Popravak zglobne hrskavice i faktori rasta u patogenezi osteoartritisa

Zahvaljujući napretku biotehnologije, posebno tehnologije kloniranja, popis faktora rasta koji, budući da su anabolički faktori, igraju važnu, ali ne u potpunosti shvaćenu ulogu u patogenezi osteoartritisa, u posljednje vrijeme intenzivno se proširuje.

Prva skupina faktora rasta o kojima će se raspravljati u nastavku su IGF-ovi. Nalaze se u velikim količinama u krvnom serumu i imaju niz zajedničkih svojstava s inzulinom. IGF-2 je tipičniji za embrionalni stadij razvoja, dok je IGF-1 dominantni predstavnik skupine u odraslih. Oba predstavnika ove skupine djeluju vezanjem na IGF receptore tipa I. Dok funkcija IGF-2 ostaje nepoznata, značaj IGF-1 je već utvrđen - sposoban je stimulirati sintezu proteoglikana hondrocitima i značajno inhibirati kataboličke procese u zglobnoj hrskavici. IGF-1 je glavni anabolički poticaj za sintezu proteoglikana hondrocitima, prisutan u krvnom serumu i sinovijalnoj tekućini. IGF-1 je važan faktor za uzgoj hondrocita u eksperimentalnim modelima osteoartroze in vitro. Pretpostavlja se da IGF-1 ulazi u sinovijalnu tekućinu iz krvne plazme. Osim toga, normalni hondrociti proizvode oba faktora - ekspresija IGF-1 i IGF-2 pronađena je u sinovijalnoj membrani i hrskavici pacijenata s osteoartrozom. U normalnoj hrskavici, IGF-1 nema mitogena svojstva, ali je sposoban stimulirati proliferaciju stanica u oštećenoj matrici, što ukazuje na sudjelovanje u reparativnim procesima.

Biološki aktivne tvari koje potiču popravak i inhibiraju razgradnju zglobne hrskavice

• Inzulin
• Gama interferon
• Somatotropni hormon, androgeni
• Somatomedini (IPF-1 i -2)
• TGF-beta (faktor rasta tkiva)
• Faktor rasta izveden iz trombocita
• Osnovni faktor rasta fibroblasta
• EFR
• Antagonist IL-1 receptora
• Proteini koji vežu TNF-a
• Tkivni inhibitori metaloproteinaza
• a2 makroglobulin
• ai-antitripsin
• RG-makroglobulin
• Rg-antihimotripsin

Djelovanje IGF-1 i IGF-2 kontroliraju različiti proteini koji vežu IGF (IGF-BP), koje također proizvode hondrociti. IGF-BP može djelovati kao nosač, a također ima i aktivnost blokiranja IGF-a. Stanice izolirane iz zglobne hrskavice pacijenata s osteoartrozom proizvode prekomjerne količine IGF-BP, što ukazuje na to da blokiraju učinke IGF-a. J. Martel-Pelletier i sur. (1998.) pokazali su da iako se sinteza IGF-1 u hrskavici povećava kod osteoartroze, hondrociti slabo reagiraju na stimulaciju IGF-1. Pokazalo se da je ovaj fenomen povezan (barem djelomično) s povećanjem razine IGF-BP. IGF-BP ima visoki afinitet za IGF i važan je biomodulator njegove aktivnosti. Do danas je proučavano sedam vrsta IGF-BP, a disregulacija IGF-BP-3 i IGF-BP-4 igra važnu ulogu u osteoartritisu.

Druga kategorija faktora rasta koji pokazuju različite učinke na hondrocite uključuje faktor rasta izveden iz trombocita (PDGF), FGF i TGF-beta. Ove faktore ne proizvode samo hondrociti već i aktivirani sinovociti. FGF ima i anabolička i katabolička svojstva ovisno o koncentraciji i stanju zglobne hrskavice. PDGF je uključen u održavanje homeostaze izvanceličnog materijala zglobne hrskavice bez očitih mitogenih svojstava. Poznato je da ovaj faktor rasta pojačava sintezu proteoglikana i smanjuje njihovu razgradnju.

