Artros: hur är ledbrosket organiserat?

Normalt ledbrosk utför två huvudfunktioner: att absorbera tryck genom deformation under mekanisk belastning och att ge jämnhet åt ledytorna, vilket minimerar friktion under ledrörelser. Detta säkerställs av ledbroskets unika struktur, som består av kondroitiner nedsänkta i den extracellulära matrisen (ECM).

Normalt ledbrosk hos vuxna kan delas in i flera lager eller zoner: den ytliga eller tangentiella zonen, övergångszonen, den djupa eller radiella zonen och den förkalkade zonen. Skiktet mellan de ytliga och övergångszonerna och särskilt mellan övergångs- och djupzonerna har inga tydliga gränser. Övergången mellan det icke-förkalkade och förkalkade ledbrosket kallas "vågig kant" - en linje som är synlig vid färgning av förkalkad vävnad. Den förkalkade zonen i brosket utgör en relativt konstant andel (6-8 %) av broskets totala tvärsnittshöjd. Den totala tjockleken på ledbrosket, inklusive den förkalkade broskzonen, varierar beroende på belastningen på ett visst område av ledytan och på ledtyp. Intermittent hydrostatiskt tryck i det subkondrala benet spelar en viktig roll för att upprätthålla broskets normala struktur genom att bromsa ossifikationen.

Kondrocyter utgör ungefär 2-3% av den totala vävnadsmassan; i den ytliga (tangentiella) zonen är de belägna längs broskytan, och i den djupa (radiella) zonen - vinkelrätt mot broskytan; i övergångszonen bildar kondrocyter grupper om 2-4 celler spridda över hela matrisen. Beroende på ledbroskzonen varierar kondrocyternas densitet - den högsta celltätheten är i den ytliga zonen, den lägsta - i den förkalkade zonen. Dessutom varierar cellfördelningstätheten från led till led, den är omvänt proportionell mot broskets tjocklek och den belastning som motsvarande område upplever.

De ytligast belägna kondrocyterna är skivformade och bildar flera celllager i den tangentiella zonen som är belägen under en smal remsa av matrix; de djupare belägna cellerna i denna zon tenderar att ha mer ojämna konturer. I övergångszonen är kondrocyterna sfäriska, ibland kombineras de i små grupper spridda i matrixen. Kondrocyterna i den djupa zonen är övervägande ellipsoida till formen, grupperade i radiellt belägna kedjor om 2-6 celler. I den förkalkade zonen är de ännu mer gles fördelade; vissa av dem är nekrotiska, även om de flesta är livskraftiga. Cellerna är omgivna av en icke-förkalkad matrix, det intercellulära utrymmet är förkalkat.

Således består mänskligt ledbrosk av hydratiserat ECM och celler nedsänkta i det, vilka utgör 2-3% av den totala vävnadsvolymen. Eftersom broskvävnad inte har blod- eller lymfkärl, sker interaktion mellan celler, tillförsel av näringsämnen till dem och bortförande av metaboliska produkter genom diffusion genom ECM. Trots att kondrocyter är mycket aktiva metaboliskt delar de sig normalt inte hos vuxna. Kondrocyter existerar i en syrefri miljö, och deras metabolism tros vara övervägande anaerob.

Varje kondrocyt betraktas som en separat metabolisk enhet i brosket, isolerad från angränsande celler, men ansvarig för produktionen av ECM-element i omedelbar närhet av den donerade cellen och bibehållandet av dess sammansättning.

ECM är uppdelat i tre sektioner, var och en med en unik morfologisk struktur och en specifik biokemisk sammansättning. ECM i omedelbar anslutning till kondrocyternas basalmembran kallas den pericellulära, eller lakunära, matrisen. Den kännetecknas av ett högt innehåll av proteoglykanaggregat associerade med cellen genom interaktionen mellan hyaluronsyra och CD44-liknande receptorer, och en relativ frånvaro av organiserade kollagenfibriller. Direkt intill den pericellulära matrisen finns den territoriella, eller kapsulära, matrisen, som består av ett nätverk av korsande fibrillära kollagener som inkapslar enskilda celler eller (ibland) grupper av celler, bildar en kondron, och förmodligen ger specialiserat mekaniskt stöd för cellerna. Kontakt mellan kondrocyter och kapselmatrisen uppnås genom ett flertal cytoplasmatiska processer rika på mikrofilament, såväl som genom specifika matrismolekyler såsom ankorin och CD44-liknande receptorer. Den största och mest avlägsna delen av ECM från kondrocyternas basalmembran är den interterritoriella matrisen, som innehåller det största antalet kollagenfibriller och proteoglykaner.

