Патофизиолошко јединство развоја остеопорозе и васкуларне атеросклерозе

У структури морталитета становништва развијених земаља водеће место заузимају болести система циркулације. Кардиоваскуларне болести (артеријска хипертензија, исхемијска болест срца, инфаркт миокарда), које се заснивају на атеросклерози, с правом се називају епидемијом 21. века.

Према подацима СЗО, преко 17 милиона људи годишње у свету умре од кардиоваскуларних болести, а до 2015. године број смртних случајева ће порасти на 20 милиона. Уз то, један од водећих узрока функционалне инсуфицијенције и губитка радне способности код одрасле популације је остеопороза (ОП) - најпознатија и најчешћа болест скелетног система у свету са преваленцијом повезаном са старењем. Остеопороза је мултифакторска полигена болест скелета, која је најчешћи облик метаболичке остеопатије. Болест карактерише губитак коштане масе, поремећај њихове микроархитектуре (уништавање трабекула), смањење чврстоће и прати је висок ризик од прелома.

Управо преломи, од којих су најтежи преломи врата бутне кости и радијуса у доњој трећини подлактице, одређују медицински и медицинско-социјални значај болести, укључујући повећану смртност и значајне економске губитке повезане са њима. Посебност остеопорозе је у томе што ова болест углавном погађа старије и старије особе. Значајан пораст инциденце остеопорозе, примећен од друге половине 20. века, природно одражава демографске промене које се дешавају у популацији и манифестују се старењем становништва у свим индустријализованим земљама света. Бројне епидемиолошке студије спроведене у последње време у свету и Европи указују на позитивну корелацију између кардиоваскуларних болести и патологија скелетног система. Истовремено, многи аутори повезују остеопорозу са прогресијом атеросклерозе, укључујући калцификацију зидова крвних судова. Код жена са остеопоротичним преломима примећен је пораст инциденце калцификације аорте и коронарне артерије, чија је тежина била у корелацији са смањењем минералне густине костију (БМД).

Студије СО Сонга и сарадника откриле су везу између смањења БМД кичме и проксималног фемура и повећања садржаја калцијума у коронарним артеријама према компјутеризованој томографији електронским снопом. М. Нејвс и сарадници су открили да је код жена са постменопаузалном остеопорозом смањење БМД за једну стандардну девијацију од вршне коштане масе повезано са повећаним ризиком од укупне смртности за 43% и преране смрти од кардиоваскуларне патологије. Друге студије су такође откриле да пацијенти са смањењем БМД имају већу вероватноћу повећања концентрације липида у крви, развоја теже коронарне атеросклерозе и значајног повећања ризика од можданог удара и инфаркта миокарда. Приказани подаци указују на то да повећање инциденце остеопорозе, ектопичне калцификације и атеросклерозе код истих пацијената има заједничку патогенетску основу. Концепт да су кардиоваскуларне болести и остеопороза повезане путем маркера који истовремено утичу на васкуларне и коштане ћелије потврђен је опсежним експерименталним студијама.

Кандидат за улогу таквог маркера је недавно идентификовани протеин остеопротегерин (OPG), који припада породици рецептора фактора некрозе тумора и део је цитокинског система RANKL-RANK-OPG.

[ 1 ], [ 2 ]

Ремоделирање костију и улога система ранк-ранк-опг

Остеопороза је болест заснована на процесима поремећаја ремоделирања костију са повећаном ресорпцијом костију и смањеном синтезом костију. Оба процеса формирања коштаног ткива су уско повезана и резултат су ћелијске интеракције остеобласта (ОБ) и остеокласта (ОК), који потичу од прекурсора различитих ћелијских линија: остеобласти - од мезенхималних матичних ћелија, остеокласти - од макрофагно-моноцитних ћелија коштане сржи. Остеобласти су мононуклеарне ћелије укључене у процес формирања костију и минерализације ћелија коштаног матрикса. Остеобласти играју фундаменталну улогу у модулацији ремоделирања костију и регулисању метаболичке активности других ћелија коштаног ткива. Они луче низ биолошки активних супстанци, путем којих утичу на процес сазревања ћелије прекурсора остеокласта, трансформишући је у велику вишеједарну ћелију способну да учествује у ресорпцији, тј. апсорпцији коштаног ткива, делујући само на минерализовану кост, без промене стварне матрице коштаног ткива.

