Osteoporozės ir kraujagyslių aterosklerozės raidos patofiziologinė vienovė

Išsivysčiusių šalių gyventojų mirtingumo struktūroje pirmaujančią vietą užima kraujotakos sistemos ligos. Širdies ir kraujagyslių ligos (arterinė hipertenzija, išeminė širdies liga, miokardo infarktas), kurių pagrindas yra aterosklerozė, pagrįstai vadinamos XXI amžiaus epidemija.

Pasak PSO, kasmet pasaulyje nuo širdies ir kraujagyslių ligų miršta daugiau nei 17 milijonų žmonių, o iki 2015 m. mirčių skaičius išaugs iki 20 milijonų. Be to, viena iš pagrindinių funkcinio nepakankamumo ir darbingumo praradimo priežasčių suaugusiųjų populiacijoje yra osteoporozė (OS) – labiausiai žinoma ir dažniausia skeleto sistemos liga pasaulyje, kurios paplitimas susijęs su amžiumi. Osteoporozė yra daugiafaktorinė poligeninė skeleto liga, kuri yra dažniausia metabolinės osteopatijos forma. Ligai būdingas kaulų masės mažėjimas, jų mikroarchitektūros sutrikimas (trabekulų irimas), sumažėjęs stiprumas ir didelė lūžių rizika.

Būtent lūžiai, iš kurių sunkiausi yra šlaunikaulio kaklo ir stipinkaulio lūžiai apatiniame dilbio trečdalyje, lemia medicininę ir medicininę-socialinę ligos reikšmę, įskaitant padidėjusį mirtingumą ir su jais susijusius didelius ekonominius nuostolius. Osteoporozės ypatumas yra tas, kad ši liga daugiausia paveikia vyresnio amžiaus ir senyvo amžiaus žmones. Nuo XX a. antrosios pusės pastebimas reikšmingas osteoporozės paplitimo padidėjimas natūraliai atspindi demografinius pokyčius, vykstančius populiacijoje ir pasireiškiančius gyventojų senėjimu visose išsivysčiusiose pasaulio šalyse. Daugybė epidemiologinių tyrimų, atliktų neseniai pasaulyje ir Europoje, rodo teigiamą koreliaciją tarp širdies ir kraujagyslių ligų bei skeleto sistemos patologijų. Tuo pačiu metu daugelis autorių osteoporozę sieja su aterosklerozės progresavimu, įskaitant kraujagyslių sienelių kalcifikaciją. Moterims, patyrusioms osteoporozinius lūžius, pastebėtas aortos ir vainikinių arterijų kalcifikacijos dažnio padidėjimas, kurio sunkumas koreliavo su kaulų mineralinio tankio (KMT) sumažėjimu.

SO Song ir kt. tyrimai atskleidė ryšį tarp stuburo ir proksimalinio šlaunikaulio kaulų mineralinio tankio sumažėjimo ir kalcio kiekio vainikinėse arterijose padidėjimo, nustatyto elektronų pluošto kompiuterine tomografija. M. Naves ir kt. nustatė, kad moterims, sergančioms osteoporoze po menopauzės, kaulų mineralinio tankio sumažėjimas vienu standartiniu nuokrypiu nuo didžiausios kaulų masės yra susijęs su padidėjusia bendro mirtingumo 43 % ir priešlaikinės mirties nuo širdies ir kraujagyslių patologijos rizika. Kituose tyrimuose taip pat nustatyta, kad pacientams, kurių kaulų mineralinis tankis sumažėjęs, yra didesnė tikimybė padidinti lipidų koncentraciją kraujyje, išsivystyti sunkesnę vainikinių arterijų aterosklerozę ir žymiai padidinti insulto bei miokardo infarkto riziką. Pateikti duomenys rodo, kad osteoporozės, ektopinės kalcifikacijos ir aterosklerozės dažnio padidėjimas tiems patiems pacientams turi bendrą patogenetinį pagrindą. Išsamios eksperimentinės studijos patvirtino koncepciją, kad širdies ir kraujagyslių ligos bei osteoporozė yra susijusios per žymenis, kurie vienu metu veikia kraujagyslių ir kaulų ląsteles.

