Patofysiologisk enhed i udviklingen af osteoporose og vaskulær aterosklerose

I dødelighedsstrukturen for befolkningen i udviklede lande indtager sygdomme i kredsløbssystemet den førende plads. Hjerte-kar-sygdomme (arteriel hypertension, iskæmisk hjertesygdom, myokardieinfarkt), der er baseret på åreforkalkning, kaldes med rette det 21. århundredes epidemi.

Ifølge WHO dør over 17 millioner mennesker hvert år af hjerte-kar-sygdomme i verden, og i 2015 vil antallet af dødsfald stige til 20 millioner. Derudover er en af de førende årsager til funktionel insufficiens og tab af arbejdsevne hos den voksne befolkning osteoporose (OP) - den mest kendte og almindelige sygdom i skeletsystemet i verden med aldersrelateret prævalens. Osteoporose er en multifaktoriel polygen skeletsygdom, som er den mest almindelige form for metabolisk osteopati. Sygdommen er karakteriseret ved tab af knoglemasse, forstyrrelse af deres mikroarkitektur (ødelæggelse af trabekler), nedsat styrke og ledsages af en høj risiko for knoglebrud.

Det er frakturer, hvoraf de alvorligste er frakturer af lårbenshalsen og radius i den nederste tredjedel af underarmen, der bestemmer sygdommens medicinske og medicinsk-sociale betydning, herunder øget dødelighed og betydelige økonomiske tab forbundet med dem. Det særegne ved osteoporose er, at denne sygdom primært rammer ældre og gamle mennesker. En betydelig stigning i forekomsten af osteoporose, observeret siden anden halvdel af det 20. århundrede, afspejler naturligvis de demografiske ændringer, der sker i befolkningen, og som manifesterer sig ved befolkningens aldring i alle industrialiserede lande i verden. Talrige epidemiologiske undersøgelser, der for nylig er udført i verden og Europa, indikerer en positiv sammenhæng mellem hjerte-kar-sygdomme og patologier i skeletsystemet. Samtidig forbinder mange forfattere osteoporose med progressionen af åreforkalkning, herunder forkalkning af karvæggene. Hos kvinder med osteoporotiske frakturer blev der observeret en stigning i forekomsten af aorta- og koronararterieforkalkning, hvis sværhedsgrad korrelerede med et fald i knoglemineraltætheden (BMD).

Studierne foretaget af SO Song et al. afslørede en sammenhæng mellem et fald i BMD i rygsøjlen og den proksimale femur og en stigning i calciumindholdet i koronararterierne ifølge elektronstråle-computertomografi. M. Naves et al. fandt, at hos kvinder med postmenopausal osteoporose er et fald i BMD på én standardafvigelse fra maksimal knoglemasse forbundet med en øget risiko for samlet dødelighed på 43 % og for tidlig død som følge af kardiovaskulær patologi. Andre undersøgelser viste også, at patienter med et fald i BMD er mere tilbøjelige til at have en stigning i blodlipidkoncentrationer, udvikle mere alvorlig koronar aterosklerose og øge risikoen for slagtilfælde og myokardieinfarkt signifikant. De præsenterede data tyder på, at en stigning i forekomsten af osteoporose, ektopisk forkalkning og aterosklerose hos de samme patienter har et fælles patogenetisk grundlag. Konceptet om, at kardiovaskulær sygdom og osteoporose er forbundet gennem markører, der samtidig påvirker vaskulære og knogleceller, er blevet understøttet af omfattende eksperimentelle undersøgelser.

En kandidat til rollen som en sådan markør er det nyligt identificerede protein osteoprotegerin (OPG), som tilhører familien af tumornekrosefaktorreceptorer og er en del af RANKL-RANK-OPG cytokinsystemet.

