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Canales de agua e iones en el cartílago articular
Water and ion channels in joint cartilage
E.. Trujillo Martína
a Servicio de Reumatología. Hospital Universitario de Canarias. La Laguna. Tenerife. España.
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El agua contribuye casi al 80&#37; del peso total del cart&#237;lago articular y su interacci&#243;n con las macromol&#233;culas de la matriz influye sustancialmente en las propiedades mec&#225;nicas del tejido&#46; El armaz&#243;n s&#243;lido del cart&#237;lago articular est&#225; <span class="elsevierStyleItalic"> c</span>onstituido por fibras col&#225;genas que constituyen el endoesqueleto del cart&#237;lago en cuya red se albergan agregados de proteoglicanos<span class="elsevierStyleSup">2</span> &#40;fig&#46; 1A&#41;&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><img src="29v32n01-13071158tab01.gif"></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 1&#46; A&#41; Unidad elemental del cart&#237;lago articular&#58; agregados de proteoglicanos ani&#243;nicos que ocupan el espacio comprendido entre fibras de col&#225;geno&#46; B&#41; Agregado de proteoglicanos formado por un filamento central de &#225;cido hialur&#243;nico al que est&#225;n unidas las prote&#237;nas de enlace y las cadenas de proteoglicanos&#46; C&#41;  Comportamiento de una unidad del cart&#237;lago articular en reposo &#40;1 &#41; y en un momento de carga &#40;2&#41;&#46;</p><br></br><br></br><p class="elsevierStylePara">Los proteoglicanos son macromol&#233;culas constituidas por un eje central lineal de naturaleza proteica a las que est&#225;n conectadas mediante enlaces covalentes cadenas de polisac&#225;ridos glucosaminoglicanos&#46; Cada prote&#237;na central soporta de 50 a 100 cadenas de glucosaminoglicanos&#46; Cada disac&#225;rido tiene al menos un grupo carboxilo o sulfato cargado negativamente&#44; por lo que los glucosaminoglicanos constituyen largas filas de cargas negativas que repelen otras mol&#233;culas cargadas negativamente y atraen cationes<span class="elsevierStyleSup">3&#44;4</span> &#40;fig&#46; 1B&#41;&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Composici&#243;n i&#243;nica y de agua del cart&#237;lago articular&#58; efecto de la carga en el medio i&#243;nico y osm&#243;tico del condrocito</p><p class="elsevierStylePara">La presencia de los grupos ani&#243;nicos carboxilo y sulfato en los glucosaminoglicanos confiere a la matriz del cart&#237;lago una composici&#243;n i&#243;nica y osm&#243;tica diferencial&#44; dado que la alta densidad de cargas negativas en los proteoglicanos atrae cationes &#40;principalmente Na<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span>&#44; K<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span> y Ca<span class="elsevierStyleSup">2&#43;</span>&#41; y repele aniones &#40;Cl<span class="elsevierStyleSup">&#173;</span>&#44; HCO<span class="elsevierStyleInf">2</span>&#41;&#44; por lo que la concentraci&#243;n de cationes libres en el cart&#237;lago es alta y la de aniones es baja en comparaci&#243;n con los fluidos extracelulares de otros tejidos<span class="elsevierStyleSup">5&#44;6</span> &#40;fig&#46; 2A&#41;&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><img src="29v32n01-13071158tab02.gif"></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 2&#46; A&#41; Medio i&#243;nico extracelular del cart&#237;lago articular&#58; alta densidad de cationes&#46;  B&#41; Efecto de la carga en el medio i&#243;nico y osm&#243;tico de los condrocitos&#46; La fuerza mec&#225;nica deforma los condrocitos&#44; elevando la presi&#243;n hidrost&#225;tica y aumentando la densidad de cargas fijadas&#44; produciendo as&#237; un aumento significativo