Tokio žymens vaidmeniui kandidatas yra neseniai identifikuotas baltymas osteoprotegerinas (OPG), kuris priklauso naviko nekrozės faktoriaus receptorių šeimai ir yra RANKL-RANK-OPG citokinų sistemos dalis.

[ 1 ], [ 2 ]

Kaulų pertvarkymas ir rankl-rank-opg sistemos vaidmuo

Osteoporozė yra liga, pagrįsta kaulų remodeliacijos sutrikimų procesais, kuriems būdinga padidėjusi kaulų rezorbcija ir sumažėjusi kaulų sintezė. Abu kaulinio audinio formavimosi procesai yra glaudžiai susiję ir yra osteoblastų (OB) ir osteoklastų (OC), kilusių iš skirtingų ląstelių linijų pirmtakų, sąveikos rezultatas: osteoblastai – iš mezenchiminių kamieninių ląstelių, osteoklastai – iš kaulų čiulpų makrofagų-monocitinių ląstelių. Osteoblastai yra mononuklearinės ląstelės, dalyvaujančios kaulų formavimosi ir kaulų matricos ląstelių mineralizacijos procese. Osteoblastai atlieka esminį vaidmenį moduliuojant kaulų remodeliaciją ir reguliuojant kitų kaulinio audinio ląstelių metabolinį aktyvumą. Jie išskiria daug biologiškai aktyvių medžiagų, per kurias veikia osteoklastų pirmtakų ląstelių brendimo procesą, paversdami jas didelėmis daugiabranduolėmis ląstelėmis, galinčiomis dalyvauti rezorbcijoje, t. y. kaulinio audinio absorbcijoje, veikdami tik mineralizuotą kaulą, nekeisdami pačios kaulinio audinio matricos.

Osteoblastų brendimas ir diferenciacija vyksta veikiant įvairiems specifiniams transkripcijos procesą veikiantiems veiksniams, iš kurių svarbiausias yra baltymas Cbfal (branduolio surišimo faktorius aliejus; dar žinomas kaip su runtu susijęs transkripcijos faktorius 2; RUNX2). Pelėms, turinčioms Cbfal/RUNX2 trūkumą, stebimas reikšmingas kaulų formavimosi proceso sulėtėjimas, o OB ląstelių brendimas nepastebimas. Priešingai, rekombinantinio Cbfal skyrimas gyvūnams sukelia osteoblastams būdingų genų ekspresiją neosteogeninėse ląstelėse. Reikšmingas Cbfal/RUNX2 vaidmuo osteoblastų diferenciacijoje ir brendime taip pat pasireiškia baltymo gebėjimu reguliuoti daugelio genų, dalyvaujančių kaulinio audinio baltymų sintezėje, funkciją: 1 tipo kolageno, osteopontino (OPN), osteokalcino ir sialoproteino. OB augimą ir funkcinį pajėgumą taip pat veikia parakrininiai ir (arba) autokrininiai veiksniai, reguliuojantys intranuklearinių transkripcijos procesų aktyvumą, OPN ir osteokalcino sintezę. Tai apima daugybę ląstelių augimo faktorių, citokinų moduliatorių ir hormoninių biologiškai aktyvių medžiagų. Prielaida, kad kaulinio audinio remodeliavimosi aktyvacija ir reguliavimas yra osteoblastų ir osteoklastų sąveikos pasekmė, buvo patvirtinta daugybe tyrimų. Reikšminga pažanga suprantant kaulų remodeliavimosi procesus buvo pasiekta atradus citokinų RANKL-RANK-OPG sistemą, kuri atlieka pagrindinį vaidmenį osteoklastų formavimesi, diferenciacijoje ir aktyvume. Šios sistemos atradimas tapo kertiniu akmeniu norint suprasti osteoporozės patogenezę, osteoklastogenezę ir kaulų rezorbcijos reguliavimą, taip pat kitus procesus, susijusius su vietiniu kaulų remodeliavimu. Osteoklastogenezės reguliavimą daugiausia vykdo du citokinai: branduolinio faktoriaus kappa-B ligando receptoriaus aktyvatorius (RANKL) ir OPG, veikiant makrofagų kolonijas stimuliuojančiam faktoriui (M-CSF).

