Patofizioloģiskā vienotība osteoporozes un asinsvadu aterosklerozes attīstībā

Attīstīto valstu iedzīvotāju mirstības struktūrā vadošo vietu ieņem asinsrites sistēmas slimības. Sirds un asinsvadu slimības (arteriālā hipertensija, išēmiskā sirds slimība, miokarda infarkts), kuru pamatā ir ateroskleroze, pamatoti tiek sauktas par 21. gadsimta epidēmiju.

Saskaņā ar PVO datiem, katru gadu pasaulē no sirds un asinsvadu slimībām mirst vairāk nekā 17 miljoni cilvēku, un līdz 2015. gadam nāves gadījumu skaits pieaugs līdz 20 miljoniem. Līdz ar to viens no galvenajiem funkcionālās nepietiekamības un darbspēju zuduma cēloņiem pieaugušo populācijā ir osteoporoze (OP) - pasaulē vispazīstamākā un izplatītākā skeleta sistēmas slimība ar vecuma izraisītu izplatību. Osteoporoze ir daudzfaktorāla poligēna skeleta slimība, kas ir visizplatītākā vielmaiņas osteopātijas forma. Slimību raksturo kaulu masas zudums, to mikroarhitektūras traucējumi (trabekulu destrukcija), samazināta izturība, un to pavada augsts lūzumu risks.

Tieši lūzumi, no kuriem vissmagākie ir augšstilba kaula kakliņa un apakšdelma apakšējās trešdaļas spieķkaula lūzumi, nosaka slimības medicīnisko un medicīniski sociālo nozīmi, tostarp paaugstinātu mirstību un ar tiem saistītos ievērojamos ekonomiskos zaudējumus. Osteoporozes īpatnība ir tā, ka šī slimība galvenokārt skar vecāka gadagājuma un vecus cilvēkus. Ievērojams osteoporozes sastopamības pieaugums, kas novērots kopš 20. gadsimta otrās puses, dabiski atspoguļo demogrāfiskās izmaiņas, kas notiek iedzīvotāju vidū un izpaužas kā iedzīvotāju novecošanās visās pasaules industrializētajās valstīs. Neskaitāmi epidemioloģiski pētījumi, kas nesen veikti pasaulē un Eiropā, liecina par pozitīvu korelāciju starp sirds un asinsvadu slimībām un skeleta sistēmas patoloģijām. Tajā pašā laikā daudzi autori osteoporozi saista ar aterosklerozes progresēšanu, tostarp asinsvadu sieniņu kalcifikāciju. Sievietēm ar osteoporotiskiem lūzumiem tika novērota aortas un koronāro artēriju kalcifikācijas sastopamības palielināšanās, kuras smagums korelēja ar kaulu minerālblīvuma (KMB) samazināšanos.

SO Song et al. pētījumos tika atklāta saistība starp mugurkaula un proksimālā augšstilba kaula KMB samazināšanos un kalcija satura palielināšanos koronārajās artērijās saskaņā ar elektronstaru datortomogrāfiju. M. Naves et al. atklāja, ka sievietēm ar postmenopauzes osteoporozi KMB samazināšanās par vienu standartnovirzi no maksimālās kaulu masas ir saistīta ar palielinātu kopējās mirstības risku par 43% un priekšlaicīgas nāves risku no sirds un asinsvadu patoloģijām. Citos pētījumos arī tika atklāts, ka pacientiem ar KMB samazināšanos ir lielāka iespēja paaugstināties lipīdu koncentrācijai asinīs, attīstīties smagākai koronārajai aterosklerozei un ievērojami palielināties insulta un miokarda infarkta risks. Iesniegtie dati liecina, ka osteoporozes, ektopiskas kalcifikācijas un aterosklerozes sastopamības palielināšanās vieniem un tiem pašiem pacientiem ir kopīgs patogenētisks pamats. Koncepcija, ka sirds un asinsvadu slimības un osteoporoze ir saistītas ar marķieriem, kas vienlaikus ietekmē asinsvadu un kaulu šūnas, ir apstiprināta plašiem eksperimentāliem pētījumiem.

