Artrose: Hvordan er leddbrusken organisert?

Normal leddbrusk utfører to hovedfunksjoner: å absorbere trykk ved deformasjon under mekanisk belastning og å sørge for glatthet i leddflatene, noe som minimerer friksjon under leddbevegelser. Dette sikres av den unike strukturen til leddbrusken, som består av kondroitiner nedsenket i den ekstracellulære matriksen (ECM).

Normal leddbrusk hos voksne kan deles inn i flere lag eller soner: den overfladiske eller tangentielle sonen, overgangssonen, den dype eller radiale sonen og den forkalkede sonen. Laget mellom de overfladiske og overgangssonene, og spesielt mellom overgangs- og dype soner, har ingen klare grenser. Overgangen mellom den ikke-forkalkede og forkalkede leddbrusken kalles den "bølgede grensen" - en linje som er synlig når man farger avkalket vev. Den forkalkede brusksonen utgjør en relativt konstant andel (6–8 %) av bruskens totale tverrsnittshøyde. Den totale tykkelsen på leddbrusken, inkludert den forkalkede brusksonen, varierer avhengig av belastningen på et bestemt område av leddflaten og av leddtypen. Intermitterende hydrostatisk trykk i subkondralen spiller en viktig rolle i å opprettholde bruskens normale struktur ved å bremse ossifikasjonen.

Kondrocytter utgjør omtrent 2–3 % av den totale vevsmassen; i den overfladiske (tangentiale) sonen er de plassert langs, og i den dype (radiale) sonen – vinkelrett på bruskoverflaten; i overgangssonen danner kondrocytter grupper på 2–4 celler spredt over hele matrisen. Avhengig av sonen til leddbrusk varierer tettheten av kondrocytter – den høyeste celletettheten er i den overfladiske sonen, den laveste – i den forkalkede sonen. I tillegg varierer tettheten av cellefordelingen fra ledd til ledd, den er omvendt proporsjonal med tykkelsen på brusken og belastningen som oppleves av det tilsvarende området.

De mest overfladisk plasserte kondrocyttene er skiveformede og danner flere lag med celler i den tangentielle sonen som ligger under en smal stripe av matriks; de dypere plasserte cellene i denne sonen har en tendens til å ha mer ujevne konturer. I overgangssonen er kondrocyttene sfæriske, noen ganger kombineres de i små grupper spredt i matriksen. Kondrocyttene i den dype sonen er overveiende ellipsoide i form, gruppert i radielt plasserte kjeder på 2–6 celler. I den forkalkede sonen er de fordelt enda mer spredt; noen av dem er nekrotiske, selv om de fleste er levedyktige. Cellene er omgitt av ikke-forkalket matriks, det intercellulære rommet er forkalket.

Dermed består menneskelig leddbrusk av hydrert ECM og celler nedsenket i den, som utgjør 2–3 % av det totale vevsvolumet. Siden bruskvev ikke har blod- eller lymfekar, skjer samspillet mellom cellene, tilførsel av næringsstoffer til dem og fjerning av metabolske produkter ved diffusjon gjennom ECM. Til tross for at kondrocytter er svært aktive metabolsk, deler de seg normalt ikke hos voksne. Kondrocytter eksisterer i et oksygenfritt miljø, og metabolismen deres antas å være overveiende anaerob.

Hver kondrocytt regnes som en separat metabolsk enhet i brusk, isolert fra naboceller, men ansvarlig for produksjonen av ECM-elementer i umiddelbar nærhet av den donerte cellen og opprettholdelsen av dens sammensetning.

ECM er delt inn i tre seksjoner, hver med en unik morfologisk struktur og en spesifikk biokjemisk sammensetning. ECM-en som ligger rett ved siden av kondrocyttens basalmembran kalles den pericellulære, eller lakunære, matrisen. Den er karakterisert ved et høyt innhold av proteoglykanaggregater assosiert med cellen gjennom samspillet mellom hyaluronsyre og CD44-lignende reseptorer, og et relativt fravær av organiserte kollagenfibriller. Rett ved siden av den pericellulære matrisen ligger den territoriale, eller kapselformede, matrisen, som består av et nettverk av kryssende fibrillære kollagener som innkapsler individuelle celler eller (noen ganger) grupper av celler, og danner et kondron, og sannsynligvis gir spesialisert mekanisk støtte til cellene. Kontakt mellom kondrocytter og kapselmatrisen oppnås gjennom en rekke cytoplasmatiske prosesser rike på mikrofilamenter, samt gjennom spesifikke matrisemolekyler som ancorin og CD44-lignende reseptorer. Den største og mest fjerntliggende delen av ECM fra kondrocyttens basalmembran er den interterritoriale matrisen, som inneholder det største antallet kollagenfibriller og proteoglykaner.

