Patofysiologisk enhet i utviklingen av osteoporose og vaskulær aterosklerose

I dødelighetsstrukturen til befolkningen i utviklede land inntar sykdommer i sirkulasjonssystemet den ledende plassen. Hjerte- og karsykdommer (arteriell hypertensjon, iskemisk hjertesykdom, hjerteinfarkt), som er basert på aterosklerose, kalles med rette epidemien i det 21. århundre.

Ifølge WHO dør over 17 millioner mennesker av hjerte- og karsykdommer hvert år i verden, og innen 2015 vil antallet dødsfall øke til 20 millioner. I tillegg til dette er en av de viktigste årsakene til funksjonssvikt og tap av arbeidsevne hos den voksne befolkningen osteoporose (OP) – den mest kjente og vanlige sykdommen i skjelettsystemet i verden med aldersrelatert prevalens. Osteoporose er en multifaktoriell polygen skjelettsykdom, som er den vanligste formen for metabolsk osteopati. Sykdommen er preget av tap av beinmasse, forstyrrelse av mikroarkitekturen (ødeleggelse av trabekler), redusert styrke og er ledsaget av høy risiko for brudd.

Det er brudd, hvorav de alvorligste er brudd i lårhalsen og radius i den nedre tredjedelen av underarmen, som bestemmer sykdommens medisinske og medisinsk-sosiale betydning, inkludert økt dødelighet og betydelige økonomiske tap forbundet med dem. Det særegne ved osteoporose er at denne sykdommen hovedsakelig rammer eldre og gamle mennesker. En betydelig økning i osteoporoseforekomsten, observert siden andre halvdel av 1900-tallet, gjenspeiler naturlig nok de demografiske endringene som skjer i befolkningen og manifesteres av aldringen av befolkningen i alle industrialiserte land i verden. Tallrike epidemiologiske studier som nylig er utført i verden og Europa, indikerer en positiv korrelasjon mellom hjerte- og karsykdommer og patologier i skjelettsystemet. Samtidig forbinder mange forfattere osteoporose med utviklingen av aterosklerose, inkludert forkalkning av karveggene. Hos kvinner med osteoporotiske brudd ble det observert en økning i forekomsten av aorta- og koronararterieforkalkning, hvis alvorlighetsgrad korrelerte med en reduksjon i beinmineraltetthet (BMD).

Studiene av SO Song et al. avdekket en sammenheng mellom en reduksjon i BMD i ryggraden og proksimal femur og en økning i kalsiuminnholdet i koronararteriene ifølge elektronstråle-computertomografi. M. Naves et al. fant at hos kvinner med postmenopausal osteoporose er en reduksjon i BMD med ett standardavvik fra maksimal benmasse assosiert med en økt risiko for total dødelighet på 43 % og for tidlig død fra kardiovaskulær patologi. Andre studier fant også at pasienter med en reduksjon i BMD har større sannsynlighet for å ha en økning i blodlipidkonsentrasjoner, utvikle mer alvorlig koronar aterosklerose og øke risikoen for hjerneslag og hjerteinfarkt betydelig. De presenterte dataene tyder på at en økning i forekomsten av osteoporose, ektopisk forkalkning og aterosklerose hos de samme pasientene har et felles patogenetisk grunnlag. Konseptet om at kardiovaskulær sykdom og osteoporose er knyttet sammen gjennom markører som samtidig påvirker vaskulære og beinceller har blitt støttet av omfattende eksperimentelle studier.

En kandidat for rollen som en slik markør er det nylig identifiserte proteinet osteoprotegerin (OPG), som tilhører familien av tumornekrosefaktorreseptorer og er en del av RANKL-RANK-OPG cytokinsystemet.

