Молекулярные механизмы развития остеоартроза Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

Обзоры

Молекулярные механизмы развития остеоартроза

^ Р.Н. Мустафин1, Э.К. Хуснутдинова1, 2

1 Кафедра генетики и фундаментальной медицины Башкирского государственного университета, Уфа 2 Отдел геномики Института биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН

В обзоре представлены современные данные об эпидемиологии и патогенезе остеоартроза. Рассмотрены особенности строения и функционирования суставного хряща в норме и при остеоартрозе. Определены основные патогенетические пути развития болезни, которые коррелируют с данными генетических исследований при этой патологии.

Ключевые слова: остеоартроз, хондроциты, суставной хрящ, экстрацеллюлярный матрикс, интерлейкин.

Эпидемиология остеоартроза

Остеоартроз (ОА) — это хроническое дегенеративно-воспалительное заболевание суставов, которое сопровождается разрушением суставного хряща, приводит к нарушению функции суставов и на поздних стадиях — к появлению контрактур, мышечной атрофии и скелетных деформаций [11]. При ОА могут поражаться любые суставы: заболевание может протекать в виде как моноостеоартроза, так и полиостео-артроза. Чаще всего поражаются суставы нижних конечностей [30]. Распространенность ОА в мире составляет в среднем 9% с незначительными отклонениями в разных странах [32]. Характерным является повышение заболеваемости с возрастом, особенно в постменопаузальном периоде у женщин, у которых течение заболевания более тяжелое. При этом распространенность ОА среди женщин несколько выше, чем среди мужчин [30]. К примеру, симптомы ОА коленных суставов наблюдаются у 10% мужчин и у 13% женщин старше 60 лет [35]. Возраст является самым значительным фактором риска в инициировании и прогрессировании ОА; по последним данным, ОА страдает половина населения

Контактная информация: Мустафин Рустам Наи-левич, ruji79@mail.ru

старше 65 лет [11]. Остеоартроз — многофакторное заболевание, к числу предрасполагающих факторов относятся наследственность, возраст, ожирение, географические особенности, изменение плотности костей и уровня гормонов, механические факторы, травмы [10, 35].

Анатомо-физиологические особенности суставного хряща

Формирование хрящевой ткани происходит в результате конденсации мезенхималь-ных клеток, которые экспрессируют коллаген I, III и V типов, с последующей дифференциацией хондропрогениторных клеток, экспрессирующих хондроспецифический коллаген II, IX и XI типов [9]. Суставной хрящ — сложная ткань, состоящая из высокоорганизованного экстрацеллюлярного матрикса (ЭЦМ) и небольшого количества внедренных хондроцитов (ХЦ), которые занимают от 1 до 10% объема. В суставном хряще отсутствуют кровеносные и лимфатические сосуды и нервы, характерна низкая метаболическая активность, практически не происходят деление и гибель ХЦ. При этом ХЦ, представленные только одним типом клеток, сохраняют способность к делению и отвечают как за синтез, так и за расщепление хрящевого матрикса. Важную

Остеоартроз

Рис. 1. Схематическое изображение строения ЭЦМ суставного хряща. ГК — гиалуроновая кислота, К — коллаген, КС — кератансульфат, СБ — стержневой белок, ХС — хондроитинсульфат.

роль в обеспечении баланса между синтезом и деградацией играют цитокины [11]. Экстрацеллюлярный матрикс состоит главным образом из фибрилл коллагена II типа, пересекающихся с коллагеном IX типа, крупных сульфатированных (в основном аггрекан) и мелких протеогликанов, гиалу-роновой кислоты, катионов и воды. Коллаген II типа составляет до 90% сухой массы здорового хряща [18]. Кроме того, имеются различные минорные компоненты, такие как коллаген VI, XI, X типов, и неколлаге-новые протеины наподобие олигомерного матриксного протеина хряща, фибронек-тина, белка 58 кДа, тенасцина, белка 32 кДа и других компонентов. Протеогликаны состоят из молекулы гиалуроновой кислоты (до 30 000 дисахаридных единиц), к которой присоединены стержневые белки со связанными с ними остатками хондроитин-сульфата (25—30 дисахаридных единиц) и кератансульфата (13 дисахаридных единиц) [11]. Благодаря насыщенности гликозами-ногликанов свободными карбоксильными и сульфатными группами, несущими отрицательный заряд, их цепочки в макромо-

