Liigese kõhre taastamine ja kasvufaktorid osteoartriidi patogeneesis

Tänu biotehnoloogia, eriti kloonimistehnoloogia arengule on viimasel ajal intensiivselt laienenud kasvufaktorite loetelu, millel anaboolsete teguritena on osteoartriidi patogeneesis oluline, kuid mitte täielikult mõistetud roll.

Esimene allpool käsitletav kasvufaktorite rühm on IGF-id. Neid leidub suurtes kogustes vereseerumis ja neil on mitmeid insuliiniga ühiseid omadusi. IGF-2 on tüüpilisem embrüonaalse arengu staadiumile, samas kui IGF-1 on selle rühma domineeriv esindaja täiskasvanutel. Mõlemad selle rühma esindajad toimivad, seondudes IGF I tüüpi retseptoritega. Kuigi IGF-2 funktsioon on teadmata, on IGF-1 tähtsus juba kindlaks tehtud - see on võimeline stimuleerima kondrotsüütide proteoglükaanide sünteesi ja pärssima oluliselt kataboolseid protsesse liigesekõhredes. IGF-1 on peamine anaboolne stiimul kondrotsüütide proteoglükaanide sünteesiks, esinedes vereseerumis ja sünoviaalvedelikus. IGF-1 on oluline faktor kondrotsüütide kultiveerimiseks osteoartroosi eksperimentaalsetes mudelites in vitro. Eeldatakse, et IGF-1 siseneb sünoviaalvedelikku vereplasmast. Lisaks toodavad normaalsed kondrotsüüdid mõlemat faktorit - IGF-1 ja IGF-2 ekspressiooni leiti osteoartroosiga patsientide sünoviaalmembraanist ja kõhrest. Normaalses kõhres ei ole IGF-1-l mitogeenseid omadusi, kuid see suudab stimuleerida rakkude proliferatsiooni kahjustatud maatriksis, mis näitab osalemist reparatiivsetes protsessides.

Bioloogiliselt aktiivsed ained, mis stimuleerivad liigesekõhre taastumist ja pärsivad selle lagunemist.

• Insuliin
• Gamma-interferoon
• Somatotroopsed hormoonid, androgeenid
• Somatomediinid (IPF-1 ja -2)
• TGF-beeta (koe kasvufaktor)
• Trombotsüütidest pärinev kasvufaktor
• Põhiline fibroblastide kasvufaktor
• EFR
• IL-1 retseptori antagonist
• TNF-α siduvad valgud
• Metalloproteinaaside koe inhibiitorid
• α2 makroglobuliin
• ai-antitrüpsiin
• RG-makroglobuliin
• Rg-antikümotrüpsiin

IGF-1 ja IGF-2 toimet kontrollivad mitmesugused IGF-i siduvad valgud (IGF-BP), mida samuti kondrotsüüdid toodavad. IGF-BP võib toimida kandjana ja omada ka IGF-i blokeerivat toimet. Osteoartroosiga patsientide liigesekõhredest eraldatud rakud toodavad liigselt IGF-BP-d, mis näitab, et need blokeerivad IGF-i toimet. J. Martel-Pelletier jt (1998) näitasid, et kuigi IGF-1 süntees kõhres osteoartroosi korral suureneb, reageerivad kondrotsüüdid IGF-1 stimulatsioonile nõrgalt. Selgus, et see nähtus on (vähemalt osaliselt) seotud IGF-BP taseme tõusuga. IGF-BP-l on IGF suhtes kõrge afiinsus ja see on selle aktiivsuse oluline biomodulaator. Praeguseks on uuritud seitset tüüpi IGF-BP-d ja IGF-BP-3 ja IGF-BP-4 düsregulatsioon mängib osteoartriidi puhul olulist rolli.

Teine kasvufaktorite kategooria, millel on kondrotsüütidele erinev mõju, hõlmab trombotsüütidest pärinevat kasvufaktorit (PDGF), FGF-i ja TGF-β-d. Neid faktoreid toodavad lisaks kondrotsüütidele ka aktiveeritud sünovotsüüdid. FGF-il on nii anaboolsed kui ka kataboolsed omadused, mis sõltuvad liigesekõhre kontsentratsioonist ja seisundist. PDGF osaleb liigesekõhre rakuvälise maatriksi (ECM) homöostaasi säilitamises ilma ilmsete mitogeensete omadusteta. See kasvufaktor on teadaolevalt proteoglükaanide sünteesi võimendaja ja nende lagunemise vähendamise vastane.

