El cartílago es un tipo de tejido conectivo resistente y liso . Semitransparente y no poroso, suele estar cubierto por una membrana resistente y fibrosa llamada pericondrio . En los tetrápodos, cubre y protege los extremos de los huesos largos en las articulaciones como cartílago articular , [1] y es un componente estructural de muchas partes del cuerpo, incluidas la caja torácica , el cuello y los bronquios, y los discos intervertebrales . En otros taxones, como los condrictios y los ciclóstomos , constituye una proporción mucho mayor del esqueleto. [2] No es tan duro y rígido como el hueso , pero es mucho más rígido y mucho menos flexible que el músculo . La matriz del cartílago está formada por glicosaminoglicanos , proteoglicanos , fibras de colágeno y, a veces, elastina . Suele crecer más rápido que el hueso.
Debido a su rigidez, el cartílago suele cumplir la función de mantener abiertos los conductos del cuerpo. Algunos ejemplos son los anillos de la tráquea, como el cartílago cricoides y la carina .
El cartílago está compuesto por células especializadas llamadas condrocitos que producen una gran cantidad de matriz extracelular colágena, sustancia fundamental abundante y rica en fibras de proteoglicanos y elastina. El cartílago se clasifica en tres tipos: cartílago elástico , cartílago hialino y fibrocartílago , que difieren en sus cantidades relativas de colágeno y proteoglicanos.
Como el cartílago no contiene vasos sanguíneos ni nervios , es insensible. Sin embargo, algunos fibrocartílagos, como el menisco de la rodilla, tienen un suministro de sangre parcial. La nutrición se suministra a los condrocitos por difusión . La compresión del cartílago articular o la flexión del cartílago elástico genera un flujo de líquido, que ayuda a la difusión de nutrientes a los condrocitos. En comparación con otros tejidos conectivos, el cartílago tiene una renovación muy lenta de su matriz extracelular y se ha documentado que se repara a un ritmo muy lento en relación con otros tejidos.
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 del 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 etapas ontogénicas tempranas; [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 se produce durante la embriogénesis, el crecimiento del cartílago consiste principalmente en la maduración del cartílago inmaduro hasta un estado más maduro. La división de las células dentro del cartílago se produce muy lentamente y, por lo tanto, el crecimiento del cartílago no suele basarse en un aumento del tamaño o la masa del propio cartílago. [6] Se ha identificado que los ARN no codificantes (por ejemplo, los microARN y los ARN no codificantes largos) como los moduladores epigenéticos más importantes pueden afectar a la condrogénesis. Esto también justifica la contribución de los ARN no codificantes en diversas afecciones patológicas dependientes del cartílago, como la artritis, etc. [7]
La función del cartílago articular depende de la composición molecular de la matriz extracelular (ECM). La ECM se compone principalmente de proteoglicanos y colágenos . El principal proteoglicano del cartílago es el agrecano, que, como sugiere su nombre, forma grandes agregados con hialuronano y consigo mismo. [8] Estos agregados están cargados negativamente y retienen agua en el tejido. El colágeno, principalmente colágeno tipo II, restringe los proteoglicanos. La ECM responde a las fuerzas de tracción y compresión que experimenta el cartílago. [9] El crecimiento del cartílago se refiere así 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 en la articulación patelofemoral durante la extensión resistida de la rodilla, el cartílago articular de la rótula se encuentra entre los más gruesos del cuerpo humano. La ECM 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 que soportan cargas, como la rodilla y la cadera, se han estudiado ampliamente a escala macro, micro y nanométrica. Estas propiedades mecánicas incluyen la respuesta del cartílago a cargas de fricción, compresión, cizallamiento y tracción. El cartílago es resistente y presenta propiedades viscoelásticas . [10]
Dado que el cartílago tiene líquido intersticial que se mueve libremente, hace que el material sea difícil de probar. Una de las pruebas que se utilizan comúnmente para superar este obstáculo es una prueba de compresión confinada, que se puede utilizar en modo de "fluencia" o de "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. En el modo de fluencia, el desplazamiento del tejido se mide en función del tiempo bajo una carga 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 un valor de equilibrio constante final. En 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 entre 0,45 y 0,80 MPa. [11] [13] El módulo agregado es "una medida de la rigidez del tejido en equilibrio cuando ha cesado todo flujo de líquido", [11] y el módulo de Young es una medida de cuánto se deforma un material (cambia de longitud) bajo una tensión determinada.
