^

Zdrowie

A
A
A

Rola enzymów i cytokin w patogenezie choroby zwyrodnieniowej stawów

 
Alexey Kryvenko , Redaktor medyczny
Ostatnia recenzja: 08.07.2025
 
Fact-checked
х

Cała zawartość iLive jest sprawdzana medycznie lub sprawdzana pod względem faktycznym, aby zapewnić jak największą dokładność faktyczną.

Mamy ścisłe wytyczne dotyczące pozyskiwania i tylko linki do renomowanych serwisów medialnych, akademickich instytucji badawczych i, o ile to możliwe, recenzowanych badań medycznych. Zauważ, że liczby w nawiasach ([1], [2] itd.) Są linkami do tych badań, które można kliknąć.

Jeśli uważasz, że któraś z naszych treści jest niedokładna, nieaktualna lub w inny sposób wątpliwa, wybierz ją i naciśnij Ctrl + Enter.

W ostatnich latach badacze skupili się na identyfikacji proteaz odpowiedzialnych za degradację ECM chrząstki stawowej w osteoartrozie. Według współczesnych koncepcji, metaloproteazy macierzy (MMP) odgrywają ważną rolę w patogenezie osteoartrozy. U pacjentów z osteoartrozą wykrywa się podwyższony poziom trzech MMP - kolagenaz, stromelizyn i żelatynaz. Kolagenaza odpowiada za degradację kolagenu natywnego, stromelizyna - kolagenu typu IV, proteoglikanów i lamininy, żelatynaza - za degradację żelatyny, kolagenów IV, Vh XI, elastyny. Ponadto zakłada się obecność innego enzymu - agrekanazy, która ma właściwości MMP i odpowiada za proteolizę agregatów proteoglikanów chrzęstnych.

W ludzkiej chrząstce stawowej zidentyfikowano trzy rodzaje kolagenaz, których poziom jest znacznie podwyższony u pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów: kolagenaza-1 (MMP-1), kolagenaza-2 (MMP-8) i kolagenaza-3 (MMP-13). Współwystępowanie trzech różnych rodzajów kolagenaz w chrząstce stawowej sugeruje, że każda z nich odgrywa swoją własną, specyficzną rolę. Rzeczywiście, kolagenazy-1 i -2 są zlokalizowane głównie w powierzchniowej i górnej strefie pośredniej chrząstki stawowej, podczas gdy kolagenaza-3 znajduje się w dolnej strefie pośredniej i strefie głębokiej. Ponadto wyniki badania immunohistochemicznego wykazały, że w miarę postępu choroby zwyrodnieniowej stawów poziom kolagenazy-3 osiąga plateau, a nawet spada, podczas gdy poziom kolagenazy-1 stopniowo wzrasta. Istnieją dowody na to, że w chorobie zwyrodnieniowej stawów kolagenaza-1 jest głównie zaangażowana w proces zapalny w chrząstce stawowej, podczas gdy kolagenaza-3 bierze udział w przebudowie tkanek. Kolagenaza-3, występująca w chrząstce pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów, degraduje kolagen typu II intensywniej niż kolagenaza-1.

Spośród przedstawicieli drugiej grupy metaloproteaz, trzy zostały również zidentyfikowane w ludzkiej stromelinie: stromelinie-1 (MMP-3), stromelinie-2 (MMP-10) i stromelinie-3 (MMP-11). Obecnie wiadomo, że tylko stromelinie-1 bierze udział w procesie patologicznym w osteoartrozie. Stromelinie-2 nie wykryto w błonie maziowej pacjentów z osteoartrozą, ale znaleziono ją w bardzo małych ilościach w fibroblastach błony maziowej pacjentów z reumatoidalnym zapaleniem stawów. Stromelinie-3 znaleziono również w błonie maziowej pacjentów z reumatoidalnym zapaleniem stawów w pobliżu fibroblastów, szczególnie w strefach włóknienia.

