Patofiziološko jedinstvo razvoja osteoporoze i vaskularne ateroskleroze

U strukturi smrtnosti stanovništva razvijenih zemalja vodeće mjesto zauzimaju bolesti krvožilnog sustava. Kardiovaskularne bolesti (arterijska hipertenzija, ishemijska bolest srca, infarkt miokarda), koje se temelje na aterosklerozi, s pravom se nazivaju epidemijom 21. stoljeća.

Prema WHO-u, u svijetu svake godine od kardiovaskularnih bolesti umire preko 17 milijuna ljudi, a do 2015. godine broj smrtnih slučajeva povećat će se na 20 milijuna. Uz to, jedan od vodećih uzroka funkcionalne insuficijencije i gubitka radne sposobnosti u odrasloj populaciji je osteoporoza (OP) - najpoznatija i najčešća bolest koštanog sustava u svijetu s prevalencijom povezanom sa starenjem. Osteoporoza je multifaktorijalna poligena bolest skeleta, koja je najčešći oblik metaboličke osteopatije. Bolest karakterizira gubitak koštane mase, poremećaj njihove mikroarhitekture (uništavanje trabekula), smanjenje čvrstoće i prati je visok rizik od prijeloma.

Upravo su prijelomi, od kojih su najteži prijelomi vrata bedrene kosti i radijusa u donjoj trećini podlaktice, ti koji određuju medicinski i medicinsko-socijalni značaj bolesti, uključujući povećanu smrtnost i značajne ekonomske gubitke povezane s njima. Posebnost osteoporoze je u tome što ova bolest uglavnom pogađa starije i stare osobe. Značajan porast incidencije osteoporoze, uočen od druge polovice 20. stoljeća, prirodno odražava demografske promjene koje se događaju u populaciji, a manifestiraju se starenjem stanovništva u svim industrijaliziranim zemljama svijeta. Brojne epidemiološke studije provedene u posljednje vrijeme u svijetu i Europi ukazuju na pozitivnu korelaciju između kardiovaskularnih bolesti i patologija koštanog sustava. Istodobno, mnogi autori povezuju osteoporozu s progresijom ateroskleroze, uključujući kalcifikaciju stijenki krvnih žila. Kod žena s osteoporotičnim prijelomima uočen je porast incidencije kalcifikacije aorte i koronarnih arterija, čija je težina korelirala sa smanjenjem gustoće kostiju (BMD).

Studije SO Songa i suradnika otkrile su vezu između smanjenja BMD-a kralježnice i proksimalnog femura te povećanja sadržaja kalcija u koronarnim arterijama prema kompjuteriziranoj tomografiji elektronskim snopom. M. Naves i suradnici otkrili su da je kod žena s postmenopauzalnom osteoporozom smanjenje BMD-a za jednu standardnu devijaciju od vršne koštane mase povezano s povećanim rizikom od ukupne smrtnosti za 43% i prerane smrti od kardiovaskularne patologije. Druge studije također su otkrile da pacijentice sa smanjenjem BMD-a imaju veću vjerojatnost povećanja koncentracije lipida u krvi, razvoja teže koronarne ateroskleroze te značajno povećanja rizika od moždanog udara i infarkta miokarda. Prikazani podaci upućuju na to da povećanje incidencije osteoporoze, ektopične kalcifikacije i ateroskleroze kod istih pacijenata ima zajedničku patogenetsku osnovu. Koncept da su kardiovaskularne bolesti i osteoporoza povezane putem biljega koji istovremeno utječu na vaskularne i koštane stanice podržan je opsežnim eksperimentalnim studijama.

Kandidat za ulogu takvog markera je nedavno identificirani protein osteoprotegerin (OPG), koji pripada obitelji receptora faktora tumorske nekroze i dio je citokinskog sustava RANKL-RANK-OPG.

