Patofizjologiczna jedność w rozwoju osteoporozy i miażdżycy naczyń krwionośnych

W strukturze umieralności ludności krajów rozwiniętych czołowe miejsce zajmują choroby układu krążenia. Choroby układu sercowo-naczyniowego (nadciśnienie tętnicze, choroba niedokrwienna serca, zawał mięśnia sercowego), których podłożem jest miażdżyca, słusznie nazywane są epidemią XXI wieku.

Według WHO, ponad 17 milionów ludzi umiera każdego roku na świecie z powodu chorób układu krążenia, a do 2015 roku liczba zgonów wzrośnie do 20 milionów. Oprócz tego jedną z głównych przyczyn niewydolności funkcjonalnej i utraty zdolności do pracy u osób dorosłych jest osteoporoza (OP) - najbardziej znana i powszechna choroba układu kostnego na świecie, której częstość występowania jest związana z wiekiem. Osteoporoza jest wieloczynnikową poligenową chorobą szkieletu, która jest najczęstszą postacią osteopatii metabolicznej. Choroba charakteryzuje się utratą masy kostnej, zaburzeniem ich mikroarchitektury (zniszczeniem beleczek), zmniejszeniem wytrzymałości i towarzyszy jej wysokie ryzyko złamań.

To właśnie złamania, z których najpoważniejsze to złamania szyjki kości udowej i kości promieniowej w dolnej 1/3 przedramienia, decydują o medycznym i medyczno-społecznym znaczeniu choroby, w tym o zwiększonej śmiertelności i znacznych stratach ekonomicznych z nimi związanych. Specyfiką osteoporozy jest to, że choroba ta dotyka głównie osoby starsze i w podeszłym wieku. Znaczny wzrost zapadalności na osteoporozę, obserwowany od drugiej połowy XX wieku, naturalnie odzwierciedla zmiany demograficzne zachodzące w populacji i objawiające się starzeniem się populacji we wszystkich uprzemysłowionych krajach świata. Liczne badania epidemiologiczne przeprowadzone ostatnio na świecie i w Europie wskazują na dodatnią korelację między chorobami układu sercowo-naczyniowego a patologiami układu kostnego. Jednocześnie wielu autorów wiąże osteoporozę z postępem miażdżycy, w tym zwapnieniem ścian naczyń. U kobiet ze złamaniami osteoporotycznymi zaobserwowano wzrost częstości występowania zwapnień aorty i tętnic wieńcowych, których nasilenie korelowało ze spadkiem gęstości mineralnej kości (BMD).

Badania przeprowadzone przez SO Song i in. ujawniły związek między zmniejszeniem BMD kręgosłupa i bliższej części kości udowej a wzrostem zawartości wapnia w tętnicach wieńcowych zgodnie z tomografią komputerową wiązki elektronów. M. Naves i in. odkryli, że u kobiet z osteoporozą pomenopauzalną zmniejszenie BMD o jedno odchylenie standardowe od szczytowej masy kostnej wiąże się ze zwiększonym ryzykiem ogólnej śmiertelności o 43% i przedwczesnej śmierci z powodu patologii sercowo-naczyniowej. Inne badania wykazały również, że u pacjentów ze zmniejszeniem BMD częściej występuje wzrost stężenia lipidów we krwi, rozwija się cięższa miażdżyca tętnic wieńcowych i znacznie zwiększa się ryzyko udaru mózgu i zawału mięśnia sercowego. Przedstawione dane sugerują, że wzrost częstości występowania osteoporozy, ektopowego zwapnienia i miażdżycy u tych samych pacjentów ma wspólną podstawę patogenetyczną. Koncepcja, że choroby układu krążenia i osteoporoza są powiązane za pośrednictwem markerów, które jednocześnie wpływają na komórki naczyniowe i kostne, została poparta obszernymi badaniami eksperymentalnymi.

Kandydatem do roli takiego markera jest niedawno zidentyfikowane białko osteoprotegeryna (OPG), które należy do rodziny receptorów czynnika martwicy nowotworu i jest częścią układu cytokinowego RANKL-RANK-OPG.