W grupie żelatynaz występujących w tkance chrzęstnej człowieka zidentyfikowano tylko dwie: żelatynazę 92 kD (żelatynazę B, czyli MMP-9) i żelatynazę 72 kD (żelatynazę A, czyli MMP-2); u pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów stwierdza się wzrost poziomu żelatynazy 92 kD.

Niedawno zidentyfikowano inną grupę MMP, które są zlokalizowane na powierzchni błon komórkowych i nazywane są błonowymi MMP (MMP-MT). Grupa ta obejmuje cztery enzymy - MMP-MT1 - MMP-MT-4. Ekspresję MMP-MT stwierdzono w ludzkiej chrząstce stawowej. Chociaż MMP-MT-1 ma właściwości kolagenazy, oba enzymy MMP-MT-1 i MMP-MT-2 są zdolne do aktywowania żelatynazy-72 kDa i kolagenazy-3. Rola tej grupy MMP w patogenezie OA wymaga wyjaśnienia.

Proteinazy są wydzielane w formie zymogenu, który jest aktywowany przez inne proteinazy lub organiczne związki rtęci. Aktywność katalityczna MMP zależy od obecności cynku w strefie aktywnej enzymu.

Aktywność biologiczna MMP jest kontrolowana przez specyficzne TIMP. Do tej pory zidentyfikowano trzy typy TIMP, które występują w ludzkich tkankach stawowych: TIMP-1–TIMP-3. Czwarty typ TIMP został zidentyfikowany i sklonowany, ale nie został jeszcze wykryty w ludzkich tkankach stawowych. Te cząsteczki wiążą się specyficznie z miejscem aktywnym MMP, chociaż niektóre z nich są w stanie wiązać miejsce aktywne 72 kD progelatynazy (TIMP-2, -3, -4) i 92 kD progelatynazy (TIMP-1 i -3). Dowody sugerują, że w OA występuje nierównowaga między MMP i TIMP w chrząstce stawowej, co skutkuje względnym niedoborem inhibitorów, prawdopodobnie częściowo z powodu wzrostu poziomu aktywnych MMP w tkance. TIMP-1 i -2 występują w chrząstce stawowej i są syntetyzowane przez chondrocyty. W przypadku osteoartrozy w błonie maziowej i płynie maziowym wykrywa się tylko TIMP typu I. TIMP-3 występuje wyłącznie w ECM. TIMP-4 dzieli prawie 50% swojej sekwencji aminokwasowej z TIMP-2 i 38% z TIMP-1. W innych komórkach docelowych TIMP-4 odpowiada za modulację aktywacji 72 kD progelatynazy na powierzchni komórki, co wskazuje na ważną rolę jako tkankowo-specyficznego regulatora przebudowy ECM.

Innym mechanizmem kontrolowania aktywności biologicznej MMP jest ich fizjologiczna aktywacja. Uważa się, że enzymy z rodziny serynowych i cysteinowych proteaz, takie jak odpowiednio AP/plazmina i katepsyna B, są fizjologicznymi aktywatorami MMP. Zwiększone poziomy urokinazy (uAP) i plazminy stwierdzono w chrząstce stawowej pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów.

Pomimo faktu, że w tkankach stawowych występuje kilka typów katepsyn, katepsyna-B jest uważana za najbardziej prawdopodobny aktywator MMP w chrząstce. Fizjologiczne inhibitory serynowych i cysteinowych proteaz zostały znalezione w ludzkich tkankach stawowych. Aktywność inhibitora AP-1 (IAI-1), jak również cysteinowych proteaz, jest zmniejszona u pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów. Podobnie jak w przypadku MMP/TIMP, to nierównowaga między serynowymi i cysteinowymi proteazami a ich inhibitorami może wyjaśniać zwiększoną aktywność MMP w chrząstce stawowej pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów. Ponadto MMP są w stanie aktywować się nawzajem. Na przykład stromelizyna-1 aktywuje kolagenazę-1, kolagenazę-3 i żelatynazę 92 kD; kolagenaza-3 aktywuje żelatynazę 92 kD; MMP-MT aktywuje kolagenazę-3, a żelatynaza-72 kDa potęguje tę aktywację; MMP-MT aktywuje również żelatynazę 72 kDa. Cytokiny można podzielić na trzy grupy - destrukcyjne (zapalne), regulacyjne (w tym przeciwzapalne) i anaboliczne (czynniki wzrostu).

