Patofüsioloogiline ühtsus osteoporoosi ja vaskulaarse ateroskleroosi arengus

Arenenud riikide elanikkonna suremuse struktuuris on juhtival kohal vereringesüsteemi haigused. Südame-veresoonkonna haigusi (arteriaalne hüpertensioon, südame isheemiatõbi, müokardiinfarkt), mille aluseks on ateroskleroos, nimetatakse õigustatult 21. sajandi epideemiaks.

WHO andmetel sureb maailmas igal aastal südame-veresoonkonna haigustesse üle 17 miljoni inimese ja 2015. aastaks suureneb surmajuhtumite arv 20 miljonini. Lisaks sellele on täiskasvanud elanikkonna funktsionaalse puudulikkuse ja töövõime kaotuse üks peamisi põhjuseid osteoporoos (OP) – maailmas tuntuim ja levinum skeletihaigus, mille levimus on vanusega seotud. Osteoporoos on multifaktoriaalne polügeenne skeletihaigus, mis on metaboolse osteopaatia kõige levinum vorm. Haigusele on iseloomulik luumassi kadu, nende mikroarhitektuuri häirumine (trabeekulite hävimine), tugevuse vähenemine ja sellega kaasneb suur luumurdude risk.

Just luumurrud, millest raskeimad on reieluukaela ja küünarvarre alumise kolmandiku raadiuse luumurrud, määravad haiguse meditsiinilise ja meditsiinilis-sotsiaalse tähtsuse, sealhulgas suurenenud suremuse ja nendega seotud märkimisväärse majandusliku kahju. Osteoporoosi eripäraks on see, et see haigus mõjutab peamiselt eakaid ja vanu inimesi. Osteoporoosi esinemissageduse märkimisväärne suurenemine, mida on täheldatud alates 20. sajandi teisest poolest, peegeldab loomulikult rahvastikus toimuvaid demograafilisi muutusi, mis avalduvad rahvastiku vananemises kõigis maailma tööstusriikides. Arvukad epidemioloogilised uuringud, mis on hiljuti läbi viidud nii maailmas kui ka Euroopas, näitavad positiivset korrelatsiooni südame-veresoonkonna haiguste ja skeleti patoloogiate vahel. Samal ajal seostavad paljud autorid osteoporoosi ateroskleroosi progresseerumisega, sealhulgas veresoonte seinte lupjumisega. Osteoporootiliste luumurdudega naistel täheldati aordi ja pärgarterite lupjumise esinemissageduse suurenemist, mille raskusaste korreleerus luu mineraalse tiheduse (LMD) vähenemisega.

SO Songi jt uuringud näitasid seost selgroo ja reieluu proksimaalse osa luutiheduse vähenemise ning kaltsiumisisalduse suurenemise vahel pärgarterites vastavalt elektronkiire kompuutertomograafiale. M. Naves jt leidsid, et postmenopausis osteoporoosiga naistel on luutiheduse vähenemine ühe standardhälbe võrra maksimaalsest luumassist seotud üldise suremuse suurenenud riskiga 43% ja enneaegse surmaga kardiovaskulaarsete patoloogiate tõttu. Teised uuringud on samuti leidnud, et luutiheduse vähenemisega patsientidel on suurem tõenäosus vere lipiidide kontsentratsiooni suurenemiseks, raskema koronaarateroskleroosi tekkeks ning insuldi ja müokardiinfarkti riski oluliseks suurenemiseks. Esitatud andmed viitavad sellele, et osteoporoosi, ektoopilise kaltsifikatsiooni ja ateroskleroosi esinemissageduse suurenemisel samadel patsientidel on ühine patogeneetiline alus. Kontseptsiooni, et südame-veresoonkonna haigused ja osteoporoos on seotud markerite kaudu, mis mõjutavad samaaegselt nii veresoonte kui ka luurakke, on toetanud ulatuslikud eksperimentaalsed uuringud.

