Riparazione della cartilagine articolare e fattori di crescita nella patogenesi dell'osteoartrite

Grazie ai progressi della biotecnologia, in particolare della clonazione, l'elenco dei fattori di crescita che, essendo fattori anabolici, svolgono un ruolo importante, ma non ancora del tutto compreso, nella patogenesi dell'osteoartrite è stato recentemente ampliato notevolmente.

Il primo gruppo di fattori di crescita discusso di seguito è costituito dagli IGF. Sono presenti in grandi quantità nel siero sanguigno e presentano diverse proprietà in comune con l'insulina. L'IGF-2 è più tipico dello stadio embrionale dello sviluppo, mentre l'IGF-1 è il rappresentante dominante del gruppo negli adulti. Entrambi i rappresentanti di questo gruppo agiscono legandosi ai recettori IGF di tipo I. Mentre la funzione dell'IGF-2 rimane sconosciuta, il significato dell'IGF-1 è già stato determinato: è in grado di stimolare la sintesi di proteoglicani da parte dei condrociti e di inibire significativamente i processi catabolici nella cartilagine articolare. L'IGF-1 è il principale stimolo anabolico per la sintesi di proteoglicani da parte dei condrociti, presenti nel siero sanguigno e nel liquido sinoviale. L'IGF-1 è un fattore importante per la coltura di condrociti in modelli sperimentali di osteoartrosi in vitro. Si presume che l'IGF-1 entri nel liquido sinoviale dal plasma sanguigno. Inoltre, i condrociti normali producono entrambi i fattori: l'espressione di IGF-1 e IGF-2 è stata riscontrata nella membrana sinoviale e nella cartilagine di pazienti con osteoartrosi. Nella cartilagine normale, l'IGF-1 non ha proprietà mitogeniche, ma è in grado di stimolare la proliferazione cellulare nella matrice danneggiata, il che indica la partecipazione ai processi riparativi.

Sostanze biologicamente attive che stimolano la riparazione e inibiscono la degradazione della cartilagine articolare

• Insulina
• Interferone gamma
• Ormone somatotropico, androgeni
• Somatomedine (IPF-1 e -2)
• TGF-beta (fattore di crescita tissutale)
• Fattore di crescita derivato dalle piastrine
• Fattore di crescita dei fibroblasti basici
• EFR
• Antagonista del recettore IL-1
• Proteine leganti il TNF-α
• Inibitori tissutali delle metalloproteasi
• una _2- macroglobulina
• ai-antitripsina
• RG-macroglobulina
• Rg-antichimotripsina

Le azioni di IGF-1 e IGF-2 sono controllate da diverse proteine leganti l'IGF (IGF-BP), anch'esse prodotte dai condrociti. L'IGF-BP può fungere da trasportatore e avere anche attività bloccante nei confronti dell'IGF. Le cellule isolate dalla cartilagine articolare di pazienti con osteoartrosi producono quantità eccessive di IGF-BP, indicando che bloccano gli effetti dell'IGF. J. Martel-Pelletier et al. (1998) hanno dimostrato che, sebbene la sintesi di IGF-1 nella cartilagine aumenti nell'osteoartrosi, i condrociti rispondono debolmente alla stimolazione con IGF-1. Si è scoperto che questo fenomeno è associato (almeno in parte) a un aumento del livello di IGF-BP. L'IGF-BP ha un'elevata affinità per l'IGF ed è un importante biomodulatore della sua attività. Ad oggi, sono stati studiati sette tipi di IGF-BP e la disregolazione di IGF-BP-3 e IGF-BP-4 svolge un ruolo importante nell'osteoartrite.

Un'altra categoria di fattori di crescita che mostra effetti diversi sui condrociti include il fattore di crescita derivato dalle piastrine (PDGF), l'FGF e il TGF-beta. Questi fattori sono prodotti non solo dai condrociti, ma anche dai sinovociti attivati. L'FGF ha proprietà sia anaboliche che cataboliche a seconda della concentrazione e delle condizioni della cartilagine articolare. Il PDGF è coinvolto nel mantenimento dell'omeostasi della matrice extracellulare (ECM) della cartilagine articolare senza avere evidenti proprietà mitogeniche. È noto che questo fattore di crescita aumenta la sintesi di proteoglicani e ne riduce la degradazione.

