Reparasjon av leddbrusk og vekstfaktorer i patogenesen ved artrose

Takket være fremskrittene innen bioteknologi, spesielt kloningsteknologi, har listen over vekstfaktorer som, som anabole faktorer, spiller en viktig, men ikke fullt forstått rolle i patogenesen til slitasjegikt nylig blitt intensivt utvidet.

Den første gruppen av vekstfaktorer som diskuteres nedenfor er IGF-er. De finnes i store mengder i blodserum og har en rekke egenskaper til felles med insulin. IGF-2 er mer typisk for embryonale utviklingsstadier, mens IGF-1 er den dominerende representanten for gruppen hos voksne. Begge representantene for denne gruppen virker ved å binde seg til IGF type I-reseptorer. Selv om funksjonen til IGF-2 fortsatt er ukjent, er betydningen av IGF-1 allerede bestemt - den er i stand til å stimulere syntesen av proteoglykaner av kondrocytter og hemme katabolske prosesser i leddbrusk betydelig. IGF-1 er den viktigste anabole stimulansen for syntesen av proteoglykaner av kondrocytter, som finnes i blodserum og synovialvæske. IGF-1 er en viktig faktor for dyrking av kondrocytter i eksperimentelle modeller av slitasjegikt in vitro. Det antas at IGF-1 kommer inn i synovialvæsken fra blodplasma. I tillegg produserer normale kondrocytter begge faktorene – uttrykk av IGF-1 og IGF-2 ble funnet i synovialmembranen og brusken hos pasienter med slitasjegikt. I normal brusk har ikke IGF-1 mitogene egenskaper, men er i stand til å stimulere celleproliferasjon i den skadede matriksen, noe som indikerer deltakelse i reparative prosesser.

Biologisk aktive stoffer som stimulerer reparasjon og hemmer nedbrytning av leddbrusk

• Insulin
• Gamma-interferon
• Somatotropisk hormon, androgener
• Somatomediner (IPF-1 og -2)
• TGF-beta (vevsvekstfaktor)
• Blodplateavledet vekstfaktor
• Grunnleggende fibroblastvekstfaktor
• EFR
• IL-1-reseptorantagonist
• TNF-α-bindende proteiner
• Vevshemmere av metalloproteaser
• et _2- makroglobulin
• ai-antitrypsin
• RG-makroglobulin
• RG-antichymotrypsin

Virkningene til IGF-1 og IGF-2 kontrolleres av forskjellige IGF-bindende proteiner (IGF-BP), som også produseres av kondrocytter. IGF-BP kan fungere som en bærer og også ha IGF-blokkerende aktivitet. Celler isolert fra leddbrusk hos pasienter med slitasjegikt produserer store mengder IGF-BP, noe som indikerer at de blokkerer effekten av IGF. J. Martel-Pelletier et al. (1998) viste at selv om IGF-1-syntesen i brusk øker ved slitasjegikt, reagerer kondrocytter svakt på IGF-1-stimulering. Det viste seg at dette fenomenet er assosiert (i det minste delvis) med en økning i nivået av IGF-BP. IGF-BP har en høy affinitet for IGF og er en viktig biomodulator av dens aktivitet. Til dags dato har syv typer IGF-BP blitt studert, og dysregulering av IGF-BP-3 og IGF-BP-4 spiller en viktig rolle ved slitasjegikt.

En annen kategori av vekstfaktorer som viser forskjellige effekter på kondrocytter inkluderer blodplateavledet vekstfaktor (PDGF), FGF og TGF-beta. Disse faktorene produseres ikke bare av kondrocytter, men også av aktiverte synovocytter. FGF har både anabole og katabolske egenskaper avhengig av konsentrasjonen og tilstanden til leddbrusken. PDGF er involvert i å opprettholde homeostasen til ECM i leddbrusk uten å ha åpenbare mitogene egenskaper. Denne vekstfaktoren er kjent for å forbedre syntesen av proteoglykaner og redusere nedbrytningen av dem.

