Biología Articular y Cartílago Hialino
Introducción
– Una articulación es la unión entre dos huesos, la cual permite el movimiento y soporte mecánico entre ellos.
– El movimiento puede ser mínimo (ej.: suturas del cráneo) o casi totalmente libre como en algunas articulaciones sinoviales (ej.: glenohumeral -hombro-).
– Las articulaciones se diferencian en dos grandes grupos: sinoviales y no sinoviales. La diferencia más importante entre ellas es que las sinoviales presentan característicamente una cápsula articular, una membrana sinovial y líquido sinovial articular.
– Las articulaciones están estabilizadas por ligamentos y se mueven a través de la acción de los músculos, los cuales están unidos a los huesos a través de tendones.
– El cartílago articular es un tejido conectivo avascular y no mineralizado que cubre las superficies de los huesos en las articulaciones sinoviales, entregándoles resistencia a la carga y baja fricción al movimiento.
– Siendo las articulaciones sinoviales las más comunes y móviles del organismo, en el resto de esta sección nos enfocaremos a sus características, con especial atención en el cartílago articular hialino.
Tipos de cartílago (tabla)
| TIPOS DE CARTÍLAGO | ||
|---|---|---|
| Tipo | Características | Ejemplo |
| Hialino | – Presente en superficies articulares sinoviales. – El tejido propiamente tal es transparente, lo que le da su nombre. – Contiene predominantemente colágeno tipo II – El resto de sus características se describen más adelante en esta sección. |
– Articulaciones sinoviales – Uniones esterno-costales – Cartílagos laríngeos – Anillos cartilaginosos de la tráquea y bronquios |
| Elástico | – Tejido de color amarillo. – Histológicamente similar al hialino pero con mayor concentración de elastina que le entrega mayor elasticidad. |
– Pabellón auricular – Epiglotis |
| Fibrocartílago | – Combinación de tejido cartilaginoso y fibroso, los cuales, según la proporción de ellos, le entregan resistencia y elasticidad respectivamente. – Contiene predominantemente colágeno tipo I. – Este tejido se puede formar también como tejido reparativo del cartílago hialino (ver sección…). |
– Sínfisis del pubis – Anillo fibroso de los discos intervertebrales – Meniscos (presentes en rodillas pero también en las articulaciones acromio-claviculares, esternoclaviculares y radio-carpianas) – Éntesis (uniones ligamento-hueso o tendón hueso) |
| TIPOS DE ARTICULACIONES SINOVIALES | ||
|---|---|---|
| Tipo según estructura | Ejemplos | Imagen |
| Pivote | Atlanto-axial |  |
| Bisagra | Codo, rodilla |  |
| Esférica (esfera y concavidad) | Hombro, cadera |  |
| Elipsoide | Radio-escafoídea |  |
| Silla de montar | Trapezio-metacarpiana |  |
| Deslizante / Plana | Tarso-metatarsiana, radio-cubital distal |  |
| TIPOS DE ARTICULACIONES NO SINOVIALES | |||
|---|---|---|---|
| Tipo según estructura | Subtipo | Características | Ejemplo |
| Fibrosas | Sindesmosis | – Dos huesos que articulan sin una interfaz cartilaginosa y con ligamentos que restringen su movilidad. – La articulación tibio-peronea distal es la única sindesmosis fuera del cráneo |
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| Otras | – Ubicadas en las articulaciones del cráneo (suturas) y los dientes (gonfosis) |  |
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| Cartilaginosas | Sínfisis | – Los extremos óseos están unidos por un disco fibrocartilaginoso y su estabilidad está dada por ligamentos. – Ej.: discos intervertebrales y sínfisis púbica |
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| Sincondrosis | – Los extremos óseos están unidos por cartílago hialino, sin embargo no presentan membrana sinovial ni movimiento significativo. – Ej.: articulación esternomanubrial, cartílagos costales, algunas articulaciones de la base del cráneo, fisis en esqueleto inmaduro |
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«904 Fibrous Joints» by OpenStax College – Anatomy & Physiology, Connexions Web site. http://cnx.org/content/col11496/1.6/, Jun 19, 2013.. Licensed under Creative Commons Attribution 3.0 via Wikimedia Commons – http://commons.wikimedia.org/wiki/File:904_Fibrous_Joints.jpg#mediaviewer/File:904_Fibrous_Joints.jpg
«906 Cartiliginous Joints» by OpenStax College – Anatomy & Physiology, Connexions Web site. http://cnx.org/content/col11496/1.6/, Jun 19, 2013.. Licensed under Creative Commons Attribution 3.0 via Wikimedia Commons – http://commons.wikimedia.org/wiki/File:906_Cartiliginous_Joints.jpg#mediaviewer/File:906_Cartiliginous_Joints.jpg
«716 Intervertebral Disk» by OpenStax College – Anatomy & Physiology, Connexions Web site. http://cnx.org/content/col11496/1.6/, Jun 19, 2013.. Licensed under Creative Commons Attribution 3.0 via Wikimedia Commons – http://commons.wikimedia.org/wiki/File:716_Intervertebral_Disk.jpg#mediaviewer/File:716_Intervertebral_Disk.jpg
Función y estructura de las articulaciones sinoviales
Función
– Las articulaciones sinoviales permiten el movimiento entre los huesos articulares con una fricción extremadamente baja entre ellos.