Indelningen av ECM i kompartment är tydligare definierad i vuxen ledbrosk än i omoget ledbrosk. Den relativa storleken på varje kompartment varierar inte bara mellan leder utan även inom samma brosk. Varje kondrocyt producerar en matris som omger den. Enligt forskning utövar kondrocyter i mogen broskvävnad aktiv metabolisk kontroll över sina pericellulära och territoriella matriser, och de utövar mindre aktiv kontroll över den interterritoriella matrisen, som kan vara metaboliskt "inert".

Som tidigare nämnts består ledbrosk huvudsakligen av omfattande ECM som syntetiseras och regleras av kondrocyter. Vävnadsmakromolekyler och deras koncentrationer förändras under hela livet i enlighet med förändrade funktionella behov. Det är dock fortfarande oklart om celler syntetiserar hela matrisen samtidigt eller i vissa faser i enlighet med fysiologiska behov. Koncentrationen av makromolekyler, den metaboliska balansen mellan dem, deras relationer och interaktioner bestämmer de biokemiska egenskaperna och därmed funktionen hos ledbrosk i en enda led. Huvudkomponenten i ECM i vuxen ledbrosk är vatten (65-70 % av den totala massan), vilket är fast bundet i det på grund av de speciella fysikaliska egenskaperna hos broskvävnadsmakromolekyler som ingår i kollagener, proteoglykaner och icke-kollagena glykoproteiner.

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

Biokemisk sammansättning av brosk

Kollagenfibrer består av molekyler av det fibrillära proteinet kollagen. Hos däggdjur står kollagen för en fjärdedel av alla proteiner i kroppen. Kollagen bildar fibrillära element (kollagenfibriller) som består av strukturella subenheter som kallas tropokollagen. Tropokollagenmolekylen har tre kedjor som bildar en trippelhelix. Denna struktur hos tropokollagenmolekylen, liksom strukturen hos kollagenfibern, är när dessa molekyler är placerade parallellt i längdriktningen med en konstant förskjutning på cirka 1/4 av längden och ger hög elasticitet och styrka till de vävnader där de är belägna. För närvarande är 10 genetiskt olika typer av kollagen kända, som skiljer sig åt i den kemiska strukturen hos α-kedjorna och/eller deras uppsättning i molekylen. De bäst studerade första fyra typerna av kollagen kan bilda upp till 10 molekylära isoformer.

Kollagenfibriller är en del av det extracellulära utrymmet i de flesta bindväv, inklusive brosk. Intrasslade i det olösliga tredimensionella nätverket av korsande kollagenfibriller finns andra mer lösliga komponenter såsom proteoglykaner, glykoproteiner och vävnadsspecifika proteiner; dessa är ibland kovalent bundna till kollagenelementen.

Kollagenmolekyler organiserade i fibriller utgör cirka 50 % av den organiska torra återstoden i brosk (10–20 % av nativt brosk). I moget brosk är cirka 90 % av kollagenerna typ II-kollagener, vilka endast finns i vissa vävnader (t.ex. glaskroppen, embryonal ryggmärg). Typ II-kollagen tillhör klass I (fibrillbildande) kollagenmolekyler. Utöver det innehåller moget mänskligt ledbrosk även kollagener av typerna IX, XI och en liten mängd av typ VI. Den relativa mängden typ IX-kollagenfibrer i kollagenfibriller minskar från 15 % i fosterbrosk till cirka 1 % i moget bovint brosk.

