Pembaikan rawan artikular dan faktor pertumbuhan dalam patogenesis osteoarthritis

Terima kasih kepada kemajuan bioteknologi, khususnya teknologi pengklonan, senarai faktor pertumbuhan yang, sebagai faktor anabolik, memainkan peranan penting, tetapi tidak difahami sepenuhnya dalam patogenesis osteoarthritis baru-baru ini telah diperluaskan secara intensif.

Kumpulan pertama faktor pertumbuhan yang dibincangkan di bawah ialah IGF. Ia didapati dalam kuantiti yang banyak dalam serum darah dan mempunyai beberapa sifat yang sama dengan insulin. IGF-2 lebih tipikal untuk peringkat perkembangan embrio, manakala IGF-1 adalah wakil dominan kumpulan pada orang dewasa. Kedua-dua wakil kumpulan ini bertindak dengan mengikat kepada reseptor jenis IGF I. Walaupun fungsi IGF-2 masih tidak diketahui, kepentingan IGF-1 telah pun ditentukan - ia mampu merangsang sintesis proteoglycans oleh kondrosit dan dengan ketara menghalang proses katabolik dalam rawan artikular. IGF-1 ialah rangsangan anabolik utama untuk sintesis proteoglikan oleh kondrosit, terdapat dalam serum darah dan cecair sinovial. IGF-1 adalah faktor penting untuk membiakkan kondrosit dalam model eksperimen osteoarthrosis secara in vitro. Diandaikan bahawa IGF-1 memasuki cecair sinovial dari plasma darah. Di samping itu, kondrosit normal menghasilkan kedua-dua faktor - ekspresi IGF-1 dan IGF-2 ditemui dalam membran sinovial dan rawan pesakit dengan osteoarthrosis. Dalam rawan biasa, IGF-1 tidak mempunyai sifat mitogenik, tetapi mampu merangsang percambahan sel dalam matriks yang rosak, yang menunjukkan penyertaan dalam proses reparatif.

Bahan aktif secara biologi yang merangsang pemulihan dan menghalang degradasi rawan artikular

• Insulin
• Interferon gamma
• Hormon somatotropik, androgen
• Somatomedin (IPF-1 dan -2)
• TGF-beta (faktor pertumbuhan tisu)
• Faktor pertumbuhan yang berasal dari platelet
• Faktor pertumbuhan fibroblast asas
• EFR
• Antagonis reseptor IL-1
• Protein pengikat TNF-a
• Perencat tisu metalloprotease
• a ₂ -makroglobulin
• ai-antitrypsin
• RG-makroglobulin
• Rg-antichymotrypsin

Tindakan IGF-1 dan IGF-2 dikawal oleh pelbagai protein pengikat IGF (IGF-BP), yang juga dihasilkan oleh kondrosit. IGF-BP boleh bertindak sebagai pembawa dan juga mempunyai aktiviti menyekat IGF. Sel-sel yang diasingkan daripada rawan artikular pesakit dengan osteoarthrosis menghasilkan jumlah IGF-BP yang berlebihan, menunjukkan bahawa mereka menyekat kesan IGF. J. Martel-Pelletier et al. (1998) menunjukkan bahawa walaupun sintesis IGF-1 dalam rawan meningkat dalam osteoarthrosis, kondrosit bertindak balas lemah terhadap rangsangan IGF-1. Ternyata fenomena ini dikaitkan (sekurang-kurangnya sebahagiannya) dengan peningkatan tahap IGF-BP. IGF-BP mempunyai pertalian tinggi untuk IGF dan merupakan biomodulator penting dalam aktivitinya. Sehingga kini, tujuh jenis IGF-BP telah dikaji, dan disregulasi IGF-BP-3 dan IGF-BP-4 memainkan peranan penting dalam osteoarthritis.

Satu lagi kategori faktor pertumbuhan yang mempamerkan kesan berbeza pada kondrosit termasuk faktor pertumbuhan terbitan platelet (PDGF), FGF, dan TGF-beta. Faktor-faktor ini dihasilkan bukan sahaja oleh kondrosit tetapi juga oleh sinovosit yang diaktifkan. FGF mempunyai kedua-dua sifat anabolik dan katabolik bergantung kepada kepekatan dan keadaan rawan artikular. PDGF terlibat dalam mengekalkan homeostasis ECM rawan artikular tanpa mempunyai sifat mitogenik yang jelas. Faktor pertumbuhan ini diketahui dapat meningkatkan sintesis proteoglikan dan mengurangkan degradasinya.

