Остеоартритис: како је организована зглобна хрскавица?

Нормална зглобна хрскавица обавља две главне функције: апсорбује притисак деформацијом током механичког оптерећења и обезбеђује глаткоћу зглобних површина, што омогућава минимизирање трења током покрета зглобова. Ово је обезбеђено јединственом структуром зглобне хрскавице, која се састоји од хондроитина уроњених у екстрацелуларни матрикс (ECM).

Нормална зглобна хрскавица код одраслих може се поделити на неколико слојева или зона: површинску или тангенцијалну зону, прелазну зону, дубоку или радијалну зону и калцификовану зону. Слој између површинске и прелазне зоне, а посебно између прелазне и дубоке зоне, нема јасне границе. Спој између некалцификоване и калцификоване зглобне хрскавице назива се „таласаста граница“ – линија видљива приликом бојења декалцификованог ткива. Калцификована зона хрскавице чини релативно константан удео (6-8%) укупне висине попречног пресека хрскавице. Укупна дебљина зглобне хрскавице, укључујући и зону калцификоване хрскавице, варира у зависности од оптерећења на одређеном подручју зглобне површине и од типа зглоба. Интермитентни хидростатички притисак у субхондралној кости игра важну улогу у одржавању нормалне структуре хрскавице успоравањем осификације.

Хондроцити чине приближно 2-3% укупне масе ткива; у површинској (тангенцијалној) зони налазе се дуж, а у дубокој (радијалној) зони - нормално на површину хрскавице; у прелазној зони, хондроцити формирају групе од 2-4 ћелије расуте по матриксу. У зависности од зоне зглобне хрскавице, густина хондроцита варира - највећа густина ћелија је у површинској зони, најмања - у калцификованој зони. Поред тога, густина расподеле ћелија варира од зглоба до зглоба, обрнуто је пропорционална дебљини хрскавице и оптерећењу које доживљава одговарајуће подручје.

Најповршније лоцирани хондроцити су дискоидни и формирају неколико слојева ћелија у тангенцијалној зони која се налази испод уске траке матрикса; дубље лоциране ћелије ове зоне имају тенденцију да имају неравније контуре. У прелазној зони, хондроцити су сферног облика, понекад се комбинују у мале групе расуте по матриксу. Хондроцити дубоке зоне су претежно елипсоидног облика, груписани у радијално лоциране ланце од 2-6 ћелија. У калцификованој зони, распоређени су још ређе; неки од њих су некротични, иако је већина одржива. Ћелије су окружене некалцификованим матриксом, међућелијски простор је калцификован.

Дакле, људска зглобна хрскавица се састоји од хидрираног ванцефалног матрикса (ECM) и ћелија уроњених у њега, које чине 2-3% укупне запремине ткива. Пошто хрскавично ткиво нема крвне или лимфне судове, интеракција између ћелија, испорука хранљивих материја до њих и уклањање метаболичких производа се врше дифузијом кроз ECM. Упркос чињеници да су хондроцити метаболички веома активни, они се нормално не деле код одраслих. Хондроцити постоје у окружењу без кисеоника, а сматра се да је њихов метаболизам претежно анаеробни.

Сваки хондроцит се сматра посебном метаболичком јединицом хрскавице, изолованом од суседних ћелија, али одговорном за производњу ECM елемената у непосредној близини дониране ћелије и одржавање њеног састава.

ЕЦМ је подељен на три дела, сваки са јединственом морфолошком структуром и специфичним биохемијским саставом. ЕЦМ непосредно уз базалну мембрану хондроцита назива се перицелуларни, или лакунарни, матрикс. Карактерише га висок садржај протеогликанских агрегата повезаних са ћелијом интеракцијом хијалуронске киселине са CD44-сличним рецепторима и релативно одсуство организованих колагенских фибрила. Директно уз перицелуларни матрикс налази се територијални, или капсуларни, матрикс, који се састоји од мреже укрштених фибриларних колагена који обухватају појединачне ћелије или (понекад) групе ћелија, формирајући хондрон, и вероватно пружају специјализовану механичку потпору ћелијама. Контакт хондроцита са капсуларним матриксом постиже се кроз бројне цитоплазматске процесе богате микрофиламентима, као и кроз специфичне молекуле матрикса као што су анкорин и CD44-слични рецептори. Највећи и најудаљенији део ЕЦМ од базалне мембране хондроцита је интертериторијални матрикс, који садржи највећи број колагенских фибрила и протеогликана.

