Repararea cartilajului articular și factorii de creștere în patogeneza osteoartritei

Datorită progresului biotehnologiei, în special tehnologiei de clonare, lista factorilor de creștere care, fiind factori anabolizanți, joacă un rol important, dar nepe deplin înțeles, în patogeneza osteoartritei, a fost recent extinsă intens.

Primul grup de factori de creștere discutat mai jos sunt IGF-urile. Aceștia se găsesc în cantități mari în serul sanguin și au o serie de proprietăți comune cu insulina. IGF-2 este mai tipic pentru stadiul embrionar de dezvoltare, în timp ce IGF-1 este reprezentantul dominant al grupului la adulți. Ambii reprezentanți ai acestui grup acționează prin legarea la receptorii IGF de tip I. Deși funcția IGF-2 rămâne necunoscută, semnificația IGF-1 a fost deja determinată - este capabil să stimuleze sinteza proteoglicanilor de către condrocite și să inhibe semnificativ procesele catabolice din cartilajul articular. IGF-1 este principalul stimul anabolic pentru sinteza proteoglicanilor de către condrocite, prezent în serul sanguin și lichidul sinovial. IGF-1 este un factor important pentru cultivarea condrocitelor în modelele experimentale de osteoartroză in vitro. Se presupune că IGF-1 pătrunde în lichidul sinovial din plasma sanguină. În plus, condrocitele normale produc ambii factori - expresia IGF-1 și IGF-2 a fost găsită în membrana sinovială și cartilajul pacienților cu osteoartroză. În cartilajul normal, IGF-1 nu are proprietăți mitogene, dar este capabil să stimuleze proliferarea celulară în matricea deteriorată, ceea ce indică participarea la procesele reparatorii.

Substanțe biologic active care stimulează repararea și inhibă degradarea cartilajului articular

• Insulină
• Interferon gamma
• Hormon somatotrop, androgeni
• Somatomedine (IPF-1 și -2)
• TGF-beta (factor de creștere tisulară)
• Factorul de creștere derivat din trombocite
• Factorul de creștere al fibroblastelor de bază
• EFR
• Antagonistul receptorului IL-1
• Proteine care leagă TNF-α
• Inhibitori tisulari ai metaloproteazelor
• o _2- macroglobulină
• ai-antitripsină
• RG-macroglobulină
• Rg-antichimotripsină

Acțiunile IGF-1 și IGF-2 sunt controlate de diverse proteine care leagă IGF-ul (IGF-BP), care sunt produse și de condrocite. IGF-BP poate acționa ca purtător și are, de asemenea, activitate de blocare a IGF-ului. Celulele izolate din cartilajul articular al pacienților cu osteoartroză produc cantități excesive de IGF-BP, indicând faptul că acestea blochează efectele IGF. J. Martel-Pelletier și colab. (1998) au arătat că, deși sinteza IGF-1 în cartilaj crește în osteoartroză, condrocitele răspund slab la stimularea cu IGF-1. S-a dovedit că acest fenomen este asociat (cel puțin parțial) cu o creștere a nivelului de IGF-BP. IGF-BP are o afinitate mare pentru IGF și este un biomodulator important al activității sale. Până în prezent, au fost studiate șapte tipuri de IGF-BP, iar disreglarea IGF-BP-3 și IGF-BP-4 joacă un rol important în osteoartrita.

O altă categorie de factori de creștere care prezintă efecte diferite asupra condrocitelor include factorul de creștere derivat din trombocite (PDGF), FGF și TGF-beta. Acești factori sunt produși nu numai de condrocite, ci și de sinovocitele activate. FGF are atât proprietăți anabolice, cât și catabolice, în funcție de concentrația și starea cartilajului articular. PDGF este implicat în menținerea homeostaziei ECM a cartilajului articular, fără a avea proprietăți mitogenice evidente. Se știe că acest factor de creștere sporește sinteza proteoglicanilor și reduce degradarea acestora.