RANKL yra glikoproteinas, kurį gamina osteoblastinės ląstelės, aktyvuoti T limfocitai, priklausantis naviko nekrozės faktoriaus (TNF) ligandų superšeimai ir yra pagrindinis osteoklastų brendimo stimulas. Tarpląstelinės sąveikos, kurioje dalyvauja RANKL-RANK-OPG sistema, molekulinį pagrindą galima pavaizduoti taip: osteoblastų paviršiuje ekspresuojamas RANKL jungiasi prie RANK receptoriaus, esančio OC pirmtakų ląstelių membranose, ir indukuoja osteoklastų diferenciacijos ir aktyvacijos procesą. Tuo pačiu metu kaulų čiulpų ir OB kamieninės ląstelės išskiria M-CSF. Šis polipeptidinis augimo faktorius, sąveikaudamas su savo didelio afiniteto transmembraniniu receptoriumi (c-fms), aktyvina tarpląstelinę tirozino kinazę, stimuliuodamas osteoklastų pirmtakų ląstelių proliferaciją ir diferenciaciją. M-CSF proliferacinis aktyvumas žymiai padidėja, kai OB yra veikiamas parathormono, vitamino D3, interleukino 1 (IL-1), TNF, ir, atvirkščiai, sumažėja veikiant estrogenams ir OPG. Estrogenai, sąveikaudami su viduląsteliniais OB receptoriais, padidina ląstelės proliferacinį ir funkcinį aktyvumą, tuo pačiu mažindami osteoklastų funkciją, stimuliuodami osteoblastų OPG gamybą. OPG yra tirpus RANKL receptorius, kurį sintetina ir išskiria osteoblastinės ląstelės, taip pat stromos ląstelės, kraujagyslių endotelio ląstelės ir B limfocitai. OPG veikia kaip endogeninis RANKL masalo receptorius, blokuojantis jo sąveiką su savo receptoriumi (RANK) ir tokiu būdu slopinantis subrendusių daugiabranduolių osteoklastų ląstelių susidarymą, sutrikdydamas osteoklastogenezės procesą, mažindamas kaulinio audinio rezorbcijos aktyvumą. OB ląstelių sintetinamas ir išskiriamas RANKL yra specifinis veiksnys, būtinas OC vystymuisi ir funkcionavimui. RANKL sąveikauja su savo tropiniu receptoriumi RANK, esančiu OC pirmtakinės ląstelės membranoje (įprastas osteoklastų ir monocitų/makrofagų pirmtakas), sukeldamas viduląstelines kaskadines genomines transformacijas. RANK veikia branduolinį faktorių kappa-B (NF-kB) per receptorių surištą baltymą TRAF6, kuris aktyvuoja ir perneša NF-kB iš citoplazmos į ląstelės branduolį.

