Репарація суглобового хряща і фактори росту в патогенезі остеоартрозу

Завдяки прогресу біотехнологій, зокрема технології клонування, останнім часом інтенсивно розширюється перелік факторів росту, які, будучи анаболічними факторами, відіграють важливу, але не до кінця вивчену роль у патогенезі остеоартриту.

Перша група факторів росту, що обговорюватиметься нижче, – це інсуліноподібні фактори росту (ІФР). Вони містяться у великій кількості в сироватці крові та мають низку спільних властивостей з інсуліном. ІФР-2 більш типовий для ембріональної стадії розвитку, тоді як ІФР-1 є домінуючим представником групи у дорослих. Обидва представники цієї групи діють шляхом зв'язування з рецепторами ІФР I типу. Хоча функція ІФР-2 залишається невідомою, значення ІФР-1 вже визначено – він здатний стимулювати синтез протеогліканів хондроцитами та значно пригнічувати катаболічні процеси в суглобовому хрящі. ІФР-1 є основним анаболічним стимулятором синтезу протеогліканів хондроцитами, присутнім у сироватці крові та синовіальній рідині. ІФР-1 є важливим фактором для культивування хондроцитів в експериментальних моделях остеоартрозу in vitro. Передбачається, що ІФР-1 потрапляє в синовіальну рідину з плазми крові. Крім того, нормальні хондроцити виробляють обидва фактори – експресія ІФР-1 та ІФР-2 була виявлена в синовіальній оболонці та хрящі пацієнтів з остеоартрозом. У нормальному хрящі IGF-1 не має мітогенних властивостей, але здатний стимулювати проліферацію клітин у пошкодженому матриксі, що свідчить про участь у репаративних процесах.

Біологічно активні речовини, що стимулюють репарацію та пригнічують деградацію суглобового хряща

• Інсулін
• Гамма-інтерферон
• Соматотропний гормон, андрогени
• Соматомедини (ІПФ-1 та -2)
• TGF-бета (фактор росту тканин)
• Тромбоцитарний фактор росту
• Основний фактор росту фібробластів
• ШФР
• Антагоніст рецептора IL-1
• Білки, що зв'язують TNF-α
• Тканинні інгібітори металопротеїназ
• a2 макроглобулін
• альфа-антитрипсин
• RG-макроглобулін
• Rg-антихімотрипсин

Дії IGF-1 та IGF-2 контролюються різними IGF-зв'язуючими білками (IGF-BP), які також виробляються хондроцитами. IGF-BP може виступати в ролі носія, а також мати IGF-блокуючу активність. Клітини, виділені з суглобового хряща пацієнтів з остеоартрозом, виробляють надмірну кількість IGF-BP, що вказує на те, що вони блокують ефекти IGF. J. Martel-Pelletier et al. (1998) показали, що хоча синтез IGF-1 у хрящі збільшується при остеоартрозі, хондроцити слабо реагують на стимуляцію IGF-1. Виявилося, що це явище пов'язане (принаймні частково) зі збільшенням рівня IGF-BP. IGF-BP має високу спорідненість до IGF і є важливим біомодулятором його активності. На сьогоднішній день вивчено сім типів IGF-BP, і порушення регуляції IGF-BP-3 та IGF-BP-4 відіграє важливу роль в остеоартриті.

Інша категорія факторів росту, які демонструють різний вплив на хондроцити, включає тромбоцитарний фактор росту (PDGF), FGF та TGF-бета. Ці фактори виробляються не лише хондроцитами, а й активованими синовоцитами. FGF має як анаболічні, так і катаболічні властивості залежно від концентрації та стану суглобового хряща. PDGF бере участь у підтримці гомеостазу позаклітинного матриксу суглобового хряща, не маючи очевидних мітогенних властивостей. Відомо, що цей фактор росту посилює синтез протеогліканів та зменшує їх деградацію.

TGF-бета представляє особливий інтерес через його роль у патогенезі остеоартриту. Він є членом великої надродини TGF та має спільні функціональні та сигнальні властивості з нещодавно відкритими факторами росту BMP (кістковий морфогенетичний білок).

TGF-бета є плейотропним фактором: з одного боку, він має імуносупресивні властивості, з іншого боку, є хемотаксичним фактором та потужним стимулятором проліферації фібробластів. Унікальними властивостями TGF-бета є здатність пригнічувати вивільнення ферментів з різних клітин та значно збільшувати вироблення інгібіторів ферментів (наприклад, TIMP). TGF-бета вважається важливим регулятором пошкодження тканин внаслідок запалення. Таким чином, у тканині суглобового хряща TGF-бета значно стимулює вироблення матриксу хондроцитами, особливо після попереднього впливу цього фактора. Нормальний хрящ нечутливий до TGF-бета. У пацієнтів з остеоартритом TGF-β стимулює вироблення агрекану та малих протеогліканів у суглобовому хрящі.

