exemplo, resposta compensatória inadequada, formação de osteófitos, etc.).

Uma rede de fibrilas de colágeno de tipo II fornece uma função de resistência à tração e é necessária para manter o volume e a forma do tecido. Esta função é reforçada por covalente e reticulação entre as moléculas de colágeno. Na VKM, a enzima lysiloxidase forma um aldeído a partir de hidroxilizina, que é então convertido em um aminoácido multivalente hidroxilisil-piridinolina, que forma ligações cruzadas entre as cadeias. Por um lado, a concentração deste aminoácido aumenta com a idade, no entanto, na cartilagem madura praticamente não muda. Por outro lado, na cartilagem articular, um aumento na concentração de ligações cruzadas de diferentes tipos com idade é formado com a idade, formada sem a participação de enzimas.

Cerca de 10% da quantidade total de tecido de cartilagem de colágeno são os chamados colágenos menores, que em muitos aspectos determinam a função única deste tecido. O tipo de colágeno IX pertence à classe III de moléculas de espiração curta e a um grupo único de colágeno FACIT (colágeno associado a fibrina com hélices triplas interrompidas) com hélice tripla fundida. Consiste em três cadeias geneticamente diferentes. Um deles - uma cadeia _2- - é glicosilado simultaneamente com sulfato de condroitina, o que faz esta molécula simultaneamente com proteoglicano. Entre os segmentos do colágeno tipo IX e o colágeno tipo II, são detectados os cruzamentos de hidroxipiridina maduros e imaturos. O colágeno IX também pode funcionar como um "conector" interfibrilar intermolecular (ou ponte) entre fibrilas de colágeno adjacentes. As moléculas de colágeno IX formam ligações cruzadas entre elas, o que aumenta a estabilidade mecânica da rede tridimensional fibrilar e protege-a dos efeitos das enzimas. Eles também fornecem resistência à deformação, limitando o inchaço dos proteoglicanos dentro da rede. Além da cadeia aniónica CS, a molécula de colagénio IX contém um domínio catiónico que fornece uma fibrilha de alta carga e uma tendência a interagir com outras macromoléculas da matriz.

O tipo de colágeno XI é apenas 2-3% da massa total de colágenos. Pertence à primeira classe (formação de fibrilas) de colágenos e consiste em três cadeias a diferentes. Juntamente com os tipos de colágeno II e IX, o colágeno tipo X forma fibrilas heteroticas da cartilagem articular. As moléculas de tipo colagénio XI são encontradas dentro das fibrilas de colágeno do tipo II com a ajuda da imunoelelectromicroscopia. Talvez eles organizem moléculas de colágeno tipo II, controlando o crescimento lateral de fibrilas e determinando o diâmetro da fibrilha de colágeno heterotípica. Além disso, o colágeno XI está envolvido na formação de ligações cruzadas, mas mesmo em cartilagens maduras, as ligações transversais permanecem na forma de cetoaminas divalentes imaturas.

Uma pequena quantidade de colágeno de tipo VI, outro representante da classe III de moléculas de curto alcance, foi encontrada na cartilagem articular. O tipo de colágeno VI forma várias microfibrilas e, possivelmente, é concentrado na matriz capsular do condro.

Os proteoglicanos são proteínas às quais pelo menos uma cadeia de glicosaminoglicano é unida covalentemente. Os proteoglicanos pertencem a uma das mais complexas macromoléculas biológicas. Os proteoglicanos mais extensos estão presentes na cartilagem VKM. "Enredados" dentro da rede de fibrilas de colágeno, proteoglicanos hidrofílicos cumprem sua função principal - eles informam a cartilagem da capacidade de deformar reversivelmente. Acredita-se que os proteoglicanos realizem uma série de outras funções, cuja essência não é completamente clara.

O Aggrecan é o principal proteoglicano da cartilagem articular: é cerca de 90% da massa total de proteoglicanos no tecido. Sua proteína central de 230 kD é glicosilada por uma série de cadeias de glicosaminoglicanos ligadas covalentemente, bem como por oligossacarídeos N-terminais e C-terminais.