TGF-beeta pakub erilist huvi oma rolli tõttu osteoartriidi patogeneesis. See kuulub suurde TGF-i superperekonda ning jagab funktsionaalseid ja signaaliülekande omadusi hiljuti avastatud BMP (luu morfogeneetilise valgu) kasvufaktoritega.

TGF-beeta on pleiotroopne faktor: ühelt poolt on sellel immunosupressiivsed omadused, teiselt poolt on see kemotaktiline faktor ja fibroblastide proliferatsiooni võimas stimulaator. TGF-beeta ainulaadseteks omadusteks on võime pärssida ensüümide vabanemist erinevatest rakkudest ja suurendada oluliselt ensüümi inhibiitorite (näiteks TIMP) tootmist. TGF-beetat peetakse oluliseks põletikust tingitud koekahjustuste regulaatoriks. Seega stimuleerib TGF-beeta liigesekõhre koes oluliselt maatriksi tootmist kondrotsüütide poolt, eriti pärast eelnevat kokkupuudet selle faktoriga. Normaalne kõhr on TGF-beeta suhtes tundetu. OA-ga patsientidel stimuleerib TGF-β aggrekaani ja väikeste proteoglükaanide tootmist liigesekõhredes.

TGF-beetat toodavad paljud rakud, eriti kondrotsüüdid. See vabaneb latentsel kujul seotuna spetsiaalse valguga, mida nimetatakse latentsusajaga seotud valguks (LAP). Sellest valgust dissotsieerumine toimub proteaaside abil, mida toodetakse suurtes kogustes põletikulistes kudedes. Lisaks TGF-beetale, mida toodavad aktiveeritud rakud, on selle faktori latentse vormi varud oluline element TGF-beeta reaktiivsuses koes pärast lokaalset vigastust. TGF-beetat esineb märkimisväärsetes kogustes osteoartroosist mõjutatud liigese sünoviaalvedelikus, sünoviaalmembraanis ja kõhres. Kahjustatud koe piirkondades, kus on põletikulised infiltraadid, tuvastatakse TNF ja IL-1 koosekspressioon, samas kui fibroosipiirkondades tuvastatakse ainult TGF-beeta ekspressioon.

Osteoartriidiga patsientidelt kultiveeritud kondrotsüütide inkubeerimine TGF-β-ga põhjustab nende rakkude proteoglükaani sünteesi märkimisväärse suurenemise. Normaalsete kondrotsüütide stimuleerimine TGF-β-ga põhjustab proteoglükaani sünteesi suurenemise alles pärast paljude päevade pikkust inkubeerimist. Võib-olla on see aeg vajalik rakkude fenotüübi muutumiseks TGF-β mõjul (näiteks proteoglükaanide nn kompartmentalisatsiooni muutumiseks: äsja loodud proteoglükaanid lokaliseeruvad ainult kondrotsüütide ümber).

On teada, et kasvufaktorite, eriti TGF-β, sünteesi aktiveerimine on oluline lüli neeru- ja maksafibroosi patogeneesis ning armide moodustumisel haavade paranemise ajal. Kondrotsüütide suurenenud koormus in vitro viib TGF-β hüperproduktsioonini, samas kui jäsemete immobiliseerimise järgset proteoglükaani sünteesi vähenemist saab TGF-β abil kompenseerida. TGF-β indutseerib osteofüütide moodustumist liigeste marginaaltsoonis, et kohaneda koormuse muutustega. IL-1, mis põhjustab sünooviumis mõõdukat põletikulist protsessi vastusena liigesekahjustusele, soodustab muutunud fenotüübiga kondrotsüütide moodustumist, mis toodavad neid liigses koguses.

Rekombinantse TGF-beeta korduvad lokaalsed süstid kõrgetes kontsentratsioonides viisid C57B1 hiirtel osteoartriidi tekkeni – osteofüütide moodustumiseni, mis on iseloomulik inimese osteoartriidile, ja proteoglükaanide olulise kadumiseni "lainelise piiri" tsoonis.

