Osteoartrita: cum este organizat cartilajul articular?

Cartilajul articular normal îndeplinește două funcții principale: absoarbe presiunea prin deformare în timpul solicitării mecanice și asigură netezimea suprafețelor articulare, ceea ce permite minimizarea frecării în timpul mișcărilor articulare. Acest lucru este asigurat de structura unică a cartilajului articular, care constă din condroitine imersate în matricea extracelulară (MEC).

Cartilajul articular adult normal poate fi împărțit în mai multe straturi sau zone: zona superficială sau tangențială, zona tranzițională, zona profundă sau radială și zona calcificată. Stratul dintre zonele superficiale și tranziționale și în special dintre zonele tranziționale și profunde nu are limite clare. Joncțiunea dintre cartilajul articular necalcificat și cel calcificat se numește „bordură ondulată” - o linie vizibilă la colorarea țesutului decalcificat. Zona calcificată a cartilajului constituie o proporție relativ constantă (6-8%) din înălțimea totală a secțiunii transversale a cartilajului. Grosimea totală a cartilajului articular, inclusiv zona cartilajului calcificat, variază în funcție de sarcina asupra unei anumite zone a suprafeței articulare și de tipul de articulație. Presiunea hidrostatică intermitentă în osul subcondral joacă un rol important în menținerea structurii normale a cartilajului prin încetinirea osificării.

Condrocitele reprezintă aproximativ 2-3% din masa totală a țesutului; în zona superficială (tangențială) sunt situate de-a lungul, iar în zona profundă (radială) - perpendicular pe suprafața cartilajului; în zona de tranziție, condrocitele formează grupuri de 2-4 celule împrăștiate în întreaga matrice. În funcție de zona cartilajului articular, densitatea condrocitelor variază - cea mai mare densitate celulară este în zona superficială, cea mai mică - în zona calcificată. În plus, densitatea distribuției celulare variază de la o articulație la alta, fiind invers proporțională cu grosimea cartilajului și cu sarcina suportată de zona corespunzătoare.

Condrocitele situate cel mai superficial sunt discoide și formează mai multe straturi de celule în zona tangențială situată sub o fâșie îngustă de matrice; celulele situate mai adânc din această zonă tind să aibă contururi mai neuniforme. În zona de tranziție, condrocitele sunt sferice, uneori se combină în grupuri mici împrăștiate în matrice. Condrocitele din zona profundă au predominant formă elipsoidă, grupate în lanțuri radial de 2-6 celule. În zona calcificată, acestea sunt distribuite și mai rar; unele dintre ele sunt necrotice, deși majoritatea sunt viabile. Celulele sunt înconjurate de o matrice necalcificată, spațiul intercelular fiind calcificat.

Astfel, cartilajul articular uman este alcătuit din ECM hidratată și celule imersate în aceasta, care reprezintă 2-3% din volumul total al țesutului. Deoarece țesutul cartilaginos nu are vase sanguine sau limfatice, interacțiunea dintre celule, livrarea de nutrienți către acestea și eliminarea produselor metabolice se realizează prin difuzie prin ECM. În ciuda faptului că condrocitele sunt foarte active metabolic, ele nu se divid în mod normal la adulți. Condrocitele există într-un mediu fără oxigen, iar metabolismul lor se consideră a fi predominant anaerob.

Fiecare condrocit este considerat o unitate metabolică separată a cartilajului, izolată de celulele vecine, dar responsabilă de producerea elementelor ECM în imediata vecinătate a celulei donate și de menținerea compoziției acesteia.

Matricea extracelulară (ECM) este împărțită în trei secțiuni, fiecare cu o structură morfologică unică și o compoziție biochimică specifică. ECM imediat adiacentă membranei bazale a condrocitelor se numește matrice pericelulară sau lacunară. Aceasta se caracterizează printr-un conținut ridicat de agregate de proteoglicani asociate cu celula prin interacțiunea acidului hialuronic cu receptorii de tip CD44 și o absență relativă a fibrilelor de colagen organizate. Direct adiacentă matricei pericelulare se află matricea teritorială sau capsulară, care constă dintr-o rețea de colageni fibrilari care se intersectează și încapsulează celule individuale sau (uneori) grupuri de celule, formând un condron și probabil oferă suport mecanic specializat celulelor. Contactul condrocitelor cu matricea capsulară se realizează prin numeroase procese citoplasmatice bogate în microfilamente, precum și prin molecule matriceale specifice, cum ar fi ancoraina și receptorii de tip CD44. Cea mai mare și mai îndepărtată secțiune a ECM de membrana bazală a condrocitelor este matricea interteritorială, care conține cel mai mare număr de fibrile de colagen și proteoglicani.