Typ I-kollagenmolekyler består av tre identiska polypeptid-a,(II)-kedjor som syntetiseras och utsöndras som prekursorprokollagen. När de färdiga kollagenmolekylerna frigörs i det extracellulära utrymmet bildar de fibriller. I moget ledbrosk bildar typ II-kollagen fibrillära arkader där de "tjockare" molekylerna är belägna i vävnadens djupa lager och de "tunnare" är horisontellt belägna i de ytliga lagren.

Ett exon som kodar för en cysteinrik N-terminal propeptid har hittats i prokollagen typ II-genen. Detta exon uttrycks inte i moget brosk, utan i de tidiga utvecklingsstadierna (prekondrogenes). På grund av närvaron av detta exon är prokollagen typ II-molekylen (typ II A) längre än kollagen typ II. Sannolikt hämmar uttrycket av denna typ av prokollagen ackumuleringen av element i ledbroskets ECM. Det kan spela en viss roll i utvecklingen av broskpatologi (t.ex. otillräckligt reparativt svar, osteofytbildning, etc.).

Nätverket av kollagenfibriller av typ II tillhandahåller funktionen att motstå sträckning och är nödvändigt för att bibehålla vävnadens volym och form. Denna funktion förstärks av kovalenta bindningar och tvärbindningar mellan kollagenmolekyler. I ECM bildar enzymet lysyloxidas en aldehyd från hydroxilysin, som sedan omvandlas till den multivalenta aminosyran hydroxilysylpyridinolin, som bildar tvärbindningar mellan kedjorna. Å ena sidan ökar koncentrationen av denna aminosyra med åldern, men i moget brosk förblir den praktiskt taget oförändrad. Å andra sidan, i ledbrosk, ses en ökning av koncentrationen av tvärbindningar av olika typer som bildats utan enzymers medverkan med åldern.

Cirka 10 % av den totala mängden kollagener i broskvävnad är de så kallade minorkollagenerna, vilka till stor del avgör denna vävnads unika funktion. Kollagen typ IX tillhör klass III korthelixmolekyler och en unik grupp av FACIT-kollagener (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices). Det består av tre genetiskt olika kedjor. En av dem, _a2- kedjan, glykosyleras samtidigt med kondroitinsulfat, vilket gör denna molekyl till en proteoglykan. Både mogna och omogna hydroxipyridin-tvärbindningar finns mellan de spiralformade segmenten av kollagen typ IX och kollagen typ II. Kollagen IX kan också fungera som en intermolekylär-interfibrillär "koppling" (eller brygga) mellan intilliggande kollagenfibriller. Kollagen IX-molekyler bildar tvärbindningar med varandra, vilket ökar den mekaniska stabiliteten hos det fibrillära tredimensionella nätverket och skyddar det från enzymernas effekter. De ger också motstånd mot deformation, vilket begränsar svullnaden av proteoglykaner som finns inuti nätverket. Förutom den anjoniska CS-kedjan innehåller kollagen IX-molekylen en katjonisk domän, vilket ger fibrillen en hög laddning och en tendens att interagera med andra matrixmakromolekyler.

Kollagen typ XI står endast för 2–3 % av den totala kollagenmassan. Det tillhör klass I (fibrillbildande) kollagener och består av tre olika α-kedjor. Tillsammans med kollagen typ II och IX bildar kollagen typ XI heterotypiska fibriller i ledbrosk. Molekyler av kollagen typ XI har detekterats i kollagenfibriller av typ II med hjälp av immunoelektromikroskopi. De organiserar förmodligen kollagen typ II-molekyler, kontrollerar fibrillernas laterala tillväxt och bestämmer diametern på den heterotypiska kollagenfibrillen. Dessutom är kollagen XI involverat i bildandet av tvärbindningar, men även i moget brosk finns tvärbindningarna kvar i form av omogna divalenta ketoaminer.

Små mängder kollagen typ VI, en annan medlem av klass III kortspiralmolekyler, finns i ledbrosk. Kollagen typ VI bildar olika mikrofibriller och är troligen koncentrerat i kondronens kapselmatrix.

Proteoglykaner är proteiner till vilka minst en glykosaminoglykankedja är kovalent bunden. Proteoglykaner är bland de mest komplexa biologiska makromolekylerna. Proteoglykaner är vanligast förekommande i broskets ECM. "Intrasslade" i ett nätverk av kollagenfibriller utför hydrofila proteoglykaner sin huvudsakliga funktion - de ger brosket förmågan att deformeras reversibelt. Det antas att proteoglykaner också utför ett antal andra funktioner, vars kärna inte är helt klarlagd.

