Възстановяване на ставния хрущял и растежни фактори в патогенезата на остеоартрита

Благодарение на напредъка на биотехнологиите, по-специално на технологията за клониране, списъкът с растежни фактори, които, бидейки анаболни фактори, играят важна, но не напълно изяснена роля в патогенезата на остеоартрита, напоследък интензивно се разширява.

Първата група растежни фактори, разгледани по-долу, са IGF-ите. Те се намират в големи количества в кръвния серум и имат редица общи свойства с инсулина. IGF-2 е по-типичен за ембрионалния стадий на развитие, докато IGF-1 е доминиращият представител на групата при възрастни. И двата представители на тази група действат чрез свързване с IGF тип I рецептори. Докато функцията на IGF-2 остава неизвестна, значението на IGF-1 вече е определено - той е способен да стимулира синтеза на протеогликани от хондроцитите и значително да инхибира катаболните процеси в ставния хрущял. IGF-1 е основният анаболен стимул за синтеза на протеогликани от хондроцитите, присъстващ в кръвния серум и синовиалната течност. IGF-1 е важен фактор за култивиране на хондроцити в експериментални модели на остеоартроза in vitro. Предполага се, че IGF-1 навлиза в синовиалната течност от кръвната плазма. Освен това, нормалните хондроцити произвеждат и двата фактора - експресия на IGF-1 и IGF-2 е открита в синовиалната мембрана и хрущяла на пациенти с остеоартроза. В нормалния хрущял IGF-1 няма митогенни свойства, но е способен да стимулира клетъчната пролиферация в увредения матрикс, което показва участие в репаративните процеси.

Биологично активни вещества, които стимулират репарацията и инхибират разграждането на ставния хрущял

• Инсулин
• Гама интерферон
• Соматотропен хормон, андрогени
• Соматомедини (IPF-1 и -2)
• TGF-бета (тъканен растежен фактор)
• Тромбоцитен растежен фактор
• Основен фибробластен растежен фактор
• ЕФР
• IL-1 рецепторен антагонист
• TNF-α-свързващи протеини
• Тъканни инхибитори на металопротеиназите
• a2 _- макроглобулин
• ай-антитрипсин
• RG-макроглобулин
• Rg-антихимотрипсин

Действията на IGF-1 и IGF-2 се контролират от различни IGF-свързващи протеини (IGF-BP), които също се произвеждат от хондроцити. IGF-BP може да действа като носител и също така да има IGF-блокираща активност. Клетки, изолирани от ставния хрущял на пациенти с остеоартроза, произвеждат прекомерни количества IGF-BP, което показва, че те блокират ефектите на IGF. J. Martel-Pelletier et al. (1998) показват, че въпреки че синтезът на IGF-1 в хрущяла се увеличава при остеоартроза, хондроцитите реагират слабо на стимулация с IGF-1. Оказа се, че това явление е свързано (поне отчасти) с повишаване на нивото на IGF-BP. IGF-BP има висок афинитет към IGF и е важен биомодулатор на неговата активност. Към днешна дата са изследвани седем вида IGF-BP, а дисрегулацията на IGF-BP-3 и IGF-BP-4 играе важна роля при остеоартрит.

Друга категория растежни фактори, които проявяват различни ефекти върху хондроцитите, включват тромбоцитния растежен фактор (PDGF), FGF и TGF-бета. Тези фактори се произвеждат не само от хондроцитите, но и от активираните синовоцити. FGF има както анаболни, така и катаболни свойства в зависимост от концентрацията и състоянието на ставния хрущял. PDGF участва в поддържането на хомеостазата на извънклетъчната мембрана (ECM) на ставния хрущял, без да притежава очевидни митогенни свойства. Известно е, че този растежен фактор усилва синтеза на протеогликани и намалява тяхното разграждане.

TGF-бета е от особен интерес заради ролята си в патогенезата на остеоартрита. Той е член на голямото суперсемейство TGF и споделя функционални и сигнални свойства с наскоро откритите растежни фактори BMP (костен морфогенетичен протеин).

TGF-бета е плейотропен фактор: от една страна, той има имуносупресивни свойства, а от друга страна, е хемотаксичен фактор и мощен стимулатор на пролиферацията на фибробласти. Уникални свойства на TGF-бета са способността му да инхибира освобождаването на ензими от различни клетки и значително да увеличава производството на ензимни инхибитори (например, TIMP). TGF-бета се счита за важен регулатор на тъканното увреждане, дължащо се на възпаление. По този начин, в ставната хрущялна тъкан, TGF-бета значително стимулира производството на матрикс от хондроцити, особено след предварително излагане на този фактор. Нормалният хрущял е нечувствителен към TGF-бета. При пациенти с остеоартрит, TGF-β стимулира производството на агрекан и малки протеогликани в ставния хрущял.

