Газета «Новости медицины и фармации» 2 (602) 2017
Вернуться к номеру
Кристаллиндуцированный остеоартрит: роль кристаллов основного фосфата кальция
Авторы: Головач И.Ю.
д.м.н., профессор, Клиническая больница «Феофания» Государственного управления делами, г. Киев, Украина
Рубрики: Ревматология
Разделы: Справочник специалиста
Версия для печати
Остеоартрит (ОА) является наиболее распространенной ревматологической патологией, приводящей в конечном итоге к хроническому болевому синдрому, выраженным функциональным ограничениям и инвалидности. Заболеваемость ОА ежегодно возрастает в связи с увеличением числа лиц, страдающих ожирением, и постарением населения в свете глобальной демографической обстановки [3].
На сегодня предложены различные фенотипические варианты течения ОА, которые затрагивают факторы риска, этиологические и патогенетические механизмы, а также клинические особенности течения болезни [2, 17]. Среди всех теорий патогенеза ОА особое положение занимает концепция отложения кальцийсодержащих кристаллов в суставном хряще и периартикулярных тканях с формированием кристалл-индуцированного ОА [23]. При этом обнаруживают два типа кристаллов: кальция дигидрат пирофосфат (пирофосфат кальция, ПФК) и основные фосфаты кальция (ОФК). Кристаллы ОФК — общий термин для описания нескольких видов фосфатов кальция, в том числе карбонатапатита, гидроксиапатита, три- и октакальциевых фосфатов, кристаллов витлокита магния [1, 11, 15]. Кристаллы основных фосфатов кальция патогенетически связаны с ОА, кальцинирующим тендинитом, острым кристаллическим артритом и атеросклерозом. Также эти кристаллы выявляются в синовиальной жидкости при тяжелом деструктивном ОА и асептическом некрозе головки бедренной кости, причем намного чаще, чем кристаллы пирофосфата кальция [3]. Так, феномен минерализации хряща встречается у 92 % больных с ОА поздних стадий и у всех больных с асептическим некрозом. Кристаллы кальция определяются в синовиальной жидкости в 65 % случаев гонартроза [21], они с высокой частотой обнаруживаются в гиалиновом хряще при ОА, а также у 100 % пациентов в суставном хряще при проведении операции тотального эндопротезирования [4, 13]. Кристаллы ОФК также были выявлены в синовиальной жидкости и синовиальной мембране пациентов с легким, умеренным и тяжелым поражением коленного сустава при артроскопии [21]. Наличие кристаллов ОФК коррелирует с тяжестью радиографического ОА. Данные последних лет свидетельствуют об универсальном присутствии кальцийсодержащих кристаллов в тканях сустава на финальной стадии ОА.
Некоторые исследователи до сих пор считают кристаллы ПФК и ОФК «невинными свидетелями» суставных событий и «молчаливыми» маркерами терминальной стадии ОА. Несомненно, многие суставные/хрящевые травмы обусловливают поступление в синовиальную жидкость минералов субхондральной кости с последующим осаждением/отложением их в хрящевой или синовиальной ткани. Тем не менее многочисленные клинические и экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что процесс кальцификации суставного хряща является активным и может встречаться как у молодых людей, так и на ранних стадиях ОА. На сегодня установлено, что кристаллы ОФК активно участвуют в патогенезе ОА [20, 26]. Однако отношения между кристаллами кальция, воспалением и ОА являются довольно сложными.
