Репарація суглобового хряща і фактори росту в патогенезі остеоартрозу

Завдяки прогресу біотехнології, зокрема технології клонування, останнім часом інтенсивно поповнюється перелік чинників зростання, які, будучи анаболічними факторами, грають важливу, але не до кінця зрозумілу роль в патогенезі остеоартрозу.

Першою групою факторів росту, про які піде мова нижче, є ІФР. Вони у великій кількості містяться в сироватці крові, мають ряд загальних властивостей з інсуліном. ІФР-2 - більш характерний для ембріональній стадії розвитку, тоді як ІФР-1 - домінуючий представник групи у дорослої людини. Обидва представники цієї групи діють шляхом з'єднання з рецепторами ІФР I типу. Якщо функція ІФР-2 залишається невідомою, значення ІФР-1 вже визначено - він здатний стімулірвовать синтез протеогліканів хондроцитами і значно пригнічувати катаболические процеси в суглобовому хрящі. ІФР-1 - головний анаболічний стимул для синтезу протеогліканів хондроцитами, присутній в сироватці крові та синовіальній рідині. ІФР-1 - важливий фактор для культивування хондроцитов в експериментальних моделяхостеоартроза in vitro. Припускають, що ІФР-1 потрапляє в синовіальну рідину з плазми крові. Крім того, нормальні хондроцити продукують обидва чинники - експресія ІФР-1 і ІФР-2 виявлено в синовіальній оболонці і хрящі хворих на остеоартроз. У нормальному хрящі ІФР-1 не має мітогеном властивостями, проте здатний стимулювати проліферацію клітин в пошкодженому матриксе, що свідчить про участь в репаратівнихпроцессах.

Біологічно активні речовини, що стимулюють репарацію і пригнічують деградацію суглобного хряща

• інсулін
• Гамма-інтерферон
• Соматотропний гормон, андрогени
• Соматомедин (ІПФ-1 і -2)
• ТФР-бета (тканинний фактор росту)
• Фактор росту, отриманий з тромбоцитів
• Основний фактор росту фібробластів
• ЕФР
• Антагоніст рецептора ІЛ-1
• ФНО-а-зв'язуючі білки
• Тканинні інгібітори металлопротеаз
• ₂ -makrogloʙulin
• Альфа-антитрипсин
• Блохи, makroglobulin
• Pg-антихімотрипсин

Дії ІФР-1 і ІФР-2 контролюються різними ІФР-зв'язуючими білками (ІФР-СБ), які також виробляються хондроцітамі. ІФР-СБ можуть виконувати функцію переносника, а також володіють блокує ІФР-активністю Ізольовані з суглобового хряща хворих состеоартрозом клітини виробляють надмірну кількість ІФР-СБ, що свідчить про блокування ними ефектів ІФР. J. Martel-Pelletier і співавтори (1998) показали, що хоча синтез ІФР-1 в хрящі при остеоартрозі зростає, хондроцити слабо реагують на стимуляцію ІФР-1. Виявилося, що цей феномен пов'язаний (щонайменше частково) з підвищенням рівня ІФР-СБ України. ІФР-СБ має високу спорідненість до ІФР і є важливим біомодулятором його активності. До теперішнього часу вивчено сім типів ІФР-СБ, порушення регуляції ІФР-СБ-3 і ІФР-СБ-4 грає важливу роль при остеоартрозі.

Ще одна категорія чинників зростання, які проявляють різну дію відносно хондроцитов, включає фактор росту, отриманий з тромбоцитів (ФРПТ), ФРФ і ТФР-бета. Ці фактори виробляються не тільки хондроцітамі, але і активованими сіновіцітамі. ФРФ має як анаболічними, так і катаболическими властивостями в залежності від концентрації і стану суглобового хряща. ФРПТ бере участь в підтримці гомеостазу ВКМ суглобового хряща, не володіючи явними мітогеном властивостями. Для цього фактора росту відома здатність посилювати синтез протеогліканів і зменшувати їх деградацію.

