Ízületi porcjavítás és növekedési faktorok az osteoarthritis patogenezisében

A biotechnológia, különösen a klónozási technológia fejlődésének köszönhetően az osteoarthritis patogenezisében fontos, de még nem teljesen ismert szerepet játszó anabolikus növekedési faktorok listája az utóbbi időben intenzíven bővült.

Az alábbiakban tárgyalt első növekedési faktorcsoport az IGF-ek. Nagy mennyiségben találhatók meg a vérszérumban, és számos közös tulajdonsággal rendelkeznek az inzulinnal. Az IGF-2 inkább az embrionális fejlődési szakaszra jellemző, míg az IGF-1 a csoport domináns képviselője felnőttekben. A csoport mindkét képviselője az IGF I. típusú receptorokhoz kötődve fejti ki hatását. Míg az IGF-2 funkciója ismeretlen, az IGF-1 jelentőségét már meghatározták - képes stimulálni a proteoglikánok szintézisét a porcsejtekben, és jelentősen gátolja a katabolikus folyamatokat az ízületi porcban. Az IGF-1 a fő anabolikus stimulus a porcsejtek proteoglikánok szintéziséhez, amely jelen van a vérszérumban és az ízületi folyadékban. Az IGF-1 fontos faktor a porcsejtek tenyésztéséhez az oszteoartrózis kísérleti modelljeiben in vitro. Feltételezik, hogy az IGF-1 a vérplazmából jut be az ízületi folyadékba. Ezenkívül a normál porcsejtek mindkét faktort termelik - az IGF-1 és az IGF-2 expresszióját kimutatták az oszteoartrózisban szenvedő betegek szinoviális membránjában és porcában. Normál porcban az IGF-1 nem rendelkezik mitogén tulajdonságokkal, de képes stimulálni a sejtek proliferációját a sérült mátrixban, ami a reparatív folyamatokban való részvételre utal.

Biológiailag aktív anyagok, amelyek serkentik az ízületi porc regenerálódását és gátolják a lebomlását

• Inzulin
• Gamma-interferon
• Szomatotrop hormon, androgének
• Szomatomedinek (IPF-1 és -2)
• TGF-béta (szöveti növekedési faktor)
• Trombocita eredetű növekedési faktor
• Bázikus fibroblaszt növekedési faktor
• EFR
• IL-1 receptor antagonista
• TNF-α-kötő fehérjék
• Metalloproteinázok szöveti inhibitorai
• a2 makroglobulin
• ai-antitripszin
• RG-makroglobulin
• Rg-antikimotripszin

Az IGF-1 és IGF-2 hatását különféle IGF-kötő fehérjék (IGF-BP) szabályozzák, amelyeket szintén a porcsejtek termelnek. Az IGF-BP hordozóként működhet, és IGF-blokkoló aktivitással is rendelkezik. Az oszteoartrózisban szenvedő betegek ízületi porcából izolált sejtek túlzott mennyiségű IGF-BP-t termelnek, ami arra utal, hogy blokkolják az IGF hatását. J. Martel-Pelletier és munkatársai (1998) kimutatták, hogy bár az IGF-1 szintézise a porcban fokozódik oszteoartrózis esetén, a porcsejtek gyengén reagálnak az IGF-1 stimulációjára. Kiderült, hogy ez a jelenség (legalábbis részben) az IGF-BP szintjének emelkedésével jár. Az IGF-BP nagy affinitással rendelkezik az IGF iránt, és fontos biomodulátora annak aktivitásának. A mai napig hét típusú IGF-BP-t vizsgáltak, és az IGF-BP-3 és IGF-BP-4 szabályozási zavara fontos szerepet játszik az osteoarthritisben.

A növekedési faktorok egy másik kategóriája, amelyek eltérő hatást gyakorolnak a porcsejtekre, a vérlemezke eredetű növekedési faktor (PDGF), az FGF és a TGF-béta. Ezeket a faktorokat nemcsak a porcsejtek, hanem az aktivált szinovociták is termelik. Az FGF anabolikus és katabolikus tulajdonságokkal is rendelkezik, az ízületi porc koncentrációjától és állapotától függően. A PDGF részt vesz az ízületi porc ECM-jének homeosztázisának fenntartásában anélkül, hogy nyilvánvaló mitogén tulajdonságokkal rendelkezne. Ismert, hogy ez a növekedési faktor fokozza a proteoglikánok szintézisét és csökkenti azok lebomlását.

