変形性関節症：関節軟骨はどのように組織されているのか？

正常な関節軟骨は、主に2つの機能を果たします。1つは、機械的負荷時に変形することで圧力を吸収すること、もう1つは、関節面を滑らかにすることで関節運動時の摩擦を最小限に抑えることです。これは、細胞外マトリックス（ECM）に浸漬されたコンドロイチンからなる関節軟骨の独特な構造によって実現されています。

正常な成人の関節軟骨は、表層または接線層、移行層、深層または放射状層、そして石灰化層という複数の層または領域に分けられます。表層と移行層の間、特に移行層と深層の間には明確な境界がありません。非石灰化関節軟骨と石灰化関節軟骨の境界は「波状境界」と呼ばれ、脱灰組織を染色すると見える線です。軟骨の石灰化層は、軟骨の断面積全体における比較的一定の割合（6～8%）を占めています。石灰化軟骨層を含む関節軟骨全体の厚さは、関節面の特定領域にかかる荷重や関節の種類によって異なります。軟骨下骨における断続的な静水圧は、骨化を遅らせることで軟骨の正常な構造を維持する上で重要な役割を果たします。

軟骨細胞は全組織量の約2～3%を占め、表層（接線方向）では軟骨表面に沿って、深層（放射方向）では軟骨表面に垂直に分布しています。移行層では、軟骨細胞は2～4個の細胞からなる集団を形成し、基質全体に散在しています。関節軟骨の領域によって軟骨細胞の密度は異なり、表層では細胞密度が最も高く、石灰化層では最も低くなります。さらに、細胞分布密度は関節ごとに異なり、軟骨の厚さと対応する領域にかかる負荷に反比例します。

最も表層に位置する軟骨細胞は円盤状で、細い帯状の基質の下にある接線方向に複数層の細胞を形成しています。この領域の深層に位置する細胞は、より不均一な輪郭を示す傾向があります。移行領域では、軟骨細胞は球状で、時には基質内に散在する小さな集団に集合しています。深層領域の軟骨細胞は主に楕円形で、2～6個の細胞が放射状に位置する鎖状に集合しています。石灰化領域では、軟骨細胞はさらにまばらに分布しており、一部は壊死していますが、大部分は生存しています。細胞は非石灰化基質に囲まれており、細胞間隙は石灰化しています。

したがって、ヒトの関節軟骨は、水和した細胞外マトリックス（ECM）とその中に浸漬された細胞で構成されており、これらは組織全体の体積の2～3%を占めています。軟骨組織には血管やリンパ管がないため、細胞間の相互作用、細胞への栄養素の供給、代謝産物の除去は、ECMを介した拡散によって行われます。軟骨細胞は代謝が非常に活発であるにもかかわらず、成人では通常分裂しません。軟骨細胞は酸素のない環境に存在し、その代謝は主に嫌気性であると考えられています。

各軟骨細胞は、隣接する細胞から隔離された軟骨の独立した代謝単位であると考えられていますが、提供された細胞のすぐ近くでの ECM 要素の生成とその構成の維持を担っています。

ECM は3つのセクションに分かれており、それぞれが独自の形態構造と特定の生化学的組成を持っています。軟骨細胞基底膜に隣接する ECM は、細胞周囲マトリックスまたはラクナマトリックスと呼ばれます。これは、ヒアルロン酸と CD44 様受容体との相互作用によって細胞に結合したプロテオグリカン凝集体の含有量が高く、組織化されたコラーゲン原線維が比較的少ないことが特徴です。細胞周囲マトリックスに直接隣接しているのは、領域マトリックスまたは被膜マトリックスです。これは、交差する原線維状コラーゲンのネットワークで構成され、個々の細胞または（場合によっては）細胞群を被包して軟骨を形成し、おそらく細胞に特殊な機械的支持を提供します。軟骨細胞と被膜マトリックスの接触は、ミクロフィラメントに富む多数の細胞質突起、およびアンコリンや CD44 様受容体などの特定のマトリックス分子を介して行われます。軟骨細胞基底膜から最も離れ、最も大きい ECM 部分は、最も多くのコラーゲン原線維とプロテオグリカンを含む領域間マトリックスです。