[ 1 ], [ 2 ]

Przebudowa kości i rola układu rankl-rank-opg

Osteoporoza jest chorobą polegającą na procesach zaburzeń przebudowy kości ze zwiększoną resorpcją kości i zmniejszoną syntezą kości. Oba procesy tworzenia tkanki kostnej są ze sobą ściśle powiązane i są wynikiem interakcji komórkowej osteoblastów (OB) i osteoklastów (OC), pochodzących z prekursorów różnych linii komórkowych: osteoblastów - z komórek macierzystych mezenchymalnych, osteoklastów - z komórek makrofagowo-monocytarnych szpiku kostnego. Osteoblasty są komórkami jednojądrowymi biorącymi udział w procesie tworzenia kości i mineralizacji komórek macierzy kostnej. Osteoblasty odgrywają zasadniczą rolę w modulacji przebudowy kości i regulowaniu aktywności metabolicznej innych komórek tkanki kostnej. Wydzielają szereg substancji biologicznie czynnych, poprzez które wpływają na proces dojrzewania komórki prekursorowej osteoklastów, przekształcając ją w dużą komórkę wielojądrową zdolną do uczestniczenia w resorpcji, czyli wchłanianiu tkanki kostnej, działając wyłącznie na zmineralizowaną kość, nie zmieniając rzeczywistej macierzy tkanki kostnej.

Dojrzewanie i różnicowanie osteoblastów odbywa się pod wpływem różnych specyficznych czynników wpływających na proces transkrypcji, z których najważniejszym jest białko Cbfal (core-binding factor oil; znany również jako runt related transcription factor 2; RUNX2). U myszy z niedoborem Cbfal/RUNX2 obserwuje się znaczne spowolnienie procesu tworzenia kości, a dojrzewanie komórek OB nie jest obserwowane. Natomiast podanie rekombinowanego Cbfal zwierzętom powoduje ekspresję genów inherentnych dla osteoblastów w komórkach nieosteogenicznych. Istotna rola odgrywana przez Cbfal/RUNX2 w różnicowaniu i dojrzewaniu osteoblastów przejawia się również w zdolności białka do regulowania funkcji wielu genów zaangażowanych w syntezę białek tkanki kostnej: kolagenu typu 1, osteopontyny (OPN), osteokalcyny i sialoproteiny. Na wzrost i sprawność funkcjonalną OB wpływają również czynniki parakrynowe i/lub autokrynowe regulujące aktywność wewnątrzjądrowych procesów transkrypcyjnych, syntezę OPN i osteokalcyny. Należą do nich liczne czynniki wzrostu komórek, modulatory cytokin i hormonalne substancje biologicznie czynne. Założenie, że aktywacja i regulacja przebudowy tkanki kostnej są konsekwencją interakcji osteoblastów i osteoklastów, zostało potwierdzone w licznych badaniach naukowych. Znaczący postęp w zrozumieniu procesów przebudowy kości osiągnięto dzięki odkryciu układu cytokin RANKL-RANK-OPG, który odgrywa kluczową rolę w formowaniu, różnicowaniu i aktywności osteoklastów. Odkrycie tego układu stało się kamieniem węgielnym do zrozumienia patogenezy osteoporozy, osteoklastogenezy i regulacji resorpcji kości, a także innych procesów zaangażowanych w lokalną przebudowę kości. Regulacja osteoklastogenezy odbywa się głównie za pośrednictwem dwóch cytokin: ligandu receptora aktywującego czynnik jądrowy kappa-B (RANKL) i OPG na tle permisywnego działania czynnika stymulującego kolonie makrofagów (M-CSF).

RANKL to glikoproteina produkowana przez komórki osteoblastyczne, aktywowane limfocyty T, która należy do superrodziny ligandów czynnika martwicy nowotworu (TNF) i jest głównym bodźcem do dojrzewania osteoklastów. Molekularną podstawę interakcji międzykomórkowych z udziałem układu RANKL-RANK-OPG można przedstawić następująco: RANKL ekspresowany na powierzchni osteoblastów wiąże się z receptorem RANK znajdującym się na błonach komórek prekursorowych OC i indukuje proces różnicowania i aktywacji osteoklastów. Jednocześnie komórki macierzyste szpiku kostnego i OB uwalniają M-CSF. Ten polipeptydowy czynnik wzrostu, wchodząc w interakcję ze swoim receptorem transbłonowym o wysokim powinowactwie (c-fms), aktywuje wewnątrzkomórkową kinazę tyrozynową, stymulując proliferację i różnicowanie komórek prekursorowych osteoklastów. Aktywność proliferacyjna M-CSF znacząco wzrasta, gdy OB jest wystawiony na działanie parathormonu, witaminy D3, interleukiny 1 (IL-1), TNF i odwrotnie, zmniejsza się pod wpływem estrogenów i OPG. Estrogeny, wchodząc w interakcje z wewnątrzkomórkowymi receptorami OB, zwiększają aktywność proliferacyjną i funkcjonalną komórki, jednocześnie zmniejszając funkcję osteoklastów, stymulując produkcję OPG przez osteoblasty. OPG jest rozpuszczalnym receptorem dla RANKL, syntetyzowanym i uwalnianym przez komórki osteoblastyczne, a także komórki podścieliska, komórki śródbłonka naczyniowego i limfocyty B. OPG działa jako endogenny receptor-wabik dla RANKL, blokując jego interakcję z własnym receptorem (RANK), a tym samym hamuje powstawanie dojrzałych wielojądrowych komórek osteoklastów, zakłócając proces osteoklastogenezy, zmniejszając aktywność resorpcji tkanki kostnej. Syntetyzowany i uwalniany przez komórki OB, RANKL jest specyficznym czynnikiem niezbędnym do rozwoju i funkcjonowania OC. RANKL wchodzi w interakcję ze swoim receptorem tropowym RANK na błonie komórki prekursorowej OC (wspólny prekursor osteoklastów i monocytów/makrofagów), co prowadzi do wewnątrzkomórkowej kaskady transformacji genomowych. RANK wpływa na czynnik jądrowy kappa-B (NF-kB) poprzez białko związane z receptorem TRAF6, które aktywuje i przenosi NF-kB z cytoplazmy do jądra komórkowego.

