Патофизиологично единство в развитието на остеопороза и съдова атеросклероза

В структурата на смъртността на населението на развитите страни водещо място заемат заболяванията на кръвоносната система. Сърдечно-съдовите заболявания (артериална хипертония, исхемична болест на сърцето, миокарден инфаркт), в чиято основа е атеросклерозата, с право се наричат епидемията на 21-ви век.

Според СЗО, над 17 милиона души умират от сърдечно-съдови заболявания всяка година в света, а до 2015 г. броят на смъртните случаи ще се увеличи до 20 милиона. Наред с това, една от водещите причини за функционална недостатъчност и загуба на работоспособност при възрастното население е остеопорозата (ОП) - най-известното и често срещано заболяване на скелетната система в света с възрастово-асоциирана разпространеност. Остеопорозата е многофакторно полигенно скелетно заболяване, което е най-често срещаната форма на метаболитна остеопатия. Заболяването се характеризира със загуба на костна маса, нарушаване на тяхната микроархитектура (разрушаване на трабекулите), намалена здравина и е съпроводено с висок риск от фрактури.

Именно фрактурите, най-тежките от които са фрактурите на бедрената шийка и радиуса в долната трета на предмишницата, определят медицинската и медико-социалната значимост на заболяването, включително повишената смъртност и значителните икономически загуби, свързани с тях. Особеността на остеопорозата е, че това заболяване засяга предимно възрастни и стари хора. Значителното увеличение на честотата на остеопорозата, наблюдавано от втората половина на 20-ти век, естествено отразява демографските промени, които настъпват в популацията и се проявяват чрез застаряване на населението във всички индустриализирани страни по света. Многобройни епидемиологични проучвания, проведени напоследък в света и Европа, показват положителна корелация между сърдечно-съдовите заболявания и патологиите на скелетната система. В същото време много автори свързват остеопорозата с прогресията на атеросклерозата, включително калцификация на съдовите стени. При жени с остеопоротични фрактури се наблюдава увеличение на честотата на калцификация на аортната и коронарната артерия, чиято тежест корелира с намаляване на костната минерална плътност (КМП).

Проучванията на SO Song et al. разкриват връзка между намаляване на костната минерална плътност (КМП) на гръбначния стълб и проксималния фемур и повишаване на съдържанието на калций в коронарните артерии според електроннолъчева компютърна томография. M. Naves et al. установяват, че при жени с постменопаузална остеопороза, намаляването на КМП с едно стандартно отклонение от пиковата костна маса е свързано с повишен риск от обща смъртност с 43% и преждевременна смърт от сърдечно-съдова патология. Други проучвания също така установяват, че пациентите с намалена КМП са по-склонни да имат повишени концентрации на липиди в кръвта, да развият по-тежка коронарна атеросклероза и значително да увеличат риска от инсулт и миокарден инфаркт. Представените данни показват, че повишаването на честотата на остеопороза, ектопична калцификация и атеросклероза при едни и същи пациенти има обща патогенетична основа. Концепцията, че сърдечно-съдовите заболявания и остеопорозата са свързани чрез маркери, които едновременно засягат съдовите и костните клетки, е подкрепена от обширни експериментални изследвания.

Кандидат за ролята на такъв маркер е наскоро идентифицираният протеин остеопротегерин (OPG), който принадлежи към семейството на рецепторите за тумор некрозис фактор и е част от цитокиновата система RANKL-RANK-OPG.