TGF-бета се произвежда от много клетки, особено хондроцити. Той се освобождава в латентна форма, свързан със специален протеин, наречен латентно-асоцииран протеин (LAP). Дисоциацията от този протеин се осъществява чрез протеази, които се произвеждат в големи количества във възпалените тъкани. Освен TGF-бета, който се произвежда от активирани клетки, запасите от латентната форма на този фактор са важен елемент от реактивността на TGF-бета в тъканите след локално увреждане. TGF-бета присъства в значителни количества в синовиалната течност, синовиалната мембрана и хрущяла на ставата, засегната от остеоартроза. В области на увредена тъкан с възпалителни инфилтрати се открива коекспресия на TNF и IL-1, докато в области с фиброза се открива само експресия на TGF-бета.

Инкубирането на култивирани хондроцити от пациенти с остеоартрит с TGF-бета причинява значително повишаване на синтеза на протеогликани от тези клетки. Стимулирането на нормални хондроцити с TGF-бета причинява повишаване на синтеза на протеогликани едва след много дни инкубация. Вероятно това време е необходимо, за да се промени клетъчният фенотип под влиянието на TGF-бета (например, за промяна в т.нар. компартментализация на протеогликани: новосъздадените протеогликани са локализирани само около хондроцитите).

Известно е, че активирането на синтеза на растежни фактори, по-специално TGF-бета, е важна връзка в патогенезата на бъбречната и чернодробната фиброза и образуването на белези по време на заздравяване на рани. Повишеното натоварване на хондроцитите in vitro води до хиперпродукция на TGF-бета, докато намаленият синтез на протеогликани след обездвижване на крайниците може да бъде компенсиран от TGF-бета. TGF-бета индуцира образуването на остеофити в маргиналната зона на ставите като механизъм за адаптация към промените в натоварването. IL-1, причинявайки умерен възпалителен процес в синовиалната обвивка в отговор на увреждане на ставите, насърчава образуването на хондроцити с променен фенотип, които произвеждат прекомерно количество.

Многократните локални инжекции с рекомбинантен TGF-бета във високи концентрации доведоха до развитие на остеоартрит при мишки C57B1 - образуване на остеофити, което е характерно за човешката остеоартроза, и значителна загуба на протеогликани в зоната на „вълнообразната граница“.

За да се разбере как излишъкът от TGF-β причинява известните промени в хрущяла, е необходимо да се отбележи, че експозицията на TGF-β индуцира характерен хондроцитен фенотип с промяна в подкласа на синтезираните протеогликани и нарушаване на нормалната интеграция на ECM елементите. Както IGF-1, така и TGF-β стимулират синтеза на протеогликани от хондроцити, култивирани в алгинат, но последният също така индуцира така наречената компартментализация на протеогликани. Освен това, беше установено, че TGF-β повишава нивото на колагеназа-3 (MMP-13) в активираните хондроцити, което противоречи на общата идея за TGF-β като фактор, който, напротив, намалява освобождаването на деструктивни протеази. Не е известно обаче дали индуцираният от TGF-β синтез на MMP-13 участва в патогенезата на остеоартрит. TGF-β не само стимулира синтеза на протеогликани, но и насърчава тяхното отлагане в връзките и сухожилията, увеличавайки сковаността и намалявайки обхвата на движение в ставите.

BMP са членове на суперсемейството TGF-бета. Някои от тях (BMP-2, BMP-7 и BMP-9) имат свойството да стимулират синтеза на протеогликани от хондроцитите. BMP упражняват своите ефекти чрез свързване със специфични рецептори на клетъчната повърхност; сигналните пътища на TGF-бета и BMP се различават леко. Подобно на TGF-бета, BMP сигнализират чрез серин/треонин киназен рецепторен комплекс тип I и II. В този комплекс рецепторът тип II е транс-фосфорилиран и активира рецептора тип I, който предава сигнала на сигнални молекули, наречени Smad. След получаване на сигнала, Smad бързо се фосфорилират. Понастоящем е известно, че в сигналния път на BMP, Smad-1, -5 и -8 се фосфорилират, а в сигналния път на TGF-бета, Smad-2 и Smad-3 се фосфорилират. След това посочените Smad се свързват със Smad-4, което е общо за сигналните пътища на всички членове на суперсемейството TGF-бета. Този факт обяснява наличието на кръстосани функции в членовете на суперсемейството TGF-бета, както и феномена на взаимно инхибиране на сигналните пътища на TGF-бета и BMP чрез конкуренция за общи компоненти. Неотдавна беше идентифициран друг клас Smad протеини, който е представен от Smad-6 и -7. Тези молекули действат като регулатори на сигналните пътища на TGF-бета и BMP.