A TGF-béta különösen érdekes az osteoarthritis patogenezisében betöltött szerepe miatt. A nagy TGF-szupercsalád tagja, és funkcionális és jelátviteli tulajdonságait a nemrég felfedezett BMP (csontmorfogenetikus fehérje) növekedési faktorokkal osztja meg.

A TGF-béta egy pleiotróp faktor: egyrészt immunszuppresszív tulajdonságokkal rendelkezik, másrészt kemotaktikus faktor és a fibroblaszt proliferáció erőteljes stimulátora. A TGF-béta egyedülálló tulajdonságai közé tartozik, hogy képes gátolni az enzimek felszabadulását különböző sejtekből, és jelentősen fokozza az enzimgátlók (például TIMP) termelését. A TGF-bétát a gyulladás okozta szövetkárosodás fontos szabályozójának tekintik. Így az ízületi porcszövetben a TGF-béta jelentősen serkenti a mátrix termelését a porcsejtek által, különösen a faktorral való előzetes érintkezés után. A normál porc érzéketlen a TGF-bétára. Osteoartritiszben szenvedő betegeknél a TGF-β serkenti az aggrekán és a kis proteoglikánok termelését az ízületi porcban.

A TGF-bétát számos sejt, különösen a porcsejtek termelik. Látens formában szabadul fel egy speciális fehérjéhez, az úgynevezett latencia-asszociált fehérjéhez (LAP) kötődve. Erről a fehérjéről a disszociációt proteázok végzik, amelyek nagy mennyiségben termelődnek a gyulladt szövetekben. A TGF-bétán kívül, amelyet az aktivált sejtek termelnek, a faktor látens formájának raktárai fontos elemei a TGF-béta reaktivitásának a szövetekben a lokális sérülés után. A TGF-béta jelentős mennyiségben van jelen az ízületi folyadékban, az ízületi membránban és az oszteoartrózis által érintett ízület porcában. A gyulladásos infiltrátumokkal rendelkező sérült szöveti területeken a TNF és az IL-1 koexpressziója detektálható, míg a fibrózisos területeken csak a TGF-béta expressziója detektálható.

Az osteoarthritisben szenvedő betegektől származó tenyésztett porcsejtek TGF-bétával történő inkubálása a sejtek proteoglikán-szintézisének jelentős növekedését okozza. A normál porcsejtek TGF-bétával történő stimulálása csak több napos inkubáció után okozza a proteoglikán-szintézis növekedését. Talán ez az idő szükséges ahhoz, hogy a sejtfenotípus a TGF-béta hatása alatt megváltozzon (például a proteoglikánok úgynevezett kompartmentalizációjának megváltozásához: az újonnan keletkezett proteoglikánok csak a porcsejtek körül lokalizálódnak).

Ismert, hogy a növekedési faktorok, különösen a TGF-béta szintézisének aktiválása fontos láncszem a vese- és májfibrózis patogenezisében, valamint a sebgyógyulás során fellépő hegképződésben. A porcsejtekre nehezedő fokozott terhelés in vitro a TGF-béta hiperprodukciójához vezet, míg a végtag immobilizálása utáni csökkent proteoglikán szintézis a TGF-béta segítségével ellensúlyozható. A TGF-béta osteophyta képződést indukál az ízületek marginális zónájában, a terhelés változásaihoz való alkalmazkodás mechanizmusaként. Az IL-1, amely az ízületi membránban mérsékelt gyulladásos folyamatot okoz az ízületi károsodásra válaszul, elősegíti a megváltozott fenotípusú porcsejtek képződését, amelyek túlzott mennyiségben termelnek.

A rekombináns TGF-béta ismételt, nagy koncentrációjú lokális injekciói osteoarthritis kialakulásához vezettek C57B1 egerekben - osteophyták képződéséhez, ami az emberi osteoarthritisre jellemző, és a proteoglikánok jelentős elvesztéséhez a "hullámos határ" zónában.