Сазревање и диференцијација остеобласта се одвијају под утицајем различитих специфичних фактора који утичу на процес транскрипције, од којих је најважнији протеин Cbfal (језгро-везујући фактор уља; такође познат као runt related transkription factor 2; RUNX2). Код мишева са недостатком Cbfal/RUNX2, примећује се значајно успоравање процеса формирања костију, а сазревање OB ћелија се не примећује. Насупрот томе, примена рекомбинантног Cbfal животињама изазива експресију гена својствених остеобластима у неостеогеним ћелијама. Значајна улога коју Cbfal/RUNX2 игра у диференцијацији и сазревању остеобласта такође се манифестује у способности протеина да регулише функцију многих гена укључених у синтезу протеина коштаног ткива: колагена типа 1, остеопонтина (OPN), остеокалцина и сијалопротеина. На раст и функционални капацитет OB такође утичу паракрини и/или аутокрини фактори који регулишу активност интрануклеарних транскрипционих процеса, синтезу OPN и остеокалцина. То укључује низ фактора раста ћелија, модулаторе цитокина и хормонске биолошки активне супстанце. Претпоставка да су активација и регулација ремоделирања коштаног ткива последица интеракције остеобласта и остеокласта потврђена је у бројним истраживачким студијама. Значајан напредак у разумевању процеса ремоделирања костију постигнут је открићем цитокина RANKL-RANK-OPG система, који игра кључну улогу у формирању, диференцијацији и активности остеокласта. Откриће овог система постало је камен темељац за разумевање патогенезе остеопорозе, остеокластогенезе и регулације ресорпције костију, као и других процеса укључених у локално ремоделирање костију. Регулацију остеокластогенезе спроводе углавном два цитокина: лиганд рецептора активатора нуклеарног фактора капа-Б (RANKL) и OPG на позадини пермисивног дејства фактора који стимулише колоније макрофага (M-CSF).

RANKL је гликопротеин који производе остеобластне ћелије, активирани Т лимфоцити, који припада суперфамилији лиганда фактора некрозе тумора (TNF) и главни је стимулус за сазревање остеокласта. Молекуларна основа међућелијских интеракција које укључују RANKL-RANK-OPG систем може се представити на следећи начин: RANKL експресован на површини остеобласта везује се за RANK рецептор који се налази на мембранама ћелија прекурсора остеокласта и индукује процес диференцијације и активације остеокласта. Истовремено, коштана срж и матичне ћелије OB ослобађају M-CSF. Овај полипептидни фактор раста, интерагујући са својим трансмембранским рецептором високог афинитета (c-fms), активира интрацелуларну тирозин киназу, стимулишући пролиферацију и диференцијацију ћелија прекурсора остеокласта. Пролиферативна активност M-CSF значајно се повећава када је OB изложен паратироидном хормону, витамину D3, интерлеукину 1 (IL-1), TNF-у и, обрнуто, смањује се под утицајем естрогена и OPG-а. Естрогени, у интеракцији са интрацелуларним ОБ рецепторима, повећавају пролиферативну и функционалну активност ћелије, истовремено смањујући функцију остеокласта, стимулишући производњу ОПГ од стране остеобласта. ОПГ је растворљиви рецептор за РАНКЛ, који синтетишу и ослобађају остеобластне ћелије, као и стромалне ћелије, васкуларне ендотелне ћелије и Б лимфоцити. ОПГ делује као ендогени рецептор мамац за РАНКЛ, блокирајући његову интеракцију са сопственим рецептором (РАНК), и тиме инхибира формирање зрелих вишеједарних остеокластних ћелија, реметећи процес остеокластогенезе, смањујући активност ресорпције коштаног ткива. Синтетисан и ослобађан од стране ОБ ћелија, РАНКЛ је специфичан фактор неопходан за развој и функционисање ОЦ. РАНКЛ интерагује са својим тропским рецептором РАНК на мембрани ћелије прекурсора ОЦ (заједнички прекурсор за остеокласте и моноците/макрофаге), што доводи до интрацелуларних каскадних геномских трансформација. RANK утиче на нуклеарни фактор капа-Б (NF-kB) преко протеина TRAF6 повезаног са рецептором, који активира и транслоцира NF-kB из цитоплазме у ћелијско једро.