Inndelingen av ECM i kompartmenter er tydeligere definert i voksen leddbrusk enn i umoden leddbrusk. Den relative størrelsen på hvert kompartment varierer ikke bare mellom ledd, men også innenfor samme brusk. Hver kondrocytt produserer en matrise som omgir den. Ifølge forskning utøver kondrocytter i modent bruskvev aktiv metabolsk kontroll over sine pericellulære og territoriale matriser, og de utøver mindre aktiv kontroll over den interterritoriale matrisen, som kan være metabolsk "inert".

Som nevnt tidligere består leddbrusk hovedsakelig av omfattende ECM syntetisert og regulert av kondrocytter. Vevsmakromolekyler og deres konsentrasjoner endres gjennom livet i samsvar med endrede funksjonelle behov. Det er imidlertid fortsatt uklart om celler syntetiserer hele matrisen samtidig eller i visse faser i samsvar med fysiologiske behov. Konsentrasjonen av makromolekyler, den metabolske balansen mellom dem, deres forhold og interaksjoner bestemmer de biokjemiske egenskapene og dermed funksjonen til leddbrusk i et enkelt ledd. Hovedkomponenten i ECM i voksen leddbrusk er vann (65–70 % av den totale massen), som er fast bundet i den på grunn av de spesielle fysiske egenskapene til bruskvevsmakromolekyler som er en del av kollagener, proteoglykaner og ikke-kollagene glykoproteiner.

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

Biokjemisk sammensetning av brusk

Kollagenfibre består av molekyler av det fibrillære proteinet kollagen. Hos pattedyr utgjør kollagen en fjerdedel av alle proteiner i kroppen. Kollagen danner fibrillære elementer (kollagenfibriller) som består av strukturelle underenheter kalt tropokollagen. Tropokollagenmolekylet har tre kjeder som danner en trippelheliks. Denne strukturen til tropokollagenmolekylet, så vel som strukturen til kollagenfiberen, er når disse molekylene er plassert parallelt i lengderetningen med en konstant forskyvning på omtrent 1/4 av lengden og gir høy elastisitet og styrke til vevet de befinner seg i. For tiden er 10 genetisk forskjellige typer kollagen kjent, som avviker i den kjemiske strukturen til α-kjedene og/eller deres plassering i molekylet. De fire best studerte første typene kollagen er i stand til å danne opptil 10 molekylære isoformer.

Kollagenfibriller er en del av det ekstracellulære rommet i de fleste bindevev, inkludert brusk. Innviklet i det uløselige tredimensjonale nettverket av kryssende kollagenfibriller er andre mer løselige komponenter som proteoglykaner, glykoproteiner og vevsspesifikke proteiner; disse er noen ganger kovalent bundet til kollagenelementene.

Kollagenmolekyler organisert i fibriller utgjør omtrent 50 % av den organiske tørrresten i brusk (10–20 % av naturlig brusk). I moden brusk er omtrent 90 % av kollagenene type II-kollagener, som bare finnes i noen vev (f.eks. glasslegemet, embryonal dorsalmarg). Type II-kollagen tilhører klasse I (fibrildannende) kollagenmolekyler. I tillegg til dette inneholder moden menneskelig leddbrusk også kollagener av typene IX, XI og en liten mengde av type VI. Den relative mengden av type IX-kollagenfibre i kollagenfibriller synker fra 15 % i føtal brusk til omtrent 1 % i moden bovin brusk.

Type I kollagenmolekyler består av tre identiske polypeptid a, (II)-kjeder som syntetiseres og skilles ut som forløperprokollagen. Når de ferdige kollagenmolekylene frigjøres til det ekstracellulære rommet, danner de fibriller. I moden leddbrusk danner type II kollagen fibrillære arkader der de "tykkere" molekylene er plassert i de dype lagene av vevet, og de "tynnere" er plassert horisontalt i de overfladiske lagene.

