Репарација зглобне хрскавице и фактори раста у патогенези остеоартритиса

Захваљујући напретку биотехнологије, посебно технологије клонирања, листа фактора раста који, будући да су анаболички фактори, играју важну, али не и у потпуности схваћену улогу у патогенези остеоартритиса, у последње време се интензивно проширује.

Прва група фактора раста о којима ће се говорити у наставку су ИГФ-ови. Налазе се у великим количинама у крвном серуму и имају низ заједничких својстава са инсулином. ИГФ-2 је типичнији за ембрионалну фазу развоја, док је ИГФ-1 доминантни представник групе код одраслих. Оба представника ове групе делују везивањем за ИГФ рецепторе типа I. Иако функција ИГФ-2 остаје непозната, значај ИГФ-1 је већ утврђен - он је у стању да стимулише синтезу протеогликана од стране хондроцита и значајно инхибира катаболичке процесе у зглобној хрскавици. ИГФ-1 је главни анаболички стимулус за синтезу протеогликана од стране хондроцита, присутан у крвном серуму и синовијалној течности. ИГФ-1 је важан фактор за култивацију хондроцита у експерименталним моделима остеоартрозе in vitro. Претпоставља се да ИГФ-1 улази у синовијалну течност из крвне плазме. Поред тога, нормални хондроцити производе оба фактора - експресија ИГФ-1 и ИГФ-2 је пронађена у синовијалној мембрани и хрскавици пацијената са остеоартрозом. У нормалној хрскавици, IGF-1 нема митогена својства, али је способан да стимулише пролиферацију ћелија у оштећеном матриксу, што указује на учешће у репаративним процесима.

Биолошки активне супстанце које стимулишу репарацију и инхибирају разградњу зглобне хрскавице

• Инсулин
• Гама интерферон
• Соматотропни хормон, андрогени
• Соматомедини (ИПФ-1 и -2)
• ТГФ-бета (фактор раста ткива)
• Фактор раста изведен из тромбоцита
• Основни фактор раста фибробласта
• ЕФР
• Антагонист ИЛ-1 рецептора
• Протеини који везују TNF-α
• Ткивни инхибитори металопротеиназа
• а2 макроглобулин
• ai-антитрипсин
• РГ-макроглобулин
• Рг-антихимотрипсин

Дејство IGF-1 и IGF-2 контролишу различити протеини који везују IGF (IGF-BP), које такође производе хондроцити. IGF-BP може деловати као носач, а такође има и активност блокирања IGF-а. Ћелије изоловане из зглобне хрскавице пацијената са остеоартрозом производе прекомерне количине IGF-BP, што указује да блокирају ефекте IGF-а. J. Martel-Pelletier et al. (1998) су показали да иако се синтеза IGF-1 у хрскавици повећава код остеоартрозе, хондроцити слабо реагују на стимулацију IGF-1. Испоставило се да је овај феномен повезан (барем делимично) са повећањем нивоа IGF-BP. IGF-BP има висок афинитет за IGF и важан је биомодулатор његове активности. До данас је проучавано седам типова IGF-BP, а дисрегулација IGF-BP-3 и IGF-BP-4 игра важну улогу у остеоартритису.

Друга категорија фактора раста који показују различите ефекте на хондроците укључује фактор раста изведен из тромбоцита (PDGF), FGF и TGF-бета. Ове факторе не производе само хондроцити већ и активирани синовоцити. FGF има и анаболичка и катаболичка својства у зависности од концентрације и стања зглобне хрскавице. PDGF је укључен у одржавање хомеостазе ванцелавог матрикса зглобне хрскавице без очигледних митогених својстава. Познато је да овај фактор раста побољшава синтезу протеогликана и смањује њихову деградацију.

TGF-бета је од посебног интереса због своје улоге у патогенези остеоартритиса. Члан је велике TGF суперфамилије и дели функционална и сигнална својства са недавно откривеним BMP (коштани морфогенетски протеин) факторима раста.

ТГФ-бета је плеиотропни фактор: с једне стране, има имуносупресивна својства, а с друге стране, хемотактички је фактор и снажан стимулатор пролиферације фибробласта. Јединствена својства ТГФ-бета су способност инхибиције ослобађања ензима из различитих ћелија и значајно повећање производње инхибитора ензима (на пример, ТИМП). ТГФ-бета се сматра важним регулатором оштећења ткива услед упале. Дакле, у ткиву зглобне хрскавице, ТГФ-бета значајно стимулише производњу матрикса од стране хондроцита, посебно након претходног излагања овом фактору. Нормална хрскавица је неосетљива на ТГФ-бета. Код пацијената са остеоартритисом, ТГФ-β стимулише производњу агрекана и малих протеогликана у зглобној хрскавици.