Cadeia de glicosaminoglicanos da cartilagem articular, que constituem cerca de 90% do total das macromoléculas de peso - sulfato de queratano (que representa a sequência de dissacárido sulfatado N-atsetilglyukozamingalaktoza várias porções sulfatados e outros resíduos de monossacárido, tal como ácido siálico) e sulfato de condroitina (que representa a sequência de N-acetilgalactosamina-ácido glucurónico dissacárido com éster de sulfato ligado a cada quarto ou sexto átomo de carbono de N-acetilo lactosamina).

O núcleo do agregado contém três globulares (G1, G2, G3) h dois domínios interglobulares (E1 e E2). A região N-terminal contém domínios G e G2 separados por um segmento E1 de 21 nm de comprimento. C3-domínio localizado na extremidade C-terminal, separada da L ₂ mais longo (cerca de 260 nm) do segmento E2 que tem mais do que 100 cadeias de sulfato de condroitina de cerca de 15-25 cadeias de sulfato de queratano e oligossacáridos ligados a O. Oligossacareos encontrados principalmente dentro de domínios G1- e C2 e E1-segmento, bem como perto do L ligado a N ₃ -regiona. Os glicosaminoglicanos são agrupados em duas regiões: a mais prolongada (a chamada região rica em sulfato de condroitina) cadeia compreende o sulfato de condroitina e cerca de 50% de cadeias de sulfato de queratano. A região rica em sulfatos de queratano está localizada no segmento E ₂ perto do domínio G1 e precede a região rica em sulfatos de condroitina. As moléculas de Aggregan também contêm ésteres de fosfato, localizados principalmente em resíduos de xilose, que unem cadeias de sulfato de condroitina à proteína do núcleo; eles também são encontrados nos resíduos de serina da proteína do núcleo.

O segmento C-terminal _do domínio C3 é altamente homólogo à lectina, de modo que as moléculas de proteoglicano podem ser fixadas no ECM por ligação a certas estruturas de hidrocarbonetos.

Estudos recentes tinha encontrado um exão que codifica a (factor de crescimento epidérmico) do tipo EGF, sub-domínio dentro da L ₃. Usando anticorpos policlonais anti-EGF, um epítopo semelhante a EGF foi localizado dentro de um péptido de 68 kD no agregado da cartilagem articular humana. No entanto, suas funções exigem esclarecimentos. Este subdomínio também é encontrado na estrutura de moléculas de adesão que controlam a migração de linfócitos. Só cerca de um terço das moléculas de agrecano isolados de cartilagem articular humana madura contêm intacta C ₃ domínios de; Provavelmente isso é devido ao fato de que no ECM, as moléculas de agreco podem ser reduzidas em tamanho pela rota enzimática. O destino e a função dos fragmentos de divisão são desconhecidos.

O principal segmento funcional é uma molécula de agrecano glikozaminoglikannesuschy E ₂ -segment. O site, rico em sulfatos de queratano, contém aminoácidos, prolina, serina e treonina. A maioria dos resíduos de serina e treonina são O-glicosilados com resíduos de N-acetilgalactosamina, que desencadeiam a síntese de alguns oligossacarídeos que estão incorporados em cadeias de sulfato de queratano, prolongando-as assim. O resto do segmento E ₂ contém mais de 100 sequências de serina-glicina nas quais a série fornece a ligação aos resíduos de xilosilo no início das cadeias de sulfato de condroitina. Geralmente, tanto condroitina-6-sulfato quanto condroitina-4-sulfato existem simultaneamente dentro da mesma molécula de proteoglicano, a proporção varia dependendo da localização do tecido da cartilagem e da idade da pessoa.