Подела ванћелијског хрскавичног ткива (ECM) на одељке је јасније дефинисана код одрасле зглобне хрскавице него код незреле зглобне хрскавице. Релативна величина сваког одељка варира не само између зглобова, већ чак и унутар исте хрскавице. Сваки хондроцит производи матрицу која га окружује. Према истраживањима, хондроцити зрелог хрскавичног ткива врше активну метаболичку контролу над својим перицелуларним и територијалним матрицама, а мање активну контролу над интертериторијалном матрицом, која може бити метаболички „инертна“.

Као што је раније поменуто, зглобна хрскавица се углавном састоји од екстензивног ванћелијског материјала (ECM) који синтетишу и регулишу хондроцити. Макромолекули ткива и њихове концентрације се мењају током живота у складу са променљивим функционалним потребама. Међутим, остаје нејасно да ли ћелије синтетишу целу матрицу истовремено или у одређеним фазама у складу са физиолошким потребама. Концентрација макромолекула, метаболичка равнотежа између њих, њихови односи и интеракције одређују биохемијска својства и, самим тим, функцију зглобне хрскавице унутар једног зглоба. Главна компонента ECM-а одрасле зглобне хрскавице је вода (65-70% укупне масе), која је чврсто везана унутар ње због посебних физичких својстава макромолекула хрскавичног ткива који су део колагена, протеогликана и неколагенских гликопротеина.

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

Биохемијски састав хрскавице

Колагенска влакна се састоје од молекула фибриларног протеина колагена. Код сисара, колаген чини четвртину свих протеина у телу. Колаген формира фибриларне елементе (колагенске фибриле) који се састоје од структурних подјединица названих тропоколаген. Молекул тропоколагена има три ланца који формирају троструку спиралу. Ова структура молекула тропоколагена, као и структура колагенских влакана, када су ови молекули распоређени паралелно у уздужном правцу са константним померањем од око 1/4 дужине и пружају високу еластичност и чврстоћу ткивима у којима се налазе. Тренутно је познато 10 генетски различитих типова колагена, који се разликују по хемијској структури α-ланаца и/или њиховом скупу у молекулу. Најбоље проучене прве четири врсте колагена способне су да формирају до 10 молекуларних изоформи.

Колагенски фибрили су део екстрацелуларног простора већине везивних ткива, укључујући хрскавицу. Унутар нерастворљиве тродимензионалне мреже пресецајућих колагенских фибрила испреплетене су друге растворљивије компоненте као што су протеогликани, гликопротеини и протеини специфични за ткиво; они су понекад ковалентно повезани са елементима колагена.

Молекули колагена организовани у фибриле чине око 50% органског сувог остатка хрскавице (10-20% нативне хрскавице). У зрелој хрскавици, око 90% колагена су колагени типа II, који се налазе само у неким ткивима (нпр. стакласто тело, ембрионална дорзална врпца). Колаген типа II припада молекулима колагена класе I (они који формирају фибриле). Поред њега, зрела људска зглобна хрскавица садржи и колагене типова IX, XI и малу количину типа VI. Релативна количина колагенских влакана типа IX у колагенским фибрилима смањује се са 15% у феталној хрскавици на око 1% у зрелој говеђој хрскавици.