ТФР-бета представляє особливий інтерес в плані вивчення його ролі в патогенезі остеоартрозу. Він є членом великої ТФР-суперсімейства, має загальні фунціональном і сигнальні властивості з недавно відкритими факторами зростання КМБ (кісткових морфогенетичних білків).

ТФР-бета - плейотропний фактор: з одного боку, він має імуносупресивні властивості, з іншого - це хемотаксичний фактор і потужний стимулятор проліферації фібробластів. Унікальними властивостями ТФР-бета є здатність пригнічувати вивільнення ферментів з різних клітин і значно збільшувати продукцію інгібіторів ферментів (наприклад, ТІМП). ТФР-бета вважають важливим регулятором пошкодження тканини внаслідок запалення. Так, в тканини суглобового хряща ТФР-бета значно стимулює продукцію матриксу хондроцітамі, особливо після преекспозіціі цим фактором. Нормальний хрящ нечутливий до ТФР-бета. У хворих з ОА ТФР-Р стимулює продукцію аггрекана і малих протеогліканів в суглобовому хрящі.

ТФР-бета виробляється багатьма клітинами, зокрема хондроцітамі. Він вивільняється в латентній формі, пов'язаної зі спеціальним білком, який називається «білок, асоційований з латентністю» (БАЛ). Дисоціація з цим білком здійснюється протеазами, які у великій кількості виробляються в запалених тканинах. Крім ТФР-бета, який продукується активованими клітинами, запаси латентної форми цього фактора є важливим елементом реактивності ТФР-бета в тканини після локального ушкодження. ТФР-бета в значній кількості міститься в синовіальній рідини, синовіальної мембрани і хрящі суглоба, ураженого остеоартрозаом. У ділянках пошкодженої тканини, де є запальні інфільтрати, виявляють коекспрессію ФНП і ІЛ-1, тоді як в ділянках з явищами фіброзу виявляють виключно експресію ТФР-бета.

Інкубація культури хондроцитів, отриманих від хворих на остеоартроз, з ТФР-бета викликає значне збільшення синтезу протеогліканів цими клітинами. Стимуляція ТФР-бета нормальних хондроцитов викликає збільшення синтезу протеогліканів тільки після багатьох днів інкубації. Можливо, цей час необхідний для зміни фенотипу клітин під впливом ТФР-бета (наприклад, для зміни так званої компартментализации протеогликанов: новостворені протеоглікани локалізуються тільки навколо хондроцитів).

Відомо, що активація синтезу факторів росту, зокрема ТФР-бета, - важлива ланка в патогенезі фіброзу нирок і печінки, формуванні рубця при загоєнні рани. Збільшення навантаження на хондроцити in vitro призводить до гіперпродукції ТФР-бета, тоді як зменшення синтезу протеогліканів після іммобілізації кінцівки може бути нівельовано ТФР-бета. ТФР-бета індукує формування остеофитов в крайовій зоні суглобів як механізм пристосування до зміни навантаження. ІЛ-1, викликаючи помірний запальний процес в синовії в відповідь на пошкодження суглоба, сприяє утворенню хондроцитов зі зміненим фенотипом, які виробляють надмірну кількість.

Повторні локальні ін'єкції рекомбінантного ТФР-бета в високих концентраціях привела до розвитку остеоартрозу у мишей лінії С57В1 - утворення остеофітів, що характерно для остеоартрозу людини, і значної втрати протеогліканів в зоні «хвилястою кордону».

