Slidgigt: Hvordan er ledbrusken organiseret?

Normal ledbrusk udfører to hovedfunktioner: at absorbere tryk ved deformation under mekanisk belastning og at give glathed af ledfladerne, hvilket minimerer friktion under ledbevægelser. Dette sikres af ledbruskens unikke struktur, som består af kondroitiner nedsænket i den ekstracellulære matrix (ECM).

Normal ledbrusk hos voksne kan opdeles i flere lag eller zoner: den overfladiske eller tangentielle zone, overgangszonen, den dybe eller radiale zone og den forkalkede zone. Laget mellem de overfladiske og overgangszoner, og især mellem overgangs- og dybe zoner, har ingen klare grænser. Overgangen mellem den ikke-forkalkede og forkalkede ledbrusk kaldes den "bølgede kant" - en linje, der er synlig ved farvning af afkalket væv. Den forkalkede bruskzone udgør en relativt konstant andel (6-8%) af bruskens samlede tværsnitshøjde. Den samlede tykkelse af ledbrusk, inklusive den forkalkede bruskzone, varierer afhængigt af belastningen på et bestemt område af ledfladen og af ledtypen. Intermitterende hydrostatisk tryk i den subkondrale knogle spiller en vigtig rolle i at opretholde bruskens normale struktur ved at bremse ossifikationen.

Kondrocytter udgør cirka 2-3% af den samlede vævsmasse; i den overfladiske (tangentiale) zone er de placeret langs, og i den dybe (radiale) zone - vinkelret på bruskofladen; i overgangszonen danner kondrocytter grupper af 2-4 celler spredt over hele matrixen. Afhængigt af zonen af ledbrusk varierer tætheden af kondrocytter - den højeste celletæthed er i den overfladiske zone, den laveste - i den forkalkede zone. Derudover varierer tætheden af cellefordelingen fra led til led, den er omvendt proportional med bruskens tykkelse og den belastning, som det tilsvarende område oplever.

De mest overfladisk placerede kondrocytter er skiveformede og danner flere lag af celler i den tangentielle zone, der er placeret under en smal strimmel af matrix; de dybere placerede celler i denne zone har en tendens til at have mere ujævne konturer. I overgangszonen er kondrocytter sfæriske, nogle gange kombineres de i små grupper spredt i matrixen. Kondrocytter i den dybe zone er overvejende ellipsoide i form, grupperet i radialt placerede kæder af 2-6 celler. I den forkalkede zone er de fordelt endnu mere sparsomt; nogle af dem er nekrotiske, selvom de fleste er levedygtige. Cellerne er omgivet af en ikke-forkalket matrix, det intercellulære rum er forkalket.

Menneskelig ledbrusk består således af hydreret ECM og celler nedsænket i den, hvilket udgør 2-3% af det samlede vævsvolumen. Da bruskvæv ikke har blod- eller lymfekar, udføres interaktionen mellem cellerne, tilførsel af næringsstoffer til dem og fjernelse af metaboliske produkter ved diffusion gennem ECM. På trods af at chondrocytter er meget aktive metabolisk, deler de sig normalt ikke hos voksne. Chondrocytter eksisterer i et iltfrit miljø, og deres metabolisme menes at være overvejende anaerob.

Hver kondrocyt betragtes som en separat metabolisk enhed af brusk, isoleret fra naboceller, men ansvarlig for produktionen af ECM-elementer i umiddelbar nærhed af den donerede celle og vedligeholdelsen af dens sammensætning.

ECM er opdelt i tre sektioner, hver med en unik morfologisk struktur og en specifik biokemisk sammensætning. ECM'en, der ligger umiddelbart ved siden af kondrocytternes basalmembran, kaldes den pericellulære eller lakunære matrix. Den er karakteriseret ved et højt indhold af proteoglykanaggregater, der er forbundet med cellen gennem interaktionen af hyaluronsyre med CD44-lignende receptorer, og en relativ mangel på organiserede kollagenfibriller. Direkte ved siden af den pericellulære matrix ligger den territoriale eller kapselmatrix, som består af et netværk af krydsende fibrillære kollagener, der indkapsler individuelle celler eller (nogle gange) grupper af celler, danner en kondron og sandsynligvis yder specialiseret mekanisk støtte til cellerne. Kondrocytters kontakt med kapselmatrixen opnås gennem adskillige cytoplasmatiske processer, der er rige på mikrofilamenter, samt gennem specifikke matrixmolekyler såsom ancorin og CD44-lignende receptorer. Den største og mest fjerntliggende del af ECM fra kondrocytternes basalmembran er den interterritoriale matrix, som indeholder det største antal kollagenfibriller og proteoglykaner.

