Nivelruston korjaus ja kasvutekijät nivelrikon patogeneesissä

Bioteknologian, erityisesti kloonausteknologian, kehityksen ansiosta niiden kasvutekijöiden luetteloa, joilla anabolisina tekijöinä on tärkeä, mutta ei täysin ymmärretty rooli nivelrikon patogeneesissä, on viime aikoina laajennettu voimakkaasti.

Ensimmäinen alla käsiteltävä kasvutekijöiden ryhmä ovat IGF:t. Niitä esiintyy suurina määrinä veriseerumissa, ja niillä on useita yhteisiä ominaisuuksia insuliinin kanssa. IGF-2 on tyypillisempi alkionkehitysvaiheelle, kun taas IGF-1 on ryhmän hallitseva edustaja aikuisilla. Molemmat tämän ryhmän edustajat toimivat sitoutumalla IGF-tyypin I reseptoreihin. Vaikka IGF-2:n toiminta on edelleen tuntematon, IGF-1:n merkitys on jo määritetty - se kykenee stimuloimaan proteoglykaanien synteesiä kondrosyyteissä ja estämään merkittävästi katabolisia prosesseja nivelrustossa. IGF-1 on tärkein anabolinen ärsyke kondrosyyttien proteoglykaanien synteesille, ja sitä esiintyy veriseerumissa ja nivelnesteessä. IGF-1 on tärkeä tekijä kondrosyyttien viljelyssä osteoartroosin kokeellisissa malleissa in vitro. Oletetaan, että IGF-1 pääsee nivelnesteeseen veriplasmasta. Lisäksi normaalit kondrosyytit tuottavat molempia tekijöitä - IGF-1:n ja IGF-2:n ilmentymistä havaittiin nivelrikosta kärsivien potilaiden nivelkalvossa ja rustossa. Normaalissa rustossa IGF-1:llä ei ole mitogeenisiä ominaisuuksia, mutta se kykenee stimuloimaan solujen lisääntymistä vaurioituneessa matriisissa, mikä osoittaa osallistumista korjaaviin prosesseihin.

Biologisesti aktiiviset aineet, jotka stimuloivat nivelruston korjausta ja estävät sen hajoamista

• Insuliini
• Gamma-interferoni
• Somatotrooppinen hormoni, androgeenit
• Somatomediinit (IPF-1 ja -2)
• TGF-beeta (kudoskasvutekijä)
• Verihiutaleista peräisin oleva kasvutekijä
• Perusfibroblastikasvutekijä
• EFR
• IL-1-reseptorin antagonisti
• TNF-a:ta sitovat proteiinit
• Metalloproteinaasien kudosinhibiittorit
• α2 makroglobuliini
• ai-antitrypsiini
• RG-makroglobuliini
• Rg-antikymotrypsiini

IGF-1:n ja IGF-2:n vaikutuksia säätelevät erilaiset IGF:ää sitovat proteiinit (IGF-BP), joita myös kondrosyytit tuottavat. IGF-BP voi toimia kantajana ja sillä voi olla myös IGF:n toimintaa estävä vaikutus. Nivelrikkopotilaiden nivelrustosta eristetyt solut tuottavat liikaa IGF-BP:tä, mikä osoittaa, että ne estävät IGF:n vaikutuksia. J. Martel-Pelletier ym. (1998) osoittivat, että vaikka IGF-1:n synteesi rustossa lisääntyy nivelrikossa, kondrosyytit reagoivat heikosti IGF-1-stimulaatioon. Kävi ilmi, että tämä ilmiö liittyy (ainakin osittain) IGF-BP:n tason nousuun. IGF-BP:llä on korkea affiniteetti IGF:ään ja se on tärkeä sen aktiivisuuden biomodulaattori. Tähän mennessä on tutkittu seitsemää IGF-BP-tyyppiä, ja IGF-BP-3:n ja IGF-BP-4:n säätelyhäiriöillä on tärkeä rooli nivelrikossa.

