Patofysiologisk enhet i utvecklingen av osteoporos och vaskulär ateroskleros

I dödlighetsstrukturen för befolkningen i utvecklade länder intar sjukdomar i cirkulationssystemet den ledande platsen. Hjärt- och kärlsjukdomar (arteriell hypertoni, ischemisk hjärtsjukdom, hjärtinfarkt), som är baserade på ateroskleros, kallas med rätta för 2000-talets epidemi.

Enligt WHO dör över 17 miljoner människor varje år i världen av hjärt-kärlsjukdomar, och år 2015 kommer antalet dödsfall att öka till 20 miljoner. Utöver detta är en av de främsta orsakerna till funktionell insufficiens och förlust av arbetsförmåga hos den vuxna befolkningen osteoporos (OP) - den mest kända och vanligaste sjukdomen i skelettsystemet i världen med åldersrelaterad prevalens. Osteoporos är en multifaktoriell polygen skelettsjukdom, vilket är den vanligaste formen av metabolisk osteopati. Sjukdomen kännetecknas av förlust av benmassa, störningar i deras mikroarkitektur (förstörelse av trabekler), minskad styrka och åtföljs av en hög risk för frakturer.

Det är frakturer, varav de allvarligaste är frakturer i lårbenshalsen och radius i underarmens nedre tredjedel, som avgör sjukdomens medicinska och medicinsk-sociala betydelse, inklusive ökad dödlighet och betydande ekonomiska förluster i samband med dem. Det speciella med osteoporos är att denna sjukdom främst drabbar äldre och gamla människor. En betydande ökning av osteoporosincidensen, som observerats sedan andra hälften av 1900-talet, återspeglar naturligtvis de demografiska förändringar som sker i befolkningen och manifesteras av befolkningens åldrande i alla industrialiserade länder i världen. Många epidemiologiska studier som nyligen genomförts i världen och Europa indikerar en positiv korrelation mellan hjärt-kärlsjukdomar och patologier i skelettet. Samtidigt associerar många författare osteoporos med utvecklingen av ateroskleros, inklusive förkalkning av kärlväggarna. Hos kvinnor med osteoporotiska frakturer observerades en ökning av incidensen av aorta- och kranskärlsförkalkning, vars svårighetsgrad korrelerade med en minskning av bentätheten (BMD).

Studierna av SO Song et al. visade ett samband mellan en minskning av bentätheten (BMD) i ryggraden och proximala femur och en ökning av kalciumhalten i kranskärlen enligt elektronstråle-datortomografi. M. Naves et al. fann att hos kvinnor med postmenopausal osteoporos är en minskning av BMD med en standardavvikelse från maximal benmassa associerad med en ökad risk för total dödlighet med 43 % och för tidig död på grund av kardiovaskulär patologi. Andra studier fann också att patienter med en minskning av BMD löper större risk att ha en ökning av blodfettkoncentrationerna, utveckla svårare koronar ateroskleros och signifikant öka risken för stroke och hjärtinfarkt. De presenterade uppgifterna tyder på att en ökning av incidensen av osteoporos, ektopisk förkalkning och ateroskleros hos samma patienter har en gemensam patogenetisk grund. Konceptet att hjärt-kärlsjukdomar och osteoporos är kopplade genom markörer som samtidigt påverkar kärl- och benceller har stödts av omfattande experimentella studier.

En kandidat för rollen som en sådan markör är det nyligen identifierade proteinet osteoprotegerin (OPG), som tillhör familjen av tumörnekrosfaktorreceptorer och är en del av cytokinsystemet RANKL-RANK-OPG.

