Arthrose: comment s'organise le cartilage articulaire?

Le cartilage articulaire normal remplit deux fonctions principales: absorber la pression par déformation lors d'une charge mécanique et assurer la douceur des surfaces articulaires, ce qui permet de minimiser les frottements lors des mouvements. Ceci est assuré par la structure unique du cartilage articulaire, composée de chondroïtines immergées dans la matrice extracellulaire (MEC).

Le cartilage articulaire adulte normal peut être divisé en plusieurs couches ou zones: la zone superficielle ou tangentielle, la zone de transition, la zone profonde ou radiale et la zone calcifiée. La couche entre les zones superficielle et de transition, et plus particulièrement entre les zones de transition et profonde, n’a pas de limites nettes. La jonction entre le cartilage articulaire non calcifié et le cartilage articulaire calcifié est appelée « bord ondulé »; une ligne visible lors de la coloration du tissu décalcifié. La zone calcifiée du cartilage représente une proportion relativement constante (6 à 8 %) de la hauteur totale de la section transversale du cartilage. L’épaisseur totale du cartilage articulaire, y compris la zone calcifiée, varie en fonction de la charge exercée sur une zone particulière de la surface articulaire et du type d’articulation. La pression hydrostatique intermittente dans l’os sous-chondral joue un rôle important dans le maintien de la structure normale du cartilage en ralentissant l’ossification.

Les chondrocytes représentent environ 2 à 3 % de la masse tissulaire totale; ils sont situés le long de la surface cartilagineuse dans la zone superficielle (tangentielle) et perpendiculairement à celle-ci dans la zone profonde (radiale). Dans la zone de transition, les chondrocytes forment des groupes de 2 à 4 cellules répartis dans la matrice. La densité des chondrocytes varie selon la zone du cartilage articulaire: la densité cellulaire est la plus élevée dans la zone superficielle, la plus faible dans la zone calcifiée. De plus, la densité cellulaire varie d'une articulation à l'autre et est inversement proportionnelle à l'épaisseur du cartilage et à la charge subie par la zone correspondante.

Les chondrocytes les plus superficiels sont discoïdes et forment plusieurs couches de cellules dans la zone tangentielle, située sous une étroite bande de matrice; les cellules plus profondes de cette zone ont tendance à avoir des contours plus irréguliers. Dans la zone de transition, les chondrocytes sont sphériques et se regroupent parfois en petits groupes dispersés dans la matrice. Les chondrocytes de la zone profonde sont majoritairement ellipsoïdes, regroupés en chaînes radiales de 2 à 6 cellules. Dans la zone calcifiée, leur répartition est encore plus clairsemée; certaines sont nécrotiques, bien que la plupart soient viables. Les cellules sont entourées d'une matrice non calcifiée, l'espace intercellulaire étant calcifié.

Ainsi, le cartilage articulaire humain est constitué de matrice extracellulaire hydratée et de cellules qui y baignent, ce qui représente 2 à 3 % du volume tissulaire total. Le cartilage étant dépourvu de vaisseaux sanguins ou lymphatiques, l'interaction entre les cellules, l'apport de nutriments et l'élimination des produits métaboliques s'effectuent par diffusion à travers la matrice extracellulaire. Malgré leur activité métabolique importante, les chondrocytes ne se divisent généralement pas chez l'adulte. Ils évoluent dans un environnement exempt d'oxygène et leur métabolisme est considéré comme principalement anaérobie.

Chaque chondrocyte est considéré comme une unité métabolique distincte du cartilage, isolée des cellules voisines, mais responsable de la production d'éléments de la matrice extracellulaire à proximité immédiate de la cellule donnée et du maintien de sa composition.

La matrice extracellulaire (MEC) est divisée en trois sections, chacune possédant une structure morphologique unique et une composition biochimique spécifique. La MEC, immédiatement adjacente à la membrane basale des chondrocytes, est appelée matrice péricellulaire, ou lacunaire. Elle se caractérise par une teneur élevée en agrégats de protéoglycanes liés à la cellule par l'interaction de l'acide hyaluronique avec les récepteurs de type CD44, et par une relative absence de fibrilles de collagène organisées. Directement adjacente à la matrice péricellulaire se trouve la matrice territoriale, ou capsulaire, constituée d'un réseau de collagènes fibrillaires entrecroisés qui encapsule des cellules individuelles ou (parfois) des groupes de cellules, formant un chondron, et fournit probablement un support mécanique spécialisé aux cellules. Le contact des chondrocytes avec la matrice capsulaire s'effectue par de nombreux processus cytoplasmiques riches en microfilaments, ainsi que par des molécules matricielles spécifiques telles que l'ancorine et les récepteurs de type CD44. La section la plus grande et la plus éloignée de la matrice extracellulaire (ECM) de la membrane basale des chondrocytes est la matrice interterritoriale, qui contient le plus grand nombre de fibrilles de collagène et de protéoglycanes.

