Reparation af ledbrusk og vækstfaktorer i patogenesen af osteoartritis

Takket være fremskridtene inden for bioteknologi, især kloningsteknologi, er listen over vækstfaktorer, der, som anabolske faktorer, spiller en vigtig, men ikke fuldt forstået rolle i patogenesen af slidgigt, for nylig blevet intensivt udvidet.

Den første gruppe af vækstfaktorer, der diskuteres nedenfor, er IGF'er. De findes i store mængder i blodserum og har en række egenskaber til fælles med insulin. IGF-2 er mere typisk for det embryonale udviklingsstadium, mens IGF-1 er den dominerende repræsentant for gruppen hos voksne. Begge repræsentanter for denne gruppe virker ved at binde sig til IGF type I-receptorer. Mens IGF-2's funktion forbliver ukendt, er betydningen af IGF-1 allerede blevet fastslået - det er i stand til at stimulere syntesen af proteoglykaner af chondrocytter og hæmme kataboliske processer i ledbrusk betydeligt. IGF-1 er den primære anabolske stimulus for syntesen af proteoglykaner af chondrocytter, der findes i blodserum og synovialvæske. IGF-1 er en vigtig faktor for dyrkning af chondrocytter i eksperimentelle modeller af slidgigt in vitro. Det antages, at IGF-1 kommer ind i synovialvæsken fra blodplasma. Derudover producerer normale kondrocytter begge faktorer - ekspression af IGF-1 og IGF-2 blev fundet i synovialmembranen og brusken hos patienter med slidgigt. I normal brusk har IGF-1 ikke mitogene egenskaber, men er i stand til at stimulere celleproliferation i den beskadigede matrix, hvilket indikerer deltagelse i reparative processer.

Biologisk aktive stoffer, der stimulerer reparation og hæmmer nedbrydning af ledbrusk

• Insulin
• Gamma-interferon
• Somatotropisk hormon, androgener
• Somatomediner (IPF-1 og -2)
• TGF-beta (vævsvækstfaktor)
• Blodpladeafledt vækstfaktor
• Grundlæggende fibroblastvækstfaktor
• EFR
• IL-1-receptorantagonist
• TNF-α-bindende proteiner
• Vævshæmmere af metalloproteaser
• et _2- makroglobulin
• ai-antitrypsin
• RG-makroglobulin
• Rg-antichymotrypsin

Virkningerne af IGF-1 og IGF-2 styres af forskellige IGF-bindende proteiner (IGF-BP), som også produceres af chondrocytter. IGF-BP kan fungere som en bærer og også have IGF-blokerende aktivitet. Celler isoleret fra ledbrusk hos patienter med slidgigt producerer store mængder IGF-BP, hvilket indikerer, at de blokerer virkningerne af IGF. J. Martel-Pelletier et al. (1998) viste, at selvom IGF-1-syntesen i brusk øges ved slidgigt, reagerer chondrocytter svagt på IGF-1-stimulering. Det viste sig, at dette fænomen er forbundet (i det mindste delvist) med en stigning i niveauet af IGF-BP. IGF-BP har en høj affinitet for IGF og er en vigtig biomodulator af dens aktivitet. Til dato er syv typer IGF-BP blevet undersøgt, og dysregulering af IGF-BP-3 og IGF-BP-4 spiller en vigtig rolle ved slidgigt.

En anden kategori af vækstfaktorer, der udviser forskellige effekter på chondrocytter, omfatter blodpladeafledt vækstfaktor (PDGF), FGF og TGF-beta. Disse faktorer produceres ikke kun af chondrocytter, men også af aktiverede synovocytter. FGF har både anabolske og katabolske egenskaber afhængigt af koncentrationen og tilstanden af ledbrusken. PDGF er involveret i at opretholde homeostasen i ledbruskens ECM uden at have åbenlyse mitogene egenskaber. Denne vækstfaktor er kendt for at forbedre syntesen af proteoglykaner og reducere deres nedbrydning.