Rodzaje cytokin (wg van den Berg WB i in.)

Destrukcyjny

Interleukina-1

TNF-a

Czynnik hamujący białaczkę

Interleukina-17

Regulacyjny

Interleukina-4

Interleukina-10

Interleukina-13

Inhibitory enzymów

Anaboliczny

Czynniki wzrostu podobne do mnsulinu

TGF-b

Białka morfogenetyczne kości

Białka morfogenetyczne pochodzące z chrząstki

Cytokiny destrukcyjne, w szczególności IL-1, indukują wzrost uwalniania proteaz i hamują syntezę proteoglikanów i kolagenów przez chondrocyty. Cytokiny regulacyjne, w szczególności IL-4 i -10, hamują produkcję IL-1, zwiększają produkcję antagonisty receptora IL-1 (IL-1RA) i zmniejszają poziom syntazy NO w chondrocytach. W ten sposób IL-4 przeciwdziała IL-1 w trzech kierunkach: 1) zmniejsza produkcję, zapobiegając jej skutkom, 2) zwiększa produkcję głównego „zmiatacza” IL-1RA i 3) zmniejsza produkcję głównego wtórnego „przekaźnika” NO. Ponadto IL-4 zmniejsza enzymatyczną degradację tkanki. In vivo optymalny efekt terapeutyczny uzyskuje się przy połączeniu IL-4 i IL-10. Czynniki anaboliczne, takie jak TGF-β i IGF-1, w rzeczywistości nie zakłócają produkcji ani działania IL-1, lecz wykazują przeciwne działanie, na przykład stymulując syntezę proteoglikanów i kolagenu, hamując aktywność proteaz, a TGF-β dodatkowo hamuje uwalnianie enzymów i stymuluje ich inhibitory.

Cytokiny prozapalne odpowiadają za zwiększoną syntezę i ekspresję MMP w tkankach stawowych. Są syntetyzowane w błonie maziowej, a następnie dyfundują do chrząstki stawowej przez płyn stawowy. Cytokiny prozapalne aktywują chondrocyty, które z kolei są zdolne do produkcji cytokin prozapalnych. W stawach dotkniętych chorobą zwyrodnieniową stawów rolę efektora zapalenia odgrywają głównie komórki błony maziowej. To synowocyty typu makrofagów wydzielają proteazy i mediatory zapalne. Spośród nich IL-f, TNF-a, IL-6, czynnik hamujący białaczkę (LIF) i IL-17 są najbardziej „zaangażowane” w patogenezę choroby zwyrodnieniowej stawów.

Substancje biologicznie czynne, które stymulują degradację chrząstki stawowej w chorobie zwyrodnieniowej stawów

  • Interleukina-1
  • Interleukina-3
  • Interleukina-4
  • TNF-a
  • Czynniki stymulujące kolonie: makrofagi (monocyty) i granulocyty-makrofagi
  • Substancja P
  • PGE 2
  • Aktywatory plazminogenu (typy tkankowe i urokinazowe) i plazmina
  • Metaloproteazy (kolagenazy, elastazy, stromelizyny)
  • Katepsyny A i B
  • Trylsyna
  • Lipopolisacharydy bakteryjne
  • Fosfolipaza Ag