Aktyvuoto NF-kB kaupimasis padidina NFATcl baltymo, kuris yra specifinis veiksnys, inicijuojantis viduląstelinių genų, formuojančių osteoklastogenezės procesą, transkripcijos procesą, raišką. Diferencijuotas osteoklastas užima tam tikrą padėtį kaulo paviršiuje ir išvysto specializuotą citoskeletą, kuris leidžia jam sukurti izoliuotą rezorbcijos ertmę – mikroaplinką tarp osteoklastų ir kaulo. Į ląstelės suformuotą ertmę atsukta OC membrana suformuoja daug raukšlių, įgauna gofruotą išvaizdą, o tai žymiai padidina rezorbcijos paviršių. Sukurtos rezorbcijos ertmės mikroaplinka parūgštinama elektrogeniniu protonų pumpavimu į ją. OC viduląstelinis pH palaikomas dalyvaujant karboanhidrazei II, keičiantis HCO3/Cl jonais per ląstelės antiresorbcinę membraną. Jonizuotas chloras prasiskverbia į rezorbcijos mikroertmę per gofruotos rezorbcijos membranos anijonų kanalus, todėl ertmės pH pasiekia 4,2–4,5. Rūgštinė aplinka sudaro sąlygas kaulų mineralinės fazės mobilizacijai ir optimalias sąlygas kaulinio audinio organinės matricos skaidymui, dalyvaujant katepsinui K – fermentui, kurį sintezuoja ir į rezorbcijos ertmę išskiria OK „rūgštinės pūslelės“. Padidėjusi RANKL raiška tiesiogiai suaktyvina kaulų rezorbciją ir sumažina skeleto kaulų mineralinį tankį. Rekombinantinio RANKL įvedimas pirmąją dieną sukėlė hiperkalcemijos išsivystymą, o trečiąją – reikšmingą kaulų masės sumažėjimą ir kaulų mineralinio tankumo sumažėjimą. RANKL ir OPG pusiausvyra iš tikrųjų lemia rezorbuojamo kaulo kiekį ir kaulų mineralinio tankumo pokyčio laipsnį. Eksperimentai su gyvūnais parodė, kad padidėjusi OPG raiška pelėms lemia kaulų masės padidėjimą, osteopetrozę ir pasižymi osteoklastų skaičiaus bei aktyvumo sumažėjimu. Priešingai, išjungus OPG geną, pastebimas kaulų mineralinio tankumo sumažėjimas, reikšmingas subrendusių, daugiabranduolių osteoklastų skaičiaus padidėjimas, kaulų tankio sumažėjimas ir savaiminių slankstelių lūžių atsiradimas.

Pelėms po oda leidžiant rekombinantinį OPG 4 mg/kg/d. doze savaitę, buvo atkurti kaulų mineralinio tankio (KMT) rodikliai. Adjuvantinio artrito modelyje žiurkėms 9 dienas skiriant OPG (2,5 ir 10 mg/kg/d.) pradinėje patologinio proceso stadijoje, buvo blokuojama RANKL funkcija ir išvengta kaulų ir kremzlių audinių masės mažėjimo. Eksperimentai rodo, kad OPG funkcija daugiausia yra sumažinti arba žymiai „išjungti“ RANKL sukeltą poveikį. Šiuo metu tapo akivaizdu, kad ryšio tarp RANKL ir OPG palaikymas yra svarbi sąlyga norint išlaikyti pusiausvyrą tarp kaulų rezorbcijos ir formavimosi. Šių dviejų procesų konjugacija, santykinės RANKL ir OPG koncentracijos kauliniame audinyje lemia pagrindinius kaulų masės ir stiprumo veiksnius. Nuo tada, kai buvo atrasta RANKL-RAMK-OPG sistema kaip galutinis osteoklastų formavimosi ir diferenciacijos kelias, daugelis tyrėjų patvirtino šio ląstelinio ir molekulinio mechanizmo pagrindinį vaidmenį osteoporozės patogenezėje.

Rankl-rank-opg citokinų sistemos vaidmuo kraujagyslių kalcifikacijos procese

Prielaidą apie bendrą osteoporozės ir aterosklerozės patogenetinį pagrindą, tam tikrą osteoporozės vystymosi mechanizmų ir kraujagyslių kalcifikacijos panašumą patvirtina daugybė eksperimentinių ir klinikinių stebėjimų. Įrodyta, kad kaulinis ir kraujagyslių audinys turi daug identiškų savybių tiek ląsteliniu, tiek molekuliniu lygmenimis. Kauliniame audinyje ir kaulų čiulpuose yra endotelio ląstelių, preosteoblastų ir osteoklastų – monocitų darinių, kurie visi taip pat yra normalūs kraujagyslių sienelių ląstelių populiacijų komponentai. Tiek kauliniame audinyje, tiek arterijų sienelėje aterosklerozės proceso metu yra OPN, osteokalcino, morfogenetinio kaulinio baltymo, matricos Gla baltymo, I tipo kolageno ir matricos pūslelių. Aterosklerozės ir osteoklastų patogenezėje monocitai dalyvauja diferenciacijoje į makrofagus su putojančia citoplazma kraujagyslių sienelėje ir į osteoklastus kauliniame audinyje. Kraujagyslių sienelėje yra ląstelinių elementų, kurie diferencijuojasi į osteoblastus pagal kaulinio baltymo susidarymo stadijas, gamindami mineralinį kaulo komponentą.