TGF-beta er av spesiell interesse for sin rolle i patogenesen av slitasjegikt. Det er medlem av den store TGF-superfamilien og deler funksjonelle og signalegenskaper med de nylig oppdagede BMP-vekstfaktorene (benmorfogenetisk protein).

TGF-beta er en pleiotrop faktor: på den ene siden har den immunsuppressive egenskaper, på den andre siden er den en kjemotaktisk faktor og en kraftig stimulator av fibroblastproliferasjon. Unike egenskaper ved TGF-beta er evnen til å hemme frigjøringen av enzymer fra forskjellige celler og øke produksjonen av enzymhemmere (for eksempel TIMP) betydelig. TGF-beta regnes som en viktig regulator av vevsskade på grunn av betennelse. I leddbruskvev stimulerer TGF-beta dermed betydelig produksjonen av matriks av kondrocytter, spesielt etter foreksponering for denne faktoren. Normal brusk er ufølsom for TGF-beta. Hos pasienter med artrose stimulerer TGF-β produksjonen av aggrekan og små proteoglykaner i leddbrusk.

TGF-beta produseres av mange celler, spesielt kondrocytter. Det frigjøres i latent form bundet til et spesielt protein kalt latensassosiert protein (LAP). Dissosiasjon fra dette proteinet skjer ved hjelp av proteaser, som produseres i store mengder i betent vev. Bortsett fra TGF-beta, som produseres av aktiverte celler, er lagre av den latente formen av denne faktoren et viktig element i TGF-beta-reaktivitet i vev etter lokal skade. TGF-beta finnes i betydelige mengder i synovialvæske, synovialmembran og brusk i leddet som er rammet av slitasjegikt. I områder med skadet vev med inflammatoriske infiltrater oppdages samtidig uttrykk av TNF og IL-1, mens det i områder med fibrose bare oppdages TGF-beta-uttrykk.

Inkubasjon av dyrkede kondrocytter fra pasienter med slitasjegikt med TGF-beta forårsaker en betydelig økning i proteoglykansyntesen av disse cellene. Stimulering av normale kondrocytter med TGF-beta forårsaker en økning i proteoglykansyntesen først etter mange dagers inkubasjon. Kanskje er denne tiden nødvendig for at cellefenotypen skal endre seg under påvirkning av TGF-beta (for eksempel for en endring i den såkalte kompartmentaliseringen av proteoglykaner: nyopprettede proteoglykaner er lokalisert bare rundt kondrocytter).

Det er kjent at aktivering av vekstfaktorsyntese, spesielt TGF-beta, er en viktig kobling i patogenesen av nyre- og leverfibrose, og arrdannelse under sårheling. Økt belastning på kondrocytter in vitro fører til hyperproduksjon av TGF-beta, mens redusert proteoglykansyntese etter immobilisering av lemmer kan utjevnes av TGF-beta. TGF-beta induserer osteofyttdannelse i leddenes marginale sone som en tilpasningsmekanisme til endringer i belastning. IL-1, som forårsaker en moderat inflammatorisk prosess i synovium som respons på leddskade, fremmer dannelsen av kondrocytter med en endret fenotype, som produserer en overdreven mengde.

Gjentatte lokale injeksjoner av rekombinant TGF-beta i høye konsentrasjoner førte til utvikling av slitasjegikt hos C57B1-mus – dannelse av osteofytter, som er karakteristisk for menneskelig slitasjegikt, og et betydelig tap av proteoglykaner i den «bølgete grensen».

