Osteoartrite: come si organizza la cartilagine articolare?

La cartilagine articolare normale svolge due funzioni principali: assorbire la pressione mediante deformazione durante il carico meccanico e garantire la levigatezza delle superfici articolari, riducendo al minimo l'attrito durante i movimenti articolari. Ciò è garantito dalla struttura unica della cartilagine articolare, costituita da condroiti immerse nella matrice extracellulare (ECM).

La cartilagine articolare adulta normale può essere suddivisa in diversi strati o zone: la zona superficiale o tangenziale, la zona di transizione, la zona profonda o radiale e la zona calcificata. Lo strato tra la zona superficiale e quella di transizione, e in particolare tra la zona di transizione e quella profonda, non presenta confini netti. La giunzione tra la cartilagine articolare non calcificata e quella calcificata è chiamata "bordo ondulato", una linea visibile quando si colora il tessuto decalcificato. La zona calcificata della cartilagine costituisce una percentuale relativamente costante (6-8%) dell'altezza trasversale totale della cartilagine. Lo spessore totale della cartilagine articolare, inclusa la zona calcificata, varia a seconda del carico su una particolare area della superficie articolare e del tipo di articolazione. La pressione idrostatica intermittente nell'osso subcondrale svolge un ruolo importante nel mantenere la normale struttura della cartilagine rallentandone l'ossificazione.

I condrociti costituiscono circa il 2-3% della massa tissutale totale; nella zona superficiale (tangenziale) sono disposti longitudinalmente alla cartilagine, mentre in quella profonda (radiale) sono disposti perpendicolarmente alla superficie; nella zona di transizione, i condrociti formano gruppi di 2-4 cellule distribuiti nella matrice. A seconda della zona della cartilagine articolare, la densità dei condrociti varia: la densità cellulare più elevata si riscontra nella zona superficiale, quella più bassa nella zona calcificata. Inoltre, la densità della distribuzione cellulare varia da articolazione a articolazione, ed è inversamente proporzionale allo spessore della cartilagine e al carico a cui è sottoposta la corrispondente area.

I condrociti localizzati più superficialmente sono discoidi e formano diversi strati di cellule nella zona tangenziale, situata al di sotto di una stretta striscia di matrice; le cellule situate più in profondità in questa zona tendono ad avere contorni più irregolari. Nella zona di transizione, i condrociti sono sferici, a volte si combinano in piccoli gruppi sparsi nella matrice. I condrociti della zona profonda hanno prevalentemente una forma ellissoidale, raggruppati in catene di 2-6 cellule disposte radialmente. Nella zona calcificata, sono distribuiti ancora più radi; alcuni di essi sono necrotici, sebbene la maggior parte sia vitale. Le cellule sono circondate da matrice non calcificata, lo spazio intercellulare è calcificato.

Pertanto, la cartilagine articolare umana è costituita da ECM idratata e da cellule in essa immerse, che costituiscono il 2-3% del volume totale del tessuto. Poiché il tessuto cartilagineo non presenta vasi sanguigni o linfatici, l'interazione tra le cellule, il trasporto dei nutrienti e l'eliminazione dei prodotti metabolici avvengono per diffusione attraverso l'ECM. Nonostante i condrociti siano metabolicamente molto attivi, normalmente non si dividono negli adulti. I condrociti vivono in un ambiente privo di ossigeno e si ritiene che il loro metabolismo sia prevalentemente anaerobico.

Ogni condrocita è considerato un'unità metabolica separata della cartilagine, isolata dalle cellule vicine, ma responsabile della produzione di elementi della matrice extracellulare (ECM) nelle immediate vicinanze della cellula donata e del mantenimento della sua composizione.

La matrice extracellulare (ECM) è suddivisa in tre sezioni, ciascuna con una struttura morfologica unica e una composizione biochimica specifica. La matrice extracellulare immediatamente adiacente alla membrana basale dei condrociti è chiamata matrice pericellulare, o lacunare. È caratterizzata da un elevato contenuto di aggregati di proteoglicani associati alla cellula tramite l'interazione dell'acido ialuronico con i recettori CD44-simili e da una relativa assenza di fibrille di collagene organizzate. Direttamente adiacente alla matrice pericellulare si trova la matrice territoriale, o capsulare, costituita da una rete di collageni fibrillari intersecanti che incapsula singole cellule o (talvolta) gruppi di cellule, formando un condro, e probabilmente fornisce un supporto meccanico specializzato per le cellule. Il contatto dei condrociti con la matrice capsulare avviene attraverso numerosi processi citoplasmatici ricchi di microfilamenti, nonché attraverso specifiche molecole della matrice come l'anchrina e i recettori CD44-simili. La sezione più grande e più distante della matrice extracellulare (ECM) dalla membrana basale dei condrociti è la matrice interterritoriale, che contiene il maggior numero di fibrille di collagene e proteoglicani.