Молекули колагена типа I састоје се од три идентична полипептидна α, (II)-ланца синтетизована и секретована као прекурсорски проколаген. Када се готови молекули колагена ослободе у екстрацелуларни простор, они формирају фибриле. У зрелој зглобној хрскавици, колаген типа II формира фибриларне аркаде у којима се „дебљи“ молекули налазе у дубоким слојевима ткива, а „тањи“ хоризонтално у површинским слојевима.

Егзон који кодира N-терминални пропептид богат цистеином пронађен је у гену проколагена типа II. Овај егзон се не експресује у зрелој хрскавици, већ у раним фазама развоја (прехондрогенеза). Због присуства овог егзона, молекул проколагена типа II (тип II А) је дужи од колагена типа II. Вероватно, експресија овог типа проколагена инхибира акумулацију елемената у ванцелепном слоју зглобне хрскавице. Може играти одређену улогу у развоју патологије хрскавице (нпр. неадекватан репаративни одговор, формирање остеофита итд.).

Мрежа колагенских фибрила типа II пружа функцију отпора истезању и неопходна је за одржавање волумена и облика ткива. Ова функција је појачана ковалентним и унакрсним везама између молекула колагена. У ванцелуларном матриксу (ECM), ензим лизил оксидаза формира алдехид из хидроксилизина, који се затим претвара у вишевалентну аминокиселину хидроксилизил-пиридинолин, која формира унакрсне везе између ланаца. С једне стране, концентрација ове аминокиселине расте са годинама, али у зрелој хрскавици она остаје практично непромењена. С друге стране, у зглобној хрскавици, са годинама се уочава повећање концентрације унакрсних веза различитих типова формираних без учешћа ензима.

Око 10% укупне количине колагена у хрскавичном ткиву чине такозвани минорни колагени, који у великој мери одређују јединствену функцију овог ткива. Колаген типа IX припада молекулима кратких спирала класе III и јединственој групи FACIT колагена (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-Helices). Састоји се од три генетски различита ланца. Један од њих, ланац _а2, гликозилиран је истовремено са хондроитин сулфатом, што овај молекул чини протеогликаном. И зреле и незреле хидроксипиридинске унакрсне везе налазе се између хеликоидних сегмената колагена типа IX и колагена типа II. Колаген IX такође може функционисати као интермолекуларно-интерфибриларни „конектор“ (или мост) између суседних колагенских фибрила. Молекули колагена IX формирају унакрсне везе једни са другима, што повећава механичку стабилност фибриларне тродимензионалне мреже и штити је од дејства ензима. Такође пружају отпорност на деформацију, ограничавајући бубрење протеогликана који се налазе унутар мреже. Поред анионског CS ланца, молекул колагена IX садржи катјонски домен, који даје велико наелектрисање фибрилу и тенденцију ка интеракцији са другим макромолекулима матрикса.

Колаген тип XI чини само 2-3% укупне масе колагена. Припада колагенима класе I (који формирају фибриле) и састоји се од три различита α-ланца. Заједно са колагенима типова II и IX, колаген тип XI формира хетеротипске фибриле зглобне хрскавице. Молекули колагена типа XI су откривени унутар колагенских фибрила типа II коришћењем имуноелектромикроскопије. Они вероватно организују молекуле колагена типа II, контролишући латерални раст фибрила и одређујући пречник хетеротипског колагенског фибрила. Поред тога, колаген XI је укључен у формирање унакрсних веза, али чак и у зрелој хрскавици, унакрсне везе остају у облику незрелих двовалентних кетоамина.

Мале количине колагена типа VI, још једног члана молекула кратке спирале класе III, налазе се у зглобној хрскавици. Колаген типа VI формира различите микрофибриле и вероватно је концентрисан у капсуларној матрици хондрона.

Протеогликани су протеини за које је ковалентно везан барем један гликозаминогликански ланац. Протеогликани су међу најсложенијим биолошким макромолекулима. Протеогликани су најзаступљенији у ванцелепном слоју хрскавице. „Уплетени“ унутар мреже колагенских фибрила, хидрофилни протеогликани обављају своју главну функцију – дају хрскавици способност реверзибилне деформације. Претпоставља се да протеогликани обављају и низ других функција, чија суштина није потпуно јасна.