Împărțirea ECM în compartimente este mai clar definită în cartilajul articular adult decât în cartilajul articular imatur. Dimensiunea relativă a fiecărui compartiment variază nu numai între articulații, ci chiar și în cadrul aceluiași cartilaj. Fiecare condrocit produce o matrice care îl înconjoară. Conform cercetărilor, condrocitele din țesutul cartilajului matur exercită un control metabolic activ asupra matricelor lor pericelulare și teritoriale și exercită un control mai puțin activ asupra matricei interteritoriale, care poate fi „inertă” din punct de vedere metabolic.

Așa cum am menționat anterior, cartilajul articular este alcătuit în principal din extracelulară (ECM) extinsă, sintetizată și reglată de condrocite. Macromoleculele tisulare și concentrațiile acestora se modifică de-a lungul vieții în conformitate cu nevoile funcționale în schimbare. Cu toate acestea, rămâne neclar dacă celulele sintetizează întreaga matrice simultan sau în anumite faze, în conformitate cu nevoile fiziologice. Concentrația macromoleculelor, echilibrul metabolic dintre ele, relațiile și interacțiunile lor determină proprietățile biochimice și, prin urmare, funcția cartilajului articular în cadrul unei singure articulații. Componenta principală a ECM a cartilajului articular adult este apa (65-70% din masa totală), care este ferm legată în ea datorită proprietăților fizice speciale ale macromoleculelor țesutului cartilaginos care fac parte din colagen, proteoglicani și glicoproteine non-colagenice.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ]

Compoziția biochimică a cartilajului

Fibrele de colagen sunt formate din molecule ale proteinei fibrilare colagen. La mamifere, colagenul reprezintă un sfert din totalul proteinelor din organism. Colagenul formează elemente fibrilare (fibrile de colagen) constând din subunități structurale numite tropocolagen. Molecula de tropocolagen are trei lanțuri care formează o triplă spirală. Această structură a moleculei de tropocolagen, precum și structura fibrei de colagen, se manifestă atunci când aceste molecule sunt situate paralel în direcția longitudinală cu o deplasare constantă de aproximativ 1/4 din lungime și conferă elasticitate și rezistență ridicate țesuturilor în care se află. În prezent, sunt cunoscute 10 tipuri de colagen genetic diferite, care diferă prin structura chimică a lanțurilor α și/sau prin ansamblul lor în moleculă. Primele patru tipuri de colagen, cele mai bine studiate, sunt capabile să formeze până la 10 izoforme moleculare.

Fibrilele de colagen fac parte din spațiul extracelular al majorității țesuturilor conjunctive, inclusiv al cartilajului. În rețeaua tridimensională insolubilă de fibrile de colagen care se intersectează, sunt încurcate alte componente mai solubile, cum ar fi proteoglicanii, glicoproteinele și proteinele specifice țesuturilor; acestea sunt uneori legate covalent de elementele de colagen.

Moleculele de colagen organizate în fibrile constituie aproximativ 50% din reziduul organic uscat al cartilajului (10-20% din cartilajul nativ). În cartilajul matur, aproximativ 90% dintre colageni sunt colageni de tip II, care se găsesc doar în anumite țesuturi (de exemplu, corpul vitros, cordonul dorsal embrionar). Colagenul de tip II aparține clasei I de molecule de colagen (formatoare de fibrile). Pe lângă acesta, cartilajul articular uman matur conține și colageni de tipurile IX, XI și o cantitate mică de tip VI. Cantitatea relativă de fibre de colagen de tip IX din fibrilele de colagen scade de la 15% în cartilajul fetal la aproximativ 1% în cartilajul bovin matur.

Moleculele de colagen de tip I constau din trei lanțuri polipeptidice α(II) identice, sintetizate și secretate ca precursor de procolagen. Odată ce moleculele de colagen finite sunt eliberate în spațiul extracelular, acestea formează fibrile. În cartilajul articular matur, colagenul de tip II formează arcade fibrilare în care moleculele „mai groase” sunt situate în straturile profunde ale țesutului, iar cele „mai subțiri” sunt situate orizontal în straturile superficiale.