TGF-beta amat diminati kerana peranannya dalam patogenesis osteoarthritis. Ia adalah ahli superfamili TGF yang besar dan berkongsi sifat berfungsi dan isyarat dengan faktor pertumbuhan BMP (protein morfogenetik tulang) yang baru ditemui.

TGF-beta ialah faktor pleiotropik: di satu pihak, ia mempunyai sifat imunosupresif, sebaliknya, ia adalah faktor kemotaktik dan perangsang percambahan fibroblast yang kuat. Ciri-ciri unik TGF-beta ialah keupayaan untuk menghalang pembebasan enzim daripada pelbagai sel dan dengan ketara meningkatkan pengeluaran perencat enzim (contohnya, TIMP). TGF-beta dianggap sebagai pengawal selia penting kerosakan tisu akibat keradangan. Oleh itu, dalam tisu rawan artikular, TGF-beta dengan ketara merangsang pengeluaran matriks oleh kondrosit, terutamanya selepas pra-pendedahan kepada faktor ini. Rawan biasa tidak sensitif kepada TGF-beta. Pada pesakit dengan OA, TGF-β merangsang pengeluaran aggrecan dan proteoglikan kecil dalam rawan artikular.

TGF-beta dihasilkan oleh banyak sel, terutamanya kondrosit. Ia dibebaskan dalam bentuk laten yang terikat kepada protein khas yang dipanggil protein berkaitan kependaman (LAP). Pemisahan daripada protein ini dicapai oleh protease, yang dihasilkan dalam kuantiti yang banyak dalam tisu yang meradang. Selain daripada TGF-beta, yang dihasilkan oleh sel yang diaktifkan, simpanan bentuk terpendam faktor ini adalah elemen penting kereaktifan TGF-beta dalam tisu selepas kecederaan tempatan. TGF-beta hadir dalam kuantiti yang ketara dalam cecair sinovial, membran sinovial, dan rawan sendi yang terjejas oleh osteoarthrosis. Di kawasan tisu yang rosak dengan infiltrat keradangan, ekspresi bersama TNF dan IL-1 dikesan, manakala di kawasan dengan fibrosis, hanya ekspresi TGF-beta dikesan.

Inkubasi kondrosit berbudaya daripada pesakit osteoarthritis dengan TGF-beta menyebabkan peningkatan ketara dalam sintesis proteoglikan oleh sel-sel ini. Rangsangan kondrosit normal dengan TGF-beta menyebabkan peningkatan dalam sintesis proteoglikan hanya selepas beberapa hari inkubasi. Mungkin masa ini diperlukan untuk fenotip sel berubah di bawah pengaruh TGF-beta (contohnya, untuk perubahan dalam apa yang dipanggil petak proteoglikan: proteoglycans yang baru dicipta disetempatkan hanya di sekitar kondrosit).

Adalah diketahui bahawa pengaktifan sintesis faktor pertumbuhan, khususnya TGF-beta, adalah pautan penting dalam patogenesis fibrosis buah pinggang dan hepatik, dan pembentukan parut semasa penyembuhan luka. Peningkatan beban pada kondrosit secara in vitro membawa kepada hiperproduksi TGF-beta, manakala penurunan sintesis proteoglikan selepas imobilisasi anggota boleh disamakan oleh TGF-beta. TGF-beta mendorong pembentukan osteofit di zon marginal sendi sebagai mekanisme penyesuaian kepada perubahan beban. IL-1, menyebabkan proses keradangan sederhana dalam sinovium sebagai tindak balas kepada kerosakan sendi, menggalakkan pembentukan kondrosit dengan fenotip yang diubah, yang menghasilkan jumlah yang berlebihan.

Suntikan tempatan berulang TGF-beta rekombinan pada kepekatan tinggi membawa kepada perkembangan osteoartritis pada tikus C57B1 - pembentukan osteofit, yang merupakan ciri osteoarthritis manusia, dan kehilangan ketara proteoglikan dalam zon "sempadan bergelombang".