Opdelingen af ECM i kompartmenter er mere tydeligt defineret i voksen ledbrusk end i umoden ledbrusk. Den relative størrelse af hvert kompartment varierer ikke kun mellem led, men også inden for den samme brusk. Hver kondrocyt producerer en matrix, der omgiver den. Ifølge forskning udøver kondrocytter i modent bruskvæv aktiv metabolisk kontrol over deres pericellulære og territoriale matricer, og de udøver mindre aktiv kontrol over den interterritoriale matrix, som kan være metabolisk "inert".

Som tidligere nævnt består ledbrusk hovedsageligt af omfattende ECM syntetiseret og reguleret af kondrocytter. Vævsmakromolekyler og deres koncentrationer ændrer sig gennem livet i overensstemmelse med skiftende funktionelle behov. Det er dog fortsat uklart, om celler syntetiserer hele matrixen samtidigt eller i bestemte faser i overensstemmelse med fysiologiske behov. Koncentrationen af makromolekyler, den metaboliske balance mellem dem, deres forhold og interaktioner bestemmer de biokemiske egenskaber og dermed funktionen af ledbrusk i et enkelt led. Hovedkomponenten i ECM i voksen ledbrusk er vand (65-70% af den samlede masse), som er fast bundet i den på grund af de særlige fysiske egenskaber ved bruskvævsmakromolekyler, der er en del af kollagener, proteoglykaner og ikke-kollagene glykoproteiner.

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

Biokemisk sammensætning af brusk

Kollagenfibre består af molekyler af det fibrillære protein kollagen. Hos pattedyr udgør kollagen en fjerdedel af alle proteiner i kroppen. Kollagen danner fibrillære elementer (kollagenfibriller) bestående af strukturelle underenheder kaldet tropokollagen. Tropokollagenmolekylet har tre kæder, der danner en triple helix. Denne struktur af tropokollagenmolekylet, såvel som strukturen af kollagenfibrene, er, når disse molekyler er placeret parallelt i længderetningen med en konstant forskydning på ca. 1/4 af længden, og giver høj elasticitet og styrke til det væv, de er placeret i. I øjeblikket kendes 10 genetisk forskellige typer kollagen, der adskiller sig i den kemiske struktur af α-kæderne og/eller deres placering i molekylet. De bedst studerede første fire typer kollagen er i stand til at danne op til 10 molekylære isoformer.

Kollagenfibriller er en del af det ekstracellulære rum i de fleste bindevæv, herunder brusk. Indviklet i det uopløselige tredimensionelle netværk af krydsende kollagenfibriller er andre mere opløselige komponenter såsom proteoglykaner, glykoproteiner og vævsspecifikke proteiner; disse er undertiden kovalent bundet til kollagenelementerne.

Kollagenmolekyler organiseret i fibriller udgør omkring 50% af den organiske tørre rest i brusk (10-20% af nativ brusk). I moden brusk er omkring 90% af kollagenerne type II-kollagener, som kun findes i nogle væv (f.eks. glaslegemet, den embryonale rygstreng). Type II-kollagen tilhører klasse I (fibrildannende) kollagenmolekyler. Derudover indeholder moden human ledbrusk også kollagener af typerne IX, XI og en lille mængde af type VI. Den relative mængde af type IX-kollagenfibre i kollagenfibriller falder fra 15% i føtal brusk til omkring 1% i moden bovin brusk.

Type I kollagenmolekyler består af tre identiske polypeptid a, (II)-kæder, der syntetiseres og udskilles som precursor-prokollagen. Når de færdige kollagenmolekyler frigives til det ekstracellulære rum, danner de fibriller. I moden ledbrusk danner type II kollagen fibrillære arkader, hvor de "tykkere" molekyler er placeret i de dybe lag af vævet, og de "tyndere" er placeret vandret i de overfladiske lag.