Наилучшей иллюстрацией потенциально деструктивного характера кристаллов ОФК является синдром Milwaukee — тяжелое дегенеративное поражение крупных суставов, обычно плечевых, обусловленное отложением кристаллов ОФК. Данная патология нередко описывалась под другими названиями: «сенильная деструктивная артропатия», «артропатия с разрывом сухожилий вращающей манжеты плеча» и т.д. В синовиальной жидкости таких пациентов обнаруживаются многочисленные скопления кристаллов апатита, которые, по мнению D.J. McCarty, являются причиной данной патологии [19]. Синдром Milwaukee чаще развивается у женщин 70 лет и старше и характеризуется болью, припуханием и прогрессирующим нарушением функции сустава. Боль обычно усиливается в ночное время и при нагрузке на сустав. Отмечаются выраженная его припухлость, обусловленная выпотом, распространяющимся при поражении плечевого сустава в поддельтовидное пространство, а также нестабильность. Деструктивные изменения затрагивают все суставные структуры: периартикулярные ткани, связки, хрящ, кость. Рентгенологическая картина напоминает нейроартропатию Шарко: отмечается дезорганизация всех суставных тканей с деформацией головки плечевой кости, подвывихом ее кверху вследствие разрыва сухожилий вращающей манжеты плеча, кистовидной перестройкой костной ткани, кальцификацией мягких тканей [1]. Поражение бывает двусторонним; кроме плечевого сустава, аналогичные изменения описывались в других крупных суставах, чаще в коленном и тазобедренном.
Наиболее частой манифестной формой ОФК-артропатии является острый кальцифицирующий периартрит. Эпизод острого тендинита может быть спровоцирован травматизацией сухожилия, физической нагрузкой или каким-либо соматическим заболеванием, в результате чего происходит выход кристаллов из кальцината в толщу сухожилия и окружающие ткани с развитием бурной воспалительной реакции вследствие фагоцитоза кристаллов. При локализации кальцината в плечевом суставе развивается острый тендинит надостной мышцы, субакромиальный бурсит. Также может развиваться периартрит локтевого, лучезапястного и коленного сустава [1, 4]. В табл. 1 приведены дифференциальные отличия микрокристаллических заболеваний суставов.
/3_u.jpg)
Хронические формы отложения кристаллов ОФК, как правило, ассоциируются с ОА, формируя особый фенотип заболевания [17]. Клинически дегенерация суставного хряща, обусловленная отложением кальцийсодержащих кристаллов, отличается от таковой при первичном ОА. Если бы кристаллы были простым эпифеноменом дегенерации хряща, их обнаруживали бы в суставах, которые чаще всего поражаются при первичном ОА, т.е. в коленных, тазобедренных, мелких суставах кистей. Напротив, болезнь отложения кристаллов чаще поражает нетипичные для первичного ОА суставы — плечевые, лучезапястные, локтевые. Наличие кристаллов в суставной (выпотной) жидкости ассоциируется с более тяжелой дегенерацией суставного хряща. Обсуждается вопрос о том, что является причиной, а что следствием: отложение кристаллов или дегенерация хряща. Промежуточную позицию занимает следующее предположение: первичная аномалия метаболизма хряща ведет к его дегенерации, а вторичное отложение кристаллов ускоряет его деградацию (так называемая теория амплификационной петли, высказанная около 40 лет назад) [9].
Исследования на животных дополнительно подтверждают патогенную роль кристаллов ОФК при ОА. Так, введение кристаллов ОФК в коленные суставы мышей индуцирует синовит, деградацию хрящевой ткани и апоптоз хондроцитов. Гистологические результаты напоминают изменения при ОА у человека. В мышиной модели ОА через 1 месяц после менискэктомии с помощью метода микрокомпьютерной томографии удалось обнаружить множественные микрокристаллические отложения ОФК [22].
Недавние исследования продемонстрировали, что клетки измененных вследствие остеоартрита менисков имеют отличный от нормальных клеток фенотип с более высокой экспрессией ANK (Progressive Ankylosis Protein) и PC-1, мембранных белков, участвующих в минерализации и регуляции обмена пирофосфатов и неорганических фосфатов [28]. Идентифицировано несколько факторов, играющих важную роль в отложении кристаллов в суставных структурах: генетика, старение, модификация экстрацеллюлярного матрикса (ЭЦМ), нарушение равновесия между стимуляторами и ингибиторами минерализации, нарушение метаболизма неорганических фосфатов, изменение концентрации кальция в ЭЦМ [15]. Действительно, образование кристаллов кальция зависит от относительных концентраций внеклеточного неорганического фосфора и пирофосфата, приводящих к образованию кристаллов пирофосфата или основного фосфата кальция соответственно [30]. Как показано на рис. 1, повышение внеклеточной концентрации неорганического пирофосфата приводит к отложению кристаллов пирофосфата кальция, а неорганического фосфора — к образованию кристаллов ОФК. Неорганический пирофосфат является, вероятно, источником неорганического фосфата для поддержания образования гидроксиапатитов при гидролизе, но также выступает мощным ингибитором предотвращения апатитовых отложений. Кроме того, избыток неорганических пирофосфатов может привести к образованию пирофосфата кальция — маркера патологического обызвествления в остеоартритном суставе. Именно соотношение фосфатов и пирофосфатов является определяющим фактором, приводящим к патологической минерализации или ее торможению.
