Peranan deposit kristal dalam patogenesis osteoarthritis

Kristal kalsium fosfat (BCP) asas ditemui dalam cecair sinovial 30-60% pesakit osteoarthritis. Menurut A. Swan et al. (1994), kristal yang mengandungi kalsium ditemui dalam cecair sinovial bilangan pesakit yang lebih besar dengan osteoarthritis; bagaimanapun, disebabkan saiz kristal yang sangat kecil atau bilangannya yang kecil, ia tidak dikenal pasti menggunakan teknik konvensional. Kehadiran kristal BCP dalam cecair sinovial berkorelasi dengan tanda radiografi degenerasi rawan artikular dan dikaitkan dengan jumlah efusi yang lebih besar berbanding dengan efusi pada sendi lutut tanpa kristal. Kajian tentang faktor-faktor yang mempengaruhi perkembangan radiografi gonarthrosis menunjukkan bahawa pemendapan kristal kalsium pirofosfat dihidrat (CPPD) adalah peramal hasil klinikal dan radiografi yang tidak menguntungkan. Dalam kajian pesakit tua, osteoarthritis didapati dikaitkan dengan chondrocalcinosis, terutamanya dalam petak tibiofemoral sisi lutut dan tiga sendi metacarpophalangeal pertama. Ia bukan sesuatu yang luar biasa untuk kedua-dua jenis kristal, OFC dan PFC, ditemui pada pesakit dengan osteoarthritis.

Secara klinikal, degenerasi rawan artikular yang disebabkan oleh pemendapan kristal kalsium berbeza daripada yang dilihat pada osteoarthrosis primer. Jika kristal adalah fenomena mudah degenerasi rawan, ia akan ditemui pada sendi yang paling kerap terjejas oleh osteoarthrosis primer, iaitu lutut, pinggul, dan sendi kecil tangan. Sebaliknya, penyakit pemendapan kristal paling kerap menjejaskan sendi yang tidak tipikal untuk osteoarthrosis primer, seperti bahu, pergelangan tangan, dan siku. Kehadiran kristal dalam cecair sendi (effusi) dikaitkan dengan degenerasi rawan artikular yang lebih teruk. Persoalan yang manakah punca dan yang manakah kesan, pemendapan kristal atau degenerasi rawan, diperdebatkan. Kedudukan pertengahan diduduki oleh andaian berikut: anomali utama dalam metabolisme tulang rawan membawa kepada kemerosotannya, dan pemendapan sekunder kristal mempercepatkan degradasinya (teori gelung penguatan yang dipanggil).

Mekanisme yang tepat di mana kristal kalsium merosakkan rawan artikular tidak diketahui diringkaskan di bawah. Secara teorinya, kristal kalsium boleh merosakkan kondrosit secara langsung. Walau bagaimanapun, pemeriksaan histologi jarang mendedahkan kristal berhampiran kondrosit, dan lebih jarang lagi ia ditelan olehnya. Mekanisme yang paling mungkin adalah fagositosis kristal oleh sel lapisan sinovial, diikuti dengan pembebasan enzim proteolitik atau rembesan sitokin yang merangsang pembebasan enzim kondrosit. Konsep ini disokong oleh kajian tentang peranan sinovitis yang disebabkan oleh PFKD dalam perkembangan osteoartritis progresif pesat dalam artropati pirofosfat. Dalam kajian ini, kristal kalsium pirofosfat dihidrat (1 atau 10 mg) disuntik setiap minggu ke dalam lutut kanan arnab dengan osteoarthritis yang disebabkan oleh menissektomi sisi separa. Ternyata selepas 8 suntikan, sendi lutut kanan menunjukkan perubahan yang ketara lebih serius berbanding dengan sebelah kiri. Keamatan keradangan sinovial berkorelasi dengan suntikan intra-artikular kristal kalsium pirofosfat dihidrat dan dosnya. Walaupun fakta bahawa dos kristal CPPD yang digunakan dalam kajian ini melebihi dos dalam vivo, keputusan menunjukkan peranan keradangan yang disebabkan oleh CPPD dalam perkembangan osteoarthritis dalam arthropathy pyrophosphate.

Potensi mekanisme induksi kerosakan rawan artikular oleh kristal yang mengandungi kalsium dikaitkan dengan sifat mitogeniknya, keupayaan untuk mendorong MMP dan merangsang sintesis prostaglandin.