La division de la matrice extracellulaire en compartiments est plus clairement définie dans le cartilage articulaire adulte que dans le cartilage articulaire immature. La taille relative de chaque compartiment varie non seulement entre les articulations, mais aussi au sein d'un même cartilage. Chaque chondrocyte produit une matrice qui l'entoure. Selon les recherches, les chondrocytes du cartilage mature exercent un contrôle métabolique actif sur leurs matrices péricellulaire et territoriale, et un contrôle moins actif sur la matrice interterritoriale, qui peut être métaboliquement « inerte ».

Comme mentionné précédemment, le cartilage articulaire est principalement constitué d'une vaste matrice extracellulaire (MEC) synthétisée et régulée par les chondrocytes. Les macromolécules tissulaires et leurs concentrations évoluent tout au long de la vie en fonction de l'évolution des besoins fonctionnels. Cependant, on ignore encore si les cellules synthétisent l'intégralité de la matrice simultanément ou à certaines phases, en fonction des besoins physiologiques. La concentration des macromolécules, leur équilibre métabolique, leurs relations et leurs interactions déterminent les propriétés biochimiques et, par conséquent, la fonction du cartilage articulaire au sein d'une articulation. Le principal composant de la MEC du cartilage articulaire adulte est l'eau (65 à 70 % de la masse totale), qui y est solidement liée grâce aux propriétés physiques particulières des macromolécules du tissu cartilagineux, qui font partie des collagènes, des protéoglycanes et des glycoprotéines non collagéniques.

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

Composition biochimique du cartilage

Les fibres de collagène sont constituées de molécules de collagène, une protéine fibrillaire. Chez les mammifères, le collagène représente un quart de toutes les protéines de l'organisme. Le collagène forme des éléments fibrillaires (fibrilles de collagène) constitués de sous-unités structurales appelées tropocollagène. La molécule de tropocollagène possède trois chaînes formant une triple hélice. Cette structure, tout comme celle de la fibre de collagène, lorsque ces molécules sont disposées parallèlement dans le sens longitudinal avec un décalage constant d'environ un quart de leur longueur, confère une élasticité et une résistance élevées aux tissus qui les abritent. On connaît actuellement dix types de collagène génétiquement différents, se différenciant par la structure chimique des chaînes α et/ou leur intégration dans la molécule. Les quatre premiers types de collagène les mieux étudiés sont capables de former jusqu'à dix isoformes moléculaires.

Les fibrilles de collagène font partie de l'espace extracellulaire de la plupart des tissus conjonctifs, y compris le cartilage. Au sein de ce réseau tridimensionnel insoluble de fibrilles de collagène entrecroisées se trouvent d'autres composants plus solubles, tels que des protéoglycanes, des glycoprotéines et des protéines tissulaires spécifiques; ceux-ci sont parfois liés de manière covalente aux éléments de collagène.

Les molécules de collagène organisées en fibrilles constituent environ 50 % du résidu organique sec du cartilage (10 à 20 % du cartilage natif). Dans le cartilage mature, environ 90 % des collagènes sont des collagènes de type II, présents uniquement dans certains tissus (par exemple, le corps vitré et le cordon dorsal embryonnaire). Le collagène de type II appartient aux molécules de collagène de classe I (formant des fibrilles). De plus, le cartilage articulaire humain mature contient également des collagènes de types IX et XI, ainsi qu'une faible quantité de type VI. La quantité relative de fibres de collagène de type IX dans les fibrilles de collagène diminue, passant de 15 % dans le cartilage fœtal à environ 1 % dans le cartilage bovin mature.

Les molécules de collagène de type I sont constituées de trois chaînes polypeptidiques identiques, a(II), synthétisées et sécrétées comme précurseurs du procollagène. Une fois libérées dans l'espace extracellulaire, les molécules de collagène forment des fibrilles. Dans le cartilage articulaire mature, le collagène de type II forme des arcades fibrillaires où les molécules les plus épaisses sont situées dans les couches profondes du tissu, tandis que les plus fines sont situées horizontalement dans les couches superficielles.