Il TGF-β è di particolare interesse per il suo ruolo nella patogenesi dell'osteoartrite. Fa parte della grande superfamiglia dei TGF e condivide proprietà funzionali e di segnalazione con i fattori di crescita BMP (proteine morfogenetiche ossee) recentemente scoperti.

Il TGF-β è un fattore pleiotropico: da un lato, possiede proprietà immunosoppressive, dall'altro è un fattore chemiotattico e un potente stimolatore della proliferazione dei fibroblasti. Le proprietà uniche del TGF-β sono la capacità di inibire il rilascio di enzimi da diverse cellule e di aumentare significativamente la produzione di inibitori enzimatici (ad esempio, TIMP). Il TGF-β è considerato un importante regolatore del danno tissutale dovuto a infiammazione. Pertanto, nel tessuto cartilagineo articolare, il TGF-β stimola significativamente la produzione di matrice da parte dei condrociti, soprattutto dopo una pre-esposizione a questo fattore. La cartilagine normale è insensibile al TGF-β. Nei pazienti con OA, il TGF-β stimola la produzione di aggrecano e piccoli proteoglicani nella cartilagine articolare.

Il TGF-β è prodotto da numerose cellule, in particolare dai condrociti. Viene rilasciato in forma latente legato a una proteina speciale chiamata proteina associata alla latenza (LAP). La dissociazione da questa proteina avviene tramite proteasi, prodotte in grandi quantità nei tessuti infiammati. Oltre al TGF-β, prodotto dalle cellule attivate, le riserve della forma latente di questo fattore rappresentano un elemento importante della reattività del TGF-β nei tessuti dopo un danno locale. Il TGF-β è presente in quantità significative nel liquido sinoviale, nella membrana sinoviale e nella cartilagine dell'articolazione affetta da osteoartrosi. Nelle aree di tessuto danneggiato con infiltrati infiammatori, viene rilevata la coespressione di TNF e IL-1, mentre nelle aree con fibrosi viene rilevata solo l'espressione di TGF-β.

L'incubazione di condrociti coltivati da pazienti con osteoartrite con TGF-β determina un aumento significativo della sintesi di proteoglicani da parte di queste cellule. La stimolazione di condrociti normali con TGF-β determina un aumento della sintesi di proteoglicani solo dopo molti giorni di incubazione. Forse questo tempo è necessario affinché il fenotipo cellulare cambi sotto l'influenza di TGF-β (ad esempio, per una modifica nella cosiddetta compartimentazione dei proteoglicani: i proteoglicani di nuova creazione sono localizzati solo attorno ai condrociti).

È noto che l'attivazione della sintesi di fattori di crescita, in particolare TGF-β, è un importante collegamento nella patogenesi della fibrosi renale ed epatica e nella formazione di cicatrici durante la guarigione delle ferite. L'aumento del carico sui condrociti in vitro porta a un'iperproduzione di TGF-β, mentre la riduzione della sintesi di proteoglicani dopo l'immobilizzazione dell'arto può essere compensata dal TGF-β. Il TGF-β induce la formazione di osteofiti nella zona marginale delle articolazioni come meccanismo di adattamento alle variazioni di carico. L'IL-1, causando un moderato processo infiammatorio nella sinovia in risposta al danno articolare, promuove la formazione di condrociti con un fenotipo alterato, che ne producono una quantità eccessiva.

Iniezioni locali ripetute di TGF-beta ricombinante ad alte concentrazioni hanno portato allo sviluppo di osteoartrite nei topi C57B1: alla formazione di osteofiti, caratteristica dell'osteoartrite umana, e a una significativa perdita di proteoglicani nella zona del "bordo ondulato".

