Sąnario kremzlės atstatymas ir augimo veiksniai osteoartrito patogenezėje

Dėl biotechnologijų, ypač klonavimo technologijos, pažangos pastaruoju metu intensyviai plečiamas augimo faktorių, kurie, būdami anaboliniais veiksniais, vaidina svarbų, bet iki galo nesuprastą vaidmenį osteoartrito patogenezėje, sąrašas.

Pirmoji toliau aptariama augimo faktorių grupė yra IGF. Jų dideliais kiekiais randama kraujo serume ir jie turi daug bendrų savybių su insulinu. IGF-2 labiau būdingas embriono vystymosi stadijai, o IGF-1 yra dominuojantis šios grupės atstovas suaugusiesiems. Abu šios grupės atstovai veikia prisijungdami prie IGF I tipo receptorių. Nors IGF-2 funkcija lieka nežinoma, IGF-1 reikšmė jau nustatyta – jis gali stimuliuoti proteoglikanų sintezę chondrocituose ir reikšmingai slopinti katabolinius procesus sąnarinėje kremzlėje. IGF-1 yra pagrindinis anabolinis stimulas proteoglikanų sintezei chondrocituose, esantiems kraujo serume ir sinoviniame skystyje. IGF-1 yra svarbus veiksnys kultivuojant chondrocitus eksperimentiniuose osteoartrozės modeliuose in vitro. Manoma, kad IGF-1 patenka į sinovinį skystį iš kraujo plazmos. Be to, normalūs chondrocitai gamina abu faktorius – IGF-1 ir IGF-2 ekspresija buvo nustatyta pacientų, sergančių osteoartritu, sinovinėje membranoje ir kremzlėje. Normalioje kremzlėje IGF-1 neturi mitogeninių savybių, tačiau gali skatinti ląstelių proliferaciją pažeistoje matricoje, o tai rodo dalyvavimą reparaciniuose procesuose.

Biologiškai aktyvios medžiagos, skatinančios sąnarinės kremzlės regeneraciją ir slopinančios jos irimą.

• Insulinas
• Gama interferonas
• Somatotropinis hormonas, androgenai
• Somatomedinai (IPF-1 ir -2)
• TGF-beta (audinių augimo faktorius)
• Trombocitų kilmės augimo faktorius
• Bazinis fibroblastų augimo faktorius
• EFR
• IL-1 receptorių antagonistas
• TNF-α surišantys baltymai
• Audinių metaloproteinazių inhibitoriai
• α2 makroglobulinas
• ai-antitripsinas
• RG-makroglobulinas
• Rg-antichimotripsinas

IGF-1 ir IGF-2 veikimą kontroliuoja įvairūs IGF surišantys baltymai (IGF-BP), kuriuos taip pat gamina chondrocitai. IGF-BP gali veikti kaip nešiklis ir taip pat turėti IGF blokuojantį aktyvumą. Ląstelės, išskirtos iš pacientų, sergančių osteoartritu, sąnarinės kremzlės, gamina per didelį IGF-BP kiekį, o tai rodo, kad jos blokuoja IGF poveikį. J. Martel-Pelletier ir kt. (1998) parodė, kad nors osteoartrozės atveju IGF-1 sintezė kremzlėje padidėja, chondrocitai silpnai reaguoja į IGF-1 stimuliavimą. Paaiškėjo, kad šis reiškinys (bent iš dalies) susijęs su IGF-BP lygio padidėjimu. IGF-BP turi didelį afinitetą IGF ir yra svarbus jo aktyvumo biomoduliatorius. Iki šiol buvo tirti septyni IGF-BP tipai, o IGF-BP-3 ir IGF-BP-4 disreguliacija vaidina svarbų vaidmenį osteoartrito atveju.

Kita augimo faktorių kategorija, pasižyminti skirtingu poveikiu chondrocitams, apima trombocitų augimo faktorių (PDGF), FGF ir TGF-beta. Šiuos faktorius gamina ne tik chondrocitai, bet ir aktyvuoti sinovocitai. FGF turi ir anabolinių, ir katabolinių savybių, priklausomai nuo sąnarinės kremzlės koncentracijos ir būklės. PDGF dalyvauja palaikant sąnarinės kremzlės ECM homeostazę, neturėdamas akivaizdžių mitogeninių savybių. Yra žinoma, kad šis augimo faktorius skatina proteoglikanų sintezę ir mažina jų skaidymą.