Et mõista, kuidas TGF-β liig põhjustab teadaolevaid muutusi kõhres, on vaja märkida, et kokkupuude TGF-β-ga kutsub esile iseloomuliku kondrotsüütide fenotüübi, millega kaasneb muutus sünteesitud proteoglükaanide alamklassis ja ECM-elementide normaalse integratsiooni häire. Nii IGF-1 kui ka TGF-β stimuleerivad alginaadis kultiveeritud kondrotsüütides proteoglükaanide sünteesi, kuid viimane indutseerib ka nn proteoglükaanide kompartmentaliseerumist. Lisaks leiti, et TGF-β suurendab kollagenaas-3 (MMP-13) taset aktiveeritud kondrotsüütides, mis on vastuolus üldise arusaamaga TGF-β-st kui tegurist, mis vastupidiselt vähendab destruktiivsete proteaaside vabanemist. Siiski ei ole teada, kas TGF-β poolt indutseeritud MMP-13 süntees on seotud OA patogeneesiga. TGF-β mitte ainult ei stimuleeri proteoglükaanide sünteesi, vaid soodustab ka nende ladestumist sidemetesse ja kõõlustesse, suurendades jäikust ja vähendades liigeste liikumisulatust.

BMP-d kuuluvad TGF-beeta superperekonda. Mõnel neist (BMP-2, BMP-7 ja BMP-9) on omadus stimuleerida kondrotsüütide poolt proteoglükaanide sünteesi. BMP-d avaldavad oma toimet, seondudes spetsiifiliste retseptoritega rakupinnal; TGF-beeta ja BMP-de signaaliülekandeteed erinevad veidi. Sarnaselt TGF-beetale edastavad BMP-d signaali seriin/treoniinkinaasi retseptorikompleksi I ja II tüübi kaudu. Selles kompleksis transfosforüülitakse II tüüpi retseptor ja aktiveeritakse I tüüpi retseptori, mis edastab signaali signaalimolekulidele, mida nimetatakse Smad-ideks. Pärast signaali vastuvõtmist fosforüülitakse Smad-id kiiresti. Praegu on teada, et BMP signaaliülekande rajas fosforüülitakse Smad-1, -5 ja -8 ning TGF-beeta signaaliülekande rajas Smad-2 ja Smad-3. Seejärel seostuvad nimetatud Smad-id Smad-4-ga, mis on ühine kõigi TGF-beeta superperekonna liikmete signaaliülekanderadadele. See asjaolu selgitab ristfunktsioonide esinemist TGF-beeta superperekonna liikmetel, samuti TGF-beeta ja BMP signaaliradade vastastikuse pärssimise nähtust ühiste komponentide pärast konkureerimise kaudu. Hiljuti identifitseeriti teine Smad-valkude klass, mida esindavad Smad-6 ja -7. Need molekulid toimivad TGF-beeta ja BMP signaaliradade regulaatoritena.

Hoolimata asjaolust, et CMP stimuleeriv toime proteoglükaani sünteesile on teada juba pikka aega, on nende roll liigesekõhre funktsiooni regulatsioonis endiselt vaieldav, kuna CMP-l on teadaolev võime põhjustada rakkude dedifferentseerumist, stimuleerida kaltsifikatsiooni ja luukoe moodustumist. M. Enomoto-Iwamoto jt (1998) näitasid, et CMP interaktsioon CMP retseptoriga II on vajalik kondrotsüütide diferentseerunud fenotüübi säilitamiseks, samuti nende proliferatsiooni ja hüpertroofia kontrollimiseks. LZ Sailori jt (1996) andmetel säilitab CMP-2 kondrotsüütide fenotüübi kultuuris 4 nädalat, põhjustamata nende hüpertroofiat. CMP-7 (identne osteogeense valguga-1) säilitab alginaadis kultiveeritud liigesekõhre küpsete kondrotsüütide fenotüübi pikka aega.

KMP-2 ja -9 viimine hiirte põlveliigestesse suurendas proteoglükaani sünteesi 300% võrra, mis on oluliselt rohkem kui TGF-β puhul. Stimuleeriv toime oli aga ajutine ja mõne päeva pärast naasis sünteesi tase algsele tasemele. TGF-β põhjustas proteoglükaani sünteesi pikemaajalise stimulatsiooni, mis on tõenäoliselt tingitud TGF-β autoinduktsioonist ja kondrotsüütide sensibiliseerimisest selle faktori suhtes.

TGF-beeta vastutab kondrotsüütide moodustumise eest, mida võib pidada selle toime soovimatuks kõrvalmõjuks, KMP-2 soodustab samuti kondrotsüütide moodustumist, kuid liigeseserva teises piirkonnas (peamiselt kasvuplaadi piirkonnas).