成体の関節軟骨では、未熟な関節軟骨よりも細胞外マトリックス（ECM）の区画への分割がより明確に定義されています。各区画の相対的な大きさは、関節間だけでなく、同じ軟骨内でも異なります。それぞれの軟骨細胞は、自身を囲むマトリックスを生成します。研究によると、成熟した軟骨組織の軟骨細胞は、細胞周囲マトリックスと領域マトリックスに対して積極的な代謝制御を及ぼしますが、領域間マトリックスに対してはそれほど積極的な制御を及ぼしません。領域間マトリックスは代謝的に「不活性」である可能性があります。

前述のように、関節軟骨は主に軟骨細胞によって合成・調節される広範なECMで構成されています。組織高分子とその濃度は、機能的ニーズの変化に応じて生涯を通じて変化します。しかし、細胞がマトリックス全体を同時に合成するのか、それとも生理的ニーズに応じて特定の段階で合成するのかは依然として不明です。高分子の濃度、それらの代謝バランス、それらの関係性や相互作用が生化学的特性を決定し、ひいては単一の関節における関節軟骨の機能を決定します。成体の関節軟骨のECMの主成分は水（全質量の65～70%）で、コラーゲン、プロテオグリカン、非コラーゲン糖タンパク質などを構成する軟骨組織高分子の特殊な物理的特性により、ECM内で強固に結合しています。

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軟骨の生化学的組成

コラーゲン繊維は、線維性タンパク質コラーゲンの分子で構成されています。哺乳類では、コラーゲンは体内のすべてのタンパク質の4分の1を占めています。コラーゲンは、トロポコラーゲンと呼ばれる構造サブユニットで構成される線維性要素（コラーゲン線維）を形成します。トロポコラーゲン分子には、三重らせんを形成する3つの鎖があります。このトロポコラーゲン分子の構造は、コラーゲン繊維の構造と同様に、これらの分子が長さの約1/4の一定したシフトで長手方向に平行に配置され、それらが配置されている組織に高い弾力性と強度を提供します。現在、α鎖の化学構造や分子内のそれらのセットが異なる、遺伝的に異なる10種類のコラーゲンが知られています。最もよく研究されている最初の4種類のコラーゲンは、最大10の分子アイソフォームを形成できます。

コラーゲン線維は、軟骨を含むほとんどの結合組織の細胞外空間の一部です。交差するコラーゲン線維の不溶性の三次元ネットワークには、プロテオグリカン、糖タンパク質、組織特異的タンパク質といった、より可溶性の成分が絡み合っており、これらはコラーゲン成分と共有結合している場合もあります。

線維状に組織化されたコラーゲン分子は、軟骨の有機乾燥残渣の約50%（天然軟骨では10～20%）を占めています。成熟軟骨では、コラーゲンの約90%がII型コラーゲンであり、これは一部の組織（例：硝子体、胎児背索）にのみ存在します。II型コラーゲンはクラスI（線維形成型）コラーゲン分子に属します。これに加えて、成熟したヒト関節軟骨には、IX型、XI型コラーゲン、そして少量のVI型コラーゲンも含まれています。コラーゲン線維中のIX型コラーゲン線維の相対量は、胎児軟骨の15%から成熟したウシ軟骨の約1%に減少します。

I型コラーゲン分子は、前駆体プロコラーゲンとして合成・分泌される3つの同一のポリペプチドα、(II)鎖から構成されます。完成したコラーゲン分子は細胞外スペースへ放出されると、線維を形成します。成熟した関節軟骨では、II型コラーゲンは線維状のアーケードを形成し、その中で「太い」分子は組織の深層に位置し、「細い」分子は表層に水平方向に位置しています。

