Peran enzim dan sitokin dalam patogenesis osteoartritis

Dalam beberapa tahun terakhir, banyak penelitian berfokus pada identifikasi protease yang bertanggung jawab atas degradasi ECM tulang rawan artikular pada osteoartritis. Menurut gagasan modern, peran penting dalam patogenesis osteoarthritis dimainkan oleh metaloprotease matriks (MMPs). Pasien dengan osteoartritis memiliki tingkat peningkatan tiga perwakilan MMP - kolagenase, stromelysin dan gelatinase. Kolagenase bertanggung jawab atas degradasi kolagen asli, stromelysin - kolagen tipe IV, proteoglikan dan laminin, gelatinase untuk degradasi gelatin, kolagen IV, tipe Vh XI, elastin. Selain itu, adanya enzim lain - aggrecanase, yang memiliki sifat MMPs dan bertanggung jawab untuk proteolisis agregat proteoglikan cartilaginous.

Tiga jenis kolagenase diidentifikasi pada tulang rawan artikular orang tersebut, yang tingkatnya meningkat secara signifikan pada pasien dengan osteoartritis - kolagenase-1 (MMP-1), kolagenase-2 (MMP-8) dan kolagenase-3 (MMP-13). Koeksistensi tiga jenis kolagenase yang berbeda pada kartilago artikular menunjukkan bahwa masing-masing memainkan peran spesifiknya sendiri. Kolagenase-1 dan -2 dilokalisasi terutama di permukaan dan bagian atas zona perantara tulang rawan artikular, sedangkan kolagenase-3 ditemukan di bagian bawah zona antara dan dalam. Selain itu, hasil studi imunohistokimia menunjukkan bahwa selama perkembangan osteoarthritis, tingkat kolagenase-3 mencapai dataran tinggi dan bahkan menurun, sementara tingkat kolagenase-1 meningkat secara bertahap. Ada bukti bahwa dalam kasus osteoarthritis, kolagenase-1 terutama terlibat dalam proses peradangan pada tulang rawan artikular, sedangkan kolagenase-3 terlibat dalam remodeling jaringan. Cartilagin-3, yang dinyatakan dalam tulang rawan pasien dengan OA, menurunkan kolagen tipe II secara lebih intensif daripada kolagenase-1.

Dari perwakilan kelompok kedua metaloprotease, stromelysin, tiga stromelysin-1 (MMP-3), stromelysin-2 (MMP-10) dan stromelysin-3 (MMP-11) juga diidentifikasi. Saat ini diketahui bahwa hanya stromelysin-1 yang terlibat dalam proses patologis pada osteoarthritis. Pada membran sinovial pasien dengan osteoartritis, stromelysin-2 tidak terdeteksi, namun terdeteksi pada jumlah yang sangat kecil pada fibroblas sinovial pasien dengan rheumatoid arthritis. Stromelysin-3 juga ditemukan di membran sinovial pasien dengan rheumatoid arthritis di dekat fibroblas, terutama di daerah fibrosis.

Pada kelompok gelatinase, hanya dua yang telah diidentifikasi pada jaringan tulang rawan manusia: gelatinase 92 kD (gelatinase B, atau MMP-9) dan gelatin pada 72 kD (gelatinase A, atau MMP-2); pada pasien dengan osteoarthritis, peningkatan kadar gelatinase 92 kD ditentukan.

Belum lama ini, kelompok MMP lain diidentifikasi yang terlokalisasi di permukaan membran sel dan disebut tipe membran MMP (MMP-MT). Untuk kelompok ini ada empat enzim - MMP-MT1-MMP-MT-4. Ekspresi MMP-MT ditemukan pada kartilago artikular manusia. Meskipun MMP-MT-1 memiliki khasiat kolagenase, baik MMP-MT-1 dan MMP-MT-2 mampu mengaktifkan gelatinase-72 kD dan kolagenase-3. Peran kelompok MMP ini dalam patogenesis OA membutuhkan penyempurnaan.

Proteinase disekresikan dalam bentuk zymogen, yang diaktifkan oleh proteinase lain atau senyawa organik merkuri. Aktivitas katalitik MMP bergantung pada adanya seng di zona aktif enzim.

