Locītavu skrimšļa atjaunošanās un augšanas faktori osteoartrīta patoģenēzē

Pateicoties biotehnoloģijas, jo īpaši klonēšanas tehnoloģijas, attīstībai, pēdējā laikā intensīvi paplašināts augšanas faktoru saraksts, kuriem, būdami anaboliskie faktori, ir svarīga, bet līdz galam neizprasta loma osteoartrīta patoģenēzē.

Pirmā turpmāk aplūkotā augšanas faktoru grupa ir IGF. Tie lielā daudzumā ir atrodami asins serumā un tiem ir vairākas kopīgas īpašības ar insulīnu. IGF-2 ir raksturīgāks embrionālās attīstības stadijai, savukārt IGF-1 ir dominējošais grupas pārstāvis pieaugušajiem. Abi šīs grupas pārstāvji darbojas, saistoties ar IGF I tipa receptoriem. Lai gan IGF-2 funkcija joprojām nav zināma, IGF-1 nozīme jau ir noteikta - tas spēj stimulēt proteoglikānu sintēzi hondrocītos un ievērojami kavēt kataboliskos procesus locītavu skrimšļos. IGF-1 ir galvenais anaboliskais stimuls proteoglikānu sintēzei hondrocītos, kas atrodas asins serumā un sinoviālajā šķidrumā. IGF-1 ir svarīgs faktors hondrocītu kultivēšanai osteoartrīta eksperimentālos modeļos in vitro. Tiek pieņemts, ka IGF-1 nonāk sinoviālajā šķidrumā no asins plazmas. Turklāt normāli hondrocīti ražo abus faktorus - IGF-1 un IGF-2 ekspresija tika konstatēta pacientu ar osteoartrītu sinoviālajā membrānā un skrimšļos. Normālos skrimšļos IGF-1 nepiemīt mitogēnas īpašības, bet tas spēj stimulēt šūnu proliferāciju bojātajā matricā, kas norāda uz dalību reparatīvos procesos.

Bioloģiski aktīvas vielas, kas stimulē locītavu skrimšļa atjaunošanos un kavē tā degradāciju.

• Insulīns
• Gamma interferons
• Somatotropiskais hormons, androgēni
• Somatomedīni (IPF-1 un -2)
• TGF-beta (audu augšanas faktors)
• Trombocītu augšanas faktors
• Bāziskais fibroblastu augšanas faktors
• EFR
• IL-1 receptoru antagonists
• TNF-α saistošie proteīni
• Metaloproteināžu audu inhibitori
• α2 makroglobulīns
• ai-antitripsīns
• RG-makroglobulīns
• Rg-antihimotripsīns

IGF-1 un IGF-2 darbību kontrolē dažādi IGF saistoši proteīni (IGF-BP), kurus arī ražo hondrocīti. IGF-BP var darboties kā nesējs un tam ir arī IGF bloķējoša aktivitāte. Šūnas, kas izolētas no pacientu ar osteoartrītu locītavu skrimšļiem, rada pārmērīgu IGF-BP daudzumu, kas norāda, ka tās bloķē IGF iedarbību. J. Martel-Pelletier et al. (1998) parādīja, ka, lai gan IGF-1 sintēze skrimšļos osteoartrīta gadījumā palielinās, hondrocīti vāji reaģē uz IGF-1 stimulāciju. Izrādījās, ka šī parādība (vismaz daļēji) ir saistīta ar IGF-BP līmeņa paaugstināšanos. IGF-BP ir augsta afinitāte pret IGF, un tas ir svarīgs tā aktivitātes biomodulators. Līdz šim ir pētīti septiņi IGF-BP veidi, un IGF-BP-3 un IGF-BP-4 disregulācijai ir svarīga loma osteoartrīta gadījumā.

Vēl viena augšanas faktoru kategorija, kam ir atšķirīga ietekme uz hondrocītiem, ir trombocītu augšanas faktors (PDGF), FGF un TGF-beta. Šos faktorus ražo ne tikai hondrocīti, bet arī aktivēti sinocīti. FGF piemīt gan anaboliskas, gan kataboliskas īpašības atkarībā no locītavu skrimšļa koncentrācijas un stāvokļa. PDGF ir iesaistīts locītavu skrimšļa ārējās šūnas (ECM) homeostāzes uzturēšanā, nepiemīt acīmredzamas mitogēnas īpašības. Ir zināms, ka šis augšanas faktors veicina proteoglikānu sintēzi un samazina to degradāciju.