[ 1 ], [ 2 ]

Pregradnja kostiju i uloga rank-rank-opg sustava

Osteoporoza je bolest koja se temelji na procesima poremećaja pregradnje kostiju s povećanom resorpcijom kostiju i smanjenom sintezom kostiju. Oba procesa stvaranja koštanog tkiva usko su povezana i rezultat su stanične interakcije osteoblasta (OB) i osteoklasta (OC), koji potječu od prekursora različitih staničnih linija: osteoblasti - od mezenhimalnih matičnih stanica, osteoklasti - od makrofagno-monocitnih stanica koštane srži. Osteoblasti su mononuklearne stanice uključene u proces stvaranja kostiju i mineralizacije stanica koštane matrice. Osteoblasti igraju temeljnu ulogu u modulaciji pregradnje kostiju i regulaciji metaboličke aktivnosti drugih stanica koštanog tkiva. Izlučuju niz biološki aktivnih tvari, putem kojih utječu na proces sazrijevanja stanice prekursora osteoklasta, transformirajući je u veliku višejezgrenu stanicu sposobnu sudjelovati u resorpciji, tj. apsorpciji koštanog tkiva, djelujući samo na mineraliziranu kost, bez promjene stvarne matrice koštanog tkiva.

Sazrijevanje i diferencijacija osteoblasta provode se pod utjecajem različitih specifičnih čimbenika koji utječu na proces transkripcije, od kojih je najvažniji protein Cbfal (ulje faktora vezanja jezgre; također poznat kao runt related transkripcijski faktor 2; RUNX2). Kod miševa s nedostatkom Cbfal/RUNX2 opaža se značajno usporavanje procesa stvaranja kostiju, a sazrijevanje OB stanica se ne opaža. Nasuprot tome, primjena rekombinantnog Cbfala životinjama uzrokuje ekspresiju gena svojstvenih osteoblastima u neosteogenim stanicama. Značajna uloga koju Cbfal/RUNX2 igra u diferencijaciji i sazrijevanju osteoblasta očituje se i u sposobnosti proteina da regulira funkciju mnogih gena uključenih u sintezu proteina koštanog tkiva: kolagena tipa 1, osteopontina (OPN), osteokalcina i sijaloproteina. Na rast i funkcionalni kapacitet OB-a utječu i parakrini i/ili autokrini čimbenici koji reguliraju aktivnost intranuklearnih transkripcijskih procesa, sintezu OPN-a i osteokalcina. To uključuje niz faktora rasta stanica, modulatora citokina i hormonskih biološki aktivnih tvari. Pretpostavka da su aktivacija i regulacija pregradnje koštanog tkiva posljedica interakcije osteoblasta i osteoklasta potvrđena je u brojnim istraživačkim studijama. Značajan napredak u razumijevanju procesa pregradnje kostiju postignut je otkrićem citokinskog RANKL-RANK-OPG sustava, koji igra ključnu ulogu u stvaranju, diferencijaciji i aktivnosti osteoklasta. Otkriće ovog sustava postalo je temelj za razumijevanje patogeneze osteoporoze, osteoklastogeneze i regulacije resorpcije kostiju, kao i drugih procesa uključenih u lokalno pregradnju kostiju. Regulaciju osteoklastogeneze provode uglavnom dva citokina: ligand receptora aktivatora nuklearnog faktora kappa-B (RANKL) i OPG na pozadini permisivnog djelovanja faktora stimulacije kolonija makrofaga (M-CSF).

RANKL je glikoprotein koji proizvode osteoblastične stanice, aktivirani T limfociti, a pripada superfamiliji liganda faktora tumorske nekroze (TNF) i glavni je poticaj za sazrijevanje osteoklasta. Molekularna osnova međustaničnih interakcija koje uključuju RANKL-RANK-OPG sustav može se prikazati na sljedeći način: RANKL eksprimiran na površini osteoblasta veže se za RANK receptor koji se nalazi na membranama OC prekursorskih stanica i potiče proces diferencijacije i aktivacije osteoklasta. Istovremeno, koštana srž i OB matične stanice oslobađaju M-CSF. Ovaj polipeptidni faktor rasta, u interakciji sa svojim visokoafinitetnim transmembranskim receptorom (c-fms), aktivira unutarstaničnu tirozin kinazu, stimulirajući proliferaciju i diferencijaciju prekursorske stanice osteoklasta. Proliferativna aktivnost M-CSF značajno se povećava kada je OB izložen paratireoidnom hormonu, vitaminu D3, interleukinu 1 (IL-1), TNF-u i, obrnuto, smanjuje se pod utjecajem estrogena i OPG-a. Estrogeni, u interakciji s unutarstaničnim OB receptorima, povećavaju proliferativnu i funkcionalnu aktivnost stanice, istovremeno smanjujući funkciju osteoklasta, stimulirajući proizvodnju OPG-a od strane osteoblasta. OPG je topljivi receptor za RANKL, koji sintetiziraju i oslobađaju osteoblastične stanice, kao i stromalne stanice, vaskularne endotelne stanice i B limfociti. OPG djeluje kao endogeni receptor mamac za RANKL, blokirajući njegovu interakciju s vlastitim receptorom (RANK), te tako inhibira stvaranje zrelih višejezgrenih osteoklastnih stanica, remeteći proces osteoklastogeneze i smanjujući aktivnost resorpcije koštanog tkiva. Sintetiziran i oslobođen od strane OB stanica, RANKL je specifičan faktor neophodan za razvoj i funkcioniranje OC-a. RANKL interagira sa svojim tropnim receptorom RANK na membrani prekursorske stanice OC-a (zajedničkog prekursora za osteoklaste i monocite/makrofage), što dovodi do unutarstaničnih kaskadnih genomskih transformacija. RANK utječe na nuklearni faktor kappa-B (NF-kB) putem proteina TRAF6 povezanog s receptorom, koji aktivira i translocira NF-kB iz citoplazme u staničnu jezgru.