La suddivisione della matrice extracellulare (ECM) in compartimenti è più chiaramente definita nella cartilagine articolare adulta rispetto a quella immatura. Le dimensioni relative di ciascun compartimento variano non solo tra le articolazioni, ma anche all'interno della stessa cartilagine. Ogni condrocita produce una matrice che lo circonda. Secondo la ricerca, i condrociti del tessuto cartilagineo maturo esercitano un controllo metabolico attivo sulle loro matrici pericellulari e territoriali, mentre esercitano un controllo meno attivo sulla matrice interterritoriale, che potrebbe essere metabolicamente "inerte".

Come accennato in precedenza, la cartilagine articolare è costituita principalmente da un'ampia matrice extracellulare (ECM) sintetizzata e regolata dai condrociti. Le macromolecole tissutali e le loro concentrazioni cambiano nel corso della vita in base alle mutevoli esigenze funzionali. Tuttavia, non è ancora chiaro se le cellule sintetizzino l'intera matrice simultaneamente o in fasi specifiche in base alle esigenze fisiologiche. La concentrazione delle macromolecole, l'equilibrio metabolico tra esse, le loro relazioni e interazioni determinano le proprietà biochimiche e, di conseguenza, la funzione della cartilagine articolare all'interno di una singola articolazione. Il componente principale dell'ECM della cartilagine articolare adulta è l'acqua (65-70% della massa totale), che è saldamente legata al suo interno grazie alle particolari proprietà fisiche delle macromolecole tissutali cartilaginee che fanno parte di collageni, proteoglicani e glicoproteine non collageniche.

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Composizione biochimica della cartilagine

Le fibre di collagene sono costituite da molecole di collagene, una proteina fibrillare. Nei mammiferi, il collagene rappresenta un quarto di tutte le proteine del corpo. Il collagene forma elementi fibrillari (fibrille di collagene) costituiti da subunità strutturali chiamate tropocollagene. La molecola di tropocollagene presenta tre catene che formano una tripla elica. Questa struttura della molecola di tropocollagene, così come la struttura delle fibre di collagene, si verifica quando queste molecole sono disposte parallelamente in direzione longitudinale con uno spostamento costante di circa 1/4 della lunghezza e conferisce elevata elasticità e resistenza ai tessuti in cui si trovano. Attualmente sono noti 10 tipi di collagene geneticamente diversi, che differiscono nella struttura chimica delle catene α e/o nella loro disposizione nella molecola. I primi quattro tipi di collagene più studiati sono in grado di formare fino a 10 isoforme molecolari.

Le fibrille di collagene fanno parte dello spazio extracellulare della maggior parte dei tessuti connettivi, inclusa la cartilagine. All'interno della rete tridimensionale insolubile di fibrille di collagene intersecate si trovano altri componenti più solubili come proteoglicani, glicoproteine e proteine tessuto-specifiche; questi sono talvolta legati covalentemente agli elementi del collagene.

Le molecole di collagene organizzate in fibrille costituiscono circa il 50% del residuo secco organico della cartilagine (10-20% della cartilagine nativa). Nella cartilagine matura, circa il 90% dei collageni è di tipo II, presente solo in alcuni tessuti (ad esempio, corpo vitreo, midollo spinale embrionale). Il collagene di tipo II appartiene alle molecole di collagene di classe I (che formano fibrille). Oltre a ciò, la cartilagine articolare umana matura contiene anche collageni di tipo IX, XI e una piccola quantità di tipo VI. La quantità relativa di fibre di collagene di tipo IX nelle fibrille di collagene diminuisce dal 15% nella cartilagine fetale a circa l'1% nella cartilagine bovina matura.

Le molecole di collagene di tipo I sono costituite da tre catene polipeptidiche α,(II) identiche, sintetizzate e secrete come precursori del procollagene. Una volta rilasciate nello spazio extracellulare, le molecole di collagene finite formano fibrille. Nella cartilagine articolare matura, il collagene di tipo II forma arcate fibrillari in cui le molecole "più spesse" si trovano negli strati profondi del tessuto, mentre quelle "più sottili" si trovano orizzontalmente negli strati superficiali.

