Naprawa chrząstki stawowej i czynniki wzrostu w patogenezie choroby zwyrodnieniowej stawów

Dzięki postępowi biotechnologii, a w szczególności technologii klonowania, w ostatnich latach intensywnie rozszerzono listę czynników wzrostu, które jako czynniki anaboliczne odgrywają ważną, acz nie do końca poznaną rolę w patogenezie choroby zwyrodnieniowej stawów.

Pierwszą grupę czynników wzrostu omawianych poniżej stanowią IGF-y. Występują one w dużych ilościach w surowicy krwi i mają szereg wspólnych z insuliną właściwości. IGF-2 jest bardziej typowy dla embrionalnego stadium rozwoju, podczas gdy IGF-1 jest dominującym przedstawicielem tej grupy u dorosłych. Obaj przedstawiciele tej grupy działają poprzez wiązanie się z receptorami IGF typu I. Podczas gdy funkcja IGF-2 pozostaje nieznana, znaczenie IGF-1 zostało już określone - jest on w stanie stymulować syntezę proteoglikanów przez chondrocyty i znacząco hamować procesy kataboliczne w chrząstce stawowej. IGF-1 jest głównym bodźcem anabolicznym do syntezy proteoglikanów przez chondrocyty, obecnym w surowicy krwi i płynie stawowym. IGF-1 jest ważnym czynnikiem do hodowli chondrocytów w eksperymentalnych modelach osteoartrozy in vitro. Zakłada się, że IGF-1 przedostaje się do płynu stawowego z osocza krwi. Ponadto normalne chondrocyty produkują oba czynniki - ekspresję IGF-1 i IGF-2 stwierdzono w błonie maziowej i chrząstce pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów. W normalnej chrząstce IGF-1 nie ma właściwości mitogennych, ale jest w stanie stymulować proliferację komórek w uszkodzonej macierzy, co wskazuje na udział w procesach naprawczych.

Substancje biologicznie czynne, które stymulują naprawę i hamują degradację chrząstki stawowej

• Insulina
• Interferon gamma
• Hormon somatotropowy, androgeny
• Somatomedyny (IPF-1 i -2)
• TGF-beta (czynnik wzrostu tkanek)
• Czynnik wzrostu pochodzący z płytek krwi
• Podstawowy czynnik wzrostu fibroblastów
• EFR
• Antagonista receptora IL-1
• Białka wiążące TNF-a
• Inhibitory tkankowe metaloproteaz
• a ₂ -makroglobulina
• ai-antytrypsyna
• RG-makroglobulina
• Rg-antychymotrypsyna

Działania IGF-1 i IGF-2 są kontrolowane przez różne białka wiążące IGF (IGF-BP), które są również wytwarzane przez chondrocyty. IGF-BP może działać jako nośnik, a także mieć aktywność blokującą IGF. Komórki wyizolowane z chrząstki stawowej pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów wytwarzają nadmierne ilości IGF-BP, co wskazuje, że blokują one działanie IGF. J. Martel-Pelletier i in. (1998) wykazali, że chociaż synteza IGF-1 w chrząstce wzrasta w chorobie zwyrodnieniowej stawów, chondrocyty słabo reagują na stymulację IGF-1. Okazało się, że zjawisko to jest związane (przynajmniej częściowo) ze wzrostem poziomu IGF-BP. IGF-BP ma duże powinowactwo do IGF i jest ważnym biomodulatorem jego aktywności. Do tej pory zbadano siedem typów IGF-BP, a dysregulacja IGF-BP-3 i IGF-BP-4 odgrywa ważną rolę w chorobie zwyrodnieniowej stawów.

Inna kategoria czynników wzrostu, które wykazują różne efekty na chondrocyty, obejmuje czynnik wzrostu pochodzący z płytek krwi (PDGF), FGF i TGF-beta. Czynniki te są wytwarzane nie tylko przez chondrocyty, ale także przez aktywowane synowocyty. FGF ma zarówno właściwości anaboliczne, jak i kataboliczne, w zależności od stężenia i stanu chrząstki stawowej. PDGF bierze udział w utrzymaniu homeostazy ECM chrząstki stawowej, nie mając oczywistych właściwości mitogennych. Wiadomo, że ten czynnik wzrostu wzmacnia syntezę proteoglikanów i zmniejsza ich degradację.

