Остеоартрит: как е устроен ставният хрущял?

Нормалният ставен хрущял изпълнява две основни функции: абсорбира налягането чрез деформация по време на механично натоварване и осигурява гладкост на ставните повърхности, което позволява да се сведе до минимум триенето по време на движенията на ставите. Това се осигурява от уникалната структура на ставния хрущял, която се състои от хондроитини, потопени в извънклетъчната матрица (ECM).

Нормалният ставен хрущял при възрастни може да бъде разделен на няколко слоя или зони: повърхностна или тангенциална зона, преходна зона, дълбока или радиална зона и калцифицирана зона. Слоят между повърхностната и преходната зони и особено между преходната и дълбоката зона няма ясни граници. Преходът между некалцифицирания и калцифицирания ставен хрущял се нарича „вълнообразна граница“ – линия, видима при оцветяване на декалцифицирана тъкан. Калцифицираната зона на хрущяла представлява относително постоянна част (6-8%) от общата височина на напречното сечение на хрущяла. Общата дебелина на ставния хрущял, включително зоната на калцирания хрущял, варира в зависимост от натоварването върху определена област от ставната повърхност и от вида на ставата. Периодичното хидростатично налягане в субхондралната кост играе важна роля за поддържане на нормалната структура на хрущяла чрез забавяне на осификацията.

Хондроцитите съставляват приблизително 2-3% от общата маса на тъканта; в повърхностната (тангенциална) зона те са разположени по протежение на, а в дълбоката (радиална) зона - перпендикулярно на повърхността на хрущяла; в преходната зона хондроцитите образуват групи от 2-4 клетки, разпръснати из целия матрикс. В зависимост от зоната на ставния хрущял, плътността на хондроцитите варира - най-висока клетъчна плътност е в повърхностната зона, най-ниска - в калцираната зона. Освен това, плътността на клетъчното разпределение варира от става до става, тя е обратно пропорционална на дебелината на хрущяла и натоварването, изпитвано от съответната област.

Най-повърхностно разположените хондроцити са дисковидни и образуват няколко слоя клетки в тангенциалната зона, разположена под тясна ивица матрикс; по-дълбоко разположените клетки на тази зона са склонни да имат по-неравномерни контури. В преходната зона хондроцитите са сферични, понякога се обединяват в малки групи, разпръснати в матрикса. Хондроцитите от дълбоката зона са предимно с елипсовидна форма, групирани в радиално разположени вериги от 2-6 клетки. В калцираната зона те са разпределени още по-рядко; някои от тях са некротични, въпреки че повечето са жизнеспособни. Клетките са заобиколени от некалциран матрикс, междуклетъчното пространство е калцирано.

По този начин, човешкият ставен хрущял се състои от хидратиран извънклетъчен матрикс (ECM) и клетки, потопени в него, които съставляват 2-3% от общия обем на тъканта. Тъй като хрущялната тъкан няма кръвоносни или лимфни съдове, взаимодействието между клетките, доставянето на хранителни вещества до тях и отстраняването на метаболитни продукти се осъществяват чрез дифузия през ECM. Въпреки факта, че хондроцитите са много метаболитно активни, те обикновено не се делят при възрастни. Хондроцитите съществуват в безкислородна среда и се смята, че техният метаболизъм е предимно анаеробен.

Всеки хондроцит се разглежда като отделна метаболитна единица на хрущяла, изолирана от съседните клетки, но отговорна за производството на ECM елементи в непосредствена близост до дарената клетка и поддържането на нейния състав.

ECM е разделен на три секции, всяка с уникална морфологична структура и специфичен биохимичен състав. ECM, непосредствено съседна на хондроцитната базална мембрана, се нарича перицелуларен, или лакунарен, матрикс. Характеризира се с високо съдържание на протеогликанови агрегати, свързани с клетката чрез взаимодействието на хиалуроновата киселина с CD44-подобни рецептори, и относителна липса на организирани колагенови фибрили. Директно съседна на перицелуларния матрикс е териториалният, или капсулен, матрикс, който се състои от мрежа от пресичащи се фибриларни колагени, които капсулират отделни клетки или (понякога) групи от клетки, образувайки хондрон, и вероятно осигуряват специализирана механична опора за клетките. Контактът на хондроцитите с капсулния матрикс се постига чрез множество цитоплазмени процеси, богати на микрофиламенти, както и чрез специфични матрични молекули като анкорин и CD44-подобни рецептори. Най-голямата и най-отдалечена секция на ECM от хондроцитната базална мембрана е интертериториалният матрикс, който съдържа най-голям брой колагенови фибрили и протеогликани.

