Condrocitos

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Condrocitos
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Concepto:Los condrocitos son el componente celular único del cartílago hialino.

Condrocitos . Se considera que los condrocitos articulares son células plenamente diferenciadas que residen en el cartílago una vez formado. Su papel aparente es mantener los constituyentes de la matriz en un estado de equilibrio de bajo recambio.

Funciones

Los condrocitos realizan diferentes funciones durante el desarrollo y en la vida posnatal. En el embrión, proporcionan las plantillas, o primordio cartilaginoso, para los elementos esqueléticos en desarrollo. Los condrocitos representan también el principal elemento celular en la placa de crecimiento, en donde el proceso de osificación endocondral lleva a un rápido crecimiento posnatal del esqueleto. Durante el desarrollo, el condrocito se origina a partir de progenitores mesenquimatosos de diversas fuentes, que incluyen la cresta neural craneal del ectodermo neural, el mesodermo cefálico, el esclerotomo del mesodermo paraxial y la somatopleura del mesodermo de la placa lateral. Las señales temporales y espaciales determinan los estadios de diferenciación, que comprenden la proliferación, diferenciación, maduración y apoptosis, y que dan lugar a la formación de cartílago hialino, elástico y fibroso. Dentro de la placa de crecimiento epifisaria, el condrocito es responsable del crecimiento longitudinal del esqueleto. En el adulto, la distribución anatómica del cartílago queda restringida principalmente a las articulaciones, tráquea y tabique nasal, en donde la principal función es el soporte anatómico. En las articulaciones, el cartílago tiene la función adicional de proporcionar una articulación de baja fricción. En el cartílago articular adulto, los condrocitos comprenden del 2 al 5% del volumen tisular; el resto está compuesto por una matriz especializada de colágenos, proteoglucanos y otras proteínas específicas e inespecíficas del cartílago. Los condrocitos articulares adultos son, desde el punto de vista metabólico, relativamente inactivos debido, en parte, a la ausencia de vascularización e inervación en el tejido. Los condrocitos maduros son vestigios de los condrocitos en reposo, en proliferación y prehipertróficos que depositaron la matriz cartilaginosa original durante la condrogénesis y la formación de la placa de crecimiento. El condrocito adulto no puede re capitular de modo preciso las variaciones zonales en la red de la matriz cartilaginosa que se formó originalmente, pero puede responder a estímulos mecánicos, factores de crecimiento y citocinas que influyen sobre la homeostasis normal de modo positivo o negativo. Así, la importancia clínica del condrocito tiene lugar en el interior del cartílago articular. Este capítulo se centrará en el condrocito articular, sus funciones normales y sus respuestas a los insultos ambientales adversos que pueden modificar su función.