Un exon care codifică o propeptidă N-terminală bogată în cisteină a fost descoperit în gena procolagenului de tip II. Acest exon nu este exprimat în cartilajul matur, ci în stadiile incipiente ale dezvoltării (precondrogeneză). Datorită prezenței acestui exon, molecula de procolagen de tip II (tipul II A) este mai lungă decât colagenul de tip II. Probabil, expresia acestui tip de procolagen inhibă acumularea de elemente în ECM-ul cartilajului articular. Acesta poate juca un anumit rol în dezvoltarea patologiei cartilajului (de exemplu, răspuns reparativ inadecvat, formarea de osteofite etc.).

Rețeaua de fibrile de colagen de tip II asigură funcția de rezistență la întindere și este necesară pentru menținerea volumului și formei țesutului. Această funcție este amplificată de legăturile covalente și încrucișate dintre moleculele de colagen. În ECM, enzima lizil oxidază formează o aldehidă din hidroxilizină, care este apoi transformată în aminoacidul multivalent hidroxilizil-piridinolină, care formează legături încrucișate între lanțuri. Pe de o parte, concentrația acestui aminoacid crește odată cu vârsta, dar în cartilajul matur rămâne practic neschimbată. Pe de altă parte, în cartilajul articular, se constată o creștere a concentrației de legături încrucișate de diferite tipuri formate fără participarea enzimelor odată cu vârsta.

Aproximativ 10% din cantitatea totală de colagen din țesutul cartilajului sunt așa-numiții colageni minori, care determină în mare măsură funcția unică a acestui țesut. Colagenul de tip IX aparține moleculelor cu helix scurt de clasă III și unui grup unic de colageni FACIT (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices - Colagen asociat cu fibrile cu triplu helix întrerupt). Acesta este format din trei lanțuri genetic diferite. Unul dintre ele, lanțul _a2, este glicozilat simultan cu sulfat de condroitină, ceea ce face ca această moleculă să fie un proteoglican. Atât legăturile încrucișate mature, cât și cele imature de hidroxipiridină se găsesc între segmentele elicoidale ale colagenului de tip IX și colagenului de tip II. Colagenul IX poate funcționa și ca un „conector” (sau punte) intermolecular-interfibrilar între fibrilele de colagen adiacente. Moleculele de colagen IX formează legături încrucișate între ele, ceea ce crește stabilitatea mecanică a rețelei tridimensionale fibrilare și o protejează de efectele enzimelor. De asemenea, acestea oferă rezistență la deformare, limitând umflarea proteoglicanilor localizați în interiorul rețelei. Pe lângă lanțul anionic CS, molecula de colagen IX conține un domeniu cationic, care conferă o sarcină mare fibrilei și o tendință de a interacționa cu alte macromolecule din matrice.

Colagenul de tip XI reprezintă doar 2-3% din masa totală de colagen. Acesta aparține clasei I de colagen (formator de fibrile) și este format din trei lanțuri α diferite. Împreună cu colagenul de tip II și IX, colagenul de tip XI formează fibrile heterotipice ale cartilajului articular. Molecule de colagen de tip XI au fost detectate în fibrilele de colagen de tip II folosind imunoelectromicroscopia. Probabil că acestea organizează moleculele de colagen de tip II, controlând creșterea laterală a fibrilelor și determinând diametrul fibrilei de colagen heterotipice. În plus, colagenul XI este implicat în formarea legăturilor încrucișate, dar chiar și în cartilajul matur, legăturile încrucișate rămân sub formă de cetoamine divalente imature.

Cantități mici de colagen de tip VI, un alt membru al moleculelor cu helix scurt de clasa III, se găsesc în cartilajul articular. Colagenul de tip VI formează diverse microfibrile și este probabil concentrat în matricea capsulară a condronului.

Proteoglicanii sunt proteine de care este atașat covalent cel puțin un lanț de glicozaminoglican. Proteoglicanii se numără printre cele mai complexe macromolecule biologice. Proteoglicanii sunt cei mai abundenți în ECM-ul cartilajului. „Încurcați” într-o rețea de fibrile de colagen, proteoglicanii hidrofili își îndeplinesc funcția principală - conferă cartilajului capacitatea de a se deforma reversibil. Se presupune că proteoglicanii îndeplinesc și o serie de alte funcții, a căror esență nu este complet clară.