For å forstå hvordan overflødig TGF-beta forårsaker de kjente endringene i brusk, er det nødvendig å merke seg at TGF-β-eksponering induserer en karakteristisk kondrocyttfenotype med en endring i underklassen av syntetiserte proteoglykaner og forstyrrelse av den normale integrasjonen av ECM-elementer. Både IGF-1 og TGF-beta stimulerer proteoglykansyntese av kondrocytter dyrket i alginat, men sistnevnte induserer også den såkalte kompartmentaliseringen av proteoglykaner. Dessuten ble det funnet at TGF-beta økte nivået av kollagenase-3 (MMP-13) i aktiverte kondrocytter, noe som er i strid med den generelle ideen om TGF-beta som en faktor som tvert imot reduserer frigjøringen av destruktive proteaser. Det er imidlertid ikke kjent om TGF-beta-indusert MMP-13-syntese er involvert i patogenesen til artrose. TGF-beta stimulerer ikke bare syntesen av proteoglykaner, men fremmer også avsetningen av disse i leddbånd og sener, noe som øker stivheten og reduserer bevegelsesområdet i leddene.

BMP-er er medlemmer av TGF-beta-superfamilien. Noen av dem (BMP-2, BMP-7 og BMP-9) har egenskapen til å stimulere syntesen av proteoglykaner av kondrocytter. BMP-er utøver sin effekt ved å binde seg til spesifikke reseptorer på celleoverflaten; signalveiene til TGF-beta og BMP-er er noe forskjellige. I likhet med TGF-beta signaliserer BMP-er gjennom serin/treoninkinase-reseptorkomplekset type I og II. I dette komplekset transfosforyleres type II-reseptoren og aktiverer type I-reseptoren, som overfører signalet til signalmolekyler kalt Smad-er. Etter å ha mottatt signalet fosforyleres Smad-er raskt. Det er for tiden kjent at Smad-1, -5 og -8 fosforyleres i BMP-signalveien, og Smad-2 og Smad-3 fosforyleres i TGF-beta-signalveien. Deretter assosieres de navngitte Smad-proteinene med Smad-4, som er felles for signalveiene til alle medlemmer av TGF-beta-superfamilien. Dette forklarer tilstedeværelsen av kryssfunksjoner hos medlemmer av TGF-beta-superfamilien, samt fenomenet med gjensidig hemming av TGF-beta- og BMP-signalveiene ved å konkurrere om felles komponenter. For ikke lenge siden ble en annen klasse Smad-proteiner identifisert, som er representert av Smad-6 og -7. Disse molekylene fungerer som regulatorer av TGF-beta- og BMP-signalveiene.

Til tross for at den stimulerende effekten av CMP på proteoglykansyntese har vært kjent lenge, er deres rolle i reguleringen av leddbruskfunksjon fortsatt kontroversiell på grunn av CMPs kjente evne til å forårsake cellededifferensiering, stimulere forkalkning og dannelse av beinvev. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) viste at interaksjonen mellom CMP og CMP-reseptor type II er nødvendig for å opprettholde den differensierte fenotypen til kondrocytter, samt kontrollere deres proliferasjon og hypertrofi. I følge LZ Sailor et al. (1996) opprettholder CMP-2 fenotypen til kondrocytter i kultur i 4 uker uten å forårsake hypertrofi. CMP-7 (identisk med osteogent protein-1) opprettholder fenotypen til modne kondrocytter av leddbrusk dyrket i alginat over lang tid.

Introduksjonen av KMP-2 og -9 i kneleddene hos mus økte proteoglykansyntesen med 300 %, betydelig mer enn TGF-beta. Den stimulerende effekten var imidlertid midlertidig, og etter noen dager returnerte syntesenivået til det opprinnelige nivået. TGF-beta forårsaket en langsiktig stimulering av proteoglykansyntesen, noe som sannsynligvis skyldes autoinduksjon av TGF-beta og sensibilisering av kondrocytter for denne faktoren.

TGF-beta er ansvarlig for dannelsen av kondrofytter, noe som kan betraktes som en uønsket effekt av virkningen. KMP-2 fremmer også dannelsen av kondrofytter, men i et annet område av leddkanten (hovedsakelig i vekstplaten).