– Las funciones específicas dependen de la naturaleza anatómica específica de cada articulación.
Estructura
– La estructura de las articulaciones sinoviales se basa en el cartílago articular, el cual es la estructura que permite el movimiento entre los dos huesos de la articulación con mínima fricción.
– La membrana sinovial es fundamental en su nutrición a través del líquido sinovial.
– Los ligamentos entregan estabilidad articular, a la cual también contribuyen importantemente los músculos asociados a la articulación.
| TIPOS DE ARTICULACIONES NO SINOVIALES | |
|---|---|
| Componente | Descripción y función |
| Cartílago articular | – Tejido cartilaginoso hialino altamente especializado que permite absorción de las cargas mecánicas y un movimiento entre los huesos con mínima fricción.
– Es un tejido avascular, aneural y alinfático. Recibe nutrientes y oxígeno por difusión desde el líquido sinovial. |
| Hueso subcondral | – Hueso cortical y esponjoso denso que se encuentra adyacente al cartílago articular y soporta las cargas que transmite. |
| Cápsula articular | – Tejido fibroso grueso que delimita la cavidad articular. |
| Membrana sinovial | – Tejido compuesto por dos capas el cual reviste la articulación sinovial en toda su superficie interna no cartilaginosa y sintetiza el líquido sinovial, el cual nutre el cartílago articular. – La capa íntima es la capa más profunda, en contacto directo con la cavidad articular, produce el líquido sinovial. Contiene las células tipo A y B. Las tipo A (10-20%) son macrófagos tisulares que derivan de precursores de la médula ósea. Las tipo B (80-90%) provienen de la línea fibroblástica y producen ácido hialurónico. – La capa subíntima es la capa más superficial, relativamente acelular, compuesta por fibroblastos, adipocitos, vasos sanguíneos y células linfáticas. Está asociada a una red vascular que le permite el intercambio de nutrientes. |
| Líquido sinovial | – Producido y regulado por la membrana sinovial, es un ultrafiltrado de plasma con baja concentración de albúmina (45% en comparación al plasma) y alta concentración de ácido hialurónico y lubricina. – Entrega lubricación a la articulación y nutrición por difusión al cartílago articular. – No contiene eritrocitos ni factores de coagulación por lo que no permite una reparación directa de tejidos. |
| Ligamentos | – Estructuras colágenas que conectan las articulaciones entregando estabilidad y restringiendo movimientos no fisiológicos. |
| Nervios articulares | – La inervación de las articulaciones sinoviales está dada por las fibras A y C. – Las fibras A son fibras mielínicas de conducción rápida, presentes en cápsula y musculatura adyacente. Entrega información de posición de la articulación y movimiento (propiocepción). – Las fibras C son fibras amielínicas de conducción lenta, presentes alrededor de los vasos sanguíneos y membrana sinovial. Entrega sensación de dolor difuso. |
| Vasos sanguíneos articulares | – Las ramas articulares y epifisiarias conforman un plexo arterial peri-articular e intraarticular que llega a la membrana sinovial. – Los vasos de la membrana sinovial terminan en anastomosis por lo que el intercambio de gases y nutrientes tanto en la cápsula articular como en la membrana sinovial se realiza preferentemente a través de difusión. |
Componentes de una articulación sinovial
Función y estructura del cartílago articular
Función
– La función del cartílago articular es absorción de las cargas mecánicas entre dos huesos que articulan y permitir un movimiento con mínima fricción.