Aggrecanul este principalul proteoglican al cartilajului articular, reprezentând aproximativ 90% din masa totală de proteoglicani din țesut. Proteina sa centrală de 230 kD este glicozilată prin multiple lanțuri de glicozaminoglicani legate covalent și oligozaharide N-terminale și C-terminale.

Lanțurile de glicozaminoglicani ale cartilajului articular, care constituie aproximativ 90% din masa totală a macromoleculelor, sunt sulfatul de keratan (o secvență a dizaharidei sulfatate N-acetil glucozamino lactoza cu multiple situsuri sulfatate și alte reziduuri de monozaharide, cum ar fi acidul sialic) și sulfatul de condroitină (o secvență a dizaharidei N-acetil galactozamină glucuronic cu un ester sulfat atașat la fiecare al patrulea sau al șaselea atom de carbon al N-acetil galactozaminei).

Proteina centrală a agrecanului conține trei domenii globulare (G1, G2, G3) și două domenii interglobulare (E1 și E2). Regiunea N-terminală conține domeniile G1 și G2, separate de segmentul E1, care are o lungime de 21 nm. Domeniul C3, situat în regiunea C-terminală, este separat de G2 _de un segment E2 mai lung (aproximativ 260 nm), care conține peste 100 de lanțuri de sulfați de condroitină, aproximativ 15-25 de lanțuri de sulfați de keratină și oligozaharide legate prin O. Oligozaharidele legate prin N se găsesc în principal în domeniile G1 și C2 și în segmentul E1, precum și în apropierea _regiunii G3. Glicozaminoglicanii sunt grupați în două regiuni: cea mai lungă (așa-numita regiune bogată în sulfat de condroitină) conține lanțuri de sulfat de condroitină și aproximativ 50% lanțuri de sulfat de keratan. Regiunea bogată în sulfat de keratan este situată pe _segmentul E2, în apropierea domeniului G1, și precede regiunea bogată în sulfat de condroitină. Moleculele de agrecan conțin, de asemenea, esteri de fosfat, localizați în principal pe reziduurile de xiloză care atașează lanțurile de sulfat de condroitină la proteina centrală; aceștia se găsesc și pe reziduurile de serină ale proteinei centrale.

Segmentul C-terminal al _domeniului C3 este foarte omolog cu lectina, permițând fixarea moleculelor de proteoglican în ECM prin legarea la anumite structuri carbohidrați.

Studii recente au identificat un exon care codifică un subdomeniu de tip EGF în cadrul G3 _. Folosind anticorpi policlonali anti-EGF, epitopul de tip EGF a fost localizat într-o peptidă de 68 kD în agrecanul cartilajului articular uman. Cu toate acestea, funcția sa rămâne de elucidat. Acest subdomeniu se găsește și în moleculele de adeziune care controlează migrarea limfocitelor. Doar aproximativ o treime din moleculele de agrecan izolate din cartilajul articular uman matur conțin un _domeniu C3 intact; acest lucru se datorează probabil faptului că moleculele de agrecan pot fi reduse enzimatic în dimensiune în ECM. Soarta și funcția fragmentelor scindate sunt necunoscute.

_{Principalul segment funcțional al moleculei de agrecan este segmentul} E2, care conține glicozaminoglicani. Regiunea, bogată în sulfați de keratan, conține aminoacizii prolină, serină și treonină. Majoritatea reziduurilor de serină și treonină sunt O-glicozilate cu reziduuri de N-acetilgalactozamină; acestea inițiază sinteza anumitor oligozaharide care sunt încorporate în lanțurile de sulfat de keratan, lungindu-le astfel. Restul segmentului E2 _conține peste 100 de secvențe serină-glicină în care serina asigură atașarea la reziduurile de xilozil de la începutul lanțurilor de sulfat de condroitină. De obicei, atât condroitin-6-sulfat, cât și condroitin-4-sulfat există simultan în cadrul aceleiași molecule de proteoglican, raportul lor variind în funcție de localizarea țesutului cartilajului și de vârsta persoanei.

