骨关节炎：关节软骨是如何组织的？

正常的关节软骨具有两个主要功能：在机械负荷下通过变形吸收压力；以及保持关节表面的光滑度，从而最大限度地减少关节运动时的摩擦。关节软骨的独特结构确保了这一点，该结构由浸没在细胞外基质 (ECM) 中的软骨素组成。

正常成人关节软骨可分为几个层或区域：浅层或切向区、过渡区、深层或放射区以及钙化区。浅层和过渡区之间，尤其是过渡区和深层之间的层，没有清晰的界限。非钙化和钙化关节软骨之间的交界处被称为“波浪状边界”，即在脱钙组织染色时可见的线。软骨钙化区占软骨总横截面高度的比例相对恒定（6-8%）。关节软骨的总厚度（包括钙化软骨区）会根据关节表面特定区域的负荷和关节类型而变化。软骨下骨中的间歇性静水压力通过减缓骨化作用，在维持软骨正常结构方面发挥着重要作用。

软骨细胞约占组织总质量的2-3%；在浅层（切向区），软骨细胞沿着软骨表面排列；在深层（径向区），软骨细胞垂直于软骨表面；在过渡区，软骨细胞以2-4个细胞为一个细胞群，散布于整个基质中。根据关节软骨的不同区域，软骨细胞的密度也有所不同：浅层细胞密度最高，钙化区最低。此外，细胞分布密度因关节而异，它与软骨厚度和相应区域承受的负荷成反比。

最表层的软骨细胞呈盘状，在位于窄条基质下方的切向区中形成多层细胞；该区域较深层的细胞轮廓往往更不均匀。在过渡区，软骨细胞呈球形，有时聚集成小团，散布于基质中。深层软骨细胞主要呈椭圆形，由2-6个细胞组成，呈放射状排列。在钙化区，软骨细胞分布更为稀疏；其中一些已经坏死，但大多数仍然存活。细胞被非钙化的基质包围，细胞间隙钙化。

因此，人体关节软骨由水合的细胞外基质 (ECM) 和浸没于其中的细胞组成，这些细胞占组织总体积的 2-3%。由于软骨组织没有血管或淋巴管，细胞间的相互作用、营养物质的输送以及代谢产物的清除都通过 ECM 的扩散进行。尽管软骨细胞的代谢非常活跃，但它们在成人体内通常不会分裂。软骨细胞存在于无氧环境中，其代谢被认为主要为无氧代谢。

每个软骨细胞被视为一个独立的软骨代谢单位，与邻近细胞隔离，但负责在捐赠细胞附近产生 ECM 元素并维持其组成。

细胞外基质 (ECM) 分为三部分，每部分均具有独特的形态结构和特定的生化组成。紧邻软骨细胞基底膜的 ECM 称为细胞周基质或腔隙基质。其特点是蛋白多糖聚集体含量高，这些聚集体通过透明质酸与 CD44 样受体相互作用而与细胞结合，并且相对缺乏有组织的胶原纤维。紧邻细胞周基质的是区域基质或囊基质，它由相互交叉的纤维状胶原网络组成，包裹单个细胞或（有时）细胞群，形成软骨单元 (chondron)，并可能为细胞提供特殊的机械支撑。软骨细胞与囊基质的接触是通过富含微丝的众多细胞质突起以及特定的基质分子（例如骨胶原蛋白和 CD44 样受体）实现的。 ECM 中距离软骨细胞基底膜最大、最远的部分是区域间基质，其中含有最多的胶原纤维和蛋白聚糖。

成人关节软骨中细胞外基质（ECM）的区室划分比未成熟关节软骨更清晰。每个区室的相对大小不仅在关节之间不同，甚至在同一软骨内部也存在差异。每个软骨细胞都会产生一个包裹自身的基质。研究表明，成熟软骨组织的软骨细胞对其细胞周围基质和区域基质进行主动代谢控制，而对区域间基质的控制则较弱，后者可能具有代谢“惰性”。

如前所述，关节软骨主要由软骨细胞合成和调控的大量细胞外基质（ECM）构成。组织大分子及其浓度会随着功能需求的变化而在整个生命过程中发生变化。然而，尚不清楚细胞是同时合成整个基质，还是根据生理需求在特定阶段合成。大分子的浓度、它们之间的代谢平衡、它们之间的关系和相互作用决定了关节软骨的生化特性，从而决定了单个关节内关节软骨的功能。成人关节软骨ECM的主要成分是水（占总质量的65-70%），由于软骨组织大分子（包括胶原蛋白、蛋白聚糖和非胶原糖蛋白）的特殊物理性质，水被牢牢地结合在ECM中。