Estructura
– El cartílago articular se compone principalmente de matriz extracelular (95%) y condrocitos (5%), los cuales mantienen la matriz.
– La matriz extracelular se compone principalmente de agua (65 a 80%), colágeno (10-20%) y proteoglicanos.
– El cartílago articular puede ser dividido en capas o zonas según profundidad.
– Las divisiones se basan en información descriptiva como la orientación del colágeno, organización de los condrocitos y distribución de los proteoglicanos.
| ESTRUCTURA DEL CARTÍLAGO ARTICULAR | ||
|---|---|---|
| Componente | Función | Características |
| Agua | – Resistencia a la compresión – Transporte de nutrientes |
– 65 a 85% del peso. – Se concentra más en las capas más superficiales que en las profundas. – Se distribuye en el extracelular y se mueve según gradiente de presión. – Su concentración determina sus propiedades mecánicas. |
| Colágeno | – Estructura del cartílago – Resistencia a la fricción y tensión |
– 10 a 20% del peso del cartílago. 50% del peso seco. – Sintetizado por los condrocitos. – Mayoría del colágeno es tipo II (90-95%). – Tipo X se produce en la osificación endocondral. – Tipo V, IX y XI ayudan en la interacción entre las fibras de colágeno y entre el colágeno y proteoglicanos. – Desórdenes del colágeno tipo II producen enfermedades asociadas al cartílago. Ej.: acondrogénesis. – Vida media del colágeno: 25 años. |
| Proteoglicanos | – Resistencia a la compresión – Regulan el agua en el extracelular del cartílago |
– 10 a 15% del peso seco del cartílago. – Sintetizados por los condrocitos. – Compuesto por conjunto de glicosaminoglicanos + proteína central – Condroitín sulfato y queratán sulfato son los glicosaminoglicanos más importantes. – Pueden unirse al ácido hialurónico formando macromoléculas hidrofílicas denominadas “agregados de proteoglicanos” que regulan el movimiento de agua en el extracelular. – Vida media de los proteoglicanos: 3 meses. |
| Condrocitos | – Producción, organización y mantención de la matriz extracelular | – 5% del peso seco del cartílago. – Únicas células del cartílago articular. – Producen colágeno y proteoglicanos. – Provienen de células mesenquimáticas que se diferencian a condroblastos y éstos a condrocitos. – Los condrocitos que se encuentran en las capas más profundas del cartílago son menos activos. – Su metabolismo está modulado primariamente a través del estímulo mecánico. – Los condrocitos participan en el proceso de degradación del cartílago a través de la secreción de las enzimas metaloproteinasas y los inhibidores tisulares de metaloproteinasas (TIMPs). |
| Otras moléculas de la matriz extracelular | – Regulan la interacción entre los condrocitos y la matriz extracelular | – Incluyen la condronectina, fibronectina, proteínas de anclaje, lípidos, fosfolípidos y factores de crecimiento. |
Relación entre el colágeno II, proteoglicanos y ácido hialurónico en la estructura del cartílago articular
| CAPAS / ZONAS DEL CARTÍLAGO ARTICULAR | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Zonas | Capa según profundidad | Orientación de fibras de colágeno | Condrocitos | Proteoglicanos | Características |
| I | Superficial | Tangencial (horizontales, paralelas a superficie articular) | Con forma de discos y en distribución tangencial | Baja concentración | – Adyacente a la cavidad articular – Zona mecánicamente más resistente a la fricción, constituye la superficie de contacto entre los huesos articulares – Zona con mayor concentración de colágeno del cartílago – Baja actividad metabólica |
| II | Media | Transicional (oblicuas) | Redondos, con distribución irregular | Concentración intermedia | – Resistente a la compresión – Alta actividad metabólica |
| III | Profunda | Radial (verticales, perpendiculares a superficie articular) | Redondos, en columnas | Alta concentración | – Resistente a la compresión – Constituye la capa con mayor grosor del cartílago |
| IV | Cartílago calcificado | Tangencial | Redondos sumergidos en matriz extracelular con alta concentración de hidroxiapatita de calcio | Muy baja concentración | – Los condrocitos hipertróficos de esta capa producen el colágeno X y fosfatasa alcalina, ayudando a mineralizar la matriz extracelular – El borde superficial de esta zona es la línea de calcificación (tidemark) y el borde profundo es la línea de cemento (cement line), la cual se forma durante la osificación de la fisis |
Zonas del cartílago articular mostrando la organización del colágeno y de los condrocitos
Fricción del cartílago articular
– El coeficiente de fricción de una articulación sinovial es bajísimo. Siendo un coeficiente 0 la ausencia de fricción y 1 el máximo de fricción, el cartílago articular permite un coeficiente entre 0,002 y 0,04.