Per comprendere come l'eccesso di TGF-β causi le note alterazioni cartilaginee, è necessario notare che l'esposizione a TGF-β induce un fenotipo condrocitario caratteristico, con un'alterazione della sottoclasse di proteoglicani sintetizzati e l'interruzione della normale integrazione degli elementi della matrice extracellulare (ECM). Sia IGF-1 che TGF-β stimolano la sintesi di proteoglicani da parte dei condrociti coltivati in alginato, ma quest'ultimo induce anche la cosiddetta compartimentalizzazione dei proteoglicani. Inoltre, è stato scoperto che TGF-β aumenta il livello di collagenasi-3 (MMP-13) nei condrociti attivati, il che contrasta con l'idea generale che TGF-β sia un fattore che, al contrario, riduce il rilascio di proteasi distruttive. Tuttavia, non è noto se la sintesi di MMP-13 indotta da TGF-β sia coinvolta nella patogenesi dell'OA. Il TGF-beta non solo stimola la sintesi dei proteoglicani, ma favorisce anche il loro deposito nei legamenti e nei tendini, aumentando la rigidità e riducendo l'ampiezza del movimento delle articolazioni.

Le BMP appartengono alla superfamiglia del TGF-β. Alcune di esse (BMP-2, BMP-7 e BMP-9) hanno la proprietà di stimolare la sintesi di proteoglicani da parte dei condrociti. Le BMP esercitano i loro effetti legandosi a specifici recettori sulla superficie cellulare; le vie di segnalazione di TGF-β e BMP differiscono leggermente. Come il TGF-β, le BMP trasmettono il segnale attraverso il complesso recettoriale serina/treonina chinasi di tipo I e II. In questo complesso, il recettore di tipo II viene trans-fosforilato e attiva il recettore di tipo I, che trasmette il segnale alle molecole di segnalazione chiamate Smad. Dopo aver ricevuto il segnale, le Smad vengono rapidamente fosforilate. È attualmente noto che nella via di segnalazione delle BMP vengono fosforilate le Smad-1, -5 e -8, e nella via di segnalazione del TGF-β vengono fosforilate le Smad-2 e Smad-3. Quindi le proteine Smad così denominate si associano a Smad-4, che è comune alle vie di segnalazione di tutti i membri della superfamiglia TGF-beta. Questo fatto spiega la presenza di funzioni incrociate nei membri della superfamiglia TGF-beta, così come il fenomeno di mutua inibizione delle vie di segnalazione di TGF-beta e BMP attraverso la competizione per componenti comuni. Non molto tempo fa, è stata identificata un'altra classe di proteine Smad, rappresentata da Smad-6 e Smad-7. Queste molecole agiscono come regolatori delle vie di segnalazione di TGF-beta e BMP.

Nonostante l'effetto stimolante del CMP sulla sintesi dei proteoglicani sia noto da tempo, il suo ruolo nella regolazione della funzione della cartilagine articolare rimane controverso a causa della nota capacità del CMP di indurre la dedifferenziazione cellulare, stimolare la calcificazione e la formazione di tessuto osseo. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) hanno dimostrato che l'interazione del CMP con il recettore CMP di tipo II è necessaria per mantenere il fenotipo differenziato dei condrociti, nonché per controllarne la proliferazione e l'ipertrofia. Secondo LZ Sailor et al. (1996), il CMP-2 mantiene il fenotipo dei condrociti in coltura per 4 settimane senza causarne l'ipertrofia. Il CMP-7 (identico alla proteina osteogenica-1) mantiene a lungo il fenotipo dei condrociti maturi della cartilagine articolare coltivati in alginato.

L'introduzione di KMP-2 e -9 nelle articolazioni del ginocchio dei topi ha aumentato la sintesi di proteoglicani del 300%, significativamente più di quella di TGF-β. Tuttavia, l'effetto stimolante è stato temporaneo e dopo pochi giorni il livello di sintesi è tornato al livello iniziale. TGF-β ha causato una stimolazione a lungo termine della sintesi di proteoglicani, probabilmente dovuta all'autoinduzione di TGF-β e alla sensibilizzazione dei condrociti a questo fattore.

Il TGF-beta è responsabile della formazione di condrofiti, il che può essere considerato un effetto indesiderato della sua azione. Anche il KMP-2 favorisce la formazione di condrofiti, ma in una zona diversa del margine articolare (principalmente nella zona della cartilagine di accrescimento).