TGF-beta ir īpaši interesanta, pateicoties tā lomai osteoartrīta patoģenēzē. Tas pieder pie lielās TGF superģimenes un tam ir kopīgas funkcionālas un signalizācijas īpašības ar nesen atklātajiem BMP (kaulu morfogēniskā proteīna) augšanas faktoriem.

TGF-beta ir pleiotropisks faktors: no vienas puses, tam piemīt imūnsupresīvas īpašības, no otras puses, tas ir hemotaktisks faktors un spēcīgs fibroblastu proliferācijas stimulators. TGF-beta unikālās īpašības ir spēja kavēt enzīmu izdalīšanos no dažādām šūnām un ievērojami palielināt enzīmu inhibitoru (piemēram, TIMP) ražošanu. TGF-beta tiek uzskatīta par svarīgu iekaisuma izraisītu audu bojājumu regulatoru. Tādējādi locītavu skrimšļa audos TGF-beta ievērojami stimulē matricas veidošanos hondrocītu vidū, īpaši pēc iepriekšējas saskares ar šo faktoru. Normāli skrimšļi ir nejutīgi pret TGF-beta. Pacientiem ar osteoartrītu TGF-β stimulē aggrekāna un mazo proteoglikānu ražošanu locītavu skrimšļos.

TGF-beta ražo daudzas šūnas, īpaši hondrocīti. Tas tiek atbrīvots latentā formā, saistīts ar īpašu olbaltumvielu, ko sauc par latentuma asociēto olbaltumvielu (LAP). Disociāciju no šī proteīna veic proteāzes, kas lielos daudzumos tiek ražotas iekaisušos audos. Papildus TGF-beta, ko ražo aktivētās šūnas, šī faktora latentās formas krājumi ir svarīgs TGF-beta reaktivitātes elements audos pēc lokāla bojājuma. TGF-beta ievērojamā daudzumā ir atrodams sinoviālajā šķidrumā, sinoviālajā membrānā un osteoartrīta skartās locītavas skrimšļos. Bojātu audu zonās ar iekaisuma infiltrātiem tiek konstatēta TNF un IL-1 koekspresija, savukārt fibrozes zonās tiek konstatēta tikai TGF-beta ekspresija.

Kultivētu hondrocītu, kas iegūti no pacientiem ar osteoartrītu, inkubācija ar TGF-beta izraisa ievērojamu proteoglikānu sintēzes palielināšanos šajās šūnās. Normālu hondrocītu stimulēšana ar TGF-beta izraisa proteoglikānu sintēzes palielināšanos tikai pēc daudzām inkubācijas dienām. Iespējams, šis laiks ir nepieciešams, lai TGF-beta ietekmē mainītos šūnu fenotips (piemēram, lai mainītos tā sauktā proteoglikānu nodalizācija: jaunizveidotie proteoglikāni ir lokalizēti tikai ap hondrocītiem).

Ir zināms, ka augšanas faktoru, īpaši TGF-beta, sintēzes aktivācija ir svarīga saikne nieru un aknu fibrozes patoģenēzē, kā arī rētu veidošanās procesā brūču dzīšanas laikā. Palielināta slodze uz hondrocītu in vitro noved pie TGF-beta hiperprodukcijas, savukārt samazināta proteoglikānu sintēze pēc ekstremitāšu imobilizācijas var tikt izlīdzināta ar TGF-beta. TGF-beta inducē osteofītu veidošanos locītavu marginālajā zonā kā adaptācijas mehānismu slodzes izmaiņām. IL-1, izraisot mērenu iekaisuma procesu sinovijā, reaģējot uz locītavu bojājumiem, veicina hondrocītu veidošanos ar izmainītu fenotipu, kas ražo pārmērīgu daudzumu.

Atkārtotas lokālas rekombinantā TGF-beta injekcijas augstās koncentrācijās izraisīja osteoartrīta attīstību C57B1 pelēm – osteofītu veidošanos, kas raksturīga cilvēka osteoartrīta gadījumā, un ievērojamu proteoglikānu zudumu "viļņainās robežas" zonā.