– Este coeficiente se debe a principalmente a las características elásticas del cartílago articular y al líquido sinovial.
– Las propiedades elásticas del cartílago están dadas principalmente por el agua de la matriz extracelular (hasta un 75% del cartílago es agua).
– El líquido sinovial entrega lubricación a través de sus proteínas (principalmente lubricina) y el ácido hialurónico.
– El ácido hialurónico se comporta como un sólido elástico frente a las cargas.
– El mecanismo más importante de lubricación es el elasto-hidrodinámico, el cual consiste en que frente a la carga, el cartílago se deforma levemente y el líquido sinovial se distribuye como una capa muy delgada de lubricante entre las superficies articulares.
Metabolismo del cartílago articular
– El cartílago articular es una estructura avascular. Su nutrición se obtiene a través de la difusión de nutrientes desde el líquido sinovial y una menor parte desde el tejido óseo subcondral.
– Los condrocitos determinan el metabolismo del cartílago articular ya que son las únicas células presentes y son las que sintetizan la matriz extracelular.
– La función de los condrocitos puede aumentar frente a estímulos químicos (factores de crecimiento, citoquinas) y físicos (carga mecánica, movilización de la articulación).
– Los factores de crecimiento que presentan mayor acción en la síntesis y reparación del cartílago son el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF), factor de crecimiento de fibroblastos 2 (FGF-2), factor de crecimiento transformante beta 1 (TGF-β1), factores de crecimiento insulínicos tipos 1 y 2 (IGF-1 y IGF-2), proteínas morfogenéticas óseas 2 y 7 (BMP-2-7/OP-1).
– El catabolismo del colágeno y de los proteoglicanos es constante en el tiempo, a un ritmo bajo. Este proceso mediado por metaloproteinasas se acelera en el cartílago degenerativo y en el cartílago que se está reparando.
– La función de las metaloproteinasas puede ser inhibida irreversiblemente por los inhibidores tisulares de metaloproteinasas (TIMPs).
– La función anabólica y catabólica de los condrocitos (síntesis de colágeno, proteoglicanos, metaloproteinasas y TIMPs) depende de factores de crecimiento del cartílago como el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF), factor de crecimiento transformante beta (TGF-β), factor de crecimiento básico de fibroblastos (b-FGF) y factor de crecimiento insulínico I (IGF-I).
Degeneración del cartílago articular
Edad
– A mayor edad, los condrocitos aumentan de tamaño y dejan de reproducirse, volviéndose un tejido hipocelular.
– Disminuye el contenido de agua y disminuye el contenido de proteoglicanos. La concentración de condroitín sulfato disminuye, sin embargo aumenta la de queratán sulfato con los años.
– El colágeno va disminuyendo con el tiempo pero mantiene su concentración ya que disminuye el agua. Hay un leve aumento del colágeno tipo VI con los años.
– Mecánicamente, el cartílago va perdiendo con la edad elasticidad y solubilidad, aumentando el daño producto de las cargas mecánicas.
Artrosis
– La artrosis es la patología más prevalente del sistema músculo-esquelético. Es una enfermedad multifactorial que afecta al cartílago articular de forma difusa, llevando en sus etapas más tardías a degeneración de éste, produciendo dolor y pérdida de funcionalidad.
– Las articulaciones más frecuentemente afectadas son las rodillas, caderas y articulaciones de la mano (interfalángicas distales, interfalángicas proximales, metacarpofalángicas, trapezio-metacarpianas), seguidas por articulaciones de los pies y columna.
– Los hallazgos radiográficos más importantes son disminución del espacio articular, esclerosis subcondral, quistes subcontrates y formación de osteofitos.
– Los hallazgos macroscópicos más significativos son áreas de reblandecimiento del cartílago, fibrilación y erosiones. En los grados más severos se puede observar exposición del hueso subcondral.
