Obnova sklepnega hrustanca in rastni dejavniki v patogenezi osteoartritisa

Zahvaljujoč napredku biotehnologije, zlasti tehnologije kloniranja, se je v zadnjem času intenzivno razširil seznam rastnih faktorjev, ki kot anabolični faktorji igrajo pomembno, a ne povsem razumljeno vlogo pri patogenezi osteoartritisa.

Prva skupina rastnih faktorjev, o katerih bomo razpravljali v nadaljevanju, so IGF-ji. Najdemo jih v velikih količinah v krvnem serumu in imajo številne skupne lastnosti z insulinom. IGF-2 je bolj značilen za embrionalno fazo razvoja, medtem ko je IGF-1 prevladujoči predstavnik skupine pri odraslih. Oba predstavnika te skupine delujeta tako, da se vežeta na receptorje IGF tipa I. Čeprav funkcija IGF-2 ostaja neznana, je pomen IGF-1 že določen – sposoben je spodbuditi sintezo proteoglikanov s strani hondrocitov in znatno zavirati katabolne procese v sklepnem hrustancu. IGF-1 je glavni anabolični spodbujevalec za sintezo proteoglikanov s strani hondrocitov, prisotnih v krvnem serumu in sinovialni tekočini. IGF-1 je pomemben dejavnik za gojenje hondrocitov v eksperimentalnih modelih osteoartroze in vitro. Domneva se, da IGF-1 vstopa v sinovialno tekočino iz krvne plazme. Poleg tega normalni hondrociti proizvajajo oba faktorja – izražanje IGF-1 in IGF-2 je bilo ugotovljeno v sinovialni membrani in hrustancu bolnikov z osteoartrozo. V normalnem hrustancu IGF-1 nima mitogenih lastnosti, vendar je sposoben spodbujati proliferacijo celic v poškodovanem matriksu, kar kaže na sodelovanje v reparativnih procesih.

Biološko aktivne snovi, ki spodbujajo obnovo in zavirajo razgradnjo sklepnega hrustanca

• Inzulin
• Gama interferon
• Somatotropni hormon, androgeni
• Somatomedini (IPF-1 in -2)
• TGF-beta (faktor rasti tkiva)
• Rastni faktor, pridobljen iz trombocitov
• Osnovni rastni faktor fibroblastov
• EFR
• Antagonist receptorja IL-1
• TNF-α-vezavne beljakovine
• Tkivni zaviralci metaloproteinaz
• a2 makroglobulin
• ai-antitripsin
• RG-makroglobulin
• Rg-antihimotripsin

Delovanje IGF-1 in IGF-2 nadzirajo različni proteini, ki vežejo IGF (IGF-BP), ki jih prav tako proizvajajo hondrociti. IGF-BP lahko deluje kot nosilec in ima tudi aktivnost blokiranja IGF. Celice, izolirane iz sklepnega hrustanca bolnikov z osteoartrozo, proizvajajo prekomerne količine IGF-BP, kar kaže na to, da blokirajo učinke IGF. J. Martel-Pelletier in sod. (1998) so pokazali, da se hondrociti, čeprav se sinteza IGF-1 v hrustancu pri osteoartrozi poveča, na stimulacijo z IGF-1 odzivajo šibko. Izkazalo se je, da je ta pojav (vsaj delno) povezan s povečanjem ravni IGF-BP. IGF-BP ima visoko afiniteto za IGF in je pomemben biomodulator njegove aktivnosti. Do danes je bilo preučenih sedem vrst IGF-BP, disregulacija IGF-BP-3 in IGF-BP-4 pa ima pomembno vlogo pri osteoartritisu.

Druga kategorija rastnih faktorjev, ki kažejo različne učinke na hondrocite, vključuje rastni faktor, pridobljen iz trombocitov (PDGF), FGF in TGF-beta. Teh faktorjev ne proizvajajo le hondrociti, temveč tudi aktivirani sinovociti. FGF ima tako anabolične kot katabolne lastnosti, odvisno od koncentracije in stanja sklepnega hrustanca. PDGF sodeluje pri vzdrževanju homeostaze zunajcelične mase sklepnega hrustanca, ne da bi imel očitne mitogene lastnosti. Znano je, da ta rastni faktor povečuje sintezo proteoglikanov in zmanjšuje njihovo razgradnjo.