TGF-beta yra ypač įdomus dėl savo vaidmens osteoartrito patogenezėje. Jis priklauso didelei TGF superšeimai ir turi tokias pačias funkcines bei signalines savybes kaip ir neseniai atrasti BMP (kaulų morfogenetinio baltymo) augimo faktoriai.

TGF-beta yra pleiotropinis faktorius: viena vertus, jis pasižymi imunosupresinėmis savybėmis, kita vertus, tai chemotaktinis faktorius ir galingas fibroblastų proliferacijos stimuliatorius. Unikalios TGF-beta savybės yra gebėjimas slopinti fermentų išsiskyrimą iš įvairių ląstelių ir žymiai padidinti fermentų inhibitorių (pavyzdžiui, TIMP) gamybą. TGF-beta laikoma svarbiu uždegimo sukelto audinių pažeidimo reguliatoriumi. Taigi, sąnarinės kremzlės audinyje TGF-beta reikšmingai stimuliuoja chondrocitų matricos gamybą, ypač po išankstinio sąlyčio su šiuo faktoriumi. Normali kremzlė nejautri TGF-beta. Pacientams, sergantiems osteoartritu, TGF-β stimuliuoja agrekanų ir mažų proteoglikanų gamybą sąnarinėje kremzlėje.

TGF-beta gamina daugelis ląstelių, ypač chondrocitai. Jis išsiskiria latentine forma, susijungęs su specialiu baltymu, vadinamu latentiniu baltymu (LAP). Nuo šio baltymo jį atsiskiria proteazės, kurios dideliais kiekiais gaminamos uždegimo apimtuose audiniuose. Be TGF-beta, kurią gamina aktyvuotos ląstelės, šio faktoriaus latentinės formos atsargos yra svarbus TGF-beta reaktyvumo audiniuose po vietinio pažeidimo elementas. TGF-beta dideliais kiekiais yra sinoviniame skystyje, sinovinėje membranoje ir osteoartrozės pažeisto sąnario kremzlėje. Pažeisto audinio vietose su uždegiminiais infiltratais aptinkama TNF ir IL-1 koekspresija, o fibrozės vietose aptinkama tik TGF-beta raiška.

Kultivuotų pacientų, sergančių osteoartritu, chondrocitų inkubacija su TGF-beta sukelia reikšmingą proteoglikanų sintezės padidėjimą šiose ląstelėse. Normalių chondrocitų stimuliavimas TGF-beta sukelia proteoglikanų sintezės padidėjimą tik po daugelio inkubacijos dienų. Galbūt šis laikas yra būtinas, kad ląstelės fenotipas pasikeistų veikiant TGF-beta (pavyzdžiui, vadinamosios proteoglikanų kompartmentalizacijos pokyčiui: naujai sukurti proteoglikanai lokalizuojasi tik aplink chondrocitus).

Yra žinoma, kad augimo faktorių, ypač TGF-beta, sintezės aktyvavimas yra svarbi grandis inkstų ir kepenų fibrozės patogenezėje, randų susidaryme žaizdų gijimo metu. Padidėjęs chondrocitų krūvis in vitro sukelia TGF-beta hiperprodukciją, o sumažėjusią proteoglikanų sintezę po galūnės imobilizacijos gali kompensuoti TGF-beta. TGF-beta sukelia osteofitų susidarymą sąnarių ribinėje zonoje kaip prisitaikymo prie krūvio pokyčių mechanizmą. IL-1, sukeldamas vidutinio stiprumo uždegiminį procesą sinovijoje, reaguojant į sąnarių pažeidimą, skatina pakitusio fenotipo chondrocitų, kurie gamina per didelį kiekį, susidarymą.

Pakartotinės vietinės rekombinantinio TGF-beta injekcijos didelėmis koncentracijomis lėmė osteoartrito vystymąsi C57B1 pelėms – osteofitų susidarymą, būdingą žmogaus osteoartritui, ir reikšmingą proteoglikanų praradimą „banguotos ribos“ zonoje.