Šāda marķiera lomas kandidāts ir nesen identificētais proteīns osteoprotegerīns (OPG), kas pieder pie audzēja nekrozes faktoru receptoru saimes un ir daļa no citokīnu sistēmas RANKL-RANK-OPG.

[ 1 ], [ 2 ]

Kaulu remodelācija un rankl-rank-opg sistēmas loma

Osteoporoze ir slimība, kuras pamatā ir kaulu remodelācijas traucējumu procesi ar pastiprinātu kaulu resorbciju un samazinātu kaulu sintēzi. Abi kaulu audu veidošanās procesi ir cieši saistīti un ir osteoblastu (OB) un osteoklastu (OC) šūnu mijiedarbības rezultāts, kas rodas no dažādu šūnu līniju prekursoriem: osteoblasti - no mezenhimālajām cilmes šūnām, osteoklasti - no kaulu smadzeņu makrofāgu-monocītu šūnām. Osteoblasti ir mononukleāras šūnas, kas iesaistītas kaulu veidošanās procesā un kaulu matrices šūnu mineralizācijā. Osteoblastiem ir būtiska loma kaulu remodelācijas modulēšanā un citu kaulu audu šūnu vielmaiņas aktivitātes regulēšanā. Tie izdala vairākas bioloģiski aktīvas vielas, ar kuru palīdzību tie ietekmē osteoklastu prekursoru šūnu nobriešanas procesu, pārveidojot tās par lielu daudzkodolu šūnu, kas spēj piedalīties resorbcijā, t.i., kaulu audu uzsūkšanā, iedarbojoties tikai uz mineralizētu kaulu, nemainot pašu kaulu audu matricu.

Osteoblastu nobriešana un diferenciācija notiek dažādu specifisku faktoru ietekmē, kas ietekmē transkripcijas procesu, no kuriem vissvarīgākais ir proteīns Cbfal (kodolsaistes faktora eļļa; pazīstams arī kā runt saistītais transkripcijas faktors 2; RUNX2). Pelēm ar Cbfal/RUNX2 deficītu tiek novērota ievērojama kaulu veidošanās procesa palēnināšanās, un OB šūnu nobriešana netiek novērota. Turpretī rekombinantā Cbfal ievadīšana dzīvniekiem izraisa osteoblastiem raksturīgo gēnu ekspresiju neosteogēnās šūnās. Cbfal/RUNX2 nozīmīgā loma osteoblastu diferenciācijā un nobriešanā izpaužas arī proteīna spējā regulēt daudzu kaulu audu proteīnu sintēzē iesaistīto gēnu funkciju: 1. tipa kolagēnu, osteopontīnu (OPN), osteokalcīnu un sialoproteīnu. OB augšanu un funkcionālo spēju ietekmē arī parakrīnie un/vai autokrīnie faktori, kas regulē intranukleāro transkripcijas procesu aktivitāti, OPN un osteokalcīna sintēzi. Tie ietver vairākus šūnu augšanas faktorus, citokīnu modulatorus un hormonālas bioloģiski aktīvas vielas. Pieņēmums, ka kaulu audu remodelācijas aktivācija un regulēšana ir osteoblastu un osteoklastu mijiedarbības sekas, ir apstiprināts daudzos pētījumos. Ievērojams progress kaulu remodelācijas procesu izpratnē tika panākts, atklājot citokīnu RANKL-RANK-OPG sistēmu, kurai ir galvenā loma osteoklastu veidošanā, diferenciācijā un aktivitātē. Šīs sistēmas atklāšana kļuva par stūrakmeni osteoporozes patogenēzes, osteoklastoģenēzes un kaulu rezorbcijas regulācijas, kā arī citu lokālajā kaulu remodelācijā iesaistīto procesu izpratnei. Osteoklastoģenēzes regulāciju galvenokārt veic divi citokīni: kodolfaktora kappa-B liganda receptoru aktivators (RANKL) un OPG uz makrofāgu koloniju stimulējošā faktora (M-CSF) pieļaujamās darbības fona.