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软骨的生化成分

胶原纤维由纤维状蛋白胶原蛋白分子组成。在哺乳动物中，胶原蛋白占体内所有蛋白质的四分之一。胶原蛋白形成由称为原胶原的结构亚基组成的纤维状元素（胶原纤维）。原胶原蛋白分子由三条链组成，构成三螺旋结构。原胶原蛋白分子的这种结构以及胶原纤维的结构，当这些分子在纵向平行排列且恒定偏移约四分之一长度时，为其所在的组织提供高弹性和强度。目前，已知有10种基因上不同的胶原蛋白类型，其差异在于α链的化学结构和/或其在分子中的排列方式。研究最深入的前四种胶原蛋白类型能够形成多达10种分子异构体。

胶原纤维是大多数结缔组织（包括软骨）细胞外空间的一部分。在由胶原纤维相互交叉构成的不溶性三维网络中，还缠绕着其他更易溶解的成分，例如蛋白聚糖、糖蛋白和组织特异性蛋白；这些成分有时与胶原蛋白分子共价连接。

组织成纤维状的胶原分子约占软骨有机干残留物的50%（天然软骨的10-20%）。在成熟软骨中，约90%的胶原蛋白为II型胶原蛋白，此类胶原蛋白仅存在于部分组织中（例如玻璃体、胚胎脊髓）。II型胶原蛋白属于I类（可形成纤维的）胶原蛋白分子。此外，成熟的人类关节软骨还含有IX型、XI型胶原蛋白以及少量的VI型胶原蛋白。胶原纤维中IX型胶原蛋白纤维的相对含量从胎儿软骨的15%下降到成熟牛软骨的约1%。

I型胶原蛋白分子由三条相同的多肽α，(II)链组成，这些α，(II)链作为前胶原蛋白前体合成并分泌。合成的胶原蛋白分子一旦释放到细胞外空间，就会形成原纤维。在成熟的关节软骨中，II型胶原蛋白形成纤维弓状结构，其中“较粗”的分子位于组织深层，“较细”的分子则水平分布于表层。

在II型前胶原基因中发现了一个编码富含半胱氨酸的N端前肽的外显子。该外显子不在成熟软骨中表达，而是在发育早期（软骨形成前）表达。由于该外显子的存在，II型前胶原分子（II A型）比II型胶原更长。这种类型的前胶原的表达可能抑制了关节软骨细胞外基质（ECM）中元素的积累。它可能在软骨病变的发展中发挥一定作用（例如，修复反应不足、骨赘形成等）。

II 型胶原纤维网络具有抗拉伸功能，对于维持组织的体积和形状至关重要。胶原分子之间的共价键和交联键增强了这一功能。在细胞外基质 (ECM) 中，赖氨酰氧化酶将羟赖氨酸转化为醛，然后将其转化为多价氨基酸羟赖氨酰吡啶啉，并在链间形成交联。一方面，这种氨基酸的浓度会随着年龄的增长而增加，但在成熟软骨中，它几乎保持不变。另一方面，在关节软骨中，随着年龄的增长，在没有酶参与的情况下形成的各种类型的交联的浓度会增加。

软骨组织中约10%的胶原蛋白是所谓的次要胶原蛋白，它们在很大程度上决定了软骨组织的独特功能。IX型胶原蛋白属于III类短螺旋分子，属于一类独特的FACIT胶原蛋白（带间断三螺旋的纤维相关胶原蛋白）。它由三条基因不同的链组成。其中一条_a2链与硫酸软骨素同时糖基化，使其成为蛋白多糖。IX型胶原蛋白和II型胶原蛋白的螺旋片段之间均存在成熟和未成熟的羟基吡啶交联。IX型胶原蛋白还可以作为相邻胶原纤维之间的分子间“连接器”（或桥梁）。IX型胶原蛋白分子之间形成交联，从而增强了纤维三维网络的机械稳定性，并保护其免受酶的影响。它们还能抵抗变形，限制网络内部蛋白聚糖的膨胀。除了阴离子CS链外，IX胶原蛋白分子还含有阳离子结构域，这赋予纤维原纤维较大的电荷，并使其易于与其他基质大分子相互作用。