Aggrekan är den huvudsakliga proteoglykanen i ledbrosk och utgör cirka 90 % av den totala proteoglykanmassan i vävnaden. Dess 230 kD kärnprotein glykosyleras av flera kovalent länkade glykosaminoglykankedjor och N-terminala och C-terminala oligosackarider.

Glykosaminoglykankedjorna i ledbrosk, som utgör cirka 90 % av den totala massan av makromolekyler, är keratansulfat (en sekvens av den sulfaterade disackariden N-acetylglukosaminolaktos med flera sulfaterade ställen och andra monosackaridrester såsom sialinsyra) och kondroitinsulfat (en sekvens av disackariden N-acetylgalaktosaminglukuronsyra med en sulfatester bunden till var fjärde eller sjätte kolatom i N-acetylgalaktosamin).

Kärnproteinet i aggrecan innehåller tre globulära (G1, G2, G3) och två interglobulära (E1 och E2) domäner. Den N-terminala regionen innehåller G1- och G2-domänerna separerade av E1-segmentet, som är 21 nm långt. C3-domänen, belägen vid den C-terminala regionen, är separerad från G2 _av ett längre (cirka 260 nm) E2-segment, som bär mer än 100 kedjor av kondroitinsulfater, cirka 15-25 kedjor av keratinsulfater och O-länkade oligosackarider. N-länkade oligosackarider finns huvudsakligen inom G1- och C2-domänerna och E1-segmentet, samt nära G3- _regionen. Glykosaminoglykaner är grupperade i två regioner: den längsta (den så kallade kondroitinsulfatrika regionen) innehåller kondroitinsulfatkedjor och cirka 50 % keratansulfatkedjor. Den keratansulfatrika regionen är belägen på E2- _segmentet nära G1-domänen och föregår den kondroitinsulfatrika regionen. Aggrekanmolekyler innehåller också fosfatestrar, främst belägna på xylosresterna som fäster kondroitinsulfatkedjorna till kärnproteinet; de finns också på serinrester i kärnproteinet.

Det C-terminala segmentet av C3- _domänen är mycket homologt med lektin, vilket gör att proteoglykanmolekyler kan fixeras i ECM genom att binda till vissa kolhydratstrukturer.

Nyligen genomförda studier har identifierat ett exon som kodar för en EGF-liknande subdomän inom G3 _. Med hjälp av polyklonala anti-EGF-antikroppar lokaliserades den EGF-liknande epitopen i en 68 kD peptid i aggrekan från mänskligt ledbrosk. Dess funktion återstår dock att klargöra. Denna subdomän finns också i adhesionsmolekyler som kontrollerar lymfocytmigration. Endast ungefär en tredjedel av aggrekanmolekylerna som isolerats från moget mänskligt ledbrosk innehåller en intakt C3- _domän; detta beror troligen på att aggrekanmolekyler kan reduceras enzymatiskt i storlek i ECM. De klyvda fragmentens öde och funktion är okända.

Det huvudsakliga funktionella segmentet av aggrekanmolekylen är det glykosaminoglykanbärande E2- _segmentet. Regionen, rik på keratansulfater, innehåller aminosyrorna prolin, serin och treonin. De flesta serin- och treoninresterna är O-glykosylerade med N-acetylgalaktosaminrester; de initierar syntesen av vissa oligosackarider som införlivas i keratansulfatkedjorna, vilket förlänger dem. Resten av E2- _segmentet innehåller mer än 100 serin-glycinsekvenser där serin binder till xylosylrester i början av kondroitinsulfatkedjorna. Vanligtvis existerar både kondroitin-6-sulfat och kondroitin-4-sulfat samtidigt inom samma proteoglykanmolekyl, och deras förhållande varierar beroende på broskvävnadens lokalisering och personens ålder.