TGF-beta je od posebnog interesa zbog svoje uloge u patogenezi osteoartritisa. Član je velike TGF superfamilije i dijeli funkcionalna i signalna svojstva s nedavno otkrivenim BMP (koštani morfogenetski protein) faktorima rasta.

TGF-beta je pleiotropni faktor: s jedne strane ima imunosupresivna svojstva, a s druge strane je kemotaktički faktor i snažan stimulator proliferacije fibroblasta. Jedinstvena svojstva TGF-beta su sposobnost inhibicije oslobađanja enzima iz različitih stanica i značajno povećanje proizvodnje inhibitora enzima (na primjer, TIMP). TGF-beta se smatra važnim regulatorom oštećenja tkiva zbog upale. Dakle, u tkivu zglobne hrskavice, TGF-beta značajno stimulira proizvodnju matriksa hondrocitima, posebno nakon prethodne izloženosti ovom faktoru. Normalna hrskavica je neosjetljiva na TGF-beta. U bolesnika s osteoartritisom, TGF-β stimulira proizvodnju agrekana i malih proteoglikana u zglobnoj hrskavici.

TGF-beta proizvode mnoge stanice, posebno hondrociti. Oslobađa se u latentnom obliku vezan za poseban protein nazvan protein povezan s latencijom (LAP). Disocijacija od ovog proteina postiže se proteazama, koje se proizvode u velikim količinama u upaljenim tkivima. Osim TGF-beta, koji proizvode aktivirane stanice, zalihe latentnog oblika ovog faktora važan su element reaktivnosti TGF-beta u tkivu nakon lokalne ozljede. TGF-beta prisutan je u značajnim količinama u sinovijalnoj tekućini, sinovijalnoj membrani i hrskavici zgloba zahvaćenog osteoartrozom. U područjima oštećenog tkiva s upalnim infiltratima detektira se koekspresija TNF-a i IL-1, dok se u područjima s fibrozom detektira samo ekspresija TGF-beta.

Inkubacija kultiviranih hondrocita pacijenata s osteoartritisom s TGF-beta uzrokuje značajno povećanje sinteze proteoglikana od strane tih stanica. Stimulacija normalnih hondrocita s TGF-beta uzrokuje povećanje sinteze proteoglikana tek nakon mnogo dana inkubacije. Možda je ovo vrijeme potrebno da se stanični fenotip promijeni pod utjecajem TGF-beta (na primjer, za promjenu tzv. kompartmentalizacije proteoglikana: novostvoreni proteoglikani lokalizirani su samo oko hondrocita).

Poznato je da je aktivacija sinteze faktora rasta, posebno TGF-beta, važna karika u patogenezi bubrežne i jetrene fibroze te stvaranja ožiljaka tijekom cijeljenja rana. Povećano opterećenje hondrocita in vitro dovodi do hiperprodukcije TGF-beta, dok smanjena sinteza proteoglikana nakon imobilizacije udova može biti izravnana pomoću TGF-beta. TGF-beta inducira stvaranje osteofita u marginalnoj zoni zglobova kao mehanizam prilagodbe promjenama opterećenja. IL-1, uzrokujući umjereni upalni proces u sinovijalnoj ovojnici kao odgovor na oštećenje zgloba, potiče stvaranje hondrocita s promijenjenim fenotipom, koji proizvode prekomjernu količinu.

Ponovljene lokalne injekcije rekombinantnog TGF-beta u visokim koncentracijama dovele su do razvoja osteoartritisa kod miševa C57B1 - stvaranja osteofita, što je karakteristično za ljudski osteoartritis, i značajnog gubitka proteoglikana u zoni "valovitog ruba".