Для розуміння того, як надлишок ТФР-бета викликає певні зміни хряща, необхідно зауважити, що експозиція ТФР-Р індукує характерний фенотип хондроцитів зі зміною підкласу синтезованих протеогліканів і порушенням нормальної інтеграції елементів ВКМ. І ІФР-1, і ТФР-бета стимулюють синтез протеогліканів хондроцитами, культивованими в алгінат, проте останній ще й індукує так звану компартментализацию протеогліканів. Більш того, виявлено, що ТФР-бета підвищує рівень колагенази-3 (ММП-13) в активованих хондроцитах, що розходиться з загальним уявленням про ТФР-бета, як факторі, який, навпаки, зменшує вивільнення деструктивних протеаз. Хоча не відомо, чи бере участь ТФР-бета-індукований синтез ММП-13 в патогенезі ОА. ТФР-бета не тільки стимулює синтез протеогліканів, а й сприяє їх відкладенню в зв'язках і сухожиллях, збільшуючи скутість і зменшуючи обсяг рухів в суглобах.

КМП - члени суперсімейства ТФР-бета. Деякі з них (КМП-2, КМП-7 і КМП-9) мають властивість стимулювати синтез протеогліканів хондроцитами. КМП здійснюють свої ефекти шляхом зв'язування зі специфічними рецепторами на поверхні клітин; сигнальні шляхи ТФР-бета і КМП дещо відрізняються. Подібно ТФР-бета, передача сигналу від КМП здійснюється через комплекс рецепторів серинових / треонінових кінази I і II типу. У цьому комплексі рецептор II тіпатранс-фосфорилируется і активує рецептор I типу, який передає сигнал сигнальним молекулам, званим Smad. Після отримання сигналу Smad швидко фосфорилюються. В даний час відомо, що в сигнальному шляху КМП фосфорилюються Smad-1, -5 і -8, а в сигнальному шляху ТФР-бета - Smad-2 і Smad-З. Потім названі Smad асоціюються з Smad-4, який є загальним для сигнальних шляхів всіх представників суперсімейства ТФР-бета. Цей факт пояснює наявність перехресних функцій у членів суперсімейства ТФР-бета, а також явище взаємного пригнічення сигнальних шляхів ТФР-бета і КМП шляхом конкуренції за спільні компоненти. Не так давно ідентифікований ще один клас Smad-білків, який представлений Smad-6 і -7. Ці молекули виступають як регулятори сигнальних шляхів ТФР-бета і КМП.

Незважаючи на те, що стимулюючий вплив КМП на синтез протеогліканів відомо давно, їх роль в регуляції функції суглобового хряща залишається спірною в зв'язку з відомою здатністю КМП викликати дедіфференціровка клітин, стимулювати кальцифікацію і утворення кісткової тканини. M. Enomoto-Iwamoto і співавтори (1998) показали, що взаємодія КМП з КМП-рецептором II типу необхідно для підтримки диференційованого фенотипу хондроцитов, а також контролю їх проліферації і гіпертрофії. За даними LZ Sailor і співавторів (1996), КМП-2 підтримує фенотип хондроцитів в культурі протягом 4 тижнів, не викликаючи їх гіпертрофована. КМП-7 (ідентичний Остеогенні протеїну-1) тривалий час підтримує фенотип зрілих хондроцитів суглобового хряща, що культивуються в алгінат.

Введення КМП-2 і -9 в колінні суглоби мишей на 300% збільшило синтез протеогліканів, причому значно більше, ніж ТФР-бета. Однак стимулюючий ефект виявився тимчасовим, і через кілька днів рівень синтезу повернувся до вихідного. ТФР-бета викликав більш тривалу стимуляцію синтезу протеогліканів, що, ймовірно, пов'язано з аутоіндукції ТФР-бета і сенсибілізацією хондроцитов до цього фактору.

ТФР-бета відповідає за утворення хондрофітов, що можна вважати небажаним ефектом його дії, КМП-2 також сприяє утворенню хондрофітов, але в іншій ділянці суглобового краю (головним чином, в області ростовой пластинки).