Toinen kasvutekijöiden luokka, jolla on erilaisia vaikutuksia kondrosyytteihin, ovat verihiutaleista peräisin oleva kasvutekijä (PDGF), FGF ja TGF-beeta. Näitä tekijöitä tuottavat paitsi kondrosyytit myös aktivoituneet synovosyytit. FGF:llä on sekä anabolisia että katabolisia ominaisuuksia riippuen nivelruston pitoisuudesta ja kunnosta. PDGF osallistuu nivelruston solukalvon homeostaasin ylläpitämiseen ilman ilmeisiä mitogeenisiä ominaisuuksia. Tämän kasvutekijän tiedetään tehostavan proteoglykaanien synteesiä ja vähentävän niiden hajoamista.

TGF-beeta on erityisen kiinnostava roolinsa vuoksi nivelrikon patogeneesissä. Se kuuluu suureen TGF-superperheeseen ja sillä on yhteisiä toiminnallisia ja signalointiominaisuuksia äskettäin löydettyjen BMP (luun morfogeneettisen proteiinin) kasvutekijöiden kanssa.

TGF-beeta on pleiotrooppinen tekijä: toisaalta sillä on immunosuppressiivisia ominaisuuksia, toisaalta se on kemotaktinen tekijä ja voimakas fibroblastien lisääntymisen stimulaattori. TGF-beetan ainutlaatuisia ominaisuuksia ovat kyky estää entsyymien vapautumista eri soluista ja lisätä merkittävästi entsyymi-inhibiittorien (esimerkiksi TIMP) tuotantoa. TGF-beetaa pidetään tärkeänä tulehduksen aiheuttamien kudosvaurioiden säätelijänä. Siten nivelrustokudoksessa TGF-beeta stimuloi merkittävästi kondrosyyttien matriisin tuotantoa, erityisesti tämän tekijän vaikutuksen alaisena. Normaali rusto on epäherkkä TGF-beetalle. Nivelrikkopotilailla TGF-β stimuloi aggrekaanien ja pienten proteoglykaanien tuotantoa nivelrustossa.

TGF-beetaa tuottavat monet solut, erityisesti kondrosyytit. Se vapautuu latentissa muodossa sitoutuneena erityiseen proteiiniin, jota kutsutaan latenssivaiheen proteiiniksi (LAP). Irtoaminen tästä proteiinista tapahtuu proteaasien avulla, joita tuotetaan suuria määriä tulehtuneissa kudoksissa. Aktivoituneiden solujen tuottaman TGF-beetan lisäksi tämän tekijän latentin muodon varastot ovat tärkeä osa TGF-beetan reaktiivisuutta kudoksessa paikallisen vamman jälkeen. TGF-beetaa esiintyy merkittäviä määriä nivelnesteessä, nivelkalvossa ja nivelrikon rustossa. Vaurioituneen kudoksen alueilla, joilla on tulehdusinfiltraatteja, havaitaan TNF:n ja IL-1:n samanaikaista ilmentymistä, kun taas fibroosialueilla havaitaan vain TGF-beetan ilmentymistä.

Nivelrikkopotilailta peräisin olevien viljeltyjen kondrosyyttien inkubointi TGF-beetan kanssa lisää merkittävästi näiden solujen proteoglykaanisynteesiä. Normaalien kondrosyyttien stimulointi TGF-beetalla lisää proteoglykaanisynteesiä vasta useiden inkubointipäivien jälkeen. Tämä aika on ehkä tarpeen, jotta solun fenotyyppi muuttuu TGF-beetan vaikutuksesta (esimerkiksi niin sanotun proteoglykaanien kompartmentalisaation muutokselle: uudet proteoglykaanit sijaitsevat vain kondrosyyttien ympärillä).