Lai saprastu, kā TGF-beta pārpalikums izraisa zināmās izmaiņas skrimšļos, jāatzīmē, ka TGF-β iedarbība izraisa raksturīgu hondrocītu fenotipu ar izmaiņām sintezēto proteoglikānu apakšklasē un ECM elementu normālas integrācijas traucējumiem. Gan IGF-1, gan TGF-beta stimulē proteoglikānu sintēzi alginātā kultivētos hondrocītos, bet pēdējais izraisa arī tā saukto proteoglikānu nodalizāciju. Turklāt tika konstatēts, ka TGF-beta palielina kolagenāzes-3 (MMP-13) līmeni aktivētajos hondrocītos, kas ir pretrunā ar vispārējo priekšstatu par TGF-beta kā faktoru, kas, gluži pretēji, samazina destruktīvo proteāžu izdalīšanos. Tomēr nav zināms, vai TGF-beta inducētā MMP-13 sintēze ir iesaistīta osteoartrīta patoģenēzē. TGF-beta ne tikai stimulē proteoglikānu sintēzi, bet arī veicina to nogulsnēšanos saitēs un cīpslās, palielinot stīvumu un samazinot locītavu kustību diapazonu.

BMP ir TGF-beta superģimenes locekļi. Dažiem no tiem (BMP-2, BMP-7 un BMP-9) piemīt īpašība stimulēt proteoglikānu sintēzi hondrocītos. BMP iedarbojas, saistoties ar specifiskiem receptoriem uz šūnas virsmas; TGF-beta un BMP signālceļi nedaudz atšķiras. Tāpat kā TGF-beta, BMP signalizē caur serīna/treonīna kināzes receptoru kompleksu I un II tips. Šajā kompleksā II tipa receptors tiek transfosforilēts un aktivizē I tipa receptoru, kas pārraida signālu signālmolekulām, ko sauc par Smad. Pēc signāla saņemšanas Smad tiek ātri fosforilēti. Pašlaik ir zināms, ka BMP signālceļā tiek fosforilēti Smad-1, -5 un -8, bet TGF-beta signālceļā tiek fosforilēti Smad-2 un Smad-3. Pēc tam nosauktie Smad saistās ar Smad-4, kas ir kopīgs visu TGF-beta superģimenes locekļu signālceļiem. Šis fakts izskaidro krustenisko funkciju klātbūtni TGF-beta superģimenes locekļos, kā arī TGF-beta un BMP signālceļu savstarpējas inhibīcijas fenomenu, konkurējot par kopīgām komponentēm. Nesen tika identificēta vēl viena Smad proteīnu klase, ko pārstāv Smad-6 un -7. Šīs molekulas darbojas kā TGF-beta un BMP signālceļu regulatori.

Lai gan KMP stimulējošā ietekme uz proteoglikānu sintēzi ir zināma jau ilgu laiku, to loma locītavu skrimšļa funkcijas regulēšanā joprojām ir pretrunīga, jo KMP zināmā spēja izraisīt šūnu dediferenciāciju, stimulēt kalcifikāciju un kaulu audu veidošanos ir pierādīta. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) parādīja, ka KMP mijiedarbība ar II tipa KMP receptoru ir nepieciešama, lai saglabātu hondrocītu diferencēto fenotipu, kā arī kontrolētu to proliferāciju un hipertrofiju. Saskaņā ar LZ Sailor et al. (1996) datiem, KMP-2 saglabā hondrocītu fenotipu kultūrā 4 nedēļas, neizraisot to hipertrofiju. KMP-7 (identisks osteogēnajam proteīnam-1) ilgstoši saglabā alginātā kultivētu locītavu skrimšļa nobriedušu hondrocītu fenotipu.

KMP-2 un -9 ievadīšana peļu ceļa locītavās palielināja proteoglikānu sintēzi par 300%, kas ir ievērojami vairāk nekā TGF-beta. Tomēr stimulējošais efekts bija īslaicīgs, un pēc dažām dienām sintēzes līmenis atgriezās sākotnējā līmenī. TGF-beta izraisīja ilgstošāku proteoglikānu sintēzes stimulāciju, kas, iespējams, ir saistīta ar TGF-beta autoindukciju un hondrocītu sensibilizāciju pret šo faktoru.

TGF-beta ir atbildīga par hondrofītu veidošanos, ko var uzskatīt par tā darbības nevēlamu blakusparādību, KMP-2 arī veicina hondrofītu veidošanos, bet citā locītavas malas zonā (galvenokārt augšanas plāksnes zonā).