Norint suprasti, kaip TGF-beta perteklius sukelia žinomus kremzlės pokyčius, būtina atkreipti dėmesį, kad TGF-β poveikis sukelia būdingą chondrocitų fenotipą, kai pasikeičia sintezuojamų proteoglikanų poklasis ir sutrinka normali ECM elementų integracija. Tiek IGF-1, tiek TGF-beta stimuliuoja proteoglikanų sintezę alginate kultivuojamuose chondrocituose, tačiau pastarasis taip pat sukelia vadinamąją proteoglikanų kompartmentalizaciją. Be to, nustatyta, kad TGF-beta padidina kolagenazės-3 (MMP-13) kiekį aktyvuotuose chondrocituose, o tai prieštarauja bendrajai idėjai apie TGF-beta kaip veiksnį, kuris, priešingai, sumažina destruktyvių proteazių išsiskyrimą. Tačiau nežinoma, ar TGF-beta sukelta MMP-13 sintezė yra susijusi su OA patogeneze. TGF-beta ne tik stimuliuoja proteoglikanų sintezę, bet ir skatina jų nusėdimą raiščiuose ir sausgyslėse, didindamas jų standumą ir mažindamas sąnarių judesių amplitudę.

BMP priklauso TGF-beta superšeimai. Kai kurie iš jų (BMP-2, BMP-7 ir BMP-9) pasižymi savybe stimuliuoti proteoglikanų sintezę chondrocituose. BMP veikia prisijungdami prie specifinių receptorių ląstelės paviršiuje; TGF-beta ir BMP signalizacijos keliai šiek tiek skiriasi. Kaip ir TGF-beta, BMP signalą perduoda per I ir II tipo serino/treonino kinazės receptorių kompleksą. Šiame komplekse II tipo receptorius yra transfosforilintas ir aktyvuoja I tipo receptorių, kuris perduoda signalą signalinėms molekulėms, vadinamoms Smad. Gavę signalą, Smad greitai fosforilinami. Šiuo metu žinoma, kad BMP signalizacijos kelyje fosforilinami Smad-1, -5 ir -8, o TGF-beta signalizacijos kelyje – Smad-2 ir Smad-3. Tuomet pavadinti Smad jungiasi su Smad-4, kuris yra bendras visų TGF-beta superšeimos narių signalizacijos keliams. Šis faktas paaiškina kryžminių funkcijų buvimą TGF-beta superšeimos nariuose, taip pat TGF-beta ir BMP signalizacijos kelių abipusio slopinimo reiškinį, konkuruojant dėl bendrų komponentų. Ne taip seniai buvo identifikuota kita Smad baltymų klasė, kurią reprezentuoja Smad-6 ir -7. Šios molekulės veikia kaip TGF-beta ir BMP signalizacijos kelių reguliatoriai.

Nepaisant to, kad stimuliuojantis CMP poveikis proteoglikanų sintezei žinomas jau seniai, jų vaidmuo reguliuojant sąnarinės kremzlės funkciją tebėra prieštaringas dėl žinomo CMP gebėjimo sukelti ląstelių dediferenciaciją, skatinti kalcifikaciją ir kaulinio audinio formavimąsi. M. Enomoto-Iwamoto ir kt. (1998) parodė, kad CMP sąveika su II tipo CMP receptoriumi yra būtina norint palaikyti diferencijuotą chondrocitų fenotipą, taip pat kontroliuoti jų proliferaciją ir hipertrofiją. Pasak LZ Sailor ir kt. (1996), CMP-2 kultūroje išlaiko chondrocitų fenotipą 4 savaites nesukeldamas jų hipertrofijos. CMP-7 (identiškas osteogeniniam baltymui-1) ilgą laiką išlaiko alginate kultivuojamų sąnarinės kremzlės subrendusių chondrocitų fenotipą.

Įvedus KMP-2 ir -9 į pelių kelio sąnarius, proteoglikanų sintezė padidėjo 300 %, žymiai labiau nei TGF-beta. Tačiau stimuliuojantis poveikis buvo laikinas, ir po kelių dienų sintezės lygis grįžo į pradinį lygį. TGF-beta sukėlė ilgalaikę proteoglikanų sintezės stimuliaciją, kuri tikriausiai yra susijusi su TGF-beta autoindukcijos ir chondrocitų jautrinimo šiam faktoriui.

TGF-beta yra atsakinga už chondrofitų susidarymą, kurį galima laikyti nepageidaujamu jo veikimo poveikiu, KMP-2 taip pat skatina chondrofitų susidarymą, bet kitoje sąnario krašto srityje (daugiausia augimo plokštelės srityje).

