Articulair kraakbeenherstel en groeifactoren in de pathogenese van osteoartritis

Dankzij de vooruitgang in de biotechnologie, met name de kloontechnologie, is de lijst van groeifactoren die als anabole factoren een belangrijke, maar nog niet volledig begrepen rol spelen in de pathogenese van artrose, de laatste tijd flink uitgebreid.

De eerste groep groeifactoren die hieronder worden besproken, zijn IGF's. Ze worden in grote hoeveelheden aangetroffen in bloedserum en hebben een aantal eigenschappen gemeen met insuline. IGF-2 is meer kenmerkend voor het embryonale ontwikkelingsstadium, terwijl IGF-1 de dominante vertegenwoordiger van de groep is bij volwassenen. Beide vertegenwoordigers van deze groep werken door zich te binden aan IGF-type I-receptoren. Hoewel de functie van IGF-2 onbekend blijft, is de betekenis van IGF-1 al vastgesteld: het is in staat de synthese van proteoglycanen door chondrocyten te stimuleren en katabole processen in gewrichtskraakbeen significant te remmen. IGF-1 is de belangrijkste anabole stimulus voor de synthese van proteoglycanen door chondrocyten, aanwezig in bloedserum en synoviaalvocht. IGF-1 is een belangrijke factor voor het kweken van chondrocyten in experimentele modellen van osteoartrose in vitro. Er wordt aangenomen dat IGF-1 vanuit bloedplasma de synoviaalvocht binnendringt. Bovendien produceren normale chondrocyten beide factoren: expressie van IGF-1 en IGF-2 werd aangetroffen in het synoviaalmembraan en kraakbeen van patiënten met artrose. In normaal kraakbeen heeft IGF-1 geen mitogene eigenschappen, maar kan het celproliferatie in de beschadigde matrix stimuleren, wat wijst op deelname aan herstelprocessen.

Biologisch actieve stoffen die het herstel van gewrichtskraakbeen stimuleren en de afbraak ervan remmen

• Insuline
• Gamma-interferon
• Somatotroop hormoon, androgenen
• Somatomedinen (IPF-1 en -2)
• TGF-bèta (weefselgroeifactor)
• Bloedplaatjesafgeleide groeifactor
• Basis fibroblast groeifactor
• EFR
• IL-1-receptorantagonist
• TNF-a-bindende eiwitten
• Weefselremmers van metalloproteasen
• een _2- macroglobuline
• ai-antitrypsine
• RG-macroglobuline
• Rg-antichymotrypsine

De werking van IGF-1 en IGF-2 wordt gereguleerd door verschillende IGF-bindende eiwitten (IGF-BP), die ook door chondrocyten worden geproduceerd. IGF-BP kan als drager fungeren en ook IGF-blokkerende activiteit hebben. Cellen geïsoleerd uit gewrichtskraakbeen van patiënten met artrose produceren overmatige hoeveelheden IGF-BP, wat aangeeft dat ze de effecten van IGF blokkeren. J. Martel-Pelletier et al. (1998) toonden aan dat hoewel de IGF-1-synthese in kraakbeen toeneemt bij artrose, chondrocyten zwak reageren op IGF-1-stimulatie. Het bleek dat dit fenomeen (ten minste gedeeltelijk) verband houdt met een verhoging van het IGF-BP-niveau. IGF-BP heeft een hoge affiniteit voor IGF en is een belangrijke biomodulator van de activiteit ervan. Tot op heden zijn zeven typen IGF-BP bestudeerd, en dysregulatie van IGF-BP-3 en IGF-BP-4 speelt een belangrijke rol bij artrose.

Een andere categorie groeifactoren met verschillende effecten op chondrocyten omvat plaatjesafgeleide groeifactor (PDGF), FGF en TGF-bèta. Deze factoren worden niet alleen geproduceerd door chondrocyten, maar ook door geactiveerde synovocyten. FGF heeft zowel anabole als katabole eigenschappen, afhankelijk van de concentratie en conditie van het gewrichtskraakbeen. PDGF is betrokken bij het handhaven van de homeostase van de ECM van het gewrichtskraakbeen zonder duidelijke mitogene eigenschappen te hebben. Het is bekend dat deze groeifactor de synthese van proteoglycanen bevordert en de afbraak ervan vermindert.