TGF-beta er af særlig interesse på grund af sin rolle i patogenesen af slidgigt. Det er medlem af den store TGF-superfamilie og deler funktionelle og signalerende egenskaber med de nyligt opdagede BMP-vækstfaktorer (knoglemorfogenetisk protein).

TGF-beta er en pleiotrop faktor: på den ene side har den immunsuppressive egenskaber, på den anden side er den en kemotaktisk faktor og en kraftig stimulator af fibroblastproliferation. Unikke egenskaber ved TGF-beta er evnen til at hæmme frigivelsen af enzymer fra forskellige celler og øge produktionen af enzymhæmmere (f.eks. TIMP) betydeligt. TGF-beta betragtes som en vigtig regulator af vævsskader på grund af inflammation. I ledbruskvæv stimulerer TGF-beta således betydeligt produktionen af matrix af chondrocytter, især efter præeksponering for denne faktor. Normal brusk er ufølsom over for TGF-beta. Hos patienter med artrose stimulerer TGF-β produktionen af aggrecan og små proteoglykaner i ledbrusk.

TGF-beta produceres af mange celler, især chondrocytter. Det frigives i en latent form bundet til et særligt protein kaldet latency-associeret protein (LAP). Dissociation fra dette protein opnås af proteaser, som produceres i store mængder i betændt væv. Udover TGF-beta, som produceres af aktiverede celler, er lagre af den latente form af denne faktor et vigtigt element i TGF-beta-reaktivitet i væv efter lokal skade. TGF-beta er til stede i betydelige mængder i synovialvæske, synovialmembran og brusk i det led, der er påvirket af slidgigt. I områder med beskadiget væv med inflammatoriske infiltrater detekteres samtidig ekspression af TNF og IL-1, hvorimod der i områder med fibrose kun detekteres TGF-beta-ekspression.

Inkubation af dyrkede chondrocytter fra patienter med slidgigt med TGF-beta forårsager en signifikant stigning i proteoglykansyntesen i disse celler. Stimulering af normale chondrocytter med TGF-beta forårsager først en stigning i proteoglykansyntesen efter mange dages inkubation. Måske er denne tid nødvendig for at cellefænotypen kan ændre sig under påvirkning af TGF-beta (for eksempel for en ændring i den såkaldte kompartmentalisering af proteoglykaner: nyoprettede proteoglykaner er kun lokaliseret omkring chondrocytter).

Det er kendt, at aktivering af vækstfaktorsyntese, især TGF-beta, er et vigtigt led i patogenesen af nyre- og leverfibrose og ardannelse under sårheling. Øget belastning på chondrocytter in vitro fører til hyperproduktion af TGF-beta, mens nedsat proteoglykansyntese efter immobilisering af lemmerne kan udjævnes af TGF-beta. TGF-beta inducerer osteofytdannelse i leddenes marginale zone som en tilpasningsmekanisme til ændringer i belastning. IL-1, der forårsager en moderat inflammatorisk proces i synovium som reaktion på ledskader, fremmer dannelsen af chondrocytter med en ændret fænotype, som producerer en for stor mængde.

Gentagne lokale injektioner af rekombinant TGF-beta i høje koncentrationer førte til udvikling af slidgigt hos C57B1-mus - dannelsen af osteofytter, som er karakteristisk for menneskelig slidgigt, og et betydeligt tab af proteoglykaner i den "bølgede kant"-zone.