[ 1 ], [ 2 ]

Knogleombygning og rollen af rankl-rank-opg-systemet

Osteoporose er en sygdom baseret på processer med knogleombygningsforstyrrelser med øget knogleresorption og nedsat knoglesyntese. Begge processer for dannelse af knoglevæv er tæt forbundet og er resultatet af cellulær interaktion mellem osteoblaster (OB) og osteoklaster (OC), der stammer fra forstadier til forskellige cellelinjer: osteoblaster - fra mesenkymale stamceller, osteoklaster - fra makrofag-monocytiske celler i knoglemarven. Osteoblaster er mononukleære celler involveret i processen med knogledannelse og mineralisering af knoglematrixceller. Osteoblaster spiller en fundamental rolle i at modulere knogleombygning og regulere den metaboliske aktivitet af andre knoglevævsceller. De udskiller en række biologisk aktive stoffer, hvorigennem de påvirker modningsprocessen af osteoklastforstadiecellen og omdanner den til en stor flerkernet celle, der er i stand til at deltage i resorption, dvs. absorption af knoglevæv, der kun virker på mineraliseret knoglevæv, uden at ændre selve knoglevævsmatrixen.

Modning og differentiering af osteoblaster udføres under påvirkning af forskellige specifikke faktorer, der påvirker transkriptionsprocessen, hvoraf den vigtigste er proteinet Cbfal (core-binding factor oil; også kendt som runt related transcription factor 2; RUNX2). Hos mus med Cbfal/RUNX2-mangel observeres en betydelig opbremsning i knogledannelsesprocessen, og modning af OB-celler observeres ikke. I modsætning hertil forårsager administration af rekombinant Cbfal til dyr ekspression af gener, der er iboende i osteoblaster, i ikke-osteogene celler. Den betydelige rolle, som Cbfal/RUNX2 spiller i differentieringen og modningen af osteoblaster, manifesterer sig også i proteinets evne til at regulere funktionen af mange gener involveret i syntesen af knoglevævsproteiner: kollagen type 1, osteopontin (OPN), osteocalcin og sialoprotein. Væksten og den funktionelle kapacitet af OB påvirkes også af parakrine og/eller autokrine faktorer, der regulerer aktiviteten af intranukleære transkriptionsprocesser, syntesen af OPN og osteocalcin. Disse omfatter en række cellevækstfaktorer, cytokinmodulatorer og hormonelt biologisk aktive stoffer. Antagelsen om, at aktivering og regulering af knoglevævsombygning er en konsekvens af interaktionen mellem osteoblaster og osteoklaster, er blevet bekræftet i adskillige forskningsstudier. Betydelige fremskridt i forståelsen af processerne for knogleombygning blev opnået med opdagelsen af cytokinet RANKL-RANK-OPG-systemet, som spiller en nøglerolle i dannelsen, differentieringen og aktiviteten af osteoklaster. Opdagelsen af dette system blev hjørnestenen i forståelsen af patogenesen af osteoporose, osteoklastogenese og regulering af knogleresorption, samt andre processer involveret i lokal knogleombygning. Regulering af osteoklastogenese udføres hovedsageligt af to cytokiner: receptoraktivator af nuklear faktor kappa-B-ligand (RANKL) og OPG på baggrund af den permissive virkning af makrofagkolonistimulerende faktor (M-CSF).

RANKL er et glykoprotein produceret af osteoblastiske celler, aktiverede T-lymfocytter, som tilhører tumornekrosefaktor (TNF) ligand-superfamilien og er den primære stimulus for osteoklastmodning. Det molekylære grundlag for intercellulære interaktioner, der involverer RANKL-RANK-OPG-systemet, kan repræsenteres som følger: RANKL udtrykt på overfladen af osteoblaster binder til RANK-receptoren placeret på membranerne i OC-forløberceller og inducerer processen med osteoklastdifferentiering og -aktivering. Samtidig frigiver knoglemarv og OB-stamceller M-CSF. Denne polypeptidvækstfaktor, der interagerer med sin højaffinitets transmembranreceptor (c-fms), aktiverer intracellulær tyrosinkinase og stimulerer proliferation og differentiering af osteoklast-forløbercellen. Den proliferative aktivitet af M-CSF øges signifikant, når OB udsættes for parathyroidhormon, vitamin D3, interleukin 1 (IL-1), TNF, og omvendt falder den under påvirkning af østrogener og OPG. Østrogener, der interagerer med intracellulære OB-receptorer, øger cellens proliferative og funktionelle aktivitet, samtidig med at de reducerer osteoklasternes funktion og stimulerer produktionen af OPG af osteoblaster. OPG er en opløselig receptor for RANKL, syntetiseret og frigivet af osteoblastiske celler, såvel som stromale celler, vaskulære endotelceller og B-lymfocytter. OPG fungerer som en endogen lokkereceptor for RANKL, blokerer dens interaktion med sin egen receptor (RANK) og hæmmer dermed dannelsen af modne multinukleære osteoklastceller, forstyrrer processen med osteoklastogenese og reducerer aktiviteten af knoglevævsresorption. Syntetiseret og frigivet af OB-celler, er RANKL en specifik faktor, der er nødvendig for udviklingen og funktionen af OC. RANKL interagerer med sin tropiske receptor RANK på membranen af OC-forløbercellen (en almindelig forløber for osteoklaster og monocytter/makrofager), hvilket fører til intracellulære kaskadegenomtransformationer. RANK påvirker nuklear faktor kappa-B (NF-kB) gennem det receptorassocierede protein TRAF6, som aktiverer og translokerer NF-kB fra cytoplasmaet til cellekernen.