Nel gene del procollagene di tipo II è stato trovato un esone che codifica per un propeptide N-terminale ricco di cisteina. Questo esone non è espresso nella cartilagine matura, ma nelle fasi precoci dello sviluppo (precondrogenesi). Grazie alla presenza di questo esone, la molecola di procollagene di tipo II (tipo II A) è più lunga del collagene di tipo II. Probabilmente, l'espressione di questo tipo di procollagene inibisce l'accumulo di elementi nella matrice extracellulare (ECM) della cartilagine articolare. Potrebbe svolgere un ruolo nello sviluppo di patologie cartilaginee (ad esempio, inadeguata risposta riparativa, formazione di osteofiti, ecc.).

La rete di fibrille di collagene di tipo II svolge la funzione di resistenza allo stiramento ed è necessaria per il mantenimento del volume e della forma del tessuto. Questa funzione è potenziata dai legami covalenti e crociati tra le molecole di collagene. Nella matrice extracellulare (ECM), l'enzima lisil ossidasi forma un'aldeide a partire dall'idrossilisina, che viene poi convertita nell'amminoacido multivalente idrossilisil-piridinolina, che forma legami crociati tra le catene. Da un lato, la concentrazione di questo amminoacido aumenta con l'età, ma nella cartilagine matura rimane praticamente invariata. D'altro canto, nella cartilagine articolare, con l'età si osserva un aumento della concentrazione di legami crociati di vario tipo formati senza l'intervento di enzimi.

Circa il 10% della quantità totale di collageni nel tessuto cartilagineo è costituito dai cosiddetti collageni minori, che determinano in larga misura la funzione specifica di questo tessuto. Il collagene di tipo IX appartiene alle molecole a breve elica di classe III e a un gruppo unico di collageni FACIT (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helixs). È costituito da tre catene geneticamente diverse. Una di queste, la catena _α2, è glicosilata simultaneamente con il condroitin solfato, il che rende questa molecola un proteoglicano. Tra i segmenti elicoidali del collagene di tipo IX e del collagene di tipo II si trovano legami crociati idrossipiridinici sia maturi che immaturi. Il collagene IX può anche fungere da "connettore" intermolecolare-interfibrillare (o ponte) tra fibrille di collagene adiacenti. Le molecole di collagene IX formano legami crociati tra loro, il che aumenta la stabilità meccanica della rete tridimensionale fibrillare e la protegge dagli effetti degli enzimi. Forniscono inoltre resistenza alla deformazione, limitando il rigonfiamento dei proteoglicani situati all'interno della rete. Oltre alla catena CS anionica, la molecola di collagene IX contiene un dominio cationico, che conferisce una carica elevata alla fibrilla e una tendenza a interagire con altre macromolecole della matrice.

Il collagene di tipo XI rappresenta solo il 2-3% della massa totale di collagene. Appartiene ai collageni di classe I (fibrille) ed è costituito da tre diverse catene α. Insieme ai collageni di tipo II e IX, il collagene di tipo XI forma fibrille eterotipiche nella cartilagine articolare. Molecole di collagene di tipo XI sono state rilevate all'interno delle fibrille di collagene di tipo II mediante immunoelettromicroscopia. Probabilmente organizzano le molecole di collagene di tipo II, controllando la crescita laterale delle fibrille e determinando il diametro della fibrilla di collagene eterotipica. Inoltre, il collagene di tipo XI è coinvolto nella formazione di legami crociati, ma anche nella cartilagine matura, i legami crociati rimangono sotto forma di chetoammine bivalenti immature.

Piccole quantità di collagene di tipo VI, un altro membro delle molecole a breve elica di classe III, si trovano nella cartilagine articolare. Il collagene di tipo VI forma diverse microfibrille ed è probabilmente concentrato nella matrice capsulare del condrone.

I proteoglicani sono proteine a cui almeno una catena di glicosamminoglicano è legata covalentemente. Sono tra le macromolecole biologiche più complesse. Sono più abbondanti nella matrice extracellulare (ECM) della cartilagine. "Intrecciati" in una rete di fibrille di collagene, i proteoglicani idrofili svolgono la loro funzione principale: conferiscono alla cartilagine la capacità di deformarsi reversibilmente. Si presume che i proteoglicani svolgano anche una serie di altre funzioni, la cui essenza non è del tutto chiara.