Tiedetään, että kasvutekijöiden, erityisesti TGF-beetan, synteesin aktivaatio on tärkeä lenkki munuais- ja maksafibroosin patogeneesissä sekä arven muodostumisessa haavan paranemisen aikana. Lisääntynyt kondrosyyttien kuormitus in vitro johtaa TGF-beetan liikatuotantoon, kun taas raajan immobilisaation jälkeistä proteoglykaanisynteesin vähenemistä voidaan tasoittaa TGF-beetalla. TGF-beeta indusoi osteofyyttien muodostumista nivelten reunavyöhykkeellä osana sopeutumismekanismia kuormituksen muutoksiin. IL-1, joka aiheuttaa kohtalaisen tulehdusprosessin nivelkalvossa vasteena nivelvaurioon, edistää muuttuneen fenotyypin omaavien kondrosyyttien muodostumista, jotka tuottavat liikaa IL-1:tä.

Toistuvat paikalliset rekombinantti-TGF-beeta-injektiot suurina pitoisuuksina johtivat nivelrikon kehittymiseen C57B1-hiirillä – osteofyyttien muodostumiseen, mikä on tyypillistä ihmisen nivelrikolle, ja merkittävään proteoglykaanien menetykseen "aaltoilevan reunan" alueella.

Ymmärtääkseen, miten liiallinen TGF-beeta aiheuttaa tunnetut ruston muutokset, on huomattava, että altistuminen TGF-β:lle indusoi tyypillisen kondrosyyttifenotyypin, jossa syntetisoitujen proteoglykaanien alaluokka muuttuu ja ECM-elementtien normaali integraatio häiriintyy. Sekä IGF-1 että TGF-beeta stimuloivat proteoglykaanien synteesiä alginaatissa viljellyissä kondrosyyteissä, mutta jälkimmäinen indusoi myös niin sanottua proteoglykaanien kompartmentalisaatiota. Lisäksi TGF-beetan havaittiin lisäävän kollagenaasi-3:n (MMP-13) tasoa aktivoiduissa kondrosyyteissä, mikä on ristiriidassa yleisen käsityksen kanssa TGF-beetasta tekijänä, joka päinvastoin vähentää tuhoavien proteaasien vapautumista. Ei kuitenkaan tiedetä, onko TGF-beetan indusoimalla MMP-13:n synteesillä osallisuutta nivelrikon patogeneesiin. TGF-beeta ei ainoastaan stimuloi proteoglykaanien synteesiä, vaan myös edistää niiden kertymistä nivelsiteisiin ja jänteisiin, mikä lisää jäykkyyttä ja vähentää nivelten liikerataa.

BMP:t kuuluvat TGF-beeta-superperheeseen. Joillakin niistä (BMP-2, BMP-7 ja BMP-9) on kyky stimuloida kondrosyyttien proteoglykaanien synteesiä. BMP:t vaikuttavat sitoutumalla spesifisiin reseptoreihin solun pinnalla; TGF-beetan ja BMP:iden signalointireitit eroavat hieman toisistaan. Kuten TGF-beeta, BMP:t signaloivat seriini/treoniinikinaasireseptorikompleksi tyypin I ja II kautta. Tässä kompleksissa tyypin II reseptori transfosforyloituu ja aktivoi tyypin I reseptorin, joka välittää signaalin Smad-molekyyleille. Signaalin vastaanottamisen jälkeen Smadit fosforyloituvat nopeasti. Tällä hetkellä tiedetään, että BMP-signalointireitillä Smads-1, -5 ja -8 fosforyloituvat, ja TGF-beeta-signalointireitillä Smads-2 ja Smad-3 fosforyloituvat. Sitten nimetyt Smadit liittyvät Smad-4:ään, mikä on yhteistä kaikille TGF-beeta-superperheen jäsenten signalointireiteille. Tämä seikka selittää ristifunktioiden esiintymisen TGF-beeta-superperheen jäsenissä sekä TGF-beeta- ja BMP-signalointireittien keskinäisen eston ilmiön, kun ne kilpailevat yhteisistä komponenteista. Ei kauan sitten tunnistettiin toinen Smad-proteiinien luokka, jota edustavat Smad-6 ja -7. Nämä molekyylit toimivat TGF-beeta- ja BMP-signalointireittien säätelijöinä.