Akumulacija aktiviranog NF-kB povećava ekspresiju NFATcl proteina, koji je specifičan okidač koji pokreće proces transkripcije unutarstaničnih gena koji tvore proces osteoklastogeneze. Diferencirani osteoklast zauzima određeni položaj na površini kosti i razvija specijalizirani citoskelet koji mu omogućuje stvaranje izolirane resorpcijske šupljine, mikrookruženja između osteoklasta i kosti. Membrana OC okrenuta prema šupljini koju tvori stanica formira mnogo nabora, poprima valoviti izgled, što značajno povećava površinu resorpcije. Mikrookruženje stvorene resorpcijske šupljine zakiseljeno je elektrogenim pumpanjem protona u nju. Unutarstanični pH OC-a održava se sudjelovanjem ugljične anhidraze II kroz izmjenu HCO3/Cl iona kroz antiresorptivnu membranu stanice. Ionizirani klor prodire u resorpcijsku mikrošupljinu kroz anionske kanale valovite resorpcijske membrane, što rezultira time da pH u šupljini doseže 4,2-4,5. Kisela okolina stvara uvjete za mobilizaciju mineralne faze kosti i formira optimalne uvjete za razgradnju organske matrice koštanog tkiva uz sudjelovanje katepsina K, enzima sintetiziranog i oslobađanog u resorpcijsku šupljinu pomoću "kiselih vezikula" OK. Povećana ekspresija RANKL-a izravno dovodi do aktivacije resorpcije kosti i smanjenja BMD-a skeleta. Uvođenje rekombinantnog RANKL-a dovelo je do razvoja hiperkalcemije do kraja prvog dana, a do kraja trećeg - do značajnog gubitka koštane mase i smanjenja BMD-a. Ravnoteža između RANKL-a i OPG-a zapravo određuje količinu resorbirane kosti i stupanj promjene BMD-a. Pokusi na životinjama pokazali su da povećana ekspresija OPG-a kod miševa dovodi do povećanja koštane mase, osteopetroze, a karakterizira je smanjenje broja i aktivnosti osteoklasta. Nasuprot tome, kada je gen OPG isključen, opaža se smanjenje BMD-a, značajno povećanje broja zrelih, višejezgrenih osteoklasta, smanjenje gustoće kostiju i pojava spontanih prijeloma kralježaka.

Potkožna primjena rekombinantnog OPG-a miševima u dozi od 4 mg/kg/dan tijekom tjedan dana obnovila je BMD indekse. U modelu adjuvantnog artritisa kod štakora, primjena OPG-a (2,5 i 10 mg/kg/dan) tijekom 9 dana u početnoj fazi patološkog procesa blokirala je RANKL funkciju i spriječila gubitak mase koštanog i hrskavičnog tkiva. Eksperimenti pokazuju da se funkcija OPG-a uglavnom sastoji u smanjenju ili značajnom "isključivanju" učinaka uzrokovanih RANKL-om. Trenutno je postalo očito da je održavanje odnosa između RANKL-a i OPG-a važan uvjet za održavanje ravnoteže između resorpcije i stvaranja kostiju. Konjugacija ova dva procesa, relativne koncentracije RANKL-a i OPG-a u koštanom tkivu određuju glavne odrednice koštane mase i čvrstoće. Od otkrića RANKL-RAMK-OPG sustava kao konačnog puta za stvaranje i diferencijaciju osteoklasta, mnogi istraživači potvrdili su vodeću ulogu ovog staničnog i molekularnog mehanizma u patogenezi osteoporoze.