For at forstå, hvordan overskydende TGF-beta forårsager de kendte ændringer i brusk, er det nødvendigt at bemærke, at TGF-β-eksponering inducerer en karakteristisk kondrocytfænotype med en ændring i underklassen af syntetiserede proteoglykaner og forstyrrelse af den normale integration af ECM-elementer. Både IGF-1 og TGF-beta stimulerer proteoglykansyntese af kondrocytter dyrket i alginat, men sidstnævnte inducerer også den såkaldte kompartmentalisering af proteoglykaner. Desuden blev det fundet, at TGF-beta øger niveauet af kollagenase-3 (MMP-13) i aktiverede kondrocytter, hvilket er i modstrid med den generelle idé om TGF-beta som en faktor, der tværtimod reducerer frigivelsen af destruktive proteaser. Det vides dog ikke, om TGF-beta-induceret MMP-13-syntese er involveret i patogenesen af artrose. TGF-beta stimulerer ikke blot syntesen af proteoglykaner, men fremmer også deres aflejring i ledbånd og sener, hvilket øger stivheden og reducerer bevægelsesområdet i leddene.

BMP'er er medlemmer af TGF-beta-superfamilien. Nogle af dem (BMP-2, BMP-7 og BMP-9) har den egenskab at stimulere syntesen af proteoglykaner af chondrocytter. BMP'er udøver deres virkning ved at binde til specifikke receptorer på celleoverfladen; signalvejene for TGF-beta og BMP'er adskiller sig en smule. Ligesom TGF-beta signalerer BMP'er gennem serin/threoninkinase-receptorkomplekset type I og II. I dette kompleks transfosforyleres type II-receptoren og aktiverer type I-receptoren, som transmitterer signalet til signalmolekyler kaldet Smads. Efter at have modtaget signalet fosforyleres Smads hurtigt. Det er i øjeblikket kendt, at Smads-1, -5 og -8 fosforyleres i BMP-signalvejen, og at Smads-2 og Smad-3 fosforyleres i TGF-beta-signalvejen. Derefter associerer de navngivne Smad-proteiner sig med Smad-4, som er fælles for signalvejene hos alle medlemmer af TGF-beta-superfamilien. Denne kendsgerning forklarer tilstedeværelsen af krydsfunktioner hos medlemmer af TGF-beta-superfamilien, såvel som fænomenet med gensidig hæmning af TGF-beta- og BMP-signalvejene ved at konkurrere om fælles komponenter. For ikke så længe siden blev en anden klasse af Smad-proteiner identificeret, som er repræsenteret af Smad-6 og -7. Disse molekyler fungerer som regulatorer af TGF-beta- og BMP-signalvejene.

Selvom CMP's stimulerende effekt på proteoglykansyntese har været kendt i lang tid, er deres rolle i reguleringen af ledbruskfunktionen fortsat kontroversiel på grund af CMP's kendte evne til at forårsage cellededifferentiering, stimulere forkalkning og dannelse af knoglevæv. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) viste, at interaktionen mellem CMP og CMP-receptor type II er nødvendig for at opretholde den differentierede fænotype af chondrocytter, samt for at kontrollere deres proliferation og hypertrofi. Ifølge LZ Sailor et al. (1996) opretholder CMP-2 fænotypen af chondrocytter i kultur i 4 uger uden at forårsage deres hypertrofi. CMP-7 (identisk med osteogent protein-1) opretholder fænotypen af modne chondrocytter af ledbrusk dyrket i alginat i lang tid.

Introduktionen af KMP-2 og -9 i knæleddene hos mus øgede proteoglykansyntesen med 300%, hvilket er signifikant mere end TGF-beta. Den stimulerende effekt var dog midlertidig, og efter et par dage vendte synteseniveauet tilbage til det oprindelige niveau. TGF-beta forårsagede en længerevarende stimulering af proteoglykansyntesen, hvilket sandsynligvis skyldes autoinduktionen af TGF-beta og sensibilisering af chondrocytter over for denne faktor.

TGF-beta er ansvarlig for dannelsen af kondrofytter, hvilket kan betragtes som en uønsket effekt af dets virkning. KMP-2 fremmer også dannelsen af kondrofytter, men i et andet område af ledranden (primært i vækstpladens område).