Kesan mitogenik kristal yang mengandungi kalsium. Dalam artropati yang berkaitan dengan kristal, percambahan sel lapisan sinovial sering diperhatikan, dengan kristal itu sendiri hanya bertanggungjawab sebahagiannya untuk proses ini. Peningkatan bilangan sel sinovial disertai dengan peningkatan rembesan sitokin, yang menggalakkan kondrolisis dan mendorong rembesan enzim proteolitik. Kristal OFC pada kepekatan yang terdapat dalam patologi sendi manusia yang bergantung kepada dos merangsang mitogenesis kultur fibroblas kulit yang berehat dan fibroblas sinovial taring dan tikus. Kristal kalsium pirofosfat dihidrat, urat, sulfat, karbonat, dan kalsium fosfat merangsang pertumbuhan sel. Permulaan dan kemuncak penggabungan ( ^3H )-thymidine yang disebabkan oleh kristal ini dianjakkan selama 3 jam berbanding dengan rangsangan sel dengan serum darah. Tempoh masa ini mungkin diperlukan untuk fagositosis dan pembubaran kristal. Penambahan kristal kawalan dengan saiz yang sama (cth, habuk berlian atau zarah lateks) tidak merangsang mitogenesis. Kristal natrium urat monohidrat mempunyai sifat mitogenik yang lemah dan jauh lebih rendah daripada kalsium urat, menunjukkan kepentingan kandungan kalsium kristal dalam mitogenesis. Kristal OFC sintetik mempunyai sifat mitogenik yang sama seperti kristal yang diperoleh daripada pesakit dengan chondrocalcinosis. Kesan mitogenik kristal yang mengandungi kalsium bukanlah hasil daripada peningkatan kandungan kalsium medium nutrien di sekeliling secara in vitro, kerana pembubaran kristal kalsium fosfat asas dalam medium nutrien tidak merangsang penggabungan ( ^3H )-thymidine oleh fibroblas.

Satu mekanisme yang dicadangkan untuk mitogenesis yang disebabkan oleh OFC ialah percambahan sel sinovial yang tidak normal mungkin disebabkan, sekurang-kurangnya sebahagiannya, kepada endositosis dan pembubaran kristal intraselular, yang meningkatkan kepekatan Ca ²⁺ sitoplasma dan mengaktifkan laluan bergantung kepada kalsium yang membawa kepada mitogenesis. Konsep ini disokong oleh keperluan untuk sentuhan sel-kristal langsung untuk merangsang mitogenesis, kerana pendedahan kultur sel kepada kristal menyebabkan pertumbuhan sel, manakala pendedahan sel-sel yang tidak mendapat sentuhan sedemikian tidak. Untuk mengkaji keperluan untuk fagositosis kristal berikutan interaksi sel-kristal, sel telah dibiakkan dengan ⁴⁵ Ca-OPC dan ( ³ H) -thymidine. Didapati bahawa sel yang mengandungi ⁴⁵ Ca-OPC menggabungkan lebih banyak ( ³ H)-thymidine berbanding sel tanpa pelabelan kalsium fosfat asas. Dalam kultur makrofaj, perencatan endositosis kristal oleh cytochalasin mengakibatkan perencatan pembubaran kristal, seterusnya menyerlahkan keperluan fagositosis.

Kristal yang mengandungi kalsium larut dalam asid. Selepas fagositosis, kristal larut dalam persekitaran berasid fagolisosom makrofaj. Chloroquine, ammonium chloride, bafilomycin A1, dan semua agen lysosomotrophic yang meningkatkan pH lisosom bergantung kepada dos menghalang pelarutan kristal intraselular dan (3H) -timidin ^dalam fibroblas yang dikultur dengan kristal kalsium fosfat asas.

Penambahan kristal OFC kepada budaya fibroblas monolayer menyebabkan peningkatan sepuluh kali ganda segera dalam kalsium intrasel, yang kembali ke garis dasar selepas 8 minit. Sumber kalsium kebanyakannya adalah ion ekstrasel, kerana kristal kalsium fosfat asas telah ditambah kepada medium kultur bebas kalsium. Peningkatan seterusnya dalam kepekatan kalsium intraselular diperhatikan selepas 60 minit dan berlangsung sekurang-kurangnya 3 jam. Di sini, sumber kalsium adalah kristal berfagositosis yang dibubarkan dalam fagolisosom.