Untuk memahami bagaimana TGF-beta yang berlebihan menyebabkan perubahan yang diketahui dalam rawan, adalah perlu untuk ambil perhatian bahawa pendedahan TGF-β mendorong fenotip kondrosit ciri dengan perubahan dalam subkelas proteoglycans yang disintesis dan gangguan penyepaduan normal unsur ECM. Kedua-dua IGF-1 dan TGF-beta merangsang sintesis proteoglycan oleh kondrosit yang dikultur dalam alginat, tetapi yang kedua juga mendorong apa yang dipanggil pembahagian proteoglikan. Selain itu, TGF-beta didapati meningkatkan tahap kolagenase-3 (MMP-13) dalam kondrosit yang diaktifkan, yang bertentangan dengan idea umum TGF-beta sebagai faktor yang, sebaliknya, mengurangkan pembebasan protease yang merosakkan. Walau bagaimanapun, tidak diketahui sama ada sintesis MMP-13 yang disebabkan oleh TGF-beta terlibat dalam patogenesis OA. TGF-beta bukan sahaja merangsang sintesis proteoglikan, tetapi juga menggalakkan pemendapan mereka dalam ligamen dan tendon, meningkatkan kekakuan dan mengurangkan julat pergerakan pada sendi.

BMP ialah ahli keluarga super TGF-beta. Sebahagian daripada mereka (BMP-2, BMP-7, dan BMP-9) mempunyai sifat merangsang sintesis proteoglikan oleh kondrosit. BMP memberikan kesannya dengan mengikat kepada reseptor tertentu pada permukaan sel; laluan isyarat TGF-beta dan BMP berbeza sedikit. Seperti TGF-beta, BMP memberi isyarat melalui kompleks reseptor kinase serine/threonine jenis I dan II. Dalam kompleks ini, reseptor jenis II adalah trans-fosforilasi dan mengaktifkan reseptor jenis I, yang menghantar isyarat kepada molekul isyarat yang dipanggil Smads. Selepas menerima isyarat, Smads cepat terfosforilasi. Pada masa ini diketahui bahawa dalam laluan isyarat BMP, Smads-1, -5, dan -8 terfosforilasi, dan dalam laluan isyarat TGF-beta, Smads-2 dan Smad-3 terfosforilasi. Kemudian Smads yang dinamakan mengaitkan dengan Smad-4, yang biasa kepada laluan isyarat semua ahli keluarga super TGF-beta. Fakta ini menerangkan kehadiran fungsi silang dalam ahli superfamili TGF-beta, serta fenomena perencatan bersama laluan isyarat TGF-beta dan BMP dengan bersaing untuk komponen biasa. Tidak lama dahulu, satu lagi kelas protein Smad telah dikenalpasti, yang diwakili oleh Smad-6 dan -7. Molekul ini bertindak sebagai pengawal selia laluan isyarat TGF-beta dan BMP.

Walaupun fakta bahawa kesan rangsangan CMP pada sintesis proteoglycan telah diketahui sejak sekian lama, peranan mereka dalam pengawalseliaan fungsi rawan artikular masih menjadi kontroversi kerana keupayaan CMP yang diketahui menyebabkan dedifferentiasi sel, merangsang kalsifikasi dan pembentukan tisu tulang. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) menunjukkan bahawa interaksi CMP dengan reseptor CMP jenis II adalah perlu untuk mengekalkan fenotip kondrosit yang dibezakan, serta mengawal percambahan dan hipertrofinya. Menurut LZ Sailor et al. (1996), CMP-2 mengekalkan fenotip kondrosit dalam kultur selama 4 minggu tanpa menyebabkan hipertrofi mereka. CMP-7 (sama dengan protein osteogenik-1) mengekalkan fenotip kondrosit matang rawan artikular yang dikultur dalam alginat untuk masa yang lama.

Pengenalan KMP-2 dan -9 ke dalam sendi lutut tikus meningkatkan sintesis proteoglycan sebanyak 300%, lebih ketara daripada TGF-beta. Walau bagaimanapun, kesan rangsangan adalah sementara, dan selepas beberapa hari tahap sintesis kembali ke tahap awal. TGF-beta menyebabkan rangsangan jangka panjang sintesis proteoglycan, yang mungkin disebabkan oleh autoinduksi TGF-beta dan pemekaan kondrosit kepada faktor ini.

TGF-beta bertanggungjawab untuk pembentukan chondrophytes, yang boleh dianggap sebagai kesan yang tidak diingini dari tindakannya, KMP-2 juga menggalakkan pembentukan chondrophytes, tetapi di kawasan yang berbeza dari margin artikular (terutamanya di kawasan plat pertumbuhan).