Разделянето на извънклетъчната хрущялна тъкан (ECM) на отделения (компартменти) е по-ясно дефинирано при възрастния ставен хрущял, отколкото при незрелия ставен хрущял. Относителният размер на всяко отделение варира не само между ставите, но дори и в рамките на един и същ хрущял. Всеки хондроцит произвежда матрица, която го заобикаля. Според изследванията, хондроцитите на зрялата хрущялна тъкан упражняват активен метаболитен контрол върху своите перицелуларни и териториални матрици и упражняват по-малко активен контрол върху интертериториалната матрица, която може да е метаболитно „инертна“.

Както бе споменато по-рано, ставният хрущял се състои главно от обширна извънклетъчна материя (ECM), синтезирана и регулирана от хондроцити. Тъканните макромолекули и техните концентрации се променят през целия живот в съответствие с променящите се функционални нужди. Остава обаче неясно дали клетките синтезират цялата матрица едновременно или в определени фази в съответствие с физиологичните нужди. Концентрацията на макромолекули, метаболитният баланс между тях, техните взаимоотношения и взаимодействия определят биохимичните свойства и следователно функцията на ставния хрущял в рамките на една става. Основният компонент на извънклетъчната материя (ECM) на ставния хрущял при възрастни е водата (65-70% от общата маса), която е здраво свързана в нея поради специалните физични свойства на макромолекулите на хрущялната тъкан, които са част от колагени, протеогликани и неколагенови гликопротеини.

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

Биохимичен състав на хрущяла

Колагеновите влакна се състоят от молекули на фибриларния протеин колаген. При бозайниците колагенът представлява една четвърт от всички протеини в тялото. Колагенът образува фибриларни елементи (колагенови фибрили), състоящи се от структурни субединици, наречени тропоколаген. Молекулата на тропоколагена има три вериги, които образуват тройна спирала. Тази структура на молекулата на тропоколагена, както и структурата на колагеновите влакна, при която тези молекули са разположени успоредно в надлъжна посока с постоянно изместване от около 1/4 от дължината, осигурява висока еластичност и здравина на тъканите, в които се намират. В момента са известни 10 генетично различни вида колаген, различаващи се по химичната структура на α-веригите и/или техния набор в молекулата. Най-добре проучени са първите четири вида колаген, способни да образуват до 10 молекулни изоформи.

Колагеновите фибрили са част от извънклетъчното пространство на повечето съединителни тъкани, включително хрущялите. В неразтворимата триизмерна мрежа от пресичащи се колагенови фибрили са вплетени други, по-разтворими компоненти като протеогликани, гликопротеини и тъканно-специфични протеини; те понякога са ковалентно свързани с колагеновите елементи.

Колагеновите молекули, организирани във фибрили, съставляват около 50% от органичния сух остатък на хрущяла (10-20% от естествения хрущял). В зрелия хрущял около 90% от колагените са колагени тип II, които се срещат само в някои тъкани (напр. стъкловидно тяло, ембрионален дорзален мозък). Колагенът тип II принадлежи към молекулите на колагена от клас I (фибрилообразуващи). В допълнение към него, зрелият човешки ставен хрущял съдържа също колагени от типове IX, XI и малко количество тип VI. Относителното количество колагенови влакна тип IX в колагеновите фибрили намалява от 15% във феталния хрущял до около 1% в зрелия говежди хрущял.

Молекулите на колаген тип I се състоят от три идентични полипептидни α,(II)-вериги, синтезирани и секретирани като прекурсор проколаген. След като готовите молекули на колаген се освободят в извънклетъчното пространство, те образуват фибрили. В зрелия ставен хрущял колагенът тип II образува фибриларни аркади, в които „по-дебелите“ молекули са разположени в дълбоките слоеве на тъканта, а „по-тънките“ са разположени хоризонтално в повърхностните слоеве.