TGF-bèta is van bijzonder belang vanwege zijn rol in de pathogenese van artrose. Het maakt deel uit van de grote TGF-superfamilie en deelt functionele en signalerende eigenschappen met de recent ontdekte BMP (bone morphogenetic protein) groeifactoren.

TGF-bèta is een pleiotrope factor: enerzijds heeft het immunosuppressieve eigenschappen, anderzijds is het een chemotactische factor en een krachtige stimulator van fibroblastproliferatie. Unieke eigenschappen van TGF-bèta zijn het vermogen om de afgifte van enzymen uit verschillende cellen te remmen en de productie van enzymremmers (bijvoorbeeld TIMP) aanzienlijk te verhogen. TGF-bèta wordt beschouwd als een belangrijke regulator van weefselschade als gevolg van ontsteking. Zo stimuleert TGF-bèta in gewrichtskraakbeenweefsel de productie van matrix door chondrocyten aanzienlijk, vooral na voorafgaande blootstelling aan deze factor. Normaal kraakbeen is ongevoelig voor TGF-bèta. Bij patiënten met artrose stimuleert TGF-bèta de productie van aggrecan en kleine proteoglycanen in gewrichtskraakbeen.

TGF-bèta wordt geproduceerd door veel cellen, met name chondrocyten. Het wordt vrijgegeven in een latente vorm, gebonden aan een speciaal eiwit, latency-associated protein (LAP). Dissociatie van dit eiwit wordt bereikt door proteasen, die in grote hoeveelheden worden geproduceerd in ontstoken weefsel. Naast TGF-bèta, dat wordt geproduceerd door geactiveerde cellen, vormen de reserves van de latente vorm van deze factor een belangrijk element in de reactiviteit van TGF-bèta in weefsel na lokaal letsel. TGF-bèta is in significante hoeveelheden aanwezig in synoviaalvocht, synoviaalmembraan en kraakbeen van het gewricht dat is aangetast door artrose. In gebieden met beschadigd weefsel met ontstekingsinfiltraten wordt co-expressie van TNF en IL-1 gedetecteerd, terwijl in gebieden met fibrose alleen TGF-bèta-expressie wordt gedetecteerd.

Incubatie van gekweekte chondrocyten van patiënten met artrose met TGF-bèta veroorzaakt een significante toename van de proteoglycaansynthese door deze cellen. Stimulatie van normale chondrocyten met TGF-bèta veroorzaakt pas na vele dagen incubatie een toename van de proteoglycaansynthese. Mogelijk is deze tijd nodig om het celfenotype te veranderen onder invloed van TGF-bèta (bijvoorbeeld voor een verandering in de zogenaamde compartimentalisatie van proteoglycanen: nieuw gevormde proteoglycanen bevinden zich alleen rond chondrocyten).

Het is bekend dat activering van de synthese van groeifactoren, met name TGF-bèta, een belangrijke schakel is in de pathogenese van nier- en leverfibrose en littekenvorming tijdens wondgenezing. Een verhoogde belasting van chondrocyten in vitro leidt tot hyperproductie van TGF-bèta, terwijl een verminderde proteoglycaansynthese na immobilisatie van de ledematen door TGF-bèta kan worden geneutraliseerd. TGF-bèta induceert osteofytvorming in de marginale zone van gewrichten als een aanpassingsmechanisme aan veranderingen in belasting. IL-1, dat een matig ontstekingsproces in het synovium veroorzaakt als reactie op gewrichtsschade, bevordert de vorming van chondrocyten met een veranderd fenotype, die een overmatige hoeveelheid produceren.

Herhaalde lokale injecties met recombinant TGF-bèta in hoge concentraties leidden tot de ontwikkeling van artrose bij C57B1-muizen - de vorming van osteofyten, wat kenmerkend is voor menselijke artrose, en een aanzienlijk verlies van proteoglycanen in de "golvende rand"-zone.