Esminį vaidmenį atlieka tai, kad citokinų sistema RANKL-RANK-OPG, inicijuodama osteoblastogenezę ir osteoklastogenezę kauliniame audinyje, be kita ko, skatina osteoblastų ir osteoartrito diferenciaciją, taip pat kraujagyslių sienelių mineralizacijos procesą. Tarp šios sistemos komponentų, tiesiogiai rodančių osteoporozės ir aterosklerozės ryšį, OPG sulaukia didžiausio tyrėjų dėmesio. Yra žinoma, kad OPG ekspresuoja ne tik kaulinio audinio ląstelės, bet ir širdies bei kraujagyslių ląstelės: miokardiocitai, arterijų ir venų lygiųjų raumenų ląstelės bei kraujagyslių endotelio ląstelės. OPG yra kraujagyslių kalcifikacijos moduliatorius, tai patvirtino S. Moropu ir kt. eksperimentinis darbas, atliktas su sveikomis pelėmis ir gyvūnais, kuriems sutrikęs/nebuvęs genas, užtikrinantis OPG ekspresiją. Nustatyta, kad pelėms, kurių gebėjimas sintetinti OPG (OPG-/-), skirtingai nei kontrolinės grupės gyvūnams, suaktyvėja arterijų kalcifikacijos procesas kartu su osteoporozės ir daugybinių kaulų lūžių išsivystymu. Priešingai, geno, jį sintetinančio, įvedimas į gyvūnus, kuriems nepakankamai ekspresuojama OPG, prisidėjo prie kaulų rezorbcijos ir kraujagyslių kalcifikacijos proceso slopinimo.

Uždegimas vaidina pagrindinį vaidmenį visuose aterosklerozės vystymosi etapuose, kartu su reikšmingu uždegimo žymenų – citokinų (interleukino-1, α-TNF) – koncentracijos padidėjimu kraujo plazmoje, kurie savo ruožtu sukelia kaulų rezorbciją. Atsižvelgiant į uždegiminį aterosklerozės vystymosi pobūdį, OPG raiška ir išsiskyrimas į kraują ir aplinkinius audinius endotelio ląstelių ir kraujagyslių lygiųjų raumenų ląstelių vyksta veikiant minėtiems uždegimą skatinantiems veiksniams. Skirtingai nuo stromos ląstelių, endotelio ląstelės ir kraujagyslių lygiųjų raumenų audinys nereaguoja į vitamino D3 ar paratiroidinio hormono (PTH) kiekio pokyčius kraujo plazmoje, didindami OPG sintezę ir išsiskyrimą. OPG apsaugo nuo vitamino D3 sukeltos ektopinės kalcifikacijos kraujagyslėse, tuo pačiu padidindamas OPN, pagrindinio nekolageninio kaulų matricos baltymo, kiekį, kuris veikia kaip kraujagyslių mineralizacijos inhibitorius ir yra OPG sintezės bei išsiskyrimo endotelio ir lygiųjų raumenų ląstelėse variklis. OPN, slopinantis hidroksiapatito matricos susidarymo procesą (in vitro) ir kraujagyslių kalcifikacijos procesą (in vivo), yra sintetinamas ir pakankamai didelėmis koncentracijomis išskiriamas kraujagyslių sienelės medialos lygiųjų raumenų ląstelių ir intimos makrofagų. OPN sintezė vyksta tose srityse, kuriose vyrauja kraujagyslių sienelės mineralizacija, ir yra reguliuojama uždegimą skatinančių ir osteogeninių veiksnių. Kartu su avb3 integrinu, sintetinamu endotelio ląstelių aterogenezės vietose, OPN sukelia NF-kB priklausomą OPG poveikį endotelio ląstelių vientisumo palaikymui. Taigi, padidėjusi plazmos ir kraujagyslių OPG koncentracija, stebima sergant širdies ir kraujagyslių ligomis, gali būti endotelio ląstelių aktyvumo pasekmė tiek veikiant uždegimo žymenims, tiek dėl OPN/avb3-HHTerpnHOBoro mechanizmo.