RANKL ir glikoproteīns, ko ražo osteoblastu šūnas, aktivēti T limfocīti, kas pieder pie audzēja nekrozes faktora (TNF) ligandu superģimenes un ir galvenais osteoklastu nobriešanas stimuls. RANKL-RANK-OPG sistēmas starpšūnu mijiedarbības molekulāro pamatu var attēlot šādi: RANKL, kas ekspresēts uz osteoblastu virsmas, saistās ar RANK receptoru, kas atrodas uz OC prekursoršūnu membrānām, un inducē osteoklastu diferenciācijas un aktivācijas procesu. Vienlaikus kaulu smadzeņu un OB cilmes šūnas izdala M-CSF. Šis polipeptīdu augšanas faktors, mijiedarbojoties ar savu augstas afinitātes transmembrānu receptoru (c-fms), aktivizē intracelulāro tirozīnkināzi, stimulējot osteoklastu prekursoršūnu proliferāciju un diferenciāciju. M-CSF proliferatīvā aktivitāte ievērojami palielinās, kad OB tiek pakļauts parathormonam, D3 vitamīnam, interleikīnam 1 (IL-1), TNF, un, otrādi, samazinās estrogēnu un OPG ietekmē. Estrogēni, mijiedarbojoties ar intracelulāriem OB receptoriem, palielina šūnas proliferatīvo un funkcionālo aktivitāti, vienlaikus samazinot osteoklastu funkciju, stimulējot OPG veidošanos osteoblastos. OPG ir šķīstošs RANKL receptors, ko sintezē un izdala osteoblastu šūnas, kā arī stromas šūnas, asinsvadu endotēlija šūnas un B limfocīti. OPG darbojas kā endogēns RANKL maldinošs receptors, bloķējot tā mijiedarbību ar savu receptoru (RANK) un tādējādi kavējot nobriedušu daudzkodolu osteoklastu šūnu veidošanos, izjaucot osteoklastoģenēzes procesu, samazinot kaulu audu rezorbcijas aktivitāti. RANKL, ko sintezē un izdala OB šūnas, ir specifisks faktors, kas nepieciešams OC attīstībai un funkcionēšanai. RANKL mijiedarbojas ar savu tropisko receptoru RANK uz OC prekursora šūnas membrānas (izplatīts osteoklastu un monocītu/makrofāgu prekursors), izraisot intracelulāras kaskādes genoma transformācijas. RANK ietekmē kodolfaktoru kappa-B (NF-kB) caur receptoru saistīto proteīnu TRAF6, kas aktivizē un pārvieto NF-kB no citoplazmas uz šūnas kodolu.