La prueba de compresión confinada también se puede utilizar para medir la permeabilidad, que se define como la resistencia al flujo de fluido a través de un material. Una permeabilidad más alta permite que el fluido fluya fuera de la matriz de un material más rápidamente, mientras que una permeabilidad más baja conduce a un flujo de fluido rápido inicial y una disminución lenta hasta el equilibrio. Por lo general, la permeabilidad del cartílago articular está en el rango de 10^-15 a 10^-16 m^4/Ns. [11] [12] Sin embargo, la permeabilidad es sensible a las condiciones de carga y la ubicación de la prueba. Por ejemplo, la permeabilidad varía en todo el cartílago articular y tiende a ser más alta cerca de la superficie de la articulación y más baja cerca del hueso (o "zona profunda"). La permeabilidad también disminuye con una mayor carga del tejido.
La prueba de indentación es un tipo adicional de prueba que se utiliza comúnmente para caracterizar el cartílago. [11] [14] La prueba de indentación implica el uso de un indentador (generalmente <0,8 mm) para medir el desplazamiento del tejido bajo una carga constante. De manera similar a la prueba de compresión confinada, puede llevar horas alcanzar el desplazamiento de equilibrio. Este método de prueba se puede utilizar para medir el módulo de agregado, el coeficiente de Poisson y la permeabilidad del tejido. Inicialmente, existía la idea errónea de que debido a su composición predominantemente a base de agua, el cartílago tenía un coeficiente de Poisson de 0,5 y debería modelarse como un material incompresible. [11] Sin embargo, investigaciones posteriores han refutado esta creencia. Se ha medido que el coeficiente de Poisson del cartílago articular es de 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/disminuir dependiendo del contenido total de agua, colágeno, glicoproteínas, etc. Por ejemplo, un mayor contenido de glucosaminoglicano conduce a un aumento de la rigidez compresiva, y un mayor contenido de agua conduce a un módulo de agregado más bajo.
Además de su papel 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 las estructuras artificiales complejas, incluidos los implantes articulares. Las interfaces con propiedades de materiales no coincidentes conducen a áreas de alta concentración de estrés que, a lo largo de los millones de ciclos de carga que experimentan las articulaciones humanas a lo largo de la vida, eventualmente conducirían a una falla. Por ejemplo, el módulo elástico del hueso humano es de aproximadamente 20 GPa, mientras que las regiones más blandas del cartílago pueden ser de aproximadamente 0,5 a 0,9 MPa. [16] [17] Sin embargo, cuando hay un gradiente suave de propiedades de los materiales, las tensiones se distribuyen uniformemente a lo largo de la interfaz, lo que genera menos desgaste en 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 están ancladas directamente a los huesos, lo que reduce la posible deformación. Al acercarse al tejido blando en la región conocida como marca 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 suavizar los impactos) y colágeno delgado orientado en paralelo a la superficie articular que tiene excelentes propiedades de resistencia al cizallamiento. [18]
Tanto la osteoartritis como 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 una presión adicional 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 hace que el cartílago en su conjunto sea más rígido, lo que a su vez puede provocar un fallo prematuro, ya que el tejido más rígido es más susceptible a los fallos por fatiga. El envejecimiento en las regiones calcificadas también suele provocar una mayor cantidad de depósitos minerales, lo que tiene un efecto de endurecimiento igualmente indeseado. [19] La osteoartritis tiene efectos más extremos y puede desgastar por completo el cartílago, lo que provoca un contacto directo entre huesos. [20]
La lubricina , una glicoproteína abundante en el cartílago y el líquido sinovial , desempeña un papel importante 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 unidos en lagunas , no pueden migrar a las áreas dañadas. Por lo tanto, el daño del cartílago es difícil de curar. Además, debido a que el cartílago hialino no tiene un suministro de sangre, la deposición de nueva matriz es lenta. En los últimos años, cirujanos y científicos han elaborado una serie de procedimientos de reparación del cartílago que ayudan a posponer la necesidad de 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 los macrófagos M1/M2 , los 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 hacer crecer cartílago artificial. [23] Se han realizado extensas investigaciones 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 los hidrogeles de PVA como menisco artificial en conejos mostró que los geles permanecen intactos sin degradación, fractura o pérdida de propiedades. [24]
Varias enfermedades pueden afectar al cartílago. Las condrodistrofias son un grupo de enfermedades que se caracterizan por la alteración del crecimiento y la posterior osificación del cartílago. A continuación se enumeran algunas enfermedades comunes que afectan al cartílago.