TGF-бета виробляється багатьма клітинами, зокрема хондроцитами. Він вивільняється в латентній формі, зв'язаним зі спеціальним білком, який називається латентно-асоційованим білком (LAP). Дисоціація від цього білка здійснюється протеазами, які виробляються у великих кількостях у запалених тканинах. Окрім TGF-бета, який виробляється активованими клітинами, запаси латентної форми цього фактора є важливим елементом реактивності TGF-бета в тканинах після локального пошкодження. TGF-бета присутній у значних кількостях у синовіальній рідині, синовіальній оболонці та хрящі суглоба, ураженого остеоартрозом. У ділянках пошкодженої тканини із запальними інфільтратами виявляється коекспресія TNF та IL-1, тоді як у ділянках з фіброзом виявляється лише експресія TGF-бета.

Інкубація культивованих хондроцитів пацієнтів з остеоартритом з TGF-бета викликає значне збільшення синтезу протеогліканів цими клітинами. Стимуляція нормальних хондроцитів за допомогою TGF-бета викликає збільшення синтезу протеогліканів лише після багатьох днів інкубації. Можливо, цей час необхідний для зміни фенотипу клітин під впливом TGF-бета (наприклад, для зміни так званої компартменталізації протеогліканів: новостворені протеоглікани локалізуються лише навколо хондроцитів).

Відомо, що активація синтезу факторів росту, зокрема TGF-β, є важливою ланкою в патогенезі ниркового та печінкового фіброзу, а також утворення рубців під час загоєння ран. Підвищене навантаження на хондроцити in vitro призводить до гіперпродукції TGF-β, тоді як зниження синтезу протеогліканів після іммобілізації кінцівки може бути нівельоване TGF-β. TGF-β індукує утворення остеофітів у крайовій зоні суглобів як механізм адаптації до змін навантаження. IL-1, викликаючи помірний запальний процес у синовіальній оболонці у відповідь на пошкодження суглоба, сприяє утворенню хондроцитів зі зміненим фенотипом, які продукують їх у надмірній кількості.

Повторні локальні ін'єкції рекомбінантного TGF-бета у високих концентраціях призвели до розвитку остеоартриту у мишей C57B1 – утворення остеофітів, що характерно для остеоартриту у людини, та значної втрати протеогліканів у зоні «хвилястої межі».

Щоб зрозуміти, як надлишок TGF-β спричиняє відомі зміни в хрящі, необхідно зазначити, що вплив TGF-β індукує характерний фенотип хондроцитів зі зміною підкласу синтезованих протеогліканів та порушенням нормальної інтеграції елементів позаклітинного матриксного матриксу (ECM). Як IGF-1, так і TGF-β стимулюють синтез протеогліканів хондроцитами, культивованими в альгінаті, але останній також індукує так звану компартменталізацію протеогліканів. Більше того, було виявлено, що TGF-β підвищує рівень колагенази-3 (MMP-13) в активованих хондроцитах, що суперечить загальному уявленню про TGF-β як фактор, який, навпаки, зменшує вивільнення деструктивних протеаз. Однак невідомо, чи бере участь індукований TGF-β синтез MMP-13 у патогенезі остеоартриту. TGF-β не тільки стимулює синтез протеогліканів, але й сприяє їх відкладенню у зв'язках і сухожиллях, збільшуючи жорсткість і зменшуючи діапазон рухів у суглобах.

BMP є членами надродини TGF-бета. Деякі з них (BMP-2, BMP-7 та BMP-9) мають властивість стимулювати синтез протеогліканів хондроцитами. BMP здійснюють свою дію, зв'язуючись зі специфічними рецепторами на поверхні клітин; сигнальні шляхи TGF-бета та BMP дещо відрізняються. Як і TGF-бета, BMP сигналізують через комплекс рецепторів серин/треонінкінази I та II типу. У цьому комплексі рецептор II типу трансфосфорильується та активує рецептор I типу, який передає сигнал сигнальним молекулам, які називаються Smad. Після отримання сигналу Smad швидко фосфорилюються. Наразі відомо, що в сигнальному шляху BMP фосфорилюються Smad-1, -5 та -8, а в сигнальному шляху TGF-бета фосфорилюються Smad-2 та Smad-3. Потім названі Smad зв'язуються зі Smad-4, що є спільним для сигнальних шляхів усіх членів надродини TGF-бета. Цей факт пояснює наявність перехресних функцій у членів надродини TGF-бета, а також явище взаємного інгібування сигнальних шляхів TGF-бета та BMP шляхом конкуренції за спільні компоненти. Нещодавно було ідентифіковано ще один клас білків Smad, який представлений Smad-6 та -7. Ці молекули діють як регулятори сигнальних шляхів TGF-бета та BMP.