ТГФ-бета производе многе ћелије, посебно хондроцити. Ослобађа се у латентном облику везан за посебан протеин који се назива протеин повезан са латенцијом (ЛАП). Дисоцијација од овог протеина се постиже протеазама, које се производе у великим количинама у упаљеним ткивима. Поред ТГФ-бета, који производе активиране ћелије, залихе латентног облика овог фактора су важан елемент реактивности ТГФ-бета у ткиву након локалне повреде. ТГФ-бета је присутан у значајним количинама у синовијалној течности, синовијалној мембрани и хрскавици зглоба погођеног остеоартрозом. У подручјима оштећеног ткива са инфламаторним инфилтратима, детектује се коекспресија ТНФ и ИЛ-1, док се у подручјима са фиброзом детектује само експресија ТГФ-бета.

Инкубација култивисаних хондроцита пацијената са остеоартритисом са TGF-бета изазива значајно повећање синтезе протеогликана од стране ових ћелија. Стимулација нормалних хондроцита са TGF-бета изазива повећање синтезе протеогликана тек након много дана инкубације. Можда је ово време неопходно да би се ћелијски фенотип променио под утицајем TGF-бета (на пример, за промену такозване компартментализације протеогликана: новостворени протеогликани су локализовани само око хондроцита).

Познато је да је активација синтезе фактора раста, посебно TGF-бета, важна карика у патогенези бубрежне и хепатичне фиброзе, и стварања ожиљака током зарастања рана. Повећано оптерећење хондроцита in vitro доводи до хиперпродукције TGF-бета, док смањена синтеза протеогликана након имобилизације удова може бити изравната помоћу TGF-бета. TGF-бета индукује формирање остеофита у маргиналној зони зглобова као механизам адаптације на промене оптерећења. IL-1, изазивајући умерени инфламаторни процес у синовијуму као одговор на оштећење зглоба, промовише формирање хондроцита са измењеним фенотипом, који производе прекомерну количину.

Поновљене локалне ињекције рекомбинантног TGF-бета у високим концентрацијама довеле су до развоја остеоартритиса код C57B1 мишева - формирања остеофита, што је карактеристично за људски остеоартритис, и значајног губитка протеогликана у зони „таласасте границе“.

Да би се разумело како вишак TGF-β узрокује познате промене у хрскавици, потребно је напоменути да излагање TGF-β индукује карактеристичан хондроцитни фенотип са променом у подкласи синтетисаних протеогликана и поремећајем нормалне интеграције ECM елемената. И IGF-1 и TGF-β стимулишу синтезу протеогликана од стране хондроцита култивисаних у алгинату, али овај други такође индукује такозвану компартментализацију протеогликана. Штавише, утврђено је да TGF-β повећава ниво колагеназе-3 (MMP-13) у активираним хондроцитима, што је у супротности са општом идејом о TGF-β као фактору који, напротив, смањује ослобађање деструктивних протеаза. Међутим, није познато да ли је синтеза MMP-13 индукована TGF-β укључена у патогенезу остеоартритиса. TGF-β не само да стимулише синтезу протеогликана, већ и промовише њихово таложење у лигаментима и тетивама, повећавајући укоченост и смањујући обим покрета у зглобовима.

БМП су чланови ТГФ-бета суперфамилије. Неки од њих (БМП-2, БМП-7 и БМП-9) имају својство стимулације синтезе протеогликана од стране хондроцита. БМП остварују своје ефекте везивањем за специфичне рецепторе на површини ћелије; сигнални путеви ТГФ-бета и БМП-а се мало разликују. Као и ТГФ-бета, БМП-и сигнализирају кроз комплекс рецептора серин/треонин киназе типа I и II. У овом комплексу, рецептор типа II је транс-фосфорилисан и активира рецептор типа I, који преноси сигнал сигналним молекулима названим Смад. Након пријема сигнала, Смад се брзо фосфорилишу. Тренутно је познато да се у сигналном путу БМП-а фосфорилишу Смад-1, -5 и -8, а у сигналном путу ТГФ-бета фосфорилишу се Смад-2 и Смад-3. Затим се именовани Смад-ови повезују са Смад-4, што је заједничко за сигналне путеве свих чланова ТГФ-бета суперфамилије. Ова чињеница објашњава присуство унакрсних функција код чланова TGF-бета суперфамилије, као и феномен међусобне инхибиције TGF-бета и BMP сигналних путева конкуренцијом за заједничке компоненте. Недавно је идентификована још једна класа Smad протеина, коју представљају Smad-6 и -7. Ови молекули делују као регулатори TGF-бета и BMP сигналних путева.