Pueden aparecer tumores formados por tejido cartilaginoso, tanto benignos como malignos . Suelen aparecer en el hueso, raramente en cartílago preexistente. Los tumores benignos se denominan condroma y los malignos condrosarcoma . Los tumores que surgen de otros tejidos también pueden producir una matriz similar al cartílago, siendo el más conocido el adenoma pleomórfico 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 los rayos X en condiciones normales in vivo , pero se puede inyectar un tinte en la membrana sinovial que hará que los rayos X sean absorbidos por el tinte. El vacío resultante en la película radiográfica entre el hueso y el menisco representa el cartílago. Para las exploraciones de rayos X in vitro , lo más probable es que se elimine 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 ( Chondrictios ) o tiburones , rayas y quimeras tienen un esqueleto compuesto enteramente de cartílago.
También se puede encontrar tejido cartilaginoso entre algunos artrópodos como los cangrejos herradura , algunos moluscos como los caracoles marinos y los cefalópodos , y algunos anélidos como los poliquetos sabélidos.
El cartílago más estudiado en artrópodos es el cartílago branquial de Limulus polyphemus . Es un cartílago rico en células vesiculares debido a los condrocitos grandes, esféricos y vacuolados sin homologías en otros artrópodos. Otro tipo de cartílago encontrado en L. polyphemus es el cartílago endosternito, un cartílago fibroso-hialino con condrocitos de morfología típica en un componente fibroso, mucho más fibroso que el cartílago hialino de vertebrados, con mucopolisacáridos inmunorreactivos frente a anticuerpos de sulfato de condroitina. Existen tejidos homólogos al cartílago endosternito en otros artrópodos. [28] Los embriones de Limulus polyphemus expresan ColA y hialuronano en el cartílago branquial y el endosternito, lo que indica que estos tejidos son cartílagos fibrilares-a base de colágeno. El cartílago endosternito se forma cerca de los cordones nerviosos ventrales que expresan Hh y expresa ColA y SoxE, un análogo de Sox9. Esto también se observa en el tejido del cartílago branquial. [29]
En los cefalópodos, los modelos utilizados para los estudios del cartílago son Octopus vulgaris y Sepia officinalis . El cartílago craneal de los cefalópodos es el cartílago de los invertebrados que muestra mayor semejanza con el cartílago hialino de los vertebrados. Se piensa que el crecimiento se produce a lo largo del movimiento de las células desde la periferia hacia el centro. Los condrocitos presentan diferentes morfologías relacionadas con su posición en el tejido. [28] Los embriones de S. officinalis expresan ColAa, ColAb y hialuronano en los cartílagos craneales y otras regiones de la condrogénesis. Esto implica que el cartílago está basado en colágeno fibrilar. El embrión de S. officinalis expresa hh, cuya presencia provoca la expresión de ColAa y ColAb y también es capaz de mantener indiferenciadas las células proliferantes. Se ha observado que esta especie presenta la expresión de SoxD y SoxE, análogos de los Sox5/6 y Sox9 vertebrados, en el cartílago en desarrollo. El patrón de crecimiento del cartílago es el mismo que en el cartílago de vertebrados. [29]
En los gasterópodos, el interés recae en el odontóforo , una estructura cartilaginosa que sostiene la rádula. La especie más estudiada en relación con este tejido en particular es Busycotypus canaliculatus . El odontóforo es un cartílago rico en células vesiculares, que consiste en células vacuoladas que contienen mioglobina, rodeadas por una baja cantidad de matriz extracelular que contiene colágeno. El odontóforo contiene células musculares junto con los condrocitos en el caso de Lymnaea y otros moluscos que pastan vegetación. [28]
Los poliquetos sabélidos , o gusanos plumeros, tienen tejido cartilaginoso con especialización celular y matricial que sostiene sus tentáculos. Presentan dos regiones de matriz extracelular distintas. Estas regiones son una región fibrosa acelular con un alto contenido de colágeno, llamada matriz similar al cartílago, y colágeno que carece de un núcleo altamente celularizado, llamada matriz similar al osteoide. La matriz similar al cartílago rodea a la matriz similar al osteoide. La cantidad de región fibrosa acelular es variable. Los organismos modelo utilizados en el estudio del cartílago en poliquetos sabélidos son las especies de Potamilla y Myxicola infundibulum . [28]
Las plantas vasculares , particularmente las semillas y los tallos de algunos hongos, a veces se denominan "cartilaginosas", aunque no contienen cartílago. [30]