Dane literaturowe wskazują, że IL-1 i prawdopodobnie TNF-a są głównymi mediatorami niszczenia tkanki stawowej w chorobie zwyrodnieniowej stawów. Nadal jednak nie wiadomo, czy działają one niezależnie od siebie, czy też istnieje między nimi hierarchia funkcjonalna. Modele zwierzęce choroby zwyrodnieniowej stawów wykazały, że blokada IL-1 skutecznie zapobiega niszczeniu chrząstki stawowej, podczas gdy blokada TNF-a prowadzi jedynie do zmniejszenia stanu zapalnego w tkankach stawowych. Zwiększone stężenia obu cytokin stwierdzono w błonie maziowej, płynie stawowym i chrząstce pacjentów. W chondrocytach są one w stanie zwiększyć syntezę nie tylko proteaz (głównie MMP i AP), ale także mniejszych kolagenów, takich jak typy I i III, oraz zmniejszyć syntezę kolagenów typu II i IX oraz proteoglikanów. Cytokiny te stymulują również reaktywne formy tlenu i mediatory zapalne, takie jak PGE2. Skutkiem takich zmian makromolekularnych w chrząstce stawowej w przebiegu choroby zwyrodnieniowej stawów jest nieskuteczność procesów naprawczych, co prowadzi do dalszej degradacji chrząstki.

Wymienione powyżej cytokiny prozapalne modulują procesy supresji/aktywacji MMP w osteoartrozie. Na przykład, nierównowaga między poziomami TIMP-1 i MMP w chrząstce w osteoartrozie może być pośredniczona przez IL-1, ponieważ badanie in vitro wykazało, że wzrost stężeń IL-1 beta prowadzi do zmniejszenia stężeń TIMP-1 i wzrostu syntezy MMP przez chondrocyty. Synteza AP jest również modulowana przez IL-1 beta. Stymulacja in vitro chondrocytów chrząstki stawowej za pomocą IL-1 powoduje zależny od dawki wzrost syntezy AP i gwałtowny spadek syntezy iAP-1. Zdolność IL-1 do zmniejszania syntezy iAP-1 i stymulowania syntezy AP jest silnym mechanizmem generowania plazminy i aktywacji MMP. Ponadto plazmina jest nie tylko enzymem, który aktywuje inne enzymy, ale także uczestniczy w procesie degradacji chrząstki poprzez bezpośrednią proteolizę.

IL-ip jest syntetyzowany jako nieaktywny prekursor o masie 31 kD (pre-IL-ip), a następnie po rozszczepieniu peptydu sygnałowego jest przekształcany w aktywną cytokinę o masie 17,5 kD. W tkankach stawowych, w tym błonie maziowej, płynie stawowym i chrząstce stawowej, IL-ip występuje w formie aktywnej, a badania in vivo wykazały zdolność błony maziowej w chorobie zwyrodnieniowej stawów do wydzielania tej cytokiny. Niektóre proteazy serynowe są w stanie przekształcić pre-IL-ip w jego bioaktywną formę. U ssaków takie właściwości stwierdzono tylko w jednej proteazie, która należy do rodziny enzymów specyficznych dla asparaginianu cysteiny i jest nazywana enzymem konwertującym IL-1β (ICF lub kaspaza-1). Enzym ten jest w stanie specyficznie przekształcić pre-IL-ip w biologicznie aktywną „dojrzałą” IL-ip o masie 17,5 kD. ICF to proenzym o masie 45 kD (p45), który jest zlokalizowany w błonie komórkowej. Po proteolitycznym rozszczepieniu proenzymu p45 powstają dwie podjednostki p10 i p20, które charakteryzują się aktywnością enzymatyczną.

TNF-a jest również syntetyzowany jako związany z błoną prekursor o masie 26 kDa; poprzez rozszczepienie proteolityczne jest uwalniany z komórki jako aktywna rozpuszczalna forma o masie 17 kDa. Rozszczepienie proteolityczne jest przeprowadzane przez enzym konwertujący TNF-a (TNF-AC), który należy do rodziny adamalizin. AR Amin i in. (1997) stwierdzili zwiększoną ekspresję mRNA TNF-AC w chrząstce stawowej pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów.