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

Protein morfogenetik rawan

Protein morfogenetik rawan (CMP-1 dan -2) adalah ahli superfamili TGF-beta yang lain yang penting untuk pembentukan tisu rawan semasa perkembangan anggota badan. Mutasi dalam gen CMP-1 menyebabkan chondrodysplasia. CMP mungkin mempunyai profil penyasaran rawan yang lebih selektif. Walaupun TGF-beta dan CMP boleh merangsang kondrosit, ia boleh bertindak pada banyak sel lain, jadi penggunaannya untuk pembaikan rawan mungkin dikaitkan dengan kesan sampingan. Kedua-dua jenis CMP ditemui dalam rawan sendi yang sihat dan osteoartritis dan menggalakkan pembaikan ECM rawan artikular selepas degradasi enzimatik, mengekalkan fenotip normal.

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

Sinergisme faktor pertumbuhan

Satu faktor pertumbuhan mampu mendorong dirinya sendiri, serta faktor pertumbuhan lain, interaksi ini dikawal dengan baik. Sebagai contoh, FGF bersama dengan faktor pertumbuhan lain menyediakan pembaikan yang lebih berkesan bagi rawan artikular selepas kecacatan traumatik. IGF-1 bersama-sama dengan TGF-beta dengan ketara mendorong fenotip normal kondrosit apabila mengkulturnya secara in vitro. Ia telah ditunjukkan bahawa TGF-beta menghalang pengeluaran IGF-1 dan IGF-BP, dan juga menyahfosforilasi reseptor IGF-1, merangsang pengikatan IGF-1. Dalam rawan tikus yang utuh, fenomena sinergi IGF-1 dengan banyak faktor pertumbuhan ditemui. Walau bagaimanapun, tindak balas lemah kondrosit kepada IGF-1 tidak boleh disamakan dengan menggunakannya dalam kombinasi dengan faktor pertumbuhan lain.

Interaksi sitokin anabolik dan pemusnah

Faktor pertumbuhan mempamerkan interaksi yang kompleks dengan IL-1. Sebagai contoh, prapendedahan kondrosit kepada FGF meningkatkan pembebasan protease selepas pendedahan IL-1, mungkin melalui peningkatan ekspresi reseptor IL-1. PDGF juga merangsang pembebasan protease yang bergantung kepada IL-1, tetapi ia mengurangkan perencatan sintesis proteoglycan yang dimediasi IL-1. Ini mungkin menunjukkan bahawa beberapa faktor pertumbuhan secara serentak boleh merangsang pembaikan rawan dan menggalakkan kemusnahannya. Faktor pertumbuhan lain, seperti IGF-1 dan TGF-β, merangsang sintesis matriks artikular dan menghalang pemusnahan rawan artikular yang dimediasi IL-1, menunjukkan bahawa aktiviti mereka hanya berkaitan dengan pembaikan tisu. Interaksi ini adalah bebas daripada prapendedahan kondrosit kepada IL-1. Menariknya, kinetik kesan IL-1 dan TGF-beta mungkin berbeza: keupayaan TGF-beta untuk menekan degradasi rawan artikular dilemahkan oleh tindakan perlahan pada mRNA TIMP. Sebaliknya, peningkatan tahap hNOC dan NO diperhatikan jika tiada TGF-beta. Memandangkan kebergantungan NO kesan menindas IL-1 pada sintesis proteoglycan oleh kondrosit, ia mungkin menjelaskan mengapa kita memerhatikan tindak balas yang lebih kuat daripada TGF-beta kepada perencatan yang bergantung kepada IL-1 terhadap sintesis proteoglycan berbanding dengan degradasi proteoglycan dalam vivo.

Dalam kajian pada tikus yang disuntik secara intra-artikular dengan IL-1 dan faktor pertumbuhan, telah ditunjukkan bahawa TGF-beta dengan ketara menentang perencatan IL-1-pengantara sintesis proteoglycan rawan artikular, manakala CMP-2 tidak mampu melakukan tindak balas sedemikian: potensi rangsangannya telah dihalang sepenuhnya oleh IL-1MP yang tinggi walaupun pada kepekatan IL-1MP yang tinggi. Terutama, dengan ketiadaan IL-1, CMP-2 merangsang sintesis proteoglycan jauh lebih sengit daripada TGF-beta.