Aktivitas biologis MMP dikendalikan oleh TIMP spesifik. Sampai saat ini, tiga jenis TIMP telah diidentifikasi yang ditemukan di jaringan artikular manusia, TIMP-1-TIMP-3. Tipe keempat TIMP diidentifikasi dan diklon, namun belum terdeteksi pada jaringan artikular manusia. Molekul-molekul ini secara khusus mengikat ke tempat aktif MMP, walaupun beberapa di antaranya mampu mengikat pusat aktif pro-gelatinase 72 kD (TIMP-2, -3, -4) dan gelatinase 92 kD (TIMP-1 dan -3). Data menunjukkan bahwa dengan OA pada kartilago artikular terdapat ketidakseimbangan antara MMP dan TIMP, yang menghasilkan defisiensi inhibitor relatif, yang mungkin sebagian disebabkan oleh peningkatan tingkat MMP aktif dalam jaringan. TIMP-1 dan -2 ditemukan di tulang rawan artikular, mereka disintesis oleh chondrocytes. Dengan osteoartritis pada membran sinovial dan cairan sinovial, hanya tipe pertama dari TIMP yang terdeteksi. TIMP-3 terdeteksi secara eksklusif di ECM. TIMP-4 memiliki urutan asam amino yang hampir identik dengan TIMP-2 dan-ZINA sekitar 38% -STIMP-1 hampir 50%. Di sel target lainnya, TIMP-4 bertanggung jawab untuk memodulasi aktivasi progestogenase 72 kD pada permukaan sel, yang mengindikasikan peran penting sebagai pengatur jaringan khusus pemodelan ECM.

Mekanisme lain untuk mengendalikan aktivitas biologis MMP adalah aktivasi fisiologisnya. Hal ini diyakini bahwa enzim dari keluarga protease serin dan sistein, seperti AP / plasmin dan cathepsin B, masing-masing adalah aktivator fisiologis MMP. Pada tulang rawan artikular pasien dengan osteoarthritis, peningkatan kadar urokinase (UAP) dan plasmin terdeteksi.

Terlepas dari kenyataan bahwa beberapa jenis cathepsins ditemukan di jaringan sendi, cathepsin-B dianggap sebagai aktivator MMP yang paling mungkin terjadi pada tulang rawan. Dalam jaringan sendi manusia, inhibitor fisiologis protease serin dan sistein terdeteksi. Aktivitas penghambat AP-1 (IAP-1), serta protease sistein, berkurang pada pasien dengan osteoartritis. Demikian pula dengan MMP / TIMP, ini adalah ketidakseimbangan antara protease serin dan sistein dan penghambatnya yang dapat menjelaskan aktivitas MMP yang meningkat pada tulang rawan artikular pasien dengan osteoartritis. Selain itu, MMPs mampu saling mengaktifkan. Misalnya, stromelysin-1 mengaktifkan kolagenase-1, kolagenase-3 dan gelatinase 92 kD; Kolagenase-3 mengaktifkan gelatinase 92 kD; MMP-MT mengaktifkan kolagenase-3, dan gelatinase-72 kD mempotensiasi aktivasi ini; MMP-MT juga mengaktifkan gelatinase 72 kD. Sitokin dapat dibagi menjadi tiga kelompok - destruktif (pro-inflamasi), regulasi (termasuk anti-inflamasi) dan anabolik (faktor pertumbuhan).

Jenis sitokin (menurut van den Berg WB et al)

Merusak	Interleukin-1 TNF-a Faktor Hambatan Leukemia Interleukin-17
Regulatory	Interlekin-4 Interleukin-10 Interleukin-13 Enzim Inhibitor
Anabolik	Faktor pertumbuhan mirip dengan Msulin TGF-b Protein morfogenetik tulang Protein morfogenetik berasal dari tulang rawan

Sitokin yang merusak, khususnya IL-1, menyebabkan peningkatan pelepasan protease dan menghambat sintesis proteoglikan dan kolagen oleh khondrosit. Sitokin peraturan, khususnya IL-4 dan -10, menghambat produksi IL-1, meningkatkan produksi antagonis reseptor IL-1 (IL-1 RA), dan mengurangi tingkat NO-sintase pada kondrosit. Dengan demikian, IL-4 melawan IL-1 dengan tiga cara: 1) mengurangi produksi, mencegah pengaruhnya, 2) meningkatkan produksi "pemulung" utama IL-1RA dan 3) mengurangi produksi utusan "utusan utama" sekunder NO. Selain itu, IL-4 mengurangi degradasi jaringan enzimatik. Dalam kondisi in vivo efek terapi yang optimal dicapai dengan kombinasi IL-4 dan IL-10. Faktor anabolik seperti TGF-p dan IGF-1 tidak benar-benar mengganggu produksi atau tindakan IL-1, namun menunjukkan aktivitas sebaliknya, misalnya, merangsang sintesis proteoglikan dan kolagen, menghambat aktivitas protease, dan TGF- (3 juga menghambat pelepasan enzim dan merangsang penghambatnya.