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

Kõhre morfogeneetilised valgud

Kõhre morfogeneetilised valgud (CMP-1 ja -2) on teised TGF-β superperekonna liikmed, mis on jäsemete arengu ajal kõhrekoe moodustumiseks hädavajalikud. CMP-1 geeni mutatsioonid põhjustavad kondrodüsplaasiat. CMP-del võib olla selektiivsem, kõhrele suunatud profiil. Kuigi TGF-β ja CMP-d võivad stimuleerida kondrotsüüte, võivad nad toimida paljudele teistele rakkudele, seega võib nende kasutamine kõhre parandamiseks olla seotud kõrvaltoimetega. Mõlemat tüüpi CMP-sid leidub nii tervete kui ka osteoartriidiga liigeste kõhres ning need soodustavad liigesekõhre rakuvälise kihi (ECM) taastumist pärast ensümaatilist lagunemist, säilitades normaalse fenotüübi.

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

Kasvufaktorite sünergism

Üks kasvufaktor on võimeline indutseerima iseennast, nagu ka teised kasvufaktorid, see interaktsioon on peenelt reguleeritud. Näiteks tagab FGF koos teiste kasvufaktoritega liigesekõhre efektiivsema taastumise pärast traumaatilist defekti. IGF-1 koos TGF-β-ga indutseerib oluliselt kondrotsüütide normaalset fenotüüpi in vitro kultiveerimisel. On näidatud, et TGF-β takistab IGF-1 ja IGF-BP tootmist ning defosforüülib ka IGF-1 retseptorit ja stimuleerib IGF-1 seondumist. Terve hiire kõhre puhul leiti IGF-1 sünergismi nähtus paljude kasvufaktoritega. Kondrotsüütide nõrka vastust IGF-1-le ei saa aga teiste kasvufaktoritega kombineeritult tasandada.

Anaboolsete ja destruktiivsete tsütokiinide interaktsioon

Kasvufaktorid omavad IL-1-ga keerulisi interaktsioone. Näiteks kondrotsüütide eelnev kokkupuude FGF-iga suurendab proteaasi vabanemist pärast kokkupuudet IL-1-ga, võimalik, et IL-1 retseptori ekspressiooni suurenemise kaudu. PDGF stimuleerib samuti IL-1-sõltuvat proteaasi vabanemist, kuid see vähendab IL-1 vahendatud proteoglükaani sünteesi pärssimist. See võib viidata sellele, et mõned kasvufaktorid võivad samaaegselt stimuleerida kõhre paranemist ja soodustada selle hävimist. Teised kasvufaktorid, näiteks IGF-1 ja TGF-β, stimuleerivad liigesemaatriksi sünteesi ja inhibeerivad IL-1 vahendatud liigesekõhre hävimist, mis näitab, et nende aktiivsus on seotud ainult kudede parandamisega. See interaktsioon ei sõltu kondrotsüütide eelnevast kokkupuutest IL-1-ga. Huvitaval kombel võib IL-1 ja TGF-β mõju kineetika olla erinev: TGF-β võimet liigesekõhre lagunemist pärssida nõrgestab selle aeglane toime TIMP mRNA-le. Teisest küljest on TGF-β puudumisel täheldatud hNOC ja NO taseme tõusu. Arvestades IL-1 supresseeriva toime NO-sõltuvust kondrotsüütide proteoglükaani sünteesile, võib see selgitada, miks me täheldame TGF-β oluliselt tugevamat vastutoimet IL-1-sõltuvale proteoglükaani sünteesi inhibeerimisele võrreldes proteoglükaani lagundamise in vivo-ga.

Uuringus hiirtel, kellele süstiti intraartikulaarselt IL-1 ja kasvufaktoreid, näidati, et TGF-β toimib oluliselt IL-1 vahendatud liigesekõhre proteoglükaani sünteesi pärssimisele, samas kui CMP-2 ei ole võimeline selliseks vastutoimeks: selle stimuleeriv potentsiaal inhibeeriti IL-1 poolt täielikult isegi CMP-2 kõrgete kontsentratsioonide korral. Märkimisväärne on see, et IL-1 puudumisel stimuleeris CMP-2 proteoglükaani sünteesi palju intensiivsemalt kui TGF-β.

