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. 2022 Oct 20;58(1):72–78. doi: 10.1055/s-0042-1756332

The Effects of Hydrolyzed Collagen and Collagen Peptide in the Treatment of Superficial Chondral Lesions: An Experimental Study

Deivid Ramos dos Santos 1,, Debora Pinheiro Xavier 1, Letícia Amanda Pinheiro de Ataíde 1, Lívia Guerreiro de Barros Bentes 1, Rafael Silva Lemos 1, Dante Bernardes Giubilei 2, Rui Sergio Monteiro de Barros 2,3
PMCID: PMC10038713  PMID: 36969779

Abstract

Objective  To evaluate the effects of hydrolyzed collagen and collagen peptide in the treatment of superficial chondral lesions in rats.

Method  This research employed 18 Rattus norvegicus . A single intraarticular infiltration of sodium iodoacetate (2 mg solution) through the patellar ligament induced joint damage in previously anesthetized animals. We divided the animals into three groups: a control group, a collagen peptide group, and a hydrolyzed collagen group. Treatment consisted of oral administration of collagen peptide or hydrolyzed collagen for 30 days. Afterwards, we euthanized the animals and studied the joint chondral changes. We evaluated the results according to the chondrocyte clusters count and a histological evaluation, as per Pritzker et al.

Results  There was no statistical significance in injury stages between the control, hydrolyzed collagen, and collagen peptide groups ( p  = 0.11). Regarding scores, there was a statistical significance between the groups treated with hydrolyzed collagen and collagen peptide ( p  < 0.05), but not in comparison with the control group.

Conclusion  The proposed treatments of the induced chondral lesion with the oral administration of hydrolyzed collagen or collagen peptides were effective, resulting in lesion stabilization or regression, and warranting further experimental research to understand and improve the primary outcome of this study.

Keywords: chondral lesion, collagen, knee, rats, treatment

Introduction

The treatment of chondral lesions remains a challenge for orthopedists because of the low regenerative ability of the cartilaginous tissue. 1 2

These injuries result from several metabolic, genetic, vascular, and/or traumatic factors. Their classification considers the size and thickness of the affected cartilage. 3 4 Its actual incidence remains unknown, since most of these injuries are asymptomatic. Therefore, many patients do not seek medical help, even when the disease is in its more advanced stages. Chondral lesions are common joint conditions, especially in elderly and obese subjects, causing pain, stiffness, and functional limitation. Joints under mechanical overload are the most compromised, particularly the knee. 3

It is estimated that more than 10% of the population over 60-years-old have severe joint issues due to some degree of articular impairment. 4 Senna et al. 5 and Henrotin et al. 6 reported a prevalence of 4.14% in the Brazilian population. Moreover, radiological studies show changes in 30% of men and women over 65-years-old; among them, one-third is symptomatic.

Despite the role of mechanical injuries in articular cartilage degradation, the inflammatory process plays a critical role in the pathophysiology of the disease, triggering it or accelerating its evolution. 4 The exact sequence of pathological events remains poorly understood, making consensus on the best therapeutic approach difficult. There is still no cure, and treatments only alleviate symptoms. 7

Recent oral treatments with nutraceutical agents have a weak scientific recommendation. This supplementary treatment consists of using laboratory-produced nutrients to strengthen the articular cartilage and delay or prevent the evolution of the disease. 6

In this context, the hydrolyzed collagen resulting from the hydrolysis of crude collagen fibers or powder stands out. It has a proven role in maintaining and reconstituting the skin, bones, cartilage, and extracellular matrix. Hydrolyzed collagen is safe and has minimal adverse effects. Its amino acid composition is rich in proline, which preferentially accumulates in cartilage and presents a chondroprotective effect. 6 Factors such as aging and a poor diet can affect the demand for collagen in the body, contributing to the risk of bone and joint dysfunctions, and the eventual need for dietary supplementation. 5 7 8

Additionally, it is possible to isolate collagen peptide fragments through enzymatic hydrolysis. 6 Collagen peptides have bioactive properties and may direct the production of specific proteins, scavenge free radicals, prevent lipid oxidation, and act as chelators for transition metals. As food supplements, they have a role in skin aging and osteoporosis prevention. 9

Some studies demonstrated the role of nutraceuticals by comparing the time of chondral injury evolution, prevention, or both, between two groups with knee chondral injury, the first one being treated with oral hyaluronic acid and an exercise program, and the second one submitted only to physical exercises. At a 1-year follow-up, the first group showed a different outcome, with fewer symptoms and lower use of analgesics. 10 11 12

Thus, this study evaluates the effects of hydrolyzed collagen and collagen peptide in treating chondral lesions 30 days after their induction in the knee articular cartilage of rats.