[ 1 ], [ 2 ]

Beinremodellering og rollen til rankl-rank-opg-systemet

Osteoporose er en sykdom basert på prosesser med beinremodelleringsforstyrrelser med økt beinresorpsjon og redusert beinsyntese. Begge prosessene med beinvevsdannelse er tett forbundet og er et resultat av cellulær interaksjon mellom osteoblaster (OB) og osteoklaster (OC), som stammer fra forløpere til forskjellige cellelinjer: osteoblaster - fra mesenkymale stamceller, osteoklaster - fra makrofagmonocytiske celler i benmargen. Osteoblaster er mononukleære celler involvert i prosessen med beindannelse og mineralisering av beinmatriksceller. Osteoblaster spiller en grunnleggende rolle i å modulere beinremodellering og regulere den metabolske aktiviteten til andre beinvevsceller. De skiller ut en rekke biologisk aktive stoffer, som de påvirker modningsprosessen til osteoklastforløpercellen gjennom, og transformerer den til en stor flerkjernecelle som er i stand til å delta i resorpsjon, dvs. absorpsjon av beinvev, som kun virker på mineralisert bein, uten å endre selve beinvevsmatrisen.

Modning og differensiering av osteoblaster utføres under påvirkning av ulike spesifikke faktorer som påvirker transkripsjonsprosessen, hvorav den viktigste er proteinet Cbfal (kjernebindingsfaktorolje; også kjent som runt-relatert transkripsjonsfaktor 2; RUNX2). Hos mus med Cbfal/RUNX2-mangel observeres en betydelig nedgang i beindannelsesprosessen, og modning av OB-celler observeres ikke. I motsetning til dette forårsaker administrering av rekombinant Cbfal til dyr uttrykk av gener som er iboende i osteoblaster i ikke-osteogene celler. Den betydelige rollen som Cbfal/RUNX2 spiller i differensiering og modning av osteoblaster manifesterer seg også i proteinets evne til å regulere funksjonen til mange gener involvert i syntesen av beinvevsproteiner: kollagen type 1, osteopontin (OPN), osteocalcin og sialoprotein. Veksten og funksjonskapasiteten til OB påvirkes også av parakrine og/eller autokrine faktorer som regulerer aktiviteten til intranukleære transkripsjonsprosesser, syntese av OPN og osteocalcin. Disse inkluderer en rekke cellevekstfaktorer, cytokinmodulatorer og hormonelt biologisk aktive stoffer. Antagelsen om at aktivering og regulering av beinvevsremodellering er en konsekvens av samspillet mellom osteoblaster og osteoklaster har blitt bekreftet i en rekke forskningsstudier. Betydelige fremskritt i forståelsen av prosessene for beinremodellering ble oppnådd med oppdagelsen av cytokinet RANKL-RANK-OPG-systemet, som spiller en nøkkelrolle i dannelsen, differensieringen og aktiviteten til osteoklaster. Oppdagelsen av dette systemet ble hjørnesteinen for å forstå patogenesen til osteoporose, osteoklastogenese og regulering av beinresorpsjon, samt andre prosesser involvert i lokal beinremodellering. Regulering av osteoklastogenese utføres hovedsakelig av to cytokiner: reseptoraktivator av kjernefaktor kappa-B-ligand (RANKL) og OPG mot bakgrunnen av den permissive virkningen av makrofagkolonistimulerende faktor (M-CSF).

RANKL er et glykoprotein produsert av osteoblastiske celler, aktiverte T-lymfocytter, som tilhører tumornekrosefaktor (TNF) ligand-superfamilien og er hovedstimulansen for osteoklastmodning. Det molekylære grunnlaget for intercellulære interaksjoner som involverer RANKL-RANK-OPG-systemet kan representeres som følger: RANKL uttrykt på overflaten av osteoblaster binder seg til RANK-reseptoren som ligger på membranene til OC-forløperceller og induserer prosessen med osteoklastdifferensiering og -aktivering. Samtidig frigjør benmarg og OB-stamceller M-CSF. Denne polypeptidvekstfaktoren, som interagerer med sin høyaffinitets transmembranreseptor (c-fms), aktiverer intracellulær tyrosinkinase, og stimulerer proliferasjon og differensiering av osteoklastforløpercellen. Den proliferative aktiviteten til M-CSF øker betydelig når OB eksponeres for paratyreoideahormon, vitamin D3, interleukin 1 (IL-1), TNF, og omvendt avtar under påvirkning av østrogener og OPG. Østrogener, som interagerer med intracellulære OB-reseptorer, øker cellens proliferative og funksjonelle aktivitet, samtidig som de reduserer osteoklastenes funksjon og stimulerer produksjonen av OPG av osteoblaster. OPG er en løselig reseptor for RANKL, syntetisert og frigjort av osteoblastiske celler, så vel som stromale celler, vaskulære endotelceller og B-lymfocytter. OPG fungerer som en endogen lokkereseptor for RANKL, og blokkerer dens interaksjon med sin egen reseptor (RANK), og hemmer dermed dannelsen av modne multinukleære osteoklastceller, forstyrrer prosessen med osteoklastogenese og reduserer aktiviteten til benvevsresorpsjon. Syntetisert og frigjort av OB-celler, er RANKL en spesifikk faktor som er nødvendig for utvikling og funksjon av OC. RANKL interagerer med sin tropiske reseptor RANK på membranen til OC-forløpercellen (en vanlig forløper for osteoklaster og monocytter/makrofager), noe som fører til intracellulære kaskadegenomtransformasjoner. RANK påvirker kjernefaktor kappa-B (NF-kB) gjennom det reseptorassosierte proteinet TRAF6, som aktiverer og translokerer NF-kB fra cytoplasmaet til cellekjernen.