TGF-beta prezintă un interes deosebit pentru rolul său în patogeneza osteoartritei. Face parte din superfamiliile mari TGF și are proprietăți funcționale și de semnalizare comune cu factorii de creștere BMP (proteina morfogenetică osoasă) descoperiți recent.

TGF-beta este un factor pleiotrop: pe de o parte, are proprietăți imunosupresoare, iar pe de altă parte, este un factor chemotactic și un stimulator puternic al proliferării fibroblastelor. Proprietățile unice ale TGF-beta sunt capacitatea de a inhiba eliberarea enzimelor din diverse celule și de a crește semnificativ producția de inhibitori enzimatici (de exemplu, TIMP). TGF-beta este considerat un regulator important al deteriorării țesuturilor cauzate de inflamație. Astfel, în țesutul cartilajului articular, TGF-beta stimulează semnificativ producția de matrice de către condrocite, în special după pre-expunerea la acest factor. Cartilajul normal este insensibil la TGF-beta. La pacienții cu osteoartrită, TGF-β stimulează producția de agrecan și proteoglicani mici în cartilajul articular.

TGF-beta este produs de numeroase celule, în special de condrocite. Este eliberat într-o formă latentă legat de o proteină specială numită proteină asociată latenței (LAP). Disocierea de această proteină se realizează prin proteaze, care sunt produse în cantități mari în țesuturile inflamate. În afară de TGF-beta, care este produs de celulele activate, depozitele formei latente a acestui factor sunt un element important al reactivității TGF-beta în țesut după leziuni locale. TGF-beta este prezent în cantități semnificative în lichidul sinovial, membrana sinovială și cartilajul articulației afectate de osteoartroză. În zonele de țesut deteriorat cu infiltrate inflamatorii, se detectează coexpresia TNF și IL-1, în timp ce în zonele cu fibroză, se detectează doar expresia TGF-beta.

Incubarea condrocitelor cultivate de la pacienți cu osteoartrită cu TGF-beta determină o creștere semnificativă a sintezei proteoglicanilor de către aceste celule. Stimularea condrocitelor normale cu TGF-beta determină o creștere a sintezei proteoglicanilor numai după mai multe zile de incubare. Poate că acest timp este necesar pentru ca fenotipul celular să se modifice sub influența TGF-beta (de exemplu, pentru o modificare a așa-numitei compartimentări a proteoglicanilor: proteoglicanii nou creați sunt localizați doar în jurul condrocitelor).

Se știe că activarea sintezei factorilor de creștere, în special a TGF-beta, este o verigă importantă în patogeneza fibrozei renale și hepatice și a formării cicatricilor în timpul vindecării rănilor. Creșterea încărcării condrocitelor in vitro duce la hiperproducția de TGF-beta, în timp ce scăderea sintezei proteoglicanilor după imobilizarea membrelor poate fi nivelată de TGF-beta. TGF-beta induce formarea de osteofite în zona marginală a articulațiilor ca mecanism de adaptare la modificările de încărcare. IL-1, provocând un proces inflamator moderat în sinovială ca răspuns la deteriorarea articulară, promovează formarea de condrocite cu un fenotip modificat, care produc o cantitate excesivă.

Injecțiile locale repetate de TGF-beta recombinant la concentrații mari au dus la dezvoltarea osteoartritei la șoarecii C57B1 - formarea de osteofite, caracteristică osteoartritei umane, și o pierdere semnificativă de proteoglicani în zona „marginii ondulate”.

Pentru a înțelege cum excesul de TGF-beta provoacă modificările cunoscute ale cartilajului, este necesar să se știe că expunerea la TGF-β induce un fenotip caracteristic condrocitelor, cu o modificare a subclasei de proteoglicani sintetizați și perturbarea integrării normale a elementelor ECM. Atât IGF-1, cât și TGF-beta stimulează sinteza proteoglicanilor de către condrocitele cultivate în alginat, dar acesta din urmă induce și așa-numita compartimentare a proteoglicanilor. Mai mult, s-a constatat că TGF-beta crește nivelul de colagenază-3 (MMP-13) în condrocitele activate, ceea ce contrazice ideea generală conform căreia TGF-beta este un factor care, dimpotrivă, reduce eliberarea de proteaze distructive. Cu toate acestea, nu se știe dacă sinteza MMP-13 indusă de TGF-beta este implicată în patogeneza artrozei. TGF-beta nu numai că stimulează sinteza proteoglicanilor, dar promovează și depunerea acestora în ligamente și tendoane, crescând rigiditatea și reducând amplitudinea mișcărilor articulare.