en la concentraci&#243;n local de cationes y la osmolaridad del tejido&#46;</p><br></br><br></br><p class="elsevierStylePara">Durante la carga articular se producen cambios fisicoqu&#237;micos que alteran la composici&#243;n i&#243;nica y osm&#243;tica de la matriz del cart&#237;lago&#44; que a su vez alteran la composici&#243;n intracelular de iones y su pH&#46; La fuerza mec&#225;nica deforma los condrocitos&#44; con la elevaci&#243;n la presi&#243;n hidrost&#225;tica y el aumento de la densidad de cargas fijadas&#44; y as&#237; se produce un aumento significativo en la concentraci&#243;n local de cationes y la osmolaridad del tejido &#40;fig&#46; 2B&#41;&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Papel del agua y los iones en la biomec&#225;nica articular</p><p class="elsevierStylePara">La capacidad del cart&#237;lago para soportar las grandes presiones generadas durante la carga depende de la integridad del armaz&#243;n col&#225;geno&#44; del entramado fibrilar tridimensional y del mantenimiento de la elevada concentraci&#243;n de proteoglicanos ani&#243;nicos que ocupan los espacios comprendidos entre las fibras col&#225;genas&#46;</p><p class="elsevierStylePara">La alta densidad de cargas negativas en los proteoglicanos atrae cationes y repele aniones&#59; este movimiento de cationes a la matriz es seguido por el movimiento obligado de agua&#44; as&#237; se crea el llamado efecto Donnan&#59; los proteoglicanos&#44; que no pueden salir de la red de col&#225;geno&#44; atraen hacia s&#237; mol&#233;culas de agua&#44; hinch&#225;ndose y expandiendo la red de col&#225;geno hasta el punto de conferir al cart&#237;lago su t&#237;pica elasticidad&#44; resistencia y capacidad de amortiguar los esfuerzos mec&#225;nicos<span class="elsevierStyleSup">4</span><span class="elsevierStyleItalic">&#46;</span></p><p class="elsevierStylePara">Cuando se ejerce una presi&#243;n sobre el cart&#237;lago&#44; su deformaci&#243;n ocurre de manera gradual&#44; a medida que las mol&#233;culas de agua se desplazan del interior de los proteoglicanos hacia la superficie articular&#46; Cuando la fuerza cesa&#44; estas mol&#233;culas de agua vuelven a su localizaci&#243;n inicial&#44; atra&#237;das por la fuerte carga negativa de lo proteoglicanos&#44; restableci&#233;ndose la estructura del cart&#237;lago&#46; Esta capacidad de amortiguaci&#243;n ejercida por los proteoglicanos&#44; hace que las fuerzas lleguen parcialmente disipadas y enlentecidas a la red de col&#225;geno&#44; que es la responsable final de la estructura tridimensional del cart&#237;lago&#44; en virtud de su enorme resistencia f&#237;sica a la tensi&#243;n<span class="elsevierStyleSup">7</span> &#40;fig&#46; 1C&#41;&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Composici&#243;n i&#243;nica y de agua del cart&#237;lago en la artrosis</p><p class="elsevierStylePara">En las fases iniciales de la artrosis se ha observado un aumento de la concentraci&#243;n del sodio extracelular&#44; que alcanza cifras similares a las que se observan en el cart&#237;lago durante la carga articular&#46; Igualmente&#44; se produce un aumento del contenido de agua del cart&#237;lago<span class="elsevierStyleSup">8</span>&#46; En la fase avanzada de la enfermedad&#44; se produce una disminuci&#243;n del contenido acuoso de la matriz del cart&#237;lago&#44; as&#237; como de la concentraci&#243;n extracelular de sodio&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Mediante espectroscopia de absorci&#243;n at&#243;mica se ha medido la concentraci&#243;n intracelular de Na&#44; K y agua en condrocitos sanos y afectados de artrosis&#46; En la artrosis precoz&#44; el contenido intracelular de agua&#44; Na<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span> y