В гена на проколаген тип II е открит екзон, кодиращ богат на цистеин N-терминален пропептид. Този екзон се експресира не в зрял хрущял, а в ранните етапи на развитие (прехондрогенеза). Поради наличието на този екзон, молекулата на проколаген тип II (тип II A) е по-дълга от тази на колаген тип II. Вероятно експресията на този тип проколаген инхибира натрупването на елементи в извънклетъчната мембрана на ставния хрущял. Това може да играе определена роля в развитието на хрущялна патология (напр. неадекватен репаративен отговор, образуване на остеофити и др.).

Мрежата от колагенови фибрили тип II осигурява функцията на устойчивост на разтягане и е необходима за поддържане на обема и формата на тъканта. Тази функция се усилва чрез ковалентни и кръстосани връзки между колагеновите молекули. В извънклетъчната мембрана (ECM) ензимът лизил оксидаза образува алдехид от хидроксилизин, който след това се превръща в многовалентната аминокиселина хидроксилизил-пиридинолин, която образува кръстосани връзки между веригите. От една страна, концентрацията на тази аминокиселина се увеличава с възрастта, но в зрелия хрущял тя остава практически непроменена. От друга страна, в ставния хрущял с възрастта се установява увеличение на концентрацията на кръстосани връзки от различни видове, образувани без участието на ензими.

Около 10% от общото количество колагени в хрущялната тъкан са така наречените минорни колагени, които до голяма степен определят уникалната функция на тази тъкан. Колаген тип IX принадлежи към молекулите с къса спирала от клас III и към уникална група колагени FACIT (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices). Състои се от три генетично различни вериги. Едната от тях, веригата _a2, е гликозилирана едновременно с хондроитин сулфат, което прави тази молекула протеогликан. Между спиралните сегменти на колаген тип IX и колаген тип II се откриват както зрели, така и незрели хидроксипиридинови кръстосани връзки. Колаген IX може да функционира и като междумолекулен-междуфибриларен "конектор" (или мост) между съседни колагенови фибрили. Молекулите на колаген IX образуват кръстосани връзки помежду си, което повишава механичната стабилност на фибриларната триизмерна мрежа и я предпазва от въздействието на ензимите. Те също така осигуряват устойчивост на деформация, ограничавайки подуването на протеогликаните, разположени вътре в мрежата. В допълнение към анионната CS верига, молекулата на колаген IX съдържа катионен домен, който придава голям заряд на фибрилата и склонност към взаимодействие с други матрични макромолекули.

Колагенът тип XI представлява само 2-3% от общата колагенова маса. Той принадлежи към колагени от клас I (фибрилообразуващи) и се състои от три различни α-вериги. Заедно с колаген типове II и IX, колаген тип XI образува хетеротипни фибрили на ставния хрущял. Молекули на колаген тип XI са открити в колагенови фибрили от тип II чрез имуноелектромикроскопия. Те вероятно организират молекулите на колаген тип II, контролирайки страничния растеж на фибрилите и определяйки диаметъра на хетеротипната колагенова фибрила. Освен това, колаген XI участва в образуването на кръстосани връзки, но дори в зрелия хрущял, кръстосаните връзки остават под формата на незрели двувалентни кетоамини.

Малки количества колаген тип VI, друг член на молекулите с къса спирала от клас III, се намират в ставния хрущял. Колаген тип VI образува различни микрофибрили и вероятно е концентриран в капсулната матрица на хондрона.

Протеогликаните са протеини, към които поне една гликозаминогликанова верига е ковалентно свързана. Протеогликаните са сред най-сложните биологични макромолекули. Протеогликаните са най-изобилни в извънклетъчната мембрана (ECM) на хрущяла. „Вплетени“ в мрежа от колагенови фибрили, хидрофилните протеогликани изпълняват основната си функция - те придават на хрущяла способността да се деформира обратимо. Предполага се, че протеогликаните изпълняват и редица други функции, чиято същност не е напълно изяснена.