Akkumulering af aktiveret NF-kB øger ekspressionen af NFATcl-protein, som er en specifik trigger, der starter transkriptionsprocessen af intracellulære gener, der danner osteoklastogeneseprocessen. Den differentierede osteoklast indtager en bestemt position på knogleoverfladen og udvikler et specialiseret cytoskelet, der gør det muligt for den at skabe et isoleret resorptionshulrum, et mikromiljø mellem osteoklaster og knogle. OC-membranen, der vender mod hulrummet dannet af cellen, danner mange folder og får et korrugeret udseende, hvilket øger resorptionsoverfladen betydeligt. Mikromiljøet i det skabte resorptionshulrum forsures ved elektrogen pumpning af protoner ind i det. OC'ens intracellulære pH opretholdes med deltagelse af kulsyreanhydrase II gennem udveksling af HCO3/Cl-ioner gennem cellens antiresorptive membran. Ioniseret klor trænger ind i resorptionsmikrohulrummet gennem anionkanalerne i den korrugerede resorptionsmembran, hvilket resulterer i, at pH-værdien i hulrummet når 4,2-4,5. Det sure miljø skaber betingelser for mobilisering af knoglemineralfasen og danner optimale betingelser for nedbrydning af den organiske matrix i knoglevæv med deltagelse af cathepsin K, et enzym, der syntetiseres og frigives i resorptionshulrummet af OK's "syrevesikler". Øget RANKL-ekspression fører direkte til aktivering af knogleresorption og et fald i skelet-BMD. Introduktionen af rekombinant RANKL førte til udvikling af hypercalcæmi ved udgangen af den første dag, og ved udgangen af den tredje - til et betydeligt tab af knoglemasse og et fald i BMD. Balancen mellem RANKL og OPG bestemmer faktisk mængden af resorberet knoglemasse og graden af ændring i BMD. Dyreforsøg har vist, at øget ekspression af OPG hos mus fører til øget knoglemasse, osteopetrose, og er karakteriseret ved et fald i antallet og aktiviteten af osteoklaster. Når OPG-genet derimod er slået fra, observeres der et fald i BMD, en signifikant stigning i antallet af modne, multinukleære osteoklaster, et fald i knogletætheden og forekomsten af spontane vertebrale frakturer.

Subkutan administration af rekombinant OPG til mus i en dosis på 4 mg/kg/dag i en uge genoprettede BMD-indekserne. I modellen for adjuverende arthritis hos rotter blokerede administration af OPG (2,5 og 10 mg/kg/dag) i 9 dage i den indledende fase af den patologiske proces RANKL-funktionen og forhindrede tab af knogle- og bruskvævsmasse. Forsøgene indikerer, at OPG's funktion primært består i at mindske eller signifikant "slukke" virkningerne forårsaget af RANKL. I øjeblikket er det blevet tydeligt, at opretholdelse af forholdet mellem RANKL og OPG er en vigtig betingelse for at opretholde balancen mellem knogleresorption og -dannelse. Konjugationen af disse to processer, de relative koncentrationer af RANKL og OPG i knoglevæv, bestemmer de vigtigste determinanter for knoglemasse og -styrke. Siden opdagelsen af RANKL-RAMK-OPG-systemet som den endelige vej for dannelse og differentiering af osteoklaster, har mange forskere bekræftet den ledende rolle, som denne cellulære og molekylære mekanisme spiller i patogenesen af osteoporose.