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan okozza a TGF-béta feleslege a porcban ismert változásokat, meg kell jegyezni, hogy a TGF-béta expozíció egy jellegzetes kondrocita-fenotípust indukál, amely a szintetizált proteoglikánok alosztályának megváltozásával és az ECM-elemek normális integrációjának zavarával jár. Mind az IGF-1, mind a TGF-béta stimulálja a proteoglikánok szintézisét alginátban tenyésztett kondrocitákban, de ez utóbbi a proteoglikánok úgynevezett kompartmentalizációját is indukálja. Ezenkívül kimutatták, hogy a TGF-béta növeli a kollagenáz-3 (MMP-13) szintjét az aktivált kondrocitákban, ami ellentmond annak az általános elképzelésnek, hogy a TGF-béta egy olyan tényező, amely éppen ellenkezőleg, csökkenti a destruktív proteázok felszabadulását. Az azonban nem ismert, hogy a TGF-béta által indukált MMP-13 szintézis szerepet játszik-e az OA patogenezisében. A TGF-béta nemcsak serkenti a proteoglikánok szintézisét, hanem elősegíti azok lerakódását a szalagokban és inakban, növelve a merevséget és csökkentve az ízületek mozgástartományát.

A BMP-k a TGF-béta szupercsalád tagjai. Néhányuk (BMP-2, BMP-7 és BMP-9) serkenti a porcsejtek proteoglikán-szintézisét. A BMP-k hatásukat a sejtfelszínen lévő specifikus receptorokhoz kötődve fejtik ki; a TGF-béta és a BMP-k jelátviteli útvonalai kissé eltérnek egymástól. A TGF-bétához hasonlóan a BMP-k is az I. és II. típusú szerin/treonin kináz receptor komplexen keresztül jelzik a jelüket. Ebben a komplexben a II. típusú receptor transzfoszforilálódik, és aktiválja az I. típusú receptort, amely továbbítja a jelet a Smad-oknak nevezett jelátviteli molekulákhoz. A jel vétele után a Smad-ok gyorsan foszforilálódnak. Jelenleg ismert, hogy a BMP jelátviteli útvonalban a Smad-1, -5 és -8, a TGF-béta jelátviteli útvonalban pedig a Smad-2 és a Smad-3 foszforilálódik. Ezután a megnevezett Smad-ok a Smad-4-hez kapcsolódnak, ami a TGF-béta szupercsalád összes tagjának jelátviteli útvonalában közös. Ez a tény magyarázza a keresztfunkciók jelenlétét a TGF-béta szupercsalád tagjaiban, valamint a TGF-béta és a BMP jelátviteli útvonalak kölcsönös gátlásának jelenségét a közös komponensekért való versengés révén. Nemrégiben azonosítottak egy másik Smad fehérjeosztályt, amelyet a Smad-6 és -7 képvisel. Ezek a molekulák a TGF-béta és a BMP jelátviteli útvonalak szabályozóiként működnek.

Annak ellenére, hogy a CMP proteoglikán szintézisre gyakorolt stimuláló hatása már régóta ismert, az ízületi porc működésének szabályozásában betöltött szerepük továbbra is vitatott, mivel a CMP-nek ismert képessége van sejtek dedifferenciálódására, meszesedés és csontképződés stimulálására. M. Enomoto-Iwamoto és munkatársai (1998) kimutatták, hogy a CMP és a II. típusú CMP receptor kölcsönhatása szükséges a porcsejtek differenciált fenotípusának fenntartásához, valamint proliferációjuk és hipertrófiájuk szabályozásához. LZ Sailor és munkatársai (1996) szerint a CMP-2 4 hétig fenntartja a porcsejtek fenotípusát tenyészetben anélkül, hogy hipertrófiájukat okozná. A CMP-7 (azonos az osteogén protein-1-gyel) hosszú ideig fenntartja az alginátban tenyésztett ízületi porcsejtek érett porcsejtjeinek fenotípusát.

A KMP-2 és -9 bevezetése egerek térdízületeibe 300%-kal növelte a proteoglikán szintézisét, ami szignifikánsan nagyobb, mint a TGF-béta esetében. A stimuláló hatás azonban átmeneti volt, és néhány nap múlva a szintézis szintje visszatért a kezdeti szintre. A TGF-béta a proteoglikán szintézis hosszabb távú stimulációját okozta, ami valószínűleg a TGF-béta autoindukciójának és a porcsejtek ezen faktorra való szenzitizációjának köszönhető.

A TGF-béta felelős a kondrofiták képződéséért, ami hatásának nemkívánatos mellékhatásának tekinthető, a KMP-2 szintén elősegíti a kondrofiták képződését, de az ízületi szél egy másik területén (főleg a növekedési lemez területén).