Агрекан је главни протеогликан зглобне хрскавице, који чини приближно 90% укупне масе протеогликана у ткиву. Његов основни протеин од 230 kD је гликозилиран вишеструким ковалентно повезаним гликозаминогликанским ланцима и N-терминалним и C-терминалним олигосахаридима.

Гликозаминогликански ланци зглобне хрскавице, који чине око 90% укупне масе макромолекула, су кератан сулфат (секвенца сулфатиране дисахариде N-ацетил глукозамино лактозе са вишеструким сулфатираним местима и другим моносахаридним остацима као што је сијалинска киселина) и хондроитин сулфат (секвенца дисахарида N-ацетил галактозамин глукуронске киселине са сулфатним естром везаним за сваки четврти или шести атом угљеника N-ацетил галактозамина).

Основни протеин агрекана садржи три глобуларна (G1, G2, G3) и два интерглобуларна (E1 и E2) домена. N-терминални регион садржи G1 и G2 домене раздвојене E1 сегментом, који је дугачак 21 nm. C3 домен, који се налази у C-терминалном региону, одвојен је од G2 _дужим (око 260 nm) E2 сегментом, који носи више од 100 ланаца хондроитин сулфата, око 15-25 ланаца кератин сулфата и O-везане олигосахариде. N-везани олигосахариди се налазе углавном унутар G1 и C2 домена и E1 сегмента, као и близу G3 _{региона}. Гликозаминогликани су груписани у два региона: најдужи (тзв. регион богат хондроитин сулфатом) садржи ланце хондроитин сулфата и око 50% ланаца кератан сулфата. Регион богат кератан сулфатом налази се на Е2 _{сегменту} близу Г1 домена и претходи региону богатом хондроитин сулфатом. Молекули агрекана такође садрже фосфатне естре, који се налазе првенствено на остацима ксилозе који везују ланце хондроитин сулфата за основни протеин; они се такође налазе на серинским остацима основног протеина.

C-терминални сегмент C3 _домена је високо хомологан лектину, што омогућава фиксирање молекула протеогликана у ECM везивањем за одређене угљенохидратне структуре.

Недавне студије су идентификовале ексон који кодира поддомен сличан EGF-у унутар G3 _. Коришћењем поликлонских антитела против EGF-а, епитоп сличан EGF-у је локализован унутар пептида од 68 kD у агрекану људске зглобне хрскавице. Међутим, његова функција тек треба да се разјасни. Овај поддомен се такође налази у адхезионим молекулима који контролишу миграцију лимфоцита. Само око трећине молекула агрекана изолованих из зреле људске зглобне хрскавице садржи интактни C3 _домен; то је вероватно зато што се молекули агрекана могу ензимски смањити у ECM-у. Судбина и функција одцепљених фрагмената нису познате.

_{Главни функционални сегмент молекула агрекана је Е2 сегмент} који садржи гликозаминогликан. Регион, богат кератан сулфатима, садржи аминокиселине пролин, серин и треонин. Већина остатака серина и треонина је О-гликозилована са остацима N-ацетилгалактозамина; они покрећу синтезу одређених олигосахарида који су уграђени у ланце кератан сулфата, чиме их продужавају. Остатак Е2 сегмента _садржи више од 100 серин-глицинских секвенци у којима серин обезбеђује везивање за ксилозил остатке на почетку ланаца хондроитин сулфата. Типично, и хондроитин-6-сулфат и хондроитин-4-сулфат постоје истовремено унутар истог молекула протеогликана, а њихов однос варира у зависности од локализације хрскавичног ткива и старости особе.