Method

Ethical Considerations

This research followed the precepts of the Brazilian legislation regarding animal husbandry and use (Federal Law number 11.794, of 2008) and the standards from the Brazilian College of Animal Experimentation. The Ethics Committee on the Use of Animals of the Center for Biological and Health Sciences from Universidade do Estado do Pará (UEPA) approved this research project under protocol number 09/2019.

Study Type

This experimental study used 18 male, 120-day-old Rattus norvegicus from the Wistar strain, weighing approximately 240 g. The rats came from the animal facility of Instituto Evandro Chagas. They were placed in plastic cages and kept in a controlled environment for temperature, humidity, light, and noise.

We divided the animals into three groups, each with 6 subjects: the control group (CG), collagen peptide group (CPG), and hydrolyzed collagen group (HCG). Drug doses for each group were based on previous studies published in the literature. 10 11 12 13

Surgical Procedures

The articular damage was induced across the patellar ligament through a single intraarticular infiltration of a solution containing 2 mg of sodium iodoacetate, in a total volume of 25 μl in the right knee joint of previously anesthetized rats, with a flexed at a 90-degree angle, using a 26G X 3/8-gauge needle.

Treatment

Anesthesia for subsequent knee infiltration consisted of intraperitoneal injection of ketamine and xylazine at doses of 70 mg/kg and 7 mg/kg, respectively. 14 A booster, if required, consisted of an intramuscular application of ¼ of the initial dose.

After joint injury induction, all animals received analgesia with intraperitoneal tramadol at a 2 mg/kg dose. They were kept in cages identified by groups, with food and water ad libitum, for 30 days.

Animals from the CG (n = 6) received no treatment after the chondral lesion.

Those from the CPG (n = 6) received collagen peptide (0.16 g/kg/day) by gavage after chondral lesion induction.

Animals from the HCG (n = 6) received hydrolyzed collagen (0.14 g/kg/day) by gavage after chondral lesion induction.

The vehicle for component dilution was purified water. The rats were weighed daily for potential dose adjustments.

Histological Processing

The animals were euthanized by anesthetic overdose. The right knee was dissected from the hip to the ankle region, leaving the joint capsule intact. The samples were fixed in 10% formalin and submitted to histopathological analysis. The knees were kept in this solution for 1 day and demineralized in 5% nitric acid for 2 to 3 days. Tissues were embedded into paraffin blocks to prepare tibial sections for staining with hematoxylin-eosin and the Masson trichrome stain.

The histopathological analysis consisted of chondrocyte clusters counts in the superficial and intermediate layers of the cartilage. The Osteoarthritis Cartilage Histopathology Assessment System (OARSI) classified the depth of the lesion in six degrees, and the extension of the joint surface lesion in four stages ( Fig. 1 ).

Fig. 1.

Fig. 1

Histopathological analysis. Group 1: normal articular cartilage. Group 2: joint surface discontinuity. Group 3: formation of fissures or gaps on the joint surface. Group 4: erosion of the articular cartilage surface. Group 5: denudation of articular cartilage. Group 6: deformation of the subchondral bone (reproduced from Pritzker et al., 2006).

The extent of the articular cartilage lesion determined the stage of chondral injury ( Table 1 ).

Table 1. Lesion stages (cartilage involvement extension) per Pritzker et al., 2006.

Stage % of involvement (surface, area, volume)
Stage 0 No osteoarticular activity
Stage 1 < 10%
Stage 2 10–25%
Stage 3 25–50%
Stage 4 > 50%

Next, we crossed the data on groups and injury stages in a table to determine the grade of a standardized score ( Table 2 ).

Table 2. Histopathological lesion grading score based on the cross-referencing of injury grades and stages (reproduced from Pritzker et al., 2006).

Grades Stages
E1 E2 E3 E4
G1 1 2 3 4
G2 2 4 6 8
G3 3 6 9 12
G4 4 8 12 16
G5 5 10 15 20
G6 6 12 18 24

The Kolmogorov-Smirnov test assessed normality. Statistical analysis of the study data used the Kruskal-Wallis test. If there was a statistically significant difference, the Student-Newman-Keuls test was used, adopting a significance level of α = 0.05. Analysis was performed with the BioEstat 5.4 software.

We used Word 2016 (Microsoft Corp., Redmond, WA, USA) to prepare this manuscript, Excel 2016 (Microsoft Corp., Redmond, WA, USA) to organize and construct tables and graphs, and PowerPoint 2016 (Microsoft Corp., Redmond, WA, USA) to create the slide show.

Results

Table 3 shows the OARSI classification. Initially, the Lilliefors test verified data normality and revealed a nonparametric distribution. Then, we applied a Kruskal-Wallis test that detected a difference among groups ( p  = 0.0008). The Student-Newman-Keuls test confirmed this difference.