プロコラーゲンII型遺伝子において、システインに富むN末端プロペプチドをコードするエクソンが発見されました。このエクソンは成熟軟骨ではなく、発生初期段階（前軟骨形成期）で発現します。このエクソンの存在により、プロコラーゲンII型分子（II A型）はII型コラーゲンよりも長くなります。このタイプのプロコラーゲンの発現は、関節軟骨の細胞外マトリックス（ECM）における元素の蓄積を阻害すると考えられます。これは、軟骨病変（例えば、不十分な修復反応、骨棘形成など）の発症に何らかの役割を果たしている可能性があります。

II型コラーゲン原線維のネットワークは伸張抵抗機能を有し、組織の体積と形状を維持するために不可欠です。この機能は、コラーゲン分子間の共有結合と架橋によって強化されます。細胞外マトリックス（ECM）では、リジン酸化酵素がヒドロキシリジンからアルデヒドを形成し、これが多価アミノ酸であるヒドロキシリジンピリジノリンに変換され、鎖間に架橋を形成します。このアミノ酸の濃度は加齢とともに増加しますが、成熟した軟骨ではほとんど変化しません。一方、関節軟骨では、酵素の関与なしに形成される様々なタイプの架橋の濃度が加齢とともに増加することが観察されます。

軟骨組織中のコラーゲン総量の約10%は、いわゆるマイナーコラーゲンであり、この組織の独自の機能を大きく決定づけています。IX型コラーゲンは、クラスIII短らせん分子に属し、FACITコラーゲン（Fibril-Associated Collagen with Interrupted Triple-helices）という独自のグループに属します。IX型コラーゲンは、遺伝的に異なる3つの鎖で構成されています。そのうちの1つである_α2鎖は、コンドロイチン硫酸と同時にグリコシル化され、プロテオグリカンを形成します。IX型コラーゲンとII型コラーゲンのらせん構造の間には、成熟したヒドロキシピリジン架橋と未成熟なヒドロキシピリジン架橋の両方が存在します。また、IX型コラーゲンは、隣接するコラーゲン線維間の分子間・線維間「コネクター」（またはブリッジ）としても機能します。IX型コラーゲン分子は互いに架橋を形成し、線維状の3次元ネットワークの機械的安定性を高め、酵素の影響から保護します。また、変形に対する耐性も備えており、ネットワーク内部に位置するプロテオグリカンの膨潤を抑制します。陰イオン性のCS鎖に加えて、コラーゲンIX分子は陽イオン性ドメインを有しており、これが線維に大きな電荷を与え、他のマトリックス高分子と相互作用する傾向を高めます。

XI型コラーゲンは、総コラーゲン量のわずか2～3%を占める。クラスI（線維形成型）コラーゲンに属し、3つの異なるα鎖から構成される。II型コラーゲンおよびIX型コラーゲンと共に、XI型コラーゲンは関節軟骨の異型線維を形成する。免疫電気顕微鏡法を用いて、II型コラーゲン線維内にXI型コラーゲン分子が検出されている。XI型コラーゲンはII型コラーゲン分子を組織化し、線維の横方向成長を制御し、異型コラーゲン線維の直径を決定していると考えられる。また、XI型コラーゲンは架橋形成にも関与するが、成熟した軟骨においても、架橋は未熟な二価ケトアミンの形態のままである。

クラスIII短らせん分子のもう一つのメンバーであるVI型コラーゲンは、関節軟骨に少量存在します。VI型コラーゲンは様々なミクロフィブリルを形成し、軟骨の被膜マトリックスに集中していると考えられます。

プロテオグリカンは、少なくとも1本のグリコサミノグリカン鎖が共有結合したタンパク質です。プロテオグリカンは最も複雑な生物学的高分子の一つであり、軟骨の細胞外マトリックス（ECM）に最も多く含まれています。親水性プロテオグリカンは、コラーゲン線維のネットワークに「絡み合った」状態で、軟骨に可逆的な変形能力を与えるという主要な機能を果たします。プロテオグリカンは他にも多くの機能を果たすと考えられていますが、その本質は完全には解明されていません。