[ 1 ], [ 2 ]

Костно ремоделиране и ролята на системата rankl-rank-opg

Остеопорозата е заболяване, основано на процесите на нарушения на костното ремоделиране с повишена костна резорбция и намален костен синтез. И двата процеса на образуване на костна тъкан са тясно свързани помежду си и са резултат от клетъчното взаимодействие на остеобластите (ОБ) и остеокластите (ОК), произхождащи от прекурсори на различни клетъчни линии: остеобласти - от мезенхимни стволови клетки, остеокласти - от макрофаго-моноцитни клетки на костния мозък. Остеобластите са мононуклеарни клетки, участващи в процеса на костно образуване и минерализация на клетките на костния матрикс. Остеобластите играят фундаментална роля в модулирането на костното ремоделиране и регулирането на метаболитната активност на други клетки на костната тъкан. Те секретират редица биологично активни вещества, чрез които влияят върху процеса на зреене на клетката-прекурсор на остеокластите, трансформирайки я в голяма многоядрена клетка, способна да участва в резорбцията, т.е. абсорбцията на костна тъкан, действайки само върху минерализираната кост, без да променя самата матрица на костната тъкан.

Съзряването и диференциацията на остеобластите се осъществяват под влиянието на различни специфични фактори, влияещи върху процеса на транскрипция, най-важният от които е протеинът Cbfal (core-binding factor oil; известен също като runt related transkription factor 2; RUNX2). При мишки с дефицит на Cbfal/RUNX2 се наблюдава значително забавяне на процеса на образуване на костна тъкан и не се наблюдава съзряване на остеобласти. За разлика от това, прилагането на рекомбинантен Cbfal на животни причинява експресия на гени, присъщи на остеобластите, в неостеогенни клетки. Значителната роля, която Cbfal/RUNX2 играе в диференциацията и съзряването на остеобластите, се проявява и в способността на протеина да регулира функцията на много гени, участващи в синтеза на протеини на костната тъкан: колаген тип 1, остеопонтин (OPN), остеокалцин и сиалопротеин. Растежът и функционалният капацитет на остеобластите също се влияят от паракринни и/или автокринни фактори, регулиращи активността на интрануклеарните транскрипционни процеси, синтеза на OPN и остеокалцин. Те включват редица клетъчни растежни фактори, цитокинови модулатори и хормонални биологично активни вещества. Предположението, че активирането и регулирането на ремоделирането на костната тъкан са следствие от взаимодействието на остеобластите и остеокластите, е потвърдено в множество изследователски проучвания. Значителен напредък в разбирането на процесите на костно ремоделиране е постигнат с откриването на цитокиновата RANKL-RANK-OPG система, която играе ключова роля във формирането, диференциацията и активността на остеокластите. Откриването на тази система се превръща в крайъгълен камък за разбирането на патогенезата на остеопорозата, остеокластогенезата и регулирането на костната резорбция, както и на други процеси, участващи в локалното костно ремоделиране. Регулацията на остеокластогенезата се осъществява главно от два цитокина: лиганд на рецепторния активатор на ядрения фактор капа-B (RANKL) и OPG на фона на пермисивното действие на макрофагния колонистимулиращ фактор (M-CSF).

RANKL е гликопротеин, произвеждан от остеобластни клетки, активирани Т-лимфоцити, който принадлежи към суперсемейството лиганди на тумор некрозис фактора (TNF) и е основният стимул за съзряване на остеокластите. Молекулярната основа на междуклетъчните взаимодействия, включващи RANKL-RANK-OPG системата, може да бъде представена по следния начин: RANKL, експресиран на повърхността на остеобластите, се свързва с RANK рецептора, разположен върху мембраните на OC прекурсорни клетки и индуцира процеса на диференциация и активиране на остеокластите. Едновременно с това, костният мозък и OB стволовите клетки освобождават M-CSF. Този полипептиден растежен фактор, взаимодействайки с неговия високоафинитетен трансмембранен рецептор (c-fms), активира вътреклетъчната тирозин киназа, стимулирайки пролиферацията и диференциацията на остеокластната прекурсорна клетка. Пролиферативната активност на M-CSF значително се увеличава, когато OB е изложен на паратироиден хормон, витамин D3, интерлевкин 1 (IL-1), TNF и, обратно, намалява под влиянието на естрогени и OPG. Естрогените, взаимодействайки с вътреклетъчните ОВ рецептори, повишават пролиферативната и функционалната активност на клетката, като едновременно с това намаляват функцията на остеокластите, стимулирайки производството на OPG от остеобластите. OPG е разтворим рецептор за RANKL, синтезиран и освобождаван от остеобластни клетки, както и от стромални клетки, съдови ендотелни клетки и В лимфоцити. OPG действа като ендогенен рецептор-примамка за RANKL, блокирайки взаимодействието му със собствения му рецептор (RANK) и по този начин инхибира образуването на зрели многоядрени остеокластни клетки, нарушавайки процеса на остеокластогенеза, намалявайки активността на резорбция на костната тъкан. Синтезиран и освобождаван от ОВ клетки, RANKL е специфичен фактор, необходим за развитието и функционирането на ОК. RANKL взаимодейства със своя тропичен рецептор RANK върху мембраната на клетката-прекурсор на ОК (общ прекурсор за остеокластите и моноцитите/макрофагите), което води до вътреклетъчни каскадни геномни трансформации. RANK влияе върху ядрения фактор капа-B (NF-kB) чрез рецептор-асоциирания протеин TRAF6, който активира и премества NF-kB от цитоплазмата към клетъчното ядро.