Un exon codant pour un propeptide N-terminal riche en cystéine a été découvert dans le gène du procollagène de type II. Cet exon n'est pas exprimé dans le cartilage mature, mais aux premiers stades de son développement (préchondrogenèse). Du fait de la présence de cet exon, la molécule de procollagène de type II (type II A) est plus longue que celle du collagène de type II. L'expression de ce type de procollagène inhibe probablement l'accumulation d'éléments dans la matrice extracellulaire du cartilage articulaire. Il pourrait jouer un rôle dans le développement de pathologies cartilagineuses (par exemple, réponse réparatrice inadéquate, formation d'ostéophytes, etc.).

Le réseau de fibrilles de collagène de type II assure la résistance à l'étirement et est nécessaire au maintien du volume et de la forme du tissu. Cette fonction est renforcée par les liaisons covalentes et croisées entre les molécules de collagène. Dans la matrice extracellulaire (MEC), l'enzyme lysyl oxydase forme un aldéhyde à partir de l'hydroxylysine, qui est ensuite convertie en acide aminé multivalent hydroxylysyl-pyridinoline, qui forme des liaisons croisées entre les chaînes. Si la concentration de cet acide aminé augmente avec l'âge, elle reste pratiquement inchangée dans le cartilage mature. En revanche, dans le cartilage articulaire, on observe une augmentation avec l'âge de la concentration de liaisons croisées de divers types formées sans intervention enzymatique.

Environ 10 % de la quantité totale de collagènes du tissu cartilagineux sont des collagènes dits mineurs, qui déterminent en grande partie la fonction unique de ce tissu. Le collagène de type IX appartient aux molécules à hélice courte de classe III et à un groupe unique de collagènes FACIT (Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-Helices). Il est constitué de trois chaînes génétiquement différentes. L'une d'elles, la chaîne _a2, est glycosylée simultanément par le sulfate de chondroïtine, ce qui en fait un protéoglycane. Des liaisons croisées hydroxypyridines, matures et immatures, sont présentes entre les segments hélicoïdaux du collagène de type IX et du collagène de type II. Le collagène IX peut également fonctionner comme un « connecteur » (ou pont) intermoléculaire-interfibrillaire entre les fibrilles de collagène adjacentes. Les molécules de collagène IX forment des liaisons croisées entre elles, ce qui augmente la stabilité mécanique du réseau fibrillaire tridimensionnel et le protège des effets enzymatiques. Elles offrent également une résistance à la déformation, limitant le gonflement des protéoglycanes situés à l'intérieur du réseau. Outre la chaîne CS anionique, la molécule de collagène IX contient un domaine cationique, qui confère une charge importante à la fibrille et une tendance à interagir avec les autres macromolécules de la matrice.

Le collagène de type XI ne représente que 2 à 3 % de la masse totale de collagène. Il appartient aux collagènes de classe I (formant des fibrilles) et est constitué de trois chaînes α différentes. Avec les collagènes de types II et IX, le collagène de type XI forme des fibrilles hétérotypiques du cartilage articulaire. Des molécules de collagène de type XI ont été détectées dans des fibrilles de collagène de type II par immunoélectromicroscopie. Elles organisent probablement les molécules de collagène de type II, contrôlant la croissance latérale des fibrilles et déterminant le diamètre de la fibrille de collagène hétérotypique. De plus, le collagène XI participe à la formation de liaisons croisées, mais même dans le cartilage mature, ces liaisons restent sous forme de cétoamines divalentes immatures.

De faibles quantités de collagène de type VI, un autre membre des molécules à hélice courte de classe III, sont présentes dans le cartilage articulaire. Le collagène de type VI forme diverses microfibrilles et est probablement concentré dans la matrice capsulaire du chondron.

Les protéoglycanes sont des protéines auxquelles au moins une chaîne de glycosaminoglycane est liée de manière covalente. Ils comptent parmi les macromolécules biologiques les plus complexes. Ils sont particulièrement abondants dans la matrice extracellulaire du cartilage. « Enchevêtrés » dans un réseau de fibrilles de collagène, les protéoglycanes hydrophiles remplissent leur fonction principale: ils confèrent au cartilage la capacité de se déformer de manière réversible. On suppose que les protéoglycanes remplissent également plusieurs autres fonctions, dont la nature n'est pas totalement élucidée.