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

Kremzlės morfogenetiniai baltymai

Kremzlės morfogenetiniai baltymai (CMP-1 ir -2) yra kiti TGF-beta superšeimos nariai, kurie yra būtini kremzlės audinio formavimuisi galūnės vystymosi metu. CMP-1 geno mutacijos sukelia chondrodisplaziją. CMP gali turėti selektyvesnį, į kremzlę nukreiptą profilį. Nors TGF-beta ir CMP gali stimuliuoti chondrocitus, jie gali veikti daugelį kitų ląstelių, todėl jų naudojimas kremzlės atstatymui gali būti susijęs su šalutiniu poveikiu. Abiejų tipų CMP randami sveikų ir osteoartrito pažeistų sąnarių kremzlėje ir skatina sąnarinės kremzlės ECM atstatymą po fermentinio skaidymo, palaikydami normalų fenotipą.

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

Augimo faktorių sinergizmas

Vienas augimo faktorius gali indukuoti save, kaip ir kiti augimo faktoriai, ši sąveika yra tiksliai reguliuojama. Pavyzdžiui, FGF kartu su kitais augimo faktoriais užtikrina efektyvesnį sąnarinės kremzlės atstatymą po trauminio defekto. IGF-1 kartu su TGF-beta reikšmingai indukuoja normalų chondrocitų fenotipą, kai jie auginami in vitro. Įrodyta, kad TGF-beta slopina IGF-1 ir IGF-BP gamybą, taip pat defosforilina IGF-1 receptorių, stimuliuoja IGF-1 prisijungimą. Nepažeistoje pelių kremzlėje nustatytas IGF-1 sinergizmo su daugeliu augimo faktorių reiškinys. Tačiau silpno chondrocitų atsako į IGF-1 nepavyksta išlyginti naudojant jį kartu su kitais augimo faktoriais.

Anabolinių ir destruktyvių citokinų sąveika

Augimo faktoriai pasižymi sudėtinga sąveika su IL-1. Pavyzdžiui, išankstinis chondrocitų sąlytis su FGF padidina proteazės išsiskyrimą po IL-1 sąlyčio, galbūt dėl padidėjusios IL-1 receptorių ekspresijos. PDGF taip pat stimuliuoja nuo IL-1 priklausomą proteazės išsiskyrimą, tačiau sumažina IL-1 sukeltą proteoglikanų sintezės slopinimą. Tai gali reikšti, kad kai kurie augimo faktoriai gali vienu metu skatinti kremzlės atstatymą ir skatinti jos irimą. Kiti augimo faktoriai, tokie kaip IGF-1 ir TGF-β, stimuliuoja sąnarinės matricos sintezę ir slopina IL-1 sukeltą sąnarinės kremzlės irimą, o tai rodo, kad jų aktyvumas susijęs tik su audinių atstatymu. Ši sąveika nepriklauso nuo chondrocitų išankstinio sąlyčio su IL-1. Įdomu tai, kad IL-1 ir TGF-beta poveikio kinetika gali skirtis: TGF-beta gebėjimą slopinti sąnarinės kremzlės irimą silpnina lėtas jo poveikis TIMP mRNR. Kita vertus, nesant TGF-beta, stebimas hNOC ir NO kiekio padidėjimas. Atsižvelgiant į tai, kad IL-1 slopinamasis poveikis chondrocitų proteoglikanų sintezei priklauso nuo NO, tai gali paaiškinti, kodėl stebime žymiai stipresnį TGF-beta priešpriešinį poveikį IL-1 priklausomam proteoglikanų sintezės slopinimui, palyginti su proteoglikanų skaidymu in vivo.

Tyrimo su pelėmis, kurioms į sąnarį buvo suleista IL-1 ir augimo faktorių, metu buvo įrodyta, kad TGF-beta reikšmingai neutralizuoja IL-1 sukeltą sąnarinės kremzlės proteoglikanų sintezės slopinimą, o CMP-2 negali tokio neutralizavimo: jo stimuliuojantį potencialą visiškai slopino IL-1 net esant didelėms CMP-2 koncentracijoms. Pažymėtina, kad nesant IL-1, CMP-2 stimuliavo proteoglikanų sintezę daug intensyviau nei TGF-beta.

Be poveikio proteoglikanų sintezei, TGF-beta taip pat reikšmingai veikia IL-1 sukeltą kremzlės proteoglikanų kiekio sumažėjimą. Gali būti, kad proteoglikanų kiekis mažėja arba didėja priklausomai nuo santykinės IL-1 ir TGF-beta koncentracijos. Įdomu tai, kad aukščiau aprašytas IL-1 ir TGF-beta neutralumas buvo pastebėtas kremzlės storyje, tačiau šis reiškinys nebuvo pastebėtas šalia chondrofitų sąnarinių paviršių kraštuose. Chondrofitų susidarymą indukuoja TGF-β, kuris veikia chondrogenines ląsteles antkaulyje, sukeldamas chondroblastų vystymąsi ir proteoglikanų nusėdimą. Matyt, šie chondroblastai nėra jautrūs IL-1.