Sellise markeri rolli kandidaadiks on hiljuti tuvastatud valk osteoprotegeriin (OPG), mis kuulub kasvaja nekroosifaktori retseptorite perekonda ja on osa tsütokiinide süsteemist RANKL-RANK-OPG.

[ 1 ], [ 2 ]

Luu ümberehitus ja rankl-rank-opg süsteemi roll

Osteoporoos on haigus, mis põhineb luu remodelleerumise häirete protsessidel, millega kaasneb suurenenud luu resorptsioon ja vähenenud luu süntees. Mõlemad luukoe moodustumise protsessid on omavahel tihedalt seotud ja tulenevad osteoblastide (OB) ja osteoklastide (OC) rakulisest interaktsioonist, mis pärinevad erinevate rakuliinide eellasrakkudest: osteoblastid - mesenhümaalsetest tüvirakkudest, osteoklastid - luuüdi makrofaag-monotsüütidest. Osteoblastid on mononukleaarsed rakud, mis osalevad luu moodustumise ja luu maatriksi rakkude mineraliseerumise protsessis. Osteoblastidel on oluline roll luu remodelleerumise moduleerimisel ja teiste luukoe rakkude metaboolse aktiivsuse reguleerimisel. Nad eritavad mitmeid bioloogiliselt aktiivseid aineid, mille kaudu nad mõjutavad osteoklastide eellasrakkude küpsemisprotsessi, muutes need suureks mitmetuumaliseks rakuks, mis on võimeline osalema resorptsioonis, st luukoe imendumises, toimides ainult mineraliseerunud luule, muutmata luukoe tegelikku maatriksit.

Osteoblastide küpsemine ja diferentseerumine toimub mitmesuguste spetsiifiliste transkriptsiooniprotsessi mõjutavate tegurite mõjul, millest kõige olulisem on valk Cbfal (core-binding factor oil; tuntud ka kui runt related transcription factor 2; RUNX2). Cbfal/RUNX2 puudulikkusega hiirtel täheldatakse luu moodustumise protsessi olulist aeglustumist ja OB-rakkude küpsemist ei täheldata. Seevastu rekombinantse Cbfali manustamine loomadele põhjustab osteoblastidele omaste geenide ekspressiooni mitteosteogeensetes rakkudes. Cbfal/RUNX2 oluline roll osteoblastide diferentseerumisel ja küpsemisel avaldub ka valgu võimes reguleerida paljude luukoe valkude sünteesis osalevate geenide funktsiooni: 1. tüüpi kollageen, osteopontün (OPN), osteokaltsiin ja sialoproteiin. OB kasvu ja funktsionaalset võimekust mõjutavad ka parakriinsed ja/või autokriinsed faktorid, mis reguleerivad intranukleaarsete transkriptsiooniprotsesside aktiivsust, OPN-i ja osteokaltsiini sünteesi. Nende hulka kuuluvad mitmed rakkude kasvufaktorid, tsütokiinide modulaatorid ja hormonaalsed bioloogiliselt aktiivsed ained. Eeldust, et luukoe remodelleerimise aktiveerimine ja regulatsioon on osteoblastide ja osteoklastide interaktsiooni tagajärg, on kinnitanud arvukad uuringud. Luukoe remodelleerimise protsesside mõistmisel saavutati märkimisväärset edu tsütokiini RANKL-RANK-OPG süsteemi avastamisega, millel on võtmeroll osteoklastide moodustumisel, diferentseerumisel ja aktiivsusel. Selle süsteemi avastamine sai nurgakiviks osteoporoosi patogeneesi, osteoklastogeneesi ja luu resorptsiooni regulatsiooni, aga ka teiste lokaalse luu remodelleerimisega seotud protsesside mõistmisel. Osteoklastogeneesi regulatsiooni viivad läbi peamiselt kaks tsütokiini: tuumafaktori kappa-B ligandi retseptori aktivaator (RANKL) ja OPG makrofaagide kolooniaid stimuleeriva faktori (M-CSF) lubava toime taustal.