XI型胶原蛋白仅占胶原蛋白总量的2-3%。它属于I类（纤维形成型）胶原蛋白，由三种不同的α链组成。XI型胶原蛋白与II型和IX型胶原蛋白一起形成关节软骨的异型纤维。免疫电显微镜技术已在II型胶原纤维中检测到XI型胶原蛋白分子。它们可能组织II型胶原蛋白分子，控制纤维的横向生长，并决定异型胶原纤维的直径。此外，XI型胶原蛋白参与交联的形成，但即使在成熟软骨中，交联也以未成熟的二价酮胺形式存在。

关节软骨中存在少量VI型胶原蛋白，它是III类短螺旋分子的另一个成员。VI型胶原蛋白形成各种微纤维，可能聚集在软骨的囊基质中。

蛋白聚糖是至少有一条糖胺聚糖链共价连接的蛋白质。蛋白聚糖是最复杂的生物大分子之一。蛋白聚糖在软骨的细胞外基质（ECM）中含量最丰富。亲水性蛋白聚糖“缠绕”在胶原纤维网络中，发挥其主要功能——赋予软骨可逆变形的能力。据推测，蛋白聚糖还具有许多其他功能，但其本质尚不完全清楚。

聚集蛋白聚糖是关节软骨的主要蛋白聚糖，约占组织中蛋白聚糖总量的90%。其230 kD核心蛋白由多个共价连接的糖胺聚糖链以及N端和C端寡糖进行糖基化。

关节软骨的糖胺聚糖链约占大分子总质量的 90%，包括硫酸角质素（具有多个硫酸化位点的硫酸化二糖 N-乙酰氨基葡萄糖乳糖和其他单糖残基（如唾液酸）的序列）和硫酸软骨素（二糖 N-乙酰半乳糖胺葡萄糖醛酸的序列，其中硫酸酯连接到 N-乙酰半乳糖胺的每第四个或第六个碳原子上）。

聚集蛋白聚糖的核心蛋白包含三个球状结构域（G1、G2、G3）和两个球间结构域（E1 和 E2）。N 末端区域包含 G1 和 G2 结构域，它们之间被长 21 nm 的 E1 片段隔开。位于 C 末端区域的 C3 结构域与 G2 结构域之间隔着_一个较长的（约 260 nm）E2 片段，该片段携带超过 100 条硫酸软骨素链、约 15-25 条硫酸角蛋白链和 O 连接寡糖。N 连接寡糖主要存在于 G1 和 C2 结构域和 E1 片段内，以及 G3_区域附近。糖胺聚糖分为两个区域：最长的区域（所谓的富含硫酸软骨素的区域）包含硫酸软骨素链和约 50% 的硫酸角蛋白链。富含硫酸角质素的区域位于靠近G1结构域的E2_区段，位于富含硫酸软骨素的区域之前。聚集蛋白聚糖分子也含有磷酸酯，主要位于连接硫酸软骨素链和核心蛋白的木糖残基上；它们也存在于核心蛋白的丝氨酸残基上。

_C3结构域的C末端部分与凝集素高度同源，使得蛋白多糖分子能够通过与某些碳水化合物结构结合而固定在ECM中。

最近的研究已鉴定出G3蛋白中编码EGF样亚结构域的外显子_。利用抗EGF多克隆抗体，该EGF样表位被定位在人关节软骨聚集蛋白聚糖中一个68kD的肽段内。然而，其功能仍有待阐明。该亚结构域也存在于控制淋巴细胞迁移的粘附分子中。从成熟人关节软骨中分离的聚集蛋白聚糖分子中，只有约三分之一含有完整的C3_结构域；这可能是因为聚集蛋白聚糖分子在细胞外基质（ECM）中可以通过酶促作用减小其大小。裂解片段的命运和功能尚不清楚。

聚集蛋白聚糖分子的主要功能片段是含有糖胺聚糖的 E2_片段。该区域富含硫酸角质素，含有氨基酸脯氨酸、丝氨酸和苏氨酸。大多数丝氨酸和苏氨酸残基被 N-乙酰半乳糖胺残基进行 O-糖基化；它们启动某些寡糖的合成，这些寡糖被掺入硫酸角质素链中，从而使链延长。E2_片段的剩余部分含有 100 多个丝氨酸-甘氨酸序列，其中丝氨酸与硫酸软骨素链起始处的木糖基残基连接。通常，6-硫酸软骨素和 4-硫酸软骨素同时存在于同一个蛋白聚糖分子中，它们的比例根据软骨组织的定位和人的年龄而变化。