TGF-beta jest szczególnie interesujący ze względu na swoją rolę w patogenezie choroby zwyrodnieniowej stawów. Jest członkiem dużej rodziny TGF i dzieli właściwości funkcjonalne i sygnalizacyjne z niedawno odkrytymi czynnikami wzrostu BMP (białko morfogenetyczne kości).

TGF-beta jest czynnikiem plejotropowym: z jednej strony ma właściwości immunosupresyjne, z drugiej strony jest czynnikiem chemotaktycznym i silnym stymulatorem proliferacji fibroblastów. Unikalnymi właściwościami TGF-beta jest zdolność do hamowania uwalniania enzymów z różnych komórek i znacznego zwiększenia produkcji inhibitorów enzymów (np. TIMP). TGF-beta jest uważany za ważny regulator uszkodzeń tkanek spowodowanych stanem zapalnym. Tak więc w tkance chrząstki stawowej TGF-beta znacząco stymuluje produkcję macierzy przez chondrocyty, zwłaszcza po wcześniejszej ekspozycji na ten czynnik. Normalna chrząstka jest niewrażliwa na TGF-beta. U pacjentów z OA TGF-β stymuluje produkcję agrekanu i małych proteoglikanów w chrząstce stawowej.

TGF-beta jest wytwarzany przez wiele komórek, szczególnie chondrocyty. Jest uwalniany w formie utajonej związanej ze specjalnym białkiem zwanym białkiem związanym z latencją (LAP). Dysocjacja od tego białka jest realizowana przez proteazy, które są produkowane w dużych ilościach w tkankach objętych stanem zapalnym. Oprócz TGF-beta, który jest produkowany przez aktywowane komórki, magazyny utajonej formy tego czynnika są ważnym elementem reaktywności TGF-beta w tkance po miejscowym urazie. TGF-beta jest obecny w znacznych ilościach w płynie stawowym, błonie stawowej i chrząstce stawu dotkniętego chorobą zwyrodnieniową stawów. W obszarach uszkodzonej tkanki z naciekami zapalnymi wykrywa się współekspresję TNF i IL-1, podczas gdy w obszarach zwłóknienia wykrywa się tylko ekspresję TGF-beta.

Inkubacja hodowanych chondrocytów od pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów z TGF-beta powoduje znaczny wzrost syntezy proteoglikanów przez te komórki. Stymulacja normalnych chondrocytów za pomocą TGF-beta powoduje wzrost syntezy proteoglikanów dopiero po wielu dniach inkubacji. Być może ten czas jest konieczny, aby fenotyp komórki zmienił się pod wpływem TGF-beta (na przykład w celu zmiany tzw. kompartmentalizacji proteoglikanów: nowo utworzone proteoglikany są zlokalizowane tylko wokół chondrocytów).

Wiadomo, że aktywacja syntezy czynnika wzrostu, w szczególności TGF-beta, jest ważnym ogniwem w patogenezie zwłóknienia nerek i wątroby oraz tworzeniu się blizn podczas gojenia się ran. Zwiększone obciążenie chondrocytów in vitro prowadzi do hiperprodukcji TGF-beta, podczas gdy zmniejszona synteza proteoglikanów po unieruchomieniu kończyny może być zniwelowana przez TGF-beta. TGF-beta indukuje powstawanie osteofitów w strefie brzeżnej stawów jako mechanizm adaptacji do zmian obciążenia. IL-1, powodując umiarkowany proces zapalny w błonie maziowej w odpowiedzi na uszkodzenie stawu, sprzyja powstawaniu chondrocytów o zmienionym fenotypie, które produkują nadmierną ilość.

Wielokrotne miejscowe wstrzyknięcia rekombinowanego TGF-beta w wysokich stężeniach doprowadziły do rozwoju choroby zwyrodnieniowej stawów u myszy C57B1 - powstawania osteofitów, co jest charakterystyczne dla ludzkiej choroby zwyrodnieniowej stawów, oraz znacznej utraty proteoglikanów w strefie „falistej granicy”.

