El cartílago es un tipo de tejido conectivo resistente y liso . Es un tipo de tejido semitransparente y no poroso. Suele estar recubierto por una membrana dura 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, incluida la caja torácica , el cuello y los bronquios, y los discos intervertebrales . En otros taxones, como los condrictios y los ciclostomas , 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 glucosaminoglicanos , proteoglicanos , fibras de colágeno y, en ocasiones, elastina . Suele crecer más rápido que el hueso.
Debido a su rigidez, el cartílago a menudo sirve para mantener abiertos los conductos del cuerpo. Los ejemplos incluyen 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 , abundante sustancia fundamental rica en proteoglicanos y fibras de elastina. El cartílago se clasifica en tres tipos, cartílago elástico , cartílago hialino y fibrocartílago , que se diferencian en las cantidades relativas de colágeno y proteoglicano.
El cartílago no contiene vasos sanguíneos ni nervios , de ahí que sea insensible. Sin embargo, algunos fibrocartílagos , como el menisco de la rodilla , tienen irrigación sanguínea en parte. 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 favorece 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 está documentado que se repara a un ritmo muy lento en comparación 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 mediante el cual se forma cartílago a partir de tejido mesenquimatoso 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 osteictios, muchos elementos cartilaginosos se osifican posteriormente mediante osificación endocondral y pericondral. [5]
Después de 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 de las células dentro del cartílago ocurre muy lentamente y, por lo tanto, el crecimiento del cartílago generalmente no se basa en un aumento en el tamaño o la masa del cartílago en sí. [6] Se ha identificado que los ARN no codificantes (por ejemplo, miARN y ARN largos no codificantes), como moduladores epigenéticos más importantes, pueden afectar la condrogénesis. Esto también justifica la contribución de los ARN no codificantes en diversas condiciones patológicas dependientes del cartílago, como la artritis, etc. [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 el 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] Por lo tanto, el crecimiento del cartílago se refiere a la deposición de matriz, pero también puede referirse tanto al crecimiento como a la remodelación de la matriz extracelular. Debido a la gran tensión que se ejerce sobre la articulación femororrotuliana durante la extensión resistida de la rodilla, el cartílago articular de la rótula se encuentra entre los más gruesos del cuerpo humano.
Las propiedades mecánicas del cartílago articular en articulaciones que soportan carga, como la rodilla y la cadera, se han estudiado ampliamente a escala macro, micro y nanoescala. Estas propiedades mecánicas incluyen la respuesta del cartílago ante cargas de fricción, compresión, cizallamiento y tracción. El cartílago es resistente y muestra propiedades viscoelásticas . [10]
Dado que el cartílago tiene líquido intersticial que se mueve libremente, dificulta la prueba del material. Una de las pruebas comúnmente utilizadas para superar este obstáculo es una prueba de compresión confinada, que se puede utilizar en modo "lento" 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. 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 desacelera hasta un eventual 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 en 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 es de 0,45 a 0,80 MPa. [11] [13] El módulo agregado es “una medida de la rigidez del tejido en equilibrio cuando todo el flujo de fluido ha cesado”, [11] y el módulo de Young es una medida de cuánto se deforma (cambia de longitud) un material bajo una estrés dado.
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. Normalmente, 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 al aumentar la carga del tejido.
La prueba de indentación es un tipo adicional de prueba que se usa 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 carga constante. De manera similar a las pruebas de compresión confinada, pueden ser necesarias horas para 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 un índice de Poisson de 0,5 y debía modelarse como un material incompresible. [11] Sin embargo, investigaciones posteriores han refutado esta creencia. Se ha medido que el índice de Poisson del cartílago articular es de alrededor de 0,4 o inferior en humanos [11] [14] y oscila entre 0,46 y 0,5 en bovinos. [15]
Las propiedades mecánicas del cartílago articular son en gran medida anisotrópicas, dependen de las pruebas y pueden depender de la edad. [11] Estas propiedades también dependen de las interacciones colágeno-proteoglicano y, por lo tanto, pueden aumentar o disminuir dependiendo del 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 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 estructuras artificiales complejas, incluidos los implantes articulares. Las interfaces con propiedades de materiales no coincidentes conducen a áreas de alta concentración de tensiones que, a lo largo de los millones de ciclos de carga experimentados por las uniones humanas a lo largo de la vida, eventualmente conducirían a fallas. 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 las propiedades de los materiales, las tensiones se distribuyen uniformemente a lo largo de la interfaz, lo que provoca menos desgaste en cada pieza 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, reduciendo la posible deformación. Al acercarse al tejido blando en la región conocida como marca de marea, la densidad de los condrocitos aumenta y las fibras de colágeno se reorganizan para optimizar la disipación del estrés y la baja fricción. La capa más externa cerca de la superficie articular se conoce como zona superficial y 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 fino orientado paralelo a la superficie de la articulación que tiene 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 que contiene. Los primeros cambios suelen producirse en la zona superficial, la parte más blanda y lubricante del tejido. La degradación de esta capa puede generar tensiones adicionales en 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 conduce a un cartílago más rígido en su conjunto, lo que nuevamente puede conducir a una falla temprana, ya que el tejido más rígido es más susceptible a fallas basadas en fatiga. El envejecimiento en zonas calcificadas también conduce generalmente a 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 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 a lagunas , no pueden migrar a las áreas dañadas. Por tanto, el daño del cartílago es difícil de curar. Además, debido a que el cartílago hialino no tiene suministro de sangre, la deposición de nueva matriz es lenta. Durante 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.