RANKL on glükoproteiin, mida toodavad osteoblastilised rakud, aktiveeritud T-lümfotsüüdid, mis kuulub tuumorinekroosifaktori (TNF) ligandi superperekonda ja on osteoklastide küpsemise peamine stiimul. RANKL-RANK-OPG süsteemi kaasavate rakkudevaheliste interaktsioonide molekulaarset alust saab esitada järgmiselt: osteoblastide pinnal ekspresseeritud RANKL seondub RANK-retseptoriga, mis asub OC eellasrakkude membraanidel, ja indutseerib osteoklastide diferentseerumise ja aktiveerimise protsessi. Samal ajal vabastavad luuüdi ja OB tüvirakud M-CSF-i. See polüpeptiidi kasvufaktor, suheldes oma kõrge afiinsusega transmembraanse retseptoriga (c-fms), aktiveerib rakusisese türosiinkinaasi, stimuleerides osteoklastide eellasrakkude proliferatsiooni ja diferentseerumist. M-CSF-i proliferatiivne aktiivsus suureneb oluliselt, kui OB puutub kokku paratüreoidhormooni, D3-vitamiini, interleukiin 1-ga (IL-1), TNF-iga ja vastupidi, väheneb östrogeenide ja OPG mõjul. Östrogeenid, suheldes rakusiseste OB retseptoritega, suurendavad raku proliferatiivset ja funktsionaalset aktiivsust, vähendades samaaegselt osteoklastide funktsiooni ja stimuleerides osteoblastide poolt OPG tootmist. OPG on RANKL-i lahustuv retseptor, mida sünteesivad ja vabastavad osteoblastilised rakud, samuti stroomarakud, veresoonte endoteelirakud ja B-lümfotsüüdid. OPG toimib RANKL-i endogeense peibutusretseptorina, blokeerides selle interaktsiooni oma retseptoriga (RANK) ja pärssides seeläbi küpsete mitmetuumaliste osteoklastide rakkude moodustumist, häirides osteoklastogeneesi protsessi, vähendades luukoe resorptsiooni aktiivsust. OB rakkude poolt sünteesitud ja vabastatud RANKL on spetsiifiline faktor, mis on vajalik OC arenguks ja toimimiseks. RANKL interakteerub oma troopilise retseptoriga RANK OC eellasraku membraanil (osteoklastide ja monotsüütide/makrofaagide tavaline eellas), mis viib rakusiseste kaskaadsete genoomsete transformatsioonideni. RANK mõjutab tuumafaktorit kappa-B (NF-kB) retseptoriga seotud valgu TRAF6 kaudu, mis aktiveerib ja transpordib NF-kB tsütoplasmast rakutuuma.