Sitokin proinflamasi bertanggung jawab atas peningkatan sintesis dan ekspresi MMP pada jaringan sendi. Mereka disintesis di membran sinovial, dan kemudian berdifusi ke tulang rawan artikular melalui cairan sinovial. Sitokin proinflamasi mengaktifkan khondrosit, yang pada gilirannya juga mampu menghasilkan sitokin pro-inflamasi. Pada sendi yang terkena osteoarthrosis, peran efektor peradangan dimainkan terutama oleh sel-sel membran sinovial. Ini adalah sinovitis tipe makrofag yang mengeluarkan protease dan mediator inflamasi. Di antara mereka, dalam patogenesis faktor pembentuk leukemia osteoartritis, IL-f, TNF-a, IL-6, LIB (IL-17), dan IL-17 terlibat dalam tingkat patogenesis.

Zat biologis aktif yang merangsang penurunan tulang rawan artikular pada osteoartritis

• Interleukin-1
• Interlekin-3
• Interlekin-4
• TNF-a
• Faktor stimulasi koloni: makrofag (monocytic) dan granulocyte-macrophage
• Zat p
• PGE ₂
• Aktivator plasminogen (jaringan dan jenis urokinase) dan plasmin
• Metalloprotease (kolagenase, ellastases, stromelysins)
• Cathepsins A dan B
• Thriller
• Lipopolisakarida bakteri
• Fosfolipase Ag

Data literatur menunjukkan bahwa IL-ip dan, mungkin, TNF-a, adalah mediator utama penghancuran jaringan artikular pada osteoartritis. Namun, masih belum diketahui apakah mereka beroperasi secara independen satu sama lain atau ada hirarki fungsional di antara keduanya. Pada model osteoarthrosis pada hewan, telah ditunjukkan bahwa blokade IL-1 secara efektif mencegah penghancuran tulang rawan artikular, sedangkan blokade TNF-α hanya mengarah pada penurunan peradangan pada jaringan sendi. Pada membran sinovial, cairan sinovial dan tulang rawan pasien, peningkatan konsentrasi kedua sitokin terdeteksi. Dalam kondrosit, mereka mampu meningkatkan sintesis protease tidak hanya (terutama MMP dan AP), tetapi juga kolagen kecil, misalnya tipe I dan III, dan juga untuk mengurangi sintesis jenis kolagen II dan IX dan proteoglikan. Sitokin ini juga merangsang spesies oksigen aktif dan mediator inflamasi seperti PGE ₂. Hasil perubahan makromolekul seperti pada tulang rawan artikular dengan osteoarthritis adalah inefisiensi proses perbaikan, yang menyebabkan degradasi tulang rawan lebih lanjut.

Sitokin pro-inflamasi yang disebutkan di atas memodulasi proses penghambatan / pengaktifan MMP pada osteoartritis. Sebagai contoh, ketidakseimbangan antara tingkat TIMP-1 dan MMP pada tulang rawan di osteoarthritis dapat dimediasi oleh IL-ip, karena penelitian in vitro menunjukkan bahwa meningkatkan konsentrasi beta IL-1 menyebabkan penurunan konsentrasi TIMP-1 dan peningkatan sintesis MMP oleh chondrocytes. Sintesis AP juga dimodulasi oleh IL-1beta. Stimulasi chondrosil tulang rawan artikular secara in vitro menggunakan IL-1 menyebabkan peningkatan dosis tergantung pada sintesis AP dan penurunan tajam dalam sintesis IAP-1. Kemampuan IL-1 untuk mengurangi sintesis IAP-1 dan merangsang sintesis AP adalah mekanisme yang ampuh untuk pembentukan plasmin dan aktivasi MMP. Selain itu, plasmin bukan hanya enzim yang mengaktifkan enzim lain, namun juga berperan dalam proses degradasi tulang rawan dengan proteolisis langsung.

IL-ip disintesis sebagai prekursor tidak aktif dengan massa 31 kD (pre-IL-ip), dan setelah pembelahan peptida sinyal, diubah menjadi sitokin aktif dengan massa 17,5 kDa. Pada jaringan sendi, termasuk membran sinovial, cairan sinovial dan tulang rawan artikular, IL-ip ditemukan dalam bentuk aktif, dan studi in vivo kemampuan membran sinovial pada osteoartritis untuk mensekresi sitokin ini ditunjukkan. Beberapa protease serin mampu mengubah pra-IL-ip menjadi bentuk bioaktifnya. Pada mamalia, sifat tersebut hanya ditemukan dalam satu protease, yang termasuk dalam famili enzim spesifik aspartat sistein dan disebut enzim pengubah IL-1p (ICP, atau caspase-1). Enzim ini mampu secara khusus mengubah pra-IL-ip menjadi IL-ip "dewasa" biologis aktif dengan massa 17,5 kD. IKF adalah proenzim dengan massa molekul 45 kD (p45), yang terlokalisasi di membran sel. Setelah pembelahan proteolitik proenzim p45 membentuk dua subunit, yang dikenal sebagai p10 dan p20, yang ditandai dengan aktivitas enzimatik.