Агреканът е основният протеогликан на ставния хрущял, съставляващ приблизително 90% от общата протеогликанова маса в тъканта. Неговият основен протеин от 230 kD е гликозилиран от множество ковалентно свързани гликозаминогликанови вериги и N-терминални и C-терминални олигозахариди.

Гликозаминогликановите вериги на ставния хрущял, които съставляват около 90% от общата маса на макромолекулите, са кератан сулфат (последователност от сулфатирания дизахарид N-ацетил глюкозамино лактоза с множество сулфатирани места и други монозахаридни остатъци като сиалова киселина) и хондроитин сулфат (последователност от дизахарид N-ацетил галактозамин глюкуронова киселина със сулфатен естер, прикрепен към всеки четвърти или шести въглероден атом на N-ацетил галактозамин).

Основният протеин на агрекана съдържа три глобуларни (G1, G2, G3) и два интерглобуларни (E1 и E2) домена. N-терминалният регион съдържа G1 и G2 домейните, разделени от E1 сегмента, който е с дължина 21 nm. C3 домейнът, разположен в C-терминалния регион, е отделен от G2 _от по-дълъг (около 260 nm) E2 сегмент, който носи повече от 100 вериги хондроитин сулфати, около 15-25 вериги кератинови сулфати и O-свързани олигозахариди. N-свързаните олигозахариди се намират главно в G1 и C2 домейните и E1 сегмента, както и близо до G3 _{региона}. Гликозаминогликаните са групирани в два региона: най-дългият (т. нар. богат на хондроитин сулфат регион) съдържа вериги хондроитин сулфат и около 50% вериги кератан сулфат. Богатият на кератан сулфат регион е разположен в E2 _{сегмента} близо до G1 домейна и предхожда богатия на хондроитин сулфат регион. Молекулите на агреканите съдържат също фосфатни естери, разположени предимно върху ксилозните остатъци, които свързват веригите на хондроитин сулфата с основния протеин; те се намират и върху серинните остатъци на основния протеин.

С-терминалният сегмент на С3 _{домейна} е силно хомоложен на лектина, което позволява протеогликановите молекули да бъдат фиксирани в извънклетъчната мембрана (ECM) чрез свързване с определени въглехидратни структури.

Последните проучвания идентифицираха екзон, кодиращ EGF-подобен поддомен в G3 _. Използвайки поликлонални антитела срещу EGF, EGF-подобният епитоп беше локализиран в 68-kD пептид в агрекан на човешки ставен хрущял. Функцията му обаче остава да бъде изяснена. Този поддомен се открива и в адхезионни молекули, които контролират миграцията на лимфоцитите. Само около една трета от агрекановите молекули, изолирани от зрял човешки ставен хрущял, съдържат непокътнат C3 _домен; това вероятно се дължи на факта, че агрекановите молекули могат да бъдат ензимно намалени по размер в извънклетъчната мембрана (ECM). Съдбата и функцията на разцепените фрагменти са неизвестни.

Основният функционален сегмент на молекулата на агрекана е гликозаминогликан-съдържащият Е2 _{сегмент}. Регионът, богат на кератан сулфати, съдържа аминокиселините пролин, серин и треонин. Повечето от сериновите и треониновите остатъци са О-гликозилирани с N-ацетилгалактозаминови остатъци; те инициират синтеза на определени олигозахариди, които се включват във веригите на кератан сулфата, като по този начин ги удължават. Останалата част от Е2 сегмента _{съдържа} повече от 100 серин-глицинови последователности, в които серинът осигурява прикрепване към ксилозилови остатъци в началото на веригите на хондроитин сулфата. Обикновено както хондроитин-6-сулфатът, така и хондроитин-4-сулфатът съществуват едновременно в една и съща протеогликанова молекула, като съотношението им варира в зависимост от локализацията на хрущялната тъкан и възрастта на човека.