A estrutura das moléculas de aggrecan na matriz da cartilagem articular de uma pessoa sofre uma série de mudanças no processo de maturação e envelhecimento. As mudanças relacionadas ao envelhecimento incluem uma diminuição do tamanho hidrodinâmico como resultado de mudanças no comprimento médio da cadeia de sulfatos de condroitina, um aumento no número e comprimento de cadeias de sulfato de queratano. Uma série de alterações na molécula de agreco também sofre a ação de enzimas proteolíticas (por exemplo, aggrecanase e estromelisina) na proteína do núcleo. Isso leva a uma diminuição progressiva no comprimento médio da proteína do núcleo das moléculas de agreco.

As moléculas de Aggrecan são sintetizadas por condrócitos e secretadas no ECM, onde formam agregados estabilizados por moléculas de proteínas de ligação. Esta agregação inclui interações não covalentes e cooperativas altamente específicas entre o filamento de ácido glucurônico e quase 200 moléculas de aggrecans e proteínas de ligação. O ácido glucurónico é um glicosaminoglicano linear extracelular, não sulfonado, com um grande peso molecular, constituído por uma série de moléculas ligadas sequencialmente de N-acetilglucamina e ácido glucurônico. Os laços acoplados do domínio G1 do aggrecan interagem reversivelmente com cinco disacáridos de ácido hialurônico dispostos consecutivamente. A proteína de ligação, que contém laços semelhantes (altamente homólogos), interage com o domínio C1 e a molécula de ácido hialurônico e estabiliza a estrutura do agregado. O complexo de proteína de ligação de ácido hialurônico de C1-domínio forma uma interação altamente estável que protege o domínio G1 e a proteína de ligação da ação de enzimas proteolíticas. Foram identificadas duas moléculas de uma proteína de ligação com um peso molecular de 40-50 kD; eles diferem um do outro no grau de glicosilação. Apenas uma molécula da proteína de ligação está presente no local de ligação ao ácido hialurônico-ácido. A terceira molécula menor da proteína de ligação é formada a partir de proteínas maiores por clivagem proteolítica.

Cerca de 200 moléculas de aggrecan podem se ligar a uma molécula de ácido hialurônico para formar um agregado de 8 μm de comprimento. Na matriz associada às células, constituída pelas divisões pericelulares e territoriais, os agregados mantêm sua conexão com as células através da ligação (através do filamento do ácido hialurônico) aos receptores semelhantes a CD44 na membrana celular.

A formação de agregados no ECM é um processo complexo. As moléculas de aggrecan recém-sintetizadas não manifestam imediatamente a capacidade de se ligar ao ácido hialurônico. Isso pode servir como um mecanismo regulatório que permite que as moléculas sintetizadas recentemente atinjam a zona interterritorial da matriz antes de serem imobilizadas em grandes agregados. O número de moléculas de aggrecan recém-sintetizadas e proteínas de ligação capazes de formar agregados através da interação com o ácido hialurônico diminui significativamente com a idade. Além disso, com a idade, o tamanho dos agregados isolados da cartilagem articular de uma pessoa é significativamente reduzido. Isto é em parte devido à diminuição do comprimento médio de moléculas de ácido hialurônico e moléculas de aggrecan.

Existem dois tipos de agregados na cartilagem articular. O tamanho médio dos agregados do primeiro tipo é 60 S, os agregados do segundo tipo (superagregados rapidamente precipitantes) são 120 S. Este último é caracterizado por uma abundância de moléculas da proteína de ligação. A presença desses superagregados pode desempenhar um papel importante no funcionamento do tecido; durante a restauração do tecido após a imobilização do membro nas camadas médias da cartilagem articular, suas concentrações mais altas são encontradas, na articulação afetada pela osteoartrite, nos estágios iniciais da doença, suas dimensões são significativamente reduzidas.

Além de aggrecan, a cartilagem articular contém uma série de proteoglicanos menores. Biglikan e decorina, moléculas com sulfatos de dermatano têm uma massa molecular de cerca de 100 e 70 kD, respectivamente; a massa da proteína do núcleo é de cerca de 30 kD.