Table 3. Knee osteoarthritis grade in rats and their respective groups, stages, and scores.

Rats Control Group Hydrolyzed Collagen Group Collagen Peptide Group
Group Stage Score Group Stage Score Group Stage Score
R1 2 1 2 2 1 2 2 1 2
R2 4 1 4 1 1 1 1 1 1
R3 3 1 3 2 1 2 2 1 2
R4 2 2 4 1 1 1 2 1 2
R5 4 1 4 2 1 2 2 1 2
R6 2 2 4 2 1 2 2 1 2
Mean 2.83 1.33 3.5 1.66 1 1.66 1.83 1 1.83

The OARSI classification proposed by Pritzker et al. 15 revealed the correspondence among groups (CG, HCG, and CPG; p  < 0.05) and the statistical difference between HCG and CPG ( p  = 0.3632) ( Fig. 2 ).

Fig. 2.

Fig. 2

Graph of the correspondence of the joint injury groups and each rat from the experimental groups ( p  < 0.05 for all groups; p  = 0.3632 when comparing HCG and CPG).

There was no statistically significant difference between the groups regarding stages of injury ( p  = 0.11) ( Fig. 3 ).

Fig. 3.

Fig. 3

Graph of the correspondence of joint injury stages and each rat from the experimental groups (CG, HCG, and CPG) ( p  = 0.11).

Regarding the scores, there was a statistical difference when comparing HCG and CPG to CG ( p  < 0.05) ( Fig. 4 ). The scores were 1.66, 1.83, and 3.5 for HCG, CPG, and CG, respectively.

Fig. 4.

Fig. 4

Graph of the correspondence of joint injury scores and each rat from the experimental groups (CG], HCG, and CPG) ( p  < 0.05).

Table 4 shows the number of chondrocyte clusters in the superficial and intermediary layers of the cartilage.

Table 4. Chondrocyte clusters numbers at the superficial and intermediary layers of the cartilage.

Cartilage layer Control group HCG CPG
Superficial 12h 2 to 3 3 to 4 3 to 4
Intermediary 12h 4 to 5 4 to 5 4 to 5

Abbreviations: HCG, hydrolyzed collagen group; CPG, collagen peptide group.

Discussion

The literature supports the beneficial effect of the oral administration of hydrolyzed collagen in joint diseases. A double-blinded, randomized, clinical study demonstrated that treatment with 5 g of collagen peptides twice a day in patients with chondral injury of the knee promoted a statistically significant reduction in Western Ontario McMaster Universities Osteoarthritis Index (WOMAC) scores, a quality-of-life questionnaire specific to this population. 15

Our study revealed an improvement in the induced knee injury, indicating that the compounds reached the chondrocytes and with a proper recognition by their surface proteins. The literature reports the accumulation of hydrolyzed collagen in murine joints. The beneficial action of hydrolyzed collagen may be associated with the stimulation of chondrocyte metabolism, activating collagen biosynthesis. 7

There was no difference among groups regarding the number of chondrocyte clusters in the superficial and intermediary layers of the articular cartilage, except for CG, in which the superficial layer presented fewer cells. This finding contradicts the literature, which describes the classic histological pattern of cartilage affected by joint injury with an increase of cell clusters in both size and number. 7 16 17 The experimental model of injury induction may justify this finding. The fact that joint damage results from an external agent, instead of an intrinsic issue with the balance between anabolism and cartilage catabolism, may account for this discrepancy. Furthermore, although apoptosis is a component of the local response to injury, the decrease in cluster count may be related to it, either as an inducing factor or a product of osteoarticular degeneration.

There was a statistically significant difference in the classification of histological groups and lesion scores ( p  < 0.05). This finding suggests a delay in the inherent inflammatory process and the stabilization of the extracellular matrix degradation due to an increased synthesis of its components by chondrocytes. An experimental study in bovine and human chondrocyte models reports that treatment with hydrolyzed collagen inhibited the production of inflammatory mediators (e.g., nitric oxide and prostaglandin E-2). This inhibition occurred even in the presence of proinflammatory cytokines (interleukin β-2). Additionally, the treatment decreased the production of metalloproteinases (which degrade the extracellular matrix) and the expression of the enzyme cyclooxygenase 2. All these findings were more prominent in human chondrocytes. 18 19

On the other hand, a metanalysis by Bakilan et al. 20 concluded that there was no evidence the oral administration of hydrolyzed collagen reduced cartilage destruction. It is noteworthy, however, that this study considered clinical trials alone. The authors stated that the oral administration of type II collagen is a new treatment with the potential to prevent joint destruction, pain, and loss of function, warranting further studies. 18 21 22

There was no difference between the results from HCG and CPG, which is consistent with the results from a randomized clinical trial by Kumar et al. 23 Therefore, despite the origin of collagen peptides, their efficacy remains the same in our study.