Kako bismo razumjeli kako višak TGF-beta uzrokuje poznate promjene u hrskavici, potrebno je napomenuti da izloženost TGF-β inducira karakterističan fenotip hondrocita s promjenom podklase sintetiziranih proteoglikana i poremećajem normalne integracije ECM elemenata. I IGF-1 i TGF-beta stimuliraju sintezu proteoglikana hondrocitima uzgojenim u alginatu, ali potonji također inducira takozvanu kompartmentalizaciju proteoglikana. Štoviše, utvrđeno je da TGF-beta povećava razinu kolagenaze-3 (MMP-13) u aktiviranim hondrocitima, što je u suprotnosti s općom idejom o TGF-beta kao faktoru koji, naprotiv, smanjuje oslobađanje destruktivnih proteaza. Međutim, nije poznato je li sinteza MMP-13 inducirana TGF-beta uključena u patogenezu OA. TGF-beta ne samo da stimulira sintezu proteoglikana, već i potiče njihovo taloženje u ligamentima i tetivama, povećavajući ukočenost i smanjujući opseg pokreta u zglobovima.

BMP-ovi su članovi TGF-beta superfamilije. Neki od njih (BMP-2, BMP-7 i BMP-9) imaju svojstvo stimuliranja sinteze proteoglikana od strane hondrocita. BMP-ovi ostvaruju svoje učinke vezanjem na specifične receptore na površini stanice; signalni putevi TGF-beta i BMP-ova se neznatno razlikuju. Poput TGF-beta, BMP-ovi signaliziraju putem kompleksa receptora serin/treonin kinaze tipa I i II. U ovom kompleksu, receptor tipa II je trans-fosforiliran i aktivira receptor tipa I, koji prenosi signal signalnim molekulama zvanim Smad. Nakon primanja signala, Smad-ovi se brzo fosforiliraju. Trenutno je poznato da se u signalnom putu BMP-a fosforiliraju Smad-1, -5 i -8, a u signalnom putu TGF-beta fosforiliraju se Smad-2 i Smad-3. Zatim se imenovani Smad-ovi povezuju sa Smad-4, koji je zajednički signalnim putevima svih članova TGF-beta superfamilije. Ova činjenica objašnjava prisutnost unakrsnih funkcija u članovima TGF-beta superfamilije, kao i fenomen međusobne inhibicije TGF-beta i BMP signalnih putova natjecanjem za zajedničke komponente. Nedavno je identificirana još jedna klasa Smad proteina, koju predstavljaju Smad-6 i -7. Ove molekule djeluju kao regulatori TGF-beta i BMP signalnih putova.

Unatoč činjenici da je stimulirajući učinak CMP-a na sintezu proteoglikana poznat već dugo vremena, njihova uloga u regulaciji funkcije zglobne hrskavice ostaje kontroverzna zbog poznate sposobnosti CMP-a da uzrokuje dediferencijaciju stanica, stimulira kalcifikaciju i stvaranje koštanog tkiva. M. Enomoto-Iwamoto i sur. (1998.) pokazali su da je interakcija CMP-a s CMP receptorom tipa II neophodna za održavanje diferenciranog fenotipa hondrocita, kao i za kontrolu njihove proliferacije i hipertrofije. Prema LZ Sailoru i sur. (1996.), CMP-2 održava fenotip hondrocita u kulturi 4 tjedna bez uzrokovanja njihove hipertrofije. CMP-7 (identičan osteogenom proteinu-1) dugo održava fenotip zrelih hondrocita zglobne hrskavice uzgajanih u alginatu.

Uvođenje KMP-2 i -9 u koljenske zglobove miševa povećalo je sintezu proteoglikana za 300%, značajno više nego TGF-beta. Međutim, stimulirajući učinak bio je privremen i nakon nekoliko dana razina sinteze vratila se na početnu razinu. TGF-beta uzrokovao je dugotrajniju stimulaciju sinteze proteoglikana, što je vjerojatno posljedica autoindukcije TGF-beta i senzibilizacije hondrocita na ovaj faktor.

TGF-beta je odgovoran za stvaranje hondrofita, što se može smatrati neželjenim učinkom njegovog djelovanja, KMP-2 također potiče stvaranje hondrofita, ali u drugom području zglobnog ruba (uglavnom u području ploče rasta).