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

Skrimšļa morfogēniskie proteīni

Skrimšļa morfogēniskie proteīni (CMP-1 un -2) ir citi TGF-beta superģimenes locekļi, kas ir būtiski skrimšļa audu veidošanai ekstremitāšu attīstības laikā. Mutācijas CMP-1 gēnā izraisa hondrodisplāziju. CMP var būt selektīvāks, uz skrimšļiem vērsts profils. Lai gan TGF-beta un CMP var stimulēt hondrocītus, tie var iedarboties uz daudzām citām šūnām, tāpēc to lietošana skrimšļa atjaunošanai var būt saistīta ar blakusparādībām. Abi CMP veidi ir atrodami veselīgu un osteoartrīta skartu locītavu skrimšļos un veicina locītavu skrimšļa ekstracelulārās membrānas (ECM) atjaunošanos pēc fermentatīvas noārdīšanās, saglabājot normālu fenotipu.

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

Augšanas faktoru sinerģija

Viens augšanas faktors spēj pats sevi inducēt, tāpat kā citi augšanas faktori, šī mijiedarbība ir smalki regulēta. Piemēram, FGF kopā ar citiem augšanas faktoriem nodrošina efektīvāku locītavu skrimšļa atjaunošanos pēc traumatiska defekta. IGF-1 kopā ar TGF-beta ievērojami inducē hondrocītu normālo fenotipu, tos kultivējot in vitro. Tika pierādīts, ka TGF-beta novērš IGF-1 un IGF-BP veidošanos, kā arī defosforilē IGF-1 receptoru, stimulē IGF-1 saistīšanos. Neskartos peles skrimšļos tika konstatēta IGF-1 sinerģisma parādība ar daudziem augšanas faktoriem. Tomēr hondrocītu vājo reakciju uz IGF-1 nevar izlīdzināt, lietojot to kombinācijā ar citiem augšanas faktoriem.

Anabolisko un destruktīvo citokīnu mijiedarbība

Augšanas faktori uzrāda sarežģītu mijiedarbību ar IL-1. Piemēram, hondrocītu iepriekšēja pakļaušana FGF iedarbībai palielina proteāzes izdalīšanos pēc IL-1 iedarbības, iespējams, palielinot IL-1 receptoru ekspresiju. PDGF arī stimulē IL-1 atkarīgu proteāzes izdalīšanos, bet tas samazina IL-1 mediētu proteoglikānu sintēzes inhibīciju. Tas var liecināt, ka daži augšanas faktori var vienlaikus stimulēt skrimšļa atjaunošanos un veicināt tā destrukcijas. Citi augšanas faktori, piemēram, IGF-1 un TGF-β, stimulē locītavu matrices sintēzi un inhibē IL-1 mediētu locītavu skrimšļa destrukcijas, norādot, ka to aktivitāte ir saistīta tikai ar audu atjaunošanos. Šī mijiedarbība nav atkarīga no hondrocītu iepriekšējas iedarbības IL-1. Interesanti, ka IL-1 un TGF-beta iedarbības kinētika var būt atšķirīga: TGF-beta spēju nomākt locītavu skrimšļa degradāciju vājina tā lēnā iedarbība uz TIMP mRNS. No otras puses, bez TGF-beta tiek novērots hNOC un NO līmeņa paaugstināšanās. Ņemot vērā IL-1 nomācošās iedarbības atkarību no NO uz hondrocītu proteoglikānu sintēzi, tas var izskaidrot, kāpēc mēs novērojam ievērojami spēcīgāku TGF-beta pretreakciju pret IL-1 atkarīgu proteoglikānu sintēzes inhibīciju, salīdzinot ar proteoglikānu degradāciju in vivo.

Pētījumā ar pelēm, kurām intraartikulāri injicēja IL-1 un augšanas faktorus, tika pierādīts, ka TGF-beta būtiski neitralizē IL-1 mediēto locītavu skrimšļa proteoglikānu sintēzes inhibīciju, turpretī CMP-2 nespēj uz šādu neitralizēšanos: tā stimulējošo potenciālu pilnībā inhibēja IL-1 pat pie augstām CMP-2 koncentrācijām. Jāatzīmē, ka bez IL-1 CMP-2 stimulēja proteoglikānu sintēzi daudz intensīvāk nekā TGF-beta.