人体关节软骨基质中的聚集蛋白聚糖分子结构在成熟和衰老过程中会发生一系列变化。衰老相关的变化包括由于硫酸软骨素链平均长度变化导致的流体动力学尺寸减小，以及硫酸角质素链数量和长度的增加。蛋白水解酶（例如聚集蛋白聚糖酶和基质蛋白）作用于核心蛋白也会引起聚集蛋白聚糖分子的一系列变化。这导致聚集蛋白聚糖分子核心蛋白的平均长度逐渐缩短。

聚集蛋白聚糖分子由软骨细胞合成并分泌到细胞外基质 (ECM) 中，在那里形成由连接蛋白分子稳定的聚集体。这种聚集涉及葡萄糖醛酸链与近 200 个聚集蛋白聚糖和连接蛋白分子之间高度特异性的非共价和协同相互作用。葡萄糖醛酸是一种细胞外、非硫酸化的高分子量线性糖胺聚糖，由多个连续连接的 N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖醛酸分子组成。聚集蛋白聚糖 G1 结构域的成对环可与五个连续定位的透明质酸二糖可逆地相互作用。连接蛋白包含相似（高度同源）的成对环，与 C1 结构域和透明质酸分子相互作用并稳定聚集结构。C1 结构域-透明质酸-结合蛋白复合物形成高度稳定的相互作用，保护 G1 结构域和结合蛋白免受蛋白水解酶的作用。已鉴定出两种分子量为40-50 kDa的结合蛋白分子，它们的糖基化程度不同。在透明质酸-聚集蛋白聚糖键合处，只有一个结合蛋白分子。第三个较小的结合蛋白分子由较大的分子经蛋白酶解裂解而成。

约200个聚集蛋白聚糖分子可与1个透明质酸分子结合，形成长8微米的聚集体。在由细胞周围和区域隔室组成的细胞相关基质中，聚集体通过透明质酸线与细胞膜上的CD44样受体结合，维持与细胞的结合。

细胞外基质 (ECM) 中聚集体的形成是一个复杂的过程。新合成的聚集蛋白聚糖分子不会立即表现出与透明质酸结合的能力。这可能是一种调节机制，使新合成的分子能够到达基质的跨膜区域，然后被固定形成大的聚集体。新合成的聚集蛋白聚糖分子和能够通过与透明质酸相互作用形成聚集体的结合蛋白的数量会随着年龄的增长而显著减少。此外，从人类关节软骨中分离出的聚集体的尺寸也会随着年龄的增长而显著减小。这部分是由于透明质酸分子和聚集蛋白聚糖分子的平均长度缩短所致。

关节软骨中已发现两种类型的聚集体。第一类聚集体的平均大小为60 S，而第二类（快速沉淀的“超聚集体”）的平均大小为120 S。后者以结合蛋白的丰富分子为特征。这些超聚集体的存在可能在组织功能中发挥重要作用；在肢体固定后的组织修复过程中，关节软骨中层中超聚集体的浓度较高；而在骨关节病的关节中，它们的大小在疾病的早期阶段会显著减小。

除了聚集蛋白聚糖外，关节软骨还含有许多较小的蛋白聚糖。双糖聚糖和核心蛋白聚糖是携带硫酸皮肤素的分子，它们的分子量分别约为 100 kDa 和 70 kDa；其核心蛋白的质量约为 30 kDa。

在人类关节软骨中，双糖蛋白聚糖分子含有两条硫酸皮肤素链，而更常见的核心蛋白聚糖仅含有一条。这些分子仅占关节软骨蛋白聚糖的一小部分，尽管它们的数量可能与大型聚集蛋白聚糖一样多。小蛋白聚糖与细胞外基质 (ECM) 中的其他大分子相互作用，包括胶原纤维、纤连蛋白、生长因子等。核心蛋白聚糖主要位于胶原纤维表面，并抑制胶原纤维形成。核心蛋白与纤连蛋白的细胞结合域紧密结合，从而可能阻止后者与细胞表面受体（整合素）结合。由于核心蛋白聚糖和双糖蛋白聚糖均与纤连蛋白结合并抑制细胞粘附和迁移以及血栓形成，因此它们能够抑制组织修复过程。

关节软骨的纤维调节蛋白是一种分子量为 50-65 kD 的蛋白聚糖，与胶原纤维相关。其核心蛋白与核心蛋白聚糖和双糖的核心蛋白同源，含有大量的酪氨酸硫酸盐残基。这种糖基化的纤维调节蛋白（以前称为 59 kD 基质蛋白）可能参与调节胶原纤维结构的形成和维持。纤维调节蛋白和核心蛋白聚糖位于胶原纤维的表面。因此，如前所述，在增加纤维直径之前，应先选择性地去除这些蛋白聚糖（以及 IX 型胶原分子）。