Aktiveeritud NF-kB akumuleerumine suurendab NFATcl valgu ekspressiooni, mis on spetsiifiline päästik, mis käivitab osteoklastogeneesi protsessi moodustavate rakusiseste geenide transkriptsiooni protsessi. Diferentseerunud osteoklast võtab luu pinnal teatud positsiooni ja arendab spetsialiseerunud tsütoskeleti, mis võimaldab tal luua isoleeritud resorptsiooniõõnsuse, mikrokeskkonna osteoklastide ja luu vahel. Rakkude moodustunud õõnsuse poole suunatud OC membraan moodustab palju volte, omandab gofreeritud välimuse, mis suurendab oluliselt resorptsioonipinda. Loodud resorptsiooniõõnsuse mikrokeskkond hapestatakse prootonite elektrogeense pumpamise teel sinna. OC rakusisene pH säilib karboanhüdraasi II osalusel HCO3/Cl ioonide vahetamise kaudu läbi raku antiresorptsioonilise membraani. Ioniseeritud kloor tungib resorptsiooni mikroõõnsusse läbi gofreeritud resorptsioonimembraani anioonkanalite, mille tulemusel õõnsuse pH ulatub 4,2–4,5-ni. Happeline keskkond loob tingimused luu mineraalfaasi mobiliseerimiseks ja moodustab optimaalsed tingimused luukoe orgaanilise maatriksi lagundamiseks katepsiin K osalusel, mis on ensüüm, mida sünteesivad ja vabastavad OK "happelised vesiikulid". Suurem RANKL ekspressioon viib otseselt luu resorptsiooni aktiveerumiseni ja skeleti luutiheduse vähenemiseni. Rekombinantse RANKL-i sissetoomine viis esimese päeva lõpuks hüperkaltseemia tekkeni ja kolmanda päeva lõpuks - luumassi olulise kadumiseni ja luutiheduse vähenemiseni. RANKL-i ja OPG vaheline tasakaal määrab tegelikult resorbeerunud luu hulga ja luutiheduse muutuse ulatuse. Loomkatsed on näidanud, et OPG suurenenud ekspressioon hiirtel viib luumassi suurenemiseni, osteopetroosini ning seda iseloomustab osteoklastide arvu ja aktiivsuse vähenemine. Seevastu, kui OPG geen on välja lülitatud, täheldatakse luutiheduse vähenemist, küpsete, mitmetuumaliste osteoklastide arvu olulist suurenemist, luutiheduse vähenemist ja spontaansete selgroolülimurdude esinemist.

Rekombinantse OPG subkutaanne manustamine hiirtele annuses 4 mg/kg/päevas nädala jooksul taastas luutiheduse indeksid. Rottidel teostatud adjuvandi artriidi mudelis blokeeris OPG manustamine (2,5 ja 10 mg/kg/päevas) 9 päeva jooksul patoloogilise protsessi algstaadiumis RANKL-i funktsiooni ja takistas luu- ja kõhrekoe massi kadu. Katsed näitavad, et OPG funktsioon seisneb peamiselt RANKL-i põhjustatud mõjude vähendamises või olulises "väljalülitamises". Praegu on ilmnenud, et RANKL-i ja OPG vahelise seose säilitamine on oluline tingimus luu resorptsiooni ja moodustumise vahelise tasakaalu säilitamiseks. Nende kahe protsessi konjugatsioon, RANKL-i ja OPG suhteline kontsentratsioon luukoes määravad luumassi ja tugevuse peamised määrajad. Pärast RANKL-RAMK-OPG süsteemi avastamist osteoklastide moodustumise ja diferentseerumise viimase rajana on paljud teadlased kinnitanud selle rakulise ja molekulaarse mehhanismi juhtivat rolli osteoporoosi patogeneesis.

Rankl-rank-opg tsütokiinisüsteemi roll veresoonte lupjumise protsessis

Osteoporoosi ja ateroskleroosi ühise patogeneetilise aluse olemasolu oletust ning osteoporoosi arengu ja veresoonte lupjumise mehhanismide teatud sarnasust kinnitavad paljud eksperimentaalsed ja kliinilised vaatlused. On tõestatud, et luu- ja veresoonekudedel on palju identseid omadusi nii rakulisel kui ka molekulaarsel tasandil. Luukoe ja luuüdi sisaldavad endoteelirakke, preosteoblaste ja osteoklaste - monotsüütide derivaate, mis kõik on ka veresoone seina rakupopulatsioonide normaalsed komponendid. Nii luukude kui ka arteriaalsete veresoonte sein aterosklerootilise protsessi tingimustes sisaldavad OPN-i, osteokaltsiini, morfogeneetilist luuvalku, maatriksi Gla-valku, I tüüpi kollageeni ja maatriksi vesiikuleid. Ateroskleroosi ja OP patogeneesis osalevad monotsüüdid diferentseerumises makrofaagideks, millel on veresoone seinas vahune tsütoplasma, ja luukoes osteoklastideks. Veresoones on rakulisi elemente, mis diferentseeruvad osteoblastideks vastavalt luukoe moodustumise etappidele, tootes luu mineraalkomponenti.