Om te begrijpen hoe overmatige TGF-bèta de bekende veranderingen in kraakbeen veroorzaakt, is het noodzakelijk om op te merken dat blootstelling aan TGF-bèta een karakteristiek chondrocytenfenotype induceert met een verandering in de subklasse van gesynthetiseerde proteoglycanen en verstoring van de normale integratie van ECM-elementen. Zowel IGF-1 als TGF-bèta stimuleren de proteoglycaansynthese door chondrocyten gekweekt in alginaat, maar laatstgenoemde induceert ook de zogenaamde compartimentalisatie van proteoglycanen. Bovendien bleek TGF-bèta de concentratie collagenase-3 (MMP-13) in geactiveerde chondrocyten te verhogen, wat in strijd is met het algemene idee dat TGF-bèta een factor is die juist de afgifte van destructieve proteasen vermindert. Het is echter niet bekend of TGF-bèta-geïnduceerde MMP-13-synthese betrokken is bij de pathogenese van artrose. TGF-bèta stimuleert niet alleen de synthese van proteoglycanen, maar bevordert ook de afzetting ervan in ligamenten en pezen, waardoor de stijfheid toeneemt en de bewegingsvrijheid van de gewrichten afneemt.

BMP's behoren tot de TGF-bèta-superfamilie. Sommige daarvan (BMP-2, BMP-7 en BMP-9) stimuleren de synthese van proteoglycanen door chondrocyten. BMP's oefenen hun werking uit door zich te binden aan specifieke receptoren op het celoppervlak; de signaalroutes van TGF-bèta en BMP's verschillen enigszins. Net als TGF-bèta signaleren BMP's via het serine/threonine-kinasereceptorcomplex type I en II. In dit complex wordt de type II-receptor getransfosforyleerd en activeert deze de type I-receptor, die het signaal doorgeeft aan signaalmoleculen, Smads genaamd. Na ontvangst van het signaal worden Smads snel gefosforyleerd. Het is momenteel bekend dat in de BMP-signaalroute Smads-1, -5 en -8 worden gefosforyleerd, en in de TGF-bèta-signaalroute Smads-2 en Smad-3. Vervolgens associëren de genoemde Smads zich met Smad-4, dat gemeenschappelijk is voor de signaalroutes van alle leden van de TGF-bèta-superfamilie. Dit feit verklaart de aanwezigheid van kruisfuncties in leden van de TGF-bèta-superfamilie, evenals het fenomeen van wederzijdse remming van de TGF-bèta- en BMP-signaalroutes door competitie om gemeenschappelijke componenten. Nog niet zo lang geleden werd een andere klasse Smad-eiwitten geïdentificeerd, namelijk Smad-6 en -7. Deze moleculen fungeren als regulatoren van de TGF-bèta- en BMP-signaalroutes.

Ondanks het feit dat het stimulerende effect van CMP op de proteoglycaansynthese al lang bekend is, blijft hun rol in de regulatie van de functie van gewrichtskraakbeen controversieel vanwege het bekende vermogen van CMP om celdedifferentiatie te veroorzaken, verkalking te stimuleren en botweefselvorming te stimuleren. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) toonden aan dat de interactie van CMP met de CMP-receptor type II noodzakelijk is voor het behoud van het gedifferentieerde fenotype van chondrocyten, evenals voor het beheersen van hun proliferatie en hypertrofie. Volgens LZ Sailor et al. (1996) handhaaft CMP-2 het fenotype van chondrocyten in kweek gedurende 4 weken zonder hun hypertrofie te veroorzaken. CMP-7 (identiek aan osteogeen proteïne-1) handhaaft het fenotype van volwassen chondrocyten van gewrichtskraakbeen, gekweekt in alginaat, gedurende lange tijd.

De introductie van KMP-2 en -9 in de kniegewrichten van muizen verhoogde de proteoglycaansynthese met 300%, significant meer dan TGF-bèta. Het stimulerende effect was echter tijdelijk en na enkele dagen keerde de synthese terug naar het oorspronkelijke niveau. TGF-bèta veroorzaakte een langdurige stimulatie van de proteoglycaansynthese, wat waarschijnlijk te wijten is aan de auto-inductie van TGF-bèta en de sensibilisatie van chondrocyten voor deze factor.

TGF-bèta is verantwoordelijk voor de vorming van chondrofyten, wat als een ongewenst effect van zijn werking kan worden beschouwd. KMP-2 bevordert ook de vorming van chondrofyten, maar in een ander gebied van de gewrichtsrand (vooral in het gebied van de groeischijf).