[ 1 ], [ 2 ]

Benombyggnad och rankl-rank-opg-systemets roll

Osteoporos är en sjukdom som baseras på processer för benremodellering med ökad benresorption och minskad bensyntes. Båda processerna för benvävnadsbildning är nära sammankopplade och är resultatet av cellulär interaktion mellan osteoblaster (OB) och osteoklaster (OC), som härrör från prekursorer till olika cellinjer: osteoblaster - från mesenkymala stamceller, osteoklaster - från makrofagmonocytiska celler i benmärgen. Osteoblaster är mononukleära celler som är involverade i processen för benbildning och mineralisering av benmatrixceller. Osteoblaster spelar en grundläggande roll i att modulera benremodellering och reglera den metaboliska aktiviteten hos andra benvävnadsceller. De utsöndrar ett antal biologiskt aktiva substanser, genom vilka de påverkar mognadsprocess hos osteoklastprekursorcellen och omvandlar den till en stor flerkärnig cell som kan delta i resorption, dvs. absorption av benvävnad, som endast verkar på mineraliserat ben, utan att förändra själva benvävnadsmatrixen.

Mognad och differentiering av osteoblaster sker under inverkan av olika specifika faktorer som påverkar transkriptionsprocessen, varav den viktigaste är proteinet Cbfal (core-bindande faktorolja; även känd som runt-related transcription factor 2; RUNX2). Hos möss med Cbfal/RUNX2-brist observeras en signifikant avmattning i benbildningsprocessen, och mognad av OB-celler observeras inte. Däremot orsakar administrering av rekombinant Cbfal till djur uttryck av gener som är inneboende i osteoblaster i icke-osteogena celler. Den betydande roll som Cbfal/RUNX2 spelar i differentiering och mognad av osteoblaster manifesteras också i proteinets förmåga att reglera funktionen hos många gener som är involverade i syntesen av benvävnadsproteiner: kollagen typ 1, osteopontin (OPN), osteocalcin och sialoprotein. Tillväxten och funktionella kapaciteten hos OB påverkas också av parakrina och/eller autokrina faktorer som reglerar aktiviteten hos intranukleära transkriptionsprocesser, syntes av OPN och osteocalcin. Dessa inkluderar ett antal celltillväxtfaktorer, cytokinmodulatorer och hormonellt biologiskt aktiva substanser. Antagandet att aktivering och reglering av benvävnadsombyggnad är en konsekvens av interaktionen mellan osteoblaster och osteoklaster har bekräftats i ett flertal forskningsstudier. Betydande framsteg i förståelsen av processerna för benombyggnad gjordes med upptäckten av cytokinet RANKL-RANK-OPG-systemet, vilket spelar en nyckelroll i bildandet, differentieringen och aktiviteten hos osteoklaster. Upptäckten av detta system blev hörnstenen för att förstå patogenesen för osteoporos, osteoklastogenes och reglering av benresorption, såväl som andra processer involverade i lokal benombyggnad. Reglering av osteoklastogenes utförs huvudsakligen av två cytokiner: receptoraktivator av nukleär faktor kappa-B-ligand (RANKL) och OPG mot bakgrund av den permissiva effekten av makrofagkolonistimulerande faktor (M-CSF).

RANKL är ett glykoprotein som produceras av osteoblastiska celler, aktiverade T-lymfocyter, som tillhör tumörnekrosfaktor (TNF)-ligand-superfamiljen och är den huvudsakliga stimulansen för osteoklastmognad. Den molekylära grunden för intercellulära interaktioner som involverar RANKL-RANK-OPG-systemet kan representeras enligt följande: RANKL uttryckt på ytan av osteoblaster binder till RANK-receptorn som är belägen på membranen i OC-prekursorceller och inducerar processen för osteoklastdifferentiering och aktivering. Samtidigt frisätter benmärgs- och OB-stamceller M-CSF. Denna polypeptidtillväxtfaktor, som interagerar med sin högaffinitetstransmembranreceptor (c-fms), aktiverar intracellulär tyrosinkinas, vilket stimulerar proliferation och differentiering av osteoklastprekursorcellen. Den proliferativa aktiviteten hos M-CSF ökar signifikant när OB exponeras för paratyroidhormon, vitamin D3, interleukin 1 (IL-1), TNF och minskar omvänt under påverkan av östrogener och OPG. Östrogener, som interagerar med intracellulära OB-receptorer, ökar cellens proliferativa och funktionella aktivitet, samtidigt som de minskar osteoklasternas funktion och stimulerar produktionen av OPG av osteoblaster. OPG är en löslig receptor för RANKL, syntetiserad och frisatt av osteoblastiska celler, såväl som stromala celler, vaskulära endotelceller och B-lymfocyter. OPG fungerar som en endogen lockreceptor för RANKL, vilket blockerar dess interaktion med sin egen receptor (RANK), och hämmar därmed bildandet av mogna multinukleära osteoklastceller, vilket stör processen för osteoklastogenes och minskar aktiviteten av benvävnadsresorption. Syntetiserad och frisatt av OB-celler, är RANKL en specifik faktor som är nödvändig för utveckling och funktion av OC. RANKL interagerar med sin tropiska receptor RANK på membranet i OC-prekursorcellen (en vanlig prekursor för osteoklaster och monocyter/makrofager), vilket leder till intracellulära kaskadgenomtransformationer. RANK påverkar kärnfaktor kappa-B (NF-kB) genom det receptorassocierade proteinet TRAF6, vilket aktiverar och translokerar NF-kB från cytoplasman till cellkärnan.

