Patofyziologická jednota pri vzniku osteoporózy a vaskulárnej aterosklerózy

V štruktúre úmrtnosti obyvateľstva rozvinutých krajín zaujímajú popredné miesto choroby obehového systému. Kardiovaskulárne choroby (arteriálna hypertenzia, ischemická choroba srdca, infarkt myokardu), ktorých základom je ateroskleróza, sa právom nazývajú epidémiou 21. storočia.

Podľa WHO zomiera na kardiovaskulárne ochorenia ročne na svete viac ako 17 miliónov ľudí a do roku 2015 sa počet úmrtí zvýši na 20 miliónov. Spolu s tým je jednou z hlavných príčin funkčnej nedostatočnosti a straty pracovnej kapacity u dospelej populácie osteoporóza (OP) - najznámejšie a najbežnejšie ochorenie kostrového systému na svete s prevalenciou súvisiacou s vekom. Osteoporóza je multifaktoriálne polygénne ochorenie skeletu, ktoré je najčastejšou formou metabolickej osteopatie. Ochorenie sa vyznačuje úbytkom kostnej hmoty, narušením ich mikroarchitektúry (deštrukcia trabekúl), zníženou pevnosťou a je sprevádzané vysokým rizikom zlomenín.

Práve zlomeniny, z ktorých najzávažnejšie sú zlomeniny krčka stehennej kosti a vretennej kosti v dolnej tretine predlaktia, určujú medicínsky a medicínsko-sociálny význam ochorenia vrátane zvýšenej úmrtnosti a významných ekonomických strát s nimi spojených. Zvláštnosťou osteoporózy je, že toto ochorenie postihuje najmä starších a starých ľudí. Významný nárast incidencie osteoporózy, pozorovaný od druhej polovice 20. storočia, prirodzene odráža demografické zmeny, ktoré sa vyskytujú v populácii a prejavujú sa starnutím populácie vo všetkých industrializovaných krajinách sveta. Početné epidemiologické štúdie vykonané v poslednom čase vo svete a Európe naznačujú pozitívnu koreláciu medzi kardiovaskulárnymi ochoreniami a patológiami kostrového systému. Zároveň mnohí autori spájajú osteoporózu s progresiou aterosklerózy vrátane kalcifikácie cievnych stien. U žien s osteoporotickými zlomeninami sa pozoroval nárast výskytu kalcifikácie aorty a koronárnych artérií, ktorej závažnosť korelovala so znížením hustoty kostných minerálov (BMD).

Štúdie SO Songa a kol. odhalili vzťah medzi znížením BMD chrbtice a proximálneho femuru a zvýšením obsahu vápnika v koronárnych artériách podľa elektrónovej počítačovej tomografie. M. Naves a kol. zistili, že u žien s postmenopauzálnou osteoporózou je zníženie BMD o jednu štandardnú odchýlku od maximálnej kostnej hmotnosti spojené so zvýšeným rizikom celkovej úmrtnosti o 43 % a predčasného úmrtia na kardiovaskulárnu patológiu. Ďalšie štúdie tiež zistili, že pacienti so zníženou BMD majú väčšiu pravdepodobnosť zvýšenia koncentrácií lipidov v krvi, rozvoja závažnejšej koronárnej aterosklerózy a významne zvýšeného rizika mozgovej príhody a infarktu myokardu. Prezentované údaje naznačujú, že zvýšenie výskytu osteoporózy, ektopickej kalcifikácie a aterosklerózy u tých istých pacientov má spoločný patogenetický základ. Koncept, že kardiovaskulárne ochorenia a osteoporóza sú prepojené prostredníctvom markerov, ktoré súčasne ovplyvňujú cievne a kostné bunky, bol podporený rozsiahlymi experimentálnymi štúdiami.

Kandidátom na úlohu takéhoto markera je nedávno identifikovaný proteín osteoprotegerín (OPG), ktorý patrí do rodiny receptorov faktora nekrózy nádorov a je súčasťou cytokínového systému RANKL-RANK-OPG.

