Cartílago

En la embriogénesis , el sistema esquelético se deriva de la capa germinal del mesodermo . La condrificación (también conocida como condrogénesis) es el proceso por el cual se forma el cartílago a partir de tejido mesenquimal condensado , que se diferencia en condroblastos y comienza a secretar las moléculas ( agrecano y colágeno tipo  II) que forman la matriz extracelular. En todos los vertebrados, el cartílago es el principal tejido esquelético en las primeras etapas ontogenéticas; ^{[ 3 ] [ 4 ]} en los osteíctios, muchos elementos cartilaginosos se osifican posteriormente a través de la osificación endocondral y pericondral. ^{[ 5 ]}

Tras la condrificación inicial que ocurre durante la embriogénesis, el crecimiento del cartílago consiste principalmente en la maduración del cartílago inmaduro a un estado más maduro. La división celular dentro del cartílago es muy lenta, por lo que el crecimiento del cartílago generalmente no se basa en un aumento de tamaño o masa del propio cartílago. ^{[ 6 ]} Se ha identificado que los ARN no codificantes (por ejemplo, los microARN y los ARN largos no codificantes), como los moduladores epigenéticos más importantes, pueden afectar la condrogénesis. Esto también justifica la contribución de los ARN no codificantes en diversas afecciones patológicas dependientes del cartílago, como la artritis, entre otras. ^{[ 7 ]}

La función del cartílago articular depende de la composición molecular de la matriz extracelular (MEC). La MEC se compone principalmente de proteoglicanos y colágenos . El principal proteoglicano del cartílago es el agrecano, que, como su nombre indica, forma grandes agregados con hialuronano y consigo mismo. ^{[ 8 ]} Estos agregados tienen carga negativa y retienen agua en el tejido. El colágeno, principalmente colágeno tipo II, restringe los proteoglicanos. La MEC responde a las fuerzas de tracción y compresión que experimenta el cartílago. ^{[ 9 ]} El crecimiento del cartílago se refiere, por lo tanto, a la deposición de la matriz, pero también puede referirse tanto al crecimiento como a la remodelación de la matriz extracelular. Debido a la gran tensión que soporta la articulación patelofemoral durante la extensión de rodilla resistida, el cartílago articular de la rótula es uno de los más gruesos del cuerpo humano. La MEC del cartílago articular se clasifica en tres regiones: la matriz pericelular, la matriz territorial y la matriz interterritorial.

Las propiedades mecánicas del cartílago articular en articulaciones de carga como la rodilla y la cadera se han estudiado exhaustivamente a escalas macroscópica, microscópica y nanoscópica. Estas propiedades mecánicas incluyen la respuesta del cartílago a cargas de fricción, compresión, cizallamiento y tracción. El cartílago es elástico y presenta propiedades viscoelásticas . ^{[ 10 ]}

Dado que el cartílago tiene un líquido intersticial que se mueve libremente, esto dificulta la prueba del material. Una de las pruebas comúnmente utilizadas para superar este obstáculo es la prueba de compresión confinada, que puede utilizarse en modo de "fluencia" o "relajación". ^{[ 11 ] [ 12 ]} En el modo de fluencia, el desplazamiento del tejido se mide en función del tiempo bajo una carga constante, y en el modo de relajación, la fuerza se mide en función del tiempo bajo un desplazamiento constante. Durante este modo, la deformación del tejido tiene dos regiones principales. En la primera región, el desplazamiento es rápido debido al flujo inicial de líquido fuera del cartílago, y en la segunda región, el desplazamiento se ralentiza hasta alcanzar un valor de equilibrio constante. Bajo las condiciones de carga comúnmente utilizadas, el desplazamiento de equilibrio puede tardar horas en alcanzarse.