Et ekson som koder for et cysteinrikt N-terminalt propeptid er funnet i prokollagen type II-genet. Dette eksonet uttrykkes ikke i moden brusk, men i de tidlige utviklingsstadiene (prekondrogenese). På grunn av tilstedeværelsen av dette eksonet er prokollagen type II-molekylet (type II A) lengre enn kollagen type II. Sannsynligvis hemmer uttrykket av denne typen prokollagen akkumuleringen av elementer i ECM i leddbrusk. Det kan spille en viss rolle i utviklingen av bruskpatologi (f.eks. utilstrekkelig reparativ respons, osteofyttdannelse, etc.).

Nettverket av type II kollagenfibriller fungerer som motstandskraft mot tøyning og er nødvendig for å opprettholde vevets volum og form. Denne funksjonen forsterkes av kovalente bindinger og tverrbindinger mellom kollagenmolekyler. I ECM danner enzymet lysyloksidase et aldehyd fra hydroksylysin, som deretter omdannes til den multivalente aminosyren hydroksylysylpyridinolin, som danner tverrbindinger mellom kjedene. På den ene siden øker konsentrasjonen av denne aminosyren med alderen, men i moden brusk forblir den praktisk talt uendret. På den annen side, i leddbrusk, finner man en økning i konsentrasjonen av tverrbindinger av forskjellige typer dannet uten deltakelse av enzymer med alderen.

Omtrent 10 % av den totale mengden kollagener i bruskvev er de såkalte minor-kollagenene, som i stor grad bestemmer den unike funksjonen til dette vevet. Kollagen type IX tilhører klasse III kortheliksmolekyler og en unik gruppe FACIT-kollagener (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices). Det består av tre genetisk forskjellige kjeder. En av dem, _a2- kjeden, er glykosylert samtidig med kondroitinsulfat, noe som gjør dette molekylet til et proteoglykan. Både modne og umodne hydroksypyridin-tverrbindinger finnes mellom de spiralformede segmentene av kollagen type IX og kollagen type II. Kollagen IX kan også fungere som en intermolekylær-interfibrillær "forbindelse" (eller bro) mellom tilstøtende kollagenfibriller. Kollagen IX-molekyler danner tverrbindinger med hverandre, noe som øker den mekaniske stabiliteten til det fibrillære tredimensjonale nettverket og beskytter det mot effekten av enzymer. De gir også motstand mot deformasjon, noe som begrenser hevelsen av proteoglykaner som ligger inne i nettverket. I tillegg til den anioniske CS-kjeden inneholder kollagen IX-molekylet et kationisk domene, som gir fibrillen en stor ladning og en tendens til å samhandle med andre matriksmakromolekyler.

Kollagen type XI utgjør bare 2–3 % av den totale kollagenmassen. Det tilhører klasse I (fibrildannende) kollagener og består av tre forskjellige α-kjeder. Sammen med kollagen type II og IX danner kollagen type XI heterotypiske fibriller i leddbrusk. Molekyler av kollagen type XI har blitt påvist i kollagenfibriller av type II ved hjelp av immunoelektromikroskopi. De organiserer sannsynligvis kollagen type II-molekyler, kontrollerer den laterale veksten av fibriller og bestemmer diameteren til den heterotypiske kollagenfibrillen. I tillegg er kollagen XI involvert i dannelsen av tverrbindinger, men selv i moden brusk forblir tverrbindingene i form av umodne divalente ketoaminer.

Små mengder kollagen type VI, et annet medlem av klasse III kortheliksmolekyler, finnes i leddbrusk. Kollagen type VI danner forskjellige mikrofibriller og er sannsynligvis konsentrert i kapselmatrisen til kondronen.

Proteoglykaner er proteiner som minst én glykosaminoglykankjede er kovalent bundet til. Proteoglykaner er blant de mest komplekse biologiske makromolekylene. Proteoglykaner er mest forekommende i bruskens ECM. "Viklet" inn i et nettverk av kollagenfibriller, utfører hydrofile proteoglykaner sin hovedfunksjon - de gir brusken evnen til å deformeres reversibelt. Det antas at proteoglykaner også utfører en rekke andre funksjoner, hvis essens ikke er helt klar.