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

Хрящові морфогенетические протеїни

Хрящові морфогенетические протеїни (ХМП-1 і -2) - ще одні представники суперсімейства ТФР-бета, необхідні для утворення хрящової тканини в період розвитку кінцівок. Мутація гена ХМП-1 викликає хондродисплазія. Можливо, у ХМП більш селективний, спрямований на хрящ, профіль. Незважаючи на те, що ТФР-бета і КМП здатні стимулювати хондроцити, вони можуть діяти і на багато інших кліток, тому їх використання для репарації хряща може супроводжуватися побічними ефектами. ХМП обох типів виявляють в хрящі здорових і уражених на остеоартроз суглобів, вони сприяють репарації ВКМ суглобового хряща після ферментативної деградації, підтримуючи нормальний фенотип.

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

Синергізм чинників зростання

Один фактор росту здатний індукувати сам себе, а також інші фактори росту, це взаємодія тонко регулюється. Так, наприклад, ФРФ разом з іншими факторами росту забезпечує більш ефективну репарацію суглобового хряща після травматичного дефекту. ІФР-1 вместес ТФР-бета в значно більшому ступені індукують нормальний фенотип хондроцитів при культивуванні їх in vitro. Було продемонстровано, що ТФР-бета перешкоджає продукції ІФР-1 і ІФР-СБ, а також дефосфорилюється рецептор ІФР-1, стимулює зв'язування ІФР-1. У интактном хрящі мишей виявлено явище синергізму ІФР-1 з багатьма факторами зростання. Однак слабку реакцію хондроцитов на ІФР-1 не можна нівелювати використанням в комбінації з іншими факторами росту.

Взаємодія анаболічних і деструктивних цитокінів

Фактори зростання демонструють складну взаємодію з ІЛ-1. Так, наприклад, преекспозіція хондроцитов ФРФ збільшує вивільнення протеаз після експозиції ІЛ-1; можливо, це пов'язано зі збільшенням експресії рецепторів ІЛ-1. ФРПТ також стимулює ІЛ-1-залежне вивільнення протеаз, однак він знижує ІЛ-1 -опосредованное пригнічення синтезу протеогліканів. Це може означати, що деякі фактори росту можуть одночасно стимулювати процес репарації хряща і сприяти його руйнуванню. Інші фактори росту, наприклад ІФР-1 і ТФР-Р, стимулюють синтез суглобового матриксу і пригнічують ІЛ-1-опосередковане руйнування суглобного хряща, тобто їх активність пов'язана тільки з репарацією тканини. Така взаємодія не залежить від преекспозіціі хондроцитов ІЛ-1. Цікаво, що кінетика ефектів ІЛ-1 і ТФР-бета може бути різною: здатність ТФР-бета пригнічувати деградацію суглобного хряща послаблюється його повільним дією на мРНК ТІМП. З іншого боку, відзначається підвищення рівня hNOC і N0 під час відсутності ТФР-бета. З огляду на NO-залежність супрессорного ефекту ІЛ-1 щодо синтезу протеогліканів хондроцитами, можна пояснити, чому ми спостерігаємо значно більш сильну протидію ТФР-бета ІЛ-1-залежному пригнічення синтезу протегліканов в порівнянні з руйнуванням протеогліканів in vivo.

У дослідженні на мишах, яким внутрисуставно вводили ІЛ-1 і фактори росту, було продемонстровано, що ТФР-бета значно протидіє ІЛ-1 -опосредованному пригнічення синтезу протеогліканів суглобового хряща, тоді як КМП-2 не здатний на таку протидію: його стімуляторний потенціал повністю пригнічує ІЛ-1 навіть за умови високої концентрації КМП-2. Примітно, що під час відсутності ІЛ-1 КМП-2 значно інтенсивніше стимулював синтез протеогліканів, ніж ТФР-бета).

Крім впливу на синтез протеогліканів, ТФР-бета також значно впливає на ІЛ-1-індуковане зниження вмісту протеогліканів в хрящі. Можливо, в залежності від відносної концентрації ІЛ-1 і ТФР-бета зміст протеогликанов знижується або підвищується. Цікаво, що описане вище протидію ІЛ-1 і ТФР-бета спостерігали в товщі хряща, проте поблизу хондрофітов по краях суглобових поверхонь такого явища не було. Утворення хондрофітов індукується ТФР- (3, який впливає на хондрогенние клітини в періості, викликаючи розвиток хондробластов і відкладення протеогліканів. Мабуть, етіхондробласти не чутливі до ІЛ-1.