Aktivētā NF-kB uzkrāšanās palielina NFATcl proteīna ekspresiju, kas ir specifisks ierosinātājs, kas iedarbina intracelulāro gēnu transkripcijas procesu, kuri veido osteoklastoģenēzes procesu. Diferencētais osteoklasts ieņem noteiktu pozīciju uz kaula virsmas un attīsta specializētu citoskeletu, kas ļauj tam izveidot izolētu rezorbcijas dobumu – mikrovidi starp osteoklastiem un kaulu. OC membrāna, kas vērsta pret šūnas veidoto dobumu, veido daudzas krokas, iegūst gofrētu izskatu, kas ievērojami palielina rezorbcijas virsmu. Izveidotās rezorbcijas dobuma mikrovide tiek paskābināta, elektrogēni iesūknējot tajā protonus. OC intracelulārais pH tiek uzturēts, piedaloties karboanhidrāzei II, apmainoties ar HCO3/Cl joniem caur šūnas antiresorbcijas membrānu. Jonizētais hlors iekļūst rezorbcijas mikrodobumā caur gofrētās rezorbcijas membrānas anjonu kanāliem, kā rezultātā pH dobumā sasniedz 4,2–4,5. Skābā vide rada apstākļus kaulu minerālās fāzes mobilizācijai un veido optimālus apstākļus kaulu audu organiskās matricas degradācijai, piedaloties katepsīnam K, enzīmam, ko sintezē un izdala rezorbcijas dobumā OK "skābās pūslīši". Paaugstināta RANKL ekspresija tieši noved pie kaulu rezorbcijas aktivācijas un skeleta KMB samazināšanās. Rekombinantā RANKL ieviešana izraisīja hiperkalciēmijas attīstību līdz pirmās dienas beigām, bet līdz trešās dienas beigām - ievērojamu kaulu masas zudumu un KMB samazināšanos. Līdzsvars starp RANKL un OPG faktiski nosaka resorbētā kaula daudzumu un KMB izmaiņu pakāpi. Eksperimenti ar dzīvniekiem ir parādījuši, ka palielināta OPG ekspresija pelēm izraisa kaulu masas palielināšanos, osteopetrozi, un to raksturo osteoklastu skaita un aktivitātes samazināšanās. Turpretī, izslēdzot OPG gēnu, tiek novērota KMB samazināšanās, ievērojams nobriedušu, daudzkodolu osteoklastu skaita pieaugums, kaulu blīvuma samazināšanās un spontānu skriemeļu lūzumu rašanās.

Rekombinantā OPG subkutāna ievadīšana pelēm 4 mg/kg/dienā devā nedēļas garumā atjaunoja KMB rādītājus. Adjuvanta artrīta modelī žurkām OPG ievadīšana (2,5 un 10 mg/kg/dienā) 9 dienas patoloģiskā procesa sākotnējā stadijā bloķēja RANKL funkciju un novērsa kaulu un skrimšļu audu masas zudumu. Eksperimenti liecina, ka OPG funkcija galvenokārt ir RANKL izraisītās ietekmes samazināšana vai būtiska "izslēgšana". Pašlaik ir kļuvis acīmredzams, ka RANKL un OPG savstarpējās attiecības saglabāšana ir svarīgs nosacījums, lai saglabātu līdzsvaru starp kaulu rezorbciju un veidošanos. Šo divu procesu konjugācija, RANKL un OPG relatīvās koncentrācijas kaulu audos nosaka galvenos kaulu masas un stipruma noteicošos faktorus. Kopš RANKL-RAMK-OPG sistēmas atklāšanas kā osteoklastu veidošanās un diferenciācijas pēdējā ceļa, daudzi pētnieki ir apstiprinājuši šī šūnu un molekulārā mehānisma vadošo lomu osteoporozes patogenezē.

Rankl-rank-opg citokīnu sistēmas loma asinsvadu kalcifikācijas procesā

Pieņēmumu par kopīga patoģenētiska pamata klātbūtni osteoporozei un aterosklerozei, zināmu līdzību starp osteoporozes attīstības mehānismiem un asinsvadu kalcifikāciju apstiprina daudzi eksperimentāli un klīniski novērojumi. Ir pierādīts, ka kaulu un asinsvadu audiem piemīt daudzas identiskas īpašības gan šūnu, gan molekulārā līmenī. Kaulu audos un kaulu smadzenēs ir endotēlija šūnas, preosteoblasti un osteoklasti - monocītu atvasinājumi, un tie visi ir arī normālas asinsvadu sieniņas šūnu populāciju sastāvdaļas. Gan kaulu audos, gan artēriju asinsvadu sieniņā aterosklerotiskā procesa apstākļos ir atvērtā polinukleotīdi (OPN), osteokalcīns, morfogēnais kaulu proteīns, matricas Gla-proteīns, I tipa kolagēns un matricas pūslīši. Aterosklerozes un OP patogenezē monocīti ir iesaistīti diferenciācijā makrofāgos ar putojošu citoplazmu asinsvadu sieniņā un osteoklastos kaulu audos. Asinsvadu sieniņā ir šūnu elementi, kas diferencējas osteoblastos atbilstoši kaulu OB veidošanās stadijām, veidojot kaula minerālo komponentu.