– Los hallazgos histológicos muestran en las etapas tempranas erosión e irregularidades del cartílago articular, deterioro de la línea de calcificación (tidemark), fisuras y finalmente destrucción del cartílago articular.
– Los cambios bioquímicos más importantes son un aumento el contenido de agua y disminución de la concentración de colágeno, asociado a una desorganización de sus fibras.
– Las metaloproteinasas son enzimas proteolíticas que aumentan en la artrosis. Son sintetizadas por los condrocitos y las más frecuentes son la colagenasa, gelatinasa y estromelisina.
– La acción de estas enzimas proteolíticas se exacerba con la presencia de mediadores de inflamación IL-1β, TNF-α así como la acción de las enzimas catepsinas B y D y óxido nítrico sintasa (NOS).
– Estas moléculas degradan el colágeno y los proteoglicanos, disminuyendo secundariamente su concentración.
– Los proteoglicanos presentan fibras y cadenas más cortas, menos uniones con el ácido hialurónico y presentan un cambio en la relación entre las concentraciones de condroitín sulfato (la cual aumenta) y queratán sulfato (la cual disminuye).
– La función de las metaloproteinasas puede ser inhibida irreversiblemente por los inhibidores tisulares de metaloproteinasas (TIMPs), también secretados por los condrocitos.
– El diagnóstico y tratamiento de esta enfermedad se desarrolla en la sección …
Ejemplo macroscópico y radiológico de artrosis
«Damaged cartilage Danish sow» by Rikke K Kirk, Bente Jørgensen, Henrik E Jensen – The impact of elbow and knee joint lesions on abnormal gait and posture of sows. Acta Veterinaria Scandinavica. 2008;50:5. doi:10.1186/1751-0147-50-5. Licensed under Creative Commons Attribution 2.0 via Wikimedia Commons – http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Damaged_cartilage_Danish_sow.png#mediaviewer/File:Damaged_cartilage_Danish_sow.png
«Osteoarthritis left knee» by James Heilman, MD – Own work. Licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 via Wikimedia Commons – http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Osteoarthritis_left_knee.jpg#mediaviewer/File:Osteoarthritis_left_knee.jpg
Cambios degenerativos articulares en distintas etapas
| DIFERENCIAS EN LOS CAMBIOS BIOQUÍMICOS DEL CARTÍLAGO COMPARANDO EDAD Y ARTROSIS | |||
|---|---|---|---|
| Cambios bioquímicos | Orientación de fibras de colágeno | Condrocitos | |
| Agua | Contenido de agua | ↓ | ↑ |
| Colágeno | Concentración de colágeno | → Leve ↑ del tipo VI |
↓ |
| Proteoglicanos | Concentración de proteoglicanos | ↓ | ↓ |
| Síntesis de proteoglicanos | → | ↑ | |
| Degradación de proteoglicanos | ↓ | ↑ | |
| Concentración de condroitín sulfato total | ↓ | ↑ | |
| Concentración de condroitín-4-sulfato | ↓ | ↑ | |
| Concentración de queratán sulfato | ↑ | ↓ | |
| Tamaño de los condrocitos | ↑ | → | |
| Condrocitos | Número de condrocitos | ↓ | → |
↑ Aumento ↓ Disminución → Se mantiene
Reparación del cartílago articular
– La reparación del cartílago, a diferencia del tejido óseo, está limitada importantemente por la falta de irrigación del tejido y por la falta de células indiferenciadas que puedan migrar a los sitios de lesión.
– Las lesiones superficiales a la línea de calcificación (tidemark) generalmente no reparan. Los condrocitos proliferan cerca del sitio de la lesión y sintetizan nueva matriz, sin embargo no son capaces de migrar ni reparar la lesión.
– Las lesiones profundas a la capa de calcificación estimulan al hueso subcondral para la formación de fibrocartílago a partir de células indiferenciadas mesenquimáticas multipotenciales.
– El fibrocartílago que repara la lesión no presenta la misma estructura, composición ni propiedades mecánicas del cartílago articular original por lo que su resistencia frente a la carga es menor.
– El movimiento pasivo continuo es favorable en el proceso de reparación a diferencia de la inmovilización, la cual es desfavorable. Esto estaría dado por la movilización de líquido sinovial que permite la nutrición del tejido reparativo.