Papildus ietekmei uz proteoglikānu sintēzi, TGF-beta būtiski ietekmē arī IL-1 izraisīto skrimšļa proteoglikānu satura samazināšanos. Iespējams, ka proteoglikānu saturs samazinās vai palielinās atkarībā no IL-1 un TGF-beta relatīvās koncentrācijas. Interesanti, ka iepriekš aprakstītā IL-1 un TGF-beta pretdarbība tika novērota skrimšļa biezumā, bet šī parādība netika novērota hondrofītu tuvumā locītavu virsmu malās. Hondrofītu veidošanos inducē TGF-β, kas ietekmē hondrogēnās šūnas periosteumā, izraisot hondroblastu attīstību un proteoglikānu nogulsnēšanos. Acīmredzot šie hondroblasti nav jutīgi pret IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) pētīja TGF-beta un KMP-2 spēju neitralizēt proteoglikānu sintēzes nomākšanu peļu locītavās ar zimozāna izraisītu artrītu (t.i., "tīra" IL-1 izraisīta iekaisuma modelī). TGF-beta intraartikulāra ievadīšana būtiski neitralizēja proteoglikānu sintēzes nomākšanu, ko izraisa iekaisums, savukārt KMP-2 praktiski nespēja neitralizēt šo IL-1 atkarīgo procesu. Atkārtotas TGF-β injekcijas pētīto dzīvnieku ceļa locītavā būtiski stimulēja proteoglikānu sintēzi hondrocītos, veicināja esošo proteoglikānu saglabāšanos iekaisuma noplicinātajos skrimšļos, bet neapspieda iekaisuma procesu.

Pētot hondrocītu proteoglikānu sintezēšanas funkciju, izmantojot eksperimentālus osteoartrīta modeļus dzīvniekiem, osteoartrīta agrīnajās stadijās vienmēr ir atzīmēts proteoglikānu satura pieaugums un sintēzes stimulēšana, atšķirībā no iekaisuma modeļiem, kuros tiek novērota ievērojama sintēzes inhibīcija (no IL-1 atkarīgs process). Paaugstināta anabolisko faktoru, īpaši augšanas faktoru, aktivitāte, kas novērota osteoartrīta gadījumā, neitralizē tādu nomācošo citokīnu kā IL-1 iedarbību. Starp augšanas faktoriem vissvarīgākais ir TGF-beta; maz ticams, ka KMP-2 spēlē nozīmīgu lomu šajā procesā. Lai gan IGF-1 spēj stimulēt proteoglikānu sintēzi in vitro, šī īpašība in vivo netiek novērota, lokāli lietojot IGF-1. Tas var būt saistīts ar faktu, ka šī augšanas faktora endogēnais līmenis ir optimāls. Vēlākās osteoartrīta stadijās parādās proteoglikānu sintēzes inhibīcijas pazīmes, kas, iespējams, ir saistītas ar IL-1 dominējošo darbību un augšanas faktoru nespēju to neitralizēt samazinātas aktivitātes dēļ.

Augšanas faktoru ekspresijas analīze STR/ORT pelēm ar spontānu osteoartrītu uzrādīja paaugstinātu TGF-β un IL-1 mRNS līmeni bojātajos skrimšļos. Jāatzīmē, ka TGF-β aktivācija no latentās formas ir svarīgs audu atjaunošanās elements. TGF-β lomas izpratni sarežģī TGF-β II tipa receptoru ekspresijas pētījuma rezultāti ACL trušiem. Tūlīt pēc osteoartrīta indukcijas tika konstatēts samazināts šo receptoru līmenis, kas norāda uz nepietiekamu TGF-β signalizāciju. Interesanti, ka pelēm ar TGF-β 11. tipa receptoru deficītu tika novērotas spontānas osteoartrīta pazīmes, kas arī norāda uz svarīgu TGF-β signalizācijas lomu skrimšļu atjaunošanās pasliktināšanā un osteoartrīta attīstībā.

Augšanas faktoru absolūtais saturs reimatoīdā artrīta vai osteoartrīta pacientu locītavās var norādīt uz to iespējamo lomu šo slimību patoģenēzē. Tomēr, neskatoties uz to, ka locītavās ar osteoartrītu un reimatoīdo artrītu ir konstatēta augsta augšanas faktoru koncentrācija, abu slimību degradācijas un reparācijas procesu raksturs ir pilnīgi atšķirīgs. Iespējams, pastāv arī citi, vēl neidentificēti faktori, kuriem ir būtiska loma šo slimību patoģenēzē, vai arī citi pētāmo parādību aspekti nosaka degradācijas un reparācijas procesu gaitu locītavu audos (piemēram, noteiktu receptoru ekspresija uz hondrocītu virsmas, šķīstošie receptori, kas saistās ar olbaltumvielām, vai anabolisko un destruktīvo faktoru nelīdzsvarotība).