Цитокиновые механизмы дегенерации межпозвонкового диска

Бывальцев Вадим Анатольевич; Белых Евгений Георгиевич; Степанов Иван Андреевич; Гиерс Морган; Прул Марк

научные обзоры

цитокиновые механизмы дегенерации межпозвонкового диска

Вадим Анатольевич Бывальцев1-2-3, Евгений Георгиевич Белых1, Иван Андреевич Степанов2, Морган Гиерс4, Марк Прул4 ('Иркутский научный центр хирургии и травматологии, директор - д.м.н., проф. Е.Г. Григорьев; 2Иркутский государственный медицинский университет, ректор - д.м.н., проф. И.В. Малов, кафедра госпитальной хирургии с курсом нейрохирургии, зав. - д.м.н., проф. Е.Г. Григорьев; 3Дорожная клиническая больница на ст. Иркутск-Пассажирский, гл. врач - к.м.н. Е.А. Семенищева; 4Барроу неврологический институт, Финикс, Аризона, США)

Резюме. Дегенеративные процессы межпозвонкового диска являются ведущим фактором возникновения поясничных и корешковых болей и, как следствие, главной причиной утраты трудоспособности взрослого населения. Повреждение межпозвонкового диска ассоциировано с высоким уровнем провоспалительных цитокинов (TNF-a, IL-1 a/p, IL-6 и IL-17), секретируемых клетками диска. Данная группа цитокинов способствует деградации межклеточного матрикса, выделению ряда хемокинов для клеток иммунной системы, а также изменению фенотипа клеток межпозвонкового диска. Возникающий дисбаланс между катаболическими и анаболическими процессами приводит к разрушению межклеточного матрикса пульпозного ядра и фиброзного кольца, формированию грыж диска и корешкового синдрома. Выброс большого количества хемокинов привлекает нейтрофилы, Т- и В-лимфоциты, лаброциты с последующим развитием воспалительной реакции в компремированных тканях. Миграция иммунных клеток сопровождается образованием капилляров и прорастанию нервных волокон из дорзального ганглия. В условиях активного воспаления нейрогенные факторы роста, продуцируемые клетки воспаления и межпозвонкового диска, индуцируют образование катионных болевых каналов в корешках спинального ганглия. Деполяризация таких каналов способствует развитию дискогенных и корешковых болей и активации цитокинового каскада. Комплексный подход к изучению роли цитокинов в процессах дегенерации межклеточного матрикса межпозвонкового диска позволит определить механизмы и потенциальные точки терапевтического приложения для лечения пациентов с дегенеративными заболеваниями позвоночника.

Ключевые слова: цитокины, дегенерация, межпозвонковый диск, межклеточный матрикс, IL-1, TNF, ноцицеп-тивная система, катионные болевые каналы, иммунные клетки.

cytokine's mechanisms of intervertebral disc degeneration

V. A. Byvaltsev1-2-3, E.G. Belykh1,I.A. Stepanov2, Morgan Giers4, Mark С. Preul4 (Irkutsk Scientific Center of Surgery and Traumatology; 2Irkutsk State Medical University; 3Railway Clinical Hospital on the station Irkutsk-Passazhirskiy of Russian Railways Ltd., Russia; 4Barrow Neurological institute, Phoenix, Arizona, USA)

Summary. Degeneration of the intervertebral disc is the major cause of lumbar and radicular pain and is the one of the most common reasons for missed work days. Intervertebral disc alteration is characterized by an elevation of inflammatory cytokines levels: tumor necrosis factor alfa (TNF-a) and interleukins (IL-1 a/p, IL-6 and IL-17) secreted by the disc cells. These cytokines promote extracellular matrix degradation, induce chemokine production and produce cells phenotype changes. The resulting imbalance between catabolic and anabolic responses leads to disc degeneration, herniation of disc material and produce radicular pain. Chemokines released from the degenerated discs promote infiltration and activation of neutrophils, macrophages, T and B cells, and mast cells further amplifying the inflammatory cascade. Migration of immune cells into the disc is accompanied by the development of microvasculature and nerve fibers arising from the dorsal root ganglion (DRG). In this inflammatory milieu, neurogenic factors in particular nerve growth factor (NGF) and brain-derive neurotrophic factor (BDNF) generated by disc and immune cells induce expression of pain associated cation channels in DRGs. Depolarization of these channels is likely to promote discogenic and radicular pain and reinforce the cytokine-mediated degenerative cascade. Complex approach for studying the role of cytokines in the degeneration of the intervertebral disc extracellular matrix will aid revealing the mechanisms and potential targets for therapeutic application in the treatment of patients with degenerative diseases of the spine.

Key words: cytokines, degeneration, intervertebral disc, extracellular matrix, IL-1, TNF, nociceptive system, cationic pain channels, immune cells.

Дегенеративные процессы межпозвонкового диска (МПД) в настоящее время являются актуальной проблемой, вставшей перед мировым сообществом. Основное проявление дегенеративных процессов МПД - боль в спине. Ее испытывают более 85% людей старше 35 лет [1,3,15,41]. Проблемой лечения боли занимаются врачи многих специальностей: неврологи, нейрохирурги, травматологи-ортопеды, врачи-реабилитологи, врачи лечебной физкультуры, мануальные терапевты, массажисты. В последнее десятилетие появилась новая наука -вертебрология. Немаловажная этиологическая роль отводится генетическим факторам, курению, инфекциям, нарушению биомеханичекой нагрузки, а также снижению диффузии питательных веществ через замыкатель-ную пластинку [4,11,19]. Принято считать, что одним из ключевых факторов в развитии дегенеративных про-

цессов МПД является высокий уровень синтеза провос-палительных цитокинов [1,2,5,12,35]. Дегенерация МПД опосредуется выбросом большого количества провос-палительных цитокинов клетками пульпозного ядра и фиброзного кольца а так же макрофагами, нейтрофила-ми, Т- и В-лимфоцитами. Синтезированные цитокины вызывают цепь патофизиологических реакций, которые приводят к аутофагии, старению и апоптозу клеток МПД [2,35]. Среди секретируемых провоспалительных цитокинов особое значение отводится ТОТ-а, 1Ъ-1 а/р, 1Ъ-6, 11,-17, 1Ъ-8, 1Ъ-2, 1Ъ-4, 1Ъ-10, №N-7, а также проста-гландинам (РС-Е2). Доказано, что ТОТ-а играет важную роль в развитии грыж МПД и активации катионных болевых каналов спинальных ганглиев [22]. Также особое внимание при опосредованных цитокинами дегенера-тивых процессах уделяется дисбалансу матричных ме-

таллопротеиназ ММР-1, 3, 7, 9, и 13 и различным типам фермента адамализин с тромбоспондиновым модулем ЛБЛМТ8-1, 4, 5, 9, и 15, оказывающим специфическое протеолитическое действие на компоненты матрикса МПД, вызывая его деструкцию [6,8,26,27].

Цель настоящего обзора - анализ современных литературных данных о роли клеточного иммунитета и цитокиновых механизмов и факторов в развитии дегенеративных процессов МПД. Комплексный подход к изучению данных вопросов позволит углубить понимание молекулярных механизмов патогенеза дегенерации МПД и определить новые точки приложения в терапии дегенеративных заболеваний позвоночника.

Строение и биология МпД

МПД состоит из трех специализированных структур - фиброзного кольца, студенистого ядра и концевых пластинок. Две концевые пластинки, состоящие из гиалинового хряща, замыкают диск аксиально и прилежат к соседним позвонкам. Толщина пластинок не превышает 1 мм. Фиброзное кольцо состоит из 25 концентрических колец или ламеллей, образованных параллельно расположенными коллагеновыми фибриллами, окруженными эластиновыми волокнами [1,3]. Фиброзное кольцо ограничивает студенистое ядро - желатиноподобную сердцевину, состоящую из беспорядочно расположенных коллагеновых и радиально расположенных эластиновых волокон, погруженных в высокогидратированный аггрекансодержащий гель [15]. Высокогидратированный аггрекан в студенистом ядре поддерживает осмотическое давление, обеспечивая формирование свойств МПД [16]. Студенистое ядро и фиброзное кольцо различаются по клеточному составу. Клетки фиброзного кольца во внешней части фибробластоподобной структуры, расположены параллельно коллагеновым волокнам. Во внутренней части фиброзного кольца клетки более овальные, хондроци-топодобные. Клетки студенистого ядра имеют хондро-цитоподобную структуру - единичные клетки (около 5000 в 1 мм3), иногда заключенные в капсулу, погружены в матрикс. Некоторые клетки МПД как в студенистом ядре, так и в фиброзном кольце имеют удлиненную форму длинной до 30 мкм. Предполагают, что они выполняют сенсорную, коммуникативную роль в МПД. МПД здорового взрослого человека практически лишен кровеносных сосудов и нервных волокон [8]. Некоторое количество нервных волокон обнаруживают только во внешних ламелях фиброзного кольца, часть из них представляет собой окончания проприорецепторов. С возрастом вследствие естественных дегенеративных процессов изменяется морфология диска. Уже в первые десятилетия жизни диск утрачивает большую часть кровоснабжения, что обусловливает дефицит глюкозы, аминокислот и воды. Вторичным по отношению к утрате значительной части кровоснабжения является каль-цификация концевой пластинки, вследствие чего снижается фильтрация пластических веществ. Без необходимых нутриентов клетки гибнут, снижается синтез протеогликанов [2,10]. У взрослого количество клеток в 2 раза меньше, чем у ребенка [41]. Дегенеративные изменения студенистого ядра характеризуются прогрессирующим уменьшением толщины МпД. Граница между студенистым ядром и фиброзным кольцом становится более четкой. В ткани МПД усиливается коричневая пигментация, ткань становится более хрупкой [2,37]. Дегенеративные изменения в фиброзном кольце проявляются дезорганизацией регулярного чередования ла-мелей коллагена и эластина, замещением гелеподобной структуры фиброзно-хрящевой тканью. У большинства людей течение процесса старения (дегенерации) медленное, постепенное, однако в определенных ситуациях оно может значительно ускориться, что обусловливает возникновение хронического болевого синдрома.

Деструкция матрикса МПД осуществляется преимущественно специфическими ферментами. К ним относят аггреканазы, различные виды ММР и другие

деградирующие энзимы. Например, ММР-3, или стро-мелизин, приводит к разрушению коллагена III, IX и X типов, протеогликанов, фибронектина, ММР-2 или желлатиназа вызывает деградацию коллагена IV типа [6,8]. Ряд других деградирующих ферментов объединяют в семейство ADAMTS [27,39].

Значение TNF-a и IL-1 в дегенеративных процессах МПД

Человеческий фактор некроза опухоли альфа (TNF-a) - это синтезируемый многими клетками организма цитокин, который представляет собой трансмембранный протеин II-го типа в виде устойчивой гомо-тримерной структуры. Свои множественные эффекты TNF-a оказывает через надсемейство рецепторов к TNF, которое содержит более 20 структурно-родственных трансмембранных белков, приводя к возникновению широкого спектра клеточных реакций. Надсемейство TNF-рецепторов можно разделить на два функциональных типа, в зависимости от того, содержит ли внутриклеточная область домен смерти [9]. Общими свойствами двух типов рецепторов является то, что они представлены трансмембранными протеинами, которые своими внеклеточными участками взаимодействуют с триммерами лигандов-индукторов. Взаимодействие рецептора и лиганда приводит к образованию кластеров рецепторных молекул и связыванию их внутриклеточных участков с адаптерами. Адаптер, связавшись с рецептором, вступает во взаимодействие с эффекторами [9,22].

TNF-рецепторы, содержащие домены смерти более известны как рецепторы смерти [9,14]. Наиболее хорошо изученные рецепторы смерти - TNFR1 и Fas. TNFR1 тип индуцирует апоптотические процессы лишь под воздействием определенных условий, чаще активируя транскрипцию генов, в то время как Fas рецептор является эффективным индуктором клеточной смерти. Рецепторы смерти, относящиеся к TNFR1, но не к Fas, способствуют действию TRAF2 (TNF receptor-associated factor 2) опосредованно через N- концевой домен адап-торного белка TRADD (type receptor 1-associated death domain protein). TRADD также содержит домен смерти и взаимодействует с внутриклеточным доменом смерти TNFR1. TNF-рецепторы, не содержащие домены смерти, представлены несколькими типами рецепторов. Наиболее распространенными из них являются TNFR2, CD40, CD30. Эти рецепторы вовлечены преимущественно в транскрипцию генов, ответственных за адаптацию клетки, ее рост и дифференциров-ку [9,18,22]. После взаимодействия TNF-a со своими специфическими рецепторами происходит олигомери-зация и последующая внутриклеточная сигнализация, которая в итоге приводит к клеточному ответу. TNF-a инициированный сигнальный путь вовлекает SAPK/ JNK сигнал-трансдукторные системы и активирует ядерный фактор транскрипции NF-kB, необходимый для пролиферации Т лимфоцитов и синтеза IL-2 [34]. JNK-киназа непосредственно связывается со специфическими белковыми доменами c-Jun и ATF2, которые образуют один из димерных факторов транскрипции семейства АР1. В результате c-Jun и ATF2 фосфорили-руются по N-концевым доменам. Эти домены являются активаторными и их фосфорилирование приводит к увеличению транскрипционной активности их димера АР1 [9]. Именно димеру АР1 отводится главенствующая роль в развитии программируемой клеточной смерти. Другой протеинкиназный каскад, активируемым стрессом (SAPK-сигнальный путь) оказывает ингибирующее влияние на клеточный рост и активацию воспаления в очаге за счет фосфорилирования белков c-Myc и Elk-1 [28]. Итогом активации SAPK-сигнального пути является активация апоптотических процессов в клеточных структурах МПД. Кроме того, активируя данный внутриклеточный каскад TNF-a приводит к повреждению миелиновой оболочки нервных волокон и повышению чувствительности к боли [14,34]. Iragashi и соавт. [14]

показали, что добавление TNF-a в культуру клеток фиброзного кольца и пульпозного ядра индуцирует гибель последних, однако, введение моноклональных антител к TNF-a тормозит процесс клеточного апоптоза.

В последнее время появляется все больше информации о роли IL-1 в дегенеративных процессах МПД. Как известно, IL-1 - это основной медиатор острого и хронического воспаления [17]. IL-1 выполняет широкий спектр важных функций: вызывает гипертермию, стимулирует выход нейтрофилов из костного мозга и их диапедез в ткани, активирует лимфоциты и NK-клетки. IL-1 был открыт в начале 70-х годов прошлого столетия, когда было показано, что фитогемагглютинин в культуре клеток способствует выделению фактора, стимулирующего деление лимфоцитов [24]. Кроме того, IL-1 осуществляет такие эффекты, как: активация хемотаксиса нейтрофилов и макрофагов, пролиферация эндо-телиоцитов и остеобластов, стимуляция дифференци-ровки и пролиферации В-лимфоцитов, высвобождение факторов, связанных с ростом и дифференцировкой лимфоидной и миелоидной клеточных популяций, а также регуляция транскрипции генов IL-2 и IL-3 в Т-лимфоцитах [17,32].

Подвергающиеся апоптозу макрофаги выделяют IL-1, но не IL-6 или TNF-a, что свидетельствуем о том, что апоптоз макрофагов in vivo в МПД является источником высвобождении цитокина. Различают две формы цитокина IL-1: IL-1a и IL-1p, которые контролируются самостоятельными, неаллельными близкосцепленными генами [29]. Доминирующей формой у человека является IL-1^. Изучение структуры данного цитокина выявило отсутствие у цитоплазматического предшественника лидерных N-пептидов или каких-либо гидрофобных участков в иных местах полипептидной цепи, необходимых для прохождения через мембрану, предопределило потенциальное наличие гидрофобного цитоплазмати-ческого белка переносчика. Методами рентгенострук-турного анализа установлено, что IL-1 представляет собой глобулу, N- и С-концевые последовательности которой находятся в пространственной близости. Именно эти концевые участки молекулы формируют центр, взаимодействующий с соответствующим рецептором [17,18,32].

Основным источником продукции IL-1 являются фагоцитирующие мононуклеары различной тканевой локализации: макрофаги и моноциты периферической крови и перитонеального экссудата, клетки Лангерганса в эпидермисе, купферовские клетки печени, клетки микроглии нервной ткани. Активными продуцентами IL-1 являются также эндотелиоциты, в том числе и капилляров, питающих наружные слои МПД. Кроме того, способностью секретировать данный цитокин обладают Т- и В-лимфоциты, фибробласты, NK-клетки, ке-ратиноциты, нейтрофилы [17,42]. Покоящиеся макрофаги, как и другие клеточные источники цитокина, не продуцируют IL-1 и не содержат его мРНК. Экспрессия гена IL-1 с образованием биологически активного белка начинается только после активации клеток различными индукторами [40].

Биологическая активность IL-1 реализуется через взаимодействие с рецепторами, представленными на поверхности клеток-мишеней. Рецепторы к IL-1 имеют следующее строение: неклеточная связывающая часть рецептора содержит 319 аминокислотных остатка, организованных в три иммуноглобулинподобных домена, что позволяет отнести этот белок к иммуноглобули-новому суперсемейству. Для данного типа рецепторов сигнал внутрь клетки передается с помощью сериновой протеинкиназы, взаимодействующей с цитоплазма-тическим хвостом рецептора. Набор различных типов клеток, несущих рецепторы к IL-1, крайне велик и распространяется практически по всем системам организма [17,43]. Одно из наиболее существенных свойств IL-1 - это стимуляция пролиферации антигенчувствитель-ных T-лимфоцитов. Сам по себе IL-1 не является фак-

тором роста для Т-лимфоцитов. Механизм его действия заключается в индукции синтеза 1Ь-2 и 1Ъ-4 - ростовых факторов, секретируемых Т-хелперами. Кроме того, 1Ъ-1 усиливает экспрессию рецепторов к 1Ь-2 и 1Ъ-4, что создает условия для аутокринной регуляции пролиферации Т-хелперов. Наибольшая стимулирующая активность 1Ъ-1 связана с теми Т-хелперами, которые продуцируют 1Ь-4 [29].

Важным для развития иммунного ответа является ростстимулирующее действие 1Ъ-1 на В-клетки. Активированные специфическим антигеном или ми-тогеном В-клетки отвечают усиленной пролиферацией под влиянием данного цитокина. Однако, как и в случае с Т-хелперами, это стимулирующее действие опосредуется через активацию экспрессии рецептора к другому цитокину - 1Ь-2. Также опосредовано участие 1Ъ-1 в дифференцировке В-лимфоцитов. Сам по себе он не обладает дифференцирующей активностью, но обеспечивает трансформацию премированных клеток в антите-лопродуценты в сочетании с другими цитокинами. 1Ъ-1 помимо участия в специфическом иммунном реагировании выступает в качестве одного из главных медиаторов, ответственных за развитие неспецифических форм защиты - формирование местной воспалительной реакции в очаге [17,29,43]. ОПшагкег и соавт. [26] доказали способность 1Ъ-1 изменять мембранный потенциал и нарушать аксоток в волокнах. Таким образом, ТОТ-а и 1Ъ-1 способствуют программируемой клеточной гибели клеток МПД, активации воспаления с привлечением лимфоцитов, макрофагов и нейтрофилов, васкуло- и нейрогенезу в дегенерированном диске.

Значение 1Ь-6 в патогенезе дегенерации МПД

1Ъ-6 - плейотропный цитокин, продуцируемый моноцитами, Т- и В-лимфоцитами, фибробластами, кера-тиноцитами, гепатоцитами, нейроглиальными клетками и стромальными клетками костного мозга. Синтез 1Ъ-6 индуцируют 1Ь-1, 2, ТОТ-а, инсулиноподобный фактор роста, а ингибируют 1Ъ-4, 13 [32]. Важной биологической функцией 1Ъ-6 является его способность стимулировать заключительные стадии созревания В-лимфоцитов. Под влиянием 1Ъ-6 В-лимфоциты дифференцируются в зрелые плазматические клетки и стимулируются для синтеза иммуноглобулинов. Кроме того, 1Ъ-6 вызывает активацию Т-клеток, стимулирует их рост и дифферен-цировку, включая дифференцировку цитотоксических Т-клеток [29]. По многообразию клеточных источников продукции и мишеней биологического действия 1Ъ-6 является одним из наиболее активных цитокинов, участвующих в реализации иммунного ответа и воспалительной реакции.

Биологическое действие 1Ъ-6 на клетки реализуется через взаимодействие с рецептором, который представляет собой мономер, включающий 468 аминокислотных остатков. Он имеет участок из 90 аминокислот, последовательность которых гомологична доменами иммуноглобулинов. Это обстоятельство позволяет отнести весь рецептор к суперсемейству иммуноглобулинов [25]. В отличие от рецепторов к другим цитокинам рецептор к 1Ъ-6 обладает значительным цитоплазматическим хвостом, включающим 82 аминокислотных остатков. Однако этот цитоплазматический домен не участвует в передаче сигнала внутрь клетки после взаимодействия с соответствующим лигандом, так как в его составе отсутствуют места связывания тирозинкиназ [23,31]. Рецепторы 1Ъ-6 с низкой и высокой аффинностью обнаружены в различных тканях и органах, включая В и Т лимфоциты, клетки эндотелия и МПД [19]. Показано, что генетические варианты 1Ъ-6 ассоциированы с дис-когенной поясничной болью [25]. Число рецепторов, экспрессирующихся на клеточной поверхности, варьирует в зависимости от типа клеток и в среднем оно составляет около 1,5 тыс. на клетку, увеличиваясь при грыжах МПД [31].

Спектр биологического действия 1Ъ-6 достаточно широк и реализуется в обеспечении дифференциров-

ки иммуногенных клеток на поздних стадиях развития. Являясь костимулятором, 1Ъ-6 подготавливает проли-феративный ответ Т-клеток на митоген или антиген, обеспечивает усиление продукции ИЛ-2 Т-хелперами, распознавшими антиген [27]. В качестве дифференцирующего фактора 1Ъ-6 определяет переход предшественников антигенспецифичных цитотоксических Т-клеток в зрелые эффекторы и трансформацию В лимфоцитов в плазматические клетки [4,11]. 8:^ег и со-авт. установили, что 1Ъ-6 потенцирует катаболическое влияние 1Ъ-1 и ТОТ-а на клетки пульпозного ядра [40]. 8атоЬ и соавт. установили роль 1Ъ-6 сигнального каскада в усиление секреции боль-ассоциированных протеинов в дорзальном ганглии на модели межпозвонковой грыжи [31]. Так же установлено 1Ъ-6 индуцированное увеличение секреции ТОТ-а и апоптоза нейронов дор-зального спинального ганглия [23]. Таким образом, 1Ъ-6 является цитокином, влияющим на развитие аллодении и гиперальгезии, и, как следствие, потенциальной данной для анальгетической терапии, что подтверждено с помощью селективного ингибитора 1Ъ-6 в эксперименте [31]. Клинически, исходно высокий уровень 1Ъ-6 у пациентов, перенесших операцию удаления МПД, ассоциировался с худшим восстановлением [32]. Генетические исследования установили ассоциацию между риском заболевания МПД и аллелью гуанина при ^1800795 и ^1800797 вариантах однонуклеотидного полиморфизма гена 1Ъ-6. Более того, ГГГ гаплотип полиморфизма имел высоко значимую ассоциацию с развитием заболевания [41]. Совокупность свойств ИЛ-6 ставит его в единый ряд с наиболее важными эндогенными регуляторами иммунных и воспалительных процессов в организме и одним из ключевых цитокинов в патогенезе дегенерации МПД и сопутствующей ноцицептивной болевой импульсации.

Значение интерферон-у (№N-7) в патогенезе дегенерации МПД

№N-7 является интерфероном II типа и синтезируется Т-лимфоцитами и №К-клетками в ответ на воздействие чужеродных агентов или митогенов. №N-7 обладает мощным противовирусным действием и является плейотропным лимфокином, имеющим широкий спектр эффектов, влияя на рост и дифференцировку различных типов клеток [12]. №N-7 индуцирует экспрессию молекул основного комплекса гистосовме-стимости II класса на антиген-презентирующих клетках, а так же стимулирует экспрессию молекул основного комплекса гистосовместимости I класса. Кроме того, №N-7 представляет собой и важнейший фактор, активирующий макрофаги и натуральные клетки киллеры [5,33].

Клеточные эффекты №N-7 реализуются посредством взаимодействия с димерными специфическими рецепторами №N^1 и №N^2 [33]. Для экспрессии функционального рецептора нужны оба компонента из 6-ой и 21-ой хромосом, являющихся строго видоспеци-фичными. По разным оценкам одна клетка содержит на своей мембране до 10000. После взаимодействия №N-7 с клеточными рецепторами происходит эндо-цитоз интерферона клеткой. Так же показано, что IFN взаимодействует с гепаран сульфатами клеточной стенки потенциально защищая от протеолитического разрушения [30]. Ввиду известной роли №N-7 при артритах,

данный цитокин так же стал объектом внимания при исследовании механизмов дегенерации МПД. В частности подтверждено увеличение его уровня при дегенерации и грыжах МПД [35].

Роль провоспалительных цитокинов в развитии болевого синдрома, ассоциированного с дегенерацией МПД

Доказано, что развитие дискогенного болевого синдрома связано с врастанием нервных волокон в ткань МПД. Именно взаимодействие провоспалительных цитокинов и нейротрофических факторов, продуцируемых клетками МПД и иммуноцитами, активно поддерживают процессы роста нервных волокон в МПД [10,13,21]. В здоровом МПД врастанию нервных волокон препятствует барьерная функция фиброзного кольца, которая возможна благодаря высокой концентрацией хондроитинсульфата в аггрекане и другими молекулами матрикса [2,16]. Важно отметить, что инвазии нервных стволов способствует расщепление аггре-кана ферментной системой ЛБЛмТ8 4, 5, которая активируется провоспалительными цитокинами (ТОТ-а, ГИа, ГЬ-1р, !Ъ-6) [26,27]. Не менее важный механизм, обусловливающий врастание нервных волокон связан с низкой экспрессией белка 8еша3Л (белок 3 класса семейства 8ешарЬопп). В норме этот белок ингибирует ангио- и нейрогенез в ткани МПД, однако, у пациентов с дискогенным болевым синдромом отмечается низкий уровень содержания белка 8еша3Л [20].

БгеешоП в своих исследованиях доказал, что для роста и развития нейрональной ткани в МПД необходим фактор роста нервов (N0?), секретируемый эндотелио-цитами капилляров [13]. Однако позже выяснилось, что клетки пульпозного ядра и фиброзного кольца в норме также экспрессируют низкие уровни нейротро-фических факторов (N0? и ВБОТ) и рецепторов к ним (ТгкЛ, ТгкВ и p75NGFR). Но при воздействии ГИр и ТОТ-а уровень экспрессии повышается в несколько раз, что активирует процессы ангио- и нейрогенеза в ткани МПД [18,24]. Получены данные о том, что N0? способен не только активировать процессы роста нервов и сосудов, но и напрямую участвовать в формировании болевого синдрома. Механизм формирования боли связан с воздействием N0? на спинальный ганглий и открытием рН-чувствительного Л8ГС3 [13,20] и ТЯРУ1 ноцицептивного каналов [21]. В совокупности цитоки-

Рис. 1. Роль цитокинов в развитии дегенеративных процессов МПД. Объяснение в тексте.

ны оказывают повреждающее действие на дорзальный спинальный ганглий и повышают экспрессию и способствуют открытию ноцицептивных каналов, облегчая деполяризацию болевых нейронов.

Таким образом, на молекулярном уровне патогенез дегенеративного изменения МПД представляет собой сложный стадийный процесс, в котором важное значение отводится влиянию провоспалительных цитокинов (рис. 1). На начальных этапах дегенерации МПД происходит альтерация фенотипа клеток пульпозного ядра и фиброзного кольца, секреция хемо- и цитокинов. Привлеченные клетки иммунной системы активируют воспалительную реакцию в МПД и окружающих тканях, что способствует неоваскуляризации и врастанию нервных окончаний в ткань МПД. Наряду с врастанием нервных волокон происходит цитокин-опосредованная активация болевых каналов в дорзальных спинальных ганглиях и формирование дискогенного болевого синдрома. Болевая афферентация возникает при комплексном воздействии как цитокинов, так и нейротрофиче-ских факторов. Показано, что цитокины участвуют не только в дегенерации МПД, и развитии болевого синдрома, но и в регенерации периферических нервов после повреждения [24]. Доказано, что при достаточном уровне нейротрофинов, IL-1ß, TNF, а также их рецепторов, регенеративные процессы нервного волокна происходят с нормальной скоростью, но болевой синдром наиболее выражен. Однако, при недостатке IL-1ß, TNF, но достаточном уровне фактора роста нервов - регенерация резко замедляется или вовсе прекращается, а болевой

синдром минимален. Данные исследования наглядно демонстрируют, что более рациональным методом терапевтического воздействия для лечения дискогенного болевого синдрома является прицельное ингибирова-ние 1Ь-1р, ТОТ-реакций, нежели полное выключение всех цитокиновых механизмов. С другой стороны нужно понимать, что цитокиновые реакции представляют собой сложную регуляторную сеть, где за каждое клиническое проявление ответственны несколько или даже целая группа ключевых белков. Поиск ключевых цито-киновых реакций в патогенезе дегенеративных изменений матрикса, индукции воспалительных изменений и дискогенного болевого синдрома позволит применять комбинированные подходы к регенерации МПД, а так же определить новые мишени для качественно нового уровня терапии таких пациентов.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Прозрачность исследования. Исследование не имело спонсорской поддержки. Исследователи несут полную ответственность за предоставление окончательной версии рукописи в печать.

Декларация о финансовых и иных взаимодействиях. Все авторы принимали участие в разработке концепции и дизайна исследования и в написании рукописи. Окончательная версия рукописи была одобрена всеми авторами. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 15-15-30037).

Работа поступила в редакцию: 01.04.2015 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Благодатский М.Д., Балашов Б.Б. О морфологических изменениях в тканях позвоночного канала // Журнал невропатологии и психиатрии. - 1987. - №4 - С.512-516.

2. Благодатский М.Д., Солодун Ю.В. Об аутоиммунном компоненте воспалительных реакций при корешковых синдромах // Журнал невропатологии и психиатрии. - 1988. -№88. - С.46-51.

3. Бывальцев В.А., Панасенков С.Ю. Наноструктурный анализ поясничных межпозвонковых дисков на разных стадиях дегенеративного процесса // Журнал вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. - 2013. - №3.- С.36-41.

4. Adams M.A., Freeman B.J., Morrison H.P., et al. Mechanical initiation of intervertebral disc degeneration // Spine. - 2010. -Vol. 25. - P.1625-1636.

5. Akyol S., Eraslan B.S., Etyemez H., et al. Catabolic cytokine expressions in patients with degenerative disc disease // Turk Neurosurg. -2010. - Vol. 20. - P.492-499.

6. Bachmeier B.E., Rafiq R.T., Lambert Y.S., et al. Matrix metalloproteinase expression levels suggest distinct enzyme roles during lumbar disc herniation and degeneration // Eur Spine J. -2012. - Vol. 18. - P.1573-1586.

7. Battié M.C., Borges B.T., Kandel S.P., et al. The Twin Spine Study: contributions to a changing view of disc degeneration // Spine J. - 2011. - Vol. 9. - P.47-59.

8. Black R.A., Yeomans T.D., Lontrie G .K., et al. A metalloproteinase disintegrin that releases tumour-necrosis factor-alpha from cells // Nature. - 2007. - Vol. 385. - P.729-733.

9. Cabal-Hierro L., Lazo P.S. Signal transduction by tumor necrosis factor receptors // Cell Signal. - 2012. - Vol. 24. - P.1297-1305.

10. Cheung K.M. The relationship between disc degeneration, low back pain, and human pain genetics // Spine J. - 2010. - Vol. 10. - P.958-960.

11. Côté P., Cassidy J.D., Carroll L. The Saskatchewan Health and Back Pain Survey. The prevalence of neck pain and related disability in Saskatchewan adults // Spine. - 2008. - Vol. 23. -P.1689-1698.

12. Cuéllar J.M., Borges P.M., Cuéllar V.G., et al. Cytokine expression in the epidural space: a model of noncompressive disc herniation-induced inflammation // Spine. - 2013. - Vol. 38. -P. 17-23.

13. Freemont A.J., Nantins F.D., Perl L.G., et al. Nerve growth factor expression and innervation of the painful intervertebral disc // J Pathol. - 2012. - Vol. 197. - P.286-292.

14. Iragashi S., Sano T., Urihara R., et al. TNF-alpha in nucleus pulposus induces sensory nerve growth: a study of the mechanism of discogenic low back pain using TNF-alpha-deficient mice // Spine. - 2008. - Vol. 33. - P.1542-1546.

15. Kanayama M., Togawa D., Takahashi C., et al. Cross-sectional magnetic resonance imaging study of lumbar disc degeneration in 200 healthy individuals // J Neurosurg Spine. -2009. - Vol. 11. - P.501-507.

16. Kokubo Y., Totsubo U., Nigata R., et al. Herniated and spondylotic intervertebral discs of the human cervical spine: histological and immunohistological findings in 500 en bloc surgical samples // J Neurosurg Spine. - 2008. - Vol. 9. - P.285-295.

17. Le Maitre C.L., Freemont A.J., Hoyland J.A. The role of interleukin-1 in the pathogenesis of human intervertebral disc degeneration // Arthritis Res Ther. - 2014. - Vol. 7. - P.732-745.

18. Le Maitre C.L., Hoyland J.A., Freemont A.J. Catabolic cytokine expression in degenerate and herniated human intervertebral discs: IL-1beta and TNFalpha expression profile // Arthritis Res Ther. - 2010. - Vol. 9. - P.77.

19. Livshits G., Vavrinka T., Rutlefors R., et al. Lumbar disc degeneration and genetic factors are the main risk factors for low back pain in women: the UK Twin Spine Study // Ann Rheum Dis. - 2011. - Vol. 70. - P.1740-1745.

20. Mamet J., Lazdunski M., Voilley N. How nerve growth factor drives physiological and inflammatory expressions of acid-sensing ion channel 3 in sensory neurons // J Biol Chem. - 2013. - Vol. 278. - P.48907-48913.

21. Melrose J., Roberts S., Smith S., Menage J., Ghosh P. Increased nerve and blood vessel ingrowth associated with proteoglycan depletion in an ovine anular lesion model of experimental disc degeneration // Spine. - 2012. - Vol. 27. - P. 1278-1285.

22. Murata Y., Preus F., Neymar J., et al. Changes in pain behavior and histologic changes caused by application of tumor necrosis factor-alpha to the dorsal root ganglion in rats // Spine. -2014. - Vol. 31. - P.530-535.

23. Murata Y., Rydevik B., Nannmark U., et al. Local application of interleukin-6 to the dorsal root ganglion induces tumor necrosis factor-a in the dorsal root ganglion and results in apoptosis of the dorsal root ganglion cells // Spine. - 2011. - Vol. 36. №12. - P.926-932.

24. Nadeau S., Filali M., Zhang J., et al. Functional recovery after peripheral nerve injury is dependent on the pro-inflammatory cytokines IL-1p and TNF: implications for neuropathic pain // J

Neurosci. - 2011. - Vol. 31(35). - P.12533-12542.

25. Noponen-Hietala N., Virtanen I., Karttunen R., et al. Genetic variations in IL6 associate with intervertebral disc disease characterized by sciatica // Pain. -2005. - Vol. 114. №1-2. - P.186-194.

Ollmarker S., Evans H., Trivedi J., Menage J. Histology and pathology of the human intervertebral disc // J Bone Joint Surg Am. - 2006. - Vol. 88. - P. 10-14.

27. Pockert A.J., Johnson K.W., Torrison T.T., et al. Modified expression of the ADAMTS enzymes and tissue inhibitor of metalloproteinases 3 during human intervertebral disc degeneration // Arthritis Rheum. - 2009. - Vol. 60. - P.482-491.

28. Purmessur D., Ioala N., Tobllers R., et al. A role for TNFa in intervertebral disc degeneration: a non-recoverable catabolic shift // Biochem Biophys Res Commun. - 2013. - Vol. 433. -P.151-156.

29. Rand N., Reichert F., Floman Y., Rotshenker S. Murine nucleus pulposus-derived cells secrete interleukins-1-beta, -6, and -10 and granulocyte-macrophage colony-stimulating factor in cell culture // Spine. - 1997. - Vol. 22. - P.2598-2601.

30. Sadir R., Forest E., Lortat-Jacob H. The heparan sulfate binding sequence of interferon-gamma increased the on rate of the interferon-gamma-interferon-gamma receptor complex formation // J Biol Chem. - 1998. - Vol. 273. №18. - P.10919-10925.

31. Sainoh T., Orita S., Miyagi M., et al. Interleukin-6 and interleukin-6 receptor expression, localization, and involvement in pain-sensing neuron activation in a mouse intervertebral disc injury model // J Orthop Res. - 2015. - Vol. 95. - P.123-127.

32. Schistad E.I., Espeland A., Pedersen L.M., et al. Association between baseline IL-6 and 1-year recovery in lumbar radicular pain // Eur J Pain. - 2014. - Vol. 18. №10. - P.1394-1401.

33. Schroder K., Hertzog P.J., Ravasi T., Hume D.A. Interferon-gamma: an overview of signals, mechanisms and functions // J Leukoc Biol. - 2004. - Vol. 75. №2. - P.163-189.

34. Séguin C.A., Pilliar R.M., Roughley P.J., Kandel R.A.

Tumor necrosis factor-alpha modulates matrix production and catabolism in nucleus pulposus tissue // Spine. - 2014. - Vol. 30.

- P.1940-1948.

35. Shamji M.F., Setton L.A., Jarvis W., et al. Proinflammatory cytokine expression profile in degenerated and herniated human intervertebral disc tissues // Arthritis Rheum. - 2010. - Vol. 62. №7. - P.1974-1982.

36. Shen C., Yan J., JiangL.S., DaiL.Y. Autophagy in rat annulus fibrosus cells: evidence and possible implications // Arthritis Res Ther. - 2011. - Vol. 13. - P.132.

37. Stewart W.F., Ricci J.A., Chee E., et al. Lost productive time and cost due to common pain conditions in the US workforce // JAMA. - 2013. - Vol. 290. - P.2443-2454.

38. Stirling A., Worthington T., Rafiq M., et al. Association between sciatica and Propionibacterium acnes // Lancet. - 2011.

- Vol. 357. - P.2024-2025.

39. Strankles M.F., Muzzin T., Quick J., et al. Intervertebral disc degeneration // Arthritis Rheum. -2011. - Vol. 73. - P.2134-2140.

40. Studer R.K., Vo N., Sowa G., Ondeck C., Kang J. Human nucleus pulposus cells react to IL-6: independent actions and amplification of response to IL-1 and TNF-a // Spine. - 2011. -Vol. 36. №8. - P.593-599.

41. Kelempisioti H., Takatalo J., Burns B., et al. Does lumbar disc degeneration on MRI associate with low back symptom severity in young Finnish adults? // Spine. - 2010. - Vol. 36. -P.2180-2189.

42. Wang J., Crosby S., Kunitz C., et al. TNF-a and IL-1ß promote a disintegrin-like and metalloprotease with thrombospondin type I motif-5-mediated aggrecan degradation through syndecan-4 in intervertebral disc // J Biol Chem. - 2011. - Vol. 286. - P.39738-39749.

43. Yamamoto J., Watanabe I., Reus M., et al. Fas ligand plays an important role for the production of pro-inflammatory cytokines in intervertebral disc nucleus pulposus cells // J Orthop Res. - 2013. - Vol. 31. - P.608-615.

REFERENCES

1. Blagodatskiy M.D., Balashov B.B. On the morphological changes in the tissues of the spinal canal // Zhurnal nevrologii i psihiatrii // - 1987. - Vol. 4 - P.512-516. (in Russian)

2. Blagodatskiy M.D., Solodun Yu.V. On the autoimmune component of inflammatory reactions in the radicular syndrome // Zhurnal nevrologii i psihiatrii. - 1988. - Vol. 8 - P.46-51. (in Russian)

3. Byvaltsev V.A., Panasenkov S.Yu. Nanostructured analysis of lumbar intervertebral disc in different stages of a degenerative process // Zhurnal voprosyi neyrohirurgii im. N. N. Burdenko. -2013. - Vol. 3. - P.36-41. (in Russian)

4. Adams M.A., Freeman B.J., Morrison H.P., et al. Mechanical initiation of intervertebral disc degeneration // Spine. - 2010. -Vol. 25. - P.1625-1636.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Akyol S., Eraslan B.S., Etyemez H., et al. Catabolic cytokine expressions in patients with degenerative disc disease // Turk Neurosurg. -2010. - Vol. 20. - P.492-499.

6. Bachmeier B.E., Rafiq R.T., Lambert Y.S., et al. Matrix metalloproteinase expression levels suggest distinct enzyme roles during lumbar disc herniation and degeneration // Eur Spine J. -2012. - Vol. 18. - P.1573-1586.

7. Battié M.C., Borges B.T., Kandel S.P., et al. The Twin Spine Study: contributions to a changing view of disc degeneration // Spine J. - 2011. - Vol. 9. - P.47-59.

8. Black R.A., Yeomans T.D., Lontrie G .K., et al. A metalloproteinase disintegrin that releases tumour-necrosis factor-alpha from cells // Nature. - 2007. - Vol. 385. - P.729-733.

9. Cabal-Hierro L., Lazo P.S. Signal transduction by tumor necrosis factor receptors // Cell Signal. - 2012. - Vol. 24. - P. 12971305.

10. Cheung K.M. The relationship between disc degeneration, low back pain, and human pain genetics // Spine J. - 2010. - Vol. 10. - P.958-960.

11. Côté P., Cassidy J.D., Carroll L. The Saskatchewan Health and Back Pain Survey. The prevalence of neck pain and related disability in Saskatchewan adults // Spine. - 2008. - Vol. 23. -P.1689-1698.

12. Cuéllar J.M., Borges P.M., Cuéllar V.G., et al. Cytokine expression in the epidural space: a model of noncompressive disc herniation-induced inflammation // Spine. - 2013. - Vol. 38. -

P. 17-23.