HL Glansbeek і співавтори (1998) вивчали здатність ТФР-бета і КМП-2 протидіяти пригнічення синтезу протеогліканів в суглобах мишей з зімозаніндуцірованним артритом (тобто в моделі «чистого» ІЛ-1-індукованого запалення). Внутрішньосуглобове введення ТФР-бета значно протидіяв пригнічення синтезу протеогліканів, викликаного запаленням, в той час як КМП-2 був практично не здатний протидіяти цьому ІЛ-1-залежному процесу. Повторні ін'єкції ТФР-Р в колінний суглоб досліджуваних тварин значно стимулювали синтез протеогліканів хондроцитами, сприяли збереженню існуючих протеогликанов виснаженого запаленням хряща, але не гнобили запальний процес.

При вивченні протеоглікансінтезірующей функції хондроцитів з використанням експериментальних моделей остеоартрозу у тварин завжди відзначали підвищення вмісту і стимуляцію синтезу протеогліканів на ранніх стадіях ОАВ відміну від запальних моделей, в яких спостерігається значне пригнічення синтезу (ІЛ-1 -завісімийпроцесс). Підвищення активності анаболічних факторів, зокрема факторів росту, що спостерігається при остеоартрозі, нівелює дію таких супресорних цитокінів, як ІЛ-1. Серед чинників зростання найбільше значення має ТФР-бета; КМП-2 навряд чи відіграє значну роль в цьому процесі. Хоча ІФР-1 здатний стимулювати синтез протеогліканів in vitro, в умовах in vivo така властивість не спостерігають при локальному застосуванні ІФР-1. Можливо, це пов'язано з тим, що ендогенний рівень цього фактора росту є оптимальним. На більш пізніх стадіях остеоартрозу з'являються ознаки пригнічення синтезу протеогліканів, що, ймовірно, пов'язано з домінуючим впливом ІЛ-1 і нездатністю чинників зростання протидіяти йому внаслідок зниження активності.

Аналіз експресії факторів зростання у мишей лінії STR / ORT зі спонтанним на остеоартроз продемонстрував підвищення рівня мРНК ТФР-Р і ІЛ-1 в пошкодженому хрящі. Необхідно зауважити, що активація ТФР-бета з латентної форми є важливим елементом репарації тканини. Розуміння ролі ТФР-бета ускладнює результати дослідження експресії рецепторів ТФР-бета II типу у кроликів лінії ACL. Відразу після індукції остеоартрозу виявлений знижений рівень цих рецепторів, що свідчить про недостатню сигнальної функції ТФР-бета. Цікаво, що у дефіцитних по рецептора ТФР-бета 11 типу мишей виявлені ознаки спонтанногоостеоартроза, що також свідчить про важливу роль сигнальної функції ТФР-бета в погіршенні репарації хряща і розвитку остеоартрозу.

Абсолютна кількість факторів росту в суглобах хворих на ревматоїдний артрит або остеоартроз можуть свідчити про їх можливу роль в патогенезі цих захворювань. Однак незважаючи на те, що в суглобах при остеоартрозі та ревматоїдному артриті виявляють високі концентрації факторів росту, характер процесів деградації і репарації при обох захворюваннях абсолютно різний. Ймовірно, існують інші, ще не ідентифіковані фактори, які відіграють основну роль у патогенезі цих хвороб, або інші аспекти досліджуваних явищ визначають перебіг процесів деградації і репарації в тканинах суглобів (наприклад, експресія певних рецепторів на поверхні хондроцитов, розчинні рецептори, що зв'язують білки, або дисбаланс анаболічних і деструктивних чинників).