Reparation av ledbrosk och tillväxtfaktorer i patogenesen för osteoartrit

Tack vare bioteknikens framsteg, särskilt kloningstekniken, har listan över tillväxtfaktorer som, i sin natur anabola, spelar en viktig, men inte helt förstådd, roll i patogenesen av artros nyligen utökats intensivt.

Den första gruppen av tillväxtfaktorer som diskuteras nedan är IGF. De finns i stora mängder i blodserum och har ett antal egenskaper gemensamma med insulin. IGF-2 är mer typiskt för det embryonala utvecklingsstadiet, medan IGF-1 är den dominerande representanten för gruppen hos vuxna. Båda representanterna för denna grupp verkar genom att binda till IGF typ I-receptorer. Medan IGF-2:s funktion fortfarande är okänd, har betydelsen av IGF-1 redan fastställts - den kan stimulera syntesen av proteoglykaner av kondrocyter och signifikant hämma kataboliska processer i ledbrosk. IGF-1 är den huvudsakliga anabola stimulansen för syntesen av proteoglykaner av kondrocyter, som finns i blodserum och synovialvätska. IGF-1 är en viktig faktor för odling av kondrocyter i experimentella modeller av artros in vitro. Det antas att IGF-1 kommer in i synovialvätskan från blodplasma. Dessutom producerar normala kondrocyter båda faktorerna - uttryck av IGF-1 och IGF-2 hittades i synovialmembranet och brosket hos patienter med artros. I normalt brosk har IGF-1 inte mitogena egenskaper, men kan stimulera cellproliferation i den skadade matrixen, vilket indikerar deltagande i reparativa processer.

Biologiskt aktiva substanser som stimulerar reparation och hämmar nedbrytning av ledbrosk

• Insulin
• Gammainterferon
• Somatotropiskt hormon, androgener
• Somatomediner (IPF-1 och -2)
• TGF-beta (vävnadstillväxtfaktor)
• Trombocyt-deriverad tillväxtfaktor
• Grundläggande fibroblasttillväxtfaktor
• EFR
• IL-1-receptorantagonist
• TNF-α-bindande proteiner
• Vävnadshämmare av metalloproteaser
• ett _2- makroglobulin
• ai-antitrypsin
• RG-makroglobulin
• Rg-antikymotrypsin

IGF-1 och IGF-2:s verkan styrs av olika IGF-bindande proteiner (IGF-BP), vilka också produceras av kondrocyter. IGF-BP kan fungera som bärare och även ha IGF-blockerande aktivitet. Celler isolerade från ledbrosk hos patienter med artros producerar stora mängder IGF-BP, vilket indikerar att de blockerar effekterna av IGF. J. Martel-Pelletier et al. (1998) visade att även om IGF-1-syntesen i brosk ökar vid artros, svarar kondrocyter svagt på IGF-1-stimulering. Det visade sig att detta fenomen är associerat (åtminstone delvis) med en ökning av nivån av IGF-BP. IGF-BP har en hög affinitet för IGF och är en viktig biomodulator av dess aktivitet. Hittills har sju typer av IGF-BP studerats, och dysreglering av IGF-BP-3 och IGF-BP-4 spelar en viktig roll vid artros.

En annan kategori av tillväxtfaktorer som uppvisar olika effekter på kondrocyter inkluderar trombocytderiverad tillväxtfaktor (PDGF), FGF och TGF-beta. Dessa faktorer produceras inte bara av kondrocyter utan även av aktiverade synovocyter. FGF har både anabola och katabola egenskaper beroende på koncentrationen och tillståndet hos ledbrosket. PDGF är involverat i att upprätthålla homeostasen i ledbroskets ECM utan att ha uppenbara mitogena egenskaper. Denna tillväxtfaktor är känd för att förbättra syntesen av proteoglykaner och minska deras nedbrytning.

TGF-beta är av särskilt intresse för sin roll i patogenesen av artros. Det är en medlem av den stora TGF-superfamiljen och delar funktionella och signalerande egenskaper med de nyligen upptäckta BMP-tillväxtfaktorerna (benmorfogenetiskt protein).

TGF-beta är en pleiotrop faktor: å ena sidan har den immunsuppressiva egenskaper, å andra sidan är den en kemotaktisk faktor och en kraftfull stimulator av fibroblastproliferation. Unika egenskaper hos TGF-beta är förmågan att hämma frisättningen av enzymer från olika celler och avsevärt öka produktionen av enzymhämmare (till exempel TIMP). TGF-beta anses vara en viktig regulator av vävnadsskador på grund av inflammation. I ledbroskvävnad stimulerar TGF-beta således avsevärt produktionen av matrix av kondrocyter, särskilt efter förexponering för denna faktor. Normalt brosk är okänsligt för TGF-beta. Hos patienter med artros stimulerar TGF-β produktionen av aggrekan och små proteoglykaner i ledbrosk.