Tanto en el modo de fluencia como en el modo de relajación de una prueba de compresión confinada, se coloca un disco de cartílago en un recipiente impermeable lleno de líquido y se cubre con una placa porosa que restringe el flujo de líquido intersticial a la dirección vertical. Esta prueba se puede utilizar para medir el módulo agregado del cartílago, que normalmente está en el rango de 0,5 a 0,9 MPa para el cartílago articular, ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} y el módulo de Young, que normalmente está de 0,45 a 0,80 MPa. ^{[ 11 ] [ 13 ]} El módulo agregado es "una medida de la rigidez del tejido en equilibrio cuando ha cesado todo el flujo de fluido", ^{[ 11 ]} y el módulo de Young es una medida de cuánto se deforma un material (cambia de longitud) bajo una tensión dada.

El ensayo de compresión confinada también puede utilizarse para medir la permeabilidad, que se define como la resistencia al flujo de fluidos a través de un material. Una mayor permeabilidad permite que el fluido salga de la matriz del material más rápidamente, mientras que una menor permeabilidad produce un flujo inicial rápido y una disminución lenta hasta alcanzar el equilibrio. Normalmente, la permeabilidad del cartílago articular se encuentra en el rango de 10⁻¹⁵ a 10⁻¹⁶ m⁴/Ns. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Sin embargo, la permeabilidad es sensible a las condiciones de carga y a la ubicación del ensayo. Por ejemplo, la permeabilidad varía a lo largo del cartílago articular y tiende a ser mayor cerca de la superficie articular y menor cerca del hueso (o "zona profunda"). La permeabilidad también disminuye con el aumento de la carga del tejido.

La prueba de indentación es un tipo adicional de prueba comúnmente utilizada para caracterizar el cartílago. ^{[ 11 ] [ 14 ]} La prueba de indentación consiste en usar un indentador (generalmente <0,8 mm) para medir el desplazamiento del tejido bajo carga constante. De manera similar a la prueba de compresión confinada, puede tomar horas alcanzar el desplazamiento de equilibrio. Este método de prueba se puede utilizar para medir el módulo agregado, la relación de Poisson y la permeabilidad del tejido. Inicialmente, existía la idea errónea de que, debido a su composición predominantemente acuosa, el cartílago tenía una relación de Poisson de 0,5 y debía modelarse como un material incompresible. ^{[ 11 ]} Sin embargo, investigaciones posteriores han refutado esta creencia. La relación de Poisson del cartílago articular se ha medido en alrededor de 0,4 o menos en humanos ^{[ 11 ] [ 14 ]} y varía de 0,46 a 0,5 en sujetos bovinos. ^{[ 15 ]}

Las propiedades mecánicas del cartílago articular son en gran medida anisotrópicas, dependen de la prueba y pueden depender de la edad. ^{[ 11 ]} Estas propiedades también dependen de las interacciones colágeno-proteoglicanos y, por lo tanto, pueden aumentar o disminuir según el contenido total de agua, colágeno, glicoproteínas, etc. Por ejemplo, un mayor contenido de glucosaminoglicano conduce a un aumento de la rigidez a la compresión, y un mayor contenido de agua conduce a un módulo agregado menor.

Además de su función en las articulaciones que soportan carga, el cartílago cumple una función crucial como material de gradiente entre los tejidos más blandos y el hueso. Los gradientes mecánicos son cruciales para el funcionamiento del cuerpo y para estructuras artificiales complejas, incluidos los implantes articulares. Las interfaces con propiedades de materiales incompatibles dan lugar a zonas de alta concentración de tensión que, tras los millones de ciclos de carga que experimentan las articulaciones humanas a lo largo de la vida, acabarían provocando su fallo. Por ejemplo, el módulo de elasticidad del hueso humano es de aproximadamente 20 GPa, mientras que las regiones más blandas del cartílago pueden ser de entre 0,5 y 0,9 MPa. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Sin embargo, cuando existe un gradiente suave de propiedades de los materiales, las tensiones se distribuyen uniformemente a través de la interfaz, lo que reduce el desgaste de cada parte individual.