L'aggrecano è il principale proteoglicano della cartilagine articolare, costituendo circa il 90% della massa totale di proteoglicani nel tessuto. La sua proteina centrale da 230 kD è glicosilata da molteplici catene di glicosamminoglicani legate covalentemente e da oligosaccaridi N-terminali e C-terminali.

Le catene di glicosaminoglicani della cartilagine articolare, che costituiscono circa il 90% della massa totale di macromolecole, sono cheratan solfato (una sequenza del disaccaride solfatato N-acetil glucosamino lattosio con più siti solfatati e altri residui monosaccaridici come l'acido sialico) e condroitin solfato (una sequenza del disaccaride N-acetil galattosamina acido glucuronico con un estere solfato attaccato a ogni quarto o sesto atomo di carbonio della N-acetil galattosamina).

La proteina centrale dell'aggrecano contiene tre domini globulari (G1, G2, G3) e due interglobulari (E1 ed E2). La regione N-terminale contiene i domini G1 e G2 separati dal segmento E1, lungo 21 nm. Il dominio C3, situato nella regione C-terminale, è separato da G2 _da un segmento E2 più lungo (circa 260 nm), che trasporta più di 100 catene di condroitin solfati, circa 15-25 catene di cheratina solfati e oligosaccaridi legati all'ossigeno. Gli oligosaccaridi legati all'ossigeno si trovano principalmente nei domini G1 e C2 e nel segmento E1, nonché in prossimità della _regione G3. I glicosaminoglicani sono raggruppati in due regioni: la più lunga (la cosiddetta regione ricca di condroitin solfato) contiene catene di condroitin solfato e circa il 50% di catene di cheratan solfato. La regione ricca di cheratan solfato si trova sul _segmento E2 vicino al dominio G1 e precede la regione ricca di condroitin solfato. Le molecole di aggrecano contengono anche esteri fosfatici, localizzati principalmente sui residui di xilosio che legano le catene di condroitin solfato alla proteina centrale; si trovano anche sui residui di serina della proteina centrale.

Il segmento C-terminale del _dominio C3 è altamente omologo alla lectina, consentendo alle molecole di proteoglicano di fissarsi nella ECM legandosi a determinate strutture di carboidrati.

Studi recenti hanno identificato un esone che codifica per un sottodominio simile all'EGF all'interno di G3 _. Utilizzando anticorpi policlonali anti-EGF, l'epitopo simile all'EGF è stato localizzato all'interno di un peptide di 68 kD nell'aggrecano della cartilagine articolare umana. Tuttavia, la sua funzione resta da chiarire. Questo sottodominio si trova anche nelle molecole di adesione che controllano la migrazione dei linfociti. Solo circa un terzo delle molecole di aggrecano isolate dalla cartilagine articolare umana matura contiene un _dominio C3 intatto; ciò è probabile perché le molecole di aggrecano possono essere ridotte enzimaticamente in dimensioni nella ECM. Il destino e la funzione dei frammenti scissi sono sconosciuti.

Il principale segmento funzionale della molecola di aggrecano è il _segmento E2 contenente glicosamminoglicani. Questa regione, ricca di cheratansolfati, contiene gli amminoacidi prolina, serina e treonina. La maggior parte dei residui di serina e treonina è O-glicosilata con residui di N-acetilgalattosammina; essi avviano la sintesi di alcuni oligosaccaridi che vengono incorporati nelle catene di cheratansolfato, allungandole. La parte rimanente del _segmento E2 contiene più di 100 sequenze serina-glicina in cui la serina si lega ai residui xilosilici all'inizio delle catene di condroitinsolfato. Tipicamente, sia il condroitin-6-solfato che il condroitin-4-solfato sono presenti simultaneamente all'interno della stessa molecola di proteoglicano, con un rapporto che varia a seconda della localizzazione del tessuto cartilagineo e dell'età della persona.

La struttura delle molecole di aggrecano nella matrice della cartilagine articolare umana subisce una serie di cambiamenti durante la maturazione e l'invecchiamento. I cambiamenti correlati all'invecchiamento includono una diminuzione delle dimensioni idrodinamiche dovuta a una variazione della lunghezza media delle catene di condroitin solfato e un aumento del numero e della lunghezza delle catene di cheratan solfato. Diversi cambiamenti nella molecola di aggrecano sono causati anche dall'azione di enzimi proteolitici (ad esempio, aggrecanasi e stromelesina) sulla proteina centrale. Ciò si traduce in una progressiva diminuzione della lunghezza media della proteina centrale della molecola di aggrecano.