[ 1 ], [ 2 ]

Remodelácia kostí a úloha systému rank-rank-opg

Osteoporóza je ochorenie založené na procesoch porúch prestavby kostí so zvýšenou resorpciou kostí a zníženou syntézou kostí. Oba procesy tvorby kostného tkaniva sú úzko prepojené a sú výsledkom bunkovej interakcie osteoblastov (OB) a osteoklastov (OC), pochádzajúcich z prekurzorov rôznych bunkových línií: osteoblasty - z mezenchymálnych kmeňových buniek, osteoklasty - z makrofágovo-monocytových buniek kostnej drene. Osteoblasty sú mononukleárne bunky zapojené do procesu tvorby kostí a mineralizácie buniek kostnej matrice. Osteoblasty hrajú zásadnú úlohu v modulácii prestavby kostí a regulácii metabolickej aktivity iných buniek kostného tkaniva. Vylučujú množstvo biologicky aktívnych látok, prostredníctvom ktorých ovplyvňujú proces dozrievania prekurzorovej bunky osteoklastov a transformujú ju na veľkú viacjadrovú bunku schopnú podieľať sa na resorpcii, t. j. absorpcii kostného tkaniva, pôsobiacu iba na mineralizovanú kosť bez zmeny samotnej matrice kostného tkaniva.

Dozrievanie a diferenciácia osteoblastov prebiehajú pod vplyvom rôznych špecifických faktorov ovplyvňujúcich proces transkripcie, z ktorých najdôležitejší je proteín Cbfal (core-binding factor oil; tiež známy ako runt related transkripčný faktor 2; RUNX2). U myší s deficitom Cbfal/RUNX2 sa pozoruje významné spomalenie procesu tvorby kostí a dozrievanie OB buniek sa nepozoruje. Naopak, podávanie rekombinantného Cbfal zvieratám spôsobuje expresiu génov vlastných osteoblastom v neosteogénnych bunkách. Významná úloha, ktorú zohráva Cbfal/RUNX2 v diferenciácii a dozrievaní osteoblastov, sa prejavuje aj v schopnosti proteínu regulovať funkciu mnohých génov zapojených do syntézy proteínov kostného tkaniva: kolagénu typu 1, osteopontínu (OPN), osteokalcínu a sialoproteínu. Rast a funkčnú kapacitu OB ovplyvňujú aj parakrinné a/alebo autokrinné faktory regulujúce aktivitu intranukleárnych transkripčných procesov, syntézu OPN a osteokalcínu. Patria sem množstvo bunkových rastových faktorov, modulátorov cytokínov a hormonálne biologicky aktívnych látok. Predpoklad, že aktivácia a regulácia prestavby kostného tkaniva sú dôsledkom interakcie osteoblastov a osteoklastov, bol potvrdený v mnohých výskumných štúdiách. Významný pokrok v chápaní procesov prestavby kostí sa dosiahol objavom cytokínového systému RANKL-RANK-OPG, ktorý hrá kľúčovú úlohu pri tvorbe, diferenciácii a aktivite osteoklastov. Objav tohto systému sa stal základným kameňom pre pochopenie patogenézy osteoporózy, osteoklastogenézy a regulácie resorpcie kostí, ako aj ďalších procesov zapojených do lokálnej prestavby kostí. Reguláciu osteoklastogenézy vykonávajú najmä dva cytokíny: ligand receptorového aktivátora nukleárneho faktora kappa-B (RANKL) a OPG na pozadí permisívneho pôsobenia faktora stimulujúceho kolónie makrofágov (M-CSF).

RANKL je glykoproteín produkovaný osteoblastickými bunkami, aktivovanými T lymfocytmi, ktorý patrí do superrodiny ligandov faktora nekrózy nádorov (TNF) a je hlavným stimulom pre dozrievanie osteoklastov. Molekulárny základ medzibunkových interakcií zahŕňajúcich systém RANKL-RANK-OPG možno znázorniť nasledovne: RANKL exprimovaný na povrchu osteoblastov sa viaže na receptor RANK nachádzajúci sa na membránach prekurzorových buniek OC a indukuje proces diferenciácie a aktivácie osteoklastov. Súčasne kmeňové bunky kostnej drene a OB uvoľňujú M-CSF. Tento polypeptidový rastový faktor, interagujúci so svojím vysokoafinitným transmembránovým receptorom (c-fms), aktivuje intracelulárnu tyrozínkinázu, čím stimuluje proliferáciu a diferenciáciu prekurzorovej bunky osteoklastov. Proliferačná aktivita M-CSF sa významne zvyšuje, keď je OB vystavený parathormónu, vitamínu D3, interleukínu 1 (IL-1), TNF a naopak, klesá pod vplyvom estrogénov a OPG. Estrogény, interagujúce s intracelulárnymi OB receptormi, zvyšujú proliferačnú a funkčnú aktivitu bunky a súčasne znižujú funkciu osteoklastov, čím stimulujú produkciu OPG osteoblastami. OPG je rozpustný receptor pre RANKL, syntetizovaný a uvoľňovaný osteoblastickými bunkami, ako aj stromálnymi bunkami, vaskulárnymi endotelovými bunkami a B lymfocytmi. OPG pôsobí ako endogénny návnadový receptor pre RANKL, blokuje jeho interakciu s vlastným receptorom (RANK), a tým inhibuje tvorbu zrelých viacjadrových osteoklastov, čím narúša proces osteoklastogenézy a znižuje aktivitu resorpcie kostného tkaniva. RANKL, syntetizovaný a uvoľňovaný OB bunkami, je špecifickým faktorom nevyhnutným pre vývoj a fungovanie OC. RANKL interaguje so svojím tropným receptorom RANK na membráne prekurzorovej bunky OC (bežný prekurzor osteoklastov a monocytov/makrofágov), čo vedie k intracelulárnym kaskádovým genomickým transformáciám. RANK ovplyvňuje nukleárny faktor kappa-B (NF-kB) prostredníctvom proteínu TRAF6 spojeného s receptorom, ktorý aktivuje a premiestňuje NF-kB z cytoplazmy do bunkového jadra.