Sebagai tambahan kepada kesannya terhadap sintesis proteoglycan, TGF-beta juga mempengaruhi pengurangan yang disebabkan oleh IL-1 dalam kandungan proteoglycan rawan. Ada kemungkinan kandungan proteoglycan berkurangan atau meningkat bergantung pada kepekatan relatif IL-1 dan TGF-beta. Menariknya, tindak balas IL-1 dan TGF-beta yang diterangkan di atas diperhatikan dalam ketebalan rawan, tetapi fenomena ini tidak diperhatikan berhampiran chondrophytes di tepi permukaan artikular. Pembentukan Chondrophyte disebabkan oleh TGF-β, yang menjejaskan sel kondrogenik dalam periosteum, menyebabkan perkembangan kondroblas dan pemendapan proteoglycan. Nampaknya, kondroblas ini tidak sensitif kepada IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) mengkaji keupayaan TGF-beta dan KMP-2 untuk mengatasi penindasan sintesis proteoglycan dalam sendi tikus dengan arthritis yang disebabkan oleh zymosan (iaitu, dalam model keradangan yang disebabkan oleh IL-1 "tulen"). Pentadbiran intra-artikular TGF-beta dengan ketara mengatasi penindasan sintesis proteoglycan yang disebabkan oleh keradangan, manakala KMP-2 hampir tidak dapat mengatasi proses yang bergantung kepada IL-1 ini. Suntikan berulang TGF-β ke dalam sendi lutut haiwan yang dikaji secara signifikan merangsang sintesis proteoglycan oleh kondrosit, menyumbang kepada pemeliharaan proteoglycans sedia ada dalam rawan yang habis oleh keradangan, tetapi tidak menyekat proses keradangan.

Apabila mengkaji fungsi pensintesis proteoglycan kondrosit menggunakan model eksperimen osteoarthrosis pada haiwan, peningkatan dalam kandungan dan rangsangan sintesis proteoglycans pada peringkat awal OA sentiasa diperhatikan, berbeza dengan model keradangan, di mana perencatan ketara sintesis (proses yang bergantung kepada IL-1). Peningkatan aktiviti faktor anabolik, khususnya faktor pertumbuhan, yang diperhatikan dalam osteoarthrosis, meneutralkan kesan sitokin penindas seperti IL-1. Antara faktor pertumbuhan, TGF-beta adalah yang paling penting; KMP-2 tidak mungkin memainkan peranan penting dalam proses ini. Walaupun IGF-1 mampu merangsang sintesis proteoglikan secara in vitro, sifat ini tidak diperhatikan secara in vivo dengan aplikasi tempatan IGF-1. Ini mungkin disebabkan oleh fakta bahawa tahap endogen faktor pertumbuhan ini adalah optimum. Pada peringkat akhir osteoarthritis, tanda-tanda perencatan sintesis proteoglycan muncul, yang mungkin dikaitkan dengan tindakan dominan IL-1 dan ketidakupayaan faktor pertumbuhan untuk mengatasinya disebabkan penurunan aktiviti.

Analisis ekspresi faktor pertumbuhan dalam tikus STR/ORT dengan osteoarthritis spontan menunjukkan peningkatan tahap mRNA TGF-β dan IL-1 dalam rawan yang rosak. Perlu diingatkan bahawa pengaktifan TGF-β daripada bentuk terpendam adalah elemen penting dalam pembaikan tisu. Memahami peranan TGF-β adalah rumit oleh hasil kajian ekspresi reseptor jenis TGF-β II dalam arnab ACL. Sejurus selepas induksi osteoarthritis, penurunan tahap reseptor ini dikesan, menunjukkan isyarat TGF-β yang tidak mencukupi. Menariknya, tikus kekurangan reseptor TGF-β jenis 11 menunjukkan tanda-tanda osteoarthritis spontan, yang juga menunjukkan peranan penting isyarat TGF-β dalam kemerosotan pembaikan tulang rawan dan perkembangan osteoarthritis.

Kandungan mutlak faktor pertumbuhan dalam sendi pesakit dengan arthritis rheumatoid atau osteoarthrosis mungkin menunjukkan kemungkinan peranan mereka dalam patogenesis penyakit ini. Walau bagaimanapun, walaupun fakta bahawa kepekatan tinggi faktor pertumbuhan ditemui pada sendi dengan osteoarthrosis dan arthritis rheumatoid, sifat degradasi dan proses pembaikan dalam kedua-dua penyakit adalah berbeza sama sekali. Mungkin, terdapat faktor lain yang masih belum dikenal pasti yang memainkan peranan utama dalam patogenesis penyakit ini, atau aspek lain dari fenomena yang dikaji menentukan perjalanan proses degradasi dan pembaikan dalam tisu sendi (contohnya, ekspresi reseptor tertentu pada permukaan kondrosit, reseptor larut yang mengikat protein, atau ketidakseimbangan faktor anabolik dan pemusnah).