Būtiski svarīgs ir fakts, ka citokīnu sistēma RANKL-RANK-OPG, ierosinot osteoblastoģenēzi un osteoklastoģenēzi kaulu audos, cita starpā inducē osteoblastu un OC diferenciāciju, kā arī asinsvadu sieniņu mineralizācijas procesu. Starp šīs sistēmas komponentiem, kas tieši norāda uz saistību starp osteoporozi un aterosklerozi, OPG piesaista vislielāko pētnieku uzmanību. Ir zināms, ka OPG ekspresē ne tikai kaulu audu šūnas, bet arī sirds un asinsvadu šūnas: miokardiocīti, artēriju un vēnu gludās muskulatūras šūnas un asinsvadu endotēlija šūnas. OPG ir asinsvadu kalcifikācijas modulators, kas tika apstiprināts S. Moropu u.c. eksperimentālajā darbā, kas veikts ar veselām pelēm un dzīvniekiem ar OPG ekspresiju nodrošinošā gēna traucējumiem/neesamību. Tika konstatēts, ka pelēm ar traucētu spēju sintezēt OPG (OPG-/-), atšķirībā no kontroles dzīvnieku grupas, ir novērojama artēriju kalcifikācijas procesa aktivācija kombinācijā ar osteoporozes un vairāku kaulu lūzumu attīstību. Gluži pretēji, gēna, kas to sintezē, ievadīšana dzīvniekiem ar nepietiekamu OPG ekspresiju veicināja gan kaulu rezorbcijas procesa, gan asinsvadu kalcifikācijas nomākšanu.

Iekaisumam ir galvenā loma visos aterosklerozes attīstības posmos, ko pavada ievērojama iekaisuma marķieru - citokīnu (interleikīna-1, α-TNF) - koncentrācijas palielināšanās asins plazmā, kas savukārt izraisa kaulu rezorbciju. Saskaņā ar aterosklerozes attīstības iekaisuma raksturu OPG ekspresija un izdalīšanās asinsritē un apkārtējos audos endotēlija šūnās un asinsvadu gludajās muskulatūras šūnās notiek iepriekš minēto iekaisuma faktoru ietekmē. Atšķirībā no stromas šūnām, endotēlija šūnas un asinsvadu gludie muskuļi nereaģē uz D3 vitamīna vai parathormona (PTH) satura izmaiņām asins plazmā, palielinot OPG sintēzi un izdalīšanos. OPG novērš D3 vitamīna izraisītu ektopisku kalcifikāciju asinsvados, vienlaikus palielinot OPN, galvenā kaulu nekolagēna matricas proteīna, saturu, kas darbojas kā asinsvadu mineralizācijas inhibitors un kā OPG sintēzes un izdalīšanās ierosinātājs endotēlija un gludo muskuļu šūnās. OPN, kas kavē hidroksiapatīta matricas veidošanās procesu (in vitro) un asinsvadu kalcifikāciju (in vivo), tiek sintezēts un pietiekami augstās koncentrācijās izdalīts asinsvadu sieniņas medijas gludo muskuļu šūnās un intimas makrofāgos. OPN sintēze notiek apgabalos ar dominējošu asinsvadu sieniņas mineralizāciju, un to regulē pro-iekaisuma un osteogēni faktori. Kopā ar avb3 integrīnu, ko sintezē endotēlija šūnas ateroģenēzes vietās, OPN izraisa NF-kB atkarīgu OPG ietekmi uz endotēlija šūnu integritātes saglabāšanu. Tādējādi paaugstinātā plazmas un asinsvadu OPG koncentrācija, kas novērota sirds un asinsvadu slimību gadījumā, var būt endotēlija šūnu aktivitātes sekas gan iekaisuma marķieru ietekmē, gan OPN/avb3-HHTerpnHOBoro mehānisma rezultātā.