Точный механизм повреждения суставного хряща кальцийсодержащими кристаллами неизвестен, но отдельные элементы патогенного влияния изложены ниже.
В исследованиях in vitro продемонстрирована способность кристаллов ОФК активировать многочисленные провоспалительные пути, участвующие в деградации суставного хряща при ОА. Так, кристаллы ОФК могут взаимодействовать с хондроцитами, синовиоцитами и фибробластами, изменяя их митогенную активность, повышая экспрессию и продукцию матриксных металлопротеиназ (ММП), простагландинов, провоспалительных цитокинов, оксида азота и др. [10]. В то же время все эти механизмы имеют важное потенциальное значение при повреждении хряща и развитии ОА. Также необходимо отметить, что многие экспериментальные гипотезы не нашли полного подтверждения на человеческих моделях.
Кристаллиндуцированное повышение экспрессии интерлейкина-1
Большое внимание уделяется роли кристаллов ОФК в индукции экспрессии интерлейкина-1 (ИЛ-1) как основного патогенетического пути при ОА. Установлено, что кристаллы ОФК способны индуцировать ИЛ-1 с помощью NLRP3 (NACHT-, LRR- и PYD-содержащий белок 3, или криопирин, — цитозольный белок, основной компонент одноименного типа инфламмасом) инфламмасомзависимых и инфламмасомнезависимых путей in vitro. H.-K. Ea с соавт. (2013) [12] представили, что внутрисуставное введение кристаллов ОФК вызывает остеоартритподобные изменения суставных тканей даже в условиях дефицита компонентов NLRP-3 инфламмасом, ИЛ-1a и ИЛ-1β. Еще в одном исследовании также продемонстрировано, что продукция ММП имела место в отсутствие NLRP-3 инфламмасом и ИЛ-1 [5]. А это указывает на то, что кристаллиндуцированное воспаление может происходить независимо от экспрессии ИЛ-1; в этом состоит одно из важных отличий кристаллов ОФК от уратов натрия. А значит, терапевтическое воздействие на ИЛ-1 вряд ли будет иметь полезные последствия при кристаллиндуцированном ОА в отличие от подагрического артрита.
Кристаллиндуцированное повышение экспрессии интерлейкина-6 хондроцитами
Теоретически кальцийсодержащие кристаллы могут непосредственно повреждать хондроциты. Однако при гистологическом исследовании кристаллы редко локализуются вблизи хондроцитов, еще реже поглощаются ними. Наиболее вероятным является фагоцитоз кристаллов клетками синовиальной выстилки с последующим выделением ими протеолитических ферментов или повышением экспрессии цитокинов, стимулирующих выделение ферментов хондроцитами.