For humans, pain reduction indirectly indicates an improvement in the joint conditions of patients with knee chondral injury. Moreover, it may be associated with the initiation of the repair process by collagen peptide accumulation in the cartilaginous tissue. Accumulated collagen helps maintain cartilage structure and function. 24

Regarding lesion stage (extension), there was no statistically significant difference among groups. In fact, stage 1 injury prevailed even among CG specimens. We can interpret this finding according to a study analyzing chondral lesion defects in human knees with spectroscopy and histopathology. In this report, Spahn et al. 24 showed that the cartilage surrounding the defect and the remaining joint presented changes even if its appearance was intact. Thus, the entire joint is compromised by degeneration even though it remains histologically unchanged to a considerable extent. 20

In preclinical studies, 24% of patients with joint damage who received 5 to 7 g of hydrolyzed collagen orally experienced substantial improvement with complete absence of pain, and 44% reported remarkable improvement. 11 Despite the noteworthy findings and the lack of side effects, this study had no statistical analysis. 11 There were few side effects descriptions in humans taking more than 10 g/day. The most common side effects included headaches and mild gastrointestinal disorders, and their presence did not contraindicate the treatment.

We cannot conclude whether oral collagen administration is effective in cases with higher joint surface wear. However, preclinical research indicates that the effects of collagen supplementation in improving joint damage are dose- and time-dependent. As such, future investigations may contribute to elucidating these data, with longer treatment times for the objective evaluation of the long-term evolution of the disease with the use of the studied therapeutic interventions.

Conclusion

The proposed treatment of the induced chondral lesion with the oral administration of hydrolyzed collagen and collagen peptides was effective. It resulted in stabilization or regression of the lesion, deserving further experimental studies to understand and improve the primary outcome of our study.

Conflito de Interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses.

Contribuições dos autores

DRS e RSMB: concepção e desenho de estudo. DRS, DBG e LAPA: realização dos procedimentos experimentais. LGBB e RSL: análise laboratorial. DPX, DBG e DRS: análise de dados e histologia. RSMB, DRS e DPX: escrita do artigo, revisão final e submissão.

Author's contributions

DRS and RSMB: study conception and design. DRS, DBG, and LAPA: performance of experimental procedures. LGBB and RSL: laboratorial analysis. DPX, DBG, and DRS: data analysis and histology. RSMB, DRS, and DPX: manuscript preparation, final review, and submission.

Suporte Financeiro

Não houve suporte financeiro de fontes públicas, comerciais, ou sem fins lucrativos.

Financial Support

There was no support from public, commercial, or non-profit sources.

Estudo Multicêntrico desenvolvido no Laboratório de Cirurgia Experimental da Universidade do Estado do Pará (UEPA) e no Hospital Porto Dias, Belém, Pará, Brasil.

Multicentric study developed at the Experimental Surgery Laboratory from the Universidade do Estado do Pará (UEPA) and the Porto Dias Hospital, Belém, Pará, Brazil.

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Rev Bras Ortop (Sao Paulo). 2022 Oct 20;58(1):72–78. [Article in Portuguese]

Os efeitos do colágeno hidrolisado e do peptídeo de colágeno no tratamento de lesões condrais superficiais: Um estudo experimental

Resumo

Objetivo  Avaliar os efeitos do colágeno hidrolisado e do peptídeo de colágeno no tratamento de lesões condrais superficiais de ratos.

Método  Foram utilizados 18 Rattus norvegicus nesta pesquisa. O dano articular foi induzido por uma única infiltração intra-articular de iodoacetato de sódio (solução 2 mg), injetada através do ligamento patelar da articulação dos animais previamente anestesiados. Os animais foram distribuídos em três grupos: grupo controle, grupo peptídeo de colágeno e grupo colágeno hidrolisado. O tratamento foi realizado por 30 dias com a administração via oral do peptídeo de colágeno ou do colágeno hidrolisado. Posteriormente, foi realizada a eutanásia dos experimentos e seguiu-se para o estudo das alterações condrais articulares. Os resultados foram avaliados conforme contagem de condrócitos por cluster e através da avaliação histológica segundo Pritzker et al.

Resultados  Ao observar os estágios de lesão, não foi observada significância estatística entre os grupos controle, colágeno hidrolisado e peptídeo de colágeno ( p  = 0,11). Ao observar os escores, houve significância estatística na comparação do grupo tratado com colágeno hidrolisado e o grupo peptídeo colágeno ( p  < 0,05), porém sem diferença estatística em relação ao grupo controle.