Ackumulering av aktiverat NF-kB ökar uttrycket av NFATcl-protein, vilket är en specifik trigger som startar transkriptionsprocessen av intracellulära gener som bildar osteoklastogenesprocessen. Den differentierade osteoklasten intar en viss position på benytan och utvecklar ett specialiserat cytoskelett som gör att den kan skapa en isolerad resorptionshålighet, en mikromiljö mellan osteoklaster och ben. OC-membranet som vetter mot håligheten som bildas av cellen bildar många veck, får ett korrugerat utseende, vilket avsevärt ökar resorptionsytan. Mikromiljön i den skapade resorptionshåligheten surgörs genom elektrogen pumpning av protoner in i den. OC:s intracellulära pH-värde bibehålls med deltagande av kolsyraanhydras II genom utbyte av HCO3/Cl-joner genom cellens antiresorptiva membran. Joniserat klor penetrerar in i resorptionsmikrohåligheten genom anjonkanalerna i det korrugerade resorptionsmembranet, vilket resulterar i att pH-värdet i håligheten når 4,2-4,5. Den sura miljön skapar förutsättningar för mobilisering av benmineralfasen och bildar optimala förhållanden för nedbrytning av den organiska matrisen i benvävnad med deltagande av cathepsin K, ett enzym som syntetiseras och frisätts i resorptionshålan av OK:s "syravesiklar". Ökat RANKL-uttryck leder direkt till aktivering av benresorption och en minskning av skelettbensdensitet. Införandet av rekombinant RANKL ledde till utveckling av hyperkalcemi vid slutet av den första dagen, och vid slutet av den tredje - till en betydande förlust av benmassa och en minskning av bensdensitet. Balansen mellan RANKL och OPG bestämmer faktiskt mängden resorberat ben och graden av förändring i bensdensitet. Djurförsök har visat att ökat uttryck av OPG hos möss leder till ökad benmassa, osteopetros, och kännetecknas av en minskning av antalet och aktiviteten hos osteoklaster. När OPG-genen däremot är avstängd observeras en minskning av BMD, en signifikant ökning av antalet mogna, flerkärniga osteoklaster, en minskning av bentätheten och förekomsten av spontana kotfrakturer.

Subkutan administrering av rekombinant OPG till möss i en dos på 4 mg/kg/dag under en vecka återställde BMD-index. I modellen för adjuvant artrit hos råttor blockerade administrering av OPG (2,5 och 10 mg/kg/dag) under 9 dagar i det initiala skedet av den patologiska processen RANKL-funktionen och förhindrade förlust av ben- och broskvävnadsmassa. Experimenten indikerar att OPG:s funktion huvudsakligen består i att minska eller signifikant "stänga av" effekterna orsakade av RANKL. För närvarande har det blivit uppenbart att upprätthållandet av förhållandet mellan RANKL och OPG är ett viktigt villkor för att upprätthålla balansen mellan benresorption och -bildning. Konjugationen av dessa två processer, de relativa koncentrationerna av RANKL och OPG i benvävnad, bestämmer de viktigaste bestämningsfaktorerna för benmassa och styrka. Sedan upptäckten av RANKL-RAMK-OPG-systemet som den slutgiltiga vägen för bildandet och differentieringen av osteoklaster har många forskare bekräftat den ledande rollen för denna cellulära och molekylära mekanism i patogenesen av osteoporos.