Незважаючи на те, що стимулюючий вплив CMP на синтез протеогліканів відомий вже давно, їхня роль у регуляції функції суглобового хряща залишається суперечливою через відому здатність CMP викликати дедиференціацію клітин, стимулювати кальцифікацію та формування кісткової тканини. М. Еномото-Івамото та ін. (1998) показали, що взаємодія CMP з рецептором CMP II типу необхідна для підтримки диференційованого фенотипу хондроцитів, а також контролю їх проліферації та гіпертрофії. За даними Л.З. Сейлора та ін. (1996), CMP-2 підтримує фенотип хондроцитів у культурі протягом 4 тижнів, не викликаючи їх гіпертрофії. CMP-7 (ідентичний остеогенному білку-1) підтримує фенотип зрілих хондроцитів суглобового хряща, культивованих в альгінаті, протягом тривалого часу.

Введення KMP-2 та -9 у колінні суглоби мишей збільшило синтез протеогліканів на 300%, що значно більше, ніж у TGF-β. Однак стимулюючий ефект був тимчасовим, і через кілька днів рівень синтезу повернувся до початкового. TGF-β викликав тривалішу стимуляцію синтезу протеогліканів, що, ймовірно, пов'язано з аутоіндукцією TGF-β та сенсибілізацією хондроцитів до цього фактора.

TGF-бета відповідає за утворення хондрофітів, що можна вважати небажаним ефектом його дії, KMP-2 також сприяє утворенню хондрофітів, але в іншій ділянці суглобового краю (переважно в області ростової пластинки).

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

Морфогенетичні білки хряща

Морфогенетичні білки хряща (CMP-1 та -2) є іншими членами надродини TGF-бета, які є важливими для формування хрящової тканини під час розвитку кінцівок. Мутації в гені CMP-1 викликають хондродисплазію. CMP можуть мати більш селективний профіль, спрямований на хрящ. Хоча TGF-бета та CMP можуть стимулювати хондроцити, вони можуть діяти на багато інших клітин, тому їх використання для відновлення хряща може бути пов'язане з побічними ефектами. Обидва типи CMP знаходяться в хрящі здорових та остеоартритних суглобів і сприяють відновленню позаклітинного матеріалу суглобового хряща після ферментативної деградації, підтримуючи нормальний фенотип.

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

Синергізм факторів росту

Один фактор росту здатний індукувати себе, як і інші фактори росту, ця взаємодія тонко регулюється. Наприклад, FGF разом з іншими факторами росту забезпечує більш ефективне відновлення суглобового хряща після травматичного дефекту. IGF-1 разом з TGF-β значно індукують нормальний фенотип хондроцитів при культивуванні їх in vitro. Було продемонстровано, що TGF-β запобігає продукуванню IGF-1 та IGF-BP, а також дефосфорилює рецептор IGF-1, стимулює зв'язування IGF-1. У інтактному хрящі миші виявлено явище синергізму IGF-1 з багатьма факторами росту. Однак слабку реакцію хондроцитів на IGF-1 неможливо нівелювати, використовуючи його в поєднанні з іншими факторами росту.

Взаємодія анаболічних та деструктивних цитокінів

Фактори росту демонструють складну взаємодію з IL-1. Наприклад, попереднє вплив FGF на хондроцити збільшує вивільнення протеази після впливу IL-1, можливо, через посилення експресії рецептора IL-1. PDGF також стимулює IL-1-залежне вивільнення протеази, але зменшує IL-1-опосередковане пригнічення синтезу протеогліканів. Це може свідчити про те, що деякі фактори росту можуть одночасно стимулювати відновлення хряща та сприяти його руйнуванню. Інші фактори росту, такі як IGF-1 та TGF-β, стимулюють синтез суглобового матриксу та пригнічують IL-1-опосередковане руйнування суглобового хряща, що вказує на те, що їхня активність пов'язана лише з відновленням тканин. Ця взаємодія не залежить від попереднього впливу IL-1 на хондроцити. Цікаво, що кінетика ефектів IL-1 та TGF-β може бути різною: здатність TGF-β пригнічувати деградацію суглобового хряща послаблюється його повільною дією на мРНК TIMP. З іншого боку, спостерігається підвищення рівнів hNOC та NO за відсутності TGF-β. Враховуючи NO-залежність супресивного ефекту IL-1 на синтез протеогліканів хондроцитами, це може пояснити, чому ми спостерігаємо значно сильнішу протидію TGF-β IL-1-залежному інгібуванню синтезу протеогліканів порівняно з деградацією протеогліканів in vivo.