Akkumulering av aktivert NF-kB øker uttrykket av NFATcl-protein, som er en spesifikk trigger som starter transkripsjonsprosessen av intracellulære gener som danner osteoklastogeneseprosessen. Den differensierte osteoklasten tar en bestemt posisjon på beinoverflaten og utvikler et spesialisert cytoskjelett som lar den skape et isolert resorpsjonshulrom, et mikromiljø mellom osteoklaster og bein. OC-membranen som vender mot hulrommet dannet av cellen danner mange folder, får et korrugert utseende, noe som øker resorpsjonsoverflaten betydelig. Mikromiljøet i det opprettede resorpsjonshulrommet forsures ved elektrogen pumping av protoner inn i det. Den intracellulære pH-verdien til OC opprettholdes ved deltakelse av karbonsyreanhydrase II gjennom utveksling av HCO3/Cl-ioner gjennom cellens antiresorptive membran. Ionisert klor trenger inn i resorpsjonsmikrohulrommet gjennom anionkanalene i den korrugerte resorpsjonsmembranen, noe som resulterer i at pH-verdien i hulrommet når 4,2-4,5. Det sure miljøet skaper betingelser for mobilisering av beinmineralfasen og danner optimale betingelser for nedbrytning av den organiske matrisen i beinvev med deltakelse av cathepsin K, et enzym syntetisert og frigjort i resorpsjonshulrommet av OKs "syrevesikler". Økt RANKL-ekspresjon fører direkte til aktivering av beinresorpsjon og en reduksjon i skjelett-BMD. Innføringen av rekombinant RANKL førte til utvikling av hyperkalsemi innen utgangen av den første dagen, og innen utgangen av den tredje - til et betydelig tap av beinmasse og en reduksjon i BMD. Balansen mellom RANKL og OPG bestemmer faktisk mengden resorberet bein og graden av endring i BMD. Dyreforsøk har vist at økt ekspresjon av OPG hos mus fører til økt beinmasse, osteopetrose, og er preget av en reduksjon i antall og aktivitet av osteoklaster. Når OPG-genet derimot er slått av, observeres en reduksjon i BMD, en betydelig økning i antall modne, flerkjernede osteoklaster, en reduksjon i bentetthet og forekomst av spontane vertebrale frakturer.

Subkutan administrering av rekombinant OPG til mus i en dose på 4 mg/kg/dag i en uke gjenopprettet BMD-indeksene. I modellen for adjuvant artritt hos rotter blokkerte administrering av OPG (2,5 og 10 mg/kg/dag) i 9 dager i den innledende fasen av den patologiske prosessen RANKL-funksjonen og forhindret tap av bein- og bruskvevsmasse. Eksperimentene indikerer at funksjonen til OPG hovedsakelig består i å redusere eller betydelig "slå av" effektene forårsaket av RANKL. For tiden har det blitt åpenbart at det å opprettholde forholdet mellom RANKL og OPG er en viktig betingelse for å opprettholde balansen mellom beinresorpsjon og -dannelse. Konjugasjonen av disse to prosessene, de relative konsentrasjonene av RANKL og OPG i beinvev, bestemmer de viktigste determinantene for beinmasse og -styrke. Siden oppdagelsen av RANKL-RAMK-OPG-systemet som den endelige veien for dannelse og differensiering av osteoklaster, har mange forskere bekreftet den ledende rollen til denne cellulære og molekylære mekanismen i patogenesen av osteoporose.