BMP-urile sunt membri ai superfamiliei TGF-beta. Unele dintre ele (BMP-2, BMP-7 și BMP-9) au proprietatea de a stimula sinteza proteoglicanilor de către condrocite. BMP-urile își exercită efectele prin legarea la receptori specifici de pe suprafața celulară; căile de semnalizare ale TGF-beta și BMP-urilor diferă ușor. La fel ca TGF-beta, BMP-urile semnalizează prin complexul receptorilor serină/treonin kinază de tip I și II. În acest complex, receptorul de tip II este trans-fosforilat și activează receptorul de tip I, care transmite semnalul către molecule de semnalizare numite Smad-uri. După primirea semnalului, Smad-urile sunt rapid fosforilate. În prezent, se știe că în calea de semnalizare BMP, Smad-urile-1, -5 și -8 sunt fosforilate, iar în calea de semnalizare TGF-beta, Smad-urile-2 și Smad-3 sunt fosforilate. Apoi, proteinele Smad denumite se asociază cu Smad-4, care este comun căilor de semnalizare ale tuturor membrilor superfamiliei TGF-beta. Acest fapt explică prezența funcțiilor încrucișate la membrii superfamiliei TGF-beta, precum și fenomenul de inhibare reciprocă a căilor de semnalizare TGF-beta și BMP prin competiția pentru componente comune. Nu cu mult timp în urmă, a fost identificată o altă clasă de proteine Smad, care este reprezentată de Smad-6 și -7. Aceste molecule acționează ca regulatori ai căilor de semnalizare TGF-beta și BMP.

În ciuda faptului că efectul stimulator al CMP asupra sintezei proteoglicanilor este cunoscut de mult timp, rolul lor în reglarea funcției cartilajului articular rămâne controversat datorită capacității cunoscute a CMP de a provoca dediferențierea celulară, de a stimula calcificarea și formarea țesutului osos. M. Enomoto-Iwamoto și colab. (1998) au arătat că interacțiunea CMP cu receptorul CMP de tip II este necesară pentru menținerea fenotipului diferențiat al condrocitelor, precum și pentru controlul proliferării și hipertrofiei acestora. Conform lui LZ Sailor și colab. (1996), CMP-2 menține fenotipul condrocitelor în cultură timp de 4 săptămâni fără a provoca hipertrofia acestora. CMP-7 (identică cu proteina osteogenică-1) menține fenotipul condrocitelor mature ale cartilajului articular cultivate în alginat pentru o perioadă lungă de timp.

Introducerea KMP-2 și -9 în articulațiile genunchiului șoarecilor a crescut sinteza proteoglicanilor cu 300%, semnificativ mai mult decât TGF-beta. Cu toate acestea, efectul stimulator a fost temporar, iar după câteva zile nivelul sintezei a revenit la nivelul inițial. TGF-beta a cauzat o stimulare pe termen lung a sintezei proteoglicanilor, care se datorează probabil autoinducției TGF-beta și sensibilizării condrocitelor la acest factor.

TGF-beta este responsabil pentru formarea condrofitelor, ceea ce poate fi considerat un efect nedorit al acțiunii sale, KMP-2 promovează și el formarea condrofitelor, dar într-o zonă diferită a marginii articulare (în principal în zona plăcii de creștere).