лекуле распрямлены и отталкиваются друг от друга, ориентируясь перпендикулярно стержневому белку в виде "щеток". Концентрация протеогликанов в ЭЦМ составляет примерно 100 мг/мл, за счет чего образуется прочная трехмерная сеть. При этом создаются "диффузные молекулы", свободно пропускающие мелкие молекулы и воду и не пропускающие белки и другие крупные молекулы. Соотношение протеогликанов, коллагена и воды составляет 1 : 2,5 : 6,5. К одной молекуле гиалуроновой кислоты могут присоединяться до 200 стержневых белков. В среднем к одному стержневому белку присоединяется 100 хондроитинсуль-фатных, 50 кератансульфатных и 50 олиго-сахаридных молекул. Схематическое изображение основных компонентов ЭЦМ представлено на рис. 1.

Патогенез первичного ОА

При ОА хондроциты теряют способность поддерживать гомеостаз между синтезом и деградацией компонентов ЭЦМ. Увеличивается количество воды и умень-

Обзоры

шается содержание протеогликанов в хрящевой ткани; снижается синтез коллагена и усиливается его разрушение. Кроме того, активируется апоптоз ХЦ [11]. Характерная черта ОА — уменьшение объема и дезорганизация суставного хряща. Наблюдается гиперплазия синовиальной оболочки и утолщение капсулы сустава, а также значительное разрастание костной ткани, особенно по краям сустава (формирование остеофитов), как реакция на потерю суставного хряща [28]. Истощение аггре-канов в суставном хряще сопровождается возрастающим протеолитическим разрушением стержневого белка [18].

Поврежденные ХЦ при ОА вырабатывают протеогликаны, неспособные к агрегации, и вместо коллагена II типа продуцируют коллаген I, IX и X типов, не образую щий фибрилл. Интенсивность катаболичес кого процесса усугубляется избыточной продукцией ХЦ, клетками синовиальной оболочки и субхондральной кости провоспалительных цитокинов — интерлейкина-1 (ИЛ-1) и фактора некроза опухоли а. Чрезмерное разрушение коллагена II типа при ОА связано с регуляторным влиянием коллагеназ, в частности матрикс-ной металлопротеиназы (ММП). Выявлено, что при ОА ИЛ-1Р индуцирует продукцию простагландина Е2 (ПГЕ2) в суставном хряще. Простагландины, в свою очередь, усиливают деградацию хряща, опосредованную ИЛ-1 р. Пролиферирующие ХЦ экспрессируют коллаген VI типа и матри-лин-1. Гипертрофированные зоны характеризуются экспрессией коллагена X типа и кальцификацией матрикса. В ремоде-лирование матрикса вовлечены ММП-9, ММП-13 и ММП-14 и эндотелиальный сосудистый фактор роста. Стержневая про-теиназа, способствующая прогрессирова-нию ОА, является матриксом для ММП-13, главной коллагеназы, разрушающей коллаген II типа и регулируемой стрессовыми и воспалительными сигналами [9].

Аггреканы хряща разрушаются двумя классами энзимов. Первый класс —

ММП, атакующие аггреканы в области Asn-Phe-связей в межглобулярном домене стержневого белка: в хряще представлены ММП-1, ММП-2, ММП-3, ММП-7, ММП-8, ММП-9, ММП-13 и МТ1-ММП (ММП-14). Второй класс энзимов (аггрека-назы) расщепляют аггрекановый стержневой белок в других сайтах межглобулярного домена — между Glu и Ala, что характерно для синовиальной жидкости при ОА [18].

Клетки хряща в норме и при ОА продуцируют множество эйкозаноидов цикло-оксигеназного и липооксигеназного путей. Как в нормальной, так и в пораженной ОА хрящевой ткани вырабатываются П^2, ПГЕ2, ПГD2 и лейкотриен B4. При ОА наблюдается повышение уровня ПГЕ2 и лейкотриена B4, концентрация которых еще больше увеличивается при воздействии ИЛ-1 [2].