Aggrekan er det viktigste proteoglykanet i leddbrusk, og utgjør omtrent 90 % av den totale proteoglykanmassen i vevet. Kjerneproteinet på 230 kD er glykosylert av flere kovalent lenkede glykosaminoglykankjeder og N-terminale og C-terminale oligosakkarider.

Glykosaminoglykankjedene i leddbrusk, som utgjør omtrent 90 % av den totale massen av makromolekyler, er keratansulfat (en sekvens av det sulfaterte disakkaridet N-acetylglukosaminolaktose med flere sulfaterte steder og andre monosakkaridrester som sialinsyre) og kondroitinsulfat (en sekvens av disakkaridet N-acetylgalaktosaminglukuronsyre med en sulfatester festet til hvert fjerde eller sjette karbonatom i N-acetylgalaktosamin).

Kjerneproteinet i aggrecan inneholder tre globulære (G1, G2, G3) og to interglobulære (E1 og E2) domener. Den N-terminale regionen inneholder G1- og G2-domenene, atskilt av E1-segmentet, som er 21 nm langt. C3-domenet, som ligger i den C-terminale regionen, er atskilt fra G2 _av et lengre (ca. 260 nm) E2-segment, som inneholder mer enn 100 kjeder med kondroitinsulfater, ca. 15–25 kjeder med keratinsulfater og O-bundne oligosakkarider. N-bundne oligosakkarider finnes hovedsakelig innenfor G1- og C2-domenene og E1-segmentet, samt nær G3- _regionen. Glykosaminoglykaner er gruppert i to regioner: den lengste (den såkalte kondroitinsulfatrike regionen) inneholder kondroitinsulfatkjeder og ca. 50 % keratansulfatkjeder. Den keratansulfatrike regionen ligger på E2- _segmentet nær G1-domenet og går foran den kondroitinsulfatrike regionen. Aggrekan-molekyler inneholder også fosfatestere, som primært ligger på xyloserestene som fester kondroitinsulfatkjedene til kjerneproteinet; de finnes også på serinrester i kjerneproteinet.

Det C-terminale segmentet av C3- _domenet er svært homologt med lektin, noe som gjør at proteoglykanmolekyler kan fikseres i ECM ved å binde seg til visse karbohydratstrukturer.

Nyere studier har identifisert et ekson som koder for et EGF-lignende underdomene innenfor G3 _. Ved bruk av polyklonale anti-EGF-antistoffer ble det EGF-lignende epitopet lokalisert i et 68 kD peptid i aggrecan i humant leddbrusk. Funksjonen gjenstår imidlertid å bli belyst. Dette underdomenet finnes også i adhesjonsmolekyler som kontrollerer lymfocyttmigrasjon. Bare omtrent en tredjedel av aggrecanmolekylene isolert fra modent humant leddbrusk inneholder et intakt C3- _domene; dette er sannsynligvis fordi aggrecanmolekyler kan reduseres enzymatisk i størrelse i ECM. Skjebnen og funksjonen til de kløyvde fragmentene er ukjent.

Det viktigste funksjonelle segmentet av aggrekanmolekylet er det glykosaminoglykanbærende E2- _segmentet. Regionen, rik på keratansulfater, inneholder aminosyrene prolin, serin og treonin. De fleste serin- og treoninrestene er O-glykosylerte med N-acetylgalaktosaminrester; de initierer syntesen av visse oligosakkarider som er innlemmet i keratansulfatkjedene, og dermed forlenger dem. Resten av E2- _segmentet inneholder mer enn 100 serin-glysin-sekvenser der serin fester seg til xylosylrester i begynnelsen av kondroitinsulfatkjedene. Typisk finnes både kondroitin-6-sulfat og kondroitin-4-sulfat samtidig i det samme proteoglykanmolekylet, og forholdet mellom dem varierer avhengig av bruskvevets lokalisering og personens alder.