Põhilise tähtsusega on asjaolu, et tsütokiinisüsteem RANKL-RANK-OPG, mis käivitab luukoes osteoblastogeneesi ja osteoklastogeneesi, indutseerib muuhulgas osteoblastide ja OC diferentseerumist, samuti veresoonte seinte mineraliseerumise protsessi. Selle süsteemi komponentide hulgas, mis otseselt viitavad osteoporoosi ja ateroskleroosi vahelisele seosele, pälvib OPG teadlaste suurimat tähelepanu. On teada, et OPG-d ei ekspresseeri mitte ainult luukoe rakud, vaid ka südame-veresoonkonna rakud: müokardiotsüüdid, arterite ja veenide silelihasrakud ning veresoonte endoteelirakud. OPG on veresoonte lupjumise modulaator, mida kinnitasid S. Moropu jt eksperimentaalsed tööd tervete hiirte ja loomadega, kellel oli OPG ekspressiooni tagava geeni häire/puudumine. Leiti, et hiirtel, kellel on OPG sünteesimise võime halvenenud (OPG-/-), erinevalt kontrollrühma loomadest, ilmneb arteriaalse lupjumise protsessi aktiveerumine koos osteoporoosi ja mitmete luumurdude tekkega. Vastupidi, selle sünteesiva geeni sissetoomine loomadele, kellel OPG ekspressioon oli ebapiisav, aitas kaasa nii luu resorptsiooni kui ka veresoonte kaltsifikatsiooni protsessi pärssimisele.

Põletik mängib võtmerolli ateroskleroosi arengu kõikides etappides, millega kaasneb põletiku markerite - tsütokiinide (interleukiin-1, α-TNF) - kontsentratsiooni märkimisväärne suurenemine vereplasmas, mis omakorda indutseerivad luu resorptsiooni. Ateroskleroosi arengu põletikulise olemuse kohaselt toimub OPG ekspressioon ja vabanemine vereringesse ja ümbritsevatesse kudedesse endoteelirakkude ja veresoonte silelihasrakkude poolt eespool nimetatud põletikku soodustavate faktorite mõjul. Erinevalt strooma rakkudest ei reageeri endoteelirakud ja veresoonte silelihaskude D3-vitamiini ega paratüreoidhormooni (PTH) sisalduse muutustele vereplasmas OPG sünteesi ja vabanemise suurendamisega. OPG hoiab ära D3-vitamiini poolt põhjustatud ektoopilise kaltsifikatsiooni veresoontes, suurendades samaaegselt OPN-i, luude peamise mittekollageense maatriksvalgu, sisaldust, mis toimib veresoonte mineralisatsiooni inhibiitorina ja OPG sünteesi ja vabanemise käivitajana endoteeli- ja silelihasrakkude poolt. OPN, mis inhibeerib hüdroksüapatiidi maatriksi moodustumise protsessi (in vitro) ja veresoonte lupjumise protsessi (in vivo), sünteesitakse ja vabastatakse piisavalt kõrgetes kontsentratsioonides veresoonte seina media silelihasrakkude ja intima makrofaagide poolt. OPN süntees toimub veresoonte seina valdavalt mineraliseerumisega piirkondades ning seda reguleerivad põletikku soodustavad ja osteogeensed faktorid. Koos avb3 integriiniga, mida sünteesivad endoteelirakud aterogeneesi kohtades, põhjustab OPN OPG NF-kB-sõltuvat toimet endoteelirakkude terviklikkuse säilitamisele. Seega võib südame-veresoonkonna haiguste korral täheldatud suurenenud plasma- ja veresoonte OPG kontsentratsioon olla endoteelirakkude aktiivsuse tagajärg nii põletiku markerite mõjul kui ka OPN/avb3-HHTerpnHOBoro mehhanismi tulemusena.