HL Glansbeek ir kt. (1998) tyrė TGF-beta ir KMP-2 gebėjimą neutralizuoti proteoglikanų sintezės slopinimą pelių, sergančių zimozano sukeltu artritu, sąnariuose (t. y. „gryno“ IL-1 sukelto uždegimo modelyje). Į sąnarį įvedus TGF-beta, reikšmingai neutralizuotas uždegimo sukeltas proteoglikanų sintezės slopinimas, o KMP-2 praktiškai negalėjo neutralizuoti šio nuo IL-1 priklausomo proceso. Pakartotinės TGF-β injekcijos į tirtų gyvūnų kelio sąnarį reikšmingai stimuliavo proteoglikanų sintezę chondrocituose, prisidėjo prie esamų proteoglikanų išsaugojimo uždegimo pažeistoje kremzlėje, tačiau neslopino uždegiminio proceso.

Tiriant chondrocitų proteoglikanų sintezės funkciją, naudojant eksperimentinius osteoartrozės modelius su gyvūnais, visada buvo pastebėtas proteoglikanų kiekio padidėjimas ir sintezės stimuliavimas ankstyvosiose OA stadijose, priešingai nei uždegiminiuose modeliuose, kuriuose stebimas reikšmingas sintezės slopinimas (nuo IL-1 priklausomas procesas). Padidėjęs anabolinių faktorių, ypač augimo faktorių, aktyvumas, stebimas osteoartrozės atveju, neutralizuoja tokių slopinamųjų citokinų kaip IL-1 poveikį. Tarp augimo faktorių svarbiausias yra TGF-beta; KMP-2 šiame procese greičiausiai nevaidina reikšmingo vaidmens. Nors IGF-1 in vitro gali stimuliuoti proteoglikanų sintezę, ši savybė in vivo, taikant IGF-1 lokaliai, nepastebėta. Tai gali būti dėl to, kad endogeninis šio augimo faktoriaus lygis yra optimalus. Vėlesnėse osteoartrito stadijose atsiranda proteoglikanų sintezės slopinimo požymių, kurie tikriausiai susiję su dominuojančiu IL-1 poveikiu ir augimo faktorių nesugebėjimu jo neutralizuoti dėl sumažėjusio aktyvumo.

STR/ORT pelių, sergančių savaiminiu osteoartritu, augimo faktorių raiškos analizė parodė padidėjusį TGF-β ir IL-1 mRNR kiekį pažeistoje kremzlėje. Reikėtų pažymėti, kad TGF-β aktyvacija iš latentinės formos yra svarbus audinių atstatymo elementas. TGF-β vaidmens supratimą apsunkina TGF-β II tipo receptorių raiškos tyrimo su priekinio kryžminio raiščio (PKL) triušiais rezultatai. Iškart po osteoartrito sukėlimo buvo nustatytas sumažėjęs šių receptorių kiekis, rodantis nepakankamą TGF-β signalizaciją. Įdomu tai, kad pelėms, kurioms trūko TGF-β 11 tipo receptorių, pasireiškė savaiminio osteoartrito požymiai, o tai taip pat rodo svarbų TGF-β signalizacijos vaidmenį blogėjant kremzlės atstatymui ir išsivystant osteoartritui.

Absoliutus augimo faktorių kiekis reumatoidiniu artritu ar osteoartroze sergančių pacientų sąnariuose gali rodyti jų galimą vaidmenį šių ligų patogenezėje. Tačiau, nepaisant to, kad sąnariuose, sergančiuose osteoartroze ir reumatoidiniu artritu, aptinkama didelė augimo faktorių koncentracija, abiejų ligų degradacijos ir reparacijos procesų pobūdis yra visiškai skirtingas. Tikriausiai yra ir kitų, dar nenustatytų veiksnių, kurie vaidina svarbų vaidmenį šių ligų patogenezėje, arba kiti tiriamų reiškinių aspektai lemia degradacijos ir reparacijos procesų eigą sąnarių audiniuose (pavyzdžiui, tam tikrų receptorių raiška chondrocitų paviršiuje, tirpūs receptoriai, kurie jungiasi prie baltymų, arba anabolinių ir destruktyvių faktorių disbalansas).