Akumulácia aktivovaného NF-kB zvyšuje expresiu proteínu NFATcl, čo je špecifický spúšťač, ktorý spúšťa proces transkripcie intracelulárnych génov tvoriacich proces osteoklastogenézy. Diferencovaný osteoklast zaujme určitú polohu na povrchu kosti a vyvinie si špecializovaný cytoskelet, ktorý mu umožňuje vytvoriť izolovanú resorpčnú dutinu, mikroprostredie medzi osteoklastmi a kosťou. Membrána OC smerujúca k dutine tvorenej bunkou tvorí mnoho záhybov, získava zvlnený vzhľad, čo výrazne zväčšuje resorpčný povrch. Mikroprostredie vytvorenej resorpčnej dutiny je okyslené elektrogénnym pumpovaním protónov do nej. Intracelulárne pH OC sa udržiava za účasti karboanhydrázy II prostredníctvom výmeny iónov HCO3/Cl cez antiresorpčnú membránu bunky. Ionizovaný chlór preniká do resorpčnej mikrodutiny cez aniónové kanály zvlnenej resorpčnej membrány, čoho výsledkom je, že pH v dutine dosiahne 4,2-4,5. Kyslé prostredie vytvára podmienky pre mobilizáciu minerálnej fázy kosti a vytvára optimálne podmienky pre degradáciu organickej matrice kostného tkaniva za účasti katepsínu K, enzýmu syntetizovaného a uvoľňovaného do resorpčnej dutiny „kyslými vezikulami“ OK. Zvýšená expresia RANKL priamo vedie k aktivácii resorpcie kostí a zníženiu kostnej hmoty (BMD). Zavedenie rekombinantného RANKL viedlo ku koncu prvého dňa k rozvoju hyperkalcémie a ku koncu tretieho dňa k významnej strate kostnej hmoty a zníženiu BMD. Rovnováha medzi RANKL a OPG v skutočnosti určuje množstvo resorbovanej kosti a stupeň zmeny BMD. Experimenty na zvieratách ukázali, že zvýšená expresia OPG u myší vedie k zvýšeniu kostnej hmoty, osteopetróze a je charakterizovaná znížením počtu a aktivity osteoklastov. Naopak, keď je gén OPG vypnutý, pozoruje sa zníženie BMD, významné zvýšenie počtu zrelých viacjadrových osteoklastov, zníženie kostnej hustoty a výskyt spontánnych zlomenín stavcov.

Subkutánne podávanie rekombinantného OPG myšiam v dávke 4 mg/kg/deň počas jedného týždňa obnovilo indexy BMD. V modeli adjuvantnej artritídy u potkanov podávanie OPG (2,5 a 10 mg/kg/deň) počas 9 dní v počiatočnom štádiu patologického procesu blokovalo funkciu RANKL a zabránilo strate hmoty kostného a chrupavkového tkaniva. Experimenty naznačujú, že funkcia OPG spočíva najmä v znížení alebo významnom „vypnutí“ účinkov spôsobených RANKL. V súčasnosti je zrejmé, že udržiavanie vzťahu medzi RANKL a OPG je dôležitou podmienkou pre udržanie rovnováhy medzi resorpciou a tvorbou kostí. Konjugácia týchto dvoch procesov, relatívne koncentrácie RANKL a OPG v kostnom tkanive, určujú hlavné determinanty kostnej hmoty a sily. Od objavenia systému RANKL-RAMK-OPG ako konečnej dráhy pre tvorbu a diferenciáciu osteoklastov mnohí výskumníci potvrdili vedúcu úlohu tohto bunkového a molekulárneho mechanizmu v patogenéze osteoporózy.