Въпреки факта, че стимулиращият ефект на CMP върху синтеза на протеогликани е известен отдавна, тяхната роля в регулирането на функцията на ставния хрущял остава спорна поради известната способност на CMP да причинява клетъчна дедиференциация, да стимулира калцификацията и образуването на костна тъкан. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) показват, че взаимодействието на CMP с CMP рецептора тип II е необходимо за поддържане на диференцирания фенотип на хондроцитите, както и за контролиране на тяхната пролиферация и хипертрофия. Според LZ Sailor et al. (1996), CMP-2 поддържа фенотипа на хондроцитите в култура в продължение на 4 седмици, без да причинява тяхната хипертрофия. CMP-7 (идентичен с остеогенния протеин-1) поддържа фенотипа на зрели хондроцити на ставния хрущял, култивирани в алгинат, за дълго време.

Въвеждането на KMP-2 и -9 в коленните стави на мишки увеличи синтеза на протеогликани с 300%, значително повече от TGF-бета. Стимулиращият ефект обаче беше временен и след няколко дни нивото на синтез се върна до първоначалното си ниво. TGF-бета предизвика по-дългосрочна стимулация на синтеза на протеогликани, което вероятно се дължи на автоиндукция на TGF-бета и сенсибилизация на хондроцитите към този фактор.

TGF-бета е отговорен за образуването на хондрофити, което може да се счита за нежелан ефект от действието му, KMP-2 също насърчава образуването на хондрофити, но в различна област на ставния ръб (главно в областта на растежната плочка).

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

Морфогенетични протеини на хрущяла

Хрущялните морфогенетични протеини (CMP-1 и -2) са други членове на суперсемейството TGF-бета, които са от съществено значение за образуването на хрущялна тъкан по време на развитието на крайниците. Мутациите в гена CMP-1 причиняват хондродисплазия. CMP може да имат по-селективен, насочен към хрущяла профил. Въпреки че TGF-бета и CMP могат да стимулират хондроцитите, те могат да действат върху много други клетки, така че използването им за възстановяване на хрущяла може да е свързано със странични ефекти. И двата вида CMP се намират в хрущяла на здрави и остеоартритни стави и насърчават възстановяването на извънклетъчната мембрана на ставния хрущял след ензимно разграждане, поддържайки нормален фенотип.

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

Синергизъм на растежните фактори

Един растежен фактор е способен да индуцира самоиндуцирането си, както и други растежни фактори, като това взаимодействие е фино регулирано. Например, FGF, заедно с други растежни фактори, осигурява по-ефективно възстановяване на ставния хрущял след травматичен дефект. IGF-1, заедно с TGF-бета, значително индуцират нормалния фенотип на хондроцитите при култивирането им in vitro. Доказано е, че TGF-бета предотвратява производството на IGF-1 и IGF-BP, а също така дефосфорилира IGF-1 рецептора, стимулирайки свързването с IGF-1. В непокътнат миши хрущял е установен феноменът на синергизъм на IGF-1 с много растежни фактори. Слабият отговор на хондроцитите към IGF-1 обаче не може да бъде нивелиран чрез използването му в комбинация с други растежни фактори.

Взаимодействие на анаболни и деструктивни цитокини

Растежните фактори проявяват сложни взаимодействия с IL-1. Например, предварителното излагане на хондроцитите на FGF увеличава освобождаването на протеаза след излагане на IL-1, вероятно чрез повишена експресия на IL-1 рецептор. PDGF също стимулира IL-1-зависимото освобождаване на протеаза, но намалява IL-1-медиираното инхибиране на синтеза на протеогликани. Това може да показва, че някои растежни фактори могат едновременно да стимулират възстановяването на хрущяла и да насърчават неговото разрушаване. Други растежни фактори, като IGF-1 и TGF-β, стимулират синтеза на ставния матрикс и инхибират IL-1-медиираното разрушаване на ставния хрущял, което показва, че тяхната активност е свързана само с възстановяването на тъканите. Това взаимодействие е независимо от предварителното излагане на хондроцитите на IL-1. Интересно е, че кинетиката на ефектите на IL-1 и TGF-β може да е различна: способността на TGF-β да потиска разграждането на ставния хрущял е отслабена от бавното му действие върху TIMP mRNA. От друга страна, се наблюдава повишаване на нивата на hNOC и NO при отсъствие на TGF-β. Като се има предвид NO-зависимостта на супресивния ефект на IL-1 върху синтеза на протеогликани от хондроцити, това може да обясни защо наблюдаваме значително по-силно противодействие на TGF-бета на IL-1-зависимото инхибиране на синтеза на протеогликани в сравнение с разграждането на протеогликани in vivo.

