Patofysiologinen yhtenäisyys osteoporoosin ja verisuonten ateroskleroosin kehittymisessä

Kehittyneiden maiden väestön kuolleisuusrakenteessa johtavan paikan ottavat verenkiertoelimistön sairaudet. Sydän- ja verisuonisairauksia (valtimoverenpainetauti, iskeeminen sydänsairaus, sydäninfarkti), jotka perustuvat ateroskleroosiin, kutsutaan oikeutetusti 2000-luvun epidemiaksi.

WHO:n mukaan maailmassa kuolee vuosittain yli 17 miljoonaa ihmistä sydän- ja verisuonitauteihin, ja vuoteen 2015 mennessä kuolonuhrien määrä nousee 20 miljoonaan. Tämän lisäksi yksi aikuisväestön toiminnallisen vajaatoiminnan ja työkyvyn menetyksen johtavista syistä on osteoporoosi (OP) – maailman tunnetuin ja yleisin luustosairaus, jonka esiintyvyys on ikään liittyvä. Osteoporoosi on monitekijäinen polygeeninen luustosairaus, joka on yleisin metabolisen osteopatian muoto. Sairaudelle on ominaista luumassan menetys, sen mikroarkkitehtuurin häiriöt (trabekuloiden tuhoutuminen), lujuuden heikkeneminen ja siihen liittyy suuri murtumariski.

Juuri murtumat, joista vakavimpia ovat reisiluun kaulan ja kyynärvarren alakolmanneksen sädeluun murtumat, määräävät taudin lääketieteellisen ja lääketieteellisis-sosiaalisen merkityksen, mukaan lukien lisääntynyt kuolleisuus ja niihin liittyvät merkittävät taloudelliset tappiot. Osteoporoosin erikoisuus on, että tämä sairaus vaikuttaa pääasiassa ikääntyneisiin ja vanhuksiin. 1900-luvun jälkipuoliskolta lähtien havaittu merkittävä osteoporoosin ilmaantuvuuden kasvu heijastaa luonnollisesti väestörakenteen muutoksia, jotka ilmenevät väestön ikääntymisenä kaikissa maailman teollisuusmaissa. Lukuisat viime aikoina maailmassa ja Euroopassa tehdyt epidemiologiset tutkimukset osoittavat positiivisen korrelaation sydän- ja verisuonisairauksien ja luustojärjestelmän patologioiden välillä. Samaan aikaan monet kirjoittajat yhdistävät osteoporoosin ateroskleroosin etenemiseen, mukaan lukien verisuonten seinämien kalkkeutuminen. Osteoporoottisista murtumista kärsivillä naisilla havaittiin aortan ja sepelvaltimoiden kalkkeutumisen esiintyvyyden lisääntymistä, jonka vakavuus korreloi luun mineraalitiheyden (BMD) vähenemiseen.

SO Songin ym. tutkimukset paljastivat yhteyden selkärangan ja proksimaalisen reisiluun luuntiheyden laskun ja sepelvaltimoiden kalsiumpitoisuuden nousun välillä elektronisuihkutietokonetomografian mukaan. M. Naves ym. havaitsivat, että postmenopausaalisilla osteoporoosia sairastavilla naisilla luuntiheyden lasku yhden standardipoikkeaman verran huippuluumassasta liittyy 43 %:n lisääntyneeseen kokonaiskuolleisuuden riskiin ja ennenaikaisen kuoleman riskiin sydän- ja verisuonisairauksiin. Muissa tutkimuksissa havaittiin myös, että potilailla, joilla luuntiheys on laskenut, veren rasva-arvot nousevat todennäköisemmin, heillä kehittyy vaikeampi sepelvaltimoiden ateroskleroosi ja he lisäävät merkittävästi aivohalvauksen ja sydäninfarktin riskiä. Esitetyt tiedot viittaavat siihen, että osteoporoosin, ektooppisen kalkkeutumisen ja ateroskleroosin ilmaantuvuuden lisääntymisellä samoilla potilailla on yhteinen patogeneettinen perusta. Käsitystä, jonka mukaan sydän- ja verisuonisairaudet ja osteoporoosi ovat yhteydessä markkereiden kautta, jotka vaikuttavat samanaikaisesti verisuoni- ja luusoluihin, on tuettu laajoilla kokeellisilla tutkimuksilla.

Yksi mahdollinen markkeri on äskettäin tunnistettu proteiini osteoprotegeriini (OPG), joka kuuluu tuumorinekroositekijäreseptorien perheeseen ja on osa RANKL-RANK-OPG-sytokiinijärjestelmää.

[ 1 ], [ 2 ]

Luun uudelleenmuodostus ja rankl-rank-opg-järjestelmän rooli

Osteoporoosi on sairaus, joka perustuu luun uudelleenmuodostumishäiriöihin, joihin liittyy lisääntynyt luun resorptio ja vähentynyt luusynteesi. Molemmat luukudoksen muodostumisprosessit ovat läheisesti yhteydessä toisiinsa ja ovat seurausta osteoblastien (OB) ja osteoklastien (OC) soluvuorovaikutuksesta, jotka ovat peräisin eri solulinjojen esiasteista: osteoblastit - mesenkymaalisista kantasoluista, osteoklastit - luuytimen makrofagi-monosyyttisoluista. Osteoblastit ovat mononukleaarisia soluja, jotka osallistuvat luun muodostumiseen ja luumatriisisolujen mineralisaatioon. Osteoblasteilla on keskeinen rooli luun uudelleenmuodostumisen moduloinnissa ja muiden luukudossolujen metabolisen aktiivisuuden säätelyssä. Ne erittävät useita biologisesti aktiivisia aineita, joiden kautta ne vaikuttavat osteoklastien esiastesolun kypsymisprosessiin muuttaen sen suureksi monitumaiseksi soluksi, joka kykenee osallistumaan resorptioon eli luukudoksen imeytymiseen vaikuttaen vain mineralisoituneeseen luuhun muuttamatta itse luukudoksen matriisia.