Na cartilagem articular de um humano, a molécula de biglucano contém duas cadeias de dermatan sulfato, enquanto a decorina mais comum é apenas uma. Estas moléculas são apenas uma pequena parte dos proteoglicanos na cartilagem articular, embora eles também podem ser muito, assim como grandes agregados de proteoglicanos. Pequenos proteoglicanos interagir com outras macromoléculas na ECM, incluindo fibras de colagénio, fibronectina, factores de crescimento, e outros. A decorina originalmente localizada sobre a superfície de fibrilas de colagénio e inibe colagénio fibrilogénese. Haste firmemente retido proteína com um domínio de ligação celular da fibronectina, assim, provavelmente, inibir a ligação deste último a receptores de superfície celular (integrinas). Devido ao facto de que ambos se ligam decorina e biglicano a fibronectina e inibir a adesão celular e migração, bem como formação de trombos, eles são capazes de inibir os processos de reparação de tecidos.

A fibromodulina da cartilagem articular é um proteoglicano com uma massa molecular de 50-65 kD, associada a fibrilas de colágeno. Sua proteína central, homóloga às proteínas centrais da decoração e bigakana, contém uma grande quantidade de resíduos de sulfato de tirosina. Esta forma glicosilada de fibromodulina (anteriormente denominada proteína de matriz de 59 kD) pode participar da regulação da formação e manutenção da estrutura das fibrilas de colágeno. Fibromodulina e decorina estão localizados na superfície de fibrilas de colágeno. Assim, como indicado anteriormente, o aumento do diâmetro da fibrilha deve ser precedido pela remoção seletiva desses proteoglicanos (bem como moléculas de colágeno tipo IX).

A cartilagem articular contém uma série de proteínas no VKM, que não pertencem a proteoglicanos ou colágenos. Eles interagem com outras macromoléculas para formar uma rede na qual a maioria das moléculas de VKM são incorporadas.

Anchorin, uma proteína com uma massa de 34 kD, está localizada na superfície de condrócitos e na membrana celular, medeia a interação entre a célula e a matriz. Devido à sua alta afinidade pelo colágeno tipo II, ele pode atuar como um mecanorreceptor, que transmite um sinal sobre a mudança de pressão sobre a fibrilação do condrócito.

A fibronectina é um componente da maioria dos tecidos cartilaginosos, ligeiramente diferente da fibronectina do plasma sanguíneo. Sugere-se que a fibronectina promova a integração da matriz ao interagir com membranas celulares e outros constituintes da matriz, tais como colágeno tipo II e trombospondina. Fragmentos da fibronectina afetam negativamente o metabolismo dos condrócitos - inibem a síntese de aggrecan, estimulam processos catabólicos. No fluido articular de pacientes com osteoartrose, encontrou-se uma alta concentração de fragmentos de fibronectina, para que possam participar da patogênese da doença em estágios posteriores. Provavelmente, fragmentos de outras moléculas da matriz que se ligam aos receptores de condrócitos também têm os mesmos efeitos.

A proteína da matriz oligomérica da cartilagem (OMPC), um membro da superfamília da trombospondina, é um pentâmero com cinco subunidades idênticas com um peso molecular de cerca de 83 kD. Eles são encontrados em grande número na cartilagem articular, especialmente na camada de células em proliferação no tecido em crescimento. Portanto, talvez, a OMPCH participe da regulação do crescimento celular. Em uma concentração muito menor, eles são encontrados no ECM de cartilagem articular madura. As proteínas da matriz também são chamadas de:

• A proteína da matriz básica (36 kD), que tem uma alta afinidade pelos condrócitos, pode mediar a interação das células no ECM, por exemplo, durante a remodelação do tecido;
• O GP-39 (39 kD) 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 colágeno de tipo X, pode funcionar na zona "onda".