Структура молекула агрекана у матриксу људске зглобне хрскавице пролази кроз бројне промене током сазревања и старења. Промене повезане са старењем укључују смањење хидродинамичке величине због промене просечне дужине ланаца хондроитин сулфата и повећање броја и дужине ланаца кератан сулфата. Низ промена у молекулу агрекана је такође узрокован деловањем протеолитичких ензима (нпр. агреканазе и стромелезина) на основни протеин. То резултира прогресивним смањењем просечне дужине основног протеина молекула агрекана.

Молекуле агрекана синтетишу хондроцити и секретују их у ванцелуларни матрикс (ECM), где формирају агрегате стабилизоване молекулима линкер протеина. Ова агрегација укључује високо специфичне нековалентне и кооперативне интеракције између ланца глукуронске киселине и скоро 200 молекула агрекана и линкер протеина. Глукуронска киселина је екстрацелуларни, несулфатирани, линеарни гликозаминогликан високе молекулске тежине састављен од вишеструких секвенцијално повезаних молекула N-ацетилглукозамина и глукуронске киселине. Упарене петље G1 домена агрекана реверзибилно интерагују са пет секвенцијално лоцираних дисахарида хијалуронске киселине. Линкер протеин, који садржи сличне (високо хомологне) упарене петље, интерагује са C1 доменом и молекулом хијалуронске киселине и стабилизује структуру агрегата. Комплекс C1 домен - хијалуронска киселина - везујући протеин формира високо стабилну интеракцију која штити G1 домен и везујући протеин од дејства протеолитичких ензима. Идентификована су два молекула везујућег протеина са молекулском тежином од 40-50 kDa; они се међусобно разликују по степену гликозилације. Само један молекул везујућег протеина присутан је на месту везе хијалуронске киселине и агрекана. Трећи, мањи, молекул везујућег протеина настаје од већих протеолитичким цепањем.

Око 200 молекула агрекана може се везати за један молекул хијалуронске киселине и формирати агрегат дужине 8 μm. У ћелијски повезаном матриксу, који се састоји од перицелуларних и територијалних одељака, агрегати одржавају своју везу са ћелијама везивањем (преко нити хијалуронске киселине) за CD44-сличне рецепторе на ћелијској мембрани.

Формирање агрегата у ванцелуларном матриксу (ECM) је сложен процес. Новосинтетизовани молекули агрекана не показују одмах способност везивања за хијалуронску киселину. Ово може послужити као регулаторни механизам који омогућава новосинтетисаним молекулима да доспеју до интертериторијалне зоне матрикса пре него што се имобилишу у велике агрегате. Број новосинтетисаних молекула агрекана и везујућих протеина способних да формирају агрегате интеракцијом са хијалуронском киселином значајно се смањује са годинама. Поред тога, величина агрегата изолованих из људске зглобне хрскавице значајно се смањује са годинама. То је делимично последица смањења просечне дужине молекула хијалуронске киселине и молекула агрекана.

У зглобној хрскавици утврђене су две врсте агрегата. Просечна величина прве врсте агрегата је 60 S, док је код друге врсте (брзо таложећи „суперагрегати“) 120 S. Потоњи се одликује обиљем молекула везујућег протеина. Присуство ових суперагрегата може играти главну улогу у функционисању ткива; током рестаурације ткива након имобилизације удова, веће концентрације ових суперагрегата се налазе у средњим слојевима зглобне хрскавице, док су у зглобу захваћеном остеоартрозом њихове величине значајно смањене у раним фазама болести.

Поред агрекана, зглобна хрскавица садржи и низ мањих протеогликана. Бигликан и декорин, молекули који носе дерматан сулфате, имају молекулске тежине од око 100 и 70 kDa, респективно; маса њиховог основног протеина је око 30 kDa.