Rollen til rankl-rank-opg cytokinsystemet i prosessen med vaskulær forkalkning

Antagelsen om tilstedeværelsen av et felles patogenetisk grunnlag for osteoporose og aterosklerose, en viss likhet mellom mekanismene for osteoporoseutvikling og vaskulær forkalkning, bekreftes av mange eksperimentelle og kliniske observasjoner. Det har blitt vist at bein og karvev har mange identiske egenskaper både på cellenivå og molekylært nivå. Beinvev og benmarg inneholder endotelceller, preosteoblaster og osteoklaster - derivater av monocytter, mens alle disse også er normale komponenter i cellepopulasjonene i karveggen. Både beinvev og veggen i arterielle kar under forholdene med den aterosklerotiske prosessen inneholder OPN, osteocalcin, morfogenetisk beinprotein, matriks Gla-protein, kollagen type I og matriksvesikler. I patogenesen av aterosklerose og OP er monocytter involvert i differensiering til makrofager med skummende cytoplasma i karveggen og til osteoklaster i beinvevet. I karveggen er det cellulære elementer som differensierer til osteoblaster i samsvar med stadiene av dannelsen av bein OB, og produserer mineralkomponenten i bein.

Av fundamental betydning er det faktum at cytokinsystemet RANKL-RANK-OPG, som initierer osteoblastogenese og osteoklastogenese i beinvev, induserer blant annet differensiering av osteoblaster og OC, samt prosessen med mineralisering av karveggen. Blant komponentene i dette systemet, som direkte indikerer eksistensen av en sammenheng mellom osteoporose og aterosklerose, tiltrekker OPG seg mest oppmerksomhet fra forskere. Det er kjent at OPG uttrykkes ikke bare av beinvevsceller, men også av kardiovaskulære celler: myokardiocytter, glatte muskelceller i arterier og vener, og vaskulære endotelceller. OPG er en modulator av vaskulær forkalkning, noe som ble bekreftet i det eksperimentelle arbeidet til S. Moropu et al., utført på intakte mus og dyr med en forstyrrelse/fravær av genet som gir OPG-ekspresjon. Det ble funnet at mus med nedsatt evne til å syntetisere OPG (OPG-/-), i motsetning til kontrollgruppen av dyr, viser aktivering av prosessen med arteriell forkalkning i kombinasjon med utvikling av osteoporose og flere beinbrudd. Tvert imot bidro introduksjonen av genet som syntetiserer det til dyr med utilstrekkelig uttrykk av OPG til undertrykkelsen av både prosessen med beinresorpsjon og vaskulær forkalkning.

Inflammasjon spiller en nøkkelrolle i alle stadier av ateroskleroseutvikling, ledsaget av en betydelig økning i konsentrasjonen av betennelsesmarkører i blodplasmaet - cytokiner (interleukin-1, α-TNF), som igjen induserer benresorpsjon. I henhold til den inflammatoriske naturen til ateroskleroseutvikling, utføres uttrykket og frigjøringen av OPG i blodet og omkringliggende vev av endotelceller og vaskulære glatte muskelceller under påvirkning av de ovennevnte proinflammatoriske faktorene. I motsetning til stromale celler reagerer ikke endotelceller og vaskulært glatt muskelvev på endringer i innholdet av vitamin D3 eller paratyreoideahormon (PTH) i blodplasmaet ved å øke syntesen og frigjøringen av OPG. OPG forhindrer vitamin D3-indusert ektopisk forkalkning i karene, samtidig som det øker innholdet av OPN, det viktigste ikke-kollagene matriksproteinet i bein, som fungerer som en hemmer av vaskulær mineralisering og som en utløser for syntesen og frigjøringen av OPG av endotel- og glatte muskelceller. OPN, som hemmer prosessen med dannelse av hydroksyapatittmatrise (in vitro) og vaskulær forkalkning (in vivo), syntetiseres og frigjøres i tilstrekkelig høye konsentrasjoner av glatte muskelceller i media av karveggen og av makrofager i intima. OPN-syntese forekommer i områder med overveiende mineralisering av karveggen og reguleres av proinflammatoriske og osteogene faktorer. Sammen med avb3-integrin, syntetisert av endotelceller på stedene for aterogenese, forårsaker OPN den NF-kB-avhengige effekten av OPG på å opprettholde integriteten til endotelceller. Dermed kan de økte plasma- og vaskulære OPG-konsentrasjonene som observeres ved hjerte- og karsykdommer være en konsekvens av endotelcelleaktivitet både under påvirkning av inflammatoriske markører og som et resultat av OPN/avb3-HHTerpnHOBoro-mekanismen.