Структурата на агрекановите молекули в матрицата на ставния хрущял при човека претърпява редица промени по време на съзряването и стареенето. Промените, свързани със стареенето, включват намаляване на хидродинамичния размер поради промяна в средната дължина на хондроитин сулфатните вериги и увеличаване на броя и дължината на кератан сулфатните вериги. Редица промени в агрекановата молекула са причинени и от действието на протеолитични ензими (напр. агреканаза и стромелезин) върху основния протеин. Това води до прогресивно намаляване на средната дължина на основния протеин на агрекановата молекула.

Молекулите агрекан се синтезират от хондроцити и се секретират в извънклетъчната мембрана (ECM), където образуват агрегати, стабилизирани от молекули линкерни протеини. Тази агрегация включва високо специфични нековалентни и кооперативни взаимодействия между верига глюкуронова киселина и близо 200 молекули агрекан и линкерни протеини. Глюкуроновата киселина е извънклетъчен, несулфатиран, високомолекулен линеен гликозаминогликан, съставен от множество последователно свързани молекули N-ацетилглюкозамин и глюкуронова киселина. Сдвоените бримки на G1 домейна на агрекана обратимо взаимодействат с пет последователно разположени дизахариди на хиалуронова киселина. Линкерният протеин, който съдържа подобни (силно хомоложни) сдвоени бримки, взаимодейства с C1 домейна и молекулата на хиалуроновата киселина и стабилизира структурата на агрегата. Комплексът C1 домейн - хиалуронова киселина - свързващ протеин образува високостабилно взаимодействие, което защитава G1 домейна и свързващия протеин от действието на протеолитични ензими. Идентифицирани са две молекули на свързващия протеин с молекулно тегло 40-50 kDa; те се различават една от друга по степента на гликозилиране. Само една молекула от свързващия протеин присъства на мястото на връзката хиалуронова киселина - агрекан. Третата, по-малка, молекула от свързващия протеин се образува от по-големи чрез протеолитично разцепване.

Около 200 агреканови молекули могат да се свържат с една молекула хиалуронова киселина, за да образуват агрегат с дължина 8 μm. В клетъчно-асоциираната матрица, състояща се от перицелуларни и териториални отделения, агрегатите поддържат връзката си с клетките чрез свързване (чрез нишка на хиалуронова киселина) с CD44-подобни рецептори върху клетъчната мембрана.

Образуването на агрегати в извънклетъчната мембрана (ECM) е сложен процес. Новосинтезираните агреканови молекули не проявяват веднага способността да се свързват с хиалуронова киселина. Това може да служи като регулаторен механизъм, позволяващ на новосинтезираните молекули да достигнат до интертериториалната зона на матрицата, преди да бъдат имобилизирани в големи агрегати. Броят на новосинтезираните агреканови молекули и свързващите протеини, способни да образуват агрегати чрез взаимодействие с хиалуроновата киселина, намалява значително с възрастта. Освен това, размерът на агрегатите, изолирани от човешки ставен хрущял, намалява значително с възрастта. Това се дължи отчасти на намаляване на средната дължина на молекулите на хиалуроновата киселина и агрекановите молекули.

В ставния хрущял са установени два вида агрегати. Средният размер на първия тип агрегати е 60 S, докато на втория тип (бързо утаяващи се „суперагрегати“) е 120 S. Последният се отличава с изобилие от молекули на свързващия протеин. Наличието на тези суперагрегати може да играе основна роля във функционирането на тъканта; по време на възстановяването на тъканите след обездвижване на крайника, по-високи концентрации от тях се откриват в средните слоеве на ставния хрущял, докато в става, засегната от остеоартроза, размерите им са значително намалени в ранните стадии на заболяването.

В допълнение към агрекана, ставният хрущял съдържа редица по-малки протеогликани. Бигликанът и декоринът, молекули, които пренасят дерматан сулфати, имат молекулни тегла съответно около 100 и 70 kDa; масата на основния им протеин е около 30 kDa.