アグリカンは関節軟骨の主要なプロテオグリカンであり、組織中のプロテオグリカン総量の約90%を占めています。230kDのコアタンパク質は、複数の共有結合したグリコサミノグリカン鎖とN末端およびC末端オリゴ糖によって糖鎖化されています。

関節軟骨のグリコサミノグリカン鎖は高分子の総質量の約 90% を占め、ケラタン硫酸（複数の硫酸化部位とシアリン酸などの他の単糖残基を持つ硫酸化二糖 N-アセチルグルコサミノラクトースの配列）とコンドロイチン硫酸（N-アセチルガラクトサミンの 4 番目または 6 番目の炭素原子ごとに硫酸エステルが結合した二糖 N-アセチルガラクトサミングルクロン酸の配列）です。

アグリカンのコアタンパク質には、3 つの球状ドメイン（G1、G2、G3）と 2 つの球間ドメイン（E1 および E2）が含まれています。N 末端領域には、長さ 21 nm の E1 セグメントで分離された G1 ドメインと G2 ドメインが含まれています。C 末端領域にある C3 ドメインは、より長い（約 260 nm）E2 セグメント_によってG2 から分離されており、E2 セグメントには 100 を超えるコンドロイチン硫酸鎖、約 15～25 のケラチン硫酸鎖、および O 結合型オリゴ糖が含まれています。N 結合型オリゴ糖は主に G1 および C2 ドメインと E1 セグメント内、および G3_領域の近くに見られます。グリコサミノグリカンは 2 つの領域に分けられます。最長の領域（いわゆるコンドロイチン硫酸に富む領域）には、コンドロイチン硫酸鎖と約 50% のケラチン硫酸鎖が含まれています。ケラタン硫酸に富む領域は、G1ドメイン付近のE2_{セグメント}に位置し、コンドロイチン硫酸に富む領域に先行します。アグリカン分子にはリン酸エステルも含まれており、主にコンドロイチン硫酸鎖をコアタンパク質に結合させるキシロース残基上に存在しますが、コアタンパク質のセリン残基にもリン酸エステルが存在します。

_{C3ドメイン}の C 末端セグメントはレクチンと高い相同性があり、プロテオグリカン分子が特定の炭水化物構造に結合することで ECM に固定されるようになります。

最近の研究では、G3内にEGF様サブドメインをコードするエクソンが同定されている_。抗EGFポリクローナル抗体を用いて、EGF様エピトープはヒト関節軟骨アグリカン中の68kDペプチド内に局在することが示された。しかし、その機能は未だ解明されていない。このサブドメインは、リンパ球の移動を制御する接着分子にも存在する。成熟したヒト関節軟骨から単離されたアグリカン分子のうち、C3_ドメインが完全な状態で存在するのは約3分の1に過ぎない。これは、アグリカン分子がECM中で酵素的にサイズ縮小できるためと考えられる。切断された断片の運命と機能は不明である。

アグリカン分子の主な機能セグメントは、グリコサミノグリカンを含むE2_{セグメント}である。ケラタン硫酸に富むこの領域には、プロリン、セリン、スレオニンといったアミノ酸が含まれる。セリンとスレオニン残基のほとんどは、N-アセチルガラクトサミン残基によってO-グリコシル化されており、これらが特定のオリゴ糖の合成を開始し、これがケラタン硫酸鎖に組み込まれて鎖が長くなる。E2_{セグメント}の残りの部分には100を超えるセリン-グリシン配列が含まれており、セリンがコンドロイチン硫酸鎖の先頭のキシロシル残基に結合している。通常、コンドロイチン-6-硫酸とコンドロイチン-4-硫酸の両方が同じプロテオグリカン分子内に同時に存在し、その比率は軟骨組織の局在と個人の年齢によって変化する。