У људској зглобној хрскавици, молекул бигликана садржи два ланца дерматан сулфата, док чешћи декорин садржи само један. Ови молекули чине само мали део протеогликана у зглобној хрскавици, иако могу бити бројни колико и велики агрегирани протеогликани. Мали протеогликани интерагују са другим макромолекулима у ванцелуларном матриксу (ECM), укључујући колагенске фибриле, фибронектин, факторе раста итд. Декорин је првенствено локализован на површини колагенских фибрила и инхибира фибрилогенезу колагена. Основни протеин је чврсто везан за ћелијски везивни домен фибронектина, чиме вероватно спречава везивање овог другог за рецепторе на површини ћелије (интегрине). Пошто се и декорин и бигликан везују за фибронектин и инхибирају адхезију и миграцију ћелија, као и стварање тромба, способни су да инхибирају процесе поправке ткива.

Фибромодулин зглобне хрскавице је протеогликан молекулске тежине од 50-65 kD повезан са колагенским фибрилима. Његов основни протеин, хомологан основним протеинима декорина и бигликана, садржи велики број остатака тирозин сулфата. Овај гликозиловани облик фибромодулина (раније назван матрични протеин од 59 kD) може учествовати у регулацији формирања и одржавања структуре колагенских фибрила. Фибромодулин и декорин се налазе на површини колагенских фибрила. Дакле, као што је раније назначено, повећању пречника фибрила требало би да претходи селективно уклањање ових протеогликана (као и молекула колагена типа IX).

Зглобна хрскавица садржи бројне протеине у ванцелуларном матриксу (ECM) који нису ни протеогликани ни колагени. Они интерагују са другим макромолекулима и формирају мрежу која укључује већину молекула ECM-а.

Анкорин, протеин од 34 kD, локализован је на површини хондроцита и у ћелијској мембрани, посредујући у интеракцијама између ћелије и матрикса. Због свог високог афинитета за колаген типа II, може деловати као механорецептор, преносећи сигнал о промењеном притиску на фибрил до хондроцита.

Фибронектин је компонента већине хрскавичавих ткива и незнатно се разликује од плазма фибронектина. Верује се да фибронектин подстиче интеграцију матрикса интеракцијом са ћелијским мембранама и другим компонентама матрикса, као што су колаген типа II и тромбоспондин. Фрагменти фибронектина имају негативан ефекат на метаболизам хондроцита: инхибирају синтезу агрекана и стимулишу катаболичке процесе. Високе концентрације фрагмената фибронектина пронађене су у зглобној течности пацијената са остеоартритисом, тако да могу учествовати у патогенези болести у каснијим фазама. Фрагменти других молекула матрикса који се везују за рецепторе хондроцита вероватно имају сличне ефекте.

Олигомерни матрични протеин хрскавице (OMPC), члан суперфамилије тромбоспондина, је пентамер са пет идентичних подјединица са молекулском тежином од око 83 kDa. Налазе се у великим количинама у зглобној хрскавици, посебно у слоју пролиферирајућих ћелија у растућем ткиву. Стога је могуће да је OMPC укључен у регулацију раста ћелија. Налазе се у много нижим концентрацијама у ванцефалном слоју зреле зглобне хрскавице. Матрични протеини такође укључују:

• базични матрични протеин (36 kDa), који има висок афинитет за хондроците, може посредовати у ћелијским интеракцијама у ECM-у, као што је током ремоделирања ткива;
• ГП-39 (39 kDa) се експресује у површинском слоју зглобне хрскавице и у синовијалној мембрани (његове функције нису познате);
• Протеин од 21 kD синтетишу хипертрофирани хондроцити, интерагује са колагеном типа X и може функционисати у зони „таласасте линије“.

Поред тога, очигледно је да хондроцити експресују негликозилиране облике малих неагрегираних протеогликана у одређеним фазама развоја хрскавице и под патолошким условима, али њихова специфична функција се тренутно проучава.