В човешкия ставен хрущял, молекулата бигликан съдържа две вериги дерматан сулфат, докато по-често срещаният декорин съдържа само една. Тези молекули съставляват само малка част от протеогликаните в ставния хрущял, въпреки че могат да бъдат толкова многобройни, колкото и големите агрегирани протеогликани. Малките протеогликани взаимодействат с други макромолекули в извънклетъчната мембрана (ECM), включително колагенови фибрили, фибронектин, растежни фактори и др. Декоринът е локализиран предимно на повърхността на колагеновите фибрили и инхибира колагеновата фибрилогенеза. Основният протеин е здраво закрепен с клетъчно-свързващия домейн на фибронектина, като по този начин вероятно предотвратява свързването на последния с клетъчната повърхностни рецептори (интегрини). Тъй като както декоринът, така и бигликанът се свързват с фибронектин и инхибират клетъчната адхезия и миграция, както и образуването на тромби, те са способни да инхибират процесите на възстановяване на тъканите.

Фибромодулинът на ставния хрущял е протеогликан с молекулно тегло 50-65 kD, свързан с колагенови фибрили. Неговият основен протеин, хомоложен на основните протеини декорин и бигликан, съдържа голям брой тирозин сулфатни остатъци. Тази гликозилирана форма на фибромодулин (наричан по-рано матричен протеин с 59 kD) може да участва в регулирането на образуването и поддържането на структурата на колагеновите фибрили. Фибромодулинът и декоринът са разположени на повърхността на колагеновите фибрили. По този начин, както беше посочено по-рано, увеличаването на диаметъра на фибрилите трябва да бъде предшествано от селективно отстраняване на тези протеогликани (както и на молекулите на колаген тип IX).

Ставният хрущял съдържа редица протеини в извънклетъчната мембрана (ECM), които не са нито протеогликани, нито колагени. Те взаимодействат с други макромолекули, за да образуват мрежа, която включва повечето молекули на ECM.

Анкоринът, 34 kD протеин, е локализиран на повърхността на хондроцитите и в клетъчната мембрана, като медиира взаимодействията между клетката и матрикса. Поради високия си афинитет към колаген тип II, той може да действа като механорецептор, предавайки сигнал за променено налягане върху фибрилата към хондроцита.

Фибронектинът е компонент на повечето хрущялни тъкани и се различава леко от плазмения фибронектин. Смята се, че фибронектинът насърчава матриксната интеграция чрез взаимодействие с клетъчните мембрани и други матрични компоненти, като колаген тип II и тромбоспондин. Фрагментите на фибронектин имат отрицателен ефект върху метаболизма на хондроцитите: те инхибират синтеза на агрекани и стимулират катаболните процеси. Високи концентрации на фибронектинови фрагменти са открити в ставната течност на пациенти с остеоартрит, така че те могат да участват в патогенезата на заболяването в късни стадии. Фрагменти от други матрични молекули, които се свързват с хондроцитни рецептори, вероятно имат подобни ефекти.

Олигомерният матричен протеин на хрущяла (OMPC), член на суперсемейството тромбоспондини, е пентамер с пет идентични субединици с молекулно тегло около 83 kDa. Те се намират в големи количества в ставния хрущял, особено в слоя от пролифериращи клетки в растящата тъкан. Следователно е възможно OMPC да участва в регулирането на клетъчния растеж. Те се намират в много по-ниски концентрации в извънклетъчната мембрана на зрелия ставен хрущял. Матричните протеини включват също:

• основният матричен протеин (36 kDa), който има висок афинитет към хондроцитите, може да медиира клетъчно-клетъчните взаимодействия в извънклетъчната мембрана (ECM), например по време на тъканно ремоделиране;
• GP-39 (39 kDa) се експресира в повърхностния слой на ставния хрущял и в синовиалната мембрана (функциите му са неизвестни);
• 21 kD протеинът се синтезира от хипертрофирани хондроцити, взаимодейства с колаген тип X и може да функционира в зоната на „вълнообразната линия“.

Освен това е очевидно, че хондроцитите експресират негликозилирани форми на малки неагрегирани протеогликани на определени етапи от развитието на хрущяла и при патологични условия, но тяхната специфична функция в момента е в процес на проучване.