TGF-beta je še posebej zanimiv zaradi svoje vloge v patogenezi osteoartritisa. Je član velike superdružine TGF in si deli funkcionalne in signalne lastnosti z nedavno odkritimi rastnimi faktorji BMP (kostna morfogenetska beljakovina).

TGF-beta je pleiotropni faktor: po eni strani ima imunosupresivne lastnosti, po drugi strani pa je kemotaktični faktor in močan stimulator proliferacije fibroblastov. Edinstvene lastnosti TGF-beta so sposobnost zaviranja sproščanja encimov iz različnih celic in znatno povečanje proizvodnje encimskih inhibitorjev (na primer TIMP). TGF-beta velja za pomemben regulator poškodb tkiva zaradi vnetja. Tako TGF-beta v sklepnem hrustančnem tkivu pomembno spodbuja proizvodnjo matriksa s strani hondrocitov, zlasti po predhodni izpostavljenosti temu faktorju. Normalni hrustanec je neobčutljiv na TGF-beta. Pri bolnikih z osteoartritisom TGF-β spodbuja proizvodnjo agrekana in majhnih proteoglikanov v sklepnem hrustancu.

TGF-beta proizvajajo številne celice, zlasti hondrociti. Sprošča se v latentni obliki, vezan na posebno beljakovino, imenovano latentno povezana beljakovina (LAP). Disociacijo iz te beljakovine dosežejo proteaze, ki se v velikih količinah proizvajajo v vnetih tkivih. Poleg TGF-beta, ki ga proizvajajo aktivirane celice, so zaloge latentne oblike tega faktorja pomemben element reaktivnosti TGF-beta v tkivu po lokalni poškodbi. TGF-beta je prisoten v znatnih količinah v sinovialni tekočini, sinovialni membrani in hrustancu sklepa, ki ga je prizadela osteoartroza. Na območjih poškodovanega tkiva z vnetnimi infiltrati je zaznana sočasna ekspresija TNF in IL-1, medtem ko je na območjih s fibrozo zaznana le ekspresija TGF-beta.

Inkubacija gojenih hondrocitov bolnikov z osteoartritisom s TGF-beta povzroči znatno povečanje sinteze proteoglikanov v teh celicah. Stimulacija normalnih hondrocitov s TGF-beta povzroči povečanje sinteze proteoglikanov šele po več dneh inkubacije. Morda je ta čas potreben, da se celični fenotip pod vplivom TGF-beta spremeni (na primer za spremembo tako imenovane kompartmentalizacije proteoglikanov: novo nastali proteoglikani so lokalizirani le okoli hondrocitov).

Znano je, da je aktivacija sinteze rastnih faktorjev, zlasti TGF-beta, pomemben člen v patogenezi ledvične in jetrne fibroze ter nastajanja brazgotin med celjenjem ran. Povečana obremenitev hondrocitov in vitro vodi do hiperprodukcije TGF-beta, medtem ko lahko zmanjšano sintezo proteoglikanov po imobilizaciji okončin izravna TGF-beta. TGF-beta povzroča nastanek osteofitov v marginalnem območju sklepov kot mehanizem prilagajanja na spremembe obremenitve. IL-1, ki povzroča zmeren vnetni proces v sinovialni ovojnici kot odziv na poškodbo sklepa, spodbuja nastanek hondrocitov s spremenjenim fenotipom, ki jih proizvajajo v prekomerni količini.

Ponavljajoče se lokalne injekcije rekombinantnega TGF-beta v visokih koncentracijah so pri miših C57B1 privedle do razvoja osteoartritisa – nastanka osteofitov, kar je značilno za človeško osteoartritis, in znatne izgube proteoglikanov v območju "valovitega roba".