Натрупването на активиран NF-kB увеличава експресията на NFATcl протеина, който е специфичен спусък, стартиращ процеса на транскрипция на вътреклетъчни гени, формиращи процеса на остеокластогенеза. Диференцираният остеокласт заема определена позиция върху костната повърхност и развива специализиран цитоскелет, който му позволява да създаде изолирана резорбционна кухина, микросреда между остеокластите и костта. Мембраната на ОК, обърната към кухината, образувана от клетката, образува множество гънки, придобива гофриран вид, което значително увеличава резорбционната повърхност. Микросредата на създадената резорбционна кухина се подкиселява чрез електрогенно изпомпване на протони в нея. Вътреклетъчното pH на ОК се поддържа с участието на карбоанхидраза II чрез обмен на HCO3/Cl йони през антирезорбционната мембрана на клетката. Йонизиран хлор прониква в резорбционната микрокухина през анионните канали на гофрираната резорбционна мембрана, в резултат на което pH в кухината достига 4,2-4,5. Киселинната среда създава условия за мобилизиране на костната минерална фаза и формира оптимални условия за разграждане на органичната матрица на костната тъкан с участието на катепсин К, ензим, синтезиран и освобождаван в резорбционната кухина от "киселинните везикули" на OK. Повишената експресия на RANKL директно води до активиране на костната резорбция и намаляване на костната костна минерална маса (BMD) в скелета. Въвеждането на рекомбинантен RANKL доведе до развитие на хиперкалцемия до края на първия ден, а до края на третия - до значителна загуба на костна маса и намаляване на BMD. Балансът между RANKL и OPG всъщност определя количеството на резорбираната кост и степента на промяна в BMD. Експерименти с животни показват, че повишената експресия на OPG при мишки води до увеличаване на костната маса, остеопетроза и се характеризира с намаляване на броя и активността на остеокластите. За разлика от това, когато OPG генът е изключен, се наблюдава намаляване на BMD, значително увеличение на броя на зрелите, многоядрени остеокласти, намаляване на костната плътност и поява на спонтанни фрактури на прешлените.

Подкожното приложение на рекомбинантен OPG на мишки в доза от 4 mg/kg/ден в продължение на една седмица възстановява показателите на BMD. В модела на адювантен артрит при плъхове, приложението на OPG (2,5 и 10 mg/kg/ден) в продължение на 9 дни в началния етап на патологичния процес блокира RANKL функцията и предотвратява загубата на костна и хрущялна тъканна маса. Експериментите показват, че функцията на OPG се състои главно в намаляване или значително „изключване“ на ефектите, причинени от RANKL. Понастоящем е очевидно, че поддържането на връзката между RANKL и OPG е важно условие за поддържане на баланса между костната резорбция и образуването. Конюгацията на тези два процеса, относителните концентрации на RANKL и OPG в костната тъкан, определят основните детерминанти на костната маса и здравина. След откриването на системата RANKL-RAMK-OPG като краен път за образуване и диференциация на остеокластите, много изследователи потвърждават водещата роля на този клетъчен и молекулярен механизъм в патогенезата на остеопорозата.