Et exon, der koder for et cysteinrigt N-terminalt propeptid, er blevet fundet i prokollagen type II-genet. Dette exon udtrykkes ikke i moden brusk, men i de tidlige udviklingsstadier (prækondrogenese). På grund af tilstedeværelsen af dette exon er prokollagen type II-molekylet (type II A) længere end kollagen type II. Ekspressionen af denne type prokollagen hæmmer sandsynligvis akkumuleringen af elementer i ledbruskens ECM. Det kan spille en vis rolle i udviklingen af bruskpatologi (f.eks. utilstrækkelig reparativ respons, osteofytdannelse osv.).

Netværket af type II kollagenfibriller fungerer som modstandsdygtighed over for strækning og er nødvendigt for at opretholde vævets volumen og form. Denne funktion forstærkes af kovalente bindinger og tværbindinger mellem kollagenmolekyler. I ECM danner enzymet lysyloxidase et aldehyd fra hydroxylysin, som derefter omdannes til den multivalente aminosyre hydroxylysylpyridinolin, som danner tværbindinger mellem kæderne. På den ene side stiger koncentrationen af denne aminosyre med alderen, men i moden brusk forbliver den stort set uændret. På den anden side ses der i ledbrusk en stigning med alderen i koncentrationen af tværbindinger af forskellige typer dannet uden enzymers deltagelse.

Omkring 10% af den samlede mængde kollagener i bruskvæv er de såkaldte minor kollagener, som i høj grad bestemmer vævets unikke funktion. Kollagen type IX tilhører klasse III korthelixmolekyler og en unik gruppe af FACIT-kollagener (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices). Det består af tre genetisk forskellige kæder. En af dem, _a2- kæden, er glycosyleret samtidigt med chondroitinsulfat, hvilket gør dette molekyle til en proteoglykan. Både modne og umodne hydroxypyridin-tværbindinger findes mellem de spiralformede segmenter af kollagen type IX og kollagen type II. Kollagen IX kan også fungere som en intermolekylær-interfibrillær "forbindelse" (eller bro) mellem tilstødende kollagenfibriller. Kollagen IX-molekyler danner tværbindinger med hinanden, hvilket øger den mekaniske stabilitet af det fibrillære tredimensionelle netværk og beskytter det mod virkningerne af enzymer. De giver også modstand mod deformation, hvilket begrænser hævelsen af proteoglykaner placeret inde i netværket. Ud over den anioniske CS-kæde indeholder kollagen IX-molekylet et kationisk domæne, som giver fibrillen en stor ladning og en tendens til at interagere med andre matrixmakromolekyler.

Kollagen type XI udgør kun 2-3% af den samlede kollagenmasse. Det tilhører klasse I (fibrildannende) kollagener og består af tre forskellige α-kæder. Sammen med kollagen type II og IX danner kollagen type XI heterotypiske fibriller i ledbrusk. Molekyler af kollagen type XI er blevet detekteret i kollagenfibriller af type II ved hjælp af immunoelektromikroskopi. De organiserer sandsynligvis kollagen type II-molekyler, kontrollerer fibrillernes laterale vækst og bestemmer diameteren af den heterotypiske kollagenfibril. Derudover er kollagen XI involveret i dannelsen af tværbindinger, men selv i moden brusk forbliver tværbindingerne i form af umodne divalente ketoaminer.

Små mængder kollagen type VI, et andet medlem af klasse III korte helixmolekyler, findes i ledbrusk. Kollagen type VI danner forskellige mikrofibriller og er sandsynligvis koncentreret i kondronens kapselmatrix.

Proteoglykaner er proteiner, hvortil mindst én glycosaminoglykankæde er kovalent bundet. Proteoglykaner er blandt de mest komplekse biologiske makromolekyler. Proteoglykaner er mest udbredte i bruskens ECM. "Flettet" ind i et netværk af kollagenfibriller udfører hydrofile proteoglykaner deres hovedfunktion - de giver brusk evnen til at deformeres reversibelt. Det antages, at proteoglykaner også udfører en række andre funktioner, hvis essens ikke er helt klar.