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

Функционална својства зглобне хрскавице

Молекули агрекана пружају зглобној хрскавици могућност реверзибилне деформације. Они показују специфичне интеракције унутар екстрацелуларног простора и несумњиво играју важну улогу у организацији, структури и функцији ванћелијског матрикса (ECM). У хрскавичном ткиву, молекули агрекана достижу концентрацију од 100 мг/мл. У хрскавици, молекули агрекана су компресовани на 20% запремине коју заузимају у раствору. Тродимензионална мрежа коју формирају колагенски фибрили даје ткиву карактеристичан облик и спречава повећање запремине протеогликана. Унутар колагенске мреже, непокретни протеогликани носе велико негативно електрично наелектрисање (садрже велики број анјонских група), што им омогућава да интерагују са мобилним катјонским групама интерстицијалне течности. У интеракцији са водом, протеогликани пружају такозвани притисак бубрења, коме се супротставља колагенска мрежа.

Присуство воде у ванцелуларном матриксном матриксу (ECM) је веома важно. Вода одређује запремину ткива; везана за протеогликане, пружа отпорност на компресију. Поред тога, вода обезбеђује транспорт молекула и дифузију у ECM-у. Висока густина негативног наелектрисања на великим протеогликанима фиксираним у ткиву ствара „ефекат искључене запремине“. Величина пора интраконцентрованог раствора протеогликана је толико мала да је дифузија великих глобуларних протеина у ткиво оштро ограничена. ECM одбија мале негативно наелектрисане протеине (нпр. хлоридне јоне) и велике протеине (као што су албумин и имуноглобулини). Величина ћелија унутар густе мреже колагенских фибрила и протеогликана је упоредива само са величином неких неорганских молекула (нпр. натријума и калијума, али не и калцијума).

У ванцелуларном матриксу (ECM), извесна количина воде је присутна у колагенским фибрилима. Екстрафибриларни простор одређује физичко-хемијска и биомеханичка својства хрскавице. Садржај воде у интрафибриларном простору зависи од концентрације протеогликана у екстрафибриларном простору и повећава се са смањењем концентрације потоњег.

Фиксно негативно наелектрисање на протеогликанима одређује јонски састав екстрацелуларне средине, која садржи слободне катјоне у високој концентрацији и слободне ањоне у ниској концентрацији. Како се концентрација молекула агрекана повећава од површинске ка дубокој зони хрскавице, јонско окружење ткива се мења. Концентрација неорганских јона у ванцелуларном матриксу ствара висок осмотски притисак.

Материјална својства хрскавице зависе од интеракције колагенских фибрила, протеогликана и течне фазе ткива. Структурне и композиционе промене повезане са нескладом између процеса синтезе и катаболизма, разградње макромолекула и физичке трауме значајно утичу на материјална својства хрскавице и мењају њену функцију. Пошто се концентрација, дистрибуција и макромолекуларна организација колагена и протеогликана мењају у зависности од дубине хрскавичне зоне, биомеханичка својства сваке зоне варирају. На пример, површинска зона са високом концентрацијом колагена, тангенцијално лоцираним фибрилима и релативно ниском концентрацијом протеогликана има најизраженија својства да се одупре истезању, равномерно распоређујући оптерећење по целој површини ткива. У прелазним и дубоким зонама, висока концентрација протеогликана даје ткиву својство да издржи компресивно оптерећење. На нивоу „таласасте линије“ материјална својства хрскавице се нагло мењају од савитљиве некалцификоване зоне до круће минерализоване хрскавице. У региону „таласасте линије“ чврстоћу ткива обезбеђује колагенска мрежа. Доњи делови хрскавице нису укрштени колагенским фибрилима; у подручју остеохондралне спојнице чврстоћу ткива обезбеђују посебне контуре границе између некалцификованих и калцификованих зона хрскавице у облику неправилних прстоликих израслина, што „затвара“ два слоја и спречава њихово раздвајање. Калцификована хрскавица је мање густа од субхондралне кости, па стога функционише као међуслој који омекшава компресивно оптерећење на хрскавици и преноси га на субхондралну кост.