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

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Propriedades funcionais da cartilagem da articulação

As moléculas de aggrecan dão cartilagem articular a capacidade de sofrer deformação reversível. Eles demonstram interações específicas dentro do espaço extracelular e, sem dúvida, desempenham um papel importante na organização, estrutura e função da ECM. No tecido cartilaginoso, as moléculas de aggrecano atingem uma concentração de 100 mg / ml. Na cartilagem, as moléculas de Aggregan são comprimidas para 20% do volume que ocupam na solução. Uma rede tridimensional formada por fibrilas de colágeno informa o tecido da sua forma característica e evita o aumento do volume de proteoglicanos. Dentro da rede de colágeno, os proteoglicanos imóveis carregam uma grande carga elétrica negativa (contém um grande número de grupos aniónicos), o que permite interagir com grupos catiônicos móveis do fluido intersticial. Interagindo com água, os proteoglicanos fornecem a chamada pressão de inchaço, que é contrariada pela rede de colágeno.

A presença de água no ECM é muito importante. A água determina o volume de tecido; associado a proteoglicanos, proporciona resistência à compressão. Além disso, a água fornece transporte de moléculas e difusão no ECM. A alta densidade de carga negativa em grandes proteoglicanos fixados no tecido cria um "efeito de volume excluído". O tamanho de poro da solução intra-concentrada de proteoglicanos é tão pequeno que a difusão de grandes proteínas globulares no tecido é severamente restrita. A VKM repele pequenas proteínas carregadas negativamente (por exemplo, cloreto) e proteínas grandes (como albumina e imunoglobulinas). O tamanho das células dentro de uma rede densa de fibrilas de colágeno e proteoglicanos é compatível apenas com as dimensões de algumas moléculas inorgânicas (por exemplo, sódio e potássio, mas não cálcio).

Na VKM há uma certa quantidade de água nas fibrilas de colágeno. As propriedades físico-químicas e biomecânicas da cartilagem determinam o espaço extrafibrilar. O teor de água no espaço fibrilar depende da concentração de proteoglicanos no espaço extrafibrilar e aumenta com a diminuição da concentração deste último.

A carga negativa fixa em proteoglicanos determina a composição iónica do meio extracelular contendo catiões livres em alta concentração e aniões livres em baixa concentração. Uma vez que a concentração das moléculas de aggrecan sobe da superfície para a zona profunda da cartilagem, o ambiente iónico do tecido muda. A concentração de íons inorgânicos no ECM produz uma alta pressão osmótica.

As propriedades da cartilagem como material dependem da interação de fibrilas de colágeno, proteoglicanos e a fase líquida do tecido. As mudanças estruturais e de composição associadas a uma incompatibilidade entre os processos de síntese e catabolismo, a degradação de macromoléculas e trauma físico, afetam significativamente as propriedades materiais da cartilagem e alteram sua função. Uma vez que a concentração, distribuição e organização macro-molecular de colágenos e proteoglicanos variam com a profundidade da zona de cartilagem, as propriedades biomecânicas de cada zona variam. Por exemplo, a área de superfície com sua alta concentração de colágeno, fibrilas localizadas tangencialmente, uma concentração relativamente baixa de proteoglicanos possui as propriedades mais pronunciadas para contrariar o alongamento, distribuindo uniformemente a carga sobre toda a superfície do tecido. Nas zonas de transição e profunda, uma alta concentração de proteoglicanos transmite uma propriedade de tecido para a transferência da carga de compressão. Ao nível da "linha ondulada", as propriedades do material da cartilagem variam acentuadamente da zona dúctil não calcificada até a cartilagem mineralizada mais rígida. Na área da "linha ondulada", a força do tecido é fornecida pela rede de colágeno. As fibrilações cartilaginosas não atravessam as partes cartilaginantes; Na área da cartilagem óssea, a força do tecido é proporcionada por contornos especiais do limite entre as zonas de cartilagem não calcificada e calcificada sob a forma de crescimento irregular de dedos que "fecha" as duas camadas e evita a separação. A cartilagem calcificada é menos densa do que o osso subcondral, por isso atua como uma camada intermediária, que suaviza a carga de compressão na cartilagem e a transfere para o osso subcondral.