Aggrecan er den primære proteoglykan i ledbrusk og udgør cirka 90 % af den samlede proteoglykanmasse i vævet. Dets 230 kD kerneprotein er glycosyleret af flere kovalent forbundne glycosaminoglykankæder og N-terminale og C-terminale oligosaccharider.

Glykosaminoglykankæderne i ledbrusk, som udgør omkring 90% af den samlede masse af makromolekyler, er keratansulfat (en sekvens af det sulfaterede disaccharid N-acetylglucosaminolaktose med flere sulfaterede steder og andre monosaccharidrester såsom sialinsyre) og chondroitinsulfat (en sekvens af disaccharidet N-acetylgalactosaminglucuronsyre med en sulfatester bundet til hvert fjerde eller sjette kulstofatom i N-acetylgalactosamin).

Kerneproteinet i aggrecan indeholder tre globulære (G1, G2, G3) og to interglobulære (E1 og E2) domæner. Den N-terminale region indeholder G1- og G2-domænerne adskilt af E1-segmentet, som er 21 nm langt. C3-domænet, der er placeret i den C-terminale region, er adskilt fra G2 _af et længere (ca. 260 nm) E2-segment, som bærer mere end 100 kæder af chondroitinsulfater, ca. 15-25 kæder af keratinsulfater og O-bundne oligosaccharider. N-bundne oligosaccharider findes hovedsageligt inden for G1- og C2-domænerne og E1-segmentet, samt nær G3- _regionen. Glykosaminoglykaner er grupperet i to regioner: den længste (den såkaldte chondroitinsulfatrige region) indeholder chondroitinsulfatkæder og ca. 50% keratansulfatkæder. Den keratansulfatrige region er placeret på E2- _segmentet nær G1-domænet og går forud for den chondroitinsulfatrige region. Aggrecan-molekyler indeholder også phosphatestere, primært placeret på xyloseresterne, der binder chondroitinsulfatkæderne til kerneproteinet; de findes også på serinrester i kerneproteinet.

Det C-terminale segment af C3- _domænet er meget homologt med lectin, hvilket tillader proteoglykanmolekyler at blive fikseret i ECM ved at binde til visse kulhydratstrukturer.

Nyere undersøgelser har identificeret et exon, der koder for et EGF-lignende underdomæne inden for G3 _. Ved hjælp af polyklonale anti-EGF-antistoffer blev den EGF-lignende epitop lokaliseret i et 68 kD peptid i human ledbrusk-aggrecan. Dens funktion er dog stadig uafklaret. Dette underdomæne findes også i adhæsionsmolekyler, der kontrollerer lymfocytmigration. Kun omkring en tredjedel af aggrecan-molekyler isoleret fra moden human ledbrusk indeholder et intakt C3- _domæne; dette skyldes sandsynligvis, at aggrecan-molekyler kan reduceres enzymatisk i størrelse i ECM. De kløvede fragmenters skæbne og funktion er ukendt.

Det primære funktionelle segment af aggrecan-molekylet er det glycosaminoglycan-bærende E2- _segment. Regionen, der er rig på keratansulfater, indeholder aminosyrerne prolin, serin og threonin. De fleste serin- og threoninresterne er O-glykosylerede med N-acetylgalactosaminrester; de initierer syntesen af visse oligosaccharider, der er inkorporeret i keratansulfatkæderne og derved forlænger dem. Resten af E2- _segmentet indeholder mere end 100 serin-glycin-sekvenser, hvor serin binder sig til xylosylrester i begyndelsen af chondroitinsulfatkæderne. Typisk findes både chondroitin-6-sulfat og chondroitin-4-sulfat samtidigt inden for det samme proteoglykanmolekyle, hvor deres forhold varierer afhængigt af bruskvævets lokalisering og personens alder.