Da bi razumeli, kako presežek TGF-beta povzroča znane spremembe v hrustancu, je treba opozoriti, da izpostavljenost TGF-β povzroči značilen fenotip hondrocitov s spremembo podrazreda sintetiziranih proteoglikanov in motnjo normalne integracije elementov zunajcelične matrike (ECM). Tako IGF-1 kot TGF-beta spodbujata sintezo proteoglikanov s strani hondrocitov, gojenih v alginatu, vendar slednji povzroči tudi tako imenovano kompartmentalizacijo proteoglikanov. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da TGF-beta poveča raven kolagenaze-3 (MMP-13) v aktiviranih hondrocitih, kar je v nasprotju s splošno predstavo o TGF-beta kot dejavniku, ki, nasprotno, zmanjšuje sproščanje destruktivnih proteaz. Vendar ni znano, ali je sinteza MMP-13, ki jo povzroča TGF-beta, vključena v patogenezo osteoartritisa (OA). TGF-beta ne le spodbuja sintezo proteoglikanov, temveč tudi spodbuja njihovo odlaganje v vezi in tetive, kar poveča togost in zmanjša obseg gibanja v sklepih.

BMP so člani superdružine TGF-beta. Nekateri od njih (BMP-2, BMP-7 in BMP-9) imajo lastnost spodbujanja sinteze proteoglikanov s strani hondrocitov. BMP svoje učinke izvajajo z vezavo na specifične receptorje na površini celic; signalne poti TGF-beta in BMP se nekoliko razlikujejo. Tako kot TGF-beta tudi BMP signalizirajo prek kompleksa receptorjev serin/treonin kinaze tipa I in II. V tem kompleksu se receptor tipa II transfosforilira in aktivira receptor tipa I, ki prenaša signal signalnim molekulam, imenovanim Smad. Po prejemu signala se Smad hitro fosforilirajo. Trenutno je znano, da se v signalni poti BMP fosforilirajo Smad-1, -5 in -8, v signalni poti TGF-beta pa se fosforilirata Smad-2 in Smad-3. Nato se imenovani Smad-i povežejo s Smad-4, ki je skupen signalnim potem vseh članov superdružine TGF-beta. To dejstvo pojasnjuje prisotnost navzkrižnih funkcij pri članih superdružine TGF-beta, kot tudi pojav medsebojne inhibicije signalnih poti TGF-beta in BMP s tekmovanjem za skupne komponente. Pred kratkim je bil identificiran še en razred proteinov Smad, ki ga predstavljata Smad-6 in -7. Ti molekuli delujeta kot regulatorji signalnih poti TGF-beta in BMP.

Kljub temu, da je stimulativni učinek CMP na sintezo proteoglikanov znan že dolgo časa, ostaja njihova vloga pri uravnavanju delovanja sklepnega hrustanca sporna zaradi znane sposobnosti CMP, da povzroči dediferenciacijo celic, spodbudi kalcifikacijo in tvorbo kostnega tkiva. M. Enomoto-Iwamoto in sod. (1998) so pokazali, da je interakcija CMP z receptorjem CMP tipa II potrebna za ohranjanje diferenciranega fenotipa hondrocitov, pa tudi za nadzor njihove proliferacije in hipertrofije. Po LZ Sailorju in sod. (1996) CMP-2 ohranja fenotip hondrocitov v kulturi 4 tedne, ne da bi pri tem povzročil njihovo hipertrofijo. CMP-7 (identičen osteogenemu proteinu-1) dolgo časa ohranja fenotip zrelih hondrocitov sklepnega hrustanca, gojenih v alginatu.

Vnos KMP-2 in -9 v kolenske sklepe miši je povečal sintezo proteoglikanov za 300 %, kar je bistveno več kot pri TGF-beta. Vendar je bil stimulativni učinek začasen in po nekaj dneh se je raven sinteze vrnila na začetno raven. TGF-beta je povzročil dolgotrajnejšo stimulacijo sinteze proteoglikanov, kar je verjetno posledica avtoindukcije TGF-beta in senzibilizacije hondrocitov na ta dejavnik.

TGF-beta je odgovoren za nastanek hondrofitov, kar lahko štejemo za neželen učinek njegovega delovanja, KMP-2 prav tako spodbuja nastanek hondrofitov, vendar na drugem področju sklepnega roba (predvsem na področju rastne plošče).