Strukturen til aggrekanmolekyler i den menneskelige leddbruskmatrisen gjennomgår en rekke endringer under modning og aldring. Aldringsrelaterte endringer inkluderer en reduksjon i hydrodynamisk størrelse på grunn av en endring i gjennomsnittslengden på kondroitinsulfatkjeder, og en økning i antall og lengde på keratansulfatkjeder. En rekke endringer i aggrekanmolekylet er også forårsaket av virkningen av proteolytiske enzymer (f.eks. aggrekanase og stromelesin) på kjerneproteinet. Dette resulterer i en progressiv reduksjon i gjennomsnittslengden på kjerneproteinet i aggrekanmolekylet.

Aggrecan-molekyler syntetiseres av kondrocytter og skilles ut i ECM, hvor de danner aggregater stabilisert av linkerproteinmolekyler. Denne aggregeringen involverer svært spesifikke ikke-kovalente og samarbeidende interaksjoner mellom en glukuronsyretråd og nesten 200 aggrecan- og linkerproteinmolekyler. Glukuronsyre er et ekstracellulært, ikke-sulfatert, lineært glykosaminoglykan med høy molekylvekt som er sammensatt av flere sekvensielt koblede N-acetylglukosamin- og glukuronsyremolekyler. De parede løkkene i G1-domenet til aggrecan interagerer reversibelt med fem sekvensielt plasserte hyaluronsyredisakkarider. Linkerproteinet, som inneholder lignende (svært homologe) parede løkker, interagerer med C1-domenet og hyaluronsyremolekylet og stabiliserer aggregatstrukturen. C1-domenet - hyaluronsyre - bindende proteinkompleks danner en svært stabil interaksjon som beskytter G1-domenet og bindingsproteinet mot virkningen av proteolytiske enzymer. To molekyler av bindingsproteinet med en molekylvekt på 40–50 kDa er identifisert; De skiller seg fra hverandre i graden av glykosylering. Bare ett molekyl av bindingsproteinet er tilstede på stedet for hyaluronsyre-aggrekanbindingen. Det tredje, mindre, molekylet av bindingsproteinet dannes fra større molekyler ved proteolytisk spalting.

Omtrent 200 aggrekanmolekyler kan binde seg til ett molekyl hyaluronsyre for å danne et aggregat på 8 μm. I den celleassosierte matrisen, som består av pericellulære og territoriale rom, opprettholder aggregatene sin tilknytning til cellene ved å binde seg (via en hyaluronsyretråd) til CD44-lignende reseptorer på cellemembranen.

Dannelse av aggregater i ECM er en kompleks prosess. Nysyntetiserte aggrekanmolekyler viser ikke umiddelbart evnen til å binde seg til hyaluronsyre. Dette kan tjene som en reguleringsmekanisme som tillater at nysyntetiserte molekyler når den interterritoriale sonen av matrisen før de immobiliseres til store aggregater. Antallet nysyntetiserte aggrekanmolekyler og bindende proteiner som er i stand til å danne aggregater ved å samhandle med hyaluronsyre, avtar betydelig med alderen. I tillegg avtar størrelsen på aggregater isolert fra menneskelig leddbrusk betydelig med alderen. Dette skyldes delvis en reduksjon i gjennomsnittslengden på hyaluronsyremolekyler og aggrekanmolekyler.

To typer aggregater er etablert i leddbrusk. Gjennomsnittsstørrelsen på den første typen aggregater er 60 S, mens den andre typen (hurtigutfellende "superaggregater") er 120 S. Sistnevnte kjennetegnes av en overflod av molekyler av bindingsproteinet. Tilstedeværelsen av disse superaggregatene kan spille en viktig rolle i vevets funksjon; under vevsrestaurering etter immobilisering av lemmer finnes høyere konsentrasjoner av dem i de midterste lagene av leddbrusk, mens i et ledd som er rammet av slitasjegikt, er størrelsen deres betydelig redusert i de tidlige stadiene av sykdommen.

I tillegg til aggrekan inneholder leddbrusk en rekke mindre proteoglykaner. Biglykan og dekorin, molekyler som bærer dermatansulfater, har molekylvekter på henholdsvis omtrent 100 og 70 kDa; massen til kjerneproteinet deres er omtrent 30 kDa.