Didapati bahawa kesan mitogenik kristal OFC adalah serupa dengan PDGF sebagai faktor pertumbuhan; seperti yang terakhir, kristal OFC mempamerkan sinergi dengan IGF-1 dan plasma darah. Sekatan IGF-1 mengurangkan mitogenesis sel sebagai tindak balas kepada OFC. PG Mitchell et al. (1989) menunjukkan bahawa induksi mitogenesis dalam fibroblas Balb/c- _{3 T3oleh} kristal OFC memerlukan kehadiran protein kinase C (PKC) serine/treonine, salah satu mediator utama isyarat yang dihasilkan semasa rangsangan luar sel dengan hormon, neurotransmitter dan faktor pertumbuhan. Penurunan aktiviti PKC dalam sel Balb/c-3 T3 _{menghalangOFC} - induksi pengantara proto-onkogen c-fos dan c-myc, tetapi tidak menjejaskan rangsangan onkogen yang dimediasi oleh PDGF.

Peningkatan kalsium intraselular berikutan pembubaran kristal terfagosit bukanlah satu-satunya laluan isyarat untuk mitogenesis. Apabila faktor pertumbuhan seperti PDGF terikat pada reseptor membrannya, fosfolipase C (fosfodiesterase) dirangsang, yang menghidrolisis fosfatidillinositol 4,5-bifosfat untuk membentuk utusan intraselular inositol-3-fosfat dan diasilgliserol. Yang pertama membebaskan kalsium daripada retikulum endoplasma dengan memodulasi aktiviti enzim yang bergantung kepada kalsium dan kalsium/calmodulin seperti protein kinase dan protease.

R. Rothenberg dan H. Cheung (1988) melaporkan peningkatan degradasi fosfatidillinositol 4,5-bifosfat oleh fosfolipase C dalam sel sinovial arnab sebagai tindak balas kepada rangsangan dengan kristal OFC. Yang terakhir ini dengan ketara meningkatkan kandungan inositol-1-fosfat dalam sel dengan berlabel ( ^3H ) -inositol; puncak dicapai dalam masa 1 minit dan berterusan selama kira-kira 1 jam.

Diacylglycerol ialah pengaktif berpotensi kalsium pirofosfat dihidrat. Oleh kerana kristal OFC meningkatkan aktiviti fosfolipase C, yang membawa kepada pengumpulan diasilgliserol, akibatnya, seseorang boleh mengharapkan peningkatan dalam pengaktifan PKC. PG Mitchell et al. (1989) membandingkan kesan kristal OFC dan PDGF pada sintesis DNA oleh _{fibroblas Balb/c-3T3}. Dalam kultur sel, PKC telah dinyahaktifkan oleh pengeraman sel dengan phorbol diester (TPD) yang menyokong tumor, analog diasilgliserol. Rangsangan jangka panjang dengan dos rendah TPD mengurangkan aktiviti PKC, manakala rangsangan tunggal dengan dos tinggi mengaktifkannya. Rangsangan sintesis DNA oleh kristal OFC telah ditindas selepas penyahaktifan PKC, menunjukkan kepentingan enzim ini dalam mitogenesis yang disebabkan oleh OFC. Sebelum ini, GM McCarthy et al. (1987) menunjukkan hubungan antara tindak balas mitogenik fibroblas manusia kepada kristal OFC dan pengaktifan PKC. Walau bagaimanapun, kristal OFC tidak mengaktifkan phosphatidylinositol 3-kinase atau tyrosine kinase, mengesahkan bahawa mekanisme pengaktifan sel oleh kristal OFC adalah selektif.

Proliferasi sel dikawal oleh sekumpulan gen yang dipanggil proto-onkogen. Protein musuh dan mye, produk proto-onkogen c-fos dan c-myc, disetempat dalam nukleus sel dan terikat kepada urutan DNA tertentu. Rangsangan fibroblas 3T3 dengan kristal OFC menghasilkan ekspresi c-fos dalam beberapa minit, yang mencapai maksimum 30 minit selepas rangsangan. Induksi transkripsi c-myc oleh kristal OFC atau PDGF berlaku dalam masa 1 jam dan mencapai maksimum 3 jam selepas rangsangan. Sel-sel mengekalkan tahap transkripsi c-fos dan c-myc yang tinggi selama sekurang-kurangnya 5 jam. Dalam sel dengan PCD yang tidak aktif, rangsangan c-fos dan c-myc oleh kristal OFC atau TFD ditindas dengan ketara, manakala induksi gen ini oleh PDGF tidak berubah.

Ahli keluarga kinase protein diaktifkan mitogen (MAP K) adalah pengawal selia utama pelbagai lata isyarat intraselular. Satu subkelas keluarga ini, p42/p44, mengawal percambahan sel melalui mekanisme yang melibatkan pengaktifan proto-onkogen c-fos dan c-jun. Kristal OFC dan PFKD mengaktifkan laluan isyarat protein kinase yang melibatkan kedua-dua p42 dan p44, mencadangkan peranan untuk laluan ini dalam mitogenesis yang disebabkan oleh kristal yang mengandungi kalsium.