Упркос чињеници да је стимулативни ефекат ЦМП-а на синтезу протеогликана познат већ дуго времена, њихова улога у регулацији функције зглобне хрскавице остаје контроверзна због познате способности ЦМП-а да изазове дедиференцијацију ћелија, стимулише калцификацију и формирање коштаног ткива. М. Еномото-Ивамото и др. (1998) су показали да је интеракција ЦМП-а са ЦМП рецептором типа II неопходна за одржавање диференцираног фенотипа хондроцита, као и за контролу њихове пролиферације и хипертрофије. Према ЛЗ Сајлору и др. (1996), ЦМП-2 одржава фенотип хондроцита у култури током 4 недеље без изазивања њихове хипертрофије. ЦМП-7 (идентичан остеогеном протеину-1) одржава фенотип зрелих хондроцита зглобне хрскавице култивисаних у алгинату дуже време.

Уношење KMP-2 и -9 у коленске зглобове мишева повећало је синтезу протеогликана за 300%, значајно више него код TGF-бета. Међутим, стимулативни ефекат је био привремен и након неколико дана ниво синтезе се вратио на почетни ниво. TGF-бета је изазвао дугорочнију стимулацију синтезе протеогликана, што је вероватно последица аутоиндукције TGF-бета и сензибилизације хондроцита на овај фактор.

ТГФ-бета је одговоран за формирање хондрофита, што се може сматрати нежељеним ефектом његовог дејства, КМП-2 такође подстиче формирање хондрофита, али у другом подручју артикуларне ивице (углавном у подручју плоче раста).

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

Морфогенетски протеини хрскавице

Морфогенетски протеини хрскавице (CMP-1 и -2) су други чланови TGF-бета суперфамилије који су неопходни за формирање хрскавичног ткива током развоја удова. Мутације у CMP-1 гену узрокују хондродисплазију. CMP могу имати селективнији профил усмерен ка хрскавици. Иако TGF-бета и CMP могу стимулисати хондроците, они могу деловати на многе друге ћелије, тако да њихова употреба за поправку хрскавице може бити повезана са нежељеним ефектима. Обе врсте CMP се налазе у хрскавици здравих и остеоартритичних зглобова и подстичу поправку зглобне хрскавице ECM након ензимске разградње, одржавајући нормалан фенотип.

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

Синергизам фактора раста

Један фактор раста је способан да индукује самог себе, као и друге факторе раста, ова интеракција је фино регулисана. На пример, FGF заједно са другим факторима раста обезбеђује ефикаснију репарацију зглобне хрскавице након трауматског дефекта. IGF-1 заједно са TGF-бета значајно индукује нормалан фенотип хондроцита када се култиви in vitro. Показано је да TGF-бета спречава производњу IGF-1 и IGF-BP, а такође дефосфорилује IGF-1 рецептор, стимулише везивање IGF-1. У интактној мишјој хрскавици, пронађен је феномен синергизма IGF-1 са многим факторима раста. Међутим, слаб одговор хондроцита на IGF-1 не може се изравнати његовом употребом у комбинацији са другим факторима раста.

Интеракција анаболичких и деструктивних цитокина

Фактори раста показују сложене интеракције са IL-1. На пример, претходна изложеност хондроцита FGF-у повећава ослобађање протеазе након излагања IL-1, вероватно кроз повећану експресију IL-1 рецептора. PDGF такође стимулише ослобађање протеазе зависно од IL-1, али смањује инхибицију синтезе протеогликана посредовану IL-1. Ово може указивати на то да неки фактори раста могу истовремено стимулисати поправку хрскавице и промовисати њено уништење. Други фактори раста, као што су IGF-1 и TGF-β, стимулишу синтезу зглобног матрикса и инхибирају уништење зглобне хрскавице посредовано IL-1, што указује да је њихова активност повезана само са поправком ткива. Ова интеракција је независна од претходне изложености хондроцита IL-1. Занимљиво је да кинетика ефеката IL-1 и TGF-β може бити различита: способност TGF-β да сузбије деградацију зглобне хрскавице је ослабљена његовим спорим деловањем на TIMP mRNA. С друге стране, повећање нивоа hNOC и NO је примећено у одсуству TGF-β. С обзиром на зависност супресивног ефекта ИЛ-1 на синтезу протеогликана од стране хондроцита од NO, то би могло да објасни зашто примећујемо значајно јаче дејство ТГФ-бета на ИЛ-1-зависну инхибицију синтезе протеогликана у поређењу са разградњом протеогликана in vivo.