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

Функционални свойства на ставния хрущял

Молекулите агрекан осигуряват на ставния хрущял способността да претърпява обратима деформация. Те демонстрират специфични взаимодействия в извънклетъчното пространство и несъмнено играят важна роля в организацията, структурата и функцията на извънклетъчния матрикс (ECM). В хрущялната тъкан молекулите агрекан достигат концентрация от 100 mg/ml. В хрущяла молекулите агрекан са компресирани до 20% от обема, който заемат в разтвор. Триизмерна мрежа, образувана от колагенови фибрили, придава на тъканта характерната ѝ форма и предотвратява увеличаването на обема на протеогликаните. В рамките на колагеновата мрежа неподвижните протеогликани носят голям отрицателен електрически заряд (те съдържат голям брой анионни групи), което им позволява да взаимодействат с подвижните катионни групи на интерстициалната течност. Взаимодействайки с водата, протеогликаните осигуряват така нареченото налягане на подуване, което се противодейства от колагеновата мрежа.

Наличието на вода в извънклетъчния матрикс (ECM) е много важно. Водата определя обема на тъканта; свързана с протеогликани, тя осигурява устойчивост на компресия. Освен това, водата осигурява транспорт на молекули и дифузия в ECM. Високата плътност на отрицателния заряд върху големите протеогликани, фиксирани в тъканта, създава "ефект на изключен обем". Размерът на порите на интраконцентрирания разтвор на протеогликани е толкова малък, че дифузията на големи глобуларни протеини в тъканта е рязко ограничена. ECM отблъсква малки отрицателно заредени протеини (напр. хлоридни йони) и големи протеини (като албумин и имуноглобулини). Размерът на клетките в гъстата мрежа от колагенови фибрили и протеогликани е сравним само с размера на някои неорганични молекули (напр. натрий и калий, но не и калций).

В извънклетъчната мембрана (ECM) известно количество вода се съдържа в колагеновите фибрили. Екстрафибриларното пространство определя физикохимичните и биомеханичните свойства на хрущяла. Съдържанието на вода в интрафибриларното пространство зависи от концентрацията на протеогликани в екстрафибриларното пространство и се увеличава с намаляване на концентрацията на последните.

Фиксираният отрицателен заряд върху протеогликаните определя йонния състав на извънклетъчната среда, която съдържа свободни катиони във висока концентрация и свободни аниони в ниска концентрация. С увеличаването на концентрацията на агреканови молекули от повърхностната към дълбоката зона на хрущяла, йонната среда на тъканта се променя. Концентрацията на неорганични йони в извънклетъчната мембрана (ECM) създава високо осмотично налягане.

Материалните свойства на хрущяла зависят от взаимодействието на колагеновите фибрили, протеогликаните и течната фаза на тъканта. Структурните и композиционни промени, свързани с несъответствието между процесите на синтез и катаболизъм, разграждането на макромолекули и физическата травма, значително влияят върху материалните свойства на хрущяла и променят неговата функция. Тъй като концентрацията, разпределението и макромолекулната организация на колагените и протеогликаните се променят в зависимост от дълбочината на хрущялната зона, биомеханичните свойства на всяка зона варират. Например, повърхностната зона с висока концентрация на колаген, тангенциално разположени фибрили и относително ниска концентрация на протеогликани има най-силно изразени свойства да се съпротивлява на разтягане, разпределяйки натоварването равномерно по цялата повърхност на тъканта. В преходните и дълбоките зони високата концентрация на протеогликани придава на тъканта свойството да издържа на компресионно натоварване. На нивото на „вълнообразната линия“ материалните свойства на хрущяла се променят рязко от гъвкавата некалцифицирана зона към по-твърдия минерализиран хрущял. В областта на „вълнообразната линия“ здравината на тъканта се осигурява от колагеновата мрежа. Подлежащите хрущялни участъци не са пресечени от колагенови фибрили; в областта на остеохондралната връзка здравината на тъканта се осигурява от специалните контури на границата между некалцифицираните и калцифицираните хрущялни зони под формата на неправилни пръстовидни израстъци, което „затваря“ двата слоя и предотвратява тяхното разделяне. Калцифицираният хрущял е по-малко плътен от субхондралната кост, като по този начин функционира като междинен слой, който омекотява компресивното натоварване върху хрущяла и го прехвърля към субхондралната кост.