TNF-a juga disintesis sebagai prekursor membran-terikat dengan massa 26 kD; dengan pembelahan proteolitik, dilepaskan dari sel sebagai bentuk larut aktif dengan massa 17 kD. Pembelahan proteolitik dilakukan oleh enzim TNF-a-converting (TNF-KF), yang termasuk dalam famili adamalysins. AR Amin dan rekan penulis (1997) menemukan peningkatan ekspresi mRNA TNF-CF pada tulang rawan artikular pasien dengan osteoarthritis.

Aktivasi biologis kondrosit dan sinovitosit IL-1 dan TNF-a dimediasi dengan mengikat reseptor spesifik pada permukaan sel - IL-R dan TNF-R. Untuk setiap sitokin, dua jenis reseptor telah diidentifikasi: jenis IL-IP tipe I dan II dan TNF-P I (p55) dan II (p75). Untuk transmisi sinyal di sel-sel jaringan sendi, IL-1PI dan p55 merespon. Tipe IL-1P I memiliki afinitas yang sedikit lebih tinggi untuk IL-1beta daripada IL-1a; IL-1P tipe II - sebaliknya, memiliki afinitas yang lebih besar untuk IL-1a daripada IL-ip. Masih belum jelas apakah IL-IP II tipe II dapat memediasi sinyal IL-1 atau hanya berfungsi untuk mengikat IL-1 dengan tipe IL-1PI secara kompetitif. Pada chondroits dan fibroblas sinovial pasien dengan osteoarthritis, sejumlah besar IL-1PI dan p55 ditemukan, yang pada gilirannya menjelaskan sensitivitas tinggi sel-sel ini untuk stimulasi dengan sitokin yang sesuai. Proses ini menyebabkan peningkatan sekresi enzim proteolitik, dan penghancuran tulang rawan artikular.

Hal ini tidak dikecualikan partisipasi IL-6 dalam proses patologis pada osteoarthritis. Asumsi ini didasarkan pada pengamatan berikut:

• IL-6 meningkatkan jumlah sel inflamasi pada membran sinovial,
• IL-6 merangsang proliferasi kondrosit,
• IL-6 meningkatkan efek IL-1 dalam meningkatkan sintesis MMP dan menghambat sintesis proteoglikan.

Namun, IL-6 mampu menginduksi produksi TIMP, namun hal itu tidak mempengaruhi produksi MMP, oleh karena itu diyakini bahwa sitokin ini berperan dalam mencegah degradasi proteolitik tulang rawan artikular, yang dilakukan oleh mekanisme umpan balik.

Perwakilan lain dari keluarga IL-6 adalah sitokin LIF, yang diproduksi oleh chondrocytes yang diperoleh dari pasien dengan osteoarthritis, sebagai respons terhadap stimulasi sitokin proinflamasi IL-ip dan TNF-a. LIF menstimulasi penyerapan proteoglikan tulang rawan, serta sintesis produksi MMP dan NO. Peran sitokin ini pada osteoarthritis tidak sepenuhnya dipahami.

IL-17 adalah homodimer 20-30 kD yang memiliki tindakan mirip IL-1, namun jauh lebih sedikit. IL-17 merangsang sintesis dan isolasi sejumlah sitokin pro-inflamasi, termasuk IL-ip, TNF-a, IL-6, dan MMP pada sel target, misalnya pada makrofag manusia. Selain itu, IL-17 merangsang produksi NO dengan kondrosit. Seperti LIF, peran IL-17 dalam patogenesis OA telah sedikit dipelajari.

NO radikal bebas anorganik memainkan peran penting dalam degradasi kartilago artikular dengan OA. Chondrocytes yang diperoleh dari pasien dengan osteoarthritis menghasilkan lebih banyak NO secara spontan dan juga setelah stimulasi dengan sitokin pro-inflamasi dibandingkan dengan sel normal. Kandungan NO tinggi ditemukan pada cairan sinovial dan serum pasien dengan osteoartritis - hasil peningkatan ekspresi dan sintesis NO synthase (hNOC) yang diinduksi, enzim yang bertanggung jawab untuk produksi NO. Baru-baru ini, DNA hNOC spesifik chondrocyte diklon, urutan asam amino enzim ditentukan. Urutan asam amino menunjukkan identitas 50% dan kemiripan 70% dengan hNOC spesifik untuk endotelium dan jaringan syaraf tiruan.