Akumulacja aktywowanego NF-kB zwiększa ekspresję białka NFATcl, które jest swoistym wyzwalaczem rozpoczynającym proces transkrypcji wewnątrzkomórkowych genów tworzących proces osteoklastogenezy. Zróżnicowany osteoklast zajmuje określoną pozycję na powierzchni kości i rozwija wyspecjalizowany cytoszkielet, który pozwala mu na utworzenie izolowanej jamy resorpcyjnej, mikrośrodowiska między osteoklastami a kością. Błona OC zwrócona w stronę jamy utworzonej przez komórkę tworzy wiele fałd, nabiera pofałdowanego wyglądu, co znacznie zwiększa powierzchnię resorpcyjną. Mikrośrodowisko utworzonej jamy resorpcyjnej jest zakwaszane przez elektrogeniczne pompowanie do niej protonów. Wewnątrzkomórkowe pH OC jest utrzymywane przy udziale anhydrazy węglanowej II poprzez wymianę jonów HCO3/Cl przez antyresorpcyjną błonę komórki. Zjonizowany chlor wnika do mikrojamy resorpcyjnej przez kanały anionowe pofałdowanej błony resorpcyjnej, w wyniku czego pH w jamie osiąga 4,2-4,5. Kwaśne środowisko stwarza warunki do mobilizacji fazy mineralnej kości i tworzy optymalne warunki do degradacji organicznej macierzy tkanki kostnej z udziałem katepsyny K, enzymu syntetyzowanego i uwalnianego do jamy resorpcyjnej przez „kwaśne pęcherzyki” OK. Zwiększona ekspresja RANKL prowadzi bezpośrednio do aktywacji resorpcji kości i spadku BMD szkieletu. Wprowadzenie rekombinowanego RANKL doprowadziło do rozwoju hiperkalcemii pod koniec pierwszego dnia, a pod koniec trzeciego - do znacznej utraty masy kostnej i spadku BMD. Równowaga między RANKL i OPG faktycznie determinuje ilość zresorbowanej kości i stopień zmiany BMD. Eksperymenty na zwierzętach wykazały, że zwiększona ekspresja OPG u myszy prowadzi do zwiększenia masy kostnej, osteopetrozy i charakteryzuje się spadkiem liczby i aktywności osteoklastów. Natomiast gdy gen OPG jest wyłączony, obserwuje się spadek BMD, znaczny wzrost liczby dojrzałych, wielojądrowych osteoklastów, spadek gęstości kości i występowanie spontanicznych złamań kręgów.

Podskórne podanie rekombinowanego OPG myszom w dawce 4 mg/kg/dzień przez tydzień przywróciło wskaźniki BMD. W modelu adiuwantowego zapalenia stawów u szczurów podanie OPG (2,5 i 10 mg/kg/dzień) przez 9 dni w początkowej fazie procesu patologicznego zablokowało funkcję RANKL i zapobiegło utracie masy tkanki kostnej i chrzęstnej. Eksperymenty wskazują, że funkcja OPG polega głównie na zmniejszaniu lub znacznym „wyłączaniu” efektów wywołanych przez RANKL. Obecnie stało się oczywiste, że utrzymanie relacji między RANKL i OPG jest ważnym warunkiem utrzymania równowagi między resorpcją a formowaniem kości. Sprzężenie tych dwóch procesów, względne stężenia RANKL i OPG w tkance kostnej określają główne wyznaczniki masy i wytrzymałości kości. Od czasu odkrycia układu RANKL-RAMK-OPG jako ostatecznej ścieżki tworzenia i różnicowania osteoklastów, wielu badaczy potwierdziło wiodącą rolę tego mechanizmu komórkowego i molekularnego w patogenezie osteoporozy.