Vaikka CMP:n stimuloiva vaikutus proteoglykaanisynteesiin on tunnettu jo pitkään, niiden rooli nivelruston toiminnan säätelyssä on edelleen kiistanalainen, koska CMP:n tiedetään kykenevän aiheuttamaan solujen erilaistumista, stimuloimaan kalkkeutumista ja luukudoksen muodostumista. M. Enomoto-Iwamoto ym. (1998) osoittivat, että CMP:n vuorovaikutus CMP-reseptori tyypin II kanssa on välttämätöntä kondrosyyttien erilaistuneen fenotyypin ylläpitämiseksi sekä niiden proliferaation ja hypertrofian kontrolloimiseksi. LZ Sailorin ym. (1996) mukaan CMP-2 ylläpitää kondrosyyttien fenotyyppiä viljelmässä 4 viikon ajan aiheuttamatta niiden hypertrofiaa. CMP-7 (identtinen osteogeenisen proteiinin-1 kanssa) ylläpitää alginaatissa viljeltyjen nivelruston kypsien kondrosyyttien fenotyyppiä pitkään.

KMP-2:n ja -9:n lisääminen hiirten polviniveliin lisäsi proteoglykaanisynteesiä 300 %, mikä on huomattavasti enemmän kuin TGF-beetan. Stimuloiva vaikutus oli kuitenkin väliaikainen, ja muutaman päivän kuluttua synteesin taso palasi alkuperäiselle tasolle. TGF-beeta aiheutti pitkäaikaisempaa proteoglykaanisynteesin stimulaatiota, joka johtuu todennäköisesti TGF-beetan autoinduktiosta ja kondrosyyttien herkistymisestä tälle tekijälle.

TGF-beeta on vastuussa kondofyyttien muodostumisesta, mitä voidaan pitää sen toiminnan ei-toivottuna vaikutuksena. KMP-2 edistää myös kondofyyttien muodostumista, mutta nivelreunan eri alueella (pääasiassa kasvulevyn alueella).

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

Ruston morfogeneettiset proteiinit

Ruston morfogeneettiset proteiinit (CMP-1 ja -2) ovat muita TGF-beeta-superperheen jäseniä, jotka ovat välttämättömiä rustokudoksen muodostumiselle raajan kehityksen aikana. CMP-1-geenin mutaatiot aiheuttavat rustokasvua. CMP-proteiinit voivat olla selektiivisempiä, rustoon kohdistuvia. Vaikka TGF-beeta ja CMP-proteiinit voivat stimuloida kondrosyyttejä, ne voivat vaikuttaa moniin muihin soluihin, joten niiden käyttöön ruston korjaamisessa voi liittyä sivuvaikutuksia. Molempia CMP-tyyppejä löytyy terveiden ja nivelrikkoisten nivelten rustosta, ja ne edistävät nivelruston ECM-kerroksen korjaantumista entsymaattisen hajoamisen jälkeen ylläpitäen normaalia fenotyyppiä.

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

Kasvutekijöiden synergismi

Yksi kasvutekijä pystyy indusoimaan itsensä, kuten muutkin kasvutekijät, ja tätä vuorovaikutusta säädellään tarkasti. Esimerkiksi FGF yhdessä muiden kasvutekijöiden kanssa tarjoaa nivelruston tehokkaamman korjautumisen traumaattisen vaurion jälkeen. IGF-1 yhdessä TGF-beetan kanssa indusoi merkittävästi kondrosyyttien normaalin fenotyypin, kun niitä viljellään in vitro. On osoitettu, että TGF-beeta estää IGF-1:n ja IGF-BP:n tuotantoa ja myös defosforyloi IGF-1-reseptorin ja stimuloi IGF-1:n sitoutumista. Ehjässä hiiren rustossa havaittiin IGF-1:n synergismiilmiö monien kasvutekijöiden kanssa. Rudosyyttien heikkoa vastetta IGF-1:lle ei kuitenkaan voida tasoittaa käyttämällä sitä yhdessä muiden kasvutekijöiden kanssa.