K<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span> se mantiene en concentraciones similares a las de los condrocitos sanos&#46; Cuando la artrosis avanza&#44; la concentraci&#243;n intracelular&#44; principalmente de Na<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span>&#44; aumenta de forma significativa<span class="elsevierStyleSup">9</span>&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Papel del agua y los iones en la fisiopatolog&#237;a de la artrosis</p><p class="elsevierStylePara">El condrocito dispone de todos los enzimas necesarios para la bios&#237;ntesis y degradaci&#243;n de las mol&#233;culas de la matriz a lo largo de la vida&#46; Para ello&#44; debe sentir los cambios en la composici&#243;n de la matriz producidos por la degradaci&#243;n de macromol&#233;culas&#44; as&#237; como cambios en la demanda por el uso articular&#46; El cart&#237;lago articular adulto est&#225; sujeto a un equilibrio entre los procesos anab&#243;licos &#40;s&#237;ntesis de matriz extracelular&#41; y catab&#243;licos &#40;degradaci&#243;n y p&#233;rdida de matriz&#41;&#44; los mecanismos que controlan el balance entre ambas actividades&#44; s&#237;ntesis y degradaci&#243;n&#44; permanecen poco conocidos&#44; pero las citocinas parecen tener un importante papel&#46;</p><p class="elsevierStylePara">La matriz act&#250;a transmitiendo se&#241;ales que resultan de fuerzas mec&#225;nicas de la superficie articular y los condrocitos responden a estas se&#241;ales por alteraci&#243;n de la matriz&#44; posiblemente a trav&#233;s de la expresi&#243;n de citocinas&#46; El mantenimiento de la composici&#243;n normal del cart&#237;lago requiere un nivel m&#237;nimo de carga y moci&#243;n de la articulaci&#243;n&#46; Sin embargo&#44; una carga y moci&#243;n repetidas de la articulaci&#243;n de un nivel mayor de lo normal puede aumentar la actividad sintetizadora de los condrocitos&#44; pero &#233;stos tienen limitada su capacidad de expandir el volumen tisular en el adulto<span class="elsevierStyleSup">2</span>&#46; Los detalles de c&#243;mo los mecanismos de carga de las articulaciones&#44; que deforman la matriz extracelular&#44; influyen en la funci&#243;n de los condrocitos son a&#250;n desconocidos&#44; pero la deformaci&#243;n de la matriz produce se&#241;ales mec&#225;nicas&#44; el&#233;ctricas y fisicoqu&#237;micas que pueden tener un papel en la estimulaci&#243;n de los condrocitos&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Desde la d&#233;cada de los noventa se sabe que los condrocitos son sensibles y responden adapt&#225;ndose a cambios a corto plazo en su ambiente i&#243;nico y osm&#243;tico&#46; A corto plazo&#44; son capaces de regular la concentraci&#243;n intracelular de iones en un intento de devolver la concentraci&#243;n de iones a sus valores fisiol&#243;gicos&#46; A largo plazo&#44; tales cambios pueden afectar al equilibrio entre la s&#237;ntesis y degradaci&#243;n de la matriz&#44; comprometiendo por tanto las propiedades mec&#225;nicas del tejido&#44; lo que puede jugar un papel en la patog&#233;nesis de los estadios precoces de la patolog&#237;a articular&#46; Se ha comprobado que la s&#237;ntesis de la matriz extracelular por el condrocito es sensible a la concentraci&#243;n extracelular de Na<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span> y tambi&#233;n se ha visto que cambios en el pH extracelular modifican la s&#237;ntesis de macromol&#233;culas de matriz<span class="elsevierStyleSup">10-14</span>&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Estudios en cultivo de condrocitos han mostrado que si se aumenta el sodio al medio extracelular aumenta la producci&#243;n de la citocina anab&#243;lica IGF y disminuye la de citocinas catab&#243;licas