В патогенезе ОА важная роль также принадлежит системе комплемента. Экспрессия его компонентов, по данным масс-спектрометрии, достоверно различается в синовиальной жидкости у здоровых лиц и у пациентов с ОА. В экспериментах на мышах, дефицитных по компонентам комплемента С5, С6 или CD59a, показано, что комплемент и его специфический мембра-ноатакующий комплекс играют ключевую роль в развитии ОА. У больных ОА мембра-ноатакующий комплекс в хрящевой ткани локализуется совместно с ММП-13 и активированной экстрацеллюлярной сигналре-гулирующей киназой вокруг ХЦ [31].

В последнее время в патогенезе ОА большое внимание уделяется изменениям в субхондральной кости [11, 34]. Остеобласты при ОА резистенты к стимуляции па-ратиреоидным гормоном, что может объяснять формирование склероза суставных поверхностей за счет ингибирования паратзависимого катаболизма костной ткани. Остеобласты при ОА продуцируют большее количество ПГЕ2. Более того, выявлена зависимость ОА коленных суставов с изменением специфических рецепторов витамина D и коллагена II типа в костной

Остеоартроз

ткани. При культивировании остеобластов больных ОА с ХЦ здоровых лиц инициируется деградация хрящевой ткани, т.е. измененные остеобласты могут быть ответственны за развитие болезни [12]. На экспериментальных моделях продемонстрировано, что события, лежащие в основе ремоделирования суставных поверхностей, происходят последовательно, с изменением уровня экспрессии генов ALP, IGF1, TGFß, POSTN, MMP3, TNFSF11, ACP5, BMP5, ASPNи Ihh [34].

Роль синовиальной оболочки в развитии ОА

В питании ХЦ большое значение имеет синовиальная оболочка суставов, как за счет непосредственного контакта с гиалиновым хрящом, так и за счет образования синовиальной жидкости и ее обмена. Синовиальная жидкость богата гиалурона-тами, выстилает внутренние поверхности суставов, сухожильные влагалища и сумки. Она состоит из непрерывного поверхностного слоя клеток (интима) и подлежащей ткани (субинтима). Интима имеет толщину в 1—2 клетки, состоит из макрофагов (си-новиоциты типа А) и фибробластов (сино-виоциты типа В), причем эти фибробласты адаптированы к продукции гиалуроната (рис. 2). Субинтима включает кровеносные и лимфатические сосуды и резидентные фибробласты. В норме толщина интимы 20—40 мкм, субинтимы — до 5 мм [27].

В последнее время большое значение придается патологическим механизмам в синовиальной оболочке, предполагается роль иммунопатологических процессов в развитии и прогрессировании ОА. Подтверждением этому служит наличие гиперплазии и инфильтрации синовиальной оболочки моноцитами крови при ОА, сходное с таковым при ревматоидном артрите (инфильтрация иммунными клетками) (рис. 3). Иммуногистохимическим методом установлено, что мононуклеарная инфильтрация синовиальной оболочки при ОА сопровождается повышением синтеза

Рис. 2. Синовиоциты типа А (красного цвета) и типа В (синего цвета) в нормальной синовиальной оболочке суставов. Синовиоциты типа В составляют основную массу клеток, выстилающих синовиальную оболочку.

Рис. 3. Синовиальная оболочка при ревматоидном артрите. Синовиальные макрофаги — красного цвета.

цитокинов фактора некроза опухоли а и ИЛ-1Р и ферментов ММП-1 и ММП-3, что является одним из ключевых моментов в патогенезе ОА [4].

Генетические исследования при ОА

В близнецовых исследованиях было выявлено, что доля наследственных факторов при радиографически определяемом ОА суставов кистей, коленных и тазобедренных суставов составляет от 36 до 68%. По данным некоторых авторов, вклад генетических факторов в развитие ОА составляет не менее 65% [13]. Характер наследствен -

Обзоры

ной предрасположенности к ОА варьирует в зависимости от пола и суставной локализации. При этом генетический компонент ОА более выражен у женщин, что подтверждено сегрегационным анализом [10, 35].

У больных ОА были обнаружены нулевые аллели гена COL2A1. Кандидатные ло-кусы предрасположенности к ОА включают гены, кодирующие дополнительные структурные белки ЭЦМ хряща. Эти локусы включают гены коллагена XI типа COL11A1 и COL11A2, ген коллагена IX типа COL9A2 и ген олигомерного матриксного белка COMP [10]. В нескольких исследованиях была выявлена ассоциация гаплотипов генов COL2A1 и СОМР с ОА коленных суставов [30].