Rola układu cytokinowego rankl-rank-opg w procesie wapnienia naczyń

Założenie o istnieniu wspólnej patogenetycznej podstawy osteoporozy i miażdżycy, pewne podobieństwo mechanizmów rozwoju osteoporozy i wapnienia naczyń potwierdza wiele obserwacji eksperymentalnych i klinicznych. Wykazano, że tkanki kostne i naczyniowe mają wiele identycznych właściwości zarówno na poziomie komórkowym, jak i molekularnym. Tkanka kostna i szpik kostny zawierają komórki śródbłonka, preosteoblasty i osteoklasty - pochodne monocytów, przy czym wszystkie one są również normalnymi składnikami populacji komórkowych ściany naczyniowej. Zarówno tkanka kostna, jak i ściana naczyń tętniczych w warunkach procesu miażdżycowego zawierają OPN, osteokalcynę, morfogenetyczne białko kostne, białko Gla-macierzy, kolagen typu I i pęcherzyki macierzy. W patogenezie miażdżycy i OP monocyty biorą udział w różnicowaniu w makrofagi z piankowatą cytoplazmą w obrębie ściany naczyniowej i w osteoklasty w tkance kostnej. W ścianie naczyń znajdują się elementy komórkowe, które zgodnie ze stadiami formowania kości różnicują się w osteoblasty, wytwarzając składnik mineralny kości.

Podstawowe znaczenie ma fakt, że układ cytokinowy RANKL-RANK-OPG, inicjując osteoblastogenezę i osteoklastogenezę w tkance kostnej, indukuje między innymi różnicowanie osteoblastów i OC, a także proces mineralizacji ścian naczyń. Spośród składników tego układu, bezpośrednio wskazujących na istnienie związku między osteoporozą a miażdżycą, największą uwagę badaczy przyciąga OPG. Wiadomo, że OPG jest wyrażany nie tylko przez komórki tkanki kostnej, ale także przez komórki układu sercowo-naczyniowego: miokardiocyty, komórki mięśni gładkich tętnic i żył oraz komórki śródbłonka naczyniowego. OPG jest modulatorem wapnienia naczyń, co zostało potwierdzone w pracy eksperymentalnej S. Moropu i in., przeprowadzonej na nienaruszonych myszach i zwierzętach z zaburzeniem/brakiem genu zapewniającego ekspresję OPG. Stwierdzono, że u myszy z upośledzoną zdolnością syntezy OPG (OPG-/-), w przeciwieństwie do zwierząt z grupy kontrolnej, obserwuje się aktywację procesu wapnienia tętniczego w połączeniu z rozwojem osteoporozy i licznych złamań kości. Natomiast wprowadzenie genu syntetyzującego OPG u zwierząt z niedostateczną ekspresją OPG przyczyniło się do zahamowania zarówno procesu resorpcji kości, jak i wapnienia naczyń.

Zapalenie odgrywa kluczową rolę we wszystkich stadiach rozwoju miażdżycy, czemu towarzyszy znaczny wzrost stężenia markerów stanu zapalnego w osoczu krwi - cytokin (interleukina-1, a-TNF), które z kolei indukują resorpcję kości. Zgodnie z zapalną naturą rozwoju miażdżycy, ekspresja i uwalnianie OPG do krwiobiegu i otaczających tkanek przez komórki śródbłonka i komórki mięśni gładkich naczyń odbywa się pod wpływem wyżej wymienionych czynników prozapalnych. W przeciwieństwie do komórek podścieliska, komórki śródbłonka i tkanka mięśni gładkich naczyń nie reagują na zmiany zawartości witaminy D3 lub parathormonu (PTH) w osoczu krwi poprzez zwiększenie syntezy i uwalniania OPG. OPG zapobiega ektopowemu zwapnieniu naczyń wywołanemu przez witaminę D3, jednocześnie zwiększając zawartość OPN, głównego niekolagenowego białka macierzy kości, które działa jako inhibitor mineralizacji naczyń i jako czynnik wyzwalający syntezę i uwalnianie OPG przez komórki śródbłonka i mięśni gładkich. OPN, hamując proces tworzenia macierzy hydroksyapatytu (in vitro) i wapnienia naczyń (in vivo), jest syntetyzowana i uwalniana w odpowiednio wysokich stężeniach przez komórki mięśni gładkich błony środkowej ściany naczyniowej i przez makrofagi błony wewnętrznej. Synteza OPN zachodzi w obszarach o dominującej mineralizacji ściany naczyniowej i jest regulowana przez czynniki prozapalne i osteogenne. Razem z integryną avb3, syntetyzowaną przez komórki śródbłonka w miejscach miażdżycy, OPN powoduje zależny od NF-kB wpływ OPG na utrzymanie integralności komórek śródbłonka. Zatem zwiększone stężenia OPG w osoczu i naczyniach krwionośnych obserwowane w chorobach sercowo-naczyniowych mogą być konsekwencją aktywności komórek śródbłonka zarówno pod wpływem markerów zapalnych, jak i w wyniku mechanizmu OPN/avb3-HHTerpnHOBoro.