IL-1 y TNF-&#42;&#46; Tambi&#233;n se ha visto que cuando se modifica el sodio extracelular en cultivo de condrocitos se producen cambios en los componentes de la matriz extracelular &#40;proteoglicanos y col&#225;geno&#41;&#58; un aumento de la s&#237;ntesis de proteoglicanos no agregados&#44; biglicano y decorina y un aumento de la s&#237;ntesis del col&#225;geno tipo X<span class="elsevierStyleSup">15</span>&#46;</p><p class="elsevierStylePara">El transporte de agua e iones a trav&#233;s de la membrana plasm&#225;tica es una propiedad fundamental de todas las c&#233;lulas animales&#44; incluyendo los condrocitos&#44; pero en &#233;stos&#44; dado su peculiar ambiente i&#243;nico y osm&#243;tico&#44; constituye un pilar clave para el funcionamiento del cart&#237;lago&#46; El conocimiento del transporte de iones y las propiedades bioqu&#237;micas y moleculares de las prote&#237;nas transportadoras de membrana en los condrocitos es pobre comparado con el de otras c&#233;lulas&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Transportadores de agua e iones en el cart&#237;lago articular</p><p class="elsevierStylePara">En los estudios realizados hasta ahora acerca del transporte de iones y regulaci&#243;n del pH en el cart&#237;lago articular humano sano&#44; el Na&#43; parece tener al menos 4 mecanismos de transporte de membrana en los condrocitos&#59; 3 mecanismos a favor de gradiente de concentraci&#243;n que no requieren energ&#237;a directa para su funci&#243;n&#58; el intercambiador Na<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span> x H<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span> &#40;NHE&#41;&#44; el cotransportador Na<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span>&#47;K<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span>&#47;2Cl<span class="elsevierStyleSup">&#173;</span> y el canal epitelial de sodio &#40;ENaC&#41; y un mecanismo contra gradiente la bomba Na&#44;K-ATPasa<span class="elsevierStyleSup">16&#44;17</span> &#40;fig&#46; 3&#41;&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><img src="29v32n01-13071158tab03.gif"></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 3&#46;  Transportadores de sodio identificados en el condrocito humano &#40;adaptado de Mobasheri et al&#44; 1998 y Trujillo et al 1999&#46;</p><br></br><br></br><p class="elsevierStylePara">En el cart&#237;lago afectado de artrosis se ha observado una ausencia de expresi&#243;n del canal epitelial de sodio en las regiones intermedias&#46; El ENaC es el &#250;nico sistema de transporte de sodio cuya expresi&#243;n se ve alterada en la artrosis&#46; Seguramente esta represi&#243;n es inducida por la elevaci&#243;n intracelular del sodio consecutiva a la elevaci&#243;n de este cati&#243;n en la matriz del cart&#237;lago&#46; &#191;Por qu&#233; selectivamente la represi&#243;n de ENaC y no la de los otros transportadores&#63; El condrocito es una c&#233;lula de origen mesenquimal&#44; apolar y&#44; por consiguiente&#44; sin un flujo vectorial transcelular de Na<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span>&#46; El Na<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span> no se transporta de un medio a otro&#44; tan s&#243;lo se usa para la generaci&#243;n de gradientes que puedan servir a la c&#233;lula para captar glucosa&#44; amino&#225;cidos&#44; calcio&#44; regular su pH y toda una serie de mecanismos necesarios para la vida&#46; Posiblemente&#44; como respuesta&#44; la forma m&#225;s f&#225;cil que tenga la c&#233;lula de reducir la entrada de Na<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span>&#44; sin afectar ninguna de las entradas o salidas de otros solutos&#44; sea la de anular la expresi&#243;n final del canal que espec&#237;ficamente