По време на натоварване се получава сложно разпределение на три сили - разтягане, срязване и компресия. Ставната матрица се деформира поради изтласкването на вода (както и продукти на клетъчния метаболизъм) от зоната на натоварване, концентрацията на йони в интерстициалната течност се увеличава. Движението на водата зависи пряко от продължителността и силата на приложеното натоварване и се забавя от отрицателния заряд на протеогликаните. По време на деформация на тъканите протеогликаните се притискат по-плътно един към друг, като по този начин ефективно се увеличава плътността на отрицателния заряд, а междумолекулните сили, които отблъскват отрицателния заряд, от своя страна увеличават съпротивлението на тъканта на по-нататъшна деформация. В крайна сметка деформацията достига равновесие, при което външните сили на натоварване се балансират от вътрешни сили на съпротивление - налягане на подуване (взаимодействие на протеогликани с йони) и механично напрежение (взаимодействие на протеогликани и колагени). Когато натоварването се премахне, хрущялната тъкан придобива първоначалната си форма, като абсорбира вода заедно с хранителни вещества. Първоначалната (предварително натоварване) форма на тъканта се постига, когато налягането на подуване на протеогликаните се балансира от съпротивлението на колагеновата мрежа на тяхното разпространение.

Биомеханичните свойства на ставния хрущял се основават на структурната цялост на тъканта - колаген-протеогликанов състав като твърда фаза и вода и разтворени йони като течна фаза. В ненатоварено състояние хидростатичното налягане на ставния хрущял е около 1-2 атм. Това хидростатично налягане може да се увеличи in vivo до 100-200 атм на милисекунда по време на стоене и до 40-50 атм по време на ходене. In vitro проучвания показват, че хидростатичното налягане от 50-150 атм (физиологично) води до умерено повишаване на анаболизма на хрущяла за кратък период от време, а за повече от 2 часа води до загуба на хрущялна течност, но не причинява други промени. Въпросът колко бързо хондроцитите реагират in vivo на този вид натоварване остава нерешен.

Индуцираното намаляване на хидратацията с последващо повишаване на концентрацията на протеогликани води до привличане на положително заредени йони като H ⁺ и Na ⁺. Това води до промяна в общия йонен състав и pH на извънклетъчната мембрана (ECM) и хондроцитите. Дългосрочните упражнения предизвикват намаляване на pH и едновременно с това намаляване на синтеза на протеогликани от хондроцитите. Възможно е влиянието на извънклетъчната йонна среда върху синтетичните процеси да е отчасти свързано с влиянието ѝ върху състава на ECM. Новосинтезираните агреканови молекули узряват в агрегирани форми по-късно в слабо киселинна среда, отколкото при нормални условия. Вероятно намаляването на pH около хондроцитите (напр. по време на упражнения) позволява на повече новосинтезирани агреканови молекули да достигнат до интертериториалната матрица.

Когато натоварването се премахне, водата се връща от синовиалната кухина, носейки хранителни вещества за клетките. В хрущяла, засегнат от остеоартрит, концентрацията на протеогликани е намалена, следователно по време на натоварване водата се движи не само вертикално в синовиалната кухина, но и в други посоки, като по този начин намалява храненето на хондроцитите.

Обездвижването или лекото натоварване водят до значително намаляване на синтеза на хрущял и съдържанието на протеогликан, докато повишеното динамично натоварване води до умерено увеличение на синтеза и съдържанието на протеогликан. Интензивните упражнения (20 км/ден в продължение на 15 седмици) при кучета предизвикват промени в съдържанието на протеогликани, по-специално рязко намаляване на тяхната концентрация в повърхностната зона. Настъпва известно обратимо омекване на хрущяла и субхондрално костно ремоделиране. Силното статично натоварване обаче причинява увреждане на хрущяла и последваща дегенерация. Освен това, загубата на агрекан от извънклетъчната мембрана (ECM) инициира анормални промени, характерни за остеоартрита. Загубата на агрекан води до привличане на вода и подуване на малкото количество останал протеогликан. Това разтваряне на агрекан допринася за намаляване на локалната плътност на фиксирания заряд и в крайна сметка води до промяна в осмоларността.