Le molecole di aggrecano vengono sintetizzate dai condrociti e secrete nella matrice extracellulare (ECM), dove formano aggregati stabilizzati da molecole di proteine linker. Questa aggregazione coinvolge interazioni non covalenti e cooperative altamente specifiche tra un filamento di acido glucuronico e quasi 200 molecole di aggrecano e proteine linker. L'acido glucuronico è un glicosaminoglicano lineare extracellulare, non solforato e ad alto peso molecolare, composto da molteplici molecole di N-acetilglucosamina e acido glucuronico legate sequenzialmente. Le anse appaiate del dominio G1 dell'aggrecano interagiscono reversibilmente con cinque disaccaridi di acido ialuronico localizzati in sequenza. La proteina linker, che contiene anse appaiate simili (altamente omologhe), interagisce con il dominio C1 e la molecola di acido ialuronico e stabilizza la struttura dell'aggregato. Il complesso proteina legante il dominio C1, l'acido ialuronico e la proteina legante forma un'interazione altamente stabile che protegge il dominio G1 e la proteina legante dall'azione degli enzimi proteolitici. Sono state identificate due molecole della proteina legante con un peso molecolare di 40-50 kDa; differiscono tra loro per il grado di glicosilazione. Solo una molecola della proteina legante è presente nel sito del legame acido ialuronico-aggrecano. La terza molecola, più piccola, della proteina legante si forma da quelle più grandi mediante scissione proteolitica.

Circa 200 molecole di aggrecano possono legarsi a una molecola di acido ialuronico formando un aggregato lungo 8 μm. Nella matrice associata alle cellule, costituita da compartimenti pericellulari e territoriali, gli aggregati mantengono la loro associazione con le cellule legandosi (tramite un filamento di acido ialuronico) ai recettori CD44-like presenti sulla membrana cellulare.

La formazione di aggregati nella matrice extracellulare (ECM) è un processo complesso. Le molecole di aggrecano neosintetizzate non mostrano immediatamente la capacità di legarsi all'acido ialuronico. Questo potrebbe fungere da meccanismo regolatore che consente alle molecole neosintetizzate di raggiungere la zona interterritoriale della matrice prima di essere immobilizzate in aggregati di grandi dimensioni. Il numero di molecole di aggrecano neosintetizzate e di proteine leganti in grado di formare aggregati interagendo con l'acido ialuronico diminuisce significativamente con l'età. Inoltre, le dimensioni degli aggregati isolati dalla cartilagine articolare umana diminuiscono significativamente con l'età. Ciò è in parte dovuto a una diminuzione della lunghezza media delle molecole di acido ialuronico e delle molecole di aggrecano.

Sono stati identificati due tipi di aggregati nella cartilagine articolare. La dimensione media del primo tipo di aggregati è di 60 S, mentre quella del secondo tipo (i "superaggregati" a precipitazione rapida) è di 120 S. Quest'ultimo si distingue per l'abbondanza di molecole della proteina legante. La presenza di questi superaggregati può svolgere un ruolo importante nella funzionalità del tessuto; durante il ripristino tissutale dopo l'immobilizzazione dell'arto, si riscontrano concentrazioni più elevate negli strati intermedi della cartilagine articolare, mentre in un'articolazione affetta da osteoartrosi, le loro dimensioni si riducono significativamente nelle fasi iniziali della malattia.

Oltre all'aggrecano, la cartilagine articolare contiene diversi proteoglicani più piccoli. Il biglicano e la decorina, molecole che trasportano dermatan solfati, hanno pesi molecolari rispettivamente di circa 100 e 70 kDa; la massa della loro proteina centrale è di circa 30 kDa.

Nella cartilagine articolare umana, la molecola di biglicano contiene due catene di dermatan solfato, mentre la decorina, più comune, ne contiene solo una. Queste molecole costituiscono solo una piccola frazione dei proteoglicani presenti nella cartilagine articolare, sebbene possano essere numerose quanto i proteoglicani aggregati di grandi dimensioni. I piccoli proteoglicani interagiscono con altre macromolecole nella matrice extracellulare (ECM), tra cui fibrille di collagene, fibronectina, fattori di crescita, ecc. La decorina è localizzata principalmente sulla superficie delle fibrille di collagene e inibisce la fibrillogenesi del collagene. La proteina centrale è saldamente trattenuta dal dominio di legame cellulare della fibronectina, impedendo probabilmente a quest'ultima di legarsi ai recettori di superficie cellulare (integrine). Poiché sia la decorina che il biglicano si legano alla fibronectina e inibiscono l'adesione e la migrazione cellulare, nonché la formazione di trombi, sono in grado di inibire i processi di riparazione tissutale.