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

Bruskmorfogenetiske proteiner

Bruskmorfogenetiske proteiner (CMP-1 og -2) er andre medlemmer af TGF-beta-superfamilien, der er essentielle for dannelsen af bruskvæv under lemmernes udvikling. Mutationer i CMP-1-genet forårsager kondrodysplasi. CMP'er kan have en mere selektiv, bruskmålrettet profil. Selvom TGF-beta og CMP'er kan stimulere kondrocytter, kan de virke på mange andre celler, så deres anvendelse til bruskreparation kan være forbundet med bivirkninger. Begge typer CMP'er findes i brusken i raske og slidgigtled og fremmer reparationen af ledbrusk-ECM efter enzymatisk nedbrydning, hvilket opretholder en normal fænotype.

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

Synergisme af vækstfaktorer

Én vækstfaktor er i stand til at inducere sig selv, såvel som andre vækstfaktorer, og denne interaktion er fint reguleret. For eksempel giver FGF sammen med andre vækstfaktorer en mere effektiv reparation af ledbrusk efter en traumatisk defekt. IGF-1 inducerer sammen med TGF-beta signifikant den normale fænotype af chondrocytter, når de dyrkes in vitro. Det blev påvist, at TGF-beta forhindrer produktionen af IGF-1 og IGF-BP, og også defosforylerer IGF-1-receptoren, stimulerer IGF-1-binding. I intakt musebrusk blev fænomenet synergisme mellem IGF-1 og mange vækstfaktorer fundet. Imidlertid kan chondrocytternes svage respons på IGF-1 ikke udlignes ved at bruge det i kombination med andre vækstfaktorer.

Interaktion mellem anabolske og destruktive cytokiner

Vækstfaktorer udviser komplekse interaktioner med IL-1. For eksempel øger præeksponering af chondrocytter for FGF proteasefrigivelsen efter IL-1-eksponering, muligvis gennem øget IL-1-receptorekspression. PDGF stimulerer også IL-1-afhængig proteasefrigivelse, men det reducerer IL-1-medieret hæmning af proteoglykansyntese. Dette kan indikere, at nogle vækstfaktorer samtidig kan stimulere bruskreparation og fremme dens ødelæggelse. Andre vækstfaktorer, såsom IGF-1 og TGF-β, stimulerer artikulær matrixsyntese og hæmmer IL-1-medieret artikulær bruskdestruktion, hvilket indikerer, at deres aktivitet kun er relateret til vævsreparation. Denne interaktion er uafhængig af chondrocytters præeksponering for IL-1. Interessant nok kan kinetikken af virkningerne af IL-1 og TGF-beta være anderledes: TGF-betas evne til at undertrykke nedbrydning af artikulær brusk dæmpes af dens langsomme virkning på TIMP mRNA. På den anden side observeres en stigning i hNOC- og NO-niveauer i fravær af TGF-beta. I betragtning af NO-afhængigheden af den undertrykkende effekt af IL-1 på proteoglykansyntese af chondrocytter, kan det forklare, hvorfor vi observerer en signifikant stærkere modvirkning af TGF-beta til IL-1-afhængig hæmning af proteoglykansyntese sammenlignet med proteoglykannedbrydning in vivo.

I et studie med mus injiceret intraartikulært med IL-1 og vækstfaktorer blev det påvist, at TGF-beta signifikant modvirker IL-1-medieret hæmning af proteoglykansyntesen i ledbrusk, hvorimod CMP-2 ikke er i stand til at modvirke dette: dets stimulerende potentiale blev fuldstændigt hæmmet af IL-1, selv ved høje koncentrationer af CMP-2. Det er værd at bemærke, at CMP-2 i fravær af IL-1 stimulerede proteoglykansyntesen meget mere intenst end TGF-beta.