Rankl-rank-opg-cytokinsystemets roll i processen för vaskulär förkalkning

Antagandet om förekomsten av en gemensam patogenetisk grund för osteoporos och ateroskleros, en viss likhet mellan mekanismerna för osteoporosutveckling och vaskulär förkalkning bekräftas av många experimentella och kliniska observationer. Det har visats att ben- och kärlvävnader har många identiska egenskaper både på cellulär och molekylär nivå. Benvävnad och benmärg innehåller endotelceller, preosteoblaster och osteoklaster - derivat av monocyter, medan alla också är normala komponenter i cellpopulationerna i kärlväggen. Både benvävnad och väggen i artärkärlen innehåller under den aterosklerotiska processen OPN, osteocalcin, morfogenetiskt benprotein, matrix Gla-protein, kollagen typ I och matrixvesiklar. I patogenesen av ateroskleros och OP är monocyter involverade i differentiering till makrofager med skummig cytoplasma i kärlväggen och till osteoklaster i benvävnaden. I kärlväggen finns cellulära element som differentierar till osteoblaster i enlighet med skelettets bildning av ben OB, vilket producerar mineralkomponenten i benet.

Av grundläggande betydelse är det faktum att cytokinsystemet RANKL-RANK-OPG, som initierar osteoblastogenes och osteoklastogenes i benvävnad, bland annat inducerar differentiering av osteoblaster och OC, såväl som processen för mineralisering av kärlväggen. Bland komponenterna i detta system, som direkt indikerar förekomsten av ett samband mellan osteoporos och ateroskleros, drar OPG till sig forskares största uppmärksamhet. Det är känt att OPG uttrycks inte bara av benvävnadsceller, utan även av kardiovaskulära celler: myokardiocyter, glatta muskelceller i artärer och vener, och vaskulära endotelceller. OPG är en modulator av vaskulär förkalkning, vilket bekräftades i S. Moropu et al.s experimentella arbete, utfört på intakta möss och djur med en störning/frånvaro av genen som ger OPG-uttryck. Det visade sig att möss med nedsatt förmåga att syntetisera OPG (OPG-/-), till skillnad från kontrollgruppen av djur, uppvisar aktivering av processen för arteriell förkalkning i kombination med utveckling av osteoporos och multipla benfrakturer. Tvärtom bidrog introduktionen av genen som syntetiserar den till djur med otillräckligt uttryck av OPG till att undertrycka både processen för benresorption och vaskulär förkalkning.

Inflammation spelar en nyckelroll i alla stadier av aterosklerosutveckling, åtföljd av en signifikant ökning av koncentrationen av inflammationsmarkörer i blodplasman - cytokiner (interleukin-1, α-TNF), vilka i sin tur inducerar benresorption. Beroende på aterosklerosutvecklingens inflammatoriska natur sker uttrycket och frisättningen av OPG i blodomloppet och omgivande vävnader av endotelceller och vaskulära glatta muskelceller under påverkan av de ovan nämnda proinflammatoriska faktorerna. Till skillnad från stromala celler reagerar inte endotelceller och vaskulär glatt muskelvävnad på förändringar i innehållet av vitamin D3 eller bisköldkörtelhormon (PTH) i blodplasman genom att öka syntesen och frisättningen av OPG. OPG förhindrar vitamin D3-inducerad ektopisk förkalkning i kärl, samtidigt som innehållet av OPN ökar, det huvudsakliga icke-kollagena matrixproteinet i ben, vilket fungerar som en hämmare av vaskulär mineralisering och som en utlösare för syntes och frisättning av OPG av endotel- och glatta muskelceller. OPN, som hämmar processen för hydroxiapatitmatrixbildning (in vitro) och vaskulär förkalkning (in vivo), syntetiseras och frisätts i tillräckligt höga koncentrationer av glatta muskelceller i kärlväggens media och av makrofager i intima. OPN-syntes sker i områden med övervägande mineralisering av kärlväggen och regleras av proinflammatoriska och osteogena faktorer. Tillsammans med avb3-integrin, syntetiserat av endotelceller vid aterogenesställena, orsakar OPN den NF-kB-beroende effekten av OPG på att upprätthålla endotelcellernas integritet. Således kan de ökade plasma- och vaskulära OPG-koncentrationerna som observeras vid hjärt-kärlsjukdomar vara en konsekvens av endotelcellsaktivitet både under påverkan av inflammatoriska markörer och som ett resultat av OPN/avb3-HHTerpnHOBoro-mekanismen.