L'aggrécane est le principal protéoglycane du cartilage articulaire, représentant environ 90 % de la masse totale de protéoglycanes du tissu. Sa protéine centrale de 230 kD est glycosylée par de multiples chaînes de glycosaminoglycanes liées covalentement et des oligosaccharides N-terminaux et C-terminaux.

Les chaînes de glycosaminoglycanes du cartilage articulaire, qui constituent environ 90 % de la masse totale des macromolécules, sont le sulfate de kératane (une séquence du disaccharide sulfaté N-acétyl glucosamino lactose avec de multiples sites sulfatés et d'autres résidus monosaccharidiques tels que l'acide sialique) et le sulfate de chondroïtine (une séquence du disaccharide N-acétyl galactosamine acide glucuronique avec un ester sulfate attaché à chaque quatrième ou sixième atome de carbone de la N-acétyl galactosamine).

La protéine centrale de l'aggrécane contient trois domaines globulaires (G1, G2, G3) et deux domaines interglobulaires (E1 et E2). La région N-terminale contient les domaines G1 et G2 séparés par le segment E1, long de 21 nm. Le domaine C3, situé dans la région C-terminale, est séparé de G2 _par un segment E2 plus long (environ 260 nm), qui porte plus de 100 chaînes de sulfates de chondroïtine, environ 15 à 25 chaînes de sulfates de kératine et des oligosaccharides à liaison O. Les oligosaccharides à liaison N se trouvent principalement dans les domaines G1 et C2 et le segment E1, ainsi qu'à proximité de la _région G3. Les glycosaminoglycanes sont regroupés en deux régions: la plus longue (la région dite riche en sulfates de chondroïtine) contient des chaînes de sulfate de chondroïtine et environ 50 % de chaînes de sulfate de kératane. La région riche en sulfate de kératane est située sur le _segment E2, près du domaine G1, et précède la région riche en sulfate de chondroïtine. Les molécules d'aggrécane contiennent également des esters de phosphate, situés principalement sur les résidus de xylose qui lient les chaînes de sulfate de chondroïtine à la protéine centrale; on les trouve également sur les résidus de sérine de la protéine centrale.

Le segment C-terminal du _domaine C3 est hautement homologue à la lectine, permettant aux molécules de protéoglycanes d'être fixées dans la matrice extracellulaire en se liant à certaines structures glucidiques.

Des études récentes ont identifié un exon codant pour un sous-domaine de type EGF au sein de G3 _. Grâce à des anticorps polyclonaux anti-EGF, l'épitope de type EGF a été localisé dans un peptide de 68 kD de l'aggrécane du cartilage articulaire humain. Cependant, sa fonction reste à élucider. Ce sous-domaine est également présent dans les molécules d'adhésion qui contrôlent la migration des lymphocytes. Seul un tiers environ des molécules d'aggrécane isolées du cartilage articulaire humain mature contiennent un _domaine C3 intact; cela est probablement dû au fait que la taille des molécules d'aggrécane peut être réduite enzymatiquement dans la matrice extracellulaire. Le devenir et la fonction des fragments clivés sont inconnus.

_{Le principal segment fonctionnel de la molécule d'aggrécane est le segment} E2, porteur de glycosaminoglycanes. Cette région, riche en sulfates de kératane, contient les acides aminés proline, sérine et thréonine. La plupart des résidus sérine et thréonine sont O-glycosylés par des résidus N-acétylgalactosamine; ils initient la synthèse de certains oligosaccharides qui s'intègrent aux chaînes de sulfate de kératane, les allongeant ainsi. Le reste du _segment E2 contient plus de 100 séquences sérine-glycine, dans lesquelles la sérine assure la liaison aux résidus xylosyle au début des chaînes de sulfate de chondroïtine. Généralement, la chondroïtine-6-sulfate et la chondroïtine-4-sulfate sont présentes simultanément au sein d'une même molécule de protéoglycane, leur proportion variant selon la localisation du tissu cartilagineux et l'âge de la personne.

La structure des molécules d'aggrécane dans la matrice du cartilage articulaire humain subit de nombreux changements au cours de la maturation et du vieillissement. Ces changements incluent une diminution de la taille hydrodynamique due à une modification de la longueur moyenne des chaînes de sulfate de chondroïtine, ainsi qu'une augmentation du nombre et de la longueur des chaînes de sulfate de kératane. Plusieurs modifications de la molécule d'aggrécane sont également causées par l'action d'enzymes protéolytiques (par exemple, l'aggrécanase et la stromélésine) sur la protéine centrale. Il en résulte une diminution progressive de la longueur moyenne de la protéine centrale de la molécule d'aggrécane.