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

Morfogenetski proteini hrskavice

Morfogenetski proteini hrskavice (CMP-1 i -2) su drugi članovi TGF-beta superfamilije koji su bitni za stvaranje hrskavičnog tkiva tijekom razvoja udova. Mutacije u genu CMP-1 uzrokuju hondrodisplaziju. CMP-ovi mogu imati selektivniji profil usmjeren na hrskavicu. Iako TGF-beta i CMP-ovi mogu stimulirati hondrocite, mogu djelovati na mnoge druge stanice, pa njihova upotreba za popravak hrskavice može biti povezana s nuspojavama. Obje vrste CMP-ova nalaze se u hrskavici zdravih i osteoartritičnih zglobova i potiču popravak izvanceličnog materijala zglobne hrskavice nakon enzimske razgradnje, održavajući normalan fenotip.

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

Sinergizam faktora rasta

Jedan faktor rasta može inducirati sam sebe, kao i drugi faktori rasta, ova interakcija je fino regulirana. Na primjer, FGF zajedno s drugim faktorima rasta omogućuje učinkovitiji popravak zglobne hrskavice nakon traumatskog defekta. IGF-1 zajedno s TGF-beta značajno inducira normalni fenotip hondrocita kada se uzgaja in vitro. Dokazano je da TGF-beta sprječava proizvodnju IGF-1 i IGF-BP, a također defosforilira IGF-1 receptor, stimulira vezanje IGF-1. U intaktnoj mišjoj hrskavici pronađen je fenomen sinergizma IGF-1 s mnogim faktorima rasta. Međutim, slab odgovor hondrocita na IGF-1 ne može se izravnati korištenjem u kombinaciji s drugim faktorima rasta.

Interakcija anaboličkih i destruktivnih citokina

Faktori rasta pokazuju složene interakcije s IL-1. Na primjer, prethodna izloženost hondrocita FGF-u povećava oslobađanje proteaze nakon izloženosti IL-1, moguće putem povećane ekspresije IL-1 receptora. PDGF također stimulira oslobađanje proteaze ovisno o IL-1, ali smanjuje inhibiciju sinteze proteoglikana posredovanu IL-1. To može ukazivati na to da neki faktori rasta mogu istovremeno stimulirati popravak hrskavice i potaknuti njezino uništavanje. Drugi faktori rasta, poput IGF-1 i TGF-β, stimuliraju sintezu zglobne matrice i inhibiraju uništavanje zglobne hrskavice posredovano IL-1, što ukazuje na to da je njihova aktivnost povezana samo s popravkom tkiva. Ova interakcija je neovisna o prethodnoj izloženosti hondrocita IL-1. Zanimljivo je da kinetika učinaka IL-1 i TGF-beta može biti različita: sposobnost TGF-beta da suzbije degradaciju zglobne hrskavice smanjena je njegovim sporim djelovanjem na TIMP mRNA. S druge strane, uočeno je povećanje razine hNOC-a i NO u odsutnosti TGF-beta. S obzirom na NO-ovisnost supresivnog učinka IL-1 na sintezu proteoglikana hondrocitima, to bi moglo objasniti zašto in vivo opažamo značajno jače protudjelovanje TGF-beta na IL-1-ovisnu inhibiciju sinteze proteoglikana u usporedbi s razgradnjom proteoglikana.

U studiji na miševima kojima je intraartikularno ubrizgan IL-1 i faktori rasta, pokazano je da TGF-beta značajno djeluje protiv inhibicije sinteze proteoglikana zglobne hrskavice posredovane IL-1, dok CMP-2 nije sposoban za takvo suprotstavljanje: njegov stimulacijski potencijal bio je potpuno inhibiran IL-1 čak i pri visokim koncentracijama CMP-2. Značajno je da je u odsutnosti IL-1 CMP-2 mnogo intenzivnije stimulirao sintezu proteoglikana od TGF-beta.

Osim učinka na sintezu proteoglikana, TGF-beta također značajno utječe na smanjenje sadržaja proteoglikana u hrskavici izazvano IL-1. Moguće je da se sadržaj proteoglikana smanjuje ili povećava ovisno o relativnoj koncentraciji IL-1 i TGF-beta. Zanimljivo je da je gore opisano suprotstavljanje IL-1 i TGF-beta uočeno u debljini hrskavice, ali taj fenomen nije uočen u blizini hondrofita na rubovima zglobnih površina. Stvaranje hondrofita inducirano je TGF-β, koji utječe na hondrogene stanice u periostu, uzrokujući razvoj hondroblastova i taloženje proteoglikana. Očito, ovi hondroblasti nisu osjetljivi na IL-1.