Structura moleculelor de agrecan din matricea cartilajului articular uman suferă o serie de modificări în timpul maturării și îmbătrânirii. Modificările legate de îmbătrânire includ o scădere a dimensiunii hidrodinamice datorată unei modificări a lungimii medii a lanțurilor de sulfat de condroitină și o creștere a numărului și lungimii lanțurilor de sulfat de keratan. O serie de modificări ale moleculei de agrecan sunt cauzate și de acțiunea enzimelor proteolitice (de exemplu, agrecanază și stromelesină) asupra proteinei centrale. Aceasta are ca rezultat o scădere progresivă a lungimii medii a proteinei centrale a moleculei de agrecan.

Moleculele de agrecan sunt sintetizate de condrocite și secretate în ECM, unde formează agregate stabilizate de molecule proteice linker. Această agregare implică interacțiuni necovalente și cooperative extrem de specifice între o catenă de acid glucuronic și aproape 200 de molecule de agrecan și proteină linker. Acidul glucuronic este un glicozaminoglican liniar extracelular, nesulfatat, cu greutate moleculară mare, compus din multiple molecule de N-acetilglucozamină și acid glucuronic legate secvențial. Buclele pereche ale domeniului G1 al agrecanului interacționează reversibil cu cinci dizaharide de acid hialuronic situate secvențial. Proteina linker, care conține bucle pereche similare (foarte omoloage), interacționează cu domeniul C1 și molecula de acid hialuronic și stabilizează structura agregatului. Complexul domeniului C1 - acid hialuronic - proteină de legare formează o interacțiune extrem de stabilă care protejează domeniul G1 și proteina de legare de acțiunea enzimelor proteolitice. Au fost identificate două molecule ale proteinei de legare cu o greutate moleculară de 40-50 kDa; acestea diferă una de cealaltă prin gradul de glicozilare. Doar o moleculă a proteinei de legare este prezentă la locul legăturii acid hialuronic - agrecan. A treia moleculă, mai mică, a proteinei de legare este formată din cele mai mari prin scindare proteolitică.

Aproximativ 200 de molecule de agrecan se pot lega de o moleculă de acid hialuronic pentru a forma un agregat de 8 μm lungime. În matricea asociată celulelor, formată din compartimente pericelulare și teritoriale, agregatele își mențin asocierea cu celulele prin legarea (prin intermediul unui fir de acid hialuronic) la receptorii de tip CD44 de pe membrana celulară.

Formarea agregatelor în ECM este un proces complex. Moleculele de agrecan nou sintetizate nu prezintă imediat capacitatea de a se lega de acidul hialuronic. Acest lucru poate servi ca mecanism de reglare care permite moleculelor nou sintetizate să ajungă în zona interteritorială a matricei înainte de a fi imobilizate în agregate mari. Numărul de molecule de agrecan nou sintetizate și proteine de legare capabile să formeze agregate prin interacțiunea cu acidul hialuronic scade semnificativ odată cu vârsta. În plus, dimensiunea agregatelor izolate din cartilajul articular uman scade semnificativ odată cu vârsta. Acest lucru se datorează parțial scăderii lungimii medii a moleculelor de acid hialuronic și a moleculelor de agrecan.

În cartilajul articular s-au stabilit două tipuri de agregate. Dimensiunea medie a primului tip de agregate este de 60 S, în timp ce cea a celui de-al doilea tip („superagregate” care precipită rapid) este de 120 S. Acesta din urmă se distinge printr-o abundență de molecule ale proteinei de legare. Prezența acestor superagregate poate juca un rol major în funcționarea țesutului; în timpul restaurării țesuturilor după imobilizarea membrelor, concentrații mai mari ale acestora se găsesc în straturile medii ale cartilajului articular, în timp ce într-o articulație afectată de osteoartroză, dimensiunile lor sunt semnificativ reduse în stadiile incipiente ale bolii.

Pe lângă agrecan, cartilajul articular conține o serie de proteoglicani mai mici. Biglicanul și decorina, molecule care transportă sulfați de dermatan, au greutăți moleculare de aproximativ 100 și respectiv 70 kDa; masa proteinei lor centrale este de aproximativ 30 kDa.