Osteoblastien kypsyminen ja erilaistuminen tapahtuu useiden transkriptioprosessiin vaikuttavien spesifisten tekijöiden vaikutuksesta, joista tärkein on Cbfal-proteiini (core-binding factor oil; tunnetaan myös nimellä runt related transcription factor 2; RUNX2). Hiirillä, joilla on Cbfal/RUNX2-puutos, havaitaan merkittävä luunmuodostusprosessin hidastuminen, eikä OB-solujen kypsymistä havaita. Sitä vastoin rekombinantti-Cbfalin antaminen eläimille aiheuttaa osteoblasteille ominaisten geenien ilmentymistä ei-osteogeenisissä soluissa. Cbfal/RUNX2:n merkittävä rooli osteoblastien erilaistumisessa ja kypsymisessä ilmenee myös proteiinin kyvyssä säädellä monien luukudosproteiinien synteesiin osallistuvien geenien toimintaa: kollageeni tyyppi 1, osteopontiini (OPN), osteokalsiini ja sialoproteiini. OB:n kasvuun ja toimintakykyyn vaikuttavat myös parakriiniset ja/tai autokriiniset tekijät, jotka säätelevät intranukleaaristen transkriptioprosessien aktiivisuutta, OPN:n ja osteokalsiinin synteesiä. Näitä ovat useat solukasvutekijät, sytokiinimodulaattorit ja hormonaaliset biologisesti aktiiviset aineet. Oletus, että luukudoksen uudelleenmuodostumisen aktivaatio ja säätely ovat seurausta osteoblastien ja osteoklastien vuorovaikutuksesta, on vahvistettu lukuisissa tutkimuksissa. Merkittävää edistystä luun uudelleenmuodostumisprosessien ymmärtämisessä saavutettiin löytämällä sytokiini RANKL-RANK-OPG-järjestelmä, jolla on keskeinen rooli osteoklastien muodostumisessa, erilaistumisessa ja aktiivisuudessa. Tämän järjestelmän löytämisestä tuli kulmakivi osteoporoosin patogeneesin, osteoklastogeneesin ja luun resorption säätelyn sekä muiden paikalliseen luun uudelleenmuodostumiseen liittyvien prosessien ymmärtämiselle. Osteoklastogeneesin säätelyä suorittavat pääasiassa kaksi sytokiinia: ydintekijä kappa-B-ligandin reseptoriaktivaattori (RANKL) ja OPG makrofagien pesäkkeiden stimuloivan tekijän (M-CSF) sallivan vaikutuksen taustalla.

RANKL on osteoblastisolujen, aktivoituneiden T-lymfosyyttien, tuottama glykoproteiini, joka kuuluu tuumorinekroositekijän (TNF) ligandien superperheeseen ja on osteoklastien kypsymisen tärkein ärsyke. RANKL-RANK-OPG-järjestelmään liittyvien solujen välisten vuorovaikutusten molekyylipohja voidaan esittää seuraavasti: Osteoblastien pinnalla ilmentyvä RANKL sitoutuu osteoklastien esiastesolujen kalvoilla sijaitsevaan RANK-reseptoriin ja indusoi osteoklastien erilaistumis- ja aktivaatioprosessin. Samanaikaisesti luuydin ja OB-kantasolut vapauttavat M-CSF:ää. Tämä polypeptidikasvutekijä, joka on vuorovaikutuksessa korkean affiniteetin transmembraanireseptorinsa (c-fms) kanssa, aktivoi solunsisäisen tyrosiinikinaasin, stimuloiden osteoklastien esiastesolujen proliferaatiota ja erilaistumista. M-CSF:n proliferatiivinen aktiivisuus lisääntyy merkittävästi, kun OB altistetaan lisäkilpirauhashormonille, D3-vitamiinille, interleukiini 1:lle (IL-1) ja TNF:lle, ja päinvastoin vähenee estrogeenien ja OPG:n vaikutuksesta. Estrogeenit, jotka vuorovaikuttavat solunsisäisten OB-reseptorien kanssa, lisäävät solun proliferatiivista ja toiminnallista aktiivisuutta, samalla vähentäen osteoklastien toimintaa ja stimuloiden osteoblastien OPG:n tuotantoa. OPG on liukoinen RANKL:n reseptori, jota osteoblastisolut sekä stroomasolut, verisuonten endoteelisolut ja B-lymfosyytit syntetisoivat ja vapauttavat. OPG toimii RANKL:n endogeenisena houkutusreseptorina, estämällä sen vuorovaikutuksen oman reseptorinsa (RANK) kanssa ja siten estämällä kypsien monitumaisten osteoklastisolujen muodostumista, häiritsemällä osteoklastigeneesin prosessia ja vähentämällä luukudoksen imeytymisaktiivisuutta. OB-solujen syntetisoima ja vapauttama RANKL on spesifinen tekijä, joka on välttämätön OC:n kehittymiselle ja toiminnalle. RANKL on vuorovaikutuksessa trooppisen reseptorinsa RANK:n kanssa OC:n esiastesolun (yleinen esiaste osteoklasteille ja monosyyteille/makrofageille) kalvolla, mikä johtaa solunsisäisiin kaskadimuotoisiin genomisiin transformaatioihin. RANK vaikuttaa tumafaktoriin kappa-B (NF-kB) reseptoriin liittyvän TRAF6-proteiinin kautta, joka aktivoi NF-kB:n ja siirtää sen sytoplasmasta solun