Úloha cytokínového systému rank-rank-opg v procese vaskulárnej kalcifikácie

Predpoklad o prítomnosti spoločného patogenetického základu osteoporózy a aterosklerózy, určitá podobnosť medzi mechanizmami vzniku osteoporózy a vaskulárnej kalcifikácie, je potvrdený mnohými experimentálnymi a klinickými pozorovaniami. Bolo preukázané, že kostné a cievne tkanivá majú mnoho identických vlastností na bunkovej aj molekulárnej úrovni. Kostné tkanivo a kostná dreň obsahujú endotelové bunky, preosteoblasty a osteoklasty - deriváty monocytov, pričom všetky sú zároveň normálnymi zložkami bunkových populácií cievnej steny. Kostné tkanivo aj stena arteriálnych ciev v podmienkach aterosklerotického procesu obsahujú OPN, osteokalcín, morfogenetický kostný proteín, matrix Gla-proteín, kolagén typu I a matrixové vezikuly. V patogenéze aterosklerózy a OP sa podieľajú monocyty, ktoré sa diferencujú na makrofágy s penovou cytoplazmou v cievnej stene a na osteoklasty v kostnom tkanive. V cievnej stene sa nachádzajú bunkové elementy, ktoré sa diferencujú na osteoblasty v súlade so štádiami tvorby kostného OB, čím vzniká minerálna zložka kosti.

Zásadný význam má skutočnosť, že cytokínový systém RANKL-RANK-OPG, ktorý iniciuje osteoblastogenézu a osteoklastogenézu v kostnom tkanive, indukuje okrem iného diferenciáciu osteoblastov a OC, ako aj proces mineralizácie cievnych stien. Spomedzi zložiek tohto systému, ktoré priamo naznačujú existenciu vzťahu medzi osteoporózou a aterosklerózou, OPG priťahuje najväčšiu pozornosť výskumníkov. Je známe, že OPG je exprimovaný nielen bunkami kostného tkaniva, ale aj kardiovaskulárnymi bunkami: myokardiocytmi, bunkami hladkého svalstva tepien a žíl a vaskulárnymi endotelovými bunkami. OPG je modulátorom vaskulárnej kalcifikácie, čo bolo potvrdené v experimentálnej práci S. Moropu a kol., vykonanej na intaktných myšiach a zvieratách s narušením/absenciou génu zabezpečujúceho expresiu OPG. Zistilo sa, že myši so zníženou schopnosťou syntetizovať OPG (OPG-/-), na rozdiel od kontrolnej skupiny zvierat, vykazujú aktiváciu procesu arteriálnej kalcifikácie v kombinácii s rozvojom osteoporózy a mnohopočetných zlomenín kostí. Naopak, zavedenie génu, ktorý ho syntetizuje, zvieratám s nedostatočnou expresiou OPG prispelo k potlačeniu procesu resorpcie kostí aj vaskulárnej kalcifikácie.

Zápal zohráva kľúčovú úlohu vo všetkých štádiách vývoja aterosklerózy, sprevádzaný významným zvýšením koncentrácie zápalových markerov v krvnej plazme - cytokínov (interleukín-1, α-TNF), ktoré následne indukujú resorpciu kostí. V súlade so zápalovou povahou vývoja aterosklerózy sa expresia a uvoľňovanie OPG do krvného obehu a okolitých tkanív endotelovými bunkami a bunkami hladkého svalstva ciev uskutočňuje pod vplyvom vyššie uvedených prozápalových faktorov. Na rozdiel od stromálnych buniek endotelové bunky a tkanivo hladkého svalstva ciev nereagujú na zmeny obsahu vitamínu D3 alebo parathormónu (PTH) v krvnej plazme zvýšením syntézy a uvoľňovania OPG. OPG zabraňuje ektopickej kalcifikácii v cievach vyvolanej vitamínom D3 a súčasne zvyšuje obsah OPN, hlavného nekolagénneho matricového proteínu kostí, ktorý pôsobí ako inhibítor vaskulárnej mineralizácie a ako spúšťač syntézy a uvoľňovania OPG endotelovými bunkami a bunkami hladkého svalstva. OPN, ktorý inhibuje proces tvorby hydroxyapatitovej matrice (in vitro) a vaskulárnej kalcifikácie (in vivo), je syntetizovaný a uvoľňovaný v dostatočne vysokých koncentráciách bunkami hladkého svalstva medie cievnej steny a makrofágmi intimy. Syntéza OPN prebieha v oblastiach s prevládajúcou mineralizáciou cievnej steny a je regulovaná prozápalovými a osteogénnymi faktormi. Spolu s integrínom avb3, syntetizovaným endotelovými bunkami v miestach aterogenézy, OPN spôsobuje NF-kB-dependentný účinok OPG na udržanie integrity endotelových buniek. Zvýšené plazmatické a vaskulárne koncentrácie OPG pozorované pri kardiovaskulárnych ochoreniach môžu byť teda dôsledkom aktivity endotelových buniek pod vplyvom zápalových markerov, ako aj v dôsledku mechanizmu OPN/avb3-HHTerpnHOBoro.