В проучване върху мишки, инжектирани интраартикуларно с IL-1 и растежни фактори, беше демонстрирано, че TGF-бета значително противодейства на IL-1-медиираното инхибиране на синтеза на протеогликани в ставния хрущял, докато CMP-2 не е способен на такова противодействие: неговият стимулиращ потенциал е напълно инхибиран от IL-1 дори при високи концентрации на CMP-2. Забележително е, че при липса на IL-1, CMP-2 стимулира синтеза на протеогликани много по-интензивно от TGF-бета.

В допълнение към ефекта си върху синтеза на протеогликани, TGF-бета също така влияе значително върху индуцираното от IL-1 намаляване на съдържанието на протеогликани в хрущяла. Възможно е съдържанието на протеогликан да намалява или да се увеличава в зависимост от относителната концентрация на IL-1 и TGF-бета. Интересното е, че описаното по-горе противодействие на IL-1 и TGF-бета е наблюдавано в дебелината на хрущяла, но това явление не е наблюдавано в близост до хондрофити по краищата на ставните повърхности. Образуването на хондрофити се индуцира от TGF-β, който засяга хондрогенните клетки в периоста, причинявайки развитието на хондробласти и отлагане на протеогликани. Очевидно тези хондробласти не са чувствителни към IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) изследват способността на TGF-β и KMP-2 да противодействат на потискането на синтеза на протеогликани в ставите на мишки с артрит, индуциран от зимозан (т.е. в модел на „чисто“ възпаление, индуцирано от IL-1). Вътреартикуларното приложение на TGF-β значително противодейства на потискането на синтеза на протеогликани, причинено от възпаление, докато KMP-2 на практика не е в състояние да противодейства на този IL-1-зависим процес. Многократните инжекции на TGF-β в колянната става на изследваните животни значително стимулират синтеза на протеогликани от хондроцитите, допринасят за запазването на съществуващите протеогликани в хрущяла, изчерпан от възпалението, но не потискат възпалителния процес.

При изучаване на протеогликаносинтезиращата функция на хондроцитите, използвайки експериментални модели на остеоартроза при животни, винаги е наблюдавано повишаване на съдържанието и стимулиране на синтеза на протеогликани в ранните стадии на остеоартрит, за разлика от възпалителните модели, при които се наблюдава значително инхибиране на синтеза (IL-1-зависим процес). Повишената активност на анаболните фактори, по-специално растежните фактори, която се наблюдава при остеоартроза, неутрализира ефекта на такива супресорни цитокини като IL-1. Сред растежните фактори TGF-бета е от най-голямо значение; KMP-2 е малко вероятно да играе съществена роля в този процес. Въпреки че IGF-1 е способен да стимулира синтеза на протеогликани in vitro, това свойство не се наблюдава in vivo при локално приложение на IGF-1. Това може да се дължи на факта, че ендогенното ниво на този растежен фактор е оптимално. В по-късните стадии на остеоартрит се появяват признаци на инхибиране на синтеза на протеогликани, което вероятно е свързано с доминиращото действие на IL-1 и неспособността на растежните фактори да му противодействат поради намалена активност.

Анализът на експресията на растежни фактори при STR/ORT мишки със спонтанна остеоартрит демонстрира повишени нива на mRNA на TGF-β и IL-1 в увредения хрущял. Трябва да се отбележи, че активирането на TGF-β от латентната форма е важен елемент от тъканното възстановяване. Разбирането на ролята на TGF-β е усложнено от резултатите от проучване на експресията на TGF-β тип II рецептор при зайци с ACL. Веднага след индуциране на остеоартрит бяха открити намалени нива на тези рецептори, което показва недостатъчна TGF-β сигнализация. Интересното е, че мишки с дефицит на TGF-β рецептор тип 11 показаха признаци на спонтанна остеоартрит, което също показва важна роля на TGF-β сигнализацията във влошаването на хрущялното възстановяване и развитието на остеоартрит.

Абсолютното съдържание на растежни фактори в ставите на пациенти с ревматоиден артрит или остеоартроза може да показва възможната им роля в патогенезата на тези заболявания. Въпреки факта, че в ставите с остеоартроза и ревматоиден артрит се откриват високи концентрации на растежни фактори, естеството на процесите на разграждане и репарация при двете заболявания е напълно различно. Вероятно има други, все още неидентифицирани фактори, които играят основна роля в патогенезата на тези заболявания, или други аспекти на изследваните явления определят хода на процесите на разграждане и репарация в ставните тъкани (например експресията на определени рецептори на повърхността на хондроцитите, разтворими рецептори, които свързват протеини, или дисбаланс на анаболни и деструктивни фактори).