Ролята на цитокиновата система rankl-rank-opg в процеса на съдова калцификация

Предположението за наличието на обща патогенетична основа за остеопорозата и атеросклерозата, известно сходство между механизмите на развитие на остеопорозата и съдовата калцификация, се потвърждава от много експериментални и клинични наблюдения. Доказано е, че костните и съдовите тъкани имат много идентични свойства както на клетъчно, така и на молекулярно ниво. Костната тъкан и костният мозък съдържат ендотелни клетки, преостеобласти и остеокласти - производни на моноцити, като всички те са и нормални компоненти на клетъчните популации на съдовата стена. Както костната тъкан, така и стената на артериалните съдове в условията на атеросклеротичен процес съдържат OPN, остеокалцин, морфогенетичен костен протеин, матричен Gla-протеин, колаген тип I и матрични везикули. В патогенезата на атеросклерозата и ОП участват моноцитите, които се диференцират в макрофаги с пенеста цитоплазма в съдовата стена и в остеокласти в костната тъкан. В съдовата стена има клетъчни елементи, които се диференцират в остеобласти в съответствие с етапите на образуване на костния OB, произвеждайки минералния компонент на костта.

От фундаментално значение е фактът, че RANKL-RANK-OPG цитокиновата система, инициирайки остеобластогенезата и остеокластогенезата в костната тъкан, индуцира, наред с други неща, диференциацията на остеобластите и остеоартричните клетки (OC), както и процеса на минерализация на съдовата стена. Сред компонентите на тази система, директно показващи съществуването на връзка между остеопорозата и атеросклерозата, OPG привлича най-голямо внимание на изследователите. Известно е, че OPG се експресира не само от клетките на костната тъкан, но и от сърдечно-съдовите клетки: миокардиоцити, гладкомускулни клетки на артерии и вени и съдови ендотелни клетки. OPG е модулатор на съдовата калцификация, което е потвърдено в експерименталната работа на S. Moropu et al., проведена върху интактни мишки и животни с нарушение/липса на гена, осигуряващ експресията на OPG. Установено е, че мишките с нарушена способност за синтезиране на OPG (OPG-/-), за разлика от контролната група животни, показват активиране на процеса на артериална калцификация в комбинация с развитието на остеопороза и множествени костни фрактури. Напротив, въвеждането на гена, който го синтезира, при животни с недостатъчна експресия на OPG допринесе за потискане както на процеса на костна резорбция, така и на съдовата калцификация.

Възпалението играе ключова роля във всички етапи на развитие на атеросклерозата, съпроводено със значително повишаване на концентрацията на маркери на възпаление в кръвната плазма - цитокини (интерлевкин-1, α-TNF), които от своя страна индуцират костна резорбция. Според възпалителния характер на развитието на атеросклерозата, експресията и освобождаването на OPG в кръвния поток и околните тъкани от ендотелните клетки и гладкомускулните клетки на съдовете се осъществяват под влиянието на гореспоменатите провъзпалителни фактори. За разлика от стромалните клетки, ендотелните клетки и гладкомускулната тъкан на съдовете не реагират на промените в съдържанието на витамин D3 или паратироиден хормон (PTH) в кръвната плазма чрез увеличаване на синтеза и освобождаването на OPG. OPG предотвратява индуцираната от витамин D3 ектопична калцификация в съдовете, като едновременно с това увеличава съдържанието на OPN, основният неколагенен матричен протеин на костите, който действа като инхибитор на съдовата минерализация и като спусък за синтеза и освобождаването на OPG от ендотелните и гладкомускулните клетки. OPN, инхибиращ процеса на образуване на хидроксиапатитна матрица (in vitro) и съдова калцификация (in vivo), се синтезира и освобождава в достатъчно високи концентрации от гладкомускулните клетки на медията на съдовата стена и от макрофагите на интимата. Синтезът на OPN се осъществява в области с преобладаваща минерализация на съдовата стена и се регулира от провъзпалителни и остеогенни фактори. Заедно с avb3 интегрина, синтезиран от ендотелни клетки в местата на атерогенезата, OPN причинява NF-kB-зависимия ефект на OPG върху поддържането на целостта на ендотелните клетки. По този начин, повишените плазмени и съдови концентрации на OPG, наблюдавани при сърдечно-съдови заболявания, могат да бъдат следствие от активността на ендотелните клетки както под влиянието на възпалителни маркери, така и в резултат на механизма OPN/avb3-HHTerpnHOBoro.