У студији на мишевима којима је интраартикуларно убризган IL-1 и фактори раста, показано је да TGF-бета значајно делује против инхибиције синтезе протеогликана зглобне хрскавице посредоване IL-1, док CMP-2 није способан за такво супротстављање: његов стимулативни потенцијал је био потпуно инхибиран од стране IL-1 чак и при високим концентрацијама CMP-2. Приметно је да је у одсуству IL-1, CMP-2 много интензивније стимулисао синтезу протеогликана од TGF-бета.

Поред свог дејства на синтезу протеогликана, TGF-бета такође значајно утиче на смањење садржаја протеогликана у хрскавици изазвано IL-1. Могуће је да се садржај протеогликана смањује или повећава у зависности од релативне концентрације IL-1 и TGF-бета. Занимљиво је да је горе описано супротстављање IL-1 и TGF-бета примећено у дебљини хрскавице, али овај феномен није примећен у близини хондрофита на ивицама зглобних површина. Формирање хондрофита индукује TGF-β, који утиче на хондрогене ћелије у периосту, узрокујући развој хондробласта и таложење протеогликана. Изгледа да ови хондробласти нису осетљиви на IL-1.

Х. Л. Глансбек и др. (1998) су проучавали способност ТГФ-бета и КМП-2 да се супротставе супресији синтезе протеогликана у зглобовима мишева са артритисом изазваним зимозаном (тј. у моделу „чисте“ упале изазване ИЛ-1). Интраартикуларна примена ТГФ-бета значајно је супротставила супресији синтезе протеогликана изазваној упалом, док КМП-2 практично није био у стању да се супротстави овом процесу зависном од ИЛ-1. Поновљене ињекције ТГФ-β у коленски зглоб испитиваних животиња значајно су стимулисале синтезу протеогликана хондроцитима, допринеле очувању постојећих протеогликана у хрскавици исцрпљеној упалом, али нису сузбиле инфламаторни процес.

Приликом проучавања функције хондроцита који синтетишу протеогликане користећи експерименталне моделе остеоартрозе код животиња, увек је примећено повећање садржаја и стимулација синтезе протеогликана у раним фазама остеоартритиса, за разлику од инфламаторних модела, код којих се примећује значајна инхибиција синтезе (процес зависан од ИЛ-1). Повећана активност анаболичких фактора, посебно фактора раста, која се примећује код остеоартрозе, неутралише ефекат супресорских цитокина као што је ИЛ-1. Међу факторима раста, ТГФ-бета је од највећег значаја; КМП-2 вероватно не игра значајну улогу у овом процесу. Иако је ИГФ-1 способан да стимулише синтезу протеогликана in vitro, ово својство се не примећује in vivo са локалном применом ИГФ-1. То може бити због чињенице да је ендогени ниво овог фактора раста оптималан. У каснијим фазама остеоартритиса појављују се знаци инхибиције синтезе протеогликана, што је вероватно повезано са доминантним дејством ИЛ-1 и немогућношћу фактора раста да му се супротставе због смањене активности.

Анализа експресије фактора раста код STR/ORT мишева са спонтаним остеоартритисом показала је повећане нивое мРНК TGF-β и IL-1 у оштећеној хрскавици. Треба напоменути да је активација TGF-β из латентног облика важан елемент поправке ткива. Разумевање улоге TGF-β је компликовано резултатима студије експресије TGF-β рецептора типа II код зечева са ACL. Одмах након индукције остеоартритиса, откривени су смањени нивои ових рецептора, што указује на недовољну TGF-β сигнализацију. Занимљиво је да су мишеви са недостатком TGF-β рецептора типа 11 показали знаке спонтаног остеоартритиса, што такође указује на важну улогу TGF-β сигнализације у погоршању поправке хрскавице и развоју остеоартритиса.

Апсолутни садржај фактора раста у зглобовима пацијената са реуматоидним артритисом или остеоартрозом може указивати на њихову могућу улогу у патогенези ових болести. Међутим, упркос чињеници да се високе концентрације фактора раста налазе у зглобовима са остеоартрозом и реуматоидним артритисом, природа процеса деградације и репарације код обе болести је потпуно различита. Вероватно постоје и други, још увек неидентификовани фактори који играју главну улогу у патогенези ових болести, или други аспекти проучаваних феномена одређују ток процеса деградације и репарације у зглобним ткивима (на пример, експресија одређених рецептора на површини хондроцита, растворљивих рецептора који везују протеине или неравнотежа анаболичких и деструктивних фактора).