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Proteine morfogenetiche della cartilagine

Le proteine morfogenetiche della cartilagine (CMP-1 e CMP-2) sono altri membri della superfamiglia TGF-β, essenziali per la formazione del tessuto cartilagineo durante lo sviluppo degli arti. Mutazioni nel gene CMP-1 causano condrodisplasia. Le CMP possono avere un profilo di targeting cartilagineo più selettivo. Sebbene TGF-β e CMP possano stimolare i condrociti, possono agire su molte altre cellule, quindi il loro utilizzo per la riparazione della cartilagine può essere associato a effetti collaterali. Entrambi i tipi di CMP si trovano nella cartilagine delle articolazioni sane e osteoartritiche e promuovono la riparazione della matrice extracellulare (ECM) della cartilagine articolare dopo la degradazione enzimatica, mantenendo un fenotipo normale.

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Sinergismo dei fattori di crescita

Un fattore di crescita è in grado di autoindurre se stesso, così come altri fattori di crescita; questa interazione è finemente regolata. Ad esempio, l'FGF, in combinazione con altri fattori di crescita, garantisce una riparazione più efficace della cartilagine articolare dopo un difetto traumatico. L'IGF-1, in combinazione con il TGF-β, induce significativamente il fenotipo normale dei condrociti quando coltivati in vitro. È stato dimostrato che il TGF-β previene la produzione di IGF-1 e IGF-BP e, inoltre, defosforila il recettore dell'IGF-1, stimolando il legame con l'IGF-1. Nella cartilagine intatta di topo, è stato riscontrato il fenomeno di sinergismo dell'IGF-1 con molti fattori di crescita. Tuttavia, la debole risposta dei condrociti all'IGF-1 non può essere compensata utilizzandolo in combinazione con altri fattori di crescita.

Interazione di citochine anaboliche e distruttive

I fattori di crescita mostrano interazioni complesse con IL-1. Ad esempio, la preesposizione dei condrociti all'FGF aumenta il rilascio di proteasi dopo l'esposizione a IL-1, probabilmente attraverso una maggiore espressione del recettore IL-1. Anche il PDGF stimola il rilascio di proteasi IL-1-dipendente, ma riduce l'inibizione della sintesi di proteoglicani mediata da IL-1. Ciò potrebbe indicare che alcuni fattori di crescita possono simultaneamente stimolare la riparazione della cartilagine e promuoverne la distruzione. Altri fattori di crescita, come IGF-1 e TGF-β, stimolano la sintesi della matrice articolare e inibiscono la distruzione della cartilagine articolare mediata da IL-1, indicando che la loro attività è correlata esclusivamente alla riparazione tissutale. Questa interazione è indipendente dalla preesposizione dei condrociti all'IL-1. È interessante notare che la cinetica degli effetti di IL-1 e TGF-β potrebbe essere diversa: la capacità di TGF-β di sopprimere la degradazione della cartilagine articolare è attenuata dalla sua lenta azione sull'mRNA di TIMP. D'altra parte, si osserva un aumento dei livelli di hNOC e NO in assenza di TGF-β. Data la dipendenza dell'NO dall'effetto soppressivo dell'IL-1 sulla sintesi di proteoglicani da parte dei condrociti, ciò potrebbe spiegare perché osserviamo una risposta significativamente più forte del TGF-β all'inibizione della sintesi di proteoglicani dipendente da IL-1 rispetto alla degradazione dei proteoglicani in vivo.

In uno studio su topi iniettati intra-articolari con IL-1 e fattori di crescita, è stato dimostrato che il TGF-beta contrasta significativamente l'inibizione mediata da IL-1 della sintesi di proteoglicani nella cartilagine articolare, mentre il CMP-2 non è in grado di contrastare tale azione: il suo potenziale stimolatorio è stato completamente inibito dall'IL-1 anche ad alte concentrazioni di CMP-2. In particolare, in assenza di IL-1, il CMP-2 ha stimolato la sintesi di proteoglicani in modo molto più intenso rispetto al TGF-beta.