Как было показано в базовых исследованиях, концентрация ИЛ-6 существенно повышена в синовиальной жидкости и сыворотке пациентов с ОА; данный цитокин активно участвует в патогенезе ОА [16]. В более ранних работах продемонстрировано, что мыши, у которых отмечался дефицит ИЛ-6, были защищены от развития ОА [24]. В исследованиях S. Nasi с соавт. (2016) [22] данная гипотеза получила дальнейшее развитие: в серии экспериментов in vitro с использованием мышиных хондроцитов и эксплантов хряща человека продемонстрировано, что кристаллы ОФК способны индуцировать экспрессию ИЛ-6 хондроцитами, проявляя при этом дозозависимый эффект. Использование ИЛ-6-антител приводило лишь к частичному блокированию продукции ИЛ-6 хондроцитами. Одновременно блокада сигналов через Syk и P13-киназы, а также через jak2 и STAT3 молекулы обусловливала полную блокаду продукции ИЛ-6 [29]. Таким образом, данные пути имеют важное значение в ОФК-индуцированной выработке ИЛ-6. С другой стороны, ИЛ-6 влияет на формирование и отложение кристаллов ОФК путем повышения регуляции генов, способствующих минерализации хондроцитов: ANK, ANx5 и Pit-1. Таким образом, в экспериментальной модели кристаллиндуцированного ОА имеет место формирование так называемой «петли положительной обратной связи»: повышение концентрации ИЛ-6 обусловливает усиление процессов минерализации с отложением кристаллов ОФК в суставных структурах, что приводит к деградации матрикса, повышению экспрессии ИЛ-6 хондроцитами и в конечном итоге к обострению ОА (рис. 2). В проведенных исследованиях подчеркивается, что именно ИЛ-6 может быть потенциально важной терапевтической мишенью при кристаллиндуцированном ОА [26].
/4_u.jpg)
Остеокластогенез, индуцированный кристаллами ОФК
Несмотря на то что основные исследования сосредоточены на оценке влияния кристаллов на функцию хондроцитов, синовиоцитов и фибробластов, несколько экспериментальных работ посвящено воздействию кристаллов ОФК на остеокласты и костное ремоделирование. В недавних исследованиях C.-C. Chang (2015) [6] продемонстрировано, что кальцийсодержащие кристаллы, в том числе ОФК, могут усиливать экспрессию рецептора активатора ядерного фактора kВ (NF-κB)/макрофагальный колониестимулирующего фактора, которые являются индукторами остеокластогенеза и резорбции кости, осуществляемыми через р38 и внеклеточный путь сигналрегулируемой киназы. Вместе с синовиальной активацией этот механизм может иметь важное значение в патогенезе деструктивных артропатий, вызванных кальцийсодержащими кристаллами. Установлено также усиление регуляции трех генов, связанных с остеокластогенезом (TRAP — тартатрезистентная кислая фосфатаза, катепсин K и CTR — рецептор кальцитонина), в остеокластах и их предшественниках, предварительно подвергшихся воздействию кристаллов кальция. В клетках-предшественниках остеокластов, инкубированных совместно с кристаллами ОФК, отмечено повышение резорбтивной активности, что приводило к увеличению объема резорбтивных лакун. Таким образом, кристаллы ОФК могут способствовать дифференцировке остеокластов, что, в свою очередь, приводит к усилению костной резорбции и появлению костных эрозий, характерных для некоторых форм ОА.
ОФК и фибробластподобные синовиоциты
Клинический и субклинический синовит является значимой особенностью ОА, при этом именно синовиальные клетки играют важную роль в патологической кальцификации суставного хряща при ОА [25]. В экспериментальных работах установлено, что фибробластподобные синовиоциты (ФПС) могут приводить к образованию кристаллов кальция. Так, в исследованиях Y. Sun с соавт. (2014) [27] было показано, что ФПС экспрессируют гены, которые провоцируют патологическую кальцификацию. Присутствие аденозинтрифосфата, высокие концентрации которого определены в синовиальной жидкости при ОА, также вызывает кристаллообразование. При культивировании ФПС в среде хондроцитов отмечены повышенное образование кальция и отложения кристаллов кальция в пробирке. Эти результаты свидетельствуют о том, что ФПС при ОА могут приводить к образованию кристаллов кальция путем дифференциации в гипертрофированные хондроцитподобные клетки.
Потенциальные механизмы индуцирования кальцийсодержащими кристаллами повреждения суставного хряща и развитие ОА связаны с их митогенными свойствами, способностью индуцировать ММП и стимулировать синтез простагландинов.