Les molécules d'aggrécane sont synthétisées par les chondrocytes et sécrétées dans la matrice extracellulaire (MEC), où elles forment des agrégats stabilisés par des protéines de liaison. Cette agrégation implique des interactions non covalentes et coopératives hautement spécifiques entre un brin d'acide glucuronique et près de 200 molécules d'aggrécane et de protéines de liaison. L'acide glucuronique est un glycosaminoglycane linéaire extracellulaire, non sulfaté et de haut poids moléculaire, composé de multiples molécules de N-acétylglucosamine et d'acide glucuronique liées séquentiellement. Les boucles appariées du domaine G1 de l'aggrécane interagissent de manière réversible avec cinq disaccharides d'acide hyaluronique séquentiellement localisés. La protéine de liaison, qui contient des boucles appariées similaires (très homologues), interagit avec le domaine C1 et la molécule d'acide hyaluronique et stabilise la structure de l'agrégat. Le complexe domaine C1 – acide hyaluronique – protéine de liaison forme une interaction hautement stable qui protège le domaine G1 et la protéine de liaison de l'action des enzymes protéolytiques. Deux molécules de la protéine de liaison, d'un poids moléculaire de 40 à 50 kDa, ont été identifiées; elles diffèrent l'une de l'autre par leur degré de glycosylation. Une seule molécule de la protéine de liaison est présente au niveau de la liaison acide hyaluronique-aggrécane. La troisième molécule, plus petite, est formée à partir de molécules plus grosses par clivage protéolytique.

Environ 200 molécules d'aggrécane peuvent se lier à une molécule d'acide hyaluronique pour former un agrégat de 8 μm de long. Dans la matrice associée aux cellules, constituée de compartiments péricellulaires et territoriaux, les agrégats maintiennent leur association avec les cellules en se liant (via un filament d'acide hyaluronique) aux récepteurs de type CD44 présents sur la membrane cellulaire.

La formation d'agrégats dans la matrice extracellulaire (MEC) est un processus complexe. Les molécules d'aggrécane nouvellement synthétisées ne présentent pas immédiatement la capacité de se lier à l'acide hyaluronique. Cela pourrait servir de mécanisme régulateur permettant aux molécules nouvellement synthétisées d'atteindre la zone interterritoriale de la matrice avant d'être immobilisées en de grands agrégats. Le nombre de molécules d'aggrécane nouvellement synthétisées et de protéines de liaison capables de former des agrégats en interagissant avec l'acide hyaluronique diminue significativement avec l'âge. De plus, la taille des agrégats isolés du cartilage articulaire humain diminue significativement avec l'âge. Ceci est en partie dû à une diminution de la longueur moyenne des molécules d'acide hyaluronique et d'aggrécane.

Deux types d'agrégats ont été observés dans le cartilage articulaire. La taille moyenne des premiers est de 60 µS, tandis que celle des seconds (les « superagrégats » à précipitation rapide) est de 120 µS. Ces derniers se distinguent par l'abondance de molécules de la protéine de liaison. La présence de ces superagrégats pourrait jouer un rôle majeur dans le fonctionnement du tissu; lors de la restauration tissulaire après immobilisation du membre, on en trouve des concentrations plus élevées dans les couches moyennes du cartilage articulaire, tandis que dans une articulation atteinte d'arthrose, leur taille est significativement réduite aux premiers stades de la maladie.

Outre l'aggrécane, le cartilage articulaire contient plusieurs protéoglycanes plus petits. Le biglycane et la décorine, molécules porteuses des sulfates de dermatane, ont des poids moléculaires respectifs d'environ 100 et 70 kDa; la masse de leur protéine centrale est d'environ 30 kDa.