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

Proteinele morfogenetice ale cartilajului

Proteinele morfogenetice ale cartilajului (CMP-1 și -2) sunt alți membri ai superfamiliei TGF-beta, esențiali pentru formarea țesutului cartilaginos în timpul dezvoltării membrelor. Mutațiile genei CMP-1 cauzează condrodisplazie. CMP-urile pot avea un profil mai selectiv, care vizează cartilajul. Deși TGF-beta și CMP-urile pot stimula condrocitele, ele pot acționa asupra multor alte celule, astfel încât utilizarea lor pentru repararea cartilajului poate fi asociată cu efecte secundare. Ambele tipuri de CMP-uri se găsesc în cartilajul articulațiilor sănătoase și osteoartritice și promovează repararea matricii extracelulare a cartilajului articular după degradarea enzimatică, menținând un fenotip normal.

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

Sinergismul factorilor de creștere

Un factor de creștere este capabil să se inducă singur, la fel ca alți factori de creștere, această interacțiune fiind fin reglată. De exemplu, FGF împreună cu alți factori de creștere asigură o reparare mai eficientă a cartilajului articular după un defect traumatic. IGF-1 împreună cu TGF-beta induc semnificativ fenotipul normal al condrocitelor atunci când sunt cultivate in vitro. S-a demonstrat că TGF-beta previne producerea de IGF-1 și IGF-BP și, de asemenea, defosforilează receptorul IGF-1, stimulând legarea IGF-1. În cartilajul intact al șoarecilor, s-a constatat fenomenul de sinergism al IGF-1 cu mulți factori de creștere. Cu toate acestea, răspunsul slab al condrocitelor la IGF-1 nu poate fi atenuat prin utilizarea acestuia în combinație cu alți factori de creștere.

Interacțiunea dintre citokinele anabolice și distructive

Factorii de creștere prezintă interacțiuni complexe cu IL-1. De exemplu, preexpunerea condrocitelor la FGF crește eliberarea de protează după expunerea la IL-1, posibil prin creșterea expresiei receptorului IL-1. PDGF stimulează, de asemenea, eliberarea de protează dependentă de IL-1, dar reduce inhibarea mediată de IL-1 a sintezei proteoglicanilor. Acest lucru poate indica faptul că unii factori de creștere pot stimula simultan repararea cartilajului și pot promova distrugerea acestuia. Alți factori de creștere, cum ar fi IGF-1 și TGF-β, stimulează sinteza matricei articulare și inhibă distrugerea cartilajului articular mediată de IL-1, indicând faptul că activitatea lor este legată doar de repararea țesuturilor. Această interacțiune este independentă de preexpunerea condrocitelor la IL-1. Interesant este că cinetica efectelor IL-1 și TGF-beta poate fi diferită: capacitatea TGF-beta de a suprima degradarea cartilajului articular este atenuată de acțiunea sa lentă asupra ARNm TIMP. Pe de altă parte, se observă o creștere a nivelurilor de hNOC și NO în absența TGF-beta. Având în vedere dependența de NO a efectului supresor al IL-1 asupra sintezei proteoglicanilor de către condrocite, acest lucru ar putea explica de ce observăm o contracarare semnificativ mai puternică a TGF-beta la inhibarea dependentă de IL-1 a sintezei proteoglicanilor în comparație cu degradarea proteoglicanilor in vivo.

Într-un studiu efectuat pe șoareci injectați intraarticular cu IL-1 și factori de creștere, s-a demonstrat că TGF-beta contracarează semnificativ inhibarea mediată de IL-1 a sintezei proteoglicanilor din cartilajul articular, în timp ce CMP-2 este incapabil de o astfel de contracarare: potențialul său stimulator a fost complet inhibat de IL-1 chiar și la concentrații mari de CMP-2. În mod notabil, în absența IL-1, CMP-2 a stimulat sinteza proteoglicanilor mult mai intens decât TGF-beta.

Pe lângă efectul său asupra sintezei proteoglicanilor, TGF-beta afectează semnificativ și reducerea conținutului de proteoglicani din cartilaj indusă de IL-1. Este posibil ca acesta să scadă sau să crească în funcție de concentrația relativă de IL-1 și TGF-beta. Interesant este că contracararea descrisă mai sus a IL-1 și TGF-beta a fost observată în grosimea cartilajului, dar acest fenomen nu a fost observat în apropierea condrofitelor, la marginile suprafețelor articulare. Formarea condrofitelor este indusă de TGF-β, care afectează celulele condrogene din periost, provocând dezvoltarea condroblastelor și depunerea de proteoglicani. Aparent, aceste condroblaste nu sunt sensibile la IL-1.