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

Morfogenetische eiwitten van kraakbeen

Kraakbeenmorfogenetische eiwitten (CMP-1 en -2) zijn andere leden van de TGF-bèta-superfamilie die essentieel zijn voor de vorming van kraakbeenweefsel tijdens de ontwikkeling van ledematen. Mutaties in het CMP-1-gen veroorzaken chondrodysplasie. CMP's hebben mogelijk een selectiever, meer op kraakbeen gericht profiel. Hoewel TGF-bèta en CMP's chondrocyten kunnen stimuleren, kunnen ze ook op veel andere cellen inwerken, waardoor hun gebruik voor kraakbeenherstel gepaard kan gaan met bijwerkingen. Beide typen CMP's worden aangetroffen in het kraakbeen van gezonde en artrotische gewrichten en bevorderen het herstel van de ECM van het gewrichtskraakbeen na enzymatische afbraak, waardoor een normaal fenotype behouden blijft.

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

Synergisme van groeifactoren

Eén groeifactor kan zichzelf induceren, net als andere groeifactoren. Deze interactie is nauwkeurig gereguleerd. Zo zorgt FGF, samen met andere groeifactoren, voor een effectiever herstel van gewrichtskraakbeen na een traumatisch defect. IGF-1 en TGF-bèta induceren significant het normale fenotype van chondrocyten bij in vitro kweek. Aangetoond werd dat TGF-bèta de productie van IGF-1 en IGF-BP verhindert, de IGF-1-receptor defosforyleert en de binding van IGF-1 stimuleert. In intact muizenkraakbeen werd het fenomeen van synergie van IGF-1 met veel groeifactoren gevonden. De zwakke respons van chondrocyten op IGF-1 kan echter niet worden geëgaliseerd door het in combinatie met andere groeifactoren te gebruiken.

Interactie van anabole en destructieve cytokinen

Groeifactoren vertonen complexe interacties met IL-1. Zo verhoogt pre-blootstelling van chondrocyten aan FGF de protease-afgifte na IL-1-blootstelling, mogelijk door verhoogde IL-1-receptorexpressie. PDGF stimuleert ook IL-1-afhankelijke protease-afgifte, maar vermindert de IL-1-gemedieerde remming van proteoglycaansynthese. Dit kan erop wijzen dat sommige groeifactoren tegelijkertijd kraakbeenherstel kunnen stimuleren en de afbraak ervan kunnen bevorderen. Andere groeifactoren, zoals IGF-1 en TGF-β, stimuleren de synthese van de gewrichtsmatrix en remmen de IL-1-gemedieerde afbraak van gewrichtskraakbeen, wat aangeeft dat hun activiteit alleen verband houdt met weefselherstel. Deze interactie is onafhankelijk van pre-blootstelling van chondrocyten aan IL-1. Interessant is dat de kinetiek van de effecten van IL-1 en TGF-β mogelijk verschillend is: het vermogen van TGF-β om de afbraak van gewrichtskraakbeen te onderdrukken wordt verzwakt door de langzame werking op TIMP-mRNA. Aan de andere kant wordt een stijging van de hNOC- en NO-niveaus waargenomen bij afwezigheid van TGF-bèta. Gezien de NO-afhankelijkheid van het onderdrukkende effect van IL-1 op de proteoglycaansynthese door chondrocyten, zou dit kunnen verklaren waarom we een significant sterkere tegenwerking van TGF-bèta op IL-1-afhankelijke remming van de proteoglycaansynthese waarnemen in vergelijking met proteoglycaanafbraak in vivo.

In een onderzoek bij muizen die intra-articulair werden geïnjecteerd met IL-1 en groeifactoren, werd aangetoond dat TGF-bèta de door IL-1 veroorzaakte remming van de proteoglycaansynthese in het gewrichtskraakbeen significant tegenwerkt, terwijl CMP-2 hiertoe niet in staat is: het stimulerende potentieel ervan werd volledig geremd door IL-1, zelfs bij hoge concentraties CMP-2. Opvallend is dat CMP-2, bij afwezigheid van IL-1, de proteoglycaansynthese veel intenser stimuleerde dan TGF-bèta.