Током оптерећења долази до сложене расподеле три силе - екстензије, смицања и компресије. Зглобна матрица се деформише због избацивања воде (као и производа ћелијског метаболизма) из зоне оптерећења, концентрација јона у међупросторној течности се повећава. Кретање воде директно зависи од трајања и силе примењеног оптерећења и одлаже се негативним наелектрисањем протеогликана. Током деформације ткива, протеогликани се чвршће притискају једни уз друге, чиме се ефикасно повећава густина негативног наелектрисања, а интермолекуларне силе које одбијају негативно наелектрисање заузврат повећавају отпор ткива на даљу деформацију. На крају, деформација достиже равнотежу у којој су спољашње силе оптерећења уравнотежене унутрашњим силама отпора - притиском бубрења (интеракција протеогликана са јонима) и механичким напрезањем (интеракција протеогликана и колагена). Када се оптерећење уклони, хрскавично ткиво добија свој првобитни облик апсорбујући воду заједно са хранљивим материјама. Почетни (пре оптерећења) облик ткива се постиже када је притисак бубрења протеогликана уравнотежен отпором колагенске мреже на њихово ширење.

Биомеханичка својства зглобне хрскавице заснивају се на структурном интегритету ткива - колаген-протеогликанском саставу као чврстој фази и води и раствореним јонима као течној фази. Без оптерећења, хидростатички притисак зглобне хрскавице је око 1-2 атм. Овај хидростатички притисак може се повећати in vivo на 100-200 атм по милисекунди током стајања и на 40-50 атм током ходања. Студије in vitro су показале да хидростатички притисак од 50-150 атм (физиолошки) доводи до умереног повећања анаболизма хрскавице у кратком временском периоду, а током 2 сата доводи до губитка течности у хрскавици, али не изазива никакве друге промене. Питање колико брзо хондроцити реагују in vivo на ову врсту оптерећења остаје нерешено.

Индуковано смањење хидратације са накнадним повећањем концентрације протеогликана доводи до привлачења позитивно наелектрисаних јона као што су H ⁺ и Na ⁺. Ово доводи до промене у укупном јонском саставу и pH вредности ECM-а и хондроцита. Дуготрајно вежбање изазива смањење pH вредности и, истовремено, смањење синтезе протеогликана од стране хондроцита. Могуће је да је утицај екстрацелуларне јонске средине на синтетичке процесе такође делимично повезан са њеним утицајем на састав ECM-а. Новосинтетизовани молекули агрекана сазревају у агрегиране облике касније у слабо киселој средини него под нормалним условима. Вероватно је да смањење pH вредности око хондроцита (нпр. током вежбања) омогућава да више новосинтетисаних молекула агрекана стигне до интертериторијалне матрице.

Када се оптерећење уклони, вода се враћа из синовијалне шупљине, носећи хранљиве материје за ћелије. У хрскавици погођеној остеоартритисом, концентрација протеогликана је смањена, стога се током оптерећења вода креће не само вертикално у синовијалну шупљину, већ и у другим правцима, чиме се смањује исхрана хондроцита.

Имобилизација или благо оптерећење доводи до значајног смањења синтезе хрскавице и садржаја протеогликана, док повећано динамичко оптерећење доводи до умереног повећања синтезе и садржаја протеогликана. Напорне вежбе (20 км/дан током 15 недеља) код паса изазвале су промене у садржају протеогликана, посебно нагло смањење њихове концентрације у површинској зони. Дошло је до извесног реверзибилног омекшавања хрскавице и субхондралног ремоделирања костију. Међутим, јако статичко оптерећење изазвало је оштећење хрскавице и накнадну дегенерацију. Поред тога, губитак агрекана из екстрацелуларног матрикса (ECM) покреће абнормалне промене карактеристичне за остеоартритис. Губитак агрекана доводи до привлачења воде и отицања мале количине преосталог протеогликана. Ово растварање агрекана доприноси смањењу локалне густине фиксног наелектрисања и на крају доводи до промене осмоларности.