Dans le cartilage articulaire humain, la molécule de biglycane contient deux chaînes de sulfate de dermatane, tandis que la décorine, plus courante, n'en contient qu'une seule. Ces molécules ne constituent qu'une petite fraction des protéoglycanes du cartilage articulaire, bien qu'elles puissent être aussi nombreuses que les protéoglycanes agrégés de grande taille. Les petits protéoglycanes interagissent avec d'autres macromolécules de la matrice extracellulaire, notamment les fibrilles de collagène, la fibronectine, les facteurs de croissance, etc. La décorine est principalement localisée à la surface des fibrilles de collagène et inhibe la fibrillogenèse du collagène. La protéine centrale est étroitement retenue par le domaine de liaison cellulaire de la fibronectine, empêchant ainsi probablement cette dernière de se lier aux récepteurs de surface cellulaire (intégrines). Parce que la décorine et le biglycane se lient à la fibronectine et inhibent l'adhésion et la migration cellulaires, ainsi que la formation de thrombus, ils sont capables d'inhiber les processus de réparation tissulaire.

La fibromoduline du cartilage articulaire est un protéoglycane de poids moléculaire compris entre 50 et 65 kD associé aux fibrilles de collagène. Sa protéine centrale, homologue aux protéines centrales de la décorine et du biglycane, contient un grand nombre de résidus de sulfate de tyrosine. Cette forme glycosylée de la fibromoduline (anciennement appelée protéine matricielle de 59 kD) pourrait participer à la régulation de la formation et du maintien de la structure des fibrilles de collagène. La fibromoduline et la décorine sont situées à la surface des fibrilles de collagène. Ainsi, comme indiqué précédemment, une augmentation du diamètre des fibrilles doit être précédée d'une élimination sélective de ces protéoglycanes (ainsi que des molécules de collagène de type IX).

Le cartilage articulaire contient plusieurs protéines de la matrice extracellulaire (MEC) qui ne sont ni des protéoglycanes ni des collagènes. Elles interagissent avec d'autres macromolécules pour former un réseau incluant la plupart des molécules de la MEC.

L'ancorine, une protéine de 34 kD, est localisée à la surface des chondrocytes et dans la membrane cellulaire, assurant la médiation des interactions entre la cellule et la matrice. Grâce à sa forte affinité pour le collagène de type II, elle peut agir comme mécanorécepteur, transmettant au chondrocyte un signal indiquant une modification de pression sur la fibrille.

La fibronectine est un composant de la plupart des tissus cartilagineux et diffère légèrement de la fibronectine plasmatique. On pense que la fibronectine favorise l'intégration matricielle en interagissant avec les membranes cellulaires et d'autres composants de la matrice, tels que le collagène de type II et la thrombospondine. Les fragments de fibronectine ont un effet négatif sur le métabolisme des chondrocytes: ils inhibent la synthèse d'aggrécane et stimulent les processus cataboliques. Des concentrations élevées de fragments de fibronectine ont été détectées dans le liquide articulaire de patients atteints d'arthrose; ils pourraient donc participer à la pathogenèse de la maladie à un stade avancé. Des fragments d'autres molécules matricielles qui se lient aux récepteurs des chondrocytes sont susceptibles d'avoir des effets similaires.

La protéine oligomérique de la matrice cartilagineuse (OMPC), membre de la superfamille des thrombospondines, est un pentamère composé de cinq sous-unités identiques, d'un poids moléculaire d'environ 83 kDa. On la trouve en grande quantité dans le cartilage articulaire, notamment dans la couche de cellules proliférantes des tissus en croissance. Il est donc possible que l'OMPC participe à la régulation de la croissance cellulaire. On la trouve en concentrations beaucoup plus faibles dans la matrice extracellulaire du cartilage articulaire mature. Les protéines de la matrice comprennent également:

• la protéine de matrice basique (36 kDa), qui a une forte affinité pour les chondrocytes, peut servir de médiateur aux interactions cellulaires dans la matrice extracellulaire, comme lors du remodelage tissulaire;
• Le GP-39 (39 kDa) est exprimé dans la couche superficielle du cartilage articulaire et dans la membrane synoviale (ses fonctions sont inconnues);
• La protéine 21 kD est synthétisée par les chondrocytes hypertrophiés, interagit avec le collagène de type X et peut fonctionner dans la zone de la « ligne ondulée ».

De plus, il est évident que les chondrocytes expriment des formes non glycosylées de petits protéoglycanes non agrégés à certains stades du développement du cartilage et dans des conditions pathologiques, mais leur fonction spécifique est actuellement à l'étude.