Aktivácia NF-kB v makrofágoch arteriálnej steny a v TC je tiež jedným z dôležitých mechanizmov spájajúcich osteoporózu a aterosklerózu. Zvýšená aktivita NF-kB nastáva v dôsledku pôsobenia cytokínov uvoľňovaných aktivovanými T bunkami v intime ciev, čo prispieva k zvýšeniu aktivity serín/treonínkinázy (Akt, proteínkináza B), čo je dôležitý faktor pre funkciu predovšetkým cievnych endotelových buniek.

Bolo zistené, že v dôsledku zvýšenej aktivity proteínkinázy B sa pozoruje stimulácia eNOS a zvýšená syntéza oxidu dusnatého (NO), ktorý sa podieľa na mechanizme udržiavania integrity endotelových buniek. Podobne ako pri OPG, syntéza a uvoľňovanie RANKL endotelovými bunkami sa uskutočňuje pod vplyvom zápalových cytokínov, ale nie v dôsledku pôsobenia vitamínu D3 alebo PTH, ktoré sú schopné zvýšiť koncentráciu RANKL v obštrukčných alebo stromálnych bunkách.

Zvýšenie koncentrácie RANKL v arteriálnych a venóznych cievach sa dosahuje aj v dôsledku inhibičného účinku transformujúceho rastového faktora (TGF-Pj) na proces expresie OPG, ktorého obsah sa pod vplyvom tohto faktora významne znižuje. Má viacsmerový účinok na obsah RANKL v kostiach a cievach: v kostnom tkanive TGF-Pj podporuje expresiu OPG-OB a v dôsledku toho OPG, ktorý sa viaže na RANKL, znižuje jeho koncentráciu a aktivitu osteoklastogenézy. V stenách ciev TGF-Pj zvyšuje pomer RANKL/OPG a v dôsledku toho obsah RANKL, interaguje s jeho RANK receptorom na povrchu membrán endotelových buniek za účasti intracelulárnych signálnych systémov, stimuluje osteogenézu cievnych buniek, aktivuje proces kalcifikácie, proliferácie a migrácie buniek a remodelácie matrice. Výsledkom nového konceptu založeného na súčasnom chápaní bunkového a molekulárneho mechanizmu prestavby kostí pri osteoporóze a procese aterosklerózy a objasnení vedúcej úlohy cytokínového systému RANKL-RANK-OPG pri realizácii týchto ochorení bola syntéza lieku novej generácie - denosumabu. Denosumab (Prolia; Amgen Incorporation) je špecifická ľudská monoklonálna protilátka s vysokým stupňom tropizmu pre RANKL, ktorá blokuje funkciu tohto proteínu. Početné laboratórne a klinické štúdie preukázali, že denosumab, ktorý preukazuje vysokú schopnosť znižovať aktivitu RANKL, významne spomaľuje a oslabuje stupeň resorpcie kostí. V súčasnosti sa denosumab používa ako liek prvej voľby spolu s bisfosfonátmi u pacientov so systémovou osteoporózou na prevenciu zlomenín kostí. Zároveň S. Helas a kol. preukázali inhibičný účinok denosumabu na schopnosť RANKL realizovať proces vaskulárnej kalcifikácie. Získané údaje tak otvárajú nové možnosti spomalenia progresie osteoporózy a cievnej aterosklerózy, prevencie vzniku kardiovaskulárnych komplikácií pri osteoporóze a zachovania zdravia a života pacientov.

S. Sagalovsky, Richter. Patofyziologická jednota vývoja osteoporózy a aterosklerózy ciev // International Medical Journal - č. 4 - 2012