TGF-beta produceras av många celler, särskilt kondrocyter. Det frisätts i latent form bunden till ett speciellt protein som kallas latensassocierat protein (LAP). Dissociation från detta protein åstadkoms av proteaser, vilka produceras i stora mängder i inflammerade vävnader. Förutom TGF-beta, som produceras av aktiverade celler, är lager av den latenta formen av denna faktor en viktig del av TGF-beta-reaktiviteten i vävnad efter lokal skada. TGF-beta finns i betydande mängder i synovialvätska, synovialmembran och brosk i den led som drabbats av artros. I områden med skadad vävnad med inflammatoriska infiltrat detekteras samuttryck av TNF och IL-1, medan det i områden med fibros endast detekteras TGF-beta-uttryck.

Inkubation av odlade kondrocyter från patienter med artros med TGF-beta orsakar en signifikant ökning av proteoglykansyntesen hos dessa celler. Stimulering av normala kondrocyter med TGF-beta orsakar en ökning av proteoglykansyntesen först efter många dagars inkubation. Kanske är denna tid nödvändig för att cellfenotypen ska förändras under inverkan av TGF-beta (till exempel för en förändring i den så kallade kompartmentaliseringen av proteoglykaner: nybildade proteoglykaner är endast lokaliserade runt kondrocyter).

Det är känt att aktivering av tillväxtfaktorsyntes, särskilt TGF-beta, är en viktig länk i patogenesen av njur- och leverfibros, och ärrbildning under sårläkning. Ökad belastning på kondrocyter in vitro leder till hyperproduktion av TGF-beta, medan minskad proteoglykansyntes efter extremitetsimmobilisering kan utjämnas av TGF-beta. TGF-beta inducerar osteofytbildning i ledernas marginalzon som en anpassningsmekanism till förändringar i belastning. IL-1, som orsakar en måttlig inflammatorisk process i synovium som svar på ledskada, främjar bildandet av kondrocyter med en förändrad fenotyp, vilka producerar en överdriven mängd.

Upprepade lokala injektioner av rekombinant TGF-beta i höga koncentrationer ledde till utveckling av artros hos C57B1-möss - bildandet av osteofyter, vilket är karakteristiskt för mänsklig artros, och en betydande förlust av proteoglykaner i den "vågiga gränszonen".

För att förstå hur överskott av TGF-beta orsakar de kända förändringarna i brosk är det nödvändigt att notera att TGF-β-exponering inducerar en karakteristisk kondrocytfenotyp med en förändring i underklassen av syntetiserade proteoglykaner och störning av den normala integrationen av ECM-element. Både IGF-1 och TGF-beta stimulerar proteoglykansyntes av kondrocyter odlade i alginat, men det senare inducerar också den så kallade kompartmentaliseringen av proteoglykaner. Dessutom fann man att TGF-beta ökade nivån av kollagenas-3 (MMP-13) i aktiverade kondrocyter, vilket strider mot den allmänna idén om TGF-beta som en faktor som tvärtom minskar frisättningen av destruktiva proteaser. Det är dock inte känt om TGF-beta-inducerad MMP-13-syntes är involverad i patogenesen av artros. TGF-beta stimulerar inte bara syntesen av proteoglykaner, utan främjar även deras avsättning i ligament och senor, vilket ökar stelheten och minskar rörelseomfånget i lederna.

BMP är medlemmar i TGF-beta-superfamiljen. Vissa av dem (BMP-2, BMP-7 och BMP-9) har egenskapen att stimulera syntesen av proteoglykaner av kondrocyter. BMP utövar sina effekter genom att binda till specifika receptorer på cellytan; signalvägarna för TGF-beta och BMP skiljer sig något åt. Liksom TGF-beta signalerar BMP genom serin/treoninkinasreceptorkomplexet typ I och II. I detta komplex transfosforyleras typ II-receptorn och aktiverar typ I-receptorn, som överför signalen till signalmolekyler som kallas Smads. Efter att ha mottagit signalen fosforyleras Smads snabbt. Det är för närvarande känt att i BMP-signalvägen fosforyleras Smads-1, -5 och -8, och i TGF-beta-signalvägen fosforyleras Smads-2 och Smad-3. Sedan associerar de namngivna Smad-proteinerna med Smad-4, vilket är gemensamt för signalvägarna hos alla medlemmar i TGF-beta-superfamiljen. Detta faktum förklarar förekomsten av korsfunktioner hos medlemmar i TGF-beta-superfamiljen, såväl som fenomenet med ömsesidig hämning av TGF-beta- och BMP-signalvägarna genom att konkurrera om gemensamma komponenter. För inte så länge sedan identifierades en annan klass av Smad-proteiner, som representeras av Smad-6 och -7. Dessa molekyler fungerar som regulatorer av TGF-beta- och BMP-signalvägarna.