Anabolisten ja tuhoisien sytokiinien vuorovaikutus

Kasvutekijät osoittavat monimutkaisia vuorovaikutuksia IL-1:n kanssa. Esimerkiksi kondrosyyttien esialtistus FGF:lle lisää proteaasin vapautumista IL-1-altistuksen jälkeen, mahdollisesti lisääntyneen IL-1-reseptorin ilmentymisen kautta. PDGF stimuloi myös IL-1-riippuvaista proteaasin vapautumista, mutta se vähentää IL-1:n välittämää proteoglykaanisynteesin estoa. Tämä voi viitata siihen, että jotkut kasvutekijät voivat samanaikaisesti stimuloida ruston korjausta ja edistää sen tuhoutumista. Muut kasvutekijät, kuten IGF-1 ja TGF-β, stimuloivat nivelmatriisin synteesiä ja estävät IL-1:n välittämää nivelruston tuhoutumista, mikä viittaa siihen, että niiden aktiivisuus liittyy vain kudoskorjaukseen. Tämä vuorovaikutus on riippumaton kondrosyyttien esialtistuksesta IL-1:lle. Mielenkiintoista on, että IL-1:n ja TGF-beetan vaikutusten kinetiikka voi olla erilainen: TGF-beetan kyky estää nivelruston hajoamista heikkenee sen hitaan vaikutuksen vuoksi TIMP-mRNA:han. Toisaalta hNOC- ja NO-tasojen nousua havaitaan ilman TGF-beetaa. Koska IL-1:n suppressoiva vaikutus kondrosyyttien proteoglykaanisynteesiin on NO-riippuvainen, se voi selittää, miksi havaitsemme TGF-beetan merkittävästi voimakkaamman vastavaikutuksen IL-1:stä riippuvaan proteoglykaanisynteesin estoon verrattuna proteoglykaanien hajoamiseen in vivo.

Hiirillä tehdyssä tutkimuksessa, jossa joille injektoitiin IL-1:tä ja kasvutekijöitä nivelensisäisesti, osoitettiin, että TGF-beeta kumoaa merkittävästi IL-1:n välittämän nivelruston proteoglykaanisynteesin eston, kun taas CMP-2 ei kykene tällaiseen vastavaikutukseen: sen stimuloiva potentiaali estyi kokonaan IL-1:llä jopa suurina CMP-2-pitoisuuksina. Merkillepantavaa on, että ilman IL-1:tä CMP-2 stimuloi proteoglykaanisynteesiä paljon voimakkaammin kuin TGF-beeta.

Proteoglykaanisynteesiin kohdistuvan vaikutuksensa lisäksi TGF-beeta vaikuttaa merkittävästi myös IL-1:n aiheuttamaan ruston proteoglykaanipitoisuuden vähenemiseen. On mahdollista, että proteoglykaanipitoisuus laskee tai kasvaa riippuen IL-1:n ja TGF-beetan suhteellisesta pitoisuudesta. Mielenkiintoista on, että edellä kuvattu IL-1:n ja TGF-beetan vastareaktio havaittiin ruston paksuudessa, mutta tätä ilmiötä ei havaittu nivelpintojen reunoilla olevien rustokukkaiden lähellä. Kondrofyyttien muodostumista indusoi TGF-β, joka vaikuttaa luukalvon rustosoluihin aiheuttaen kondroblastien kehittymistä ja proteoglykaanien kertymistä. Ilmeisesti nämä kondroblastit eivät ole herkkiä IL-1:lle.