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

Propriétés fonctionnelles du cartilage articulaire

Les molécules d'aggrécane confèrent au cartilage articulaire la capacité de subir des déformations réversibles. Elles présentent des interactions spécifiques au sein de l'espace extracellulaire et jouent sans aucun doute un rôle important dans l'organisation, la structure et la fonction de la matrice extracellulaire. Dans le tissu cartilagineux, les molécules d'aggrécane atteignent une concentration de 100 mg/ml. Dans le cartilage, elles sont comprimées à 20 % de leur volume en solution. Un réseau tridimensionnel formé de fibrilles de collagène confère au tissu sa forme caractéristique et prévient l'augmentation du volume des protéoglycanes. Au sein du réseau de collagène, les protéoglycanes immobiles portent une charge électrique négative importante (ils contiennent un grand nombre de groupes anioniques), ce qui leur permet d'interagir avec les groupes cationiques mobiles du liquide interstitiel. En interagissant avec l'eau, les protéoglycanes exercent la pression de gonflement, contrebalancée par le réseau de collagène.

La présence d'eau dans la matrice extracellulaire (MEC) est très importante. L'eau détermine le volume du tissu; liée aux protéoglycanes, elle assure la résistance à la compression. De plus, l'eau assure le transport des molécules et la diffusion dans la MEC. La forte densité de charge négative des gros protéoglycanes fixés dans le tissu crée un « effet de volume exclu ». La taille des pores de la solution intraconcentrée de protéoglycanes est si petite que la diffusion des grosses protéines globulaires dans le tissu est fortement limitée. La MEC repousse les petites protéines chargées négativement (par exemple, les ions chlorure) et les grosses protéines (comme l'albumine et les immunoglobulines). La taille des cellules au sein du réseau dense de fibrilles de collagène et de protéoglycanes n'est comparable qu'à celle de certaines molécules inorganiques (par exemple, le sodium et le potassium, mais pas le calcium).

Dans la matrice extrafibrillaire (MEC), une certaine quantité d'eau est présente dans les fibrilles de collagène. L'espace extrafibrillaire détermine les propriétés physico-chimiques et biomécaniques du cartilage. La teneur en eau de l'espace intrafibrillaire dépend de la concentration en protéoglycanes dans l'espace extrafibrillaire et augmente avec la diminution de cette concentration.

La charge négative fixe des protéoglycanes détermine la composition ionique du milieu extracellulaire, qui contient des cations libres en forte concentration et des anions libres en faible concentration. À mesure que la concentration en molécules d'aggrécane augmente de la zone superficielle à la zone profonde du cartilage, l'environnement ionique du tissu se modifie. La concentration d'ions inorganiques dans la matrice extracellulaire crée une pression osmotique élevée.

Les propriétés matérielles du cartilage dépendent de l'interaction des fibrilles de collagène, des protéoglycanes et de la phase liquide du tissu. Les modifications structurelles et compositionnelles associées à l'inadéquation entre les processus de synthèse et de catabolisme, à la dégradation des macromolécules et aux traumatismes physiques affectent significativement les propriétés matérielles du cartilage et modifient sa fonction. La concentration, la distribution et l'organisation macromoléculaire des collagènes et des protéoglycanes variant selon la profondeur de la zone cartilagineuse, les propriétés biomécaniques de chaque zone varient. Par exemple, la zone superficielle, avec sa forte concentration en collagène, ses fibrilles tangentielles et sa concentration relativement faible en protéoglycanes, présente les propriétés de résistance à l'étirement les plus prononcées, répartissant la charge uniformément sur toute la surface du tissu. Dans les zones de transition et profondes, la forte concentration en protéoglycanes confère au tissu la capacité de supporter une charge de compression. Au niveau de la « ligne ondulée », les propriétés matérielles du cartilage changent radicalement, passant d'une zone souple et non calcifiée à un cartilage minéralisé plus rigide. Dans cette zone, la résistance du tissu est assurée par le réseau de collagène. Les sections cartilagineuses sous-jacentes ne sont pas traversées par des fibrilles de collagène; au niveau de la jonction ostéochondrale, la résistance du tissu est assurée par les contours spécifiques de la limite entre les zones cartilagineuses non calcifiées et calcifiées, sous forme d'excroissances irrégulières en forme de doigts, qui « ferment » les deux couches et empêchent leur séparation. Le cartilage calcifié est moins dense que l'os sous-chondral; il fonctionne donc comme une couche intermédiaire qui atténue la charge de compression exercée sur le cartilage et la transfère à l'os sous-chondral.