Акумулација активираног NF-kB повећава експресију NFATcl протеина, који је специфичан окидач који покреће процес транскрипције интрацелуларних гена који формирају процес остеокластогенезе. Диференцирани остеокласт заузима одређени положај на површини кости и развија специјализовани цитоскелет који му омогућава да створи изоловану ресорпциону шупљину, микроокружење између остеокласта и кости. Мембрана OC окренута ка шупљини коју формира ћелија формира много набора, добија валовити изглед, што значајно повећава површину ресорпције. Микроокружење створене ресорпционе шупљине се закисељава електрогеним пумпањем протона у њу. Интрацелуларни pH OC се одржава учешћем карбоанхидразе II кроз размену HCO3/Cl јона кроз антиресорптивну мембрану ћелије. Јонизовани хлор продире у ресорпциону микрошупљину кроз анјонске канале валовите ресорпционе мембране, што резултира тиме да pH у шупљини достиже 4,2-4,5. Кисела средина ствара услове за мобилизацију минералне фазе костију и формира оптималне услове за разградњу органског матрикса коштаног ткива уз учешће катепсина К, ензима који синтетишу и ослобађају у ресорпциону шупљину „киселински везикули“ ОК. Повећана експресија RANKL директно доводи до активације ресорпције костију и смањења БМД скелета. Увођење рекомбинантног RANKL довело је до развоја хиперкалцемије до краја првог дана, а до краја трећег - до значајног губитка коштане масе и смањења БМД. Равнотежа између RANKL и OPG заправо одређује количину ресорбоване кости и степен промене БМД. Експерименти на животињама су показали да повећана експресија OPG код мишева доводи до повећања коштане масе, остеопетрозе, а карактерише се смањењем броја и активности остеокласта. Насупрот томе, када је OPG ген искључен, примећује се смањење БМД, значајно повећање броја зрелих, вишеједарних остеокласта, смањење густине костију и појава спонтаних прелома пршљенова.

Субкутана примена рекомбинантног OPG мишевима у дози од 4 мг/кг/дан током недељу дана обновила је индексе БМД. У моделу адјувантног артритиса код пацова, примена OPG (2,5 и 10 мг/кг/дан) током 9 дана у почетној фази патолошког процеса блокирала је RANKL функцију и спречила губитак масе коштаног и хрскавичног ткива. Експерименти указују да се функција OPG углавном састоји у смањењу или значајном „искључивању“ ефеката изазваних RANKL. Тренутно је постало очигледно да је одржавање односа између RANKL и OPG важан услов за одржавање равнотеже између ресорпције и формирања костију. Коњугација ова два процеса, релативне концентрације RANKL и OPG у коштаном ткиву одређују главне детерминанте коштане масе и чврстоће. Од открића RANKL-RAMK-OPG система као коначног пута за формирање и диференцијацију остеокласта, многи истраживачи су потврдили водећу улогу овог ћелијског и молекуларног механизма у патогенези остеопорозе.

Улога цитокинског система rankl-rank-opg у процесу васкуларне калцификације

Претпоставка о постојању заједничке патогенетске основе за остеопорозу и атеросклерозу, извесна сличност између механизама развоја остеопорозе и васкуларне калцификације, потврђена је многим експерименталним и клиничким запажањима. Доказано је да коштано и васкуларно ткиво имају многа идентична својства како на ћелијском, тако и на молекуларном нивоу. Коштано ткиво и коштана срж садрже ендотелне ћелије, преостеобласте и остеокласте - деривате моноцита, док су сви они такође нормалне компоненте ћелијских популација васкуларног зида. И коштано ткиво и зид артеријских судова у условима атеросклеротског процеса садрже ОПН, остеокалцин, морфогенетски коштани протеин, матриксни Gla-протеин, колаген тип I и матриксне везикуле. У патогенези атеросклерозе и ОП, моноцити су укључени са диференцијацијом у макрофаге са пенастом цитоплазмом унутар васкуларног зида и у остеокласте у коштаном ткиву. У васкуларном зиду постоје ћелијски елементи који се диференцирају у остеобласте у складу са фазама формирања коштаног ОБ, производећи минералну компоненту кости.

Од фундаменталног значаја је чињеница да RANKL-RANK-OPG цитокински систем, покрећући остеобластогенезу и остеокластогенезу у коштаном ткиву, индукује, између осталог, диференцијацију остеобласта и остеокарцинома крвних судова, као и процес минерализације зидова крвних судова. Међу компонентама овог система, које директно указују на постојање везе између остеопорозе и атеросклерозе, OPG привлачи највећу пажњу истраживача. Познато је да OPG експресују не само ћелије коштаног ткива, већ и кардиоваскуларне ћелије: миокардиоцити, ћелије глатких мишића артерија и вена и ћелије васкуларног ендотела. OPG је модулатор васкуларне калцификације, што је потврђено у експерименталном раду С. Моропуа и др., спроведеном на интактним мишевима и животињама са поремећајем/одсуством гена који обезбеђује експресију OPG. Утврђено је да мишеви са оштећеном способношћу синтезе OPG (OPG-/-), за разлику од контролне групе животиња, показују активацију процеса артеријске калцификације у комбинацији са развојем остеопорозе и вишеструких прелома костију. Напротив, уношење гена који га синтетише животињама са недовољном експресијом ОПГ допринело је сузбијању и процеса ресорпције костију и васкуларне калцификације.