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

Bruskmorfogenetiske proteiner

Bruskmorfogenetiske proteiner (CMP-1 og -2) er andre medlemmer av TGF-beta-superfamilien som er essensielle for dannelsen av bruskvev under lemutvikling. Mutasjoner i CMP-1-genet forårsaker kondrodysplasi. CMP-er kan ha en mer selektiv, bruskmålrettet profil. Selv om TGF-beta og CMP-er kan stimulere kondrocytter, kan de virke på mange andre celler, så bruken av dem til bruskreparasjon kan være forbundet med bivirkninger. Begge typer CMP-er finnes i brusken i friske og osteoartrittiske ledd og fremmer reparasjonen av leddbrusk-ECM etter enzymatisk nedbrytning, og opprettholder en normal fenotype.

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

Synergisme av vekstfaktorer

Én vekstfaktor er i stand til å indusere seg selv, så vel som andre vekstfaktorer, denne interaksjonen er fint regulert. For eksempel gir FGF sammen med andre vekstfaktorer mer effektiv reparasjon av leddbrusk etter en traumatisk defekt. IGF-1 sammen med TGF-beta induserer signifikant den normale fenotypen til kondrocytter når de dyrkes in vitro. Det ble vist at TGF-beta forhindrer produksjonen av IGF-1 og IGF-BP, og også defosforylerer IGF-1-reseptoren, stimulerer IGF-1-binding. I intakt musebrusk ble fenomenet synergisme mellom IGF-1 og mange vekstfaktorer funnet. Imidlertid kan ikke den svake responsen fra kondrocytter på IGF-1 utjevnes ved å bruke den i kombinasjon med andre vekstfaktorer.

Interaksjon mellom anabole og destruktive cytokiner

Vekstfaktorer viser komplekse interaksjoner med IL-1. For eksempel øker preeksponering av kondrocytter for FGF proteasefrigjøring etter IL-1-eksponering, muligens gjennom økt IL-1-reseptorekspresjon. PDGF stimulerer også IL-1-avhengig proteasefrigjøring, men det reduserer IL-1-mediert hemming av proteoglykansyntese. Dette kan indikere at noen vekstfaktorer samtidig kan stimulere bruskreparasjon og fremme ødeleggelse av den. Andre vekstfaktorer, som IGF-1 og TGF-β, stimulerer syntese av artikulær matriks og hemmer IL-1-mediert leddbruskdestruksjon, noe som indikerer at aktiviteten deres kun er relatert til vevsreparasjon. Denne interaksjonen er uavhengig av kondrocytters preeksponering for IL-1. Interessant nok kan kinetikken til effektene av IL-1 og TGF-beta være forskjellig: TGF-betas evne til å undertrykke nedbrytning av leddbrusk dempes av dens langsomme virkning på TIMP mRNA. På den annen side observeres en økning i hNOC- og NO-nivåer i fravær av TGF-beta. Gitt NO-avhengigheten av den undertrykkende effekten av IL-1 på proteoglykansyntese av kondrocytter, kan det forklare hvorfor vi observerer en betydelig sterkere motvirkning av TGF-beta til IL-1-avhengig hemming av proteoglykansyntese sammenlignet med proteoglykan-nedbrytning in vivo.

I en studie på mus injisert intraartikulært med IL-1 og vekstfaktorer, ble det vist at TGF-beta signifikant motvirker IL-1-mediert hemming av proteoglykansyntese i leddbrusk, mens CMP-2 ikke er i stand til å motvirke dette: dens stimulerende potensial ble fullstendig hemmet av IL-1 selv ved høye konsentrasjoner av CMP-2. Det er verdt å merke seg at i fravær av IL-1 stimulerte CMP-2 proteoglykansyntese mye mer intenst enn TGF-beta.