Uloga citokinskog sustava rank-rank-opg u procesu vaskularne kalcifikacije

Pretpostavka o prisutnosti zajedničke patogenetske osnove za osteoporozu i aterosklerozu, određena sličnost između mehanizama razvoja osteoporoze i vaskularne kalcifikacije, potvrđena je mnogim eksperimentalnim i kliničkim opažanjima. Dokazano je da koštano i vaskularno tkivo imaju mnoga identična svojstva i na staničnoj i na molekularnoj razini. Koštano tkivo i koštana srž sadrže endotelne stanice, preosteoblaste i osteoklaste - derivate monocita, dok su svi oni ujedno i normalne komponente staničnih populacija vaskularne stijenke. I koštano tkivo i stijenka arterijskih žila u uvjetima aterosklerotskog procesa sadrže OPN, osteokalcin, morfogenetski koštani protein, matriksni Gla-protein, kolagen tip I i matriksne vezikule. U patogenezi ateroskleroze i OP-a, monociti su uključeni s diferencijacijom u makrofage s pjenastom citoplazmom unutar vaskularne stijenke i u osteoklaste u koštanom tkivu. U vaskularnoj stijenci postoje stanični elementi koji se diferenciraju u osteoblaste u skladu sa stadijima formiranja koštanog OB-a, proizvodeći mineralnu komponentu kosti.

Od temeljne je važnosti činjenica da RANKL-RANK-OPG citokinski sustav, inicirajući osteoblastogenezu i osteoklastogenezu u koštanom tkivu, inducira, između ostalog, diferencijaciju osteoblasta i osteoklastogeneze, kao i proces mineralizacije stijenke krvnih žila. Među komponentama ovog sustava, koje izravno ukazuju na postojanje veze između osteoporoze i ateroskleroze, OPG privlači najveću pozornost istraživača. Poznato je da OPG ne eksprimiraju samo stanice koštanog tkiva, već i kardiovaskularne stanice: miokardiociti, stanice glatkih mišića arterija i vena te vaskularne endotelne stanice. OPG je modulator vaskularne kalcifikacije, što je potvrđeno u eksperimentalnom radu S. Moropua i suradnika, provedenom na intaktnim miševima i životinjama s poremećajem/odsutnošću gena koji osigurava ekspresiju OPG-a. Utvrđeno je da miševi s oštećenom sposobnošću sinteze OPG-a (OPG-/-), za razliku od kontrolne skupine životinja, pokazuju aktivaciju procesa arterijske kalcifikacije u kombinaciji s razvojem osteoporoze i višestrukih prijeloma kostiju. Naprotiv, uvođenje gena koji ga sintetizira životinjama s nedovoljnom ekspresijom OPG-a pridonijelo je supresiji i procesa resorpcije kostiju i vaskularne kalcifikacije.

Upala igra ključnu ulogu u svim fazama razvoja ateroskleroze, popraćena značajnim povećanjem koncentracije upalnih markera u krvnoj plazmi - citokina (interleukin-1, α-TNF), koji pak potiču resorpciju kostiju. Prema upalnoj prirodi razvoja ateroskleroze, ekspresija i oslobađanje OPG-a u krvotok i okolna tkiva od strane endotelnih stanica i stanica glatkih mišića krvnih žila odvija se pod utjecajem gore navedenih proinflamatornih čimbenika. Za razliku od stromalnih stanica, endotelne stanice i tkivo glatkih mišića krvnih žila ne reagiraju na promjene u sadržaju vitamina D3 ili paratireoidnog hormona (PTH) u krvnoj plazmi povećanjem sinteze i oslobađanja OPG-a. OPG sprječava ektopičnu kalcifikaciju u žilama izazvanu vitaminom D3, istovremeno povećavajući sadržaj OPN-a, glavnog nekolagenog proteina matrice kostiju, koji djeluje kao inhibitor vaskularne mineralizacije i kao okidač za sintezu i oslobađanje OPG-a od strane endotelnih i stanica glatkih mišića. OPN, koji inhibira proces stvaranja hidroksiapatitne matrice (in vitro) i vaskularne kalcifikacije (in vivo), sintetiziraju se i oslobađaju u dovoljno visokim koncentracijama glatke mišićne stanice medija vaskularne stijenke i makrofagi intime. Sinteza OPN-a odvija se u područjima s pretežnom mineralizacijom vaskularne stijenke i regulirana je proinflamatornim i osteogenim čimbenicima. Zajedno s avb3 integrinom, koji sintetiziraju endotelne stanice na mjestima aterogeneze, OPN uzrokuje NF-kB-ovisan učinak OPG-a na održavanje integriteta endotelnih stanica. Dakle, povećane koncentracije OPG-a u plazmi i vaskularnim sustavima uočene kod kardiovaskularnih bolesti mogu biti posljedica aktivnosti endotelnih stanica i pod utjecajem upalnih markera i kao rezultat OPN/avb3-HHTerpnHOBoro mehanizma.