La fibromodulina della cartilagine articolare è un proteoglicano con un peso molecolare di 50-65 kD associato alle fibrille di collagene. La sua proteina centrale, omologa alle proteine centrali della decorina e del biglicano, contiene un gran numero di residui di solfato di tirosina. Questa forma glicosilata di fibromodulina (precedentemente chiamata proteina della matrice da 59 kD) può partecipare alla regolazione della formazione e del mantenimento della struttura delle fibrille di collagene. La fibromodulina e la decorina si trovano sulla superficie delle fibrille di collagene. Pertanto, come indicato in precedenza, un aumento del diametro delle fibrille dovrebbe essere preceduto dalla rimozione selettiva di questi proteoglicani (così come delle molecole di collagene di tipo IX).

La cartilagine articolare contiene diverse proteine nella matrice extracellulare (ECM) che non sono né proteoglicani né collageni. Queste interagiscono con altre macromolecole per formare una rete che include la maggior parte delle molecole della matrice extracellulare (ECM).

L'ancorina, una proteina da 34 kD, è localizzata sulla superficie dei condrociti e nella membrana cellulare, mediando le interazioni tra la cellula e la matrice. Grazie alla sua elevata affinità per il collagene di tipo II, può agire come meccanorecettore, trasmettendo al condrocita un segnale relativo alla variazione della pressione sulla fibrilla.

La fibronectina è un componente della maggior parte dei tessuti cartilaginei e differisce leggermente dalla fibronectina plasmatica. Si ritiene che la fibronectina promuova l'integrazione della matrice interagendo con le membrane cellulari e altri componenti della matrice, come il collagene di tipo II e la trombospondina. I frammenti di fibronectina hanno un effetto negativo sul metabolismo dei condrociti: inibiscono la sintesi di aggrecani e stimolano i processi catabolici. Alte concentrazioni di frammenti di fibronectina sono state riscontrate nel liquido articolare di pazienti con osteoartrite, quindi potrebbero partecipare alla patogenesi della malattia nelle fasi avanzate. È probabile che frammenti di altre molecole della matrice che si legano ai recettori dei condrociti abbiano effetti simili.

La proteina oligomerica della matrice cartilaginea (OMPC), appartenente alla superfamiglia delle trombospondine, è un pentamero con cinque subunità identiche e un peso molecolare di circa 83 kDa. Si trova in grandi quantità nella cartilagine articolare, soprattutto nello strato di cellule proliferanti nei tessuti in crescita. Pertanto, è possibile che l'OMPC sia coinvolta nella regolazione della crescita cellulare. Si trova in concentrazioni molto più basse nella matrice extracellulare (ECM) della cartilagine articolare matura. Le proteine della matrice includono anche:

• la proteina della matrice basica (36 kDa), che ha un'elevata affinità per i condrociti, può mediare le interazioni cellula-cellula nella ECM, come durante il rimodellamento dei tessuti;
• GP-39 (39 kDa) è espresso nello strato superficiale della cartilagine articolare e nella membrana sinoviale (le sue funzioni sono sconosciute);
• La proteina da 21 kD è sintetizzata dai condrociti ipertrofici, interagisce con il collagene di tipo X e può funzionare nella zona della “linea ondulata”.

Inoltre, è evidente che i condrociti esprimono forme non glicosilate di piccoli proteoglicani non aggregati in determinate fasi dello sviluppo della cartilagine e in condizioni patologiche, ma la loro funzione specifica è attualmente oggetto di studio.

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Proprietà funzionali della cartilagine articolare

Le molecole di aggrecano conferiscono alla cartilagine articolare la capacità di subire deformazioni reversibili. Esse mostrano interazioni specifiche all'interno dello spazio extracellulare e svolgono indubbiamente un ruolo importante nell'organizzazione, nella struttura e nella funzione della matrice extracellulare (ECM). Nel tessuto cartilagineo, le molecole di aggrecano raggiungono una concentrazione di 100 mg/ml. Nella cartilagine, le molecole di aggrecano sono compresse al 20% del volume che occupano in soluzione. Una rete tridimensionale formata da fibrille di collagene conferisce al tessuto la sua forma caratteristica e impedisce l'aumento di volume dei proteoglicani. All'interno della rete di collagene, i proteoglicani immobili hanno una grande carica elettrica negativa (contengono un gran numero di gruppi anionici), che consente loro di interagire con i gruppi cationici mobili del fluido interstiziale. Interagendo con l'acqua, i proteoglicani forniscono la cosiddetta pressione di rigonfiamento, che viene contrastata dalla rete di collagene.