NF-kB aktiveerimine arteriseina makrofaagides ja tüvirakkudes on samuti üks olulisi mehhanisme, mis seob osteoporoosi ja ateroskleroosi. NF-kB aktiivsuse suurenemine toimub veresoonte intima aktiveeritud T-rakkude poolt vabastatavate tsütokiinide toimel, mis aitab kaasa seriin/treoniinkinaasi (Akt, proteiinkinaas B) aktiivsuse suurenemisele, mis on oluline tegur eelkõige veresoonte endoteelirakkude funktsioonis.

On kindlaks tehtud, et proteiinkinaas B aktiivsuse suurenemise tagajärjel stimuleeritakse eNOS-i ja suureneb lämmastikoksiidi (NO) süntees, mis on seotud endoteelirakkude terviklikkuse säilitamise mehhanismiga. Sarnaselt OPG-ga toimub RANKL-i süntees ja vabanemine endoteelirakkude poolt põletikuliste tsütokiinide mõjul, kuid mitte D3-vitamiini või PTH toimel, mis on võimelised suurendama RANKL-i kontsentratsiooni OB või strooma rakkudes.

RANKL-i kontsentratsiooni suurenemine arteriaalsetes ja venoossetes veresoontes saavutatakse samuti transformeeriva kasvufaktori (TGF-Pj) inhibeeriva toime tulemusena OPG ekspressiooni protsessile, mille sisaldus selle faktori mõjul oluliselt väheneb. Sellel on mitmesuunaline mõju RANKL-i sisaldusele luudes ja veresoontes: luukoes soodustab TGF-Pj OPG OB ekspressiooni ja selle tulemusena vähendab RANKL-iga seonduv OPG selle kontsentratsiooni ja osteoklastogeneesi aktiivsust. Veresoonte seintes suurendab TGF-Pj RANKL/OPG suhet ja selle tagajärjel stimuleerib RANKL-i sisaldus, suheldes oma RANK-retseptoriga endoteelirakkude membraanide pinnal rakusiseste signaalimissüsteemide osalusel, veresoonte rakkude osteogeneesi, aktiveerib kaltsifikatsiooni, proliferatsiooni ja rakkude migratsiooni protsessi ning maatriksi ümberkujunemist. Uue kontseptsiooni tulemuseks, mis põhineb praegusel arusaamal luukoe remodelleerumise rakulisest ja molekulaarsest mehhanismist osteoporoosi ja ateroskleroosi protsessi korral ning tsütokiini RANKL-RANK-OPG süsteemi juhtiva rolli selgitamisel nende haiguste rakendamisel, oli uue põlvkonna ravimi - denosumabi - süntees. Denosumab (Prolia; Amgen Incorporation) on spetsiifiline inimese monoklonaalne antikeha, millel on RANKL-i suhtes kõrge tropismi aste, blokeerides selle valgu funktsiooni. Arvukad laboratoorsed ja kliinilised uuringud on kindlaks teinud, et denosumab, millel on kõrge võime vähendada RANKL-i aktiivsust, aeglustab ja nõrgestab oluliselt luu resorptsiooni astet. Praegu kasutatakse denosumabi esmavaliku ravimina koos bisfosfonaatidega süsteemse osteoporoosiga patsientidel luumurdude ennetamiseks. Samal ajal tuvastasid S. Helas jt denosumabi inhibeeriva toime RANKL-i võimele rakendada veresoonte kaltsifikatsiooni protsessi. Seega avavad saadud andmed uusi võimalusi osteoporoosi ja veresoonte ateroskleroosi progresseerumise aeglustamiseks, osteoporoosi kardiovaskulaarsete tüsistuste tekke ennetamiseks ning patsientide tervise ja elu säilitamiseks.

S. Sagalovsky, Richter. Osteoporoosi ja veresoonte ateroskleroosi arengu patofüsioloogiline ühtsus // Rahvusvaheline meditsiiniajakiri - nr 4 - 2012