Lisaks proteoglükaani sünteesile avaldab TGF-β olulist mõju ka IL-1 poolt indutseeritud kõhre proteoglükaani sisalduse vähenemisele. On võimalik, et proteoglükaani sisaldus väheneb või suureneb sõltuvalt IL-1 ja TGF-β suhtelisest kontsentratsioonist. Huvitaval kombel täheldati ülalkirjeldatud IL-1 ja TGF-β vastandlikku toimet kõhre paksuses, kuid seda nähtust ei täheldatud kondrofüütide lähedal liigespindade servades. Kondrofüütide moodustumist indutseerib TGF-β, mis mõjutab luuümbrise kondrogeenseid rakke, põhjustades kondroblastide arengut ja proteoglükaani ladestumist. Ilmselt ei ole need kondroblastid IL-1 suhtes tundlikud.

HL Glansbeek jt (1998) uurisid TGF-beeta ja KMP-2 võimet neutraliseerida proteoglükaani sünteesi pärssimist zümosaani poolt indutseeritud artriidiga hiirte liigestes (st "puhta" IL-1 poolt indutseeritud põletiku mudelis). TGF-beeta intraartikulaarne manustamine neutraliseeris oluliselt põletiku poolt põhjustatud proteoglükaani sünteesi pärssimist, samas kui KMP-2 ei suutnud praktiliselt sellele IL-1-sõltuvale protsessile vastu astuda. TGF-β korduvad süstid uuritud loomade põlveliigesesse stimuleerisid oluliselt kondrotsüütide proteoglükaani sünteesi, aitasid kaasa olemasolevate proteoglükaanide säilimisele põletiku poolt kurnatud kõhres, kuid ei pärssinud põletikulist protsessi.

Kondrotsüütide proteoglükaani sünteesiva funktsiooni uurimisel loomade osteoartroosi eksperimentaalsete mudelite abil on alati täheldatud proteoglükaanide sisalduse suurenemist ja sünteesi stimuleerimist OA algstaadiumis, erinevalt põletikulistest mudelitest, kus täheldatakse sünteesi olulist pärssimist (IL-1-sõltuv protsess). Anaboolsete faktorite, eriti kasvufaktorite suurenenud aktiivsus, mida täheldatakse osteoartroosi korral, neutraliseerib selliste supressor-tsütokiinide nagu IL-1 mõju. Kasvufaktorite hulgas on kõige olulisem TGF-beeta; KMP-2-l pole selles protsessis tõenäoliselt olulist rolli. Kuigi IGF-1 suudab in vitro stimuleerida proteoglükaani sünteesi, ei täheldata seda omadust IGF-1 lokaalse manustamise korral in vivo. See võib olla tingitud asjaolust, et selle kasvufaktori endogeenne tase on optimaalne. Osteoartriidi hilisemates staadiumides ilmnevad proteoglükaani sünteesi pärssimise tunnused, mis on tõenäoliselt seotud IL-1 domineeriva toimega ja kasvufaktorite võimetusega sellele vastu astuda vähenenud aktiivsuse tõttu.

Spontaanse osteoartriidiga STR/ORT hiirte kasvufaktorite ekspressiooni analüüs näitas TGF-β ja IL-1 mRNA taseme tõusu kahjustatud kõhres. Tuleb märkida, et TGF-β aktiveerimine latentsest vormist on kudede parandamise oluline element. TGF-β rolli mõistmist raskendavad ACL-küülikutel läbi viidud TGF-β II tüüpi retseptori ekspressiooni uuringu tulemused. Vahetult pärast osteoartriidi esilekutsumist tuvastati nende retseptorite taseme langus, mis viitab ebapiisavale TGF-β signaaliülekandele. Huvitaval kombel ilmnesid TGF-β retseptori II tüüpi puudulikkusega hiirtel spontaanse osteoartriidi tunnused, mis näitab ka TGF-β signaaliülekande olulist rolli kõhre parandamise halvenemises ja osteoartriidi tekkes.

Kasvufaktorite absoluutne sisaldus reumatoidartriidi või osteoartroosiga patsientide liigestes võib viidata nende võimalikule rollile nende haiguste patogeneesis. Vaatamata asjaolule, et osteoartroosi ja reumatoidartriidi liigestes leidub kasvufaktorite kõrgeid kontsentratsioone, on mõlema haiguse lagunemis- ja taastumisprotsesside iseloom täiesti erinev. Tõenäoliselt on nende haiguste patogeneesis ka teisi, seni tuvastamata tegureid või määravad liigesekudedes lagunemis- ja taastumisprotsesside kulgu uuritud nähtuste muud aspektid (näiteks teatud retseptorite ekspressioon kondrotsüütide pinnal, lahustuvad retseptorid, mis siduvad valke, või anaboolsete ja destruktiivsete faktorite tasakaalustamatus).