I menneskelig leddbrusk inneholder biglykanmolekylet to kjeder av dermatansulfat, mens det vanligste dekorinet bare inneholder én. Disse molekylene utgjør bare en liten brøkdel av proteoglykanene i leddbrusk, selv om de kan være like tallrike som store aggregerte proteoglykaner. Små proteoglykaner samhandler med andre makromolekyler i ECM, inkludert kollagenfibriller, fibronektin, vekstfaktorer, etc. Dekorin er primært lokalisert til overflaten av kollagenfibriller og hemmer kollagenfibrillogenese. Kjerneproteinet er tett festet til cellebindingsdomenet til fibronektin, og forhindrer dermed sannsynligvis at sistnevnte binder seg til celleoverflatereseptorer (integriner). Fordi både dekorin og biglykan binder seg til fibronektin og hemmer celleadhesjon og -migrasjon, samt trombedannelse, er de i stand til å hemme vevsreparasjonsprosesser.

Fibromodulin i leddbrusk er et proteoglykan med en molekylvekt på 50–65 kD assosiert med kollagenfibriller. Kjerneproteinet, homologt med kjerneproteinene til dekorin og biglykan, inneholder et stort antall tyrosinsulfatrester. Denne glykosylerte formen av fibromodulin (tidligere kalt 59 kD-matriksproteinet) kan delta i reguleringen av dannelsen og vedlikeholdet av strukturen til kollagenfibriller. Fibromodulin og dekorin er lokalisert på overflaten av kollagenfibriller. Som angitt tidligere, bør en økning i fibrildiameter derfor innledes av selektiv fjerning av disse proteoglykanene (samt type IX-kollagenmolekyler).

Leddbrusk inneholder en rekke proteiner i ECM som verken er proteoglykaner eller kollagener. De samhandler med andre makromolekyler for å danne et nettverk som inkluderer de fleste ECM-molekylene.

Ancorin, et 34 kD protein, er lokalisert på overflaten av kondrocytter og i cellemembranen, og medierer interaksjoner mellom cellen og matriksen. På grunn av sin høye affinitet for type II kollagen, kan det fungere som en mekanoreseptor, som overfører et signal om endret trykk på fibrillen til kondrocytten.

Fibronektin er en komponent i de fleste bruskvev og skiller seg noe fra plasmafibronektin. Fibronektin antas å fremme matriksintegrasjon ved å samhandle med cellemembraner og andre matrikskomponenter, som type II-kollagen og trombospondin. Fibronektinfragmenter har en negativ effekt på kondrocyttmetabolismen: de hemmer aggrekansyntesen og stimulerer katabolske prosesser. Høye konsentrasjoner av fibronektinfragmenter er funnet i leddvæsken hos pasienter med slitasjegikt, slik at de kan delta i patogenesen av sykdommen i sene stadier. Fragmenter av andre matriksmolekyler som binder seg til kondrocyttreseptorer, har sannsynligvis lignende effekter.

Oligomert matriksprotein i brusk (OMPC), et medlem av trombospondin-superfamilien, er en pentamer med fem identiske underenheter med en molekylvekt på omtrent 83 kDa. De finnes i store mengder i leddbrusk, spesielt i laget av prolifererende celler i voksende vev. Derfor er det mulig at OMPC er involvert i reguleringen av cellevekst. De finnes i mye lavere konsentrasjoner i ECM i moden leddbrusk. Matriksproteiner inkluderer også:

• basisk matriksprotein (36 kDa), som har høy affinitet for kondrocytter, kan mediere celle-celle-interaksjoner i ECM, for eksempel under vevsremodellering;
• GP-39 (39 kDa) uttrykkes i det overfladiske laget av leddbrusk og i synovialmembranen (funksjonene er ukjente);
• 21 kD-protein syntetiseres av hypertroferte kondrocytter, samhandler med type X-kollagen og kan fungere i "bølgelinjesonen".

I tillegg er det tydelig at kondrocytter uttrykker ikke-glykosylerte former av små, ikke-aggregerte proteoglykaner på visse stadier av bruskutvikling og under patologiske forhold, men deres spesifikke funksjon er for tiden under studier.