关节软骨的细胞外基质（ECM）中含有多种既不是蛋白聚糖也不是胶原蛋白的蛋白质。它们与其他大分子相互作用，形成一个包含大多数ECM分子的网络。

Ancorin 是一种分子量为 34 kD 的蛋白质，位于软骨细胞表面和细胞膜上，介导细胞与基质之间的相互作用。由于其对 II 型胶原蛋白具有高亲和力，它可以作为机械感受器，将纤维上压力变化的信号传递给软骨细胞。

纤连蛋白是大多数软骨组织的成分，与血浆纤连蛋白略有不同。纤连蛋白被认为通过与细胞膜和其他基质成分（例如II型胶原蛋白和血小板反应蛋白）相互作用来促进基质整合。纤连蛋白片段对软骨细胞代谢有负面影响：它们会抑制聚集蛋白聚糖的合成并刺激分解代谢过程。在骨关节炎患者的关节液中发现了高浓度的纤连蛋白片段，因此它们可能参与了该疾病的晚期发病机制。与软骨细胞受体结合的其他基质分子的片段可能具有类似的作用。

软骨寡聚基质蛋白 (OMPC) 属于血小板反应蛋白超家族，是一个由五个相同亚基组成的五聚体，分子量约为 83 kDa。它们大量存在于关节软骨中，尤其是在生长组织中增殖细胞层中。因此，OMPC 可能参与调节细胞生长。在成熟关节软骨的细胞外基质 (ECM) 中，它们的浓度要低得多。基质蛋白还包括：

• 碱性基质蛋白（36 kDa）对软骨细胞有很高的亲和力，可能介导 ECM 中的细胞与细胞之间的相互作用，例如在组织重塑过程中；
• GP-39（39 kDa）在关节软骨的浅层和滑膜中表达（其功能未知）；
• 21kD蛋白质由肥大软骨细胞合成，与X型胶原蛋白相互作用，并能在“波浪线”区域发挥作用。

此外，有证据表明，软骨细胞在软骨发育的某些阶段和病理条件下表达非糖基化形式的小非聚集蛋白聚糖，但其具体功能目前正在研究中。

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关节软骨的功能特性

聚集蛋白聚糖分子赋予关节软骨可逆性变形的能力。它们在细胞外空间表现出特异性相互作用，无疑在细胞外基质（ECM）的组织、结构和功能中发挥着重要作用。在软骨组织中，聚集蛋白聚糖分子的浓度可达100毫克/毫升。在软骨中，聚集蛋白聚糖分子被压缩至其在溶液中所占体积的20%。胶原纤维形成的三维网络赋予软骨组织特有的形状，并阻止蛋白聚糖体积的增加。在胶原网络中，不动的蛋白聚糖带有大量负电荷（它们含有大量阴离子基团），这使得它们能够与间质液中可移动的阳离子基团相互作用。蛋白聚糖与水相互作用时，会产生所谓的膨胀压力，而胶原网络可以抵消这种膨胀压力。

细胞外基质 (ECM) 中的水分至关重要。水分决定了组织的体积；它与蛋白聚糖结合，提供抗压缩能力。此外，水分还参与分子在 ECM 中的运输和扩散。组织中固定的大型蛋白聚糖表面的高负电荷密度产生了“排除体积效应”。浓缩的蛋白聚糖溶液的孔径非常小，以至于大型球状蛋白质向组织的扩散受到极大限制。ECM 排斥带负电荷的小分子蛋白质（例如氯离子）和大分子蛋白质（例如白蛋白和免疫球蛋白）。胶原纤维和蛋白聚糖致密网络内的细胞大小仅与某些无机分子（例如钠和钾，但不包括钙）的大小相当。

在细胞外基质 (ECM) 中，胶原纤维中含有一些水分。纤维外空间决定了软骨的物理化学和生物力学特性。纤维内空间的水分含量取决于纤维外空间中蛋白多糖的浓度，并随着蛋白多糖浓度的降低而增加。

蛋白聚糖上固定的负电荷决定了细胞外介质的离子组成，其中游离阳离子浓度较高，游离阴离子浓度较低。随着聚集蛋白聚糖分子浓度从软骨表层向深层增加，组织的离子环境发生变化。细胞外基质（ECM）中无机离子的浓度会造成高渗透压。