În cartilajul articular uman, molecula de biglican conține două lanțuri de dermatan sulfat, în timp ce decorin, mai comun, conține doar unul. Aceste molecule constituie doar o mică parte din proteoglicanii din cartilajul articular, deși pot fi la fel de numeroși ca proteoglicanii mari agregați. Proteoglicanii mici interacționează cu alte macromolecule din ECM, inclusiv fibrilele de colagen, fibronectina, factorii de creștere etc. Decorina este localizată în principal la suprafața fibrilelor de colagen și inhibă fibrilogeneza colagenului. Proteina centrală este strâns legată de domeniul de legare celulară al fibronectinei, împiedicând astfel probabil legarea acesteia din urmă de receptorii de la suprafața celulară (integrine). Deoarece atât decorina, cât și biglicanul se leagă de fibronectină și inhibă aderența și migrarea celulară, precum și formarea trombilor, acestea sunt capabile să inhibe procesele de reparare a țesuturilor.

Fibromodulina cartilajului articular este un proteoglican cu o greutate moleculară de 50-65 kD asociat cu fibrilele de colagen. Proteina sa centrală, omoloagă cu proteinele centrale ale decorinei și biglicanului, conține un număr mare de reziduuri de sulfat de tirozină. Această formă glicozilată de fibromodulină (numită anterior proteina matriceală de 59 kD) poate participa la reglarea formării și menținerii structurii fibrilelor de colagen. Fibromodulina și decorina sunt situate la suprafața fibrilelor de colagen. Astfel, așa cum s-a indicat anterior, o creștere a diametrului fibrilelor ar trebui să fie precedată de îndepărtarea selectivă a acestor proteoglicani (precum și a moleculelor de colagen de tip IX).

Cartilajul articular conține o serie de proteine în ECM care nu sunt nici proteoglicani, nici colagen. Acestea interacționează cu alte macromolecule pentru a forma o rețea care include majoritatea moleculelor ECM.

Ancorina, o proteină de 34 kD, este localizată la suprafața condrocitelor și în membrana celulară, mediând interacțiunile dintre celulă și matrice. Datorită afinității sale ridicate pentru colagenul de tip II, poate acționa ca un mecanoreceptor, transmițând un semnal despre modificarea presiunii asupra fibrilei către condrocit.

Fibronectina este o componentă a majorității țesuturilor cartilaginoase și diferă ușor de fibronectina plasmatică. Se crede că fibronectina promovează integrarea matricei prin interacțiunea cu membranele celulare și alte componente ale matricei, cum ar fi colagenul de tip II și trombospondina. Fragmentele de fibronectină au un efect negativ asupra metabolismului condrocitelor: inhibă sinteza agrecanului și stimulează procesele catabolice. Concentrații mari de fragmente de fibronectină au fost găsite în lichidul articular al pacienților cu osteoartrită, astfel încât acestea pot participa la patogeneza bolii în stadii avansate. Fragmentele altor molecule matriceale care se leagă de receptorii condrocitari sunt susceptibile de a avea efecte similare.

Proteina matriceală oligomerică a cartilajului (OMPC), membră a superfamiliei trombospondinelor, este un pentamer cu cinci subunități identice cu o greutate moleculară de aproximativ 83 kDa. Se găsesc în cantități mari în cartilajul articular, în special în stratul de celule proliferative din țesutul în creștere. Prin urmare, este posibil ca OMPC să fie implicată în reglarea creșterii celulare. Se găsesc în concentrații mult mai mici în ECM-ul cartilajului articular matur. Proteinele matriceale includ, de asemenea:

• Proteina matriceală bazică (36 kDa), care are o afinitate ridicată pentru condrocite, poate media interacțiunile celulă-celulă în ECM, cum ar fi în timpul remodelării țesuturilor;
• GP-39 (39 kDa) este exprimată în stratul superficial al cartilajului articular și în membrana sinovială (funcțiile sale sunt necunoscute);
• Proteina de 21 kD este sintetizată de condrocitele hipertrofiate, interacționează cu colagenul de tip X și poate funcționa în zona „liniei ondulate”.

În plus, este evident că condrocitele exprimă forme neglicozilate de proteoglicani mici neagregați în anumite stadii ale dezvoltării cartilajului și în condiții patologice, dar funcția lor specifică este în prezent studiată.

[ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ]

Proprietățile funcționale ale cartilajului articular

Moleculele de agrecan conferă cartilajului articular capacitatea de a suferi deformări reversibile. Acestea demonstrează interacțiuni specifice în spațiul extracelular și joacă, fără îndoială, un rol important în organizarea, structura și funcția ECM. În țesutul cartilajului, moleculele de agrecan ating o concentrație de 100 mg/ml. În cartilaj, moleculele de agrecan sunt comprimate la 20% din volumul pe care îl ocupă în soluție. O rețea tridimensională formată din fibrile de colagen conferă țesutului forma sa caracteristică și previne creșterea volumului proteoglicanilor. În cadrul rețelei de colagen, proteoglicanii imobili poartă o sarcină electrică negativă mare (conțin un număr mare de grupări anionice), ceea ce le permite să interacționeze cu grupările cationice mobile ale lichidului interstițial. Interacționând cu apa, proteoglicanii asigură așa-numita presiune de umflare, care este contracarată de rețeaua de colagen.

Prezența apei în ECM este foarte importantă. Apa determină volumul țesutului; legată de proteoglicani, oferă rezistență la compresie. În plus, apa asigură transportul moleculelor și difuzia în ECM. Densitatea mare de sarcină negativă a proteoglicanilor mari fixați în țesut creează „efectul de volum exclus”. Dimensiunea porilor soluției intraconcentrate de proteoglicani este atât de mică încât difuzia proteinelor globulare mari în țesut este puternic limitată. ECM respinge proteinele mici încărcate negativ (de exemplu, ionii de clorură) și proteinele mari (cum ar fi albumina și imunoglobulinele). Dimensiunea celulelor din rețeaua densă de fibrile de colagen și proteoglicani este comparabilă doar cu dimensiunea unor molecule anorganice (de exemplu, sodiu și potasiu, dar nu și calciu).

În ECM, o parte din apă este prezentă în fibrilele de colagen. Spațiul extrafibrilar determină proprietățile fizico-chimice și biomecanice ale cartilajului. Conținutul de apă din spațiul intrafibrilar depinde de concentrația proteoglicanilor din spațiul extrafibrilar și crește odată cu scăderea concentrației acestora din urmă.

Sarcina negativă fixă a proteoglicanilor determină compoziția ionică a mediului extracelular, care conține cationi liberi în concentrație mare și anioni liberi în concentrație mică. Pe măsură ce concentrația moleculelor de agrecan crește de la zona superficială la cea profundă a cartilajului, mediul ionic al țesutului se modifică. Concentrația ionilor anorganici din ECM creează o presiune osmotică ridicată.

Proprietățile materiale ale cartilajului depind de interacțiunea dintre fibrilele de colagen, proteoglicani și faza lichidă a țesutului. Modificările structurale și compoziționale asociate cu discrepanța dintre procesele de sinteză și catabolism, degradarea macromoleculelor și traumatismele fizice afectează semnificativ proprietățile materiale ale cartilajului și îi modifică funcția. Deoarece concentrația, distribuția și organizarea macromoleculară a colagenului și proteoglicanilor se modifică în funcție de adâncimea zonei cartilajului, proprietățile biomecanice ale fiecărei zone variază. De exemplu, zona superficială, cu concentrația sa mare de colagen, fibrile situate tangențial și concentrația relativ scăzută de proteoglicani, are cele mai pronunțate proprietăți de a rezista la întindere, distribuind uniform sarcina pe întreaga suprafață a țesutului. În zonele de tranziție și cele profunde, concentrația mare de proteoglicani conferă țesutului proprietatea de a rezista la sarcina compresivă. La nivelul „liniei ondulate”, proprietățile materiale ale cartilajului se schimbă brusc de la zona maleabilă necalcificată la cartilajul mineralizat mai rigid. În regiunea „liniei ondulate”, rezistența țesutului este asigurată de rețeaua de colagen. Secțiunile cartilajului subiacent nu sunt traversate de fibrile de colagen; în zona joncțiunii osteocondrale, rezistența țesutului este asigurată de contururile speciale ale limitei dintre zonele cartilajului necalcificat și calcificat, sub formă de excrescențe neregulate, asemănătoare degetelor, care „închid” cele două straturi și previn separarea lor. Cartilajul calcificat este mai puțin dens decât osul subcondral, prin urmare funcționează ca un strat intermediar care atenuează sarcina compresivă asupra cartilajului și o transferă osului subcondral.