NO menghambat sintesis makromolekul ECM tulang rawan artikular dan merangsang sintesis MMP. Selain itu, peningkatan produksi NO disertai dengan penurunan sintesis antagonis IL-IP (IL-1RA) oleh chondrocytes. Dengan demikian, peningkatan tingkat IL-1 dan penurunan IL-1 RA menyebabkan hiperstimulasi NO dari kondrosit, yang pada gilirannya menyebabkan peningkatan degradasi matriks tulang rawan. Ada laporan efek terapeutik in vivo inhibitor hNOC selektif pada perkembangan osteoartritis eksperimental.

Penghambat sitokin alami dapat secara langsung menghambat pengikatan sitokin ke reseptor membran sel, mengurangi aktivitas pro-inflamasi mereka. Penghambat sitokin alami dapat dibagi menjadi tiga kelas sesuai dengan cara kerjanya.

Kelas pertama inhibitor termasuk antagonis reseptor, yang mencegah pengikatan ligan ke reseptornya dengan cara bersaing untuk tempat pengikatan. Sampai saat ini, penghambat semacam itu hanya ditemukan untuk IL-1 - ini adalah inhibitor kompetitif yang disebutkan di atas dari sistem IL-1 / ILIP IL-1 PA. IL-1 RA menghambat banyak efek yang diamati pada jaringan sendi di osteoarthritis, termasuk sintesis prostaglandin oleh sel sinovial, produksi kolagenase oleh kondrosit, dan degradasi CM pada tulang rawan artikular.

IL-1RA terdeteksi dalam berbagai bentuk - satu larut (ril-1PA) dan dua interselular (μIL-lPAI dan μIL-1APAP). Afinitas bentuk IL-1RA yang larut adalah 5 kali dari bentuk interselular. Meskipun pencarian ilmiah intensif, fungsi yang terakhir tetap tidak diketahui. Percobaan in vitro menunjukkan bahwa untuk menghambat aktivitas IL-1bet, konsentrasi IL-1PA, 10-100 kali lebih tinggi dari normal, diperlukan, secara in vivo, peningkatan seribu kali lipat dalam konsentrasi IL-1PA diperlukan. Fakta ini sebagian dapat menjelaskan defisiensi IL-1 RA relatif dan kelebihan IL-1 pada synovia pasien dengan osteoartritis.

Kelas kedua inhibitor alami sitokin diwakili oleh reseptor sitokin terlarut. Contoh penghambat tersebut pada manusia yang terkait dengan patogenesis osteoarthrosis adalah pIL-1P dan pp55. Reseptor sitokin yang larut adalah bentuk terpotong dari reseptor normal, yang mengikat sitokin, mereka mengganggu pengikatannya terhadap reseptor terkait membran pada sel target, yang bertindak oleh mekanisme antagonisme yang kompetitif.

Prekursor utama reseptor terlarut adalah IL-1PP terikat membran. Afinitas ril-IP terhadap IL-1 dan IL-1 PA berbeda. Dengan demikian, pIL-1PH memiliki afinitas yang lebih besar untuk IL-1p daripada IL-1 PA, dan pIL-1PI menunjukkan afinitas yang lebih besar untuk IL-1RA daripada IL-ip.

Untuk TNF juga ada dua jenis reseptor terlarut - pp55 dan pp75, seperti reseptor IL-1 yang larut, dibentuk dengan "sheeding" (pembuangan). In vivo, kedua reseptor ditemukan di jaringan sendi yang terkena. Peran reseptor TNF terlarut dalam patogenesis osteoarthritis diperdebatkan. Disarankan agar dalam konsentrasi rendah mereka menstabilkan struktur tiga dimensi TNF dan meningkatkan masa paruh sitokin bioaktif, sementara konsentrasi pp55 dan pp75 yang tinggi dapat mengurangi aktivitas TNF melalui antagonisme kompetitif. Rupanya, pp75 dapat bertindak sebagai pembawa TNF, yang memfasilitasi pengikatannya ke reseptor yang terkait dengan membran.

Kelas ketiga penghambat alami sitokin diwakili oleh sekelompok sitokin anti-inflamasi, yang meliputi TGF-beta, IL-4, IL-10 dan IL-13. Sitokin anti-inflamasi mengurangi produksi pro-inflamasi, serta beberapa protease, merangsang produksi IL-1RA dan TIMP.