ヒト関節軟骨マトリックス中のアグリカン分子の構造は、成熟と加齢の過程で様々な変化を遂げます。加齢に伴う変化としては、コンドロイチン硫酸鎖の平均長の変化による流体力学的サイズの減少、およびケラタン硫酸鎖の数と長さの増加が挙げられます。また、アグリカン分子には、コアタンパク質に対するタンパク質分解酵素（アグリカナーゼやストロメレシンなど）の作用によっても様々な変化が起こります。その結果、アグリカン分子のコアタンパク質の平均長は徐々に減少していきます。

アグリカン分子は軟骨細胞によって合成され、ECM に分泌され、そこでリンカータンパク質分子によって安定化された凝集体を形成します。この凝集には、グルクロン酸鎖と約 200 個のアグリカンおよびリンカータンパク質分子との間の高度に特異的な非共有結合性かつ協同的な相互作用が関与しています。グルクロン酸は、細胞外の非硫酸化高分子直鎖グリコサミノグリカンであり、複数の N-アセチルグルコサミンおよびグルクロン酸分子が連続的に結合して構成されています。アグリカンの G1 ドメインのペアループは、連続的に位置する 5 つのヒアルロン酸二糖と可逆的に相互作用します。類似した（高い相同性を示す）ペアループを含むリンカータンパク質は、C1 ドメインおよびヒアルロン酸分子と相互作用し、凝集体構造を安定化させます。C1 ドメイン - ヒアルロン酸 - 結合タンパク質複合体は、G1 ドメインおよび結合タンパク質をタンパク質分解酵素の作用から保護する高度に安定した相互作用を形成します。分子量40～50kDaの結合タンパク質分子が2つ同定されており、それらはグリコシル化の程度が互いに異なります。ヒアルロン酸-アグリカン結合部位には、結合タンパク質分子が1つだけ存在します。3つ目のより小さな結合タンパク質分子は、より大きな分子からタンパク質分解によって切断されて形成されます。

約200個のアグリカン分子がヒアルロン酸分子1個に結合し、長さ8μmの凝集体を形成します。細胞周囲区画と細胞領域区画からなる細胞関連マトリックスにおいて、凝集体は細胞膜上のCD44様受容体に（ヒアルロン酸の糸を介して）結合することで細胞との結合を維持します。

ECMにおける凝集体の形成は複雑なプロセスです。新しく合成されたアグリカン分子は、すぐにはヒアルロン酸に結合する能力を示しません。これは、新しく合成された分子がマトリックスの領域間領域に到達し、大きな凝集体として固定化されるのを許す制御機構として機能していると考えられます。ヒアルロン酸と相互作用して凝集体を形成する能力を持つ新しく合成されたアグリカン分子と結合タンパク質の数は、加齢とともに著しく減少します。さらに、ヒト関節軟骨から単離された凝集体のサイズも加齢とともに著しく減少します。これは、ヒアルロン酸分子とアグリカン分子の平均長さが減少することが一因です。

関節軟骨には2種類の凝集体が存在することが確認されています。前者の凝集体の平均サイズは60 Sで、後者（急速に沈殿する「超凝集体」）は120 Sです。後者は結合タンパク質分子の豊富さによって特徴付けられます。これらの超凝集体の存在は、組織の機能において重要な役割を果たしている可能性があります。四肢固定後の組織修復過程においては、関節軟骨の中間層にこれらの超凝集体が高濃度で認められますが、変形性関節症を患った関節では、疾患の初期段階では超凝集体のサイズが大幅に減少します。

関節軟骨には、アグリカンに加えて、より小さなプロテオグリカンが多数含まれています。皮膚硫酸塩を運ぶ分子であるビグリカンとデコリンの分子量はそれぞれ約100kDaと70kDaで、コアタンパク質の質量は約30kDaです。