Conclusão  Os tratamentos propostos da lesão condral induzida com uso de colágeno hidrolisado ou peptídeos de colágeno via oral mostraram-se eficazes, com estabilização ou regressão da lesão apresentada em ratos, merecendo novas pesquisas experimentais com o intuito de compreender e melhorar o desfecho primário deste trabalho.

Palavras-chave: colágeno, joelho, lesão condral, ratos, tratamento

Introdução

Ainda hoje o tratamento das lesões condrais permanece um desafio para médicos ortopedistas, por conta das características de baixo potencial regenerativo inerentes do tecido cartilaginoso. 1 2

Tais lesões são causadas por uma gama de fatores metabólicos, genéticos, vasculares e/ou traumáticos. São classificadas conforme o tamanho e espessura da cartilagem acometida. 3 4 Sua incidência real ainda permanece desconhecida, em função de grande parte delas ser assintomáticas e, por conta disso, a maior parte dos pacientes não busca acompanhamento médico, mesmo nos estágios mais avançados da doença. Trata-se da forma comum de doença articular, sobretudo em indivíduos idosos e obesos, manifestando-se por dor, rigidez e limitação da função. As articulações mais comprometidas são aquelas sujeitas a sobrecarga mecânica, em especial a do joelho. 3

Estima-se que mais de 10% da população acima de 60 anos de idade tenha sérios problemas articulares relacionados a pelo menos algum grau de comprometimento articular. 4 Senna et al. 5 e Henrotin et al. 6 relataram em uma prevalência de 4,14% na população brasileira, e estudos radiológicos mostram alterações em 30% dos homens e mulheres acima de 65 anos, dos quais um terço é sintomático.

Em que pese o papel das lesões de caráter mecânico na degradação da cartilagem articular, o processo inflamatório tem grande importância nas bases fisiopatológicas da doença, desencadeando-a ou acelerando sua evolução. 4 A sequência exata de eventos patológicos permanece pouco compreendida, dificultando o consenso quanto à melhor abordagem terapêutica. Ainda não existe cura e os tratamentos oferecidos atuam na redução dos sintomas. 7

Recentemente, tratamentos orais de reposição de agentes nutracêuticos possuem recomendação científica fraca. Esse tratamento complementar se apoia no uso de nutrientes produzidos laboratorialmente para reforçar a cartilagem articular e, assim, retardar ou prevenir a evolução da doença. 6

Nesse contexto, destaca-se o colágeno hidrolisado, obtido a partir reação de hidrólise das fibras ou pó de colágeno bruto, sendo comprovadamente importante na manutenção e reconstituição da pele, ossos, cartilagem e matriz extracelular. Seguro e com efeitos adversos mínimos, sua composição de aminoácidos é rica em prolina, que se acumula preferencialmente na cartilagem e tem efeito condroprotetor. 6 Fatores como envelhecimento e má alimentação podem afetar a demanda de colágeno no corpo, contribuindo para o risco de disfunções ósseas e articulares e a eventual necessidade de suplementação alimentar. 5 7 8

Para além do colágeno, seus fragmentos peptídicos podem ser isolados através de hidrólise enzimática. 6 Os peptídeos de colágeno possuem propriedades bioativas e são capazes de direcionar a produção de proteínas específicas, eliminar radicais livres, prevenir a oxidação lipídica e atuar como quelantes para metais de transição. Desta forma, são utilizados como suplemento alimentar, sobretudo no combate ao envelhecimento da pele e na prevenção da osteoporose. 9

Há trabalhos que demonstram a função dos nutracêuticos, comparando o tempo de evolução e/ou prevenção da lesão condral (LC) entre dois grupos de pacientes com LC em joelho, o primeiro sendo submetido ao uso de ácido hialurônico por via oral e um programa de exercícios, e o segundo submetido apenas aos exercícios físicos. Após 1 ano de acompanhamento, foi observado um desfecho diferente para o primeiro grupo, com sintomatologia mais discreta e menor uso de analgésicos. 10 11 12

Assim, este trabalho avalia os efeitos do colágeno hidrolisado e do peptídeo de colágeno no tratamento da LC induzida na cartilagem articular de joelhos de ratos após 30 dias da lesão tecidual.

Método

Aspectos Éticos

A presente pesquisa seguiu os preceitos da a legislação nacional em vigor para a criação e uso de animais (Lei Federal n° 11.794, de 2008) e as normas do Colégio Brasileiro de Experimentação Animal. O anteprojeto de pesquisa foi submetido à aprovação pelo Comitê de Ética no Uso de Animais do Centro de Ciências Biológicas e da Saúde da Universidade do Estado do Pará (UEPA), protocolo n° 09/2019.