Rollen af rankl-rank-opg cytokinsystemet i processen med vaskulær forkalkning

Antagelsen om tilstedeværelsen af et fælles patogenetisk grundlag for osteoporose og åreforkalkning, en vis lighed mellem mekanismerne for osteoporoseudvikling og vaskulær forkalkning, bekræftes af mange eksperimentelle og kliniske observationer. Det er blevet vist, at knogle- og karvæv har mange identiske egenskaber både på cellulært og molekylært niveau. Knoglevæv og knoglemarv indeholder endotelceller, præosteoblaster og osteoklaster - derivater af monocytter, mens de alle også er normale komponenter i cellepopulationerne i karvæggen. Både knoglevæv og væggen i arterielle kar indeholder under den aterosklerotiske proces OPN, osteocalcin, morfogenetisk knogleprotein, matrix Gla-protein, kollagen type I og matrixvesikler. I patogenesen af åreforkalkning og OP er monocytter involveret i differentiering til makrofager med skummende cytoplasma i karvæggen og til osteoklaster i knoglevæv. I karvæggen er der cellulære elementer, der differentierer til osteoblaster i overensstemmelse med stadierne af dannelsen af knogle OB, hvilket producerer mineralkomponenten i knogle.

Af fundamental betydning er det faktum, at RANKL-RANK-OPG cytokinsystemet, der initierer osteoblastogenese og osteoklastogenese i knoglevæv, blandt andet inducerer differentiering af osteoblaster og OC, samt processen med mineralisering af karvæggene. Blandt komponenterne i dette system, der direkte indikerer eksistensen af en sammenhæng mellem osteoporose og åreforkalkning, tiltrækker OPG forskernes største opmærksomhed. Det er kendt, at OPG ikke kun udtrykkes af knoglevævsceller, men også af kardiovaskulære celler: myokardiocytter, glatte muskelceller i arterier og vener og vaskulære endotelceller. OPG er en modulator af vaskulær forkalkning, hvilket blev bekræftet i S. Moropu et al.s eksperimentelle arbejde, udført på intakte mus og dyr med en forstyrrelse/fravær af det gen, der giver OPG-ekspression. Det blev fundet, at mus med nedsat evne til at syntetisere OPG (OPG-/-), i modsætning til kontrolgruppen af dyr, viser aktivering af processen med arteriel forkalkning i kombination med udvikling af osteoporose og flere knoglebrud. Tværtimod bidrog introduktionen af det gen, der syntetiserer det, til dyr med utilstrækkelig ekspression af OPG til undertrykkelsen af både processen med knogleresorption og vaskulær forkalkning.

Inflammation spiller en nøglerolle i alle stadier af ateroskleroseudvikling, ledsaget af en signifikant stigning i koncentrationen af inflammationsmarkører i blodplasmaet - cytokiner (interleukin-1, α-TNF), som igen inducerer knogleresorption. I henhold til den inflammatoriske natur af ateroskleroseudvikling udføres ekspressionen og frigivelsen af OPG i blodbanen og det omgivende væv fra endotelceller og vaskulære glatte muskelceller under påvirkning af de ovennævnte proinflammatoriske faktorer. I modsætning til stromale celler reagerer endotelceller og vaskulært glat muskelvæv ikke på ændringer i indholdet af vitamin D3 eller parathyroidhormon (PTH) i blodplasmaet ved at øge syntesen og frigivelsen af OPG. OPG forhindrer vitamin D3-induceret ektopisk forkalkning i karrene, samtidig med at det øger indholdet af OPN, det vigtigste ikke-kollagene matrixprotein i knogler, som virker som en hæmmer af vaskulær mineralisering og som en udløser for syntesen og frigivelsen af OPG fra endotel- og glatte muskelceller. OPN, der hæmmer processen med dannelse af hydroxyapatitmatrix (in vitro) og vaskulær forkalkning (in vivo), syntetiseres og frigives i tilstrækkeligt høje koncentrationer af glatte muskelceller i vaskulærvæggens media og af makrofager i intima. OPN-syntese forekommer i områder med overvejende mineralisering af vaskulærvæggen og reguleres af proinflammatoriske og osteogene faktorer. Sammen med avb3-integrin, syntetiseret af endotelceller på stederne for aterogenese, forårsager OPN den NF-kB-afhængige effekt af OPG på opretholdelsen af endotelcellernes integritet. Således kan de øgede plasma- og vaskulære OPG-koncentrationer, der observeres ved hjerte-kar-sygdomme, være en konsekvens af endotelcelleaktivitet både under påvirkning af inflammatoriske markører og som et resultat af OPN/avb3-HHTerpnHOBoro-mekanismen.