HL Glansbeek și colab. (1998) au studiat capacitatea TGF-beta și KMP-2 de a contracara suprimarea sintezei proteoglicanilor în articulațiile șoarecilor cu artrită indusă de zimosan (adică, într-un model de inflamație „pură” indusă de IL-1). Administrarea intraarticulară de TGF-beta a contracarat semnificativ suprimarea sintezei proteoglicanilor cauzată de inflamație, în timp ce KMP-2 a fost practic incapabil să contracareze acest proces dependent de IL-1. Injecțiile repetate de TGF-β în articulația genunchiului animalelor studiate au stimulat semnificativ sinteza proteoglicanilor de către condrocite, au contribuit la conservarea proteoglicanilor existenți în cartilajul epuizat de inflamație, dar nu au suprimat procesul inflamator.

În studierea funcției de sinteză a proteoglicanilor de către condrocite, utilizând modele experimentale de osteoartroză la animale, s-a observat întotdeauna o creștere a conținutului și stimularea sintezei proteoglicanilor în stadiile incipiente ale osteoartritei, spre deosebire de modelele inflamatorii, în care se observă o inhibare semnificativă a sintezei (proces dependent de IL-1). Activitatea crescută a factorilor anabolizanți, în special a factorilor de creștere, observată în osteoartroză, neutralizează efectul unor citokine supresoare precum IL-1. Printre factorii de creștere, TGF-beta este de cea mai mare importanță; este puțin probabil ca KMP-2 să joace un rol semnificativ în acest proces. Deși IGF-1 este capabil să stimuleze sinteza proteoglicanilor in vitro, această proprietate nu este observată in vivo cu aplicarea locală a IGF-1. Acest lucru se poate datora faptului că nivelul endogen al acestui factor de creștere este optim. În stadiile ulterioare ale osteoartritei, apar semne de inhibare a sintezei proteoglicanilor, ceea ce este probabil asociat cu acțiunea dominantă a IL-1 și incapacitatea factorilor de creștere de a o contracara din cauza activității scăzute.

Analiza expresiei factorilor de creștere la șoarecii STR/ORT cu osteoartrita spontană a demonstrat niveluri crescute de ARNm ale TGF-β și IL-1 în cartilajul deteriorat. Trebuie menționat că activarea TGF-β din forma latentă este un element important al reparării țesuturilor. Înțelegerea rolului TGF-β este complicată de rezultatele unui studiu privind expresia receptorului TGF-β de tip II la iepurii cu LCA. Imediat după inducerea osteoartritei, au fost detectate niveluri scăzute ale acestor receptori, indicând o semnalizare insuficientă a TGF-β. Interesant este că șoarecii cu deficit de receptor TGF-β de tip 11 au prezentat semne de osteoartrita spontană, ceea ce indică, de asemenea, un rol important al semnalizării TGF-β în deteriorarea reparării cartilajului și dezvoltarea osteoartritei.

Conținutul absolut de factori de creștere din articulațiile pacienților cu poliartrită reumatoidă sau osteoartroză poate indica un posibil rol al acestora în patogeneza acestor boli. Cu toate acestea, în ciuda faptului că în articulațiile cu osteoartroză și poliartrită reumatoidă se găsesc concentrații mari de factori de creștere, natura proceselor de degradare și reparare în ambele boli este complet diferită. Probabil, există și alți factori, încă neidentificați, care joacă un rol major în patogeneza acestor boli sau alte aspecte ale fenomenelor studiate determină cursul proceselor de degradare și reparare în țesuturile articulare (de exemplu, expresia anumitor receptori de pe suprafața condrocitelor, receptori solubili care leagă proteinele sau un dezechilibru al factorilor anabolici și distructivi).