Strukturen hos aggrekanmolekyler i den mänskliga ledbroskmatrisen genomgår ett antal förändringar under mognad och åldrande. Åldringsrelaterade förändringar inkluderar en minskning av hydrodynamisk storlek på grund av en förändring i den genomsnittliga längden av kondroitinsulfatkedjor, och en ökning av antalet och längden av keratansulfatkedjor. Ett antal förändringar i aggrekanmolekylen orsakas också av proteolytiska enzymers (t.ex. aggrekanas och stromelesin) inverkan på kärnproteinet. Detta resulterar i en progressiv minskning av den genomsnittliga längden av kärnproteinet i aggrekanmolekylen.

Aggrekanmolekyler syntetiseras av kondrocyter och utsöndras i ECM, där de bildar aggregat stabiliserade av länkproteinmolekyler. Denna aggregering involverar mycket specifika icke-kovalenta och kooperativa interaktioner mellan en glukuronsyrasträng och nästan 200 aggrekan- och länkproteinmolekyler. Glukuronsyra är en extracellulär, icke-sulfaterad, högmolekylär linjär glykosaminoglykan som består av flera sekventiellt länkade N-acetylglukosamin- och glukuronsyramolekyler. De parade öglorna i G1-domänen hos aggrekan interagerar reversibelt med fem sekventiellt placerade hyaluronsyradisackarider. Länkproteinet, som innehåller liknande (mycket homologa) parade öglor, interagerar med C1-domänen och hyaluronsyramolekylen och stabiliserar aggregatstrukturen. C1-domän-hyaluronsyra-bindande proteinkomplexet bildar en mycket stabil interaktion som skyddar G1-domänen och bindningsproteinet från proteolytiska enzymers verkan. Två molekyler av bindningsproteinet med en molekylvikt på 40-50 kDa har identifierats; De skiljer sig från varandra i graden av glykosylering. Endast en molekyl av bindningsproteinet finns på platsen för bindningen mellan hyaluronsyra och aggrekan. Den tredje, mindre, molekylen av bindningsproteinet bildas från större molekyler genom proteolytisk klyvning.

Omkring 200 aggrekanmolekyler kan binda till en molekyl hyaluronsyra och bilda ett 8 μm långt aggregat. I den cellassocierade matrisen, som består av pericellulära och territoriella fack, bibehåller aggregaten sin association med cellerna genom att binda (via en hyaluronsyratråd) till CD44-liknande receptorer på cellmembranet.

Bildningen av aggregat i ECM är en komplex process. Nysyntetiserade aggrekanmolekyler uppvisar inte omedelbart förmågan att binda till hyaluronsyra. Detta kan fungera som en regleringsmekanism som gör det möjligt för nysyntetiserade molekyler att nå matrisens interterritoriella zon innan de immobiliseras till stora aggregat. Antalet nysyntetiserade aggrekanmolekyler och bindningsproteiner som kan bilda aggregat genom att interagera med hyaluronsyra minskar avsevärt med åldern. Dessutom minskar storleken på aggregat som isolerats från mänskligt ledbrosk avsevärt med åldern. Detta beror delvis på en minskning av den genomsnittliga längden på hyaluronsyramolekyler och aggrekanmolekyler.

Två typer av aggregat har etablerats i ledbrosk. Den genomsnittliga storleken för den första typen av aggregat är 60 S, medan den för den andra typen (snabbt utfällda "superaggregat") är 120 S. Den senare kännetecknas av ett överflöd av molekyler av det bindande proteinet. Närvaron av dessa superaggregat kan spela en viktig roll i vävnadens funktion; under vävnadsåterställning efter immobilisering av extremiteter finns högre koncentrationer av dem i de mellersta lagren av ledbrosk, medan i en led som drabbats av artros minskar deras storlek avsevärt i sjukdomens tidiga stadier.

Förutom aggrekan innehåller ledbrosk ett antal mindre proteoglykaner. Biglykan och dekorin, molekyler som bär dermatansulfater, har molekylvikter på cirka 100 respektive 70 kDa; massan av deras kärnprotein är cirka 30 kDa.