Lors de la mise en charge, une distribution complexe de trois forces se produit: extension, cisaillement et compression. La matrice articulaire se déforme sous l'effet de l'expulsion d'eau (et de produits du métabolisme cellulaire) de la zone de charge, ce qui augmente la concentration en ions dans le liquide interstitiel. Le mouvement de l'eau dépend directement de la durée et de la force de la charge appliquée et est retardé par la charge négative des protéoglycanes. Lors de la déformation tissulaire, les protéoglycanes sont comprimés plus étroitement les uns contre les autres, augmentant ainsi la densité de la charge négative. Les forces intermoléculaires qui repoussent cette charge augmentent à leur tour la résistance du tissu à une déformation ultérieure. Finalement, la déformation atteint un équilibre où les forces de charge externes sont contrebalancées par les forces de résistance internes: pression de gonflement (interaction des protéoglycanes avec les ions) et contrainte mécanique (interaction des protéoglycanes et des collagènes). Lorsque la charge est supprimée, le tissu cartilagineux reprend sa forme initiale en absorbant l'eau et les nutriments. La forme initiale (précharge) du tissu est obtenue lorsque la pression de gonflement des protéoglycanes est équilibrée par la résistance du réseau de collagène à leur propagation.

Les propriétés biomécaniques du cartilage articulaire reposent sur l'intégrité structurelle du tissu: une composition collagène-protéoglycane en phase solide et eau et ions dissous en phase liquide. À vide, la pression hydrostatique du cartilage articulaire est d'environ 1 à 2 atm. Cette pression hydrostatique peut augmenter in vivo jusqu'à 100 à 200 atm par milliseconde en station debout et jusqu'à 40 à 50 atm pendant la marche. Des études in vitro ont montré qu'une pression hydrostatique de 50 à 150 atm (physiologique) entraîne une augmentation modérée de l'anabolisme cartilagineux sur une courte période, et une perte de liquide cartilagineux sur une période de 2 heures, sans autre modification. La rapidité avec laquelle les chondrocytes réagissent in vivo à ce type de charge reste incertaine.

La diminution induite de l'hydratation, suivie d'une augmentation de la concentration en protéoglycanes, entraîne l'attraction d'ions chargés positivement tels que H ⁺ et Na ⁺. Ceci entraîne une modification de la composition ionique globale et du pH de la matrice extracellulaire et des chondrocytes. L'exercice à long terme induit une diminution du pH et, simultanément, une diminution de la synthèse de protéoglycanes par les chondrocytes. Il est possible que l'influence de l'environnement ionique extracellulaire sur les processus de synthèse soit également en partie liée à son influence sur la composition de la matrice extracellulaire. Les molécules d'aggrécane nouvellement synthétisées mûrissent en formes agrégées plus tard dans un environnement faiblement acide que dans des conditions normales. Il est probable qu'une diminution du pH autour des chondrocytes (par exemple, pendant l'exercice) permet à davantage de molécules d'aggrécane nouvellement synthétisées d'atteindre la matrice interterritoriale.

Lorsque la charge est supprimée, l'eau retourne de la cavité synoviale, transportant les nutriments nécessaires aux cellules. Dans le cartilage affecté par l'arthrose, la concentration en protéoglycanes est réduite. Par conséquent, pendant la charge, l'eau se déplace non seulement verticalement dans la cavité synoviale, mais aussi dans d'autres directions, réduisant ainsi l'apport nutritionnel des chondrocytes.

L'immobilisation ou une charge légère entraîne une diminution marquée de la synthèse du cartilage et de la teneur en protéoglycanes, tandis qu'une charge dynamique accrue entraîne une augmentation modérée de la synthèse et de la teneur en protéoglycanes. Un exercice intense (20 km/jour pendant 15 semaines) chez le chien a induit des modifications de la teneur en protéoglycanes, notamment une forte diminution de leur concentration dans la zone superficielle. Un ramollissement réversible du cartilage et un remodelage osseux sous-chondral se sont produits. Cependant, une charge statique sévère a provoqué des lésions cartilagineuses et une dégénérescence ultérieure. De plus, la perte d'aggrécane dans la matrice extracellulaire (MEC) initie les modifications anormales caractéristiques de l'arthrose. La perte d'aggrécane entraîne une attraction de l'eau et un gonflement de la faible quantité de protéoglycane restante. Cette dissolution de l'aggrécane contribue à une diminution de la densité de charge fixe locale et conduit finalement à une modification de l'osmolarité.