I tillegg til effekten på proteoglykansyntesen, påvirker TGF-beta også betydelig IL-1-indusert reduksjon i bruskproteoglykaninnhold. Det er mulig at proteoglykaninnholdet synker eller øker avhengig av den relative konsentrasjonen av IL-1 og TGF-beta. Interessant nok ble den ovenfor beskrevne motvirkningen av IL-1 og TGF-beta observert i tykkelsen av brusk, men dette fenomenet ble ikke observert nær kondrofytter ved kantene av leddflater. Kondrofyttdannelse induseres av TGF-β, som påvirker kondrogene celler i periosteum, noe som forårsaker utvikling av kondroblaster og proteoglykanavsetning. Tilsynelatende er disse kondroblastene ikke følsomme for IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) studerte TGF-beta og KMP-2s evne til å motvirke undertrykkelsen av proteoglykansyntese i leddene til mus med zymosanindusert artritt (dvs. i en modell av "ren" IL-1-indusert betennelse). Intraartikulær administrering av TGF-beta motvirket signifikant undertrykkelsen av proteoglykansyntese forårsaket av betennelse, mens KMP-2 praktisk talt ikke var i stand til å motvirke denne IL-1-avhengige prosessen. Gjentatte injeksjoner av TGF-β i kneleddet til de studerte dyrene stimulerte signifikant proteoglykansyntesen av kondrocytter, bidro til bevaring av eksisterende proteoglykaner i brusk utarmet av betennelse, men undertrykte ikke den inflammatoriske prosessen.

Når man studerer den proteoglykan-syntetiserende funksjonen til kondrocytter ved bruk av eksperimentelle modeller av slitasjegikt hos dyr, har man alltid observert en økning i innholdet og stimuleringen av syntesen av proteoglykaner i de tidlige stadiene av artrose, i motsetning til inflammatoriske modeller, der man observerer betydelig hemming av syntesen (IL-1-avhengig prosess). Økt aktivitet av anabole faktorer, spesielt vekstfaktorer, som observeres ved slitasjegikt, nøytraliserer effekten av slike suppressorcytokiner som IL-1. Blant vekstfaktorene er TGF-beta av største betydning; KMP-2 spiller sannsynligvis ikke en betydelig rolle i denne prosessen. Selv om IGF-1 er i stand til å stimulere proteoglykansyntese in vitro, observeres ikke denne egenskapen in vivo ved lokal påføring av IGF-1. Dette kan skyldes at det endogene nivået av denne vekstfaktoren er optimalt. I senere stadier av slitasjegikt dukker det opp tegn på hemming av proteoglykansyntese, noe som sannsynligvis er assosiert med den dominerende virkningen av IL-1 og vekstfaktorenes manglende evne til å motvirke den på grunn av redusert aktivitet.

Analyse av vekstfaktorekspresjon hos STR/ORT-mus med spontan artrose viste økte mRNA-nivåer av TGF-β og IL-1 i skadet brusk. Det bør bemerkes at aktivering av TGF-β fra den latente formen er et viktig element i vevsreparasjon. Å forstå rollen til TGF-β er komplisert av resultatene fra en studie av TGF-β type II-reseptorekspresjon hos ACL-kaniner. Umiddelbart etter induksjon av artrose ble reduserte nivåer av disse reseptorene oppdaget, noe som indikerer utilstrekkelig TGF-β-signalering. Interessant nok viste TGF-β-reseptor type 11-defekte mus tegn på spontan artrose, noe som også indikerer en viktig rolle for TGF-β-signalering i forverringen av bruskreparasjon og utviklingen av artrose.

Det absolutte innholdet av vekstfaktorer i leddene til pasienter med revmatoid artritt eller slitasjegikt kan indikere deres mulige rolle i patogenesen til disse sykdommene. Til tross for at høye konsentrasjoner av vekstfaktorer finnes i ledd med slitasjegikt og revmatoid artritt, er nedbrytnings- og reparasjonsprosessenes natur i begge sykdommene helt forskjellig. Sannsynligvis finnes det andre, hittil uidentifiserte faktorer som spiller en viktig rolle i patogenesen til disse sykdommene, eller andre aspekter ved fenomenene som studeres bestemmer forløpet av nedbrytnings- og reparasjonsprosesser i leddvev (for eksempel uttrykk av visse reseptorer på overflaten av kondrocytter, løselige reseptorer som binder proteiner, eller en ubalanse mellom anabole og destruktive faktorer).