Aby zrozumieć, w jaki sposób nadmiar TGF-beta powoduje znane zmiany w chrząstce, należy zauważyć, że ekspozycja na TGF-β indukuje charakterystyczny fenotyp chondrocytów ze zmianą podklasy syntetyzowanych proteoglikanów i zaburzeniem normalnej integracji elementów ECM. Zarówno IGF-1, jak i TGF-beta stymulują syntezę proteoglikanów przez chondrocyty hodowane w alginianie, ale ten drugi indukuje również tak zwaną kompartmentalizację proteoglikanów. Ponadto stwierdzono, że TGF-beta zwiększa poziom kolagenazy-3 (MMP-13) w aktywowanych chondrocytach, co jest sprzeczne z ogólną ideą TGF-beta jako czynnika, który wręcz przeciwnie, zmniejsza uwalnianie destrukcyjnych proteaz. Nie wiadomo jednak, czy synteza MMP-13 indukowana przez TGF-beta jest zaangażowana w patogenezę OA. TGF-beta nie tylko stymuluje syntezę proteoglikanów, ale także wspomaga ich odkładanie się w więzadłach i ścięgnach, zwiększając sztywność i zmniejszając zakres ruchu stawów.

BMP są członkami superrodziny TGF-beta. Niektóre z nich (BMP-2, BMP-7 i BMP-9) mają właściwość stymulowania syntezy proteoglikanów przez chondrocyty. BMP wywierają swoje działanie poprzez wiązanie się ze specyficznymi receptorami na powierzchni komórki; ścieżki sygnałowe TGF-beta i BMP różnią się nieznacznie. Podobnie jak TGF-beta, BMP przekazują sygnał za pośrednictwem kompleksu receptora kinazy serynowo-treoninowej typu I i II. W tym kompleksie receptor typu II jest transfosforylowany i aktywuje receptor typu I, który przekazuje sygnał do cząsteczek sygnałowych zwanych Smads. Po otrzymaniu sygnału Smads są szybko fosforylowane. Obecnie wiadomo, że w szlaku sygnałowym BMP fosforylowane są Smads-1, -5 i -8, a w szlaku sygnałowym TGF-beta fosforylowane są Smads-2 i Smad-3. Następnie nazwane Smads łączą się ze Smad-4, który jest wspólny dla ścieżek sygnałowych wszystkich członków superrodziny TGF-beta. Ten fakt wyjaśnia obecność funkcji krzyżowych u członków superrodziny TGF-beta, a także zjawisko wzajemnego hamowania ścieżek sygnałowych TGF-beta i BMP poprzez rywalizację o wspólne składniki. Niedawno zidentyfikowano inną klasę białek Smad, którą reprezentują Smad-6 i -7. Te cząsteczki działają jako regulatory ścieżek sygnałowych TGF-beta i BMP.

Pomimo faktu, że stymulujący wpływ CMP na syntezę proteoglikanów jest znany od dawna, ich rola w regulacji funkcji chrząstki stawowej pozostaje kontrowersyjna ze względu na znaną zdolność CMP do powodowania dedyferencjacji komórek, stymulowania wapnienia i tworzenia tkanki kostnej. M. Enomoto-Iwamoto i in. (1998) wykazali, że interakcja CMP z receptorem CMP typu II jest niezbędna do utrzymania zróżnicowanego fenotypu chondrocytów, a także kontrolowania ich proliferacji i hipertrofii. Według LZ Sailor i in. (1996), CMP-2 utrzymuje fenotyp chondrocytów w hodowli przez 4 tygodnie, nie powodując ich hipertrofii. CMP-7 (identyczny z białkiem osteogenicznym-1) utrzymuje fenotyp dojrzałych chondrocytów chrząstki stawowej hodowanych w alginianie przez długi czas.

Wprowadzenie KMP-2 i -9 do stawów kolanowych myszy zwiększyło syntezę proteoglikanów o 300%, znacznie więcej niż TGF-beta. Jednak efekt stymulujący był tymczasowy, a po kilku dniach poziom syntezy powrócił do poziomu początkowego. TGF-beta spowodował długotrwałą stymulację syntezy proteoglikanów, co prawdopodobnie jest spowodowane autoindukcją TGF-beta i uwrażliwieniem chondrocytów na ten czynnik.

TGF-beta odpowiada za powstawanie chondrofitów, co można uznać za niepożądany efekt jego działania, KMP-2 również sprzyja powstawaniu chondrofitów, ale w innym obszarze brzegu stawowego (głównie w okolicy płytki wzrostowej).