Упала игра кључну улогу у свим фазама развоја атеросклерозе, праћена значајним повећањем концентрације маркера упале у крвној плазми - цитокина (интерлеукин-1, α-TNF), који, заузврат, индукују ресорпцију костију. Према инфламаторној природи развоја атеросклерозе, експресија и ослобађање OPG-а у крвоток и околна ткива од стране ендотелних ћелија и ћелија глатких мишића крвних судова врши се под утицајем горе поменутих проинфламаторних фактора. За разлику од стромалних ћелија, ендотелне ћелије и ткиво глатких мишића крвних судова не реагују на промене у садржају витамина D3 или паратироидног хормона (PTH) у крвној плазми повећањем синтезе и ослобађања OPG-а. OPG спречава ектопичну калцификацију изазвану витамином D3 у крвним судовима, истовремено повећавајући садржај OPN-а, главног неколагеног матриксног протеина костију, који делује као инхибитор васкуларне минерализације и као окидач за синтезу и ослобађање OPG-а од стране ендотелних и ћелија глатких мишића. ОПН, инхибирајући процес формирања хидроксиапатитног матрикса (ин витро) и васкуларне калцификације (ин виво), синтетише се и ослобађа у довољно високим концентрацијама од стране глатких мишићних ћелија медије васкуларног зида и макрофага интиме. Синтеза ОПН се одвија у подручјима са претежном минерализацијом васкуларног зида и регулисана је проинфламаторним и остеогеним факторима. Заједно са интегрином avb3, који синтетишу ендотелне ћелије на местима атерогенезе, ОПН узрокује NF-kB-зависни ефекат ОПГ на одржавање интегритета ендотелних ћелија. Дакле, повећане концентрације ОПГ у плазми и васкуларним ћелијама примећене код кардиоваскуларних болести могу бити последица активности ендотелних ћелија и под утицајем инфламаторних маркера и као резултат механизма ОПН/avb3-HHTerpnHOBoro.

Активација NF-kB у макрофагима артеријског зида и у ТЦ је такође један од важних механизама који повезују остеопорозу и атеросклерозу. Повећана активност NF-kB настаје као резултат деловања цитокина које ослобађају активиране Т ћелије у васкуларној интими, што доприноси повећању активности серин/треонин киназе (Akt, протеин киназа Б), важног фактора за функцију, пре свега, васкуларних ендотелних ћелија.

Утврђено је да се као резултат повећане активности протеин киназе Б примећује стимулација eNOS-а и повећана синтеза азот-оксида (NO), укљученог у механизам одржавања интегритета ендотелних ћелија. Слично OPG-у, синтеза и ослобађање RANKL-а од стране ендотелних ћелија се врши под утицајем инфламаторних цитокина, али не као резултат дејства витамина D3 или PTH, који су способни да повећају концентрацију RANKL-а у OB или стромалним ћелијама.

Повећање концентрације RANKL у артеријским и венским судовима постиже се такође као резултат инхибиторног дејства трансформишућег фактора раста (TGF-Pj) на процес експресије OPG, чији се садржај значајно смањује под утицајем овог фактора. Он има вишесмерни ефекат на садржај RANKL у костима и судовима: у коштаном ткиву, TGF-Pj промовише експресију OPG OB и, као резултат тога, OPG, везујући RANKL, смањује његову концентрацију и активност остеокластогенезе. У зидовима крвних судова, TGF-Pj повећава однос RANKL/OPG и, као последица тога, садржај RANKL, интерагујући са својим RANK рецептором на површини ендотелних ћелијских мембрана уз учешће интрацелуларних сигналних система, стимулише остеогенезу васкуларних ћелија, активира процес калцификације, пролиферације и миграције ћелија, и ремоделирања матрикса. Резултат новог концепта заснованог на тренутном разумевању ћелијског и молекуларног механизма ремоделирања костију код остеопорозе и процеса атеросклерозе, и разјашњења водеће улоге цитокина RANKL-RANK-OPG система у спровођењу ових болести, била је синтеза лека нове генерације - деносумаб. Деносумаб (Prolia; Amgen Incorporation) је специфично људско моноклонско антитело са високим степеном тропизма за RANKL, блокирајући функцију овог протеина. Бројне лабораторијске и клиничке студије су утврдиле да деносумаб, показујући високу способност да смањи RANKL активност, значајно успорава и слаби степен ресорпције костију. Тренутно се деносумаб користи као лек прве линије, заједно са бисфосфонатима, код пацијената са системском остеопорозом ради спречавања прелома костију. Истовремено, С. Хелас и др. утврдили су инхибиторни ефекат деносумабa на способност RANKL да спроведе процес васкуларне калцификације. Дакле, добијени подаци отварају нове могућности за успоравање прогресије остеопорозе и васкуларне атеросклерозе, спречавање развоја кардиоваскуларних компликација код остеопорозе и очување здравља и живота пацијената.

С. Сагаловски, Рихтер. Патофизиолошко јединство развоја остеопорозе и атеросклерозе крвних судова // Међународни медицински часопис - бр. 4 - 2012