La presenza di acqua nella matrice extracellulare (ECM) è molto importante. L'acqua determina il volume del tessuto; legata ai proteoglicani, fornisce resistenza alla compressione. Inoltre, l'acqua fornisce trasporto di molecole e diffusione nella ECM. L'elevata densità di carica negativa sui proteoglicani di grandi dimensioni fissati nel tessuto crea il cosiddetto "effetto volume escluso". La dimensione dei pori della soluzione intraconcentrata di proteoglicani è così ridotta che la diffusione di grandi proteine globulari nel tessuto è fortemente limitata. La ECM respinge le piccole proteine con carica negativa (ad esempio, gli ioni cloruro) e le proteine di grandi dimensioni (come l'albumina e le immunoglobuline). Le dimensioni delle cellule all'interno della fitta rete di fibrille di collagene e proteoglicani sono paragonabili solo a quelle di alcune molecole inorganiche (ad esempio, sodio e potassio, ma non il calcio).

Nella matrice extracellulare (ECM), una certa quantità di acqua è presente nelle fibrille di collagene. Lo spazio extrafibrillare determina le proprietà fisico-chimiche e biomeccaniche della cartilagine. Il contenuto di acqua nello spazio intrafibrillare dipende dalla concentrazione di proteoglicani nello spazio extrafibrillare e aumenta con la diminuzione della concentrazione di questi ultimi.

La carica negativa fissa sui proteoglicani determina la composizione ionica del mezzo extracellulare, che contiene cationi liberi in alta concentrazione e anioni liberi in bassa concentrazione. All'aumentare della concentrazione delle molecole di aggrecano dalla zona superficiale a quella profonda della cartilagine, l'ambiente ionico del tessuto cambia. La concentrazione di ioni inorganici nella matrice extracellulare (ECM) crea un'elevata pressione osmotica.

Le proprietà materiali della cartilagine dipendono dall'interazione tra fibrille di collagene, proteoglicani e la fase liquida del tessuto. I cambiamenti strutturali e compositivi associati alla discrepanza tra i processi di sintesi e catabolismo, alla degradazione delle macromolecole e ai traumi fisici influenzano significativamente le proprietà materiali della cartilagine e ne modificano la funzione. Poiché la concentrazione, la distribuzione e l'organizzazione macromolecolare di collageni e proteoglicani cambiano a seconda della profondità della zona cartilaginea, le proprietà biomeccaniche di ciascuna zona variano. Ad esempio, la zona superficiale, con la sua elevata concentrazione di collagene, le fibrille tangenziali e la concentrazione relativamente bassa di proteoglicani, presenta le proprietà più pronunciate di resistenza allo stiramento, distribuendo il carico uniformemente su tutta la superficie del tessuto. Nelle zone di transizione e profonde, l'elevata concentrazione di proteoglicani conferisce al tessuto la proprietà di resistere al carico compressivo. A livello della "linea ondulata", le proprietà materiali della cartilagine cambiano bruscamente dalla zona flessibile non calcificata alla cartilagine mineralizzata più rigida. Nella regione della "linea ondulata", la resistenza del tessuto è fornita dalla rete di collagene. Le sezioni cartilaginee sottostanti non sono attraversate da fibrille di collagene; nell'area della giunzione osteocondrale, la resistenza del tessuto è fornita dai particolari contorni del confine tra le zone cartilaginee non calcificate e calcificate, sotto forma di escrescenze irregolari digitiformi, che "chiudono" i due strati e ne impediscono la separazione. La cartilagine calcificata è meno densa dell'osso subcondrale, quindi funge da strato intermedio che attenua il carico compressivo sulla cartilagine e lo trasferisce all'osso subcondrale.