Ud over sin effekt på proteoglykansyntesen påvirker TGF-beta også signifikant den IL-1-inducerede reduktion i bruskproteoglykanindholdet. Det er muligt, at proteoglykanindholdet falder eller stiger afhængigt af den relative koncentration af IL-1 og TGF-beta. Interessant nok blev den ovenfor beskrevne modvirkning af IL-1 og TGF-beta observeret i bruskens tykkelse, men dette fænomen blev ikke observeret nær kondrofytter ved kanterne af ledflader. Kondrofytdannelse induceres af TGF-β, som påvirker kondrogene celler i periosteum, hvilket forårsager udvikling af kondroblaster og proteoglykanaflejring. Tilsyneladende er disse kondroblaster ikke følsomme over for IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) undersøgte TGF-beta og KMP-2's evne til at modvirke undertrykkelsen af proteoglykansyntese i leddene hos mus med zymosan-induceret arthritis (dvs. i en model af "ren" IL-1-induceret inflammation). Intraartikulær administration af TGF-beta modvirkede signifikant undertrykkelsen af proteoglykansyntese forårsaget af inflammation, mens KMP-2 stort set ikke var i stand til at modvirke denne IL-1-afhængige proces. Gentagne injektioner af TGF-β i knæleddet hos de undersøgte dyr stimulerede signifikant proteoglykansyntesen af chondrocytter, bidrog til bevarelsen af eksisterende proteoglykaner i brusk udtømt af inflammation, men undertrykte ikke den inflammatoriske proces.

Når man studerer chondrocytters proteoglykan-syntetiserende funktion ved hjælp af eksperimentelle modeller af slidgigt hos dyr, er der altid observeret en stigning i indholdet og stimuleringen af syntesen af proteoglykaner i de tidlige stadier af slidgigt, i modsætning til inflammatoriske modeller, hvor der observeres signifikant hæmning af syntesen (IL-1-afhængig proces). Øget aktivitet af anabolske faktorer, især vækstfaktorer, som observeres ved slidgigt, neutraliserer effekten af sådanne suppressorcytokiner som IL-1. Blandt vækstfaktorerne er TGF-beta af største betydning; KMP-2 spiller sandsynligvis ikke en væsentlig rolle i denne proces. Selvom IGF-1 er i stand til at stimulere proteoglykansyntese in vitro, observeres denne egenskab ikke in vivo ved lokal anvendelse af IGF-1. Dette kan skyldes, at det endogene niveau af denne vækstfaktor er optimalt. I senere stadier af slidgigt opstår tegn på hæmning af proteoglykansyntese, hvilket sandsynligvis er forbundet med IL-1's dominerende virkning og vækstfaktorernes manglende evne til at modvirke den på grund af nedsat aktivitet.

Analyse af vækstfaktorekspression i STR/ORT-mus med spontan slidgigt viste øgede mRNA-niveauer af TGF-β og IL-1 i beskadiget brusk. Det skal bemærkes, at aktivering af TGF-β fra den latente form er et vigtigt element i vævsreparation. Forståelsen af TGF-β's rolle kompliceres af resultaterne af en undersøgelse af TGF-β type II-receptorekspression i ACL-kaniner. Umiddelbart efter induktion af slidgigt blev der påvist nedsatte niveauer af disse receptorer, hvilket indikerer utilstrækkelig TGF-β-signalering. Interessant nok viste TGF-β-receptor type 11-defekte mus tegn på spontan slidgigt, hvilket også indikerer en vigtig rolle for TGF-β-signalering i forringelsen af bruskreparation og udviklingen af slidgigt.

Det absolutte indhold af vækstfaktorer i leddene hos patienter med leddegigt eller slidgigt kan indikere deres mulige rolle i patogenesen af disse sygdomme. Men på trods af at der findes høje koncentrationer af vækstfaktorer i led med slidgigt og leddegigt, er nedbrydnings- og reparationsprocessernes natur i begge sygdomme helt forskellig. Der er sandsynligvis andre, endnu uidentificerede faktorer, der spiller en væsentlig rolle i patogenesen af disse sygdomme, eller andre aspekter af de undersøgte fænomener bestemmer forløbet af nedbrydnings- og reparationsprocesser i ledvæv (for eksempel ekspressionen af visse receptorer på overfladen af chondrocytter, opløselige receptorer, der binder proteiner, eller en ubalance mellem anabolske og destruktive faktorer).