Strukturen af aggrecan-molekyler i den menneskelige ledbruskmatrix undergår en række ændringer under modning og aldring. Aldringsrelaterede ændringer omfatter et fald i hydrodynamisk størrelse på grund af en ændring i den gennemsnitlige længde af chondroitinsulfatkæder og en stigning i antallet og længden af keratansulfatkæder. En række ændringer i aggrecan-molekylet er også forårsaget af virkningen af proteolytiske enzymer (f.eks. aggrecanase og stromelesin) på kerneproteinet. Dette resulterer i et progressivt fald i den gennemsnitlige længde af kerneproteinet i aggrecan-molekylet.

Aggrecan-molekyler syntetiseres af chondrocytter og udskilles i ECM, hvor de danner aggregater stabiliseret af linkerproteinmolekyler. Denne aggregering involverer meget specifikke ikke-kovalente og kooperative interaktioner mellem en glucuronsyrestreng og næsten 200 aggrecan- og linkerproteinmolekyler. Glucuronsyre er en ekstracellulær, ikke-sulfateret, højmolekylær lineær glycosaminoglycan sammensat af flere sekventielt forbundne N-acetylglucosamin- og glucuronsyremolekyler. De parrede løkker i G1-domænet af aggrecan interagerer reversibelt med fem sekventielt placerede hyaluronsyredisaccharider. Linkerproteinet, som indeholder lignende (meget homologe) parrede løkker, interagerer med C1-domænet og hyaluronsyremolekylet og stabiliserer aggregatstrukturen. C1-domæne-hyaluronsyre-bindende proteinkompleks danner en meget stabil interaktion, der beskytter G1-domænet og bindingsproteinet mod virkningen af proteolytiske enzymer. To molekyler af bindingsproteinet med en molekylvægt på 40-50 kDa er blevet identificeret; De adskiller sig fra hinanden i graden af glycosylering. Kun ét molekyle af bindingsproteinet er til stede på stedet for hyaluronsyre-aggrecan-bindingen. Det tredje, mindre, molekyle af bindingsproteinet dannes fra større molekyler ved proteolytisk spaltning.

Omkring 200 aggrecanmolekyler kan binde sig til ét hyaluronsyremolekyle og danne et 8 μm langt aggregat. I den celleassocierede matrix, der består af pericellulære og territoriale rum, opretholder aggregaterne deres forbindelse til cellerne ved at binde (via en hyaluronsyretråd) til CD44-lignende receptorer på cellemembranen.

Dannelsen af aggregater i ECM er en kompleks proces. Nysyntetiserede aggrecanmolekyler udviser ikke umiddelbart evnen til at binde til hyaluronsyre. Dette kan tjene som en reguleringsmekanisme, der tillader nysyntetiserede molekyler at nå matrixens interterritoriale zone, før de immobiliseres til store aggregater. Antallet af nysyntetiserede aggrecanmolekyler og bindende proteiner, der er i stand til at danne aggregater ved at interagere med hyaluronsyre, falder betydeligt med alderen. Derudover falder størrelsen af aggregater isoleret fra human ledbrusk betydeligt med alderen. Dette skyldes delvist et fald i den gennemsnitlige længde af hyaluronsyremolekyler og aggrecanmolekyler.

To typer aggregater er blevet etableret i ledbrusk. Den gennemsnitlige størrelse af den første type aggregater er 60 S, mens den anden type (hurtigt udfældende "superaggregater") er 120 S. Sidstnævnte er kendetegnet ved en overflod af molekyler af det bindende protein. Tilstedeværelsen af disse superaggregater kan spille en væsentlig rolle i vævets funktion; under vævsrestaurering efter immobilisering af lemmerne findes højere koncentrationer af dem i de midterste lag af ledbrusken, mens deres størrelse i et led, der er påvirket af slidgigt, reduceres betydeligt i de tidlige stadier af sygdommen.

Ud over aggrecan indeholder ledbrusk en række mindre proteoglykaner. Biglycan og decorin, molekyler der bærer dermatansulfater, har molekylvægte på henholdsvis omkring 100 og 70 kDa; massen af deres kerneprotein er omkring 30 kDa.