Morfología

El rasgo característico del condrocito incluido en la matriz cartilaginosa es su morfología redondeada o poligonal. La excepción se da en los límites tisulares, como la superficie articular de las articulaciones, en donde los condrocitos pueden ser aplanados o discoides. Las características intracelulares, que incluyen un retículo endoplásmico rugoso, un aparato de Golgi yuxtanuclear, y el depósito de glucógeno, son típicas de una célula sintéticamente activa. Stockwell1 calcula que la densidad celular del cartílago humano adulto del cóndilo femoral de pleno grosor se mantiene a 14,5 (± 3,0) _103 células/mm3 desde los 20 a los 30 años de edad. Al conocerse que se produce senescencia de los condrocitos con el proceso de envejecimiento, es lógico suponer que los condrocitos muertos son reemplazados por mitosis. Sin embargo, no se observan figuras mitóticas en el cartílago articular adulto normal. La morfología, densidad y actividad sintética de un condrocito adulto varían de acuerdo con su posición en el interior de las diferentes zonas del cartílago articular. En la región de la máxima densidad celular, la zona superficial, las células son aplanadas y orientadas paralelamente a la superficie en el mismo eje que las fibras colágenas. Los condrocitos del interior de la zona media son más anchos y más redondeados y exhiben una distribución aleatoria en el interior de la matriz, en donde las fibras colágenas se hallan también distribuidas más aleatoriamente. Los condrocitos de las zonas más profundas forman columnas que, junto con las fibras colágenas, se hallan orientadas perpendicular mente a la superficie del cartílago. Los condrocitos pueden exhibir diferentes conductas dependiendo de su posición en el interior de las diferentes capas, y estas diferencias zonales en las propiedades sintéticas pueden persistir en los cultivos de condrocitos primarios. El volumen del condrocito insitu aumenta desde las zonas superficiales hasta las profundas y con el grado de degeneración del cartílago. Un estudio reciente, con microscopia confocal de barrido láser (CSLM) de cartílago vivo sin fijar ha revelado finas proyecciones citoplásmicas que se extienden desde los cuerpos celulares de hasta el 40% de los condrocitos de todos los grados de cartílago. Se proponen estas proyecciones para permitir interacciones entre los condrocitos y la matriz del cartílago en sitios cercanos y remotos. Son distintas a los cilios, que se observan por microscopia electrónica, pero no por CSLM. Uno de los retos a los investigadores en el campo de la biología del cartílago es el mantenimiento de la morfología como marcador del fenotipo del condrocito para los estudios in vitro. Cuando se aíslan condrocitos de su matriz y se cultivan en monocapa, se adhieren a la placa de cultivo y respon den prontamente a los factores de crecimiento del suero, que estimulan la proliferación de las células normalmente quiescentes. Cuando se cultivan en placa con una alta densidad mantienen una morfología poligonal aunque aplanada. Sin embargo, cuando se cultivan en placa a baja densidad, con el cultivo prolongado, y tras expansión en sub cultivos seriados, asumen gradualmente una morfología más elongada, «semejante al fibroblasto». Un trabajo inicial sugería que este cambio en la morfología se asocia con una pérdida del fenotipo, mediante la cual disminuye o desaparece la síntesis de moléculas de matriz específicas del cartílago, como colágeno de tipo II o agrecán. Este «fenotipo de s diferenciado», que se ha descrito hasta ahora sólo in vitro, se ve marcado por la aparición de síntesis de colágenos de tipo I y III, aunque puede detectarse el mRNA del colágeno de tipo I en el cartílago articular normal, sobre todo en la zona superficial. Se ha descrito una falta de correlación entre la forma celular y el fenotipo condrocítico. Sin embargo, parece que la desdiferenciación de los condrocitos en cultivo en monocapa se asocia con un aumento de la expresión de los genes implicados en la proliferación celular, como la cíclica D113.

Clasificación: Origen y diferenciación celulares

El condrocito se origina en el embrión a partir del mesénquima. Se produce la condrogénesis como consecuencia de condensaciones celulares en sitios en los que se van a formar elementos esqueléticos. Las células mesenquimatosas precondrocíticas producen matriz extracelular (ECM) rica en hialuronano y colágeno de tipo I, así como colágeno de tipo IIA que contiene el aminopropéptido codificado en el exón 2 que se encuentra en los colágenos no cartilaginosos. Inician la condensación al aumentar la actividad hialuronidásica y la síntesis de las moléculas de adhesión celular, Ncadherina y la molécula de adhesión de la célula neural (N-CAM), que desaparecen en los condrocitos en diferenciación y son de tectables después sólo en las células pericondriales. También se expresan la fibronectina, sindecán, tenascina y trombospondina, así como las moléculas de señalización intracelulares, cinasa de adhesión focal y paxilina, en la transición de las células condroprogenitoras al condrocito plenamente comprometido. El factor de transcripción, Sox9, junto con otros dos miembros de la familia del grupo de movilidad alta del tipo Sry (SOX), L-Sox5 y Sox6, son marcadores tempranos del condrocito en diferenciación y se requieren para el comienzo de la expresión del colágeno de tipo II (B), agrecán, y otras proteínas de matriz específicas del cartílago, como el colágeno de tipo IX. Sistemas comunes de factores de crecimiento, moléculas de señalización y factores de transcripción median en las respuestas en diferentes estadios de la diferenciación condrocítica, aunque las relaciones espaciales y temporales pueden variar de un estadio a otro. Así, el destino de un condrocito depende de su origen y localización. El cartílago articular persiste después de la cavitación articular. Los condrocitos que comprenden las placas de crecimiento epifisarias continúan un programa de diferenciación que lleva a la hipertrofia del condrocito –estado diferenciado terminalmente marcado por el colágeno de tipo X y la apoptosis condrocítica que facilita la osificación endocondral, por la cual el hueso reemplaza la matriz cartilaginosa calcificada del condrocito hipertrófico. Así, una función importante del condrocito es el crecimiento del esqueleto por medio de la proliferación y producción de más células, producción de ECM y aumento del volumen celular por me - dio de su hipertrofia. Una vez ce sado el crecimiento, el condrocito en reposo permanece como parte de las estructuras de soporte en los cartílagos articulares, traqueales y nasales.