Из 723 проанализированных микроРНК в ХЦ здоровых лиц и пациентов с ОА статистически значимые различия в экспрессии выявлены в 7 микроРНК, из них 1 избыточно регулируется в ХЦ при ОА (hsa-miR-483-5p), а 6 — в нормальных ХЦ (hsa-miR-149*, hsa-miR-582-3p, hsa-miR-1227, hsa-miR-634, hsa-miR-576-5p, hsa-miR-641). Анализ in silico показал, что ключевые молекулярные пути, потенциально изменяемые под действием микроРНК, экспрессирующиеся на различном уровне в ХЦ здоровых лиц и пациентов с ОА, включают TGF-ß-, Wnt-, Erb- и mTOR-сигнальные пути, которые вовлечены в развитие, функционирование и деструкцию суставного хряща [6].

В одной из четырех семей с генерализованным ОА с ранним началом без признаков дисплазии соединительной ткани была обнаружена миссенс-мутация (A225S) в гене рецепторов паратиреоидного гормона PTHR2 [20].

При обследовании 32 больных ОА коленных суставов была выявлена миссенс-мутация в гене SMAD3. S MAD-белки регулируют пути TGF-ß (transforming growth factor ß — трансформирующий фактор роста ß), функционируя в качестве ключевого регулятора формирования и ремоделирова-ния костной ткани [32]. Обнаружена связь генерализованного ОА и ОА тазобедренных

суставов у женщин с вариантом гена спи-ралеподобного белка R324G; ОА коленных и тазобедренных суставов у женщин с вариантом спиралеподобного белка R200W [21, 26, 30]. При исследовании связи ОА с VNTR-полиморфизмом гена аггрекана у 134 близнецов в возрасте старше 50 лет в Австралии были выявлены как отрицательные эффекты аллеля 27, так и протектив-ные эффекты аллелей 25 и 28 [15].

Выявлена связь ОА с двумя локусами 2-й хромосомы — 2q23—32 и 2q33—35. Эти области содержат три известных гена, изменения в которых могут быть вовлечены в патогенез ОА: коллагена V типа (СOL5A2), фибронектина (FN1) и рецептора ИЛ-8 (IL8R). Кластер ИЛ может указывать на предрасположенность к ОА [17].

Обнаружена связь между ОА тазобедренных суставов и микросателлитным полиморфизмом 3'UTR гена MATN3, кодирующего матрилин-3 [28]. Обнаружена достоверная связь полиморфизма rs8176070 в гене MATN3 с первичными ОА у китайцев [10].

Установлены два кандидатных локуса, не кодирующие структурные белки хрящевой ткани: ген HLA — кластер на хромосоме 6р и ген aj-антитрипсина на хромосоме 14q — в группах неродственных больных ОА [22]. Исследования, проведенные в дальнейшем M. Nakajima е! al., подтвердили связь изменений в гене HLA с риском развития ОА. В частности, доказана ассоциация полиморфных вариантов rs7775228 и rs10947262 в гене HLA II/III класса [23]. В работах М. Pattrick е! al. определена ассоциация риска развития ОА с полиморфными вариантами в гене HLA-A1B8 [25].

У женщин с ОА при исследовании 4-й хромосомы анализ сцепления показал максимальную плотность маркеров в области 4q13.1—4q13.2, где расположен ген, кодирующий рецептор ИЛ-4 (IL-4R) [7]. С геном IL1R1 при ОА определена ассоциация полиморфных локусов, наиболее выраженная с rs2287047 [24].

При обследовании 351 женщины пост-менопаузального возраста (45—64 лет) была

Остеоартроз

выявлена ассоциация TaqI-полиморфизма гена рецептора витамина D (УБК) с высоким риском развития ОА коленных суставов [10].

Инсерционный полиморфизм в 16-м интроне гена ангиотензинпревращаю-щего фермента (АСЕ) человека, представленный а1и-повторяющейся последовательностью длиной приблизительно 287 пар ну-клеотидов, имеет положительную корреляцию с ранней манифестацией заболевания, нарушением функции коленных суставов и рентгенографически тяжелым первичным ОА коленных суставов [13].