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

Funksjonelle egenskaper ved leddbrusk

Aggrekanmolekyler gir leddbrusk evnen til å gjennomgå reversibel deformasjon. De viser spesifikke interaksjoner i det ekstracellulære rommet og spiller utvilsomt en viktig rolle i organiseringen, strukturen og funksjonen til ECM. I bruskvev når aggrekanmolekyler en konsentrasjon på 100 mg/ml. I brusk er aggrekanmolekyler komprimert til 20 % av volumet de opptar i løsning. Et tredimensjonalt nettverk dannet av kollagenfibriller gir vevet sin karakteristiske form og forhindrer en økning i volumet av proteoglykaner. Innenfor kollagennettverket har immobile proteoglykaner en stor negativ elektrisk ladning (de inneholder et stort antall anioniske grupper), noe som lar dem samhandle med mobile kationiske grupper i interstitiellvæsken. Ved å samhandle med vann gir proteoglykaner det såkalte svellingstrykket, som motvirkes av kollagennettverket.

Tilstedeværelsen av vann i ECM er svært viktig. Vann bestemmer vevets volum; bundet til proteoglykaner gir det motstand mot kompresjon. I tillegg sørger vann for transport av molekyler og diffusjon i ECM. Den høye tettheten av negativ ladning på store proteoglykaner som er fiksert i vevet, skaper den "ekskluderte volumeffekten". Porestørrelsen til den intrakonsentrerte løsningen av proteoglykaner er så liten at diffusjonen av store globulære proteiner inn i vevet er sterkt begrenset. ECM frastøter små negativt ladede proteiner (f.eks. kloridioner) og store proteiner (som albumin og immunoglobuliner). Størrelsen på cellene i det tette nettverket av kollagenfibriller og proteoglykaner er bare sammenlignbar med størrelsen på noen uorganiske molekyler (f.eks. natrium og kalium, men ikke kalsium).

I ECM er det noe vann tilstede i kollagenfibriller. Det ekstrafibrillære rommet bestemmer de fysikalsk-kjemiske og biomekaniske egenskapene til brusk. Vanninnholdet i det intrafibrillære rommet avhenger av konsentrasjonen av proteoglykaner i det ekstrafibrillære rommet og øker med en reduksjon i konsentrasjonen av sistnevnte.

Den faste negative ladningen på proteoglykaner bestemmer den ioniske sammensetningen av det ekstracellulære mediet, som inneholder frie kationer i høy konsentrasjon og frie anioner i lav konsentrasjon. Etter hvert som konsentrasjonen av aggrekanmolekyler øker fra den overfladiske til den dype sonen av brusk, endres det ioniske miljøet i vevet. Konsentrasjonen av uorganiske ioner i ECM skaper høyt osmotisk trykk.

Bruskens materialegenskaper avhenger av samspillet mellom kollagenfibriller, proteoglykaner og vevets flytende fase. Strukturelle og sammensetningsmessige endringer forbundet med avviket mellom syntese- og katabolismeprosessene, nedbrytning av makromolekyler og fysisk traume påvirker bruskens materialegenskaper betydelig og endrer dens funksjon. Siden konsentrasjonen, fordelingen og den makromolekylære organiseringen av kollagener og proteoglykaner endres avhengig av brusksonens dybde, varierer de biomekaniske egenskapene til hver sone. For eksempel har den overfladiske sonen med sin høye konsentrasjon av kollagen, tangentielt plasserte fibriller og relativt lave konsentrasjon av proteoglykaner de mest uttalte egenskapene til å motstå strekking, og fordeler belastningen jevnt over hele vevets overflate. I overgangssonene og de dype sonene gir den høye konsentrasjonen av proteoglykaner vevet egenskapen til å motstå trykkbelastning. På nivået med den "bølgede linjen" endres bruskens materialegenskaper kraftig fra den bøyelige ikke-forkalkede sonen til den mer stive mineraliserte brusken. I den "bølgede linjen"-regionen gis vevsstyrken av kollagennettverket. De underliggende bruskseksjonene krysses ikke av kollagenfibriller; i området rundt den osteokondrale overgangen gis vevsstyrken av de spesielle konturene av grensen mellom de ikke-forkalkede og forkalkede brusksonene i form av uregelmessige fingerlignende utvekster, som "lukker" de to lagene og forhindrer at de separeres. Forkalket brusk er mindre tett enn det subkondrale beinet, og fungerer dermed som et mellomlag som myker opp trykkbelastningen på brusken og overfører den til det subkondrale beinet.