I mänskligt ledbrosk innehåller biglykanmolekylen två kedjor av dermatansulfat, medan det vanligare decorinet bara innehåller en. Dessa molekyler utgör endast en liten del av proteoglykanerna i ledbrosk, även om de kan vara lika många som stora aggregerade proteoglykaner. Små proteoglykaner interagerar med andra makromolekyler i ECM, inklusive kollagenfibriller, fibronektin, tillväxtfaktorer etc. Decorin är primärt lokaliserat på ytan av kollagenfibriller och hämmar kollagenfibrillogenes. Kärnproteinet är tätt sammanhållet med fibronektins cellbindande domän, vilket sannolikt förhindrar att det senare binder till cellytereceptorer (integriner). Eftersom både decorin och biglykan binder till fibronektin och hämmar celladhesion och migration, såväl som trombbildning, kan de hämma vävnadsreparationsprocesser.

Fibromodulin i ledbrosk är en proteoglykan med en molekylvikt på 50–65 kD associerad med kollagenfibriller. Dess kärnprotein, homologt med kärnproteinerna dekorin och biglykan, innehåller ett stort antal tyrosinsulfatrester. Denna glykosylerade form av fibromodulin (tidigare kallat 59 kD-matrixproteinet) kan delta i regleringen av bildandet och upprätthållandet av kollagenfibrillernas struktur. Fibromodulin och dekorin finns på ytan av kollagenfibriller. Således, som tidigare antytts, bör en ökning av fibrildiametern föregås av selektivt avlägsnande av dessa proteoglykaner (liksom typ IX-kollagenmolekyler).

Ledbrosk innehåller ett antal proteiner i ECM som varken är proteoglykaner eller kollagener. De interagerar med andra makromolekyler för att bilda ett nätverk som inkluderar de flesta ECM-molekylerna.

Ancorin, ett 34 kD-protein, är lokaliserat på ytan av kondrocyter och i cellmembranet och medierar interaktioner mellan cellen och matrisen. På grund av sin höga affinitet för typ II-kollagen kan det fungera som en mekanoreceptor och överföra en signal om förändrat tryck på fibrillen till kondrocyten.

Fibronektin är en komponent i de flesta broskvävnader och skiljer sig något från plasmafibronektin. Fibronektin tros främja matrixintegration genom att interagera med cellmembran och andra matrixkomponenter, såsom typ II-kollagen och trombospondin. Fibronektinfragment har en negativ effekt på kondrocytmetabolismen: de hämmar aggrekansyntes och stimulerar kataboliska processer. Höga koncentrationer av fibronektinfragment har hittats i ledvätskan hos patienter med artros, så de kan delta i sjukdomens patogenes i sena stadier. Fragment av andra matrixmolekyler som binder till kondrocytreceptorer har sannolikt liknande effekter.

Oligomeriskt matrixprotein i brosk (OMPC), en medlem av trombospondin-superfamiljen, är en pentamer med fem identiska subenheter med en molekylvikt på cirka 83 kDa. De finns i stora mängder i ledbrosk, särskilt i lagret av prolifererande celler i växande vävnad. Därför är det möjligt att OMPC är involverat i regleringen av celltillväxt. De finns i mycket lägre koncentrationer i ECM i moget ledbrosk. Matrixproteiner inkluderar också:

• basiskt matrixprotein (36 kDa), som har hög affinitet för kondrocyter, kan mediera cell-cell-interaktioner i ECM, såsom under vävnadsombyggnad;
• GP-39 (39 kDa) uttrycks i det ytliga lagret av ledbrosk och i synovialmembranet (dess funktioner är okända);
• 21 kD-protein syntetiseras av hypertrofierade kondrocyter, interagerar med typ X-kollagen och kan fungera i den "vågiga linjen"-zonen.

Dessutom är det uppenbart att kondrocyter uttrycker icke-glykosylerade former av små icke-aggregerade proteoglykaner i vissa stadier av broskutveckling och under patologiska förhållanden, men deras specifika funktion studeras för närvarande.