I human ledbrusk indeholder biglycan-molekylet to kæder af dermatansulfat, hvorimod det mere almindelige decorin kun indeholder én. Disse molekyler udgør kun en lille brøkdel af proteoglykanerne i ledbrusk, selvom de kan være lige så talrige som store aggregerede proteoglykaner. Små proteoglykaner interagerer med andre makromolekyler i ECM, herunder kollagenfibriller, fibronektin, vækstfaktorer osv. Decorin er primært lokaliseret til overfladen af kollagenfibriller og hæmmer kollagenfibrillogenese. Kerneproteinet er tæt fastholdt med fibronektins cellebindende domæne, hvorved sidstnævnte sandsynligvis forhindres i at binde sig til celleoverfladereceptorer (integriner). Fordi både decorin og biglycan binder sig til fibronektin og hæmmer celleadhæsion og -migration, samt trombedannelse, er de i stand til at hæmme vævsreparationsprocesser.

Fibromodulin i ledbrusk er en proteoglykan med en molekylvægt på 50-65 kD associeret med kollagenfibriller. Dens kerneprotein, homolog med kerneproteinerne decorin og biglycan, indeholder et stort antal tyrosinsulfatrester. Denne glycosylerede form af fibromodulin (tidligere kaldet 59 kD matrixproteinet) kan deltage i reguleringen af dannelsen og vedligeholdelsen af kollagenfibrillernes struktur. Fibromodulin og decorin er placeret på overfladen af kollagenfibriller. Som tidligere angivet bør en stigning i fibrildiameter derfor forudgås af selektiv fjernelse af disse proteoglykaner (såvel som type IX kollagenmolekyler).

Ledbrusk indeholder en række proteiner i ECM, som hverken er proteoglykaner eller kollagener. De interagerer med andre makromolekyler og danne et netværk, der omfatter de fleste af ECM-molekylerne.

Ancorin, et 34 kD protein, er lokaliseret på overfladen af kondrocytter og i cellemembranen, hvor det medierer interaktioner mellem cellen og matrixen. På grund af sin høje affinitet for type II kollagen kan det fungere som en mekanoreceptor, der transmitterer et signal om ændret tryk på fibrillen til kondrocytten.

Fibronectin er en komponent i de fleste bruskvæv og adskiller sig en smule fra plasmafibronektin. Fibronectin menes at fremme matrixintegration ved at interagere med cellemembraner og andre matrixkomponenter, såsom type II-kollagen og thrombospondin. Fibronectinfragmenter har en negativ effekt på kondrocytmetabolismen: de hæmmer aggrecansyntesen og stimulerer kataboliske processer. Høje koncentrationer af fibronektinfragmenter er blevet fundet i ledvæsken hos patienter med slidgigt, så de kan deltage i sygdommens patogenese i sene stadier. Fragmenter af andre matrixmolekyler, der binder til kondrocytreceptorer, har sandsynligvis lignende virkninger.

Oligomert matrixprotein i brusk (OMPC), et medlem af thrombospondin-superfamilien, er en pentamer med fem identiske underenheder med en molekylvægt på omkring 83 kDa. De findes i store mængder i ledbrusk, især i laget af prolifererende celler i voksende væv. Derfor er det muligt, at OMPC er involveret i reguleringen af cellevækst. De findes i meget lavere koncentrationer i ECM i moden ledbrusk. Matrixproteiner omfatter også:

• basisk matrixprotein (36 kDa), som har høj affinitet for chondrocytter, kan mediere celle-celle-interaktioner i ECM, såsom under vævsombygning;
• GP-39 (39 kDa) udtrykkes i det overfladiske lag af ledbrusk og i synovialmembranen (dens funktioner er ukendte);
• 21 kD protein syntetiseres af hypertrofierede chondrocytter, interagerer med type X-kollagen og kan fungere i "bølgelinjezonen".

Derudover er det tydeligt, at chondrocytter udtrykker ikke-glykosylerede former af små, ikke-aggregerede proteoglykaner på visse stadier af bruskudviklingen og under patologiske forhold, men deres specifikke funktion er i øjeblikket under undersøgelse.