ヒトの関節軟骨において、ビグリカン分子は2本の皮膚硫酸エステル鎖を含みますが、より一般的なデコリンは1本のみを含みます。これらの分子は関節軟骨中のプロテオグリカンのごく一部に過ぎませんが、大きな凝集体プロテオグリカンと同数存在する場合があります。小さなプロテオグリカンは、コラーゲン線維、フィブロネクチン、成長因子など、ECM内の他の高分子と相互作用します。デコリンは主にコラーゲン線維の表面に局在し、コラーゲン線維形成を阻害します。コアタンパク質はフィブロネクチンの細胞結合ドメインにしっかりと保持されているため、フィブロネクチンが細胞表面受容体（インテグリン）に結合するのを阻害していると考えられます。デコリンとビグリカンはどちらもフィブロネクチンに結合して細胞接着と遊走、および血栓形成を阻害するため、組織修復プロセスを阻害することができます。

関節軟骨のフィブロモジュリンは、コラーゲン線維に結合した分子量50～65 kDのプロテオグリカンです。そのコアタンパク質は、デコリンおよびビグリカンのコアタンパク質と相同性があり、多数のチロシン硫酸残基を含んでいます。このグリコシル化されたフィブロモジュリン（以前は59 kDのマトリックスタンパク質と呼ばれていました）は、コラーゲン線維の形成と構造維持の調節に関与していると考えられます。フィブロモジュリンとデコリンはコラーゲン線維の表面に位置しています。したがって、前述のように、線維径の増大には、これらのプロテオグリカン（およびIX型コラーゲン分子）を選択的に除去することが不可欠です。

関節軟骨の細胞外マトリックス（ECM）には、プロテオグリカンでもコラーゲンでもないタンパク質が多数含まれています。これらのタンパク質は他の高分子と相互作用し、ECM分子の大部分を含むネットワークを形成します。

34kDのタンパク質であるアンコリンは、軟骨細胞の表面と細胞膜に局在し、細胞と基質との相互作用を媒介します。II型コラーゲンに対する高い親和性により、アンコリンは機械受容体として機能し、線維にかかる圧力の変化に関するシグナルを軟骨細胞に伝達します。

フィブロネクチンはほとんどの軟骨組織の成分であり、血漿フィブロネクチンとはわずかに異なります。フィブロネクチンは、細胞膜やII型コラーゲン、トロンボスポンジンなどの他のマトリックス成分と相互作用することで、マトリックスの統合を促進すると考えられています。フィブロネクチン断片は軟骨細胞の代謝に悪影響を及ぼし、アグリカンの合成を阻害し、異化過程を促進します。変形性関節症患者の関節液中には高濃度のフィブロネクチン断片が検出されており、進行期における疾患の病因に関与している可能性があります。軟骨細胞受容体に結合する他のマトリックス分子の断片も同様の作用を持つと考えられます。

軟骨オリゴマーマトリックスタンパク質（OMPC）は、トロンボスポンジンスーパーファミリーに属し、分子量約83 kDaの5つの同一サブユニットからなる五量体です。関節軟骨、特に成長中の組織における増殖細胞層に多く存在します。そのため、OMPCは細胞増殖の調節に関与している可能性があります。成熟した関節軟骨の細胞外マトリックス（ECM）では、OMPCははるかに低濃度で存在します。マトリックスタンパク質には、以下のものも含まれます。

• 軟骨細胞に対して高い親和性を持つ塩基性マトリックスタンパク質（36 kDa）は、組織のリモデリング時など、ECM 内での細胞間相互作用を媒介する可能性がある。
• GP-39（39 kDa）は関節軟骨の表層および滑膜に発現する（機能は不明）。
• 21 kD タンパク質は肥大した軟骨細胞によって合成され、X 型コラーゲンと相互作用し、「波線」ゾーンで機能します。