Tipo de Estudo

Este é um estudo experimental, no qual foram utilizados 18 Rattus norvegicus , da linhagem Wistar, machos, com peso de ± 240g, e 120 dias de idade, provenientes do biotério do Instituto Evandro Chagas. Os animais foram acondicionados em gaiolas plásticas e mantidos em ambiente controlados de temperatura, umidade, luminosidade e ruídos.

Os animais foram distribuídos em três grupos de6 animais cada: grupo controle (GC); grupo peptídeo de colágeno (GPC); e grupo colágeno hidrolisado (GCH). As doses dos medicamentos para cada grupo foram baseadas em trabalhos prévios publicados na literatura. 10 11 12 13

Procedimentos cirúrgicos

O dano articular foi induzido através do ligamento patelar por uma única infiltração intra-articular de solução contendo 2 mg de iodoacetato de sódio, em um volume total de 25 μL, na articulação do joelho direito dos ratos previamente anestesiados, com o joelho em flexão um ângulo de 90 graus, utilizando uma agulha de 26G X 3/8 de calibre.

Tratamento

A anestesia realizada nos animais para posterior infiltração no joelho foi feita por injeção intraperitoneal de cetamina e xilazina nas doses de 70mg/kg e 7mg/kg, respectivamente. 14 Nos casos em que foi necessária a utilização de reforço, este foi aplicado pela via intramuscular e a dose foi ¼ da dose inicial.

Após a indução da lesão articular, todos os animais receberam analgesia com tramadol na posologia de 2mg/Kg, via intraperitoneal e mantidos em gaiolas identificadas por grupos, com ração e água ad libitum, durante 30 dias.

No GC (n = 6): os animais soram submetidos à indução da LC, sem nenhum tratamento administrado.

No GPC (n = 6): os animais foram submetidos à indução da LC e ao tratamento com peptídeo de colágeno (0,16g/kg/dia) por gavagem.

No GCH (n = 6): os animais foram submetidos à indução da LC e ao tratamento com colágeno hidrolisado (0,14g/kg/dia) por gavagem.

O veículo utilizado para a diluição dos componentes do presente estudo foi água purificada. Os pesos dos ratos foram aferidos diariamente, para eventuais ajustes de doses.

Processamento Histológico

Os animais foram submetidos a eutanásia por superdosagem anestésica. O joelho direito foi dissecado da região coxofemoral até a região do tornozelo, deixando a cápsula articular intacta. As amostras foram fixadas em formol a 10% e submetidas a análise histopatológica. Os joelhos foram mantidos nesta solução por 1 dia e foram desmineralizados em ácido nítrico a 5% por 2 a 3 dias. Estes tecidos foram, então, inseridos em blocos de parafina e secções tibiais foram preparadas e foram empregadas as colorações com hematoxilina-eosina e corante tricômio de Masson.

Para a análise histopatológica, foi realizada a contagem de condrócitos por cluster nas camadas superficial e intermediária; e utilizada a classificação Osteoarthritis Cartilage Histopathology Assessment System (OARSI), no qual a profundidade da lesão é classificada em seis graus e a extensão da lesão na superfície articular, em quatro estágios, conforme exposto na Fig. 1 .

Fig. 1.

Fig. 1

Análise histopatológica. Grupo 1: normalidade da cartilagem articular. Grupo 2: descontinuidade da superfície articular. Grupo 3: formação de fissuras ou fendas na superfície articular. Grupo 4: presença de erosão na superfície da cartilagem articular. Grupo 5: desnudamento da cartilagem articular. Grupo 6: deformação do osso subcondral (reproduzido de Pritzker et al., 2006).

O estágio de LC foi determinado de acordo com a extensão da lesão sobre a cartilagem articular, conforme descrito na Tabela 1 .

Tabela 1. Estágios (extensão do envolvimento da cartilagem) de gradação de lesão, segundo Pritzker et al.

Estágio % de envolvimento (superfície, área, volume)
Estágio 0 Sem atividade
Estágio 1 < 10%
Estágio 2 10–25%
Estágio 3 25–50%
Estágio 4 > 50%

Após a obtenção dos grupos e estágios da lesão, estes dados foram cruzados em uma tabela para a gradação de um escore padronizado disponível na Tabela 2 .

Tabela 2. Escore de gradação histopatológica de lesão a partir do cruzamento entre graus e estágios da lesão (reproduzido de Pritzker et al., 2006).