软骨的材料特性取决于胶原纤维、蛋白聚糖和组织液相之间的相互作用。由于合成和分解代谢过程的差异、大分子的降解以及物理创伤，软骨的结构和成分变化会显著影响软骨的材料特性并改变其功能。由于胶原纤维和蛋白聚糖的浓度、分布和大分子组织会根据软骨区的深度而变化，因此每个区域的生物力学特性各不相同。例如，浅表区域胶原纤维浓度高，纤维切向分布，蛋白聚糖浓度相对较低，因此具有最显著的抗拉伸特性，可将负荷均匀分布在整个组织表面。在过渡区和深层区域，高浓度的蛋白聚糖赋予组织承受压缩负荷的特性。在“波浪线”区域，软骨的材料特性从柔韧的非钙化区急剧转变为更坚硬的矿化软骨。在“波浪线”区域，组织强度由胶原网络提供。胶原纤维不穿过下层软骨层；在骨软骨连接处，组织强度由非钙化软骨区和钙化软骨区之间边界的特殊轮廓提供，这些边界呈不规则的指状突起，将两层软骨“闭合”并防止其分离。钙化软骨的密度低于软骨下骨，因此它起到中间层的作用，减轻软骨上的压缩负荷并将其转移到软骨下骨。

在负重过程中，三种力会发生复杂的分布——拉伸、剪切和压缩。关节基质由于水分（以及细胞代谢产物）从负重区排出而变形，间质液中离子的浓度增加。水分的移动直接取决于施加负重的持续时间和力度，并因蛋白聚糖的负电荷而延缓。在组织变形过程中，蛋白聚糖彼此挤压得更紧密，从而有效增加负电荷的密度，而排斥负电荷的分子间力又反过来增加了组织对进一步变形的抵抗力。最终，变形达到平衡，其中外部负重力与内部阻力——膨胀压力（蛋白聚糖与离子的相互作用）和机械应力（蛋白聚糖与胶原蛋白的相互作用）——相平衡。当负重移除后，软骨组织通过吸收水分和营养物质恢复其原始形状。当蛋白聚糖的膨胀压力与胶原网络对其扩散的阻力相平衡时，组织就达到了初始（预加载）形状。

关节软骨的生物力学特性基于组织的结构完整性——固相为胶原蛋白-蛋白多糖组合物，液相为水和溶解离子。无负荷时，关节软骨的静水压约为1-2个大气压。在体内，该静水压在站立时每毫秒可增加至100-200个大气压，在行走时可增加至40-50个大气压。体外研究表明，50-150个大气压（生理性）的静水压会在短时间内导致软骨合成代谢适度增加，并在2小时内导致软骨液流失，但不会引起任何其他变化。软骨细胞在体内对此类负荷的反应速度如何，目前仍未得到解决。

水合作用降低以及随后蛋白多糖浓度的增加导致对带正电荷的离子（如 H ⁺和 Na ^+）的吸引。这导致 ECM 和软骨细胞的整体离子组成和 pH 值发生变化。长期运动会导致 pH 值降低，同时导致软骨细胞的蛋白多糖合成减少。细胞外离子环境对合成过程的影响可能也部分与其对 ECM 组成的影响有关。新合成的聚集蛋白聚糖分子在弱酸性环境中比在正常条件下更晚成熟为聚集形式。软骨细胞周围 pH 值的降低（例如在运动期间）可能会使更多新合成的聚集蛋白聚糖分子到达区域间基质。

当负荷消除时，水分会从滑膜腔返回，为细胞提供营养。在受骨关节炎影响的软骨中，蛋白多糖的浓度会降低，因此，在负荷期间，水分不仅会垂直移动到滑膜腔中，还会向其他方向移动，从而减少软骨细胞的营养。

固定或轻度负荷会导致软骨合成和蛋白多糖含量明显下降，而增加动态负荷会导致蛋白多糖合成和含量适度增加。狗的剧烈运动（20 公里/天，持续 15 周）会引起蛋白多糖含量的变化，尤其是浅表区域的蛋白多糖浓度急剧下降。发生一些可逆性的软骨软化和软骨下骨重塑。然而，严重的静态负荷会导致软骨损伤和随后的退化。此外，ECM 聚集蛋白聚糖的损失会引发骨关节炎特有的异常变化。聚集蛋白聚糖的损失会导致水分吸引和少量剩余蛋白多糖肿胀。聚集蛋白聚糖的溶解导致局部固定电荷密度降低，最终导致渗透压改变。