Se están desarrollando técnicas de ingeniería biológica para generar cartílago nuevo, utilizando un material de "andamio" celular y células cultivadas para cultivar cartílago artificial. [22] Se han realizado extensas investigaciones sobre hidrogeles de PVA congelados y descongelados como material base para tal fin. [23] 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 o pérdida de propiedades. [23]
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. Algunas enfermedades comunes que afectan el cartílago se enumeran a continuación.
Pueden aparecer tumores formados por tejido cartilaginoso, ya sean benignos o malignos . Suelen aparecer en el hueso, rara vez en el cartílago preexistente. Los tumores benignos se llaman condroma , los malignos condrosarcoma . Los tumores que surgen de otros tejidos también pueden producir una matriz similar a un 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 el tinte absorba los rayos X. 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 extraiga el tejido blando externo, por lo que el cartílago y el límite aéreo son suficientes para contrastar la presencia de cartílago debido a la refracción de los rayos X. [26]
Los peces cartilaginosos (condrictios) o tiburones , rayas y quimeras tienen un esqueleto compuesto íntegramente de cartílago.
El tejido cartilaginoso también se puede encontrar entre algunos artrópodos como los cangrejos herradura , algunos moluscos como los caracoles marinos y los cefalópodos , y algunos anélidos como los poliquetos sabelidos.
El cartílago más estudiado en artrópodos es el cartílago branquial de Limulus polyphemus . Es un cartílago vesicular rico en células debido a los condrocitos grandes, esféricos y vacuolados, sin homologías con otros artrópodos. Otro tipo de cartílago que se encuentra en Limulus polyphemus es el cartílago endosternita, un cartílago fibro-hialino con condrocitos de morfología típica en un componente fibroso, mucho más fibroso que el cartílago hialino de los vertebrados, con mucopolisacáridos inmunorreactivos frente a los anticuerpos del sulfato de condroitina. Existen tejidos homólogos al cartílago endosternita en otros artrópodos. [27] Los embriones de Limulus polyphemus expresan ColA y hialuronano en el cartílago branquial y el endosternita, lo que indica que estos tejidos son cartílago fibrilar a base de colágeno. El cartílago endosternita 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. [28]
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 invertebrados que muestra más parecido con el cartílago hialino de los vertebrados. Se cree que el crecimiento tiene lugar durante el movimiento de las células desde la periferia hacia el centro. Los condrocitos presentan diferentes morfologías relacionadas con su posición en el tejido. [27] Los embriones de Sepia 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 Sepia officinalis expresa hh, cuya presencia provoca la expresión de ColAa y ColAb y también es capaz de mantener indiferenciadas las células en proliferación. Se ha observado que esta especie presenta la expresión SoxD y SoxE, análogos de los vertebrados Sox5/6 y Sox9, en el cartílago en desarrollo. El patrón de crecimiento del cartílago es el mismo que el del cartílago de vertebrados. [28]
En los gasterópodos, el interés radica en el odontóforo , una estructura cartilaginosa que sostiene la rádula. La especie más estudiada respecto a este tejido en particular es Busycotypus canaliculatus . El odontóforo es un cartílago rico en células vesiculares, formado por células vacuoladas que contienen mioglobina, rodeadas por una pequeña 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 en la vegetación. [27]
Los poliquetos sabélidos , o gusanos plumero, 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 a cartílago, y colágeno que carece de un núcleo altamente celularizado, llamada matriz similar a osteoide. La matriz similar a un cartílago rodea a la matriz similar a un osteoide. La cantidad de región fibrosa acelular es variable. Los organismos modelo utilizados en el estudio del cartílago en poliquetos sabelidos son Potamilla sp y Myxicola infundibulum . [27]
Las plantas vasculares , en particular las semillas y los tallos de algunos hongos, a veces se denominan "cartilaginosas", aunque no contienen cartílago. [29]