transporta s&#243;lo Na<span class="elsevierStyleSup">&#43;</span>&#44; el ENaC&#46; Esta diferencia de la artrosis puede ser una manifestaci&#243;n que indique una alteraci&#243;n primaria de esta enfermedad<span class="elsevierStyleSup">18</span>&#46;</p><p class="elsevierStylePara">El incremento de la concentraci&#243;n de sodio en la matriz del cart&#237;lago&#44; seguramente debido a una disminuci&#243;n de la capacidad neutralizadora de cargas consecutiva a la variaci&#243;n estructural de los glucosaminoglicanos&#44; conlleva una disminuci&#243;n del n&#250;mero de copias de subunidades de ENaC en la membrana plasm&#225;tica con el fin de evitar la entrada indiscriminada de sodio a favor de gradiente&#46;</p><p class="elsevierStylePara">En estudios preliminares en cultivos primarios de condrocitos humanos&#44; se ha observado tambi&#233;n que el aumento del sodio del medio extracelular induce una disminuci&#243;n de la expresi&#243;n de las<br></br> 3 subunidades de ENAC<span class="elsevierStyleSup">19</span>&#46;</p><p class="elsevierStylePara">El transporte de agua a trav&#233;s de la membrana plasm&#225;tica celular se realiza mediante 2 caminos&#58; por difusi&#243;n simple &#40;permeabilidad difusional de agua&#41; y mediante canales de agua de membrana plasm&#225;tica &#40;aquaporinas &#91;AQP&#93;&#41;&#46; Los estudios realizados hasta el momento muestran que AQP1 se expresa abundantemente en todo el espesor del cart&#237;lago humano <span class="elsevierStyleItalic">in situ</span> y que AQP3 se expresa d&#233;bilmente en las &#225;reas de superficie y medias&#46; Sin embargo&#44; la expresi&#243;n de AQP1 se reduce significativamente en condrocitos aislados frescos&#46; No hemos encontrado evidencia de presencia de AQP2 en condrocitos&#46; No hubo diferencias de expresi&#243;n de AQP1 entre el cart&#237;lago sano y el afectado de osteoartritis&#46; La presencia de AQP1 hace suponer que juega un papel en el transporte de agua de los condrocitos dentro del cart&#237;lago&#44; y su reducci&#243;n o ausencia de expresi&#243;n en condrocitos aislados sugiere que &#233;stos carecen de los requerimientos fisiol&#243;gicos para el transporte de agua mediado por AQP1<span class="elsevierStyleSup">20&#44;21</span>&#46;</p><p class="elsevierStylePara">En respuesta a este ambiente i&#243;nico alterado&#44; los condrocitos modulan sus sistemas de transporte i&#243;nicos de membrana celular&#46; Teniendo esto en cuenta&#44; es posible que durante los estadios iniciales de la patolog&#237;a del cart&#237;lago&#44; los condrocitos puedan ser capaces responder a los cambios i&#243;nicos y osm&#243;ticos mediante la adaptaci&#243;n de la densidad y patr&#243;n de distribuci&#243;n de las isoformas de los sistemas de transporte i&#243;nico de membrana&#46; Sin embargo&#44; a largo plazo&#44; los cambios mantenidos y progresivos del ambiente i&#243;nico de la matriz pueden no ser tolerados por los condrocitos&#44; siendo incapaces de iniciar mecanismos reparadores&#46; El control de la homeostasis i&#243;nica intracelular y consecuentemente de la s&#237;ntesis de matriz&#44; puede ser una promesa para el futuro desarrollo de f&#225;rmacos para el control y manejo de la artrosis&#46; La modulaci&#243;n farmacol&#243;gica de los transportadores plasm&#225;ticos de membrana puede prevenir la destrucci&#243;n del cart&#237;lago en sujetos susceptibles&#46;</p><p class="elsevierStylePara">El conocimiento del papel fisiopatol&#243;gico de los sistemas de transporte en condrocitos puede llevar a futuras estrategias terap&#233;uticas&#46;</p>"
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Información del artículo
ISSN: 03044815
Idioma original: Español
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