Trots att CMP:s stimulerande effekt på proteoglykansyntes har varit känd länge, är deras roll i regleringen av ledbroskfunktionen fortfarande kontroversiell på grund av CMP:s kända förmåga att orsaka celldedifferentiering, stimulera förkalkning och benvävnadsbildning. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) visade att interaktionen mellan CMP och CMP-receptorn typ II är nödvändig för att bibehålla den differentierade fenotypen av kondrocyter, samt kontrollera deras proliferation och hypertrofi. Enligt LZ Sailor et al. (1996) bibehåller CMP-2 fenotypen av kondrocyter i kultur i 4 veckor utan att orsaka deras hypertrofi. CMP-7 (identiskt med osteogent protein-1) bibehåller fenotypen av mogna kondrocyter av ledbrosk odlade i alginat under lång tid.

Introduktionen av KMP-2 och -9 i knäleden hos möss ökade proteoglykansyntesen med 300 %, betydligt mer än TGF-beta. Den stimulerande effekten var dock tillfällig, och efter några dagar återgick syntesnivån till den ursprungliga nivån. TGF-beta orsakade en långvarig stimulering av proteoglykansyntesen, vilket troligen beror på autoinduktionen av TGF-beta och sensibilisering av kondrocyter för denna faktor.

TGF-beta ansvarar för bildandet av kondrofyter, vilket kan betraktas som en oönskad effekt av dess verkan. KMP-2 främjar också bildandet av kondrofyter, men i ett annat område av ledkanten (främst i området kring tillväxtplattan).

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

Broskmorfogenetiska proteiner

Broskmorfogenetiska proteiner (CMP-1 och -2) är andra medlemmar av TGF-beta-superfamiljen som är essentiella för bildandet av broskvävnad under extremiteternas utveckling. Mutationer i CMP-1-genen orsakar kondrodysplasi. CMP kan ha en mer selektiv, broskriktad profil. Även om TGF-beta och CMP kan stimulera kondrocyter, kan de verka på många andra celler, så deras användning för broskreparation kan vara förknippad med biverkningar. Båda typerna av CMP finns i brosket i friska och artrosrelaterade leder och främjar reparationen av ledbroskets ECM efter enzymatisk nedbrytning, vilket upprätthåller en normal fenotyp.

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

Synergism av tillväxtfaktorer

En tillväxtfaktor kan inducera sig själv, liksom andra tillväxtfaktorer, denna interaktion är noggrant reglerad. Till exempel ger FGF tillsammans med andra tillväxtfaktorer en mer effektiv reparation av ledbrosk efter en traumatisk defekt. IGF-1 tillsammans med TGF-beta inducerar signifikant den normala fenotypen hos kondrocyter när de odlas in vitro. Det visades att TGF-beta förhindrar produktionen av IGF-1 och IGF-BP, och även defosforylerar IGF-1-receptorn, stimulerar IGF-1-bindning. I intakt musbrosk observerades fenomenet synergism mellan IGF-1 och många tillväxtfaktorer. Emellertid kan kondrocyternas svaga respons på IGF-1 inte utjämnas genom att använda den i kombination med andra tillväxtfaktorer.

Interaktion mellan anabola och destruktiva cytokiner

Tillväxtfaktorer uppvisar komplexa interaktioner med IL-1. Till exempel ökar förexponering av kondrocyter för FGF proteasfrisättningen efter IL-1-exponering, möjligen genom ökat IL-1-receptoruttryck. PDGF stimulerar också IL-1-beroende proteasfrisättning, men det minskar IL-1-medierad hämning av proteoglykansyntes. Detta kan indikera att vissa tillväxtfaktorer samtidigt kan stimulera broskreparation och främja dess destruktion. Andra tillväxtfaktorer, såsom IGF-1 och TGF-β, stimulerar artikulär matrixsyntes och hämmar IL-1-medierad artikulär broskdestruktion, vilket indikerar att deras aktivitet endast är relaterad till vävnadsreparation. Denna interaktion är oberoende av kondrocyternas förexponering för IL-1. Intressant nog kan kinetiken för effekterna av IL-1 och TGF-beta vara annorlunda: TGF-betas förmåga att undertrycka nedbrytning av artikulärt brosk dämpas av dess långsamma verkan på TIMP mRNA. Å andra sidan observeras en ökning av hNOC- och NO-nivåer i frånvaro av TGF-beta. Med tanke på NO-beroendet av den hämmande effekten av IL-1 på proteoglykansyntes av kondrocyter, kan det förklara varför vi observerar en signifikant starkare motverkan av TGF-beta mot IL-1-beroende hämning av proteoglykansyntes jämfört med proteoglykannedbrytning in vivo.