Aktywacja NF-kB w makrofagach ściany tętnicy i w TC jest również jednym z ważnych mechanizmów łączących osteoporozę i miażdżycę. Zwiększona aktywność NF-kB następuje w wyniku działania cytokin uwalnianych przez aktywowane komórki T w błonie wewnętrznej naczyń, co przyczynia się do wzrostu aktywności kinazy serynowo-treoninowej (Akt, kinaza białkowa B), ważnego czynnika dla funkcjonowania przede wszystkim komórek śródbłonka naczyniowego.

Ustalono, że w wyniku zwiększonej aktywności kinazy białkowej B obserwuje się stymulację eNOS i zwiększoną syntezę tlenku azotu (NO), uczestniczącego w mechanizmie utrzymania integralności komórek śródbłonka. Podobnie jak w przypadku OPG, synteza i uwalnianie RANKL przez komórki śródbłonka odbywa się pod wpływem cytokin zapalnych, ale nie w wyniku działania witaminy D3 lub PTH, które są zdolne do zwiększania stężenia RANKL w komórkach OB lub podścieliska.

Wzrost stężenia RANKL w naczyniach tętniczych i żylnych uzyskuje się również w wyniku hamującego wpływu transformującego czynnika wzrostu (TGF-Pj) na proces ekspresji OPG, którego zawartość ulega znacznemu obniżeniu pod wpływem tego czynnika. Ma on wielokierunkowy wpływ na zawartość RANKL w kościach i naczyniach: w tkance kostnej TGF-Pj promuje ekspresję OPG OB, a w efekcie OPG, wiążąc RANKL, zmniejsza jego stężenie i aktywność osteoklastogenezy. W ścianach naczyń krwionośnych TGF-Pj zwiększa stosunek RANKL/OPG, a w konsekwencji zawartość RANKL, oddziałując ze swoim receptorem RANK na powierzchni błon komórkowych śródbłonka z udziałem wewnątrzkomórkowych układów sygnałowych, stymuluje osteogenezę komórek naczyniowych, aktywuje proces kalcyfikacji, proliferacji i migracji komórek oraz przebudowy macierzy. Rezultatem nowej koncepcji opartej na aktualnym zrozumieniu komórkowego i molekularnego mechanizmu przebudowy kości w osteoporozie i procesie miażdżycy oraz wyjaśnieniu wiodącej roli układu cytokin RANKL-RANK-OPG w realizacji tych chorób, była synteza leku nowej generacji - denosumabu. Denosumab (Prolia; Amgen Incorporation) jest specyficznym ludzkim przeciwciałem monoklonalnym o wysokim stopniu tropizmu do RANKL, blokującym funkcję tego białka. Liczne badania laboratoryjne i kliniczne wykazały, że denosumab, wykazując wysoką zdolność do zmniejszania aktywności RANKL, znacząco spowalnia i osłabia stopień resorpcji kości. Obecnie denosumab jest stosowany jako lek pierwszego rzutu, wraz z bisfosfonianami, u pacjentów z osteoporozą układową w celu zapobiegania złamaniom kości. Jednocześnie S. Helas i in. ustalono hamujący wpływ denosumabu na zdolność RANKL do realizacji procesu wapnienia naczyń. Uzyskane dane otwierają zatem nowe możliwości spowolnienia postępu osteoporozy i miażdżycy naczyń, zapobiegania rozwojowi powikłań sercowo-naczyniowych w osteoporozie i zachowania zdrowia i życia pacjentów.

S. Sagalovsky, Richter. Patofizjologiczna jedność rozwoju osteoporozy i miażdżycy naczyń // International Medical Journal - No. 4 - 2012