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

Porc morfogenetikus fehérjék

A porc morfogenetikus fehérjék (CMP-1 és -2) a TGF-béta szupercsalád további tagjai, amelyek elengedhetetlenek a porcszövet kialakulásához a végtagfejlődés során. A CMP-1 gén mutációi porcszövet-képződést okoznak. A CMP-k szelektívebb, a porcot célzó profillal rendelkezhetnek. Bár a TGF-béta és a CMP-k stimulálhatják a porcsejteket, számos más sejtre is hatással lehetnek, így porcjavításra való alkalmazásuk mellékhatásokkal járhat. Mindkét típusú CMP megtalálható az egészséges és az osteoarthritisben szenvedő ízületek porcában, és elősegítik az ízületi porc ECM-jének helyreállítását az enzimatikus lebontás után, fenntartva a normális fenotípust.

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

A növekedési faktorok szinergizmusa

Az egyik növekedési faktor képes önmagát indukálni, akárcsak más növekedési faktorok, és ez a kölcsönhatás finoman szabályozott. Például az FGF más növekedési faktorokkal együtt hatékonyabban regenerálja az ízületi porcot traumás sérülés után. Az IGF-1 a TGF-bétával együtt jelentősen indukálja a porcsejtek normál fenotípusát in vitro tenyésztés során. Kimutatták, hogy a TGF-béta megakadályozza az IGF-1 és az IGF-BP termelődését, valamint defoszforilálja az IGF-1 receptort és serkenti az IGF-1 kötődését. Ép egérporcban az IGF-1 és számos növekedési faktor közötti szinergizmus jelenségét figyelték meg. A porcsejtek IGF-1-re adott gyenge válasza azonban nem ellensúlyozható más növekedési faktorokkal kombinálva történő alkalmazásával.

Anabolikus és destruktív citokinek kölcsönhatása

A növekedési faktorok komplex kölcsönhatásokat mutatnak az IL-1-gyel. Például a porcsejtek FGF-nek való előzetes kitétele növeli a proteáz felszabadulását IL-1-nek való kitettség után, valószínűleg az IL-1 receptor expressziójának növekedésén keresztül. A PDGF szintén stimulálja az IL-1-függő proteáz felszabadulását, de csökkenti az IL-1 által közvetített proteoglikán szintézis gátlását. Ez arra utalhat, hogy egyes növekedési faktorok egyszerre stimulálhatják a porc regenerálódását és elősegíthetik annak pusztulását. Más növekedési faktorok, mint például az IGF-1 és a TGF-β, stimulálják az ízületi mátrix szintézisét és gátolják az IL-1 által közvetített ízületi porc pusztulását, ami arra utal, hogy aktivitásuk csak a szövetek regenerálódásához kapcsolódik. Ez a kölcsönhatás független a porcsejtek IL-1-nek való előzetes kitettségétől. Érdekes módon az IL-1 és a TGF-béta hatásainak kinetikája eltérő lehet: a TGF-béta ízületi porc degradációjának elnyomására való képességét csökkenti a TIMP mRNS-re gyakorolt lassú hatása. Másrészt a TGF-béta hiányában a hNOC és a NO szintek növekedése figyelhető meg. Tekintettel arra, hogy az IL-1 szuppresszív hatása a porcsejtek proteoglikán-szintézisére NO-függő, ez magyarázhatja, miért figyeltünk meg a TGF-béta szignifikánsan erősebb ellenhatását az IL-1-függő proteoglikán-szintézis gátlással szemben in vivo a proteoglikán lebontásához képest.

Egy IL-1-gyel és növekedési faktorokkal intraartikulárisan injektált egereken végzett vizsgálatban kimutatták, hogy a TGF-béta jelentősen ellensúlyozza az ízületi porc proteoglikán-szintézisének IL-1 által közvetített gátlását, míg a CMP-2 nem képes ilyen ellenhatásra: stimuláló potenciálját az IL-1 teljesen gátolta még a CMP-2 magas koncentrációi mellett is. Figyelemre méltó, hogy IL-1 hiányában a CMP-2 sokkal intenzívebben stimulálta a proteoglikán-szintézist, mint a TGF-béta.

A proteoglikán-szintézisre gyakorolt hatása mellett a TGF-béta jelentősen befolyásolja az IL-1 által kiváltott porcproteoglikán-tartalom-csökkenést is. Lehetséges, hogy a proteoglikán-tartalom az IL-1 és a TGF-béta relatív koncentrációjától függően csökken vagy növekszik. Érdekes módon az IL-1 és a TGF-béta fent leírt ellentétes hatását a porc vastagságában figyelték meg, de ez a jelenség nem volt megfigyelhető az ízületi felszínek szélein található kondrofiták közelében. A kondrofita-képződést a TGF-β indukálja, amely a csonthártya porcsejtjeit érinti, kondroblasztok fejlődését és proteoglikán-lerakódást okozva. Úgy tűnik, hogy ezek a kondroblasztok nem érzékenyek az IL-1-re.