I en studie på möss som injicerats intraartikulärt med IL-1 och tillväxtfaktorer, visades det att TGF-beta signifikant motverkar IL-1-medierad hämning av proteoglykansyntes i ledbrosk, medan CMP-2 inte kan motverka detta: dess stimulerande potential hämmades fullständigt av IL-1 även vid höga koncentrationer av CMP-2. Det är värt att notera att i frånvaro av IL-1 stimulerade CMP-2 proteoglykansyntesen mycket mer intensivt än TGF-beta.

Förutom sin effekt på proteoglykansyntesen påverkar TGF-beta också signifikant IL-1-inducerad minskning av proteoglykaninnehållet i brosk. Det är möjligt att proteoglykaninnehållet minskar eller ökar beroende på den relativa koncentrationen av IL-1 och TGF-beta. Intressant nog observerades den ovan beskrivna motverkan av IL-1 och TGF-beta i broskets tjocklek, men detta fenomen observerades inte nära kondrofyter vid kanterna av ledytor. Kondrofytbildning induceras av TGF-β, vilket påverkar kondrogena celler i periostet, vilket orsakar utveckling av kondroblaster och proteoglykanavsättning. Tydligen är dessa kondroblaster inte känsliga för IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) studerade TGF-beta och KMP-2:s förmåga att motverka hämningen av proteoglykansyntes i lederna hos möss med zymosaninducerad artrit (dvs. i en modell av "ren" IL-1-inducerad inflammation). Intraartikulär administrering av TGF-beta motverkade signifikant hämningen av proteoglykansyntes orsakad av inflammation, medan KMP-2 praktiskt taget inte kunde motverka denna IL-1-beroende process. Upprepade injektioner av TGF-β i knäleden hos de studerade djuren stimulerade signifikant proteoglykansyntesen av kondrocyter, bidrog till bevarandet av befintliga proteoglykaner i brosk som utarmats av inflammation, men hämmade inte den inflammatoriska processen.

När man studerar kondrocyters proteoglykansyntetiserande funktion med hjälp av experimentella modeller av artros hos djur har man alltid noterat en ökning av innehållet och stimuleringen av syntesen av proteoglykaner i de tidiga stadierna av artros, till skillnad från inflammatoriska modeller, där signifikant hämning av syntesen (IL-1-beroende process) observeras. Ökad aktivitet av anabola faktorer, särskilt tillväxtfaktorer, som observeras vid artros, neutraliserar effekten av sådana suppressorcytokiner som IL-1. Bland tillväxtfaktorerna är TGF-beta av största betydelse; KMP-2 spelar sannolikt inte en betydande roll i denna process. Även om IGF-1 kan stimulera proteoglykansyntes in vitro, observeras inte denna egenskap in vivo vid lokal applicering av IGF-1. Detta kan bero på att den endogena nivån av denna tillväxtfaktor är optimal. I senare stadier av artros uppträder tecken på hämning av proteoglykansyntes, vilket troligen är förknippat med IL-1:s dominerande verkan och tillväxtfaktorernas oförmåga att motverka den på grund av minskad aktivitet.

Analys av tillväxtfaktoruttryck hos STR/ORT-möss med spontan artros visade ökade mRNA-nivåer av TGF-β och IL-1 i skadat brosk. Det bör noteras att aktivering av TGF-β från den latenta formen är en viktig del av vävnadsreparation. Att förstå rollen av TGF-β kompliceras av resultaten från en studie av TGF-β typ II-receptoruttryck hos ACL-kaniner. Omedelbart efter induktion av artros detekterades minskade nivåer av dessa receptorer, vilket indikerar otillräcklig TGF-β-signalering. Intressant nog visade möss med TGF-β-receptor typ 11-brist tecken på spontan artros, vilket också indikerar en viktig roll för TGF-β-signalering i försämringen av broskreparationen och utvecklingen av artros.

Det absoluta innehållet av tillväxtfaktorer i lederna hos patienter med reumatoid artrit eller osteoartros kan indikera deras möjliga roll i patogenesen av dessa sjukdomar. Trots att höga koncentrationer av tillväxtfaktorer finns i leder med osteoartros och reumatoid artrit, är nedbrytnings- och reparationsprocessernas natur i båda sjukdomarna helt olika. Förmodligen finns det andra, ännu okända faktorer som spelar en viktig roll i patogenesen av dessa sjukdomar, eller så bestämmer andra aspekter av de studerade fenomenen förloppet av nedbrytnings- och reparationsprocesser i ledvävnader (till exempel uttrycket av vissa receptorer på ytan av kondrocyter, lösliga receptorer som binder proteiner, eller en obalans mellan anabola och destruktiva faktorer).