NF-kB aktyvacija arterijų sienelių makrofaguose ir TC taip pat yra vienas iš svarbių mechanizmų, jungiančių osteoporozę ir aterosklerozę. Padidėjęs NF-kB aktyvumas atsiranda dėl citokinų, kuriuos išskiria aktyvuotos T ląstelės kraujagyslių intimoje, veikimo, o tai prisideda prie serino/treonino kinazės (Akt, proteino kinazės B), svarbaus veiksnio, visų pirma, kraujagyslių endotelio ląstelių funkcijai, aktyvumo padidėjimo.

Nustatyta, kad dėl padidėjusio proteino kinazės B aktyvumo stebima eNOS stimuliacija ir padidėjusi azoto oksido (NO), dalyvaujančio endotelio ląstelių vientisumo palaikymo mechanizme, sintezė. Panašiai kaip OPG, RANKL sintezė ir išsiskyrimas endotelio ląstelėse vyksta veikiant uždegiminiams citokinams, bet ne dėl vitamino D3 ar PTH poveikio, kurie gali padidinti RANKL koncentraciją OB ar stromos ląstelėse.

RANKL koncentracijos padidėjimas arterinėse ir veninėse kraujagyslėse taip pat pasiekiamas dėl transformuojančio augimo faktoriaus (TGF-Pj) slopinamojo poveikio OPG ekspresijos procesui, kurio kiekis dėl šio faktoriaus įtakos žymiai sumažėja. Tai turi daugiakryptį poveikį RANKL kiekiui kauluose ir kraujagyslėse: kauliniame audinyje TGF-Pj skatina OPG OB ekspresiją, todėl OPG, prisijungdamas prie RANKL, sumažina jo koncentraciją ir osteoklastogenezės aktyvumą. Kraujagyslių sienelėse TGF-Pj padidina RANKL/OPG santykį, todėl RANKL kiekis, sąveikaudamas su savo RANK receptoriumi endotelio ląstelių membranų paviršiuje, dalyvaujant tarpląstelinėms signalizacijos sistemoms, stimuliuoja kraujagyslių ląstelių osteogenezę, aktyvina kalcifikacijos, proliferacijos ir ląstelių migracijos procesus bei matricos pertvarkymą. Naujos koncepcijos, paremtos dabartiniu kaulų remodeliacijos ląstelinio ir molekulinio mechanizmo osteoporozės ir aterosklerozės procese supratimu bei citokinų RANKL-RANK-OPG sistemos pagrindinio vaidmens šių ligų įgyvendinime išaiškinimu, rezultatas buvo naujos kartos vaisto – denosumabo – sintezė. Denosumabas („Prolia“; „Amgen Incorporation“) yra specifinis žmogaus monokloninis antikūnas, pasižymintis dideliu RANKL tropizmu, blokuojantis šio baltymo funkciją. Daugybė laboratorinių ir klinikinių tyrimų nustatė, kad denosumabas, pasižymintis dideliu gebėjimu sumažinti RANKL aktyvumą, žymiai sulėtina ir susilpnina kaulų rezorbcijos laipsnį. Šiuo metu denosumabas kartu su bisfosfonatais vartojamas kaip pirmos eilės vaistas pacientams, sergantiems sistemine osteoporoze, siekiant išvengti kaulų lūžių. Tuo pačiu metu S. Helas ir kt. nustatė slopinamąjį denosumabo poveikį RANKL gebėjimui įgyvendinti kraujagyslių kalcifikacijos procesą. Taigi, gauti duomenys atveria naujas galimybes sulėtinti osteoporozės ir kraujagyslių aterosklerozės progresavimą, užkirsti kelią širdies ir kraujagyslių komplikacijų vystymuisi sergant osteoporoze, išsaugoti pacientų sveikatą ir gyvybę.

S. Sagalovskis, Richteris. Osteoporozės ir kraujagyslių aterosklerozės vystymosi patofiziologinis vieningumas // Tarptautinis medicinos žurnalas - Nr. 4 - 2012