Función normal del condrocito articular adulto

El condrocito articular maduro incluido en su ECM es una célula en reposo en la que no se detecta actividad mitótica y que tiene una actividad sintética muy baja. Dado que el cartílago articular carece de vascularización, el condrocito debe depender de la difusión a partir de la superficie articular para el intercambio de nutrientes y de metabolitos. Como consecuencia, el metabolismo del condrocito opera a una baja tensión de oxígeno en el interior de la matriz cartilaginosa, que va del 10% en la superficie a menos del 1% en la zo na profunda. La mayoría de los requerimientos energéticos se ven satisfechos por la glucólisis y, por ello, los condrocitos no contienen normalmente abundantes mitocondrias. No obstante, cuando se cultivan en una gama de ten sión de oxígeno entre el 0,1 y el 20% de O2, las menores tensiones de oxígeno aumentan por regulación los niveles de genes anabólicos, como el factor-transformador del crecimiento-β (TGF-β) y el factor de crecimiento del tejido conjuntivo. Los condrocitos son capaces de adaptarse a una baja tensión de oxígeno, en parte por cambios en los factores de transcripción, como el factor inducible por hipoxia1 (HIF-1) y la proteína activadora-1 (AP-1). Sin embargo, las condiciones hiperóxicas (55% de O2) pueden aumentar la escisión de colágenos del cartílago en el cartílago articular en presencia de una membrana sinovial reumatoide vascularizada18. Los condrocitos mantienen también unos sistemas de transporte activo a través de la membrana para el intercambio de cationes, como Na+, K+, Ca2+ y H+, cuyas concentraciones intracelulares fluctúan con la carga y cambios en la composición de la matriz del cartílago. El consumo de oxígeno por célula del cartílago es sólo del 2 al 5% del que hay en el hígado o riñón, aunque las cantidades de lactato producidas son comparables. Así, el metabolismo energético en los condrocitos depende, en gran medida, del aporte de glucosa, y los requerimientos pueden ser modulados por estrés mecánico. La glucosa sirve como la principal fuente de energía para los condrocitos y como precursor esencial para la síntesis de glucosaminoglucano. Un transporte de glucosa facilitado en los condrocitos está mediado por varias proteínas transportadoras de glucosa distintas (GLUT) que, o son expresadas de modo constitutivo (GLUT3 y GLUT8), o son inducibles por citocinas (GLUT1 y GLUT6). La expresión relativa de estas proteínas puede determinar la capacidad de los condrocitos para sobrevivir en la matriz del cartílago y para modular la actividad metabólica en respuesta a cambios ambientales.