Akhirnya, mitogenesis yang disebabkan oleh OFC melibatkan faktor transkripsi nuklear κB (NF-κB), yang pertama kali digambarkan sebagai gen rantai cahaya (IgK) immunoglobulin κ. Ia adalah faktor transkripsi teraruh yang penting dalam banyak laluan isyarat kerana ia mengawal ekspresi pelbagai gen. Induksi NF-κB biasanya digabungkan dengan pembebasan protein perencatan yang dipanggil IκB daripada sitoplasma. Induksi NF-κB diikuti dengan translokasi faktor transkripsi aktif ke nukleus. Hablur OFC mendorong NF-κB dalam fibroblas Balb/c- _3T3 dan fibroblas kulit manusia.

Beberapa laluan mungkin terlibat dalam transduksi isyarat berikutan pengaktifan NF-κB, tetapi semuanya melibatkan kinase protein yang memfosforilasi (dan dengan itu merendahkan) IκB. Berdasarkan kajian in vitro, IκB sebelum ini dianggap berfungsi sebagai substrat untuk kinase (cth, PKC dan protein kinase A). Walau bagaimanapun, kompleks kinase IκB berat molekul yang besar baru-baru ini telah dikenalpasti. Kinase ini secara khusus memfosforilasi sisa serin IκB. Pengaktifan NF-κB oleh TNF-α dan IL-1 memerlukan tindakan yang cekap dari NF-κB-inducing kinase (NIK) dan IκB kinase. Mekanisme molekul pengaktifan NIK pada masa ini tidak diketahui. Walaupun kristal OFC mengaktifkan kedua-dua PKC dan NF-κB, sejauh mana kedua-dua proses ini boleh dikaitkan tidak diketahui. Oleh kerana pengubahsuaian GκB kinase berlaku melalui fosforilasi, peranan untuk PKC dalam induksi NF-κB oleh kristal OFC melalui fosforilasi dan pengaktifan GκB kinase tidak boleh diketepikan. Konsep ini disokong oleh perencatan mitogenesis yang disebabkan oleh kristal OFC dan ekspresi NF-κB oleh staurosporine inhibitor PKC. Begitu juga, staurosporine boleh menghalang GκB kinase, dan dengan itu menghalang protein kinase A dan kinase protein lain.

Oleh itu, mekanisme mitogenesis yang disebabkan oleh kristal OFC dalam fibroblas termasuk sekurang-kurangnya dua proses yang berbeza:

• peristiwa terikat membran pantas yang mengakibatkan pengaktifan PKC dan MAP K, induksi NF-κB dan proto-onkogen,
• pembubaran kristal intraselular yang lebih perlahan, yang membawa kepada peningkatan kandungan intraselular Ca ²⁺, dan kemudian kepada pengaktifan beberapa proses yang bergantung kepada kalsium yang merangsang mitogenesis.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Induksi oleh kristal yang mengandungi kalsium MMP

Mediator kerosakan tisu oleh kristal yang mengandungi kalsium ialah MMP - kolagenase-1, stromelysin, 92 kD gelatinase dan kolagenase-3.

Memandangkan hubungan antara kandungan kristal OFC dan pemusnahan tisu sendi, hipotesis telah dikemukakan bahawa kristal OFC dan mungkin beberapa kolagen difagositosis oleh sel sinovial. Sinovosit yang dirangsang membiak dan merembeskan protease. Hipotesis ini telah diuji secara in vitro dengan menambahkan OFC semula jadi atau sintetik, PFCD dan kristal lain kepada sinovosit manusia atau anjing yang dikultur. Aktiviti protease neutral dan kolagenase meningkat bergantung kepada dos dan lebih kurang 5-8 kali lebih tinggi daripada kultur sel kawalan yang ditanam tanpa kristal.

Dalam sel yang dibiakkan dalam medium yang mengandungi kristal, induksi bersama kolagenase-1, stromelysin, dan gelatinase-92 kDa mRNA dikesan, diikuti oleh rembesan enzim ke dalam medium.

Hablur OFC juga mendorong pengumpulan mRNA kolagenase-1 dan kolagenase-2 dalam kondrosit babi matang, diikuti oleh rembesan enzim ke dalam medium.

GM McCarty et al. (1998) mengkaji peranan pembubaran kristal intrasel dalam pengeluaran MMP yang disebabkan oleh kristal. Peningkatan pH lisosom dengan bafilomycin A menghalang pembubaran kristal intraselular dan juga melemahkan tindak balas proliferatif fibroblas manusia kepada kristal OFC, tetapi tidak menghalang sintesis dan rembesan MMP.