Graus Estágios
E1 E2 E3 E4
G1 1 2 3 4
G2 2 4 6 8
G3 3 6 9 12
G4 4 8 12 16
G5 5 10 15 20
G6 6 12 18 24

Como teste de normalidade, foi utilizado o de Kolmogorov-Smirnov. Os dados obtidos no estudo foram submetidos à análise estatística por meio do teste Kruskall-Wallis e, à presença de diferença estatisticamente significativa, foi empregado o teste de Student-Newman-Keuls, adotando-se como nível de significância α = 0,05. Para tanto, foi utilizado o software BioEstat 5.4.

Foram utilizados os softwares Word 2016 (Microsoft Corp., Redmond, WA, EUA) para a confecção do texto do trabalho, Excel 2016 (Microsoft Corp., Redmond, WA, EUA) para a organização e confecção de tabelas e gráficos e PowerPoint 2016 (Microsoft Corp., Redmond, WA, EUA) para a confecção da apresentação de diapositivos.

Resultados

Os resultados obtidos a partir do sistema OARSI foram elencados na Tabela 3 . Inicialmente foi verificada a normalidade dos dados pelo Teste de Lilliefors demostrando uma distribuição não paramétrica, fazendo-se necessária a aplicação do Teste de Kruskal Wallis, em que se observou uma diferença estatisticamente relevante entre os grupos ( p  = 0,0008), confirmado com o teste de Student-Newman-Keuls.

Tabela 3. Gradação da osteoartrite de joelho dos ratos e seus respectivos grupos, estágios e escores.

Ratos Controle Colágeno hidrolisado Peptídeo de colágeno
Grupo Estágio Escore Grupo Estágio Escore Grupo Estágio Escore
R1 2 1 2 2 1 2 2 1 2
R2 4 1 4 1 1 1 1 1 1
R3 3 1 3 2 1 2 2 1 2
R4 2 2 4 1 1 1 2 1 2
R5 4 1 4 2 1 2 2 1 2
R6 2 2 4 2 1 2 2 1 2
Média 2,83 1,33 3,5 1,66 1 1,66 1,83 1 1,83

Segundo os critérios do OARSI, proposto por Pritzker et al., 15 nota-se correspondência entre os ratos de GC, GCH e GPC ( p  < 0,05) e diferença estatística entre CH e PC ( p  = 0,3632) ( Fig. 2 ).

Fig. 2.

Fig. 2

Gráfico estabelecendo correspondência entre os grupos de LC e os ratos de cada grupo ( p  < 0,05 para todos os grupos; p  = 0,3632 para GCH vs. GPC).

Ao observar os estágios de lesão, não foi observada significância estatística entre os grupos ( p  = 0,11) ( Fig. 3 ).

Fig. 3.

Fig. 3

Gráfico estabelecendo correspondência entre os estágios de LC dos ratos de cada grupo (GC, GCH e GPC) ( p  = 0,11).

Com relação aos escores, houve significância estatística na comparação de GCH e GPC ( p  < 0,05), em relação ao GC ( Fig. 4 ). Os escores dos grupos de colágeno hidrolisado e peptídeo de colágeno tiveram 1,66 e 1,83, respectivamente, e o GC teve escore de 3,5.

Fig. 4.

Fig. 4

Gráfico estabelecendo correspondência entre os escores de LC dos ratos de cada grupo (GC, GCH, e GPC) ( p  < 0,05).

A Tabela 4 apresenta o quantitativo de condrócitos por cluster nas camadas superficial e intermediária da cartilagem.

Tabela 4. Contagem de condrócitos por clusters nas zonas superficial e profunda da cartilagem.

Zona da cartilagem Grupo de controle GCH GPC
Superficial 12h 2 a 3 3 a 4 3 a 4
Intermediária 12h 4 a 5 4 a 5 4 a 5

Abreviações: CH, grupo colágeno hidrolisado; PC, grupo peptídeo de colágeno.

Discussão

A literatura sustenta o efeito benéfico da administração oral de colágeno hidrolisado na melhora de doenças articulares. Um estudo clínico, randomizado, duplo-cego demonstrou que a administração de 5 g de peptídeos de colágeno duas vezes ao dia em pacientes com LC de joelho promoveu redução estatisticamente significativa nos escores do Western Ontario McMaster Universities Osteoarthritis Index (WOMAC), questionário de qualidade de vida específico desses pacientes. 15

No presente estudo, houve melhora na gradação da lesão induzida em joelho, indicando que os compostos chegaram até os condrócitos com reconhecimento adequado pelas proteínas de superfície destas células. O acúmulo de colágeno hidrolisado nas articulações de camundongos já foi demonstrado na literatura; sua ação benéfica possivelmente está associada ao estímulo do metabolismo de condrócitos, por meio do qual a biossíntese de colágeno é ativada. 7