Aktivering av NF-kB i makrofager i arterieveggen og i trichomonas er også en av de viktige mekanismene som knytter osteoporose og aterosklerose. Økt NF-kB-aktivitet skjer som et resultat av virkningen av cytokiner som frigjøres av aktiverte T-celler i den vaskulære intima, noe som bidrar til en økning i aktiviteten til serin/treoninkinase (Akt, proteinkinase B), en viktig faktor for funksjonen til først og fremst vaskulære endotelceller.

Det er fastslått at økt proteinkinase B-aktivitet fører til stimulering av eNOS og økt syntese av nitrogenoksid (NO), som er involvert i mekanismen for å opprettholde integriteten til endotelceller. I likhet med OPG utføres syntesen og frigjøringen av RANKL fra endotelceller under påvirkning av inflammatoriske cytokiner, men ikke som et resultat av virkningen av vitamin D3 eller PTH, som er i stand til å øke konsentrasjonen av RANKL i OB- eller stromale celler.

Økningen i RANKL-konsentrasjonen i arterielle og venøse kar oppnås også som et resultat av den hemmende effekten av transformerende vekstfaktor (TGF-Pj) på prosessen med OPG-ekspresjon, hvis innhold reduseres betydelig under påvirkning av denne faktoren. Den har en multidireksjonell effekt på RANKL-innholdet i bein og kar: i beinvev fremmer TGF-Pj uttrykket av OPG OB, og som et resultat reduserer OPG, som binder seg til RANKL, dens konsentrasjon og osteoklastogeneseaktivitet. I blodåreveggene øker TGF-Pj RANKL/OPG-forholdet, og som en konsekvens stimulerer RANKL-innholdet, som samhandler med sin RANK-reseptor på overflaten av endotelcellemembraner med deltakelse av intracellulære signalsystemer, vaskulær celleosteogenese, aktiverer prosessen med forkalkning, proliferasjon og cellemigrasjon, og matriksombygging. Resultatet av det nye konseptet, basert på den nåværende forståelsen av den cellulære og molekylære mekanismen for beinremodellering ved osteoporose og ateroskleroseprosessen, og avklaringen av den ledende rollen til cytokinet RANKL-RANK-OPG-systemet i implementeringen av disse sykdommene, var syntesen av en ny generasjons legemiddel - denosumab. Denosumab (Prolia; Amgen Incorporation) er et spesifikt humant monoklonalt antistoff med en høy grad av tropisme for RANKL, som blokkerer funksjonen til dette proteinet. Tallrike laboratorie- og kliniske studier har vist at denosumab, som viser en høy evne til å redusere RANKL-aktivitet, betydelig bremser og svekker graden av beinresorpsjon. For tiden brukes denosumab som et førstelinjemedisin, sammen med bisfosfonater, hos pasienter med systemisk osteoporose for å forhindre beinbrudd. Samtidig etablerte S. Helas et al. den hemmende effekten av denosumab på RANKLs evne til å implementere prosessen med vaskulær forkalkning. Dermed åpner de innhentede dataene for nye muligheter for å bremse utviklingen av osteoporose og vaskulær aterosklerose, forhindre utviklingen av kardiovaskulære komplikasjoner ved osteoporose og bevare pasientenes helse og liv.

S. Sagalovsky, Richter. Patofysiologisk enhet i utviklingen av osteoporose og aterosklerose i karene // International Medical Journal - Nr. 4 - 2012