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

Funktionelle egenskaber ved ledbrusk

Aggrecan-molekyler giver ledbrusk evnen til at undergå reversibel deformation. De udviser specifikke interaktioner i det ekstracellulære rum og spiller utvivlsomt en vigtig rolle i ECM's organisering, struktur og funktion. I bruskvæv når aggrecan-molekyler en koncentration på 100 mg/ml. I brusk er aggrecan-molekyler komprimeret til 20% af det volumen, de optager i opløsning. Et tredimensionelt netværk dannet af kollagenfibriller giver vævet dets karakteristiske form og forhindrer en stigning i volumenet af proteoglykaner. Inden for kollagennetværket bærer immobile proteoglykaner en stor negativ elektrisk ladning (de indeholder et stort antal anioniske grupper), hvilket giver dem mulighed for at interagere med mobile kationiske grupper i den interstitielle væske. Ved at interagere med vand skaber proteoglykaner det såkaldte hævelsestryk, som modvirkes af kollagennetværket.

Tilstedeværelsen af vand i ECM er meget vigtig. Vand bestemmer vævets volumen; bundet til proteoglykaner giver det modstand mod kompression. Derudover sørger vand for transport af molekyler og diffusion i ECM. Den høje tæthed af negativ ladning på store proteoglykaner, der er fikseret i vævet, skaber den "ekskluderede volumeneffekt". Porestørrelsen af den intrakoncentrerede opløsning af proteoglykaner er så lille, at diffusionen af store globulære proteiner ind i vævet er stærkt begrænset. ECM frastøder små negativt ladede proteiner (f.eks. kloridioner) og store proteiner (såsom albumin og immunoglobuliner). Størrelsen af cellerne i det tætte netværk af kollagenfibriller og proteoglykaner kan kun sammenlignes med størrelsen af nogle uorganiske molekyler (f.eks. natrium og kalium, men ikke calcium).

I ECM er der noget vand til stede i kollagenfibriller. Det ekstrafibrillære rum bestemmer bruskens fysisk-kemiske og biomekaniske egenskaber. Vandindholdet i det intrafibrillære rum afhænger af koncentrationen af proteoglykaner i det ekstrafibrillære rum og stiger med et fald i koncentrationen af sidstnævnte.

Den faste negative ladning på proteoglykaner bestemmer den ioniske sammensætning af det ekstracellulære medium, som indeholder frie kationer i høj koncentration og frie anioner i lav koncentration. Når koncentrationen af aggrecanmolekyler stiger fra den overfladiske til den dybe zone af brusk, ændrer vævets ioniske miljø sig. Koncentrationen af uorganiske ioner i ECM skaber et højt osmotisk tryk.

Bruskens materialeegenskaber afhænger af interaktionen mellem kollagenfibriller, proteoglykaner og vævets flydende fase. Strukturelle og sammensætningsmæssige ændringer forbundet med uoverensstemmelsen mellem syntese- og katabolismeprocesserne, nedbrydning af makromolekyler og fysisk traume påvirker bruskens materialeegenskaber betydeligt og ændrer dens funktion. Da koncentrationen, fordelingen og den makromolekylære organisering af kollagener og proteoglykaner ændrer sig afhængigt af bruskzonens dybde, varierer de biomekaniske egenskaber i hver zone. For eksempel har den overfladiske zone med sin høje koncentration af kollagen, tangentielt placerede fibriller og relativt lave koncentration af proteoglykaner de mest udtalte egenskaber til at modstå strækning og fordele belastningen ensartet over hele vævets overflade. I overgangs- og dybe zoner giver den høje koncentration af proteoglykaner vævet egenskaben til at modstå trykbelastning. På niveau med den "bølgede linje" ændrer bruskens materialeegenskaber sig kraftigt fra den bøjelige, ikke-forkalkede zone til den mere stive mineraliserede brusk. I den "bølgede linje"-region leveres vævsstyrken af kollagennetværket. De underliggende brusksektioner krydses ikke af kollagenfibriller; i området omkring den osteokondrale overgang leveres vævsstyrken af de særlige konturer af grænsen mellem de ikke-forkalkede og forkalkede bruskzoner i form af uregelmæssige fingerlignende udvækster, som "lukker" de to lag og forhindrer deres adskillelse. Forkalket brusk er mindre tæt end den subkondrale knogle og fungerer derfor som et mellemliggende lag, der blødgør den trykpåvirkede belastning på brusken og overfører den til den subkondrale knogle.