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

Funktionella egenskaper hos ledbrosk

Aggrekanmolekyler ger ledbrosk förmågan att genomgå reversibel deformation. De uppvisar specifika interaktioner inom det extracellulära utrymmet och spelar utan tvekan en viktig roll i ECM:s organisation, struktur och funktion. I broskvävnad når aggrekanmolekyler en koncentration på 100 mg/ml. I brosk är aggrekanmolekyler komprimerade till 20 % av den volym de upptar i lösning. Ett tredimensionellt nätverk som bildas av kollagenfibriller ger vävnaden dess karakteristiska form och förhindrar en ökning av volymen av proteoglykaner. Inom kollagennätverket bär orörliga proteoglykaner en stor negativ elektrisk laddning (de innehåller ett stort antal anjoniska grupper), vilket gör att de kan interagera med mobila katjoniska grupper i interstitialvätskan. Genom att interagera med vatten ger proteoglykaner det så kallade svälltrycket, vilket motverkas av kollagennätverket.

Närvaron av vatten i ECM är mycket viktig. Vatten bestämmer vävnadens volym; bundet till proteoglykaner ger det motstånd mot kompression. Dessutom tillhandahåller vatten transport av molekyler och diffusion i ECM. Den höga densiteten av negativ laddning på stora proteoglykaner fixerade i vävnaden skapar den "uteslutna volymeffekten". Porstorleken hos den intrakoncentrerade lösningen av proteoglykaner är så liten att diffusionen av stora globulära proteiner in i vävnaden är kraftigt begränsad. ECM stöter bort små negativt laddade proteiner (t.ex. kloridjoner) och stora proteiner (såsom albumin och immunoglobuliner). Cellstorleken inom det täta nätverket av kollagenfibriller och proteoglykaner är endast jämförbar med storleken på vissa oorganiska molekyler (t.ex. natrium och kalium, men inte kalcium).

I ECM finns en del vatten i kollagenfibrillerna. Det extrafibrillära utrymmet bestämmer broskets fysikalisk-kemiska och biomekaniska egenskaper. Vattenhalten i det intrafibrillära utrymmet beror på koncentrationen av proteoglykaner i det extrafibrillära utrymmet och ökar med en minskning av koncentrationen av det senare.

Den fasta negativa laddningen på proteoglykaner bestämmer den joniska sammansättningen av det extracellulära mediet, vilket innehåller fria katjoner i hög koncentration och fria anjoner i låg koncentration. När koncentrationen av aggrekanmolekyler ökar från den ytliga till den djupa zonen av brosk, förändras den joniska miljön i vävnaden. Koncentrationen av oorganiska joner i ECM skapar högt osmotiskt tryck.

Broskets materialegenskaper beror på samspelet mellan kollagenfibriller, proteoglykaner och vävnadens flytande fas. Strukturella och sammansättningsmässiga förändringar i samband med skillnaden mellan syntes- och katabolismprocesser, nedbrytning av makromolekyler och fysiskt trauma påverkar broskets materialegenskaper avsevärt och förändrar dess funktion. Eftersom koncentrationen, distributionen och den makromolekylära organisationen av kollagener och proteoglykaner förändras beroende på broskzonens djup, varierar de biomekaniska egenskaperna hos varje zon. Till exempel har den ytliga zonen med sin höga koncentration av kollagen, tangentiellt belägna fibriller och relativt låga koncentration av proteoglykaner de mest uttalade egenskaperna att motstå sträckning och fördela belastningen jämnt över hela vävnadsytan. I övergångs- och djupzonerna ger den höga koncentrationen av proteoglykaner vävnaden egenskapen att motstå tryckbelastning. Vid nivån av den "vågiga linjen" förändras broskets materialegenskaper kraftigt från den böjliga icke-förkalkade zonen till det mer styva mineraliserade brosket. I den "vågiga linjen"-regionen tillhandahålls vävnadsstyrkan av kollagennätverket. De underliggande brosksektionerna korsas inte av kollagenfibriller; i området kring den osteokondrala övergången tillhandahålls vävnadsstyrkan av de speciella konturerna av gränsen mellan de icke-förkalkade och förkalkade broskzonerna i form av oregelbundna fingerliknande utväxter, vilket "stänger" de två lagren och förhindrar deras separation. Förkalkat brosk är mindre tätt än det subkondrala benet, så det fungerar som ett mellanliggande lager som mjukar upp tryckbelastningen på brosket och överför den till det subkondrala benet.