Митогенный эффект кальций-содержащих кристаллов
Кристаллы ОФК в концентрациях, обнаруживаемых при патологии суставов у человека, дозозависимо стимулируют митогенез культуры покоящихся фибробластов кожи, синовиальных фибробластов собак и мышей [7]. Одним из предполагаемых механизмов ОФК-индуцированного митогенеза является следующий: аномальная пролиферация синовиальных клеток может быть связана (по крайней мере частично) с эндоцитозом и внутриклеточным растворением кристаллов, что приводит к повышению концентрации Са2+ в цитоплазме клеток и к активации кальцийзависимого пути, ведущего к митогенезу [8]. Добавление кристаллов ОФК к монослойной культуре фибробластов вызвало немедленное десятикратное увеличение содержания внутриклеточного кальция, которое вернулось к исходному уровню через 8 мин. Источником кальция преимущественно был внеклеточный ион, так как кристаллы основного фосфата кальция были добавлены в бескальциевую питательную среду. Следующее повышение концентрации внутриклеточного кальция наблюдалось через 60 мин и продолжалось не менее 3 ч. Здесь источником кальция были фагоцитированные кристаллы, растворенные в фаголизосомах. Таким образом, механизм митогенеза, индуцированного кристаллами ОФК, в фибробластах обусловлен медленным внутриклеточным растворением кристаллов, что ведет к повышению внутриклеточного содержания Са2+, а затем к активации ряда кальцийзависимых процессов, стимулирующих митогенез.
Провоспалительные эффекты ОФК
В нескольких клинических исследованиях подтверждено участие кристаллов ОФК в воспалительных процессах при ОА [14]. Содержащие кальций кристаллы оказывают прямое воздействие на синовиоциты и хондроциты, которые могут увеличить суставное воспаление. Кристаллы основных фосфатов кальция индуцируют образование ММП, простагландинов и воспалительных цитокинов [23]. Эти эффекты, по всей видимости, связаны с NF-κB- и MAPK-сигнальными путями (MAPK (mitogen-activated protein kinase) — митогенактивируемая протеинкиназа), а также с NO-зависимыми путями. Способность кристаллов ОФК индуцировать митогенез во многих типах клеток, включая синовиоциты и макрофаги, удалось объяснить после установления синовиальной пролиферации при ОА. Так, кристаллы ОФК активируют синовиальные фибробласты при ОА, обусловливая их пролиферацию и приводя к индукции митогенеза и повышению продукции ММП [29]. Кроме того, кристаллы ОФК могут синергетично действовать с ИЛ-1 и фактором некроза опухоли a, еще больше усиливая выработку ММП [18].
Кристаллы кальция, в том числе ОФК, как известно, оказывают ряд биологических эффектов в культуре клеток, таких как индукция митогенеза, стимуляция продукции простагландина Е2 в циклооксигеназном пути, активация фосфолипазы С, индукция синтеза металлопротеиназ и протоонкогенов (c-fos и c-myc) [8]. Кристаллы ОФК активируют протеинкиназный путь передачи сигнала, в котором участвуют р42 и р44, что свидетельствует о роли этих путей в митогенезе, индуцированном кальцийсодержащими кристаллами. Установлено также, что для стимуляции митогенной активности и активации продукции ММП необходим эндоцитоз частички кальцийсодержащего кристалла фибробластами, синовиоцитами или ФПС.
Понимание участия роли кристаллов ОФК в патогенезе ОА продолжает расширяться, однако уже сегодня существует достаточно экспериментальных и клинических доказательств важнейшей роли кальцийсодержащих кристаллов в развитии ОА и прогрессирующей дегенерации суставного хряща (рис. 2). Их участие в клеточной пролиферации, митогенезе, остеокластогенезе и воспалении при ОА позволяет рассматривать ОФК не только как патогенетические факторы, но и как реальные терапевтические цели. Расшифровка участия кристаллов ОФК в развитии ОА позволит создать новые препараты, необходимые для модификации такого распространенного заболевании, как ОА.
Конфликт интересов. Исследование не имело спонсорской поддержки. Автор не получала гонораров за статью. Автор несет полную ответственность за предоставление окончательной версии рукописи в печать.
Список литературы
Список литературы находится в редакции