Aktivering af NF-kB i makrofager i arterievæggen og i trichomonas er også en af de vigtige mekanismer, der forbinder osteoporose og åreforkalkning. Øget NF-kB-aktivitet sker som følge af virkningen af cytokiner, der frigives af aktiverede T-celler i den vaskulære intima, hvilket bidrager til en stigning i aktiviteten af serin/threoninkinase (Akt, proteinkinase B), en vigtig faktor for funktionen af først og fremmest vaskulære endotelceller.

Det er blevet fastslået, at der som følge af øget proteinkinase B-aktivitet observeres stimulering af eNOS og øget syntese af nitrogenoxid (NO), som er involveret i mekanismen til at opretholde endotelcellernes integritet. I lighed med OPG udføres syntesen og frigivelsen af RANKL fra endotelceller under påvirkning af inflammatoriske cytokiner, men ikke som følge af virkningen af vitamin D3 eller PTH, som er i stand til at øge koncentrationen af RANKL i OB- eller stromale celler.

Stigningen i RANKL-koncentrationen i arterielle og venøse kar opnås også som følge af den hæmmende effekt af den transformerende vækstfaktor (TGF-Pj) på OPG-ekspressionsprocessen, hvis indhold reduceres signifikant under påvirkning af denne faktor. Den har en multidirektionel effekt på RANKL-indholdet i knogler og kar: i knoglevæv fremmer TGF-Pj ekspressionen af OPG OB, og som følge heraf reducerer OPG, der binder RANKL, dets koncentration og osteoklastogeneseaktivitet. I blodkarvæggene øger TGF-Pj RANKL/OPG-forholdet, og som følge heraf stimulerer RANKL-indholdet, der interagerer med dets RANK-receptor på overfladen af endotelcellemembraner med deltagelse af intracellulære signalsystemer, vaskulær celleosteogenese, aktiverer processen med forkalkning, proliferation og cellemigration samt matrixremodellering. Resultatet af det nye koncept, baseret på den nuværende forståelse af den cellulære og molekylære mekanisme for knogleombygning ved osteoporose og ateroskleroseprocessen, og afklaringen af cytokinet RANKL-RANK-OPG-systemets ledende rolle i implementeringen af disse sygdomme, var syntesen af et lægemiddel af en ny generation - denosumab. Denosumab (Prolia; Amgen Incorporation) er et specifikt humant monoklonalt antistof med en høj grad af tropisme for RANKL, der blokerer funktionen af dette protein. Talrige laboratorie- og kliniske undersøgelser har vist, at denosumab, der udviser en høj evne til at reducere RANKL-aktivitet, signifikant bremser og svækker graden af knogleresorption. I øjeblikket anvendes denosumab som førstelinjelægemiddel, sammen med bisfosfonater, hos patienter med systemisk osteoporose for at forebygge knoglebrud. Samtidig etablerede S. Helas et al. denosumabs hæmmende effekt på RANKLs evne til at implementere processen med vaskulær forkalkning. De opnåede data åbner således nye muligheder for at bremse udviklingen af osteoporose og vaskulær aterosklerose, forhindre udviklingen af kardiovaskulære komplikationer ved osteoporose og bevare patienternes helbred og liv.

S. Sagalovsky, Richter. Patofysiologisk enhed i udviklingen af osteoporose og åreforkalkning i karrene // International Medical Journal - Nr. 4 - 2012