Durante il carico, si verifica una complessa distribuzione di tre forze: estensione, taglio e compressione. La matrice articolare si deforma a causa dell'espulsione di acqua (e dei prodotti del metabolismo cellulare) dalla zona di carico, mentre la concentrazione di ioni nel fluido interstiziale aumenta. Il movimento dell'acqua dipende direttamente dalla durata e dall'intensità del carico applicato ed è ritardato dalla carica negativa dei proteoglicani. Durante la deformazione tissutale, i proteoglicani vengono premuti più strettamente l'uno contro l'altro, aumentando così efficacemente la densità della carica negativa, e le forze intermolecolari che respingono la carica negativa a loro volta aumentano la resistenza del tessuto a ulteriori deformazioni. Infine, la deformazione raggiunge un equilibrio in cui le forze di carico esterne sono bilanciate dalle forze di resistenza interne: pressione di rigonfiamento (interazione dei proteoglicani con gli ioni) e stress meccanico (interazione tra proteoglicani e collageni). Quando il carico viene rimosso, il tessuto cartilagineo riacquista la sua forma originale assorbendo acqua e nutrienti. La forma iniziale (di pre-caricamento) del tessuto viene raggiunta quando la pressione di rigonfiamento dei proteoglicani viene bilanciata dalla resistenza della rete di collagene alla loro diffusione.

Le proprietà biomeccaniche della cartilagine articolare si basano sull'integrità strutturale del tessuto: una composizione di collagene e proteoglicani come fase solida e acqua e ioni disciolti come fase liquida. Senza carico, la pressione idrostatica della cartilagine articolare è di circa 1-2 atm. Questa pressione idrostatica può aumentare in vivo fino a 100-200 atm al millisecondo durante la stazione eretta e fino a 40-50 atm durante la deambulazione. Studi in vitro hanno dimostrato che una pressione idrostatica di 50-150 atm (fisiologica) porta a un moderato aumento dell'anabolismo cartilagineo in un breve periodo di tempo, mentre in 2 ore porta a una perdita di fluido cartilagineo, senza causare altre alterazioni. La questione della rapidità con cui i condrociti rispondono in vivo a questo tipo di carico rimane irrisolta.

La diminuzione indotta dell'idratazione con il conseguente aumento della concentrazione di proteoglicani porta all'attrazione di ioni carichi positivamente come H ⁺ e Na ⁺. Ciò porta a una variazione della composizione ionica complessiva e del pH della matrice extracellulare (ECM) e dei condrociti. L'esercizio fisico prolungato induce una diminuzione del pH e, allo stesso tempo, una diminuzione della sintesi di proteoglicani da parte dei condrociti. È possibile che l'influenza dell'ambiente ionico extracellulare sui processi di sintesi sia anche in parte correlata alla sua influenza sulla composizione dell'ECM. Le molecole di aggrecano di nuova sintesi maturano in forme aggregate più tardi in un ambiente debolmente acido rispetto alle condizioni normali. È probabile che una diminuzione del pH attorno ai condrociti (ad esempio, durante l'esercizio fisico) consenta a un maggior numero di molecole di aggrecano di nuova sintesi di raggiungere la matrice interterritoriale.

Quando il carico viene rimosso, l'acqua ritorna dalla cavità sinoviale, trasportando nutrienti per le cellule. Nella cartilagine colpita da osteoartrite, la concentrazione di proteoglicani si riduce, pertanto, durante il carico, l'acqua si sposta non solo verticalmente nella cavità sinoviale, ma anche in altre direzioni, riducendo così il nutrimento dei condrociti.

L'immobilizzazione o un carico lieve determinano una marcata diminuzione della sintesi cartilaginea e del contenuto di proteoglicani, mentre un carico dinamico aumentato determina un moderato aumento della sintesi e del contenuto di proteoglicani. L'esercizio fisico intenso (20 km/giorno per 15 settimane) nei cani ha indotto cambiamenti nel contenuto di proteoglicani, in particolare una netta diminuzione della loro concentrazione nella zona superficiale. Si è verificato un certo rammollimento reversibile della cartilagine e un rimodellamento dell'osso subcondrale. Tuttavia, un carico statico intenso ha causato danni alla cartilagine e successiva degenerazione. Inoltre, la perdita di aggrecano nella matrice extracellulare (ECM) innesca le alterazioni anomale caratteristiche dell'osteoartrite. La perdita di aggrecano provoca l'attrazione di acqua e il rigonfiamento della piccola quantità di proteoglicano rimanente. Questa dissoluzione dell'aggrecano contribuisce a una diminuzione della densità di carica fissa locale e, in definitiva, porta a una variazione dell'osmolarità.