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ]

Morfogenetske beljakovine hrustanca

Hrustančne morfogenetske beljakovine (CMP-1 in -2) so drugi člani superdružine TGF-beta, ki so bistvene za tvorbo hrustančnega tkiva med razvojem okončin. Mutacije v genu CMP-1 povzročajo hondrodisplazijo. CMP imajo lahko bolj selektiven profil, ki cilja na hrustanec. Čeprav lahko TGF-beta in CMP stimulirata hondrocite, lahko delujeta tudi na številne druge celice, zato je njihova uporaba za obnovo hrustanca lahko povezana s stranskimi učinki. Obe vrsti CMP se nahajata v hrustancu zdravih in osteoartritičnih sklepov ter spodbujata obnovo zunajcelične mase sklepnega hrustanca po encimski razgradnji, s čimer ohranjata normalen fenotip.

[ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ], [ 16 ], [ 17 ]

Sinergija rastnih faktorjev

Rastni faktor je sposoben inducirati samega sebe, tako kot drugi rastni faktorji, ta interakcija pa je fino regulirana. Na primer, FGF skupaj z drugimi rastnimi faktorji zagotavlja učinkovitejšo obnovo sklepnega hrustanca po travmatični okvari. IGF-1 skupaj s TGF-beta pomembno inducira normalen fenotip hondrocitov pri gojenju in vitro. Dokazano je bilo, da TGF-beta preprečuje nastajanje IGF-1 in IGF-BP ter defosforilira receptor IGF-1 in stimulira vezavo IGF-1. V intaktnem mišjem hrustancu so ugotovili pojav sinergizma IGF-1 s številnimi rastnimi faktorji. Vendar pa šibkega odziva hondrocitov na IGF-1 ni mogoče izravnati z uporabo v kombinaciji z drugimi rastnimi faktorji.

Interakcija anaboličnih in destruktivnih citokinov

Rastni faktorji kažejo kompleksne interakcije z IL-1. Na primer, predhodna izpostavljenost hondrocitov FGF poveča sproščanje proteaze po izpostavljenosti IL-1, verjetno zaradi povečane ekspresije receptorja IL-1. PDGF prav tako spodbuja sproščanje proteaze, odvisno od IL-1, vendar zmanjša zaviranje sinteze proteoglikanov, ki ga posreduje IL-1. To lahko kaže, da lahko nekateri rastni faktorji hkrati spodbujajo obnovo hrustanca in spodbujajo njegovo uničenje. Drugi rastni faktorji, kot sta IGF-1 in TGF-β, spodbujajo sintezo sklepnega matriksa in zavirajo uničenje sklepnega hrustanca, ki ga posreduje IL-1, kar kaže, da je njihova aktivnost povezana le s popravilom tkiva. Ta interakcija je neodvisna od predhodne izpostavljenosti hondrocitov IL-1. Zanimivo je, da je kinetika učinkov IL-1 in TGF-beta lahko različna: sposobnost TGF-beta za zaviranje razgradnje sklepnega hrustanca je oslabljena zaradi njegovega počasnega delovanja na mRNA TIMP. Po drugi strani pa opazimo povečanje ravni hNOC in NO v odsotnosti TGF-beta. Glede na odvisnost zaviralnega učinka IL-1 na sintezo proteoglikanov s strani hondrocitov od NO, bi to lahko pojasnilo, zakaj opažamo bistveno močnejše protiučinek TGF-beta na IL-1-odvisno inhibicijo sinteze proteoglikanov v primerjavi z razgradnjo proteoglikanov in vivo.

V študiji na miših, ki so jim intraartikularno injicirali IL-1 in rastne faktorje, je bilo dokazano, da TGF-beta pomembno preprečuje zaviranje sinteze proteoglikanov v sklepnem hrustancu, ki ga povzroča IL-1, medtem ko CMP-2 ni sposoben takšnega zaviranja: njegov stimulacijski potencial je bil popolnoma zavrt z IL-1 tudi pri visokih koncentracijah CMP-2. Omeniti velja, da je CMP-2 v odsotnosti IL-1 veliko bolj intenzivno stimuliral sintezo proteoglikanov kot TGF-beta.

Poleg učinka na sintezo proteoglikanov TGF-beta pomembno vpliva tudi na zmanjšanje vsebnosti proteoglikanov v hrustancu, ki ga povzroča IL-1. Možno je, da se vsebnost proteoglikanov zmanjša ali poveča, odvisno od relativne koncentracije IL-1 in TGF-beta. Zanimivo je, da je bilo zgoraj opisano protiučinek IL-1 in TGF-beta opaženo v debelini hrustanca, vendar tega pojava niso opazili v bližini hondrofitov na robovih sklepnih površin. Nastanek hondrofitov povzroča TGF-β, ki vpliva na hondrogene celice v periosteumu, kar povzroči razvoj hondroblastov in odlaganje proteoglikanov. Očitno ti hondroblasti niso občutljivi na IL-1.