Productos sintéticos del condrocito

Se han cartografiado los patrones de expresión de las proteínas de la matriz por los condrocitos en el interior del cartílago de fuentes humanas y animales por inmunohistoquímica e hibridación in situ para localizar los niveles de proteínas y de mRNA. Los marcadores de los condrocitos articulares maduros son el colágeno de tipo II (COL2A1), otros colágenos específicos del cartílago, como el IX (COL9) y el XI (COL11), el gran proteoglucano agregador agrecán, y la proteína de unión. Se ha examinado tanto in vivo como in vitro la síntesis de los pequeños proteoglucanos, como el biglucano y la decorina y otras proteínas de matriz específicas e inespecíficas. En el cartílago articular adulto normal, los condrocitos sintetizan muy lentamente componentes de la matriz. Se ha calculado que el recambio de colágeno se produce con una semivida de más de 100 años, mientras que los constituyentes del glucosaminoglucano en la proteína central del agrecán son reemplazados más prontamente, y se ha calculado que la semivida de las subfracciones del agrecán se halla en la gama de 3 a 24 años. El condrocito mantiene un metabolismo en estado de equilibrio como consecuencia del equilibrio entre los procesos anabólicos y catabólicos que dan lugar al recambio normal de las moléculas de la matriz. Si se produce un daño intenso en la red de colágeno, es más difícil que el condrocito replique la composición compleja de la matriz del cartílago articular. No obstante, los condrocitos in vivo responden a los cambios estructurales en la matriz del cartílago circundante como se produce durante los estadios iniciales de la artrosis, en los que se observa un aumento de la proliferación de los condrocitos y de la síntesis de las proteínas de la matriz, proteinasas y citocinas. También queda indicado el potencial metabólico de estas [células] por su capacidad para proliferar en cultivo y sintetizar proteínas de la matriz después de la liberación enzimática del cartílago de incluso individuos de edad avanzada. Los intentos para cartografiar la ocurrencia y distribución anormales de proteínas de la matriz en el cartílago de la artrosis y de otras afecciones del cartílago han aportado nuevos conocimientos sobre la patogenia de la artropatía. Así, se han descrito alteraciones fenotípicas, como la aparición del colágeno de tipo IIA condroprogenitor, la variante por splicing del colágeno de tipo IIB específico del cartílago normal (COL2B1), así como una reactivación del COL2A1 y la expresión de agrecán en las zonas medias del cartílago de la artrosis. También se produce una recapitulación del desarrollo esquelético fetal en las zonas profunda y calcificada, en donde se expresa el colágeno de tipo X específico de los condrocitos hipertróficos; y en la zona media superior en donde se detecta la expresión del colágeno de tipo III. El aumento en las microfibrillas pericelulares de colágeno de tipo VI indica también que el condrocito es capaz de responder a los cambios en su microambiente. La respuesta temprana de los condrocitos en la lesión de la artrosis es aumentar la síntesis de colágeno de tipo II y de agrecán. Sin embargo, la capacidad del condrocito articular adulto para regenerar arquitectura de la matriz del cartílago normal es limitada, y el daño se convierte en irreversible a menos que se interrumpa el proceso de degradación.