Under belastning sker en komplex fördelning av tre krafter - töjning, skjuvning och kompression. Ledmatrisen deformeras på grund av att vatten (såväl som cellmetabolismprodukter) stöts ut från belastningszonen, och koncentrationen av joner i interstitialvätskan ökar. Vattnets rörelse beror direkt på den applicerade belastningens varaktighet och kraft och fördröjs av proteoglykanernas negativa laddning. Under vävnadsdeformation pressas proteoglykanerna tätare mot varandra, vilket effektivt ökar den negativa laddningens densitet, och de intermolekylära krafter som stöter bort den negativa laddningen ökar i sin tur vävnadens motstånd mot ytterligare deformation. I slutändan når deformationen en jämvikt där de externa belastningskrafterna balanseras av interna motståndskrafter - svälltryck (interaktion mellan proteoglykaner och joner) och mekanisk stress (interaktion mellan proteoglykaner och kollagener). När belastningen avlägsnas återtar broskvävnaden sin ursprungliga form genom att absorbera vatten tillsammans med näringsämnen. Vävnadens initiala (förbelastnings-) form uppnås när proteoglykanernas svullnadstryck balanseras av kollagennätverkets motstånd mot deras spridning.

De biomekaniska egenskaperna hos ledbrosk baseras på vävnadens strukturella integritet - en kollagen-proteoglykan-komposition i fast fas och vatten och lösta joner i flytande fas. Obelastad är det hydrostatiska trycket i ledbrosk cirka 1-2 atm. Detta hydrostatiska tryck kan öka in vivo till 100-200 atm per millisekund under stående och till 40-50 atm under gång. In vitro-studier har visat att ett hydrostatiskt tryck på 50-150 atm (fysiologiskt) leder till en måttlig ökning av broskanabolism under en kort tidsperiod, och över 2 timmar leder till en förlust av broskvätska, men orsakar inga andra förändringar. Frågan om hur snabbt kondrocyter reagerar in vivo på denna typ av belastning förblir olöst.

Den inducerade minskningen av hydrering med den efterföljande ökningen av proteoglykankoncentrationen leder till attraktion av positivt laddade joner såsom H ⁺ och Na ⁺. Detta leder till en förändring i den totala jonsammansättningen och pH-värdet hos ECM och kondrocyter. Långvarig träning inducerar en minskning av pH och samtidigt en minskning av proteoglykansyntesen av kondrocyter. Det är möjligt att den extracellulära jonmiljöns inverkan på syntetiska processer också delvis är relaterad till dess inverkan på ECM-sammansättningen. Nysyntetiserade aggrekanmolekyler mognar till aggregerade former senare i en svagt sur miljö än under normala förhållanden. Det är troligt att en minskning av pH runt kondrocyter (t.ex. under träning) tillåter fler nysyntetiserade aggrekanmolekyler att nå den interterritoriella matrisen.

När belastningen avlägsnas återvänder vatten från synovialhålan och transporterar näring till cellerna. I brosk som drabbats av artros minskar koncentrationen av proteoglykaner, därför rör sig vatten under belastningen inte bara vertikalt in i synovialhålan, utan även i andra riktningar, vilket minskar kondrocyternas näringstillförsel.

Immobilisering eller mild belastning resulterar i en markant minskning av brosksyntes och proteoglykaninnehåll, medan ökad dynamisk belastning resulterar i en måttlig ökning av proteoglykansyntes och -innehåll. Ansträngande träning (20 km/dag i 15 veckor) hos hundar inducerade förändringar i proteoglykaninnehållet, särskilt en kraftig minskning av deras koncentration i den ytliga zonen. Viss reversibel broskmjukning och subkondral benombyggnad inträffade. Emellertid orsakade allvarlig statisk belastning broskskador och efterföljande degeneration. Dessutom initierar förlust av ECM-aggrekan de onormala förändringar som är karakteristiska för artros. Förlust av aggrekan resulterar i vattenattraktion och svullnad av den lilla mängden proteoglykan som finns kvar. Denna upplösning av aggrekan bidrar till en minskning av den lokala fasta laddningstätheten och leder slutligen till en förändring av osmolariteten.