El cuerpo resuelve este problema con capas más rígidas y de mayor módulo cerca del hueso, con altas concentraciones de depósitos minerales como la hidroxiapatita. Las fibras de colágeno (que proporcionan rigidez mecánica al cartílago) en esta región se anclan directamente a los huesos, reduciendo la posible deformación. Al acercarse al tejido blando, en la región conocida como línea de marea, la densidad de condrocitos aumenta y las fibras de colágeno se reorganizan para optimizar la disipación de la tensión y la baja fricción. La capa más externa cerca de la superficie articular se conoce como zona superficial, que sirve principalmente como región de lubricación. Aquí, el cartílago se caracteriza por una matriz extracelular densa y es rico en proteoglicanos (que disipan y reabsorben agua para amortiguar los impactos) y colágeno delgado orientado paralelamente a la superficie articular, que posee excelentes propiedades de resistencia al corte. ^{[ 18 ]}

La osteoartritis y el envejecimiento natural tienen efectos negativos sobre el cartílago en su conjunto, así como sobre el correcto funcionamiento del gradiente de materiales en su interior. Los primeros cambios suelen producirse en la zona superficial, la parte más blanda y lubricante del tejido. La degradación de esta capa puede ejercer tensiones adicionales sobre las capas más profundas, que no están diseñadas para soportar las mismas deformaciones. Otro efecto común del envejecimiento es el aumento de la reticulación de las fibras de colágeno. Esto provoca un mayor rigidez del cartílago en su conjunto, lo que a su vez puede conducir a una falla prematura, ya que un tejido más rígido es más susceptible a la fatiga. El envejecimiento en regiones calcificadas también suele producir una mayor cantidad de depósitos minerales, lo que tiene un efecto de rigidez igualmente indeseado. ^{[ 19 ]} La osteoartritis tiene efectos más extremos y puede desgastar completamente el cartílago, provocando el contacto directo hueso con hueso. ^{[ 20 ]}

La lubricina , una glicoproteína abundante en el cartílago y el líquido sinovial , desempeña un papel fundamental en la biolubricación y la protección contra el desgaste del cartílago. ^{[ 21 ]}

El cartílago tiene capacidades de reparación limitadas: debido a que los condrocitos están confinados en lagunas , no pueden migrar a las áreas dañadas. Por lo tanto, el daño cartilaginoso es difícil de curar. Además, debido a que el cartílago hialino no tiene irrigación sanguínea, la deposición de nueva matriz es lenta. En los últimos años, cirujanos y científicos han desarrollado una serie de procedimientos de reparación del cartílago que ayudan a posponer la necesidad de un reemplazo articular. Un desgarro del menisco del cartílago de la rodilla a menudo se puede recortar quirúrgicamente para reducir los problemas. La curación completa del cartílago después de una lesión o procedimientos de reparación se ve obstaculizada por la inflamación específica del cartílago causada por la participación de macrófagos M1/M2 , mastocitos y sus interacciones intercelulares. ^{[ 22 ]}

Se están desarrollando técnicas de ingeniería biológica para generar cartílago nuevo, utilizando un material de "andamio" celular y células cultivadas para el crecimiento de cartílago artificial. ^{[ 23 ]} Se ha llevado a cabo una extensa investigación sobre hidrogeles de PVA congelados y descongelados como material base para tal propósito. ^{[ 24 ]} Estos geles han mostrado grandes promesas en términos de biocompatibilidad, resistencia al desgaste, absorción de impactos , coeficiente de fricción , flexibilidad y lubricación, y por lo tanto se consideran superiores a los cartílagos a base de polietileno. Una implantación de dos años de hidrogeles de PVA como menisco artificial en conejos demostró que los geles permanecen intactos sin degradación, fractura ni pérdida de propiedades. ^{[ 24 ]}

Varias enfermedades pueden afectar el cartílago. Las condrodistrofias son un grupo de enfermedades caracterizadas por la alteración del crecimiento y la posterior osificación del cartílago. A continuación, se enumeran algunas enfermedades comunes que afectan el cartílago.