Aktivacija NF-kB u makrofagima arterijske stijenke i u TC također je jedan od važnih mehanizama koji povezuju osteoporozu i aterosklerozu. Povećana aktivnost NF-kB nastaje kao rezultat djelovanja citokina koje oslobađaju aktivirane T stanice u vaskularnoj intimi, što doprinosi povećanju aktivnosti serin/treonin kinaze (Akt, protein kinaza B), važnog čimbenika za funkciju, prije svega, vaskularnih endotelnih stanica.

Utvrđeno je da se kao rezultat povećane aktivnosti protein kinaze B opaža stimulacija eNOS-a i povećana sinteza dušikovog oksida (NO), uključenog u mehanizam održavanja integriteta endotelnih stanica. Slično OPG-u, sinteza i oslobađanje RANKL-a od strane endotelnih stanica provodi se pod utjecajem upalnih citokina, ali ne kao rezultat djelovanja vitamina D3 ili PTH, koji su sposobni povećati koncentraciju RANKL-a u OB ili stromalnim stanicama.

Povećanje koncentracije RANKL-a u arterijskim i venskim žilama također se postiže kao rezultat inhibitornog učinka transformirajućeg faktora rasta (TGF-Pj) na proces ekspresije OPG-a, čiji se sadržaj značajno smanjuje pod utjecajem ovog faktora. Ima višesmjerni učinak na sadržaj RANKL-a u kostima i žilama: u koštanom tkivu, TGF-Pj potiče ekspresiju OPG-OB i, kao rezultat toga, OPG, vežući RANKL, smanjuje njegovu koncentraciju i aktivnost osteoklastogeneze. U stijenkama krvnih žila, TGF-Pj povećava omjer RANKL/OPG i, kao posljedicu toga, sadržaj RANKL-a, interagirajući sa svojim RANK receptorom na površini membrana endotelnih stanica uz sudjelovanje unutarstaničnih signalnih sustava, stimulira osteogenezu vaskularnih stanica, aktivira proces kalcifikacije, proliferacije i migracije stanica te preoblikovanja matrice. Rezultat novog koncepta temeljenog na trenutnom razumijevanju staničnog i molekularnog mehanizma pregradnje kostiju u osteoporozi i procesu ateroskleroze, te razjašnjavanju vodeće uloge citokinskog RANKL-RANK-OPG sustava u provedbi ovih bolesti, bila je sinteza lijeka nove generacije - denosumaba. Denosumab (Prolia; Amgen Incorporation) je specifično ljudsko monoklonsko antitijelo s visokim stupnjem tropizma za RANKL, koje blokira funkciju ovog proteina. Brojne laboratorijske i kliničke studije utvrdile su da denosumab, pokazujući visoku sposobnost smanjenja RANKL aktivnosti, značajno usporava i slabi stupanj resorpcije kostiju. Trenutno se denosumab koristi kao lijek prve linije, uz bisfosfonate, kod pacijenata sa sistemskom osteoporozom kako bi se spriječili prijelomi kostiju. Istovremeno, S. Helas i suradnici utvrdili su inhibitorni učinak denosumaba na sposobnost RANKL-a da provede proces vaskularne kalcifikacije. Dakle, dobiveni podaci otvaraju nove mogućnosti za usporavanje progresije osteoporoze i vaskularne ateroskleroze, sprječavanje razvoja kardiovaskularnih komplikacija kod osteoporoze te očuvanje zdravlja i života pacijenata.

S. Sagalovsky, Richter. Patofiziološko jedinstvo razvoja osteoporoze i ateroskleroze krvnih žila // Međunarodni medicinski časopis - br. 4 - 2012