Condrocitos articulares

Cultivos de explantes (órganos) de cartílago Tomando como base el trabajo innovador de Fell38, quien demostró que era posible mantener piezas de cartílago en cultivo, se empleó el sistema de cultivo de explantes para caracterizar la función condrocítica en el cartílago a partir de varias especies, incluidos los humanos, en diferentes edades. Los primeros trabajos en el cartílago bovino establecieron los mecanismos de la biosíntesis de los proteoglucanos del cartílago bajo la influencia de diferentes concentraciones séricas y determinaron la tasa de recambio por la que el condrocito podía mantener el equilibrio entre las vías anabólica y catabólica. Se emplean ampliamente métodos desarrollados para determinar el contenido en proteoglucanos en el cartílago y la incorporación de sulfato en los proteoglucanos nuevamente sintetizados como ensayos estándar para valorar el metabolismo del cartílago. Los cultivos de órgano de cartílago mantienen también niveles constantes de colágeno de tipo II durante varias semanas de cultivo, así como la morfología característica y el patrón en bandas de las fibras colágenas. Así, han sido de utilidad para estudiar las respuestas al daño causado por proteinasas, lipopolisacáridos, interleucina , ácido retinoico, y las respuestas anabólicas a los factores de crecimiento. Cultivos en monocapa. Se obtienen fácilmente cultivos en monocapa primarios de condrocitos aislados de animales jóvenes que mantienen el fenotipo específico del cartílago al menos durante el cultivo primario, y se han utilizado ampliamente para valorar las funciones condrocíticas diferenciadas. Los primeros intentos para cultivar condrocitos a partir de diversas fuentes animales y humanas quedaron frustrados por la tendencia de estas células a adquirir una morfología semejante a la del fi broblasto asociada con la aparición de la síntesis de colágenode. Los condrocitos articulares o costales humanos aislados recientemente expresan colágeno de tipo II específico del cartílago y continúan haciéndolo durante varios días a se manas en cultivo en monocapa primario. Otros marcadores expresados en el cultivo condrocítico primario incluyen la condromodulina y la proteína S. Durante el cultivo prolongado y el subcultivo seriado, los cul tivos en monocapa comienzan a expresar colágenos de tipo I y III. Esta desdiferenciación se asocia con una disminución en la expresión de uno o más marcadores condrocíticos, particularmente el colágeno de tipo II, y puede verse acelerado al cultivar en placa las células a bajas densidades o por tratamiento con citocinas, como interleucina-1 (IL-1) o ácido retinoico. El empleo de condrocitos de ori gen humano adulto en estudios relacionados con la patogenia de artropatías ha sido problemático porque no puede controlarse la fuente del cartílago, no se obtienen fácilmente cifras suficientes de células por medio de procedimientos operativos aleatorios, y se pierde la estabilidad fenotípica de los condrocitos adultos humanos más rápidamente con la expansión en cultivos en monocapa seriados que en las células juveniles humanas o de ori gen embrionario o posnatal de animales. Dado que la estabilidad del fenotipo de los condrocitos aislados depende de modo crítico de la forma y densidad celulares, son de utilidad cultivos de una micromasa de alta densidad si se puede obtener una cifra suficiente de condrocitos, particularmente para el estudio de la biosíntesis del proteoglucano. Las preparaciones de matriz que contienen colágeno, en las que se puede conseguir el crecimiento de condrocitos en mono capa, pueden mantener también el fenotipo, probablemente debido a la presencia de factores de crecimiento y de diferenciación como el TGF-β que se copurifican con las proteínas de la matriz. También se han empleado medios de finidos sin suero de diversas composiciones, pero por lo general con inclusión de insulina, frecuentemente en combinación con sistemas de cultivo en monocapa y de otros tipos mencionados en la siguiente sección. Sistemas de cultivo tridimensionales Los primeros estudios demostraron que se podía mantener el fenotipo si se colocaban los condrocitos aislados en cultivos en suspensión en matraces giratorios o en placas recubiertas con sustratos no adherentes. También pueden incluirse condrocitos recientemente aislados o subcultivados en matrices de soporte sólido, como geles de colágeno o esponjas, agarosa o alginato. En estas matrices tridimensionales (3D), los condrocitos tienen la forma esférica normal, sintetizan y segregan abundantes componentes de la ECM asociados a la célula y mantienen la estabilidad fenotípica durante varios meses. Dado que los condrocitos articulares son incapaces de proliferar en cultivo en suspensión en líquido o en gel, se ha empleado el cultivo de expansión en monocapa seguido de transferencia a cultivo en alginato u otras suspensiones como estrategia para obtener una cifra suficiente de condrocitos diferenciados para estudio. Sin embargo, después de un cultivo prolongado en monocapa, los condrocitos desdiferenciados pueden perder de modo irreversible su potencial condrogénico. El sistema de cultivo en sedimento celular (pellet), de alta densidad, originalmente desarrollado para estudiar la hipertrofia de la placa de crecimiento89, ha sido empleado también como modelo 3D porque permite que los condrocitos articulares depositen una ECM bien organizada que contiene colágeno de tipo II y agrecán. También se han empleado condrones aislados que contienen uno o más condrocitos dentro de una cápsula de matriz pericelular para estudios invitro del metabolismo del condrocito en un ambiente.

Condrocitos prehipertróficos e hipertróficos: modelos de la placa de crecimiento y diferenciación terminal

Se ha generalizado el empleo de tejidos o células de embriones de animales o de animales jóvenes, en estadios del desarrollo específicos o con diferentes destinos del desarrollo, para recapitular in vitro los estadios transicionales de la condrogénesis, hipertrofia condrocítica y osificación endocondral. Una característica común de estos modelos es el requerimiento del depósito de una matriz de colágeno por un número suficiente de células después del cese de la proliferación de las células condrogénicas en cultivos de alta densidad en monocapa o su atrapamiento en un cultivo en gel o en suspensión. Los condrocitos epifisarios aislados de huesos largos de ratas y conejos posnatales inmaduros y cultivados a gran densidad progresan por una vía de diferenciación que simula la transición desde el fenotipo de condrocito productor de colágeno de tipo II y proliferante hasta el fenotipo hipertrófico productor de colágeno X diferenciado terminalmente con formación de la placa de crecimiento y osificación endocondral. También se han empleado como marcadores de la diferenciación terminal la fosfatasa alcalina, osteocalcina y osteopontina. Se ha empleado ampliamente el sistema de cultivo en sedimento celular para estudiar la diferenciación terminal e hipertrofia, porque remeda la distribución de las células en el interior de la placa de crecimiento y está suficientemente organizado para permitir la calcificación in situ. La parada de la proliferación celular y la activación de la ex presión del colágeno de tipo X se produce cuando se reduce la concentración de suero del 10 al 2% o menos. Parece que el factor de crecimiento semejante a insulina-I (IGF-I) o insulina añadida en medio sin suero o como constituyente del suero es un requerimiento basal universal en estos sistemas de cultivo. Se ha empleado el ácido ascórbico107-109 y el ácido retinoico para promover la diferenciación ter minal in vitro. Los condrocitos no entran en el último estadio hipertrófico observado in vivo, que se caracteriza por la síntesis de colágeno X, el cese de la síntesis de colágeno de tipo II y la mineralización de la matriz, a menos que se añada al medio una hormona esteroide, como la tiroxina, un metabolito de la vitamina D3, o de xametasona. La mineralización de la matriz ectópica puede requerir un donante de fosfato como el β-glicerofosfato (BGP)103. Sin embargo, en presencia de tiroxina, ácido retinoico, o 1,25(OH)2, la vitamina D3 puede inhibir la hipertrofia del condrocito. En contraste, ciertas proteínas morfogenéticas óseas (BMP) (véase a continuación), solas o en presencia de ácido ascórbico, pueden inducir la hipertrofia en ausencia de otros aditivos, si se emplea la población apropiada de células progenitoras.

Resumen y Conclusión

Los condrocitos, que constituyen el componente celular único en el cartílago articular adulto, son responsables del mantenimiento de los componentes de la ECM en un estado de bajo recambio. La composición y la organización de las macromoléculas de la matriz, que son exclusivas de este tejido, son determinadas durante la diferenciación condrocítica en el desarrollo embrionario y posnatal del cartílago. Los condrocitos adultos existen en un ambiente hipóxico en el interior del cartílago articular, son relativamente inactivos metabólicamente (debido, en parte, a la ausencia de vasos sanguíneos y de nervios), y exhiben una morfología redondeada que refleja su estado quiescente. Se han desarrollado modelos de cultivo de condrocitos con la finalidad de mantener fenotipos diferenciados, caracterizados por los constituyentes principales de colágeno y proteoglucano, colágeno de tipo II y agrecán. Los condrocitos interactúan con componentes específicos de la ECM por medio de integrinas, anexinas y CD44 en la superficie celular. Los estudios in vitro e in vivo han demostrado que los condrocitos articulares adultos son capaces de responder a los estímulos biológicos y mecánicos, ya sean anabólicos o catabólicos. Los factores anabólicos incluyen miembros de la familia TGF-β/BMP e IGF-I. Los factores catabólicos incluyen citocinas proinflamatorias, como IL-1, TNF-α, IL-17 e IL-18, que estimulan la síntesis de proteasas que degradan la matriz, como las MMP y agrecanasas, e inhiben la síntesis de proteínas de la matriz. Miembros de la familia de citocinas IL-6, como la propia IL-6, OSM y LIF, y quimiocinas, incluida la IL-8, actúan sinérgicamente con las citocinas catabólicas o modulan las respuestas condrocíticas. Las citocinas inhibidoras, como IL-4, IL-10, IL-13 e IL1Ra, atenúan las acciones de las citocinas catabólicas. Se han aclarado muchas de las vías de señalización y de los factores de transcripción que median en las respuestas de los condrocitos a estas citocinas, pero el modo en que se orquestan las funciones condrocíticas específicas es complejo y aún no está plenamente comprendido. Aunque los condrocitos in situ son capaces de responder tanto a los factores catabólicos como anabólicos, no son capaces de mediar en una reparación efectiva de las lesiones extensas del cartílago. Así, una mejor comprensión del modo de funcionamiento del condrocito articular adulto dentro de su ambiente único servirá de ayuda para el desarrollo de estrategias racionales con el fin de proteger el cartílago del daño resultante de la artropatía.


Fuentes

  • Stockwell RA, Meachim G: The chondrocytes. In Freeman MAR (ed): Adult Articular Cartilage. Tunbridge Wells, England, Pitman Medical, 1979, pp 69-144.
  • Rothwell AG, Bentley G: Chondrocyte multiplication in osteoar thritic articular cartilage. J Bone Joint Surg Br 55:588-594, 1973.
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