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

Białka morfogenetyczne chrząstki

Morfogenetyczne białka chrząstki (CMP-1 i -2) to inni członkowie rodziny TGF-beta, którzy są niezbędni do tworzenia tkanki chrzęstnej podczas rozwoju kończyny. Mutacje w genie CMP-1 powodują chondrodysplazję. CMP mogą mieć bardziej selektywny profil ukierunkowany na chrząstkę. Chociaż TGF-beta i CMP mogą stymulować chondrocyty, mogą oddziaływać na wiele innych komórek, więc ich stosowanie w naprawie chrząstki może wiązać się z efektami ubocznymi. Oba typy CMP występują w chrząstce zdrowych i dotkniętych chorobą zwyrodnieniową stawów i promują naprawę ECM chrząstki stawowej po degradacji enzymatycznej, utrzymując normalny fenotyp.

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

Synergizm czynników wzrostu

Jeden czynnik wzrostu jest w stanie indukować siebie, jak również inne czynniki wzrostu, ta interakcja jest precyzyjnie regulowana. Na przykład, FGF razem z innymi czynnikami wzrostu zapewnia bardziej skuteczną naprawę chrząstki stawowej po urazowym uszkodzeniu. IGF-1 razem z TGF-beta znacząco indukuje normalny fenotyp chondrocytów podczas hodowli ich in vitro. Wykazano, że TGF-beta zapobiega produkcji IGF-1 i IGF-BP, a także defosforyluje receptor IGF-1, stymuluje wiązanie IGF-1. W nienaruszonej chrząstce myszy stwierdzono zjawisko synergii IGF-1 z wieloma czynnikami wzrostu. Jednak słabej odpowiedzi chondrocytów na IGF-1 nie można zniwelować, stosując go w połączeniu z innymi czynnikami wzrostu.

Interakcja cytokin anabolicznych i destrukcyjnych

Czynniki wzrostu wykazują złożone interakcje z IL-1. Na przykład, wstępna ekspozycja chondrocytów na FGF zwiększa uwalnianie proteazy po ekspozycji na IL-1, prawdopodobnie poprzez zwiększoną ekspresję receptora IL-1. PDGF stymuluje również zależne od IL-1 uwalnianie proteazy, ale zmniejsza hamowanie syntezy proteoglikanów przez IL-1. Może to wskazywać, że niektóre czynniki wzrostu mogą jednocześnie stymulować naprawę chrząstki i promować jej niszczenie. Inne czynniki wzrostu, takie jak IGF-1 i TGF-β, stymulują syntezę macierzy stawowej i hamują niszczenie chrząstki stawowej przez IL-1, co wskazuje, że ich aktywność jest związana wyłącznie z naprawą tkanek. Ta interakcja jest niezależna od wstępnej ekspozycji chondrocytów na IL-1. Co ciekawe, kinetyka efektów IL-1 i TGF-beta może być różna: zdolność TGF-beta do hamowania degradacji chrząstki stawowej jest osłabiona przez jego powolne działanie na mRNA TIMP. Z drugiej strony, wzrost poziomów hNOC i NO obserwuje się w przypadku braku TGF-beta. Biorąc pod uwagę zależność NO od supresyjnego działania IL-1 na syntezę proteoglikanu przez chondrocyty, może to wyjaśniać, dlaczego obserwujemy znacznie silniejsze przeciwdziałanie TGF-beta na zależne od IL-1 hamowanie syntezy proteoglikanu w porównaniu z degradacją proteoglikanu in vivo.

W badaniu na myszach, którym wstrzyknięto dostawowo IL-1 i czynniki wzrostu, wykazano, że TGF-beta znacząco przeciwdziała hamowaniu syntezy proteoglikanów chrząstki stawowej przez IL-1, podczas gdy CMP-2 nie jest zdolny do takiego przeciwdziałania: jego potencjał stymulujący został całkowicie zahamowany przez IL-1 nawet przy wysokich stężeniach CMP-2. Co godne uwagi, w nieobecności IL-1, CMP-2 stymulował syntezę proteoglikanów znacznie intensywniej niż TGF-beta.

Oprócz wpływu na syntezę proteoglikanów, TGF-beta znacząco wpływa również na indukowaną przez IL-1 redukcję zawartości proteoglikanów w chrząstce. Możliwe, że zawartość proteoglikanów zmniejsza się lub zwiększa w zależności od względnego stężenia IL-1 i TGF-beta. Co ciekawe, opisane powyżej przeciwdziałanie IL-1 i TGF-beta zaobserwowano w grubości chrząstki, ale zjawiska tego nie zaobserwowano w pobliżu chondrofitów na krawędziach powierzchni stawowych. Tworzenie chondrofitów jest indukowane przez TGF-β, który wpływa na komórki chrzęstne w okostnej, powodując rozwój chondroblastów i odkładanie się proteoglikanów. Najwyraźniej te chondroblasty nie są wrażliwe na IL-1.