Aktivering av NF-kB i makrofager i artärväggen och i trichomonas är också en av de viktiga mekanismerna som kopplar samman osteoporos och ateroskleros. Ökad NF-kB-aktivitet sker som ett resultat av cytokiner som frisätts av aktiverade T-celler i vaskulär intima, vilket bidrar till en ökning av aktiviteten hos serin/treoninkinas (Akt, proteinkinas B), en viktig faktor för funktionen hos, framför allt, vaskulära endotelceller.

Det har fastställts att ökad proteinkinas B-aktivitet leder till stimulering av eNOS och ökad syntes av kväveoxid (NO), som är involverad i mekanismen för att upprätthålla endotelcellernas integritet. I likhet med OPG sker syntesen och frisättningen av RANKL från endotelceller under påverkan av inflammatoriska cytokiner, men inte som ett resultat av vitamin D3 eller PTH, vilka kan öka koncentrationen av RANKL i obstetrisk eller stromala celler.

Ökningen av RANKL-koncentrationen i arteriella och venösa kärl uppnås också som ett resultat av den hämmande effekten av den transformerande tillväxtfaktorn (TGF-Pj) på OPG-uttrycksprocessen, vars innehåll minskar signifikant under inverkan av denna faktor. Den har en multidirektionell effekt på RANKL-innehållet i ben och kärl: i benvävnad främjar TGF-Pj uttrycket av OPG OB och, som ett resultat, minskar OPG, som binder till RANKL, dess koncentration och osteoklastogenesaktivitet. I blodkärlens väggar ökar TGF-Pj RANKL/OPG-förhållandet och, som en konsekvens, stimulerar RANKL-innehållet, genom att interagera med sin RANK-receptor på ytan av endotelcellmembran med deltagande av intracellulära signalsystem, vaskulär cellosteogenes, aktiverar processen för förkalkning, proliferation och cellmigration samt matrixombyggnad. Resultatet av det nya konceptet, baserat på den nuvarande förståelsen av den cellulära och molekylära mekanismen för benremodellering vid osteoporos och aterosklerosprocessen, och klargörandet av cytokinet RANKL-RANK-OPG-systemets ledande roll i implementeringen av dessa sjukdomar, var syntesen av ett läkemedel av en ny generation - denosumab. Denosumab (Prolia; Amgen Incorporation) är en specifik human monoklonal antikropp med en hög grad av tropism för RANKL, vilket blockerar funktionen hos detta protein. Många laboratorie- och kliniska studier har visat att denosumab, som visar en hög förmåga att minska RANKL-aktivitet, avsevärt saktar ner och försvagar graden av benresorption. För närvarande används denosumab som ett förstahandsläkemedel, tillsammans med bisfosfonater, hos patienter med systemisk osteoporos för att förhindra benfrakturer. Samtidigt etablerade S. Helas et al. denosumabs hämmande effekt på RANKLs förmåga att genomföra processen för vaskulär förkalkning. Således öppnar de erhållna uppgifterna nya möjligheter att bromsa utvecklingen av osteoporos och vaskulär ateroskleros, förhindra utvecklingen av kardiovaskulära komplikationer vid osteoporos och bevara patienternas hälsa och liv.

S. Sagalovsky, Richter. Patofysiologisk enhet i utvecklingen av osteoporos och ateroskleros i blodkärlen // International Medical Journal - Nr 4 - 2012