HL Glansbeek és munkatársai (1998) a TGF-béta és a KMP-2 azon képességét vizsgálták, hogy ellensúlyozzák-e a proteoglikán-szintézis elnyomását zimozán által kiváltott ízületi gyulladásban szenvedő egerek ízületeiben (azaz a "tiszta" IL-1 által kiváltott gyulladás modelljében). A TGF-béta intraartikuláris beadása jelentősen ellensúlyozta a gyulladás által okozott proteoglikán-szintézis elnyomását, míg a KMP-2 gyakorlatilag képtelen volt ellensúlyozni ezt az IL-1-függő folyamatot. A TGF-β ismételt injekciói a vizsgált állatok térdízületébe jelentősen stimulálták a porcsejtek proteoglikán-szintézisét, hozzájárultak a gyulladás által kimerített porcban lévő meglévő proteoglikánok megőrzéséhez, de nem gátolták a gyulladásos folyamatot.

Az osteoarthrosis kísérleti modelljeiben a porcsejtek proteoglikán-szintézis funkciójának vizsgálatakor az osteoarthrosis korai szakaszában mindig is megfigyelték a proteoglikánok tartalmának növekedését és szintézisének stimulációját, ellentétben a gyulladásos modellekkel, amelyekben a szintézis jelentős gátlása (IL-1-függő folyamat) figyelhető meg. Az anabolikus faktorok, különösen a növekedési faktorok fokozott aktivitása, amelyet osteoarthrosisban figyelnek meg, semlegesíti az olyan szuppresszor citokinek hatását, mint az IL-1. A növekedési faktorok közül a TGF-béta a legnagyobb jelentőségű; a KMP-2 valószínűleg nem játszik jelentős szerepet ebben a folyamatban. Bár az IGF-1 képes stimulálni a proteoglikán-szintézist in vitro, ez a tulajdonság in vivo nem figyelhető meg az IGF-1 helyi alkalmazásával. Ez annak a ténynek tudható be, hogy ennek a növekedési faktornak az endogén szintje optimális. Az osteoarthrosis későbbi szakaszaiban a proteoglikán-szintézis gátlásának jelei jelennek meg, ami valószínűleg az IL-1 domináns hatásával és a növekedési faktorok azon képtelenségével függ össze, hogy a csökkent aktivitás miatt ellensúlyozzák azt.

A spontán osteoarthritisben szenvedő STR/ORT egerekben a növekedési faktor expressziójának elemzése a TGF-β és IL-1 mRNS szintjének emelkedését mutatta ki a sérült porcban. Meg kell jegyezni, hogy a TGF-β aktiválódása a látens formából a szövetek helyreállításának fontos eleme. A TGF-β szerepének megértését bonyolítják a TGF-β II. típusú receptor expresszióját ACL nyulakban vizsgáló tanulmány eredményei. Az osteoarthritis kiváltása után azonnal ezen receptorok szintjének csökkenését észlelték, ami a TGF-β jelátvitel elégtelenségére utal. Érdekes módon a TGF-β 11-es típusú receptor hiányos egerek spontán osteoarthritis jeleit mutatták, ami szintén a TGF-β jelátvitel fontos szerepére utal a porc helyreállításának romlásában és az osteoarthritis kialakulásában.

A növekedési faktorok abszolút tartalma a reumatoid artritiszben vagy osteoarthrosisban szenvedő betegek ízületeiben jelezheti azok lehetséges szerepét e betegségek patogenezisében. Azonban annak ellenére, hogy a növekedési faktorok magas koncentrációban találhatók az osteoarthrosisban és a reumatoid artritiszben szenvedő ízületekben, a lebomlási és reparációs folyamatok jellege mindkét betegségben teljesen eltérő. Valószínűleg vannak más, eddig azonosítatlan tényezők, amelyek jelentős szerepet játszanak e betegségek patogenezisében, vagy a vizsgált jelenségek más aspektusai határozzák meg a lebomlási és reparációs folyamatok lefolyását az ízületi szövetekben (például bizonyos receptorok expressziója a porcsejtek felszínén, a fehérjékhez kötődő oldható receptorok, vagy az anabolikus és destruktív faktorok egyensúlyhiánya).