HL Glansbeek i in. (1998) badali zdolność TGF-beta i KMP-2 do przeciwdziałania tłumieniu syntezy proteoglikanów w stawach myszy z zapaleniem stawów wywołanym zymosanem (tj. w modelu „czystego” zapalenia wywołanego IL-1). Dostawowe podanie TGF-beta znacząco przeciwdziałało tłumieniu syntezy proteoglikanów wywołanemu przez stan zapalny, podczas gdy KMP-2 praktycznie nie było w stanie przeciwdziałać temu procesowi zależnemu od IL-1. Powtarzane wstrzyknięcia TGF-β do stawu kolanowego badanych zwierząt znacząco stymulowały syntezę proteoglikanów przez chondrocyty, przyczyniały się do zachowania istniejących proteoglikanów w chrząstce wyczerpanej przez stan zapalny, ale nie tłumiły procesu zapalnego.

Podczas badania funkcji syntetyzującej proteoglikany chondrocytów przy użyciu eksperymentalnych modeli osteoartrozy u zwierząt, zawsze zauważono wzrost zawartości i stymulację syntezy proteoglikanów we wczesnych stadiach OA, w przeciwieństwie do modeli zapalnych, w których obserwuje się znaczące zahamowanie syntezy (proces zależny od IL-1). Zwiększona aktywność czynników anabolicznych, w szczególności czynników wzrostu, którą obserwuje się w osteoartrozie, neutralizuje działanie takich cytokin supresorowych jak IL-1. Spośród czynników wzrostu największe znaczenie ma TGF-beta; mało prawdopodobne jest, aby KMP-2 odgrywał znaczącą rolę w tym procesie. Chociaż IGF-1 jest w stanie stymulować syntezę proteoglikanów in vitro, tej właściwości nie obserwuje się in vivo przy miejscowym stosowaniu IGF-1. Może to wynikać z faktu, że endogenny poziom tego czynnika wzrostu jest optymalny. W późniejszych stadiach choroby zwyrodnieniowej stawów pojawiają się objawy zahamowania syntezy proteoglikanów, co prawdopodobnie wiąże się z dominującym działaniem IL-1 i brakiem możliwości przeciwdziałania mu przez czynniki wzrostu ze względu na zmniejszoną aktywność.

Analiza ekspresji czynnika wzrostu u myszy STR/ORT ze spontaniczną chorobą zwyrodnieniową stawów wykazała zwiększone poziomy mRNA TGF-β i IL-1 w uszkodzonej chrząstce. Należy zauważyć, że aktywacja TGF-β z formy utajonej jest ważnym elementem naprawy tkanek. Zrozumienie roli TGF-β jest skomplikowane przez wyniki badania ekspresji receptora TGF-β typu II u królików ACL. Bezpośrednio po wywołaniu choroby zwyrodnieniowej stawów wykryto zmniejszone poziomy tych receptorów, co wskazuje na niewystarczającą sygnalizację TGF-β. Co ciekawe, myszy z niedoborem receptora TGF-β typu 11 wykazywały oznaki spontanicznej choroby zwyrodnieniowej stawów, co również wskazuje na ważną rolę sygnalizacji TGF-β w pogorszeniu naprawy chrząstki i rozwoju choroby zwyrodnieniowej stawów.

Bezwzględna zawartość czynników wzrostu w stawach pacjentów z reumatoidalnym zapaleniem stawów lub chorobą zwyrodnieniową stawów może wskazywać na ich możliwą rolę w patogenezie tych chorób. Jednak pomimo faktu, że wysokie stężenia czynników wzrostu występują w stawach z chorobą zwyrodnieniową stawów i reumatoidalnym zapaleniem stawów, natura procesów degradacji i naprawy w obu chorobach jest zupełnie inna. Prawdopodobnie istnieją inne, jak dotąd niezidentyfikowane czynniki, które odgrywają główną rolę w patogenezie tych chorób, lub inne aspekty badanych zjawisk determinują przebieg procesów degradacji i naprawy w tkankach stawowych (na przykład ekspresja niektórych receptorów na powierzchni chondrocytów, rozpuszczalnych receptorów wiążących białka lub nierównowaga czynników anabolicznych i destrukcyjnych).