さらに、軟骨細胞は、軟骨の発達の特定の段階および病的条件下で、非グリコシル化形態の小さな非凝集プロテオグリカンを発現することは明らかですが、その特定の機能は現在研究中です。

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関節軟骨の機能特性

アグリカン分子は、関節軟骨に可逆的な変形能力を与えます。アグリカン分子は細胞外空間で特異的な相互作用を示し、ECMの構成、構造、機能において重要な役割を果たしていることは間違いありません。軟骨組織において、アグリカン分子の濃度は100 mg/mlに達します。軟骨組織において、アグリカン分子は溶液中で占める体積の20%にまで圧縮されます。コラーゲン線維によって形成される三次元ネットワークが組織に特徴的な形状を与え、プロテオグリカンの体積増加を抑制します。コラーゲンネットワーク内では、固定されたプロテオグリカンは大きな負電荷（多数の陰イオン基を含む）を帯びており、これにより組織間液の可動性の陽イオン基と相互作用することができます。プロテオグリカンは水と相互作用することで、いわゆる膨潤圧を生み出しますが、この膨潤圧はコラーゲンネットワークによって打ち消されます。

ECM中の水の存在は非常に重要です。水は組織の体積を決定し、プロテオグリカンと結合することで圧縮抵抗を提供します。さらに、水はECM内で分子の輸送と拡散を促進します。組織内に固定された大きなプロテオグリカンの高密度の負電荷は、「排除体積効果」を生み出します。プロテオグリカンの濃縮溶液の細孔径は非常に小さいため、大きな球状タンパク質の組織への拡散は著しく制限されます。ECMは、負に帯電した小さなタンパク質（例：塩化物イオン）と大きなタンパク質（例：アルブミンや免疫グロブリン）を反発します。コラーゲン線維とプロテオグリカンの密なネットワーク内の細胞の大きさは、一部の無機分子（例：ナトリウムやカリウム）の大きさに匹敵する程度ですが、カルシウムには匹敵しません。

ECMでは、コラーゲン線維に水分が存在します。線維外空間は軟骨の物理化学的および生体力学的特性を決定します。線維内空間の水分量は線維外空間のプロテオグリカン濃度に依存し、プロテオグリカン濃度の低下とともに増加します。

プロテオグリカンの固定された負電荷は、細胞外液のイオン組成を決定し、遊離陽イオンは高濃度、遊離陰イオンは低濃度で存在します。アグリカン分子の濃度が軟骨の表層から深層にかけて増加するにつれて、組織のイオン環境は変化します。細胞外マトリックス中の無機イオンの濃度は、高い浸透圧を生み出します。

軟骨の物質特性は、コラーゲン原線維、プロテオグリカン、および組織の液相の相互作用に依存します。合成と異化の過程の不一致、高分子の分解、物理的外傷に関連する構造的および組成的変化は、軟骨の物質特性に大きな影響を与え、その機能を変えます。コラーゲンとプロテオグリカンの濃度、分布、および高分子組織は軟骨領域の深さに応じて変化するため、各領域の生体力学的特性は異なります。たとえば、コラーゲンの濃度が高く、原線維が接線方向に位置し、プロテオグリカンの濃度が比較的低い表層領域は、伸張に抵抗する最も顕著な特性を持ち、負荷を組織の表面全体に均一に分散します。遷移領域と深層領域では、高濃度のプロテオグリカンが組織に圧縮負荷に耐える特性を与えます。 「波線」レベルでは、軟骨の物質特性は、柔軟な非石灰化層からより硬い石灰化軟骨へと急激に変化します。「波線」領域では、コラーゲンネットワークが組織の強度を担っています。下層の軟骨層にはコラーゲン線維が交差していません。骨軟骨接合部では、非石灰化軟骨層と石灰化軟骨層の境界に不規則な指状の突起が見られる特殊な形状が組織の強度を担っており、この突起が2層を「閉じ」、分離を防いでいます。石灰化軟骨は軟骨下骨よりも密度が低いため、軟骨への圧縮荷重を緩和し、軟骨下骨に伝達する中間層として機能します。