HL Glansbeek ym. (1998) tutkivat TGF-beetan ja KMP-2:n kykyä estää proteoglykaanisynteesin estymistä zymosaanin aiheuttaman niveltulehduksen omaavien hiirten nivelissä (eli "puhtaan" IL-1:n aiheuttaman tulehduksen mallissa). TGF-beetan nivelensisäinen anto torjui merkittävästi tulehduksen aiheuttamaa proteoglykaanisynteesin estymistä, kun taas KMP-2 ei käytännössä kyennyt torjumaan tätä IL-1:stä riippuvaa prosessia. Toistetut TGF-β-injektiot tutkittujen eläinten polviniveleen stimuloivat merkittävästi kondrosyyttien proteoglykaanisynteesiä, edistivät olemassa olevien proteoglykaanien säilymistä tulehduksen heikentämässä rustossa, mutta eivät estäneet tulehdusprosessia.

Tutkittaessa kondrosyyttien proteoglykaanisynteesiä koskevaa toimintaa kokeellisilla nivelrikon malleilla eläimillä, on aina havaittu proteoglykaanien määrän lisääntymistä ja synteesin stimulaatiota nivelrikon alkuvaiheissa, toisin kuin tulehdusmalleissa, joissa havaitaan merkittävää synteesin estymistä (IL-1-riippuvainen prosessi). Anabolisten tekijöiden, erityisesti kasvutekijöiden, lisääntynyt aktiivisuus, jota havaitaan nivelrikossa, neutraloi sellaisten suppressorisytokiinien kuin IL-1:n vaikutusta. Kasvutekijöistä TGF-beeta on tärkein; KMP-2:lla ei todennäköisesti ole merkittävää roolia tässä prosessissa. Vaikka IGF-1 pystyy stimuloimaan proteoglykaanisynteesiä in vitro, tätä ominaisuutta ei havaita in vivo IGF-1:n paikallisen käytön yhteydessä. Tämä voi johtua siitä, että tämän kasvutekijän endogeeninen taso on optimaalinen. Nivelrikon myöhemmissä vaiheissa ilmenee merkkejä proteoglykaanisynteesin estosta, joka todennäköisesti liittyy IL-1:n dominoivaan vaikutukseen ja kasvutekijöiden kyvyttömyyteen torjua sitä aktiivisuuden vähenemisen vuoksi.

Kasvutekijöiden ilmentymisen analyysi spontaanista nivelrikosta kärsivillä STR/ORT-hiirillä osoitti TGF-β:n ja IL-1:n mRNA-tasojen nousua vaurioituneessa rustossa. On huomattava, että TGF-β:n aktivointi latenttimuodosta on tärkeä osa kudoskorjausta. TGF-β:n roolin ymmärtämistä vaikeuttavat ACL-kaneilla tehdyn tutkimuksen tulokset TGF-β tyypin II reseptorien ilmentymisestä. Välittömästi nivelrikon induktion jälkeen havaittiin näiden reseptorien tasojen laskua, mikä viittaa riittämättömään TGF-β-signalointiin. Mielenkiintoista on, että TGF-β-reseptorin tyypin 11 puutteisilla hiirillä havaittiin spontaanin nivelrikon merkkejä, mikä myös viittaa TGF-β-signaloinnin tärkeään rooliin ruston korjautumisen heikkenemisessä ja nivelrikon kehittymisessä.

Kasvutekijöiden absoluuttinen pitoisuus nivelreuma- tai nivelrikkopotilaiden nivelissä voi viitata niiden mahdolliseen rooliin näiden sairauksien patogeneesissä. Huolimatta siitä, että nivelrikko- ja nivelreumanivelissä on korkeita kasvutekijöiden pitoisuuksia, hajoamis- ja korjausprosessien luonne molemmissa sairauksissa on täysin erilainen. Todennäköisesti on olemassa muita, vielä tunnistamattomia tekijöitä, joilla on merkittävä rooli näiden sairauksien patogeneesissä, tai tutkittujen ilmiöiden muut näkökohdat määräävät hajoamis- ja korjausprosessien kulun nivelkudoksissa (esimerkiksi tiettyjen reseptorien ilmentyminen kondrosyyttien pinnalla, proteiineihin sitoutuvat liukoiset reseptorit tai anabolisten ja destruktiivisten tekijöiden epätasapaino).