HL Glansbeek i sur. (1998.) proučavali su sposobnost TGF-beta i KMP-2 da suzbiju supresiju sinteze proteoglikana u zglobovima miševa s artritisom induciranim zimosanom (tj. u modelu "čiste" upale inducirane IL-1). Intraartikularna primjena TGF-beta značajno je suzbila supresiju sinteze proteoglikana uzrokovanu upalom, dok KMP-2 praktički nije bio u stanju suzbiti ovaj IL-1-ovisni proces. Ponovljene injekcije TGF-β u koljenski zglob proučavanih životinja značajno su stimulirale sintezu proteoglikana hondrocitima, doprinijele očuvanju postojećih proteoglikana u hrskavici iscrpljenoj upalom, ali nisu suzbile upalni proces.

Prilikom proučavanja proteoglikansko-sintetizirajuće funkcije hondrocita korištenjem eksperimentalnih modela osteoartroze kod životinja, uvijek je uočeno povećanje sadržaja i stimulacija sinteze proteoglikana u ranim fazama osteoartritisa, za razliku od upalnih modela, u kojima se opaža značajna inhibicija sinteze (IL-1-ovisan proces). Povećana aktivnost anaboličkih faktora, posebno faktora rasta, koja se opaža kod osteoartroze, neutralizira učinak supresorskih citokina kao što je IL-1. Među faktorima rasta, TGF-beta je od najveće važnosti; KMP-2 vjerojatno ne igra značajnu ulogu u ovom procesu. Iako IGF-1 može stimulirati sintezu proteoglikana in vitro, ovo svojstvo se ne opaža in vivo s lokalnom primjenom IGF-1. To može biti zbog činjenice da je endogena razina ovog faktora rasta optimalna. U kasnijim fazama osteoartritisa pojavljuju se znakovi inhibicije sinteze proteoglikana, što je vjerojatno povezano s dominantnim djelovanjem IL-1 i nemogućnošću faktora rasta da mu se suprotstave zbog smanjene aktivnosti.

Analiza ekspresije faktora rasta u STR/ORT miševa sa spontanim osteoartritisom pokazala je povećane razine mRNA TGF-β i IL-1 u oštećenoj hrskavici. Treba napomenuti da je aktivacija TGF-β iz latentnog oblika važan element popravka tkiva. Razumijevanje uloge TGF-β komplicirano je rezultatima studije ekspresije TGF-β receptora tipa II u ACL kunića. Odmah nakon indukcije osteoartritisa, otkrivene su smanjene razine ovih receptora, što ukazuje na nedovoljnu TGF-β signalizaciju. Zanimljivo je da su miševi s nedostatkom TGF-β receptora tipa 11 pokazali znakove spontanog osteoartritisa, što također ukazuje na važnu ulogu TGF-β signalizacije u pogoršanju popravka hrskavice i razvoju osteoartritisa.

Apsolutni sadržaj faktora rasta u zglobovima pacijenata s reumatoidnim artritisom ili osteoartrozom može ukazivati na njihovu moguću ulogu u patogenezi tih bolesti. Međutim, unatoč činjenici da se visoke koncentracije faktora rasta nalaze u zglobovima s osteoartrozom i reumatoidnim artritisom, priroda procesa razgradnje i reparacije kod obje bolesti potpuno je različita. Vjerojatno postoje i drugi, još neidentificirani čimbenici koji igraju glavnu ulogu u patogenezi ovih bolesti ili drugi aspekti proučavanih fenomena određuju tijek procesa razgradnje i reparacije u zglobnim tkivima (na primjer, ekspresija određenih receptora na površini hondrocita, topljivih receptora koji vežu proteine ili neravnoteža anaboličkih i destruktivnih čimbenika).