Обнаружена связь полиморфного варианта G395A гена КЬОТИО, связанного с преждевременным старением, с восприимчивостью ОА суставов кистей, развивающегося преимущественно с образованием остеофитов [33].

Определена связь ОА крупных суставов с полиморфными вариантами в гене МСЕ2£, наиболее выраженными с гб1 1842874 [5]. Показано, что гаплотипы т^оп 1 Т/СРуиП, т^оп 1 А^ХЬа! и ехоп 8 G/ABtgI гена рецептора к эстрогену (ЕЛ-а) могут быть ассоциированы с первичным ОА коленных суставов и генетические вариации гена ЕК-а могут быть вовлечены в развитие ОА [14]. В результате исследования консорциума ArcOGEN в Великобритании была обнаружена ассоциация полиморфных вариантов ге6976 в гене нуклеосте-мина ОЫЬЗ с развитием ОА [1]. Выявлена связь полиморфных локусов гена ЕК-а с подтвержденным рентгенографически ОА коленных суставов и, в частности, с образованием остеофитов [3]. Установлена ассоциация между с.1092+3607(СА)(13—27) и с.172(CAG)(8—34) полиморфизмами генов рецепторов к эстрогенам (ЕЛ-0) и рецепторов к андрогенам (АЛ) и ОА коленных суставов у греков [8].

Несмотря на важную роль гиалуроновой кислоты в поддержании структуры и функции ЭЦМ суставного хряща, данных об исследовании генов гиалуронатсинтетаз (ИАБ) с ОА в литературе не представлено. Цито-

генетическая локализация ИАS2 — 8q24.13. Имеются три изоформы гиалуронатсинте-таз: Шб1, Шб2, Шб3. В хрящевой ткани экс-прессируется в основном продукт гена Ий82. Показано, что регуляция ИА^-экспрессии необходима для хондрогенеза и инициирования дифференциации хряща [16]. Ростовые слои Шб2-дефицитных элементов скелета характеризуются тяжелыми аномалиями и дезорганизацией со сниженным содержанием аггреканов в матриксе и дезинтеграцией нормальных клеточных взаимодействий [19]. Простагландин Е2 индуцирует экспрессию генов ИАБ1 и ИА82 мРНК в гладкомышечных клетках сосудов, в то время как продукция ПГЕ2 при ОА значительно повышена, несмотря на это компенсации не происходит, что свидетельствует о возможных изменениях в самом гене ШБ2 [29].

Выводы

Исходя из данных биохимических и генетических исследований ОА представляет собой дегенеративно-воспалительное заболевание, при котором воспаление служит основным инициирующим и поддерживающим процессом деградации хряща. Заболевание носит многофакторный характер с высоким риском наследственной предрасположенности. Полиморфные варианты в генах структурных белков могут инициировать иммуновоспалительный процесс в связи с изменениями пространственной конфигурации белков. Ключевым звеном патогенеза служит синовиальная оболочка сустава, играющая главную роль в питании гиалинового хряща, регуляции обменных процессов и формировании иммунного ответа на измененный хрящ. Гистологически это выражается в гипертрофии синовиальной оболочки с ее инфильтрацией иммунными клетками, а также в изменении соотношения клеток, выстилающих синовию (преобладание синовиальных макрофагов). В связи с выраженным прогрессированием болезни с возрастом логично предположить

Обзоры

Рис. 4. Схема патогенеза ОА.

роль полиморфизмов в генах структурных белков стареющего хряща в инициировании иммунопатологических процессов (изменение пространственной конфигурации белков). Обнаруженные изменения в генах хрящевой ткани и иммунной системы соответствуют данным биохимических

исследований. Роль изменений в других генах — предмет дальнейшего изучения. Патогенез ОА можно представить в виде схемы (рис. 4).

С библиографией вы можете ознакомиться на нашем сайте www.atmosphere-ph.ru

Molecular Mechanisms of Osteoarthrosis R.N. Mustafin and E.K. Khusnutdinova

The review deals with recent data on epidemiology and pathogenesis of primary osteoarthrosis. We discuss structural and functional properties of articular cartilage in healthy individuals and in patients with osteoarthritis. The main pathogenic pathways of the disease associated with genetic studies are provided. Key words: osteoarthrosis, chondrocytes, articular cartilage, extracellular matrix, interleukin.