Naast het effect op de proteoglycaansynthese heeft TGF-β ook een significante invloed op de door IL-1 geïnduceerde afname van het proteoglycaangehalte in kraakbeen. Het is mogelijk dat het proteoglycaangehalte afneemt of toeneemt, afhankelijk van de relatieve concentratie van IL-1 en TGF-β. Interessant is dat de hierboven beschreven tegenwerking van IL-1 en TGF-β werd waargenomen in de dikte van het kraakbeen, maar dit fenomeen niet in de buurt van chondrofyten aan de randen van gewrichtsvlakken. De vorming van chondrofyten wordt geïnduceerd door TGF-β, wat invloed heeft op chondrogene cellen in het periost, wat leidt tot de ontwikkeling van chondroblasten en proteoglycaanafzetting. Blijkbaar zijn deze chondroblasten niet gevoelig voor IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) onderzochten het vermogen van TGF-bèta en KMP-2 om de onderdrukking van proteoglycaansynthese in de gewrichten van muizen met zymosan-geïnduceerde artritis (d.w.z. in een model van "zuivere" IL-1-geïnduceerde ontsteking) tegen te gaan. Intra-articulaire toediening van TGF-bèta neutraliseerde de onderdrukking van proteoglycaansynthese veroorzaakt door ontsteking significant, terwijl KMP-2 dit IL-1-afhankelijke proces vrijwel niet kon neutraliseren. Herhaalde injecties met TGF-bèta in het kniegewricht van de bestudeerde dieren stimuleerden de proteoglycaansynthese door chondrocyten significant en droegen bij aan het behoud van bestaande proteoglycanen in kraakbeen dat door ontsteking was uitgeput, maar onderdrukten het ontstekingsproces niet.

Bij het bestuderen van de proteoglycaansynthetiserende functie van chondrocyten met behulp van experimentele modellen van osteoartrose bij dieren, is altijd een toename in het gehalte en stimulatie van de synthese van proteoglycanen in de vroege stadia van artrose waargenomen, in tegenstelling tot inflammatoire modellen, waarin een significante remming van de synthese (IL-1-afhankelijk proces) wordt waargenomen. Verhoogde activiteit van anabole factoren, met name groeifactoren, die wordt waargenomen bij osteoartrose, neutraliseert het effect van suppressor cytokines zoals IL-1. Van de groeifactoren is TGF-bèta van het grootste belang; het is onwaarschijnlijk dat KMP-2 een significante rol speelt in dit proces. Hoewel IGF-1 de proteoglycaansynthese in vitro kan stimuleren, wordt deze eigenschap in vivo niet waargenomen bij lokale toediening van IGF-1. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat het endogene niveau van deze groeifactor optimaal is. In latere stadia van artrose treden er tekenen op van remming van de proteoglycaansynthese, wat waarschijnlijk samenhangt met de dominante werking van IL-1 en het onvermogen van groeifactoren om dit tegen te gaan als gevolg van de afgenomen activiteit.

Analyse van de groeifactorexpressie in STR/ORT-muizen met spontane artrose toonde verhoogde mRNA-niveaus van TGF-β en IL-1 in beschadigd kraakbeen. Opgemerkt dient te worden dat activering van TGF-β vanuit de latente vorm een belangrijk element is in weefselherstel. Het begrijpen van de rol van TGF-β wordt gecompliceerd door de resultaten van een onderzoek naar de expressie van TGF-β type II-receptoren bij ACL-konijnen. Direct na inductie van artrose werden verlaagde niveaus van deze receptoren gedetecteerd, wat wijst op onvoldoende TGF-β-signalering. Interessant is dat muizen met een TGF-β-receptor type 11-deficiëntie tekenen van spontane artrose vertoonden, wat ook wijst op een belangrijke rol van TGF-β-signalering bij de verslechtering van het kraakbeenherstel en de ontwikkeling van artrose.

Het absolute gehalte aan groeifactoren in de gewrichten van patiënten met reumatoïde artritis of artrose kan wijzen op hun mogelijke rol in de pathogenese van deze ziekten. Ondanks het feit dat hoge concentraties groeifactoren worden aangetroffen in gewrichten met artrose en reumatoïde artritis, is de aard van de afbraak- en herstelprocessen bij beide ziekten echter volledig verschillend. Waarschijnlijk spelen andere, nog niet geïdentificeerde factoren een belangrijke rol in de pathogenese van deze ziekten, of bepalen andere aspecten van de bestudeerde verschijnselen het verloop van de afbraak- en herstelprocessen in gewrichtsweefsels (bijvoorbeeld de expressie van bepaalde receptoren op het oppervlak van chondrocyten, oplosbare receptoren die eiwitten binden, of een disbalans tussen anabole en destructieve factoren).