Kalsium fosfat asas mahupun kristal PFCD tidak menyebabkan pengeluaran IL-1 secara in vitro, tetapi kristal natrium urat melakukannya.

Data semasa jelas menunjukkan rangsangan langsung pengeluaran MMP oleh fibroblas dan kondrosit apabila bersentuhan dengan kristal yang mengandungi kalsium.

Gejala osteoarthritis menunjukkan peranan penting MMP dalam perkembangan penyakit. Kehadiran kristal yang mengandungi kalsium meningkatkan degenerasi tisu-tisu sendi yang terjejas.

Rangsangan sintesis prostaglandin

Bersama-sama dengan rangsangan pertumbuhan sel dan rembesan enzim, kristal yang mengandungi kalsium menyebabkan pembebasan prostaglandin daripada kultur sel mamalia, terutamanya PGE2 _. Pembebasan PGE2 _dalam semua kes berlaku dalam masa sejam pertama selepas pendedahan sel kepada kristal. R. Rothenberg (1987) menentukan bahawa sumber utama asid arakidonik untuk sintesis PGE2 _ialah fosfatidilkolin dan fosfatidiletanolamin, dan juga mengesahkan bahawa fosfolipase A2 _dan NOX adalah laluan dominan untuk _pengeluaran PGE2.

PGE1 juga boleh dikeluarkan sebagai tindak balas kepada kristal OFA. GM McCarty et al. (1993, 1994) mengkaji kesan PGE2 _, PGE, dan misoprostol analognya pada tindak balas mitogenik fibroblas manusia kepada kristal OFA. Ketiga-tiga agen menghalang tindak balas mitogenik dalam cara yang bergantung kepada dos, dengan PGE dan misoprostol mempamerkan aktiviti perencatan yang lebih ketara. PGE2 dan misoprostol, tetapi bukan PGE2 _, menghalang pengumpulan mRNA kolagenase sebagai tindak balas kepada kristal OFA.

MG McCarty dan H. Cheung (1994) menyiasat mekanisme pengaktifan sel yang dimediasi OFC oleh PGE. Penulis menunjukkan bahawa PGE, inducer cAMP intraselular yang lebih berkuasa daripada PGE2 _, dan PGE, menghalang mitogenesis dan pengeluaran MMP yang disebabkan oleh OFC melalui laluan transduksi isyarat yang bergantung kepada cAMP. Ada kemungkinan peningkatan dalam pengeluaran PGE yang disebabkan oleh kristal OFC melemahkan kesan biologi mereka yang lain (mitogenesis dan pengeluaran MMP) melalui mekanisme maklum balas.

Keradangan yang disebabkan oleh kristal

Kristal yang mengandungi kalsium sering dijumpai dalam cecair sinovial pesakit dengan osteoarthrosis, bagaimanapun, episod keradangan akut dengan leukositosis jarang berlaku dalam kedua-dua osteoarthrosis dan dalam artropati yang berkaitan dengan kristal (contohnya, sindrom bahu Milwaukee). Potensi phlogistik kristal boleh diubah suai oleh beberapa faktor penghalang. R. Terkeltaub et al. (1988) menunjukkan keupayaan serum dan plasma darah untuk menghalang dengan ketara tindak balas granulosit neutrofilik kepada kristal kalsium fosfat asas. Faktor yang menyebabkan perencatan tersebut ialah protein pengikat kristal. Kajian terhadap salah satu daripada protein ini, glikoprotein ₂ -HSr (AHSr), menunjukkan bahawa AHSР adalah perencat yang paling kuat dan spesifik bagi tindak balas granulosit neutrofilik kepada kristal OFC. AHSr ialah protein serum yang berasal dari hati; Adalah diketahui bahawa, berbanding dengan protein serum lain, ia didapati dalam kepekatan yang agak tinggi dalam tulang dan tisu mineralisasi. Selain itu, AHSr hadir dalam cecair sinovial "tidak meradang" dan juga telah dikesan pada kristal kalsium fosfat asas dalam cecair sinovial asli. Oleh itu, kemungkinan AHSr memodulasi potensi phlogogenik kristal kalsium fosfat asas dalam vivo tidak boleh diketepikan.

Untuk meringkaskan semua perkara di atas, kami membentangkan dua skema patogenesis osteoarthritis yang dicadangkan oleh WB van den Berg et al. (1999) dan M. Carrabba et al. (1996), yang menggabungkan faktor mekanikal, genetik dan biokimia.