În timpul încărcării, are loc o distribuție complexă a trei forțe - extensie, forfecare și compresie. Matricea articulară este deformată din cauza expulzării apei (precum și a produselor metabolismului celular) din zona de încărcare, concentrația de ioni din lichidul interstițial crește. Mișcarea apei depinde direct de durata și forța încărcării aplicate și este întârziată de sarcina negativă a proteoglicanilor. În timpul deformării țesuturilor, proteoglicanii sunt presați mai strâns unul împotriva celuilalt, crescând astfel eficient densitatea sarcinii negative, iar forțele intermoleculare care resping sarcina negativă cresc la rândul lor rezistența țesutului la deformări ulterioare. În cele din urmă, deformarea atinge un echilibru în care forțele de încărcare externe sunt echilibrate de forțele de rezistență interne - presiunea de umflare (interacțiunea proteoglicanilor cu ionii) și stresul mecanic (interacțiunea proteoglicanilor și colagenului). Când sarcina este îndepărtată, țesutul cartilajului își capătă forma originală prin absorbția apei împreună cu nutrienții. Forma inițială (pre-încărcare) a țesutului se obține atunci când presiunea de umflare a proteoglicanilor este echilibrată de rezistența rețelei de colagen la răspândirea acestora.

Proprietățile biomecanice ale cartilajului articular se bazează pe integritatea structurală a țesutului - o compoziție de colagen-proteoglican ca fază solidă și apă și ioni dizolvați ca fază lichidă. Fără sarcină, presiunea hidrostatică a cartilajului articular este de aproximativ 1-2 atm. Această presiune hidrostatică poate crește in vivo la 100-200 atm pe milisecundă în timpul statului în picioare și la 40-50 atm în timpul mersului. Studiile in vitro au arătat că o presiune hidrostatică de 50-150 atm (fiziologică) duce la o creștere moderată a anabolismului cartilajului într-o perioadă scurtă de timp, iar peste 2 ore duce la o pierdere de lichid cartilajului, dar nu provoacă alte modificări. Întrebarea privind cât de repede răspund condrocitele in vivo la acest tip de sarcină rămâne nerezolvată.

Scăderea indusă a hidratării, cu creșterea ulterioară a concentrației de proteoglicani, duce la atragerea ionilor încărcați pozitiv, cum ar fi H ⁺ și Na ⁺. Aceasta duce la o modificare a compoziției ionice generale și a pH-ului ECM și al condrocitelor. Exercițiile fizice pe termen lung induc o scădere a pH-ului și, în același timp, o scădere a sintezei proteoglicanilor de către condrocite. Este posibil ca influența mediului ionic extracelular asupra proceselor sintetice să fie, de asemenea, parțial legată de influența sa asupra compoziției ECM. Moleculele de agrecan nou sintetizate se maturizează în forme agregate mai târziu într-un mediu slab acid decât în condiții normale. Este probabil ca o scădere a pH-ului în jurul condrocitelor (de exemplu, în timpul exercițiilor fizice) să permită mai multor molecule de agrecan nou sintetizate să ajungă la matricea interteritorială.

Când sarcina este îndepărtată, apa se întoarce din cavitatea sinovială, transportând nutrienți pentru celule. În cartilajul afectat de osteoartrită, concentrația de proteoglicani este redusă, prin urmare, în timpul încărcării, apa se deplasează nu numai vertical în cavitatea sinovială, ci și în alte direcții, reducând astfel nutriția condrocitelor.

Imobilizarea sau încărcarea ușoară are ca rezultat o scădere marcată a sintezei cartilajului și a conținutului de proteoglicani, în timp ce creșterea încărcării dinamice are ca rezultat o creștere moderată a sintezei și conținutului de proteoglicani. Exercițiile fizice intense (20 km/zi timp de 15 săptămâni) la câini au indus modificări ale conținutului de proteoglicani, în special o scădere bruscă a concentrației acestora în zona superficială. A avut loc o oarecare înmuiere reversibilă a cartilajului și o remodelare osoasă subcondrală. Cu toate acestea, încărcarea statică severă a cauzat leziuni ale cartilajului și degenerare ulterioară. În plus, pierderea agrecanului din ECM inițiază modificările anormale caracteristice osteoartritei. Pierderea agrecanului are ca rezultat atragerea apei și umflarea cantității mici de proteoglican rămase. Această dizolvare a agrecanului contribuie la o scădere a densității de sarcină fixă locală și duce în cele din urmă la o modificare a osmolarității.