荷重が加わると、伸張、せん断、圧縮という3つの力が複雑に分散されます。関節基質は、荷重部位から水（および細胞代謝産物）が排出されることにより変形し、組織間液中のイオン濃度が上昇します。水の移動は、加えられた荷重の持続時間と力に直接依存し、プロテオグリカンの負電荷によって遅延されます。組織が変形すると、プロテオグリカンは互いに強く押し付けられ、負電荷の密度が効果的に高まります。そして、負電荷を反発する分子間力によって、組織のさらなる変形に対する抵抗力が高まります。最終的に、変形は外部荷重力と内部抵抗力（膨潤圧（プロテオグリカンとイオンの相互作用）および機械的応力（プロテオグリカンとコラーゲンの相互作用）がバランスをとった平衡状態に達します。荷重が除去されると、軟骨組織は水分と栄養素を吸収して元の形状に戻ります。組織の初期（荷重前の）形状は、プロテオグリカンの膨張圧力とコラーゲンネットワークの広がりに対する抵抗がバランスをとったときに実現されます。

関節軟骨の生体力学的特性は、組織の構造的完全性、すなわちコラーゲン-プロテオグリカン組成を固相、水および溶解イオンを液相として構成されています。無負荷時の関節軟骨の静水圧は約1～2気圧です。この静水圧は、生体内では立位時に100～200気圧/ミリ秒、歩行時に40～50気圧まで上昇する可能性があります。in vitro試験では、50～150気圧（生理学的）の静水圧は、短期間で軟骨同化作用を中程度に増加させ、2時間を超えると軟骨液の減少が見られますが、その他の変化は引き起こさないことが示されています。軟骨細胞が生体内でこの種の負荷にどれほど迅速に反応するかという問題は、未解決のままです。

水分補給の減少とそれに続くプロテオグリカン濃度の増加は、H ⁺やNa ⁺などの正に帯電したイオンを引き寄せる。これにより、ECMと軟骨細胞の全体的なイオン組成とpHが変化する。長期の運動はpHの低下を誘発し、同時に軟骨細胞によるプロテオグリカン合成の減少も誘発する。細胞外イオン環境が合成プロセスに及ぼす影響も、ECM組成への影響に部分的に関連している可能性がある。新しく合成されたアグリカン分子は、通常の状態よりも弱酸性環境では凝集体へと成熟するのが遅くなる。軟骨細胞周囲のpHの低下（例：運動中）により、より多くの新しく合成されたアグリカン分子が軟骨間マトリックスに到達できるようになると考えられる。

荷重が除去されると、滑膜腔から水分が戻り、細胞に栄養を運びます。変形性関節症の影響を受けた軟骨では、プロテオグリカン濃度が低下するため、荷重がかかっている間、水分は滑膜腔内へ垂直方向だけでなく、他の方向にも移動し、軟骨細胞への栄養供給を減少させます。

固定または軽度の負荷は、軟骨合成およびプロテオグリカン含有量の顕著な減少をもたらしますが、動的負荷の増加はプロテオグリカン合成および含有量の中程度の増加をもたらします。イヌでの激しい運動（1日20 km、15週間）は、プロテオグリカン含有量の変化、特に表層におけるその濃度の急激な減少を引き起こしました。ある程度の可逆的な軟骨軟化および軟骨下骨のリモデリングが起こりました。しかし、重度の静的負荷は軟骨損傷とそれに続く変性を引き起こしました。さらに、ECMアグリカンの損失は、変形性関節症に特徴的な異常な変化を引き起こします。アグリカンの損失は、残っている少量のプロテオグリカンを引き寄せ、膨張させます。このアグリカンの溶解は、局所的な固定電荷密度の低下に寄与し、最終的に浸透圧の変化につながります。