Biologiczna aktywacja chondrocytów i synowocytów przez IL-1 i TNF-a jest pośredniczona przez wiązanie się ze specyficznymi receptorami na powierzchni komórki - IL-R i TNF-R. Zidentyfikowano dwa typy receptorów dla każdej cytokiny - IL-IP typu I i II oraz TNF-R typu I (p55) i II (p75). IL-1PI i p55 odpowiadają za transmisję sygnału w komórkach tkanki stawowej. IL-1R typu I ma nieco większe powinowactwo do IL-1beta niż do IL-1a; IL-1R typu II, przeciwnie, ma większe powinowactwo do IL-1a niż do IL-ip. Nie jest jasne, czy IL-IP typu II może pośredniczyć w sygnałach IL-1, czy też służy jedynie do konkurencyjnego hamowania asocjacji IL-1 z IL-1R typu I. Chondroitydy i fibroblasty maziowe pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów zawierają duże ilości IL-1PI i p55, co z kolei wyjaśnia wysoką wrażliwość tych komórek na stymulację przez odpowiadające im cytokiny. Proces ten prowadzi zarówno do zwiększonego wydzielania enzymów proteolitycznych, jak i do zniszczenia chrząstki stawowej.

Nie można wykluczyć udziału IL-6 w procesie patologicznym w osteoartrozie. Założenie to opiera się na następujących obserwacjach:

  • IL-6 zwiększa liczbę komórek zapalnych w błonie maziowej,
  • IL-6 stymuluje proliferację chondrocytów,
  • IL-6 wzmacnia działanie IL-1, zwiększając syntezę MMP i hamując syntezę proteoglikanów.

Jednakże IL-6 może indukować produkcję TIMP, lecz nie wpływa na produkcję MMP, dlatego uważa się, że ta cytokinina bierze udział w procesie hamowania proteolitycznej degradacji chrząstki stawowej, który odbywa się na zasadzie sprzężenia zwrotnego.

Innym członkiem rodziny IL-6 jest LIF, cytokina produkowana przez chondrocyty pobrane od pacjentów z osteoartrozą w odpowiedzi na stymulację przez prozapalne cytokiny IL-1p i TNF-a. LIF stymuluje resorpcję proteoglikanu chrząstki, a także syntezę MMP i produkcję NO. Rola tej cytokiny w osteoartrozie nie została w pełni wyjaśniona.

IL-17 to homodimer o masie cząsteczkowej 20–30 kD, który ma efekt podobny do IL-1, ale znacznie mniej wyraźny. IL-17 stymuluje syntezę i uwalnianie szeregu cytokin prozapalnych, w tym IL-1p, TNF-a, IL-6 i MMP w komórkach docelowych, takich jak ludzkie makrofagi. Ponadto IL-17 stymuluje produkcję NO przez chondrocyty. Podobnie jak LIF, rola IL-17 w patogenezie OA została słabo zbadana.

Nieorganiczny wolny rodnik NO odgrywa ważną rolę w degradacji chrząstki stawowej w OA. Chondrocyty izolowane od pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów wytwarzają większe ilości NO zarówno spontanicznie, jak i po stymulacji cytokinami prozapalnymi w porównaniu do komórek normalnych. Wysoką zawartość NO stwierdzono w płynie stawowym i surowicy pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów - jest to wynik zwiększonej ekspresji i syntezy indukowanej syntazy NO (hNOC), enzymu odpowiedzialnego za produkcję NO. Ostatnio sklonowano DNA hNOC specyficznego dla chondrocytów i określono sekwencję aminokwasów enzymu. Sekwencja aminokwasów wskazuje na 50% identyczności i 70% podobieństwa do hNOC specyficznego dla śródbłonka i tkanki nerwowej.

NO hamuje syntezę makrocząsteczek ECM chrząstki stawowej i stymuluje syntezę MMP. Ponadto wzrostowi produkcji NO towarzyszy spadek syntezy antagonisty IL-IP (IL-1RA) przez chondrocyty. Tak więc wzrost poziomu IL-1 i spadek IL-1RA prowadzi do nadmiernej stymulacji NO w chondrocytach, co z kolei prowadzi do zwiększonej degradacji macierzy chrząstki. Istnieją doniesienia o terapeutycznym działaniu in vivo selektywnego inhibitora hNOC na postęp eksperymentalnej osteoartrozy.