Активирането на NF-kB в макрофагите на артериалната стена и в TC също е един от важните механизми, свързващи остеопорозата и атеросклерозата. Повишената активност на NF-kB се получава в резултат на действието на цитокини, освобождавани от активирани Т-клетки в съдовата интима, което допринася за повишаване на активността на серин/треонин киназата (Akt, протеин киназа B), важен фактор за функцията, на първо място, на съдовите ендотелни клетки.

Установено е, че в резултат на повишената активност на протеин киназа B се наблюдава стимулиране на eNOS и повишен синтез на азотен оксид (NO), участващ в механизма за поддържане на целостта на ендотелните клетки. Подобно на OPG, синтезът и освобождаването на RANKL от ендотелните клетки се осъществява под влиянието на възпалителни цитокини, но не в резултат на действието на витамин D3 или PTH, които са способни да повишат концентрацията на RANKL в OB или стромални клетки.

Увеличението на концентрацията на RANKL в артериалните и венозните съдове се постига и в резултат на инхибиторния ефект на трансформиращия растежен фактор (TGF-Pj) върху процеса на експресия на OPG, чието съдържание е значително намалено под влиянието на този фактор. Той има многопосочен ефект върху съдържанието на RANKL в костите и съдовете: в костната тъкан TGF-Pj насърчава експресията на OPG-OB и в резултат на това OPG, свързвайки се с RANKL, намалява неговата концентрация и активност на остеокластогенеза. В стените на кръвоносните съдове TGF-Pj увеличава съотношението RANKL/OPG и вследствие на това съдържанието на RANKL, взаимодействайки със своя RANK рецептор на повърхността на ендотелните клетъчни мембрани с участието на вътреклетъчни сигнални системи, стимулира остеогенезата на съдовите клетки, активира процеса на калцификация, пролиферация и клетъчна миграция, както и ремоделиране на матрикса. Резултатът от новата концепция, базирана на съвременното разбиране за клетъчния и молекулярния механизъм на костното ремоделиране при остеопороза и процеса на атеросклероза, и изясняването на водещата роля на цитокиновата RANKL-RANK-OPG система в осъществяването на тези заболявания, беше синтезът на лекарство от ново поколение - денозумаб. Денозумаб (Prolia; Amgen Incorporation) е специфично човешко моноклонално антитяло с висока степен на тропизъм към RANKL, блокиращо функцията на този протеин. Многобройни лабораторни и клинични проучвания са установили, че денозумаб, демонстрирайки висока способност да намалява RANKL активността, значително забавя и отслабва степента на костна резорбция. В момента денозумаб се използва като лекарство от първа линия, заедно с бифосфонати, при пациенти със системна остеопороза за предотвратяване на костни фрактури. В същото време, S. Helas et al. установиха инхибиторния ефект на денозумаб върху способността на RANKL да осъществява процеса на съдова калцификация. По този начин, получените данни откриват нови възможности за забавяне на прогресията на остеопорозата и съдовата атеросклероза, предотвратяване на развитието на сърдечно-съдови усложнения при остеопороза и запазване на здравето и живота на пациентите.

С. Сагаловски, Рихтер. Патофизиологично единство на развитието на остеопороза и атеросклероза на съдовете // Международно медицинско списание - № 4 - 2012