• Osteoartritis : La osteoartritis es una enfermedad que afecta a toda la articulación; sin embargo, uno de los tejidos más afectados es el cartílago articular. El cartílago que recubre los huesos (cartílago articular, un subtipo de cartílago hialino) se adelgaza y, finalmente, desaparece por completo, lo que provoca un roce óseo dentro de la articulación, reduciendo el movimiento y causando dolor. La osteoartritis afecta a las articulaciones sometidas a un estrés elevado y, por lo tanto, se considera el resultado del desgaste natural más que una enfermedad propiamente dicha. Se trata mediante artroplastia , que consiste en la sustitución de la articulación por una prótesis sintética, a menudo fabricada con una aleación de acero inoxidable ( cromo cobalto ) y polietileno de ultra alto peso molecular . Se ha afirmado que los suplementos de sulfato de condroitina o sulfato de glucosamina reducen los síntomas de la osteoartritis, pero existen pocas pruebas sólidas que respalden esta afirmación. ^{[ 25 ]} En la osteoartritis, el aumento de la expresión de citocinas y quimiocinas inflamatorias provoca cambios aberrantes en la función de los condrocitos diferenciados, lo que conduce a un exceso de actividad catabólica de los condrocitos, mediada por factores que incluyen metaloproteinasas de matriz y agrecanasas . ^{[ 26 ]}
• Rotura o desprendimiento traumático: El cartílago de la rodilla se daña con frecuencia, pero puede repararse parcialmente mediante una artroplastia de rodilla . A menudo, cuando los atletas hablan de "cartílago" dañado en la rodilla, se refieren a un menisco dañado (una estructura fibrocartilaginosa ) y no al cartílago articular.
• Acondroplasia : Proliferación reducida de condrocitos en la placa epifisaria de los huesos largos durante la infancia y la niñez, lo que da como resultado enanismo .
• Costocondritis : Inflamación del cartílago de las costillas, que provoca dolor en el pecho .
• Hernia discal : La compresión asimétrica de un disco intervertebral provoca la ruptura del disco, que tiene forma de saco, causando la herniación de su contenido blando. La hernia suele comprimir los nervios adyacentes y provocar dolor de espalda.
• Policondritis recidivante : destrucción, probablemente autoinmune , del cartílago, especialmente de la nariz y las orejas, que provoca desfiguración. La muerte se produce por asfixia cuando la laringe pierde rigidez y colapsa.

Pueden aparecer tumores compuestos de tejido cartilaginoso, ya sean benignos o malignos . Suelen originarse en el hueso, y raramente en el cartílago preexistente. Los tumores benignos se denominan condromas , y los malignos, condrosarcomas . Los tumores que se originan en otros tejidos también pueden producir una matriz similar al cartílago; el ejemplo más conocido es el adenoma pleomorfo de las glándulas salivales .

La matriz del cartílago actúa como barrera, impidiendo la entrada de linfocitos o la difusión de inmunoglobulinas . Esta propiedad permite el trasplante de cartílago de un individuo a otro sin temor al rechazo del tejido.

El cartílago no absorbe rayos X en condiciones normales in vivo , pero se puede inyectar un colorante en la membrana sinovial que hará que los rayos X sean absorbidos por el colorante. El espacio resultante en la película radiográfica entre el hueso y el menisco representa el cartílago. Para las exploraciones radiográficas in vitro , generalmente se elimina el tejido blando externo, por lo que el cartílago y el límite de aire son suficientes para contrastar la presencia de cartílago debido a la refracción de los rayos X. ^{[ 27 ]}

Los peces cartilaginosos ( condrictios ), como los tiburones , las rayas y las quimeras, tienen un esqueleto compuesto enteramente de cartílago.

El tejido cartilaginoso también se puede encontrar en algunos artrópodos como los cangrejos herradura , algunos moluscos como los caracoles marinos y los cefalópodos , y algunos anélidos como los poliquetos sabélidos.