NF-kB aktivācija artēriju sieniņas makrofāgos un TC ir arī viens no svarīgākajiem mehānismiem, kas saista osteoporozi un aterosklerozi. Paaugstināta NF-kB aktivitāte rodas citokīnu darbības rezultātā, ko izdala aktivētās T šūnas asinsvadu intimā, kas veicina serīna/treonīna kināzes (Akt, proteīnkināze B) aktivitātes palielināšanos, kas ir svarīgs faktors, pirmkārt, asinsvadu endotēlija šūnu funkcijai.

Ir konstatēts, ka proteīnkināzes B aktivitātes palielināšanās rezultātā tiek novērota eNOS stimulācija un palielināta slāpekļa oksīda (NO) sintēze, kas ir iesaistīta endotēlija šūnu integritātes uzturēšanas mehānismā. Līdzīgi kā OPG, RANKL sintēze un izdalīšanās endotēlija šūnās notiek iekaisuma citokīnu ietekmē, bet ne D3 vitamīna vai PTH darbības rezultātā, kas spēj palielināt RANKL koncentrāciju OB vai stromas šūnās.

RANKL koncentrācijas palielināšanās arteriālajos un venozajos asinsvados tiek panākta arī transformējošā augšanas faktora (TGF-Pj) inhibējošās ietekmes uz OPG ekspresijas procesu rezultātā, kura saturs šī faktora ietekmē ievērojami samazinās. Tam ir daudzvirzienu ietekme uz RANKL saturu kaulos un asinsvados: kaulu audos TGF-Pj veicina OPG OB ekspresiju, un rezultātā OPG, saistoties ar RANKL, samazina tā koncentrāciju un osteoklastoģenēzes aktivitāti. Asinsvadu sieniņās TGF-Pj palielina RANKL/OPG attiecību, un rezultātā RANKL saturs, mijiedarbojoties ar savu RANK receptoru uz endotēlija šūnu membrānu virsmas, piedaloties intracelulārām signalizācijas sistēmām, stimulē asinsvadu šūnu osteoģenēzi, aktivizē kalcifikācijas, proliferācijas un šūnu migrācijas procesu, kā arī matricas remodelāciju. Jaunās koncepcijas rezultāts, kas balstīts uz pašreizējo izpratni par kaulu remodelācijas šūnu un molekulāro mehānismu osteoporozes un aterosklerozes procesā, kā arī citokīnu RANKL-RANK-OPG sistēmas vadošās lomas noskaidrošanu šo slimību īstenošanā, bija jaunas paaudzes zāļu - denosumaba - sintēze. Denosumabs (Prolia; Amgen Incorporation) ir specifiska cilvēka monoklonāla antiviela ar augstu tropisma pakāpi pret RANKL, bloķējot šī proteīna funkciju. Daudzos laboratorijas un klīniskajos pētījumos ir pierādīts, ka denosumabs, demonstrējot augstu spēju samazināt RANKL aktivitāti, ievērojami palēnina un vājina kaulu rezorbcijas pakāpi. Pašlaik denosumabs tiek lietots kā pirmās izvēles zāles kopā ar bisfosfonātiem pacientiem ar sistēmisku osteoporozi, lai novērstu kaulu lūzumus. Vienlaikus S. Helass un līdzautori konstatēja denosumaba inhibējošo ietekmi uz RANKL spēju īstenot asinsvadu kalcifikācijas procesu. Tādējādi iegūtie dati paver jaunas iespējas osteoporozes un asinsvadu aterosklerozes progresēšanas palēnināšanai, sirds un asinsvadu komplikāciju attīstības novēršanai osteoporozes gadījumā un pacientu veselības un dzīvības saglabāšanai.

S. Sagalovskis, Rihters. Osteoporozes un asinsvadu aterosklerozes attīstības patofizioloģiskā vienotība // Starptautiskais medicīnas žurnāls - Nr. 4 - 2012