Oltre al suo effetto sulla sintesi di proteoglicani, il TGF-β influenza significativamente anche la riduzione del contenuto di proteoglicani cartilaginei indotta da IL-1. È possibile che il contenuto di proteoglicani diminuisca o aumenti a seconda della concentrazione relativa di IL-1 e TGF-β. È interessante notare che la suddetta azione contrastante di IL-1 e TGF-β è stata osservata nello spessore della cartilagine, ma questo fenomeno non è stato osservato in prossimità dei condrofiti ai margini delle superfici articolari. La formazione di condrofiti è indotta dal TGF-β, che agisce sulle cellule condrogeniche nel periostio, causando lo sviluppo di condroblasti e la deposizione di proteoglicani. Apparentemente, questi condroblasti non sono sensibili all'IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) hanno studiato la capacità di TGF-β e KMP-2 di contrastare la soppressione della sintesi di proteoglicani nelle articolazioni di topi con artrite indotta da zimosano (ovvero, in un modello di infiammazione "pura" indotta da IL-1). La somministrazione intra-articolare di TGF-β ha contrastato significativamente la soppressione della sintesi di proteoglicani causata dall'infiammazione, mentre KMP-2 è stata praticamente incapace di contrastare questo processo dipendente da IL-1. Ripetute iniezioni di TGF-β nell'articolazione del ginocchio degli animali studiati hanno stimolato significativamente la sintesi di proteoglicani da parte dei condrociti, contribuendo alla conservazione dei proteoglicani presenti nella cartilagine depleta dall'infiammazione, ma non hanno soppresso il processo infiammatorio.

Studiando la funzione di sintesi dei proteoglicani dei condrociti utilizzando modelli sperimentali di osteoartrosi negli animali, è sempre stato osservato un aumento del contenuto e della stimolazione della sintesi di proteoglicani nelle fasi precoci dell'OA, a differenza dei modelli infiammatori, in cui si osserva una significativa inibizione della sintesi (processo IL-1-dipendente). L'aumentata attività dei fattori anabolici, in particolare dei fattori di crescita, osservata nell'osteoartrosi, neutralizza l'effetto di citochine soppressorie come IL-1. Tra i fattori di crescita, il TGF-β è di primaria importanza; è improbabile che il KMP-2 svolga un ruolo significativo in questo processo. Sebbene l'IGF-1 sia in grado di stimolare la sintesi di proteoglicani in vitro, questa proprietà non si osserva in vivo con l'applicazione locale di IGF-1. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che il livello endogeno di questo fattore di crescita è ottimale. Nelle fasi avanzate dell'osteoartrite compaiono segni di inibizione della sintesi dei proteoglicani, probabilmente associati all'azione dominante dell'IL-1 e all'incapacità dei fattori di crescita di contrastarla a causa della ridotta attività.

L'analisi dell'espressione dei fattori di crescita nei topi STR/ORT con osteoartrite spontanea ha dimostrato un aumento dei livelli di mRNA di TGF-β e IL-1 nella cartilagine danneggiata. È importante notare che l'attivazione di TGF-β dalla forma latente è un elemento importante nella riparazione tissutale. La comprensione del ruolo di TGF-β è complicata dai risultati di uno studio sull'espressione del recettore di tipo II di TGF-β nei conigli con LCA. Immediatamente dopo l'induzione dell'osteoartrite, sono stati rilevati livelli ridotti di questi recettori, indicando un'insufficiente segnalazione di TGF-β. È interessante notare che i topi con deficit del recettore di tipo 11 di TGF-β hanno mostrato segni di osteoartrite spontanea, il che indica anche un ruolo importante della segnalazione di TGF-β nel deterioramento della riparazione cartilaginea e nello sviluppo dell'osteoartrite.

Il contenuto assoluto di fattori di crescita nelle articolazioni dei pazienti con artrite reumatoide o osteoartrosi potrebbe indicare un loro possibile ruolo nella patogenesi di queste patologie. Tuttavia, nonostante elevate concentrazioni di fattori di crescita siano presenti nelle articolazioni con osteoartrosi e artrite reumatoide, la natura dei processi di degradazione e riparazione in entrambe le patologie è completamente diversa. Probabilmente esistono altri fattori, ancora non identificati, che svolgono un ruolo importante nella patogenesi di queste patologie, oppure altri aspetti dei fenomeni studiati determinano il corso dei processi di degradazione e riparazione nei tessuti articolari (ad esempio, l'espressione di determinati recettori sulla superficie dei condrociti, recettori solubili che legano le proteine o uno squilibrio tra fattori anabolici e distruttivi).