Under belastning sker der en kompleks fordeling af tre kræfter - udvidelse, forskydning og kompression. Den artikulære matrix deformeres på grund af udstødning af vand (såvel som cellemetabolismeprodukter) fra belastningszonen, og koncentrationen af ioner i den interstitielle væske øges. Vandets bevægelse afhænger direkte af varigheden og kraften af den påførte belastning og forsinkes af den negative ladning af proteoglykaner. Under vævsdeformation presses proteoglykaner tættere mod hinanden, hvorved densiteten af den negative ladning effektivt øges, og de intermolekylære kræfter, der frastøder den negative ladning, øger til gengæld vævets modstand mod yderligere deformation. I sidste ende når deformationen en ligevægt, hvor de eksterne belastningskræfter afbalanceres af interne modstandskræfter - hævelsestryk (interaktion mellem proteoglykaner og ioner) og mekanisk stress (interaktion mellem proteoglykaner og kollagener). Når belastningen fjernes, genvinder bruskvævet sin oprindelige form ved at absorbere vand sammen med næringsstoffer. Vævets indledende (forbelastnings-) form opnås, når proteoglykanernes hævelsestryk afbalanceres af kollagennetværkets modstand mod deres spredning.

De biomekaniske egenskaber ved ledbrusk er baseret på vævets strukturelle integritet - en kollagen-proteoglykan-sammensætning som en fast fase og vand og opløste ioner som en flydende fase. Ubelastet er det hydrostatiske tryk i ledbrusken omkring 1-2 atm. Dette hydrostatiske tryk kan stige in vivo til 100-200 atm pr. millisekund under stående og til 40-50 atm under gang. In vitro-studier har vist, at et hydrostatisk tryk på 50-150 atm (fysiologisk) fører til en moderat stigning i bruskanabolisme over en kort periode, og over 2 timer fører til et tab af bruskvæske, men forårsager ikke andre ændringer. Spørgsmålet om, hvor hurtigt chondrocytter reagerer in vivo på denne type belastning, forbliver uafklaret.

Det inducerede fald i hydrering med den efterfølgende stigning i proteoglykankoncentrationen fører til tiltrækning af positivt ladede ioner såsom H ⁺ og Na ⁺. Dette fører til en ændring i den samlede ionsammensætning og pH i ECM og chondrocytter. Langvarig træning inducerer et fald i pH og samtidig et fald i proteoglykansyntese af chondrocytter. Det er muligt, at indflydelsen af det ekstracellulære ionmiljø på syntetiske processer også delvist er relateret til dets indflydelse på ECM-sammensætningen. Nysyntetiserede aggrecanmolekyler modnes senere til aggregerede former i et svagt surt miljø end under normale forhold. Det er sandsynligt, at et fald i pH omkring chondrocytter (f.eks. under træning) tillader flere nysyntetiserede aggrecanmolekyler at nå den interterritoriale matrix.

Når belastningen fjernes, vender vand tilbage fra synovialhulen og transporterer næringsstoffer til cellerne. I brusk, der er påvirket af slidgigt, reduceres koncentrationen af proteoglykaner, derfor bevæger vand sig under belastningen ikke kun lodret ind i synovialhulen, men også i andre retninger, hvorved ernæringen af kondrocytter reduceres.

Immobilisering eller mild belastning resulterer i et markant fald i brusksyntese og proteoglykanindhold, hvorimod øget dynamisk belastning resulterer i en moderat stigning i proteoglykansyntese og -indhold. Anstrengende motion (20 km/dag i 15 uger) hos hunde inducerede ændringer i proteoglykanindholdet, især et kraftigt fald i deres koncentration i den overfladiske zone. Der forekom en vis reversibel bruskblødgøring og subkondral knogleombygning. Imidlertid forårsagede alvorlig statisk belastning bruskskader og efterfølgende degeneration. Derudover initierer tab af ECM-aggrecan de unormale ændringer, der er karakteristiske for slidgigt. Tab af aggrecan resulterer i vandtiltrækning og hævelse af den lille mængde proteoglykan, der er tilbage. Denne opløsning af aggrecan bidrager til et fald i den lokale faste ladningstæthed og fører i sidste ende til en ændring i osmolaritet.