Under belastning skjer en kompleks fordeling av tre krefter - forlengelse, skjær og kompresjon. Leddmatrisen deformeres på grunn av utstøting av vann (så vel som cellemetabolismeprodukter) fra belastningssonen, og konsentrasjonen av ioner i interstitiellvæsken øker. Vannbevegelsen avhenger direkte av varigheten og kraften til den påførte belastningen og forsinkes av den negative ladningen av proteoglykaner. Under vevsdeformasjon presses proteoglykaner tettere mot hverandre, og øker dermed effektivt tettheten av den negative ladningen, og de intermolekylære kreftene som frastøter den negative ladningen øker igjen vevets motstand mot ytterligere deformasjon. Til slutt når deformasjonen en likevekt der de ytre belastningskreftene balanseres av indre motstandskrefter - hevelsestrykk (interaksjon mellom proteoglykaner og ioner) og mekanisk stress (interaksjon mellom proteoglykaner og kollagener). Når belastningen fjernes, får bruskvevet sin opprinnelige form ved å absorbere vann sammen med næringsstoffer. Den innledende (forbelastnings-) formen på vevet oppnås når proteoglykanenes svellingstrykk balanseres av kollagennettverkets motstand mot spredning av dem.

De biomekaniske egenskapene til leddbrusk er basert på vevets strukturelle integritet - en kollagen-proteoglykan-sammensetning som en fast fase og vann og oppløste ioner som en flytende fase. Ubelastet er det hydrostatiske trykket i leddbrusken omtrent 1-2 atm. Dette hydrostatiske trykket kan øke in vivo til 100-200 atm per millisekund under stående og til 40-50 atm under gange. In vitro-studier har vist at et hydrostatisk trykk på 50-150 atm (fysiologisk) fører til en moderat økning i bruskanabolisme over en kort periode, og over 2 timer fører til tap av bruskvæske, men forårsaker ingen andre endringer. Spørsmålet om hvor raskt kondrocytter reagerer in vivo på denne typen belastning er fortsatt uavklart.

Den induserte reduksjonen i hydrering med den påfølgende økningen i proteoglykankonsentrasjon fører til tiltrekning av positivt ladede ioner som H ⁺ og Na ⁺. Dette fører til en endring i den totale ioniske sammensetningen og pH-verdien til ECM og kondrocytter. Langvarig trening induserer en reduksjon i pH og samtidig en reduksjon i proteoglykansyntese av kondrocytter. Det er mulig at påvirkningen av det ekstracellulære ioniske miljøet på syntetiske prosesser også delvis er relatert til dets innflytelse på ECM-sammensetningen. Nysyntetiserte aggrekanmolekyler modnes til aggregerte former senere i et svakt surt miljø enn under normale forhold. Det er sannsynlig at en reduksjon i pH rundt kondrocytter (f.eks. under trening) tillater flere nysyntetiserte aggrekanmolekyler å nå den interterritoriale matrisen.

Når belastningen fjernes, kommer vann tilbake fra synovialhulen og frakter næringsstoffer til cellene. I brusk som er rammet av slitasjegikt, reduseres konsentrasjonen av proteoglykaner, derfor beveger vannet seg under belastningen ikke bare vertikalt inn i synovialhulen, men også i andre retninger, og reduserer dermed ernæringen til kondrocytter.

Immobilisering eller mild belastning resulterer i en markant reduksjon i brusksyntese og proteoglykaninnhold, mens økt dynamisk belastning resulterer i en moderat økning i proteoglykansyntese og -innhold. Anstrengende trening (20 km/dag i 15 uker) hos hunder induserte endringer i proteoglykaninnhold, spesielt en kraftig reduksjon i konsentrasjonen i den overfladiske sonen. Noe reversibel bruskmykning og subkondral beinombygging forekom. Imidlertid forårsaket alvorlig statisk belastning bruskskade og påfølgende degenerasjon. I tillegg initierer tap av ECM-aggrekan de unormale endringene som er karakteristiske for slitasjegikt. Tap av aggrekan resulterer i vanntiltrekning og hevelse av den lille mengden proteoglykan som er igjen. Denne oppløsningen av aggrekan bidrar til en reduksjon i den lokale faste ladningstettheten og fører til slutt til en endring i osmolaritet.