Durante a carga, ocorre uma distribuição complexa de três forças: alongamento, cisalhamento e compressão. A matriz articular é deformada devido à expulsão de água (assim como produtos metabólicos das células) da zona de carga, aumenta a concentração de íons no fluido intersticial. O movimento da água depende diretamente da duração e força da carga aplicada e é retardado pela carga negativa de proteoglicanos. Durante a deformação do tecido, os proteoglicanos são mais apertados um contra o outro, efetivamente aumentando a densidade da carga negativa, e a carga negativa repulsiva intermolecular da força, por sua vez, aumenta a resistência do tecido de deformação adicional. Em última análise, a deformação atinge o equilíbrio, em que as forças externas da carga são equilibradas pelas forças internas de resistência - pressão de inchaço (interação de proteoglicanos com íons) e estresse mecânico (interação de proteoglicanos e colágenos). Quando a carga é eliminada, o tecido cartilaginoso adquire sua forma original, sugando água juntamente com os nutrientes. A forma de tecido inicial (pré-carga) 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 são baseadas na integridade estrutural do tecido - a composição de colágeno-proteoglicano como fase sólida e água e dissolvida nos íons como fase líquida. Fora da carga, a pressão hidrostática da cartilagem articular é de cerca de 1-2 atm. Esta pressão hidrostática pode aumentar in vivo a 100-200 atm. Em milissegundos durante a posição e até 40-50 atm durante a caminhada. Estudos in vitro têm mostrado que a pressão hidrostática de 50-150 atm (fisiológica) durante um curto período de tempo conduz a um crescimento moderado de anabolismo cartilagem, durante 2 horas - leva à perda de líquido de cartilagem, mas não causando quaisquer outras alterações. A questão continua a ser a rapidez com que os condrócitos reagem in vivo a esse tipo de carga.

A redução induzida de hidratação com o aumento subseqüente na concentração de proteoglicanos leva à atração de íons carregados positivamente, como H ⁺ e Na ⁺. Isso leva a uma alteração na composição iónica total e pH do ECM, e condrócitos. O carregamento prolongado induz uma diminuição do pH e uma diminuição simultânea na síntese de proteoglicanos por condrócitos. Talvez a influência do ambiente iônico extracelular em processos sintéticos também esteja parcialmente relacionada ao seu efeito sobre a composição do ECM. As moléculas recentemente sintetizadas de aggrecan em um meio fraco-ácido mais tarde do que em condições normais amadurecem em formas agregadas. É provável que uma diminuição do pH ao redor dos condrócitos (por exemplo, durante uma carga) permita que moléculas de aggrecano mais recentemente sintetizadas atinjam a matriz interterritorial.

Quando a carga é eliminada, a água retorna da cavidade sinovial, levando consigo nutrientes para as células. Na cartilagem danificada pela osteoartrite, a concentração de proteoglicanos é reduzida, portanto, durante a carga, a água se move não só verticalmente na cavidade sinovial, mas também em outras direções, reduzindo assim o suprimento de condrócitos.

A imobilização ou pequena carga conduz a uma diminuição marcada nos processos de síntese de conteúdo cartilagem proteoglicano e, enquanto o aumento da carga dinâmica leva a uma síntese aumento proteoglicano modesto e conteúdo .. Exercício intenso (20 km por dia durante 15 semanas) em cães causou uma mudança no conteúdo de proteoglicanos em particular, uma diminuição acentuada da sua concentração na zona de superfície. Houve algum amassamento reversível da cartilagem e remodelação do osso subcondral. Uma grande carga estática, no entanto, causou danos na cartilagem e degeneração subseqüente. Além disso, a perda de ECG de Aggrecan inicia alterações anormais características da osteoartrose. A perda de aggrecan leva à atração de água e ao inchaço da pequena quantidade restante de proteoglicanos. Esta dissolução do aggrecan ajuda a reduzir a densidade da carga fixa local e, em última análise, leva a uma mudança na osmolaridade.