Naturalne inhibitory cytokin są w stanie bezpośrednio zapobiegać wiązaniu się cytokin z receptorami błony komórkowej, zmniejszając ich aktywność prozapalną. Naturalne inhibitory cytokin można podzielić na trzy klasy w zależności od sposobu działania.

Pierwsza klasa inhibitorów obejmuje antagonistów receptora, którzy zapobiegają wiązaniu ligandu z jego receptorem poprzez konkurowanie o miejsce wiązania. Do tej pory taki inhibitor został znaleziony tylko dla IL-1 - jest to wspomniany wyżej konkurencyjny inhibitor układu IL-1/ILIP IL-1 PA. IL-1 PA blokuje wiele efektów obserwowanych w tkankach stawowych w chorobie zwyrodnieniowej stawów, w tym syntezę prostaglandyn przez komórki błony maziowej, produkcję kolagenazy przez chondrocyty i degradację BM chrząstki stawowej.

IL-1RA występuje w różnych formach – jednej rozpuszczalnej (rIL-1RA) i dwóch międzykomórkowych (μIL-lPAI i μIL-1RAP). Powinowactwo rozpuszczalnej formy IL-1RA jest 5 razy większe niż powinowactwo form międzykomórkowych. Mimo intensywnych badań naukowych funkcja tej ostatniej pozostaje nieznana. Eksperymenty in vitro wykazały, że zahamowanie aktywności IL-1beta wymaga stężenia IL-1RA 10-100 razy wyższego niż normalne, podczas gdy warunki in vivo wymagają tysiąckrotnego wzrostu stężenia IL-1RA. Fakt ten może częściowo wyjaśniać względny niedobór IL-1RA i nadmiar IL-1 w błonie maziowej pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów.

Drugą klasą naturalnych inhibitorów cytokin są rozpuszczalne receptory cytokin. Przykładami takich inhibitorów u ludzi, które są związane z patogenezą choroby zwyrodnieniowej stawów, są rIL-1R i pp55. Rozpuszczalne receptory cytokin są skróconymi formami normalnych receptorów; gdy wiążą się z cytokinami, zapobiegają ich wiązaniu z receptorami związanymi z błoną komórek docelowych, działając poprzez mechanizm konkurencyjnego antagonizmu.

Głównym prekursorem rozpuszczalnych receptorów jest związany z błoną IL-1RP. Powinowactwo rIL-IP do IL-1 i IL-1RA jest różne. Zatem rIL-1RN ma większe powinowactwo do IL-1β niż do IL-1RA, a rIL-1PI wykazuje większe powinowactwo do IL-1RA niż do IL-ip.

Istnieją również dwa rodzaje rozpuszczalnych receptorów dla TNF - pp55 i pp75, podobnie jak rozpuszczalne receptory IL-1, powstają one przez „zrzucanie”. In vivo oba receptory znajdują się w tkankach dotkniętych stawów. Rola rozpuszczalnych receptorów TNF w patogenezie choroby zwyrodnieniowej stawów jest przedmiotem debaty. Zakłada się, że w niskich stężeniach stabilizują one trójwymiarową strukturę TNF i wydłużają okres półtrwania bioaktywnej cytokiny, podczas gdy wysokie stężenia pp55 i pp75 mogą zmniejszać aktywność TNF poprzez konkurencyjny antagonizm. Prawdopodobnie pp75 może działać jako nośnik TNF, ułatwiając jego wiązanie z receptorem związanym z błoną.

Trzecią klasę naturalnych inhibitorów cytokin reprezentuje grupa cytokin przeciwzapalnych, do których należą TGF-beta, IL-4, IL-10 i IL-13. Cytokiny przeciwzapalne zmniejszają produkcję prozapalnych i niektórych proteaz oraz stymulują produkcję IL-1RA i TIMP.

You are reporting a typo in the following text:
Simply click the "Send typo report" button to complete the report. You can also include a comment.