У дослідженні на мишах, яким внутрішньосуглобово вводили IL-1 та фактори росту, було продемонстровано, що TGF-β значно протидіє IL-1-опосередкованому пригніченню синтезу протеогліканів суглобового хряща, тоді як CMP-2 не здатний до такої протидії: його стимулюючий потенціал повністю пригнічувався IL-1 навіть за високих концентрацій CMP-2. Примітно, що за відсутності IL-1 CMP-2 стимулював синтез протеогліканів набагато інтенсивніше, ніж TGF-β.

Окрім впливу на синтез протеогліканів, TGF-β також суттєво впливає на зниження вмісту протеогліканів у хрящі, індуковане IL-1. Можливо, що вміст протеогліканів зменшується або збільшується залежно від відносної концентрації IL-1 та TGF-β. Цікаво, що описана вище протидія IL-1 та TGF-β спостерігалася в товщі хряща, але це явище не спостерігалося поблизу хондрофітів на краях суглобових поверхонь. Утворення хондрофітів індукується TGF-β, який впливає на хондрогенні клітини в окісті, спричиняючи розвиток хондробластів та відкладення протеогліканів. Очевидно, ці хондробласти не чутливі до IL-1.

HL Glansbeek та ін. (1998) вивчали здатність TGF-β та KMP-2 протидіяти пригніченню синтезу протеогліканів у суглобах мишей з артритом, індукованим зимозаном (тобто на моделі «чистого» запалення, індукованого IL-1). Внутрішньосуглобове введення TGF-β значно протидіяло пригніченню синтезу протеогліканів, спричиненому запаленням, тоді як KMP-2 практично не міг протидіяти цьому IL-1-залежному процесу. Повторні ін'єкції TGF-β у колінний суглоб досліджуваних тварин значно стимулювали синтез протеогліканів хондроцитами, сприяли збереженню існуючих протеогліканів у хрящі, виснаженому запаленням, але не пригнічували запальний процес.

При вивченні протеоглікансинтезуючої функції хондроцитів з використанням експериментальних моделей остеоартрозу у тварин завжди відзначалося збільшення вмісту та стимуляція синтезу протеогліканів на ранніх стадіях остеоартрозу, на відміну від запальних моделей, в яких спостерігається значне пригнічення синтезу (IL-1-залежний процес). Підвищена активність анаболічних факторів, зокрема факторів росту, що спостерігається при остеоартрозі, нейтралізує дію таких супресорних цитокінів, як IL-1. Серед факторів росту найбільше значення має TGF-бета; KMP-2 навряд чи відіграє значну роль у цьому процесі. Хоча IGF-1 здатний стимулювати синтез протеогліканів in vitro, ця властивість не спостерігається in vivo при місцевому застосуванні IGF-1. Це може бути пов'язано з тим, що ендогенний рівень цього фактора росту є оптимальним. На пізніх стадіях остеоартрозу з'являються ознаки пригнічення синтезу протеогліканів, що, ймовірно, пов'язано з домінуючою дією IL-1 та нездатністю факторів росту протидіяти йому через зниження активності.

Аналіз експресії факторів росту у мишей STR/ORT зі спонтанним остеоартритом продемонстрував підвищені рівні мРНК TGF-β та IL-1 у пошкодженому хрящі. Слід зазначити, що активація TGF-β з латентної форми є важливим елементом відновлення тканин. Розуміння ролі TGF-β ускладнюється результатами дослідження експресії рецепторів TGF-β типу II у кроликів з ПХЗ. Відразу після індукції остеоартриту було виявлено зниження рівнів цих рецепторів, що свідчить про недостатню сигналізацію TGF-β. Цікаво, що миші з дефіцитом рецепторів TGF-β типу 11 демонстрували ознаки спонтанного остеоартриту, що також вказує на важливу роль сигналізації TGF-β у погіршенні відновлення хряща та розвитку остеоартриту.

Абсолютний вміст факторів росту в суглобах пацієнтів з ревматоїдним артритом або остеоартрозом може свідчити про їх можливу роль у патогенезі цих захворювань. Однак, незважаючи на те, що високі концентрації факторів росту виявляються в суглобах при остеоартрозі та ревматоїдному артриті, характер процесів деградації та репарації при обох захворюваннях зовсім інший. Ймовірно, існують інші, поки що неідентифіковані фактори, які відіграють головну роль у патогенезі цих захворювань, або інші аспекти досліджуваних явищ визначають перебіг процесів деградації та репарації в тканинах суглобів (наприклад, експресія певних рецепторів на поверхні хондроцитів, розчинних рецепторів, що зв'язують білки, або дисбаланс анаболічних та деструктивних факторів).