HL Glansbeek in sodelavci (1998) so preučevali sposobnost TGF-beta in KMP-2 za preprečevanje zaviranja sinteze proteoglikanov v sklepih miši z artritisom, ki ga povzroča zimosan (tj. v modelu "čistega" vnetja, ki ga povzroča IL-1). Intraartikularna aplikacija TGF-beta je pomembno preprečila zaviranje sinteze proteoglikanov, ki ga povzroča vnetje, medtem ko KMP-2 praktično ni mogel preprečiti tega procesa, odvisnega od IL-1. Ponavljajoče se injekcije TGF-β v kolenski sklep preučevanih živali so pomembno spodbudile sintezo proteoglikanov s strani hondrocitov, prispevale k ohranitvi obstoječih proteoglikanov v hrustancu, ki ga je osiromašilo vnetje, vendar niso zavrle vnetnega procesa.

Pri preučevanju proteoglikansko-sintetizirajoče funkcije hondrocitov z uporabo eksperimentalnih modelov osteoartroze pri živalih je bilo v zgodnjih fazah osteoartroze vedno opaženo povečanje vsebnosti in stimulacija sinteze proteoglikanov, v nasprotju z vnetnimi modeli, pri katerih opazimo znatno zaviranje sinteze (proces, odvisen od IL-1). Povečana aktivnost anaboličnih dejavnikov, zlasti rastnih faktorjev, ki jo opazimo pri osteoartrozi, nevtralizira učinek zaviralnih citokinov, kot je IL-1. Med rastnimi faktorji je največji pomen TGF-beta; KMP-2 verjetno ne igra pomembne vloge v tem procesu. Čeprav IGF-1 lahko in vitro stimulira sintezo proteoglikanov, te lastnosti in vivo pri lokalni uporabi IGF-1 ne opazimo. To je lahko posledica dejstva, da je endogena raven tega rastnega faktorja optimalna. V kasnejših fazah osteoartritisa se pojavijo znaki zaviranja sinteze proteoglikanov, kar je verjetno povezano z dominantnim delovanjem IL-1 in nezmožnostjo rastnih faktorjev, da bi ga preprečili zaradi zmanjšane aktivnosti.

Analiza izražanja rastnih faktorjev pri miših STR/ORT s spontano osteoartritisom je pokazala povečane ravni mRNA TGF-β in IL-1 v poškodovanem hrustancu. Treba je opozoriti, da je aktivacija TGF-β iz latentne oblike pomemben element obnavljanja tkiva. Razumevanje vloge TGF-β otežujejo rezultati študije izražanja receptorjev TGF-β tipa II pri kuncih z ACL. Takoj po indukciji osteoartritisa so bile zaznane znižane ravni teh receptorjev, kar kaže na nezadostno signalizacijo TGF-β. Zanimivo je, da so miši s pomanjkanjem receptorjev TGF-β tipa 11 kazale znake spontane osteoartritisa, kar kaže tudi na pomembno vlogo signalizacije TGF-β pri poslabšanju obnavljanja hrustanca in razvoju osteoartritisa.

Absolutna vsebnost rastnih faktorjev v sklepih bolnikov z revmatoidnim artritisom ali osteoartrozo lahko kaže na njihovo možno vlogo pri patogenezi teh bolezni. Kljub temu, da so v sklepih z osteoartrozo in revmatoidnim artritisom prisotne visoke koncentracije rastnih faktorjev, je narava procesov razgradnje in reparacije pri obeh boleznih popolnoma različna. Verjetno obstajajo še drugi, še neidentificirani dejavniki, ki igrajo pomembno vlogo pri patogenezi teh bolezni, ali pa drugi vidiki preučevanih pojavov določajo potek procesov razgradnje in reparacije v sklepnih tkivih (na primer izražanje določenih receptorjev na površini hondrocitov, topnih receptorjev, ki vežejo beljakovine, ali neravnovesja anaboličnih in destruktivnih dejavnikov).