Em relação à contagem dos condrócitos em clusters nas camadas superficial e profunda da cartilagem articular, não houve diferença entre os grupos em estudo, à exceção do GC, cuja camada superficial apresentou diminuição na contagem. Este achado contrapõe a literatura, segundo a qual o padrão histológico clássico da cartilagem sob os efeitos da lesão articular inclui o aumento dos clusters celulares em tamanho e em número. 7 16 17 Uma possível justificativa reside no modelo experimental de indução de lesão utilizado. O fato de um agente externo causar o dano articular – não sendo intrínseco do balanço entre anabolismo e catabolismo da cartilagem – pode ter gerado a discrepância. Além disso, embora a apoptose em si seja também componente da resposta local à lesão, é possível que a diminuição da contagem esteja relacionada à apoptose, seja como fator indutor, seja como produto da degeneração osteoarticular.

Houve diferença estatisticamente significativa na classificação de grupos histológicos e escores de lesão ( p  < 0,05). O resultado sugere retardo do processo inflamatório inerente e estabilização da degradação da matriz extracelular associada ao aumento da síntese de seus componentes pelos condrócitos. Um estudo experimental em modelos de condrócitos bovinos e humanos afirma que o tratamento com colágeno hidrolisado inibiu a produção de mediadores inflamatórios (a exemplo, óxido nítrico e prostaglandina E-2), mesmo na presença de citocinas pró-inflamatórias (interleucina β-2); diminuiu a produção de metaloproteinases (degradantes da matriz extracelular) e diminuiu a expressão da enzima ciclo-oxigenase-2, sendo que a expressão destes resultados se deu de forma mais intensa nos condrócitos humanos. 18 19

Por outro lado, uma metanálise por Bakilan et al. 20 concluiu inexistir evidências de que o colágeno hidrolisado administrado por via oral possa diminuir a destruição da cartilagem. Destaca-se, no entanto, que foram considerados somente ensaios clínicos. Os próprios autores afirmam, no mesmo trabalho, que o colágeno tipo II oral é um novo tratamento com o potencial de prevenir destruição articular, dor e perda de função, necessitando de estudos mais robustos. 18 21 22

Não houve diferença entre os resultados apresentados pelo tratamento do GCH e do GPC, em conformidade com as conclusões de Kumar et al., 23 em um ensaio clínico randomizado. Afirma-se, portanto, que apesar da origem dos peptídeos de colágeno, a eficácia permanece a mesma para os experimentos deste estudo.

Em humanos, a redução da dor indiretamente indica a melhora nas condições das articulações dos pacientes com LC em joelho, podendo estar associada com o início de processo de reparo por acumulação de peptídeo de colágeno no tecido cartilaginoso. O colágeno acumulado ajuda a manter a estrutura e função da cartilagem. 24

No que diz respeito ao estágio (extensão) da lesão, não houve diferença estatisticamente significante entre os grupos. De fato, mesmo entre os espécimes do GC, prevaleceu o estágio 1 de lesão. Este resultado pode ser interpretado em associação com achados de Spahn et al., 24 ao evidenciarem, em estudo no qual se analisou defeitos da LC em joelhos humanos com espectroscopia e histopatologia, que a cartilagem circunjacente ao defeito observado, bem como do restante da articulação, já havia sido alterada mesmo com uma aparência intacta. Assim, embora sem alteração em extensão histologicamente considerável, toda a articulação é comprometida pela degeneração. 20

Em estudos pré-clínicos, 24% dos pacientes com lesão articular que receberam de 5 a 7 g de colágeno hidrolisado por via oral tiveram melhora substancial com total ausência de dor e 44% indicaram melhoria notável. 11 Apesar dos resultados interessantes e sem a descrição de efeitos colaterais, não foi relatada nenhuma análise estatística no trabalho. 11 Foram encontradas poucas descrições de efeitos colaterais em humanos quando utilizadas doses acima de 10 g/dia, sendo que as mais encontradas foram cefaleia e distúrbios gastrointestinais leves, não contraindicando uso quando presentes.

Não é possível concluir se o efeito da administração oral de colágeno é eficaz para os casos em que há maior desgaste da superfície articular. Porém, pesquisas pré-clínicas apontam que os efeitos da suplementação de colágeno na melhora da lesão articular são dose e tempo-dependentes. Em face disto, futuras investigações podem contribuir para a elucidação destes dados, com maior tempo de tratamento sendo empregado para que a evolução da doença a longo prazo, com as intervenções terapêuticas em questão, seja avaliada objetivamente.

Conclusão

O tratamento proposto da LC induzida com uso de colágeno hidrolisado e peptídeos de colágeno por via oral mostrou-se eficaz, com estabilização ou regressão da lesão apresentada em ratos, merecendo novas pesquisas experimentais com o intuito de compreender e melhorar o desfecho primário deste trabalho.


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