Perbaikan tulang rawan artikular dan faktor pertumbuhan dalam patogenesis osteoartritis

Berkat kemajuan bioteknologi, khususnya teknologi kloning, daftar faktor pertumbuhan yang, sebagai faktor anabolik, memainkan peran penting, tetapi tidak sepenuhnya dipahami dalam patogenesis osteoartritis baru-baru ini telah diperluas secara intensif.

Kelompok pertama faktor pertumbuhan yang dibahas di bawah ini adalah IGF. Mereka ditemukan dalam jumlah besar dalam serum darah dan memiliki sejumlah sifat yang sama dengan insulin. IGF-2 lebih khas untuk tahap perkembangan embrio, sementara IGF-1 adalah perwakilan dominan kelompok pada orang dewasa. Kedua perwakilan kelompok ini bertindak dengan mengikat reseptor IGF tipe I. Sementara fungsi IGF-2 masih belum diketahui, signifikansi IGF-1 telah ditentukan - ia mampu merangsang sintesis proteoglikan oleh kondrosit dan secara signifikan menghambat proses katabolik dalam tulang rawan artikular. IGF-1 adalah stimulus anabolik utama untuk sintesis proteoglikan oleh kondrosit, hadir dalam serum darah dan cairan sinovial. IGF-1 merupakan faktor penting untuk membudidayakan kondrosit dalam model eksperimental osteoartrosis in vitro. Diasumsikan bahwa IGF-1 memasuki cairan sinovial dari plasma darah. Selain itu, kondrosit normal menghasilkan kedua faktor tersebut - ekspresi IGF-1 dan IGF-2 ditemukan pada membran sinovial dan tulang rawan pasien dengan osteoartritis. Pada tulang rawan normal, IGF-1 tidak memiliki sifat mitogenik, tetapi mampu merangsang proliferasi sel dalam matriks yang rusak, yang menunjukkan partisipasi dalam proses reparatif.

Zat aktif biologis yang merangsang perbaikan dan menghambat degradasi tulang rawan artikular

• Insulin
• Interferon gamma
• Hormon somatotropik, androgen
• Somatomedin (IPF-1 dan -2)
• TGF-beta (faktor pertumbuhan jaringan)
• Faktor pertumbuhan yang berasal dari trombosit
• Faktor pertumbuhan fibroblast dasar
• EFR
• Antagonis reseptor IL-1
• Protein pengikat TNF-a
• Penghambat jaringan metalloprotease
• sebuah _2- makroglobulin
• antitripsin-ai
• RG-makroglobulin
• Rg-antikimotripsin

Tindakan IGF-1 dan IGF-2 dikontrol oleh berbagai protein pengikat IGF (IGF-BP), yang juga diproduksi oleh kondrosit. IGF-BP dapat bertindak sebagai pembawa dan juga memiliki aktivitas pemblokiran IGF. Sel yang diisolasi dari tulang rawan artikular pasien dengan osteoartrosis menghasilkan IGF-BP dalam jumlah berlebihan, yang menunjukkan bahwa mereka memblokir efek IGF. J. Martel-Pelletier et al. (1998) menunjukkan bahwa meskipun sintesis IGF-1 dalam tulang rawan meningkat pada osteoartrosis, kondrosit merespons lemah terhadap stimulasi IGF-1. Ternyata fenomena ini terkait (setidaknya sebagian) dengan peningkatan kadar IGF-BP. IGF-BP memiliki afinitas tinggi terhadap IGF dan merupakan biomodulator penting dari aktivitasnya. Sampai saat ini, tujuh jenis IGF-BP telah dipelajari, dan disregulasi IGF-BP-3 dan IGF-BP-4 memainkan peran penting dalam osteoartritis.

Kategori lain dari faktor pertumbuhan yang menunjukkan efek berbeda pada kondrosit meliputi faktor pertumbuhan turunan trombosit (PDGF), FGF, dan TGF-beta. Faktor-faktor ini diproduksi tidak hanya oleh kondrosit tetapi juga oleh sinovosit yang teraktivasi. FGF memiliki sifat anabolik dan katabolik tergantung pada konsentrasi dan kondisi tulang rawan artikular. PDGF terlibat dalam menjaga homeostasis ECM tulang rawan artikular tanpa memiliki sifat mitogenik yang jelas. Faktor pertumbuhan ini diketahui dapat meningkatkan sintesis proteoglikan dan mengurangi degradasinya.

TGF-beta sangat menarik karena perannya dalam patogenesis osteoartritis. Ia merupakan anggota superfamili TGF yang besar dan memiliki sifat fungsional dan pensinyalan yang sama dengan faktor pertumbuhan BMP (bone morphogenetic protein) yang baru ditemukan.

TGF-beta adalah faktor pleiotropik: di satu sisi, ia memiliki sifat imunosupresif, di sisi lain, ia adalah faktor kemotaktik dan stimulator kuat proliferasi fibroblas. Sifat unik TGF-beta adalah kemampuan untuk menghambat pelepasan enzim dari berbagai sel dan secara signifikan meningkatkan produksi inhibitor enzim (misalnya, TIMP). TGF-beta dianggap sebagai pengatur penting kerusakan jaringan akibat peradangan. Dengan demikian, dalam jaringan tulang rawan artikular, TGF-beta secara signifikan merangsang produksi matriks oleh kondrosit, terutama setelah paparan awal terhadap faktor ini. Tulang rawan normal tidak sensitif terhadap TGF-beta. Pada pasien dengan OA, TGF-β merangsang produksi aggrecan dan proteoglikan kecil dalam tulang rawan artikular.

TGF-beta diproduksi oleh banyak sel, terutama kondrosit. Ia dilepaskan dalam bentuk laten yang terikat pada protein khusus yang disebut protein terkait latensi (LAP). Disosiasi dari protein ini dilakukan oleh protease, yang diproduksi dalam jumlah besar pada jaringan yang meradang. Selain TGF-beta, yang diproduksi oleh sel-sel yang teraktivasi, penyimpanan bentuk laten faktor ini merupakan elemen penting dari reaktivitas TGF-beta dalam jaringan setelah cedera lokal. TGF-beta hadir dalam jumlah yang signifikan dalam cairan sinovial, membran sinovial, dan tulang rawan sendi yang terkena osteoartrosis. Di area jaringan yang rusak dengan infiltrat inflamasi, ko-ekspresi TNF dan IL-1 terdeteksi, sedangkan di area dengan fibrosis, hanya ekspresi TGF-beta yang terdeteksi.

Inkubasi kondrosit yang dikultur dari pasien dengan osteoartritis dengan TGF-beta menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam sintesis proteoglikan oleh sel-sel ini. Stimulasi kondrosit normal dengan TGF-beta menyebabkan peningkatan sintesis proteoglikan hanya setelah beberapa hari inkubasi. Mungkin waktu ini diperlukan agar fenotipe sel berubah di bawah pengaruh TGF-beta (misalnya, untuk perubahan dalam apa yang disebut kompartementalisasi proteoglikan: proteoglikan yang baru dibuat hanya terlokalisasi di sekitar kondrosit).

Diketahui bahwa aktivasi sintesis faktor pertumbuhan, khususnya TGF-beta, merupakan mata rantai penting dalam patogenesis fibrosis ginjal dan hati, serta pembentukan jaringan parut selama penyembuhan luka. Peningkatan beban pada kondrosit in vitro menyebabkan hiperproduksi TGF-beta, sementara penurunan sintesis proteoglikan setelah imobilisasi anggota tubuh dapat diratakan oleh TGF-beta. TGF-beta menginduksi pembentukan osteofit di zona marginal sendi sebagai mekanisme adaptasi terhadap perubahan beban. IL-1, yang menyebabkan proses inflamasi sedang di sinovium sebagai respons terhadap kerusakan sendi, mendorong pembentukan kondrosit dengan fenotipe yang berubah, yang menghasilkan jumlah yang berlebihan.

Penyuntikan lokal berulang TGF-beta rekombinan pada konsentrasi tinggi menyebabkan perkembangan osteoartritis pada tikus C57B1 - pembentukan osteofit, yang merupakan ciri khas osteoartritis manusia, dan hilangnya proteoglikan secara signifikan di zona "batas bergelombang".

Untuk memahami bagaimana kelebihan TGF-beta menyebabkan perubahan yang diketahui pada tulang rawan, perlu dicatat bahwa paparan TGF-β menginduksi fenotipe kondrosit yang khas dengan perubahan subkelas proteoglikan yang disintesis dan gangguan integrasi normal elemen ECM. Baik IGF-1 maupun TGF-beta menstimulasi sintesis proteoglikan oleh kondrosit yang dikultur dalam alginat, tetapi yang terakhir juga menginduksi apa yang disebut kompartementalisasi proteoglikan. Selain itu, TGF-beta ditemukan meningkatkan kadar kolagenase-3 (MMP-13) pada kondrosit yang diaktifkan, yang bertentangan dengan gagasan umum TGF-beta sebagai faktor yang, sebaliknya, mengurangi pelepasan protease yang merusak. Namun, tidak diketahui apakah sintesis MMP-13 yang diinduksi TGF-beta terlibat dalam patogenesis OA. TGF-beta tidak hanya merangsang sintesis proteoglikan, tetapi juga mendorong pengendapannya di ligamen dan tendon, meningkatkan kekakuan dan mengurangi rentang gerak pada sendi.

BMP adalah anggota superfamili TGF-beta. Beberapa di antaranya (BMP-2, BMP-7, dan BMP-9) memiliki sifat merangsang sintesis proteoglikan oleh kondrosit. BMP memberikan efeknya dengan mengikat reseptor spesifik pada permukaan sel; jalur pensinyalan TGF-beta dan BMP sedikit berbeda. Seperti TGF-beta, BMP memberi sinyal melalui kompleks reseptor serin/treonin kinase tipe I dan II. Dalam kompleks ini, reseptor tipe II ditransfosforilasi dan mengaktifkan reseptor tipe I, yang mengirimkan sinyal ke molekul pensinyalan yang disebut Smad. Setelah menerima sinyal, Smad difosforilasi dengan cepat. Saat ini diketahui bahwa dalam jalur pensinyalan BMP, Smad-1, -5, dan -8 difosforilasi, dan dalam jalur pensinyalan TGF-beta, Smad-2 dan Smad-3 difosforilasi. Kemudian Smad yang diberi nama tersebut berasosiasi dengan Smad-4, yang merupakan jalur pensinyalan umum dari semua anggota superfamili TGF-beta. Fakta ini menjelaskan keberadaan fungsi silang pada anggota superfamili TGF-beta, serta fenomena saling menghambat jalur pensinyalan TGF-beta dan BMP dengan cara bersaing untuk mendapatkan komponen umum. Belum lama ini, kelas protein Smad lainnya diidentifikasi, yang diwakili oleh Smad-6 dan -7. Molekul-molekul ini bertindak sebagai pengatur jalur pensinyalan TGF-beta dan BMP.

Meskipun efek stimulasi CMP pada sintesis proteoglikan telah diketahui sejak lama, perannya dalam pengaturan fungsi tulang rawan artikular masih kontroversial karena kemampuan CMP yang diketahui untuk menyebabkan dediferensiasi sel, merangsang kalsifikasi dan pembentukan jaringan tulang. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) menunjukkan bahwa interaksi CMP dengan reseptor CMP tipe II diperlukan untuk mempertahankan fenotipe kondrosit yang berdiferensiasi, serta mengendalikan proliferasi dan hipertrofinya. Menurut LZ Sailor et al. (1996), CMP-2 mempertahankan fenotipe kondrosit dalam kultur selama 4 minggu tanpa menyebabkan hipertrofinya. CMP-7 (identik dengan protein osteogenik-1) mempertahankan fenotipe kondrosit dewasa dari tulang rawan artikular yang dikultur dalam alginat untuk waktu yang lama.

Pengenalan KMP-2 dan -9 ke dalam sendi lutut tikus meningkatkan sintesis proteoglikan hingga 300%, jauh lebih banyak daripada TGF-beta. Akan tetapi, efek stimulasi tersebut bersifat sementara, dan setelah beberapa hari tingkat sintesis kembali ke tingkat awal. TGF-beta menyebabkan stimulasi sintesis proteoglikan jangka panjang, yang mungkin disebabkan oleh autoinduksi TGF-beta dan sensitisasi kondrosit terhadap faktor ini.

TGF-beta bertanggung jawab atas pembentukan kondrofit, yang dapat dianggap sebagai efek yang tidak diinginkan dari aksinya, KMP-2 juga mendorong pembentukan kondrofit, tetapi di area tepi artikular yang berbeda (terutama di area lempeng pertumbuhan).

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

Protein morfogenetik tulang rawan

Protein morfogenetik kartilago (CMP-1 dan -2) adalah anggota lain dari superfamili TGF-beta yang penting untuk pembentukan jaringan kartilago selama perkembangan anggota tubuh. Mutasi pada gen CMP-1 menyebabkan kondrodisplasia. CMP mungkin memiliki profil penargetan kartilago yang lebih selektif. Meskipun TGF-beta dan CMP dapat menstimulasi kondrosit, keduanya dapat bekerja pada banyak sel lain, sehingga penggunaannya untuk perbaikan kartilago dapat dikaitkan dengan efek samping. Kedua jenis CMP ditemukan dalam kartilago sendi yang sehat dan osteoartritis dan meningkatkan perbaikan ECM kartilago artikular setelah degradasi enzimatik, sehingga mempertahankan fenotipe normal.

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

Sinergisme faktor pertumbuhan

Satu faktor pertumbuhan mampu menginduksi dirinya sendiri, seperti halnya faktor pertumbuhan lainnya, interaksi ini diatur dengan baik. Misalnya, FGF bersama dengan faktor pertumbuhan lainnya memberikan perbaikan tulang rawan artikular yang lebih efektif setelah cacat traumatis. IGF-1 bersama dengan TGF-beta secara signifikan menginduksi fenotipe normal kondrosit saat membudidayakannya secara in vitro. Telah ditunjukkan bahwa TGF-beta mencegah produksi IGF-1 dan IGF-BP, dan juga mendefosforilasi reseptor IGF-1, merangsang pengikatan IGF-1. Pada tulang rawan tikus yang utuh, fenomena sinergisme IGF-1 dengan banyak faktor pertumbuhan ditemukan. Namun, respons kondrosit yang lemah terhadap IGF-1 tidak dapat diratakan dengan menggunakannya dalam kombinasi dengan faktor pertumbuhan lainnya.

Interaksi sitokin anabolik dan destruktif

Faktor pertumbuhan menunjukkan interaksi yang kompleks dengan IL-1. Misalnya, pra-paparan kondrosit terhadap FGF meningkatkan pelepasan protease setelah paparan IL-1, mungkin melalui peningkatan ekspresi reseptor IL-1. PDGF juga menstimulasi pelepasan protease yang bergantung pada IL-1, tetapi mengurangi penghambatan sintesis proteoglikan yang dimediasi IL-1. Ini mungkin menunjukkan bahwa beberapa faktor pertumbuhan dapat secara bersamaan menstimulasi perbaikan tulang rawan dan mendorong penghancurannya. Faktor pertumbuhan lainnya, seperti IGF-1 dan TGF-β, menstimulasi sintesis matriks artikular dan menghambat penghancuran tulang rawan artikular yang dimediasi IL-1, yang menunjukkan bahwa aktivitasnya hanya terkait dengan perbaikan jaringan. Interaksi ini tidak bergantung pada pra-paparan kondrosit terhadap IL-1. Menariknya, kinetika efek IL-1 dan TGF-beta mungkin berbeda: kemampuan TGF-beta untuk menekan degradasi tulang rawan artikular dilemahkan oleh aksinya yang lambat pada mRNA TIMP. Di sisi lain, peningkatan kadar hNOC dan NO diamati tanpa adanya TGF-beta. Mengingat ketergantungan NO pada efek supresif IL-1 pada sintesis proteoglikan oleh kondrosit, hal ini dapat menjelaskan mengapa kita mengamati penangkalan TGF-beta yang jauh lebih kuat terhadap penghambatan sintesis proteoglikan yang bergantung pada IL-1 dibandingkan dengan degradasi proteoglikan in vivo.

Dalam sebuah penelitian pada tikus yang disuntik secara intra-artikular dengan IL-1 dan faktor pertumbuhan, ditunjukkan bahwa TGF-beta secara signifikan menangkal penghambatan sintesis proteoglikan tulang rawan artikular yang dimediasi IL-1, sedangkan CMP-2 tidak mampu melakukan penangkalan tersebut: potensi stimulasinya sepenuhnya dihambat oleh IL-1 bahkan pada konsentrasi CMP-2 yang tinggi. Khususnya, tanpa adanya IL-1, CMP-2 menstimulasi sintesis proteoglikan jauh lebih intens daripada TGF-beta.

Selain efeknya pada sintesis proteoglikan, TGF-beta juga secara signifikan memengaruhi penurunan kandungan proteoglikan tulang rawan yang diinduksi IL-1. Ada kemungkinan kandungan proteoglikan menurun atau meningkat tergantung pada konsentrasi relatif IL-1 dan TGF-beta. Menariknya, penangkalan IL-1 dan TGF-beta yang dijelaskan di atas diamati pada ketebalan tulang rawan, tetapi fenomena ini tidak diamati di dekat kondrofit di tepi permukaan artikular. Pembentukan kondrofit diinduksi oleh TGF-β, yang memengaruhi sel kondrogenik di periosteum, yang menyebabkan perkembangan kondroblas dan pengendapan proteoglikan. Tampaknya, kondroblas ini tidak sensitif terhadap IL-1.

HL Glansbeek dkk. (1998) mempelajari kemampuan TGF-beta dan KMP-2 untuk melawan penekanan sintesis proteoglikan pada sendi tikus dengan artritis yang diinduksi zymosan (yaitu, dalam model peradangan "murni" yang diinduksi IL-1). Pemberian TGF-beta intra-artikular secara signifikan melawan penekanan sintesis proteoglikan yang disebabkan oleh peradangan, sementara KMP-2 hampir tidak mampu melawan proses yang bergantung pada IL-1 ini. Penyuntikan TGF-β berulang ke dalam sendi lutut hewan yang diteliti secara signifikan merangsang sintesis proteoglikan oleh kondrosit, berkontribusi pada pelestarian proteoglikan yang ada di tulang rawan yang terkuras oleh peradangan, tetapi tidak menekan proses peradangan.

Ketika mempelajari fungsi sintesis proteoglikan dari kondrosit menggunakan model eksperimental osteoartrosis pada hewan, peningkatan kandungan dan stimulasi sintesis proteoglikan pada tahap awal OA selalu dicatat, berbeda dengan model inflamasi, di mana penghambatan sintesis yang signifikan (proses yang bergantung pada IL-1) diamati. Peningkatan aktivitas faktor anabolik, khususnya faktor pertumbuhan, yang diamati pada osteoartrosis, menetralkan efek sitokin penekan seperti IL-1. Di antara faktor pertumbuhan, TGF-beta adalah yang paling penting; KMP-2 tidak mungkin memainkan peran penting dalam proses ini. Meskipun IGF-1 mampu merangsang sintesis proteoglikan secara in vitro, sifat ini tidak diamati secara in vivo dengan aplikasi lokal IGF-1. Hal ini mungkin disebabkan oleh fakta bahwa tingkat endogen faktor pertumbuhan ini optimal. Pada stadium osteoartritis lanjut, tanda-tanda penghambatan sintesis proteoglikan muncul, yang mungkin terkait dengan aksi dominan IL-1 dan ketidakmampuan faktor pertumbuhan untuk melawannya akibat menurunnya aktivitas.

Analisis ekspresi faktor pertumbuhan pada tikus STR/ORT dengan osteoartritis spontan menunjukkan peningkatan kadar mRNA TGF-β dan IL-1 pada tulang rawan yang rusak. Perlu dicatat bahwa aktivasi TGF-β dari bentuk laten merupakan elemen penting dari perbaikan jaringan. Memahami peran TGF-β menjadi rumit karena hasil studi ekspresi reseptor TGF-β tipe II pada kelinci ACL. Segera setelah induksi osteoartritis, kadar reseptor ini yang menurun terdeteksi, yang menunjukkan sinyal TGF-β yang tidak mencukupi. Menariknya, tikus yang kekurangan reseptor TGF-β tipe 11 menunjukkan tanda-tanda osteoartritis spontan, yang juga menunjukkan peran penting sinyal TGF-β dalam kerusakan perbaikan tulang rawan dan perkembangan osteoartritis.

Kandungan absolut faktor pertumbuhan pada sendi pasien dengan artritis reumatoid atau osteoartrosis dapat menunjukkan kemungkinan peran mereka dalam patogenesis penyakit ini. Namun, terlepas dari kenyataan bahwa konsentrasi tinggi faktor pertumbuhan ditemukan pada sendi dengan osteoartrosis dan artritis reumatoid, sifat degradasi dan proses perbaikan pada kedua penyakit ini sama sekali berbeda. Mungkin, ada faktor lain yang belum teridentifikasi yang memainkan peran utama dalam patogenesis penyakit ini, atau aspek lain dari fenomena yang dipelajari menentukan jalannya degradasi dan proses perbaikan pada jaringan sendi (misalnya, ekspresi reseptor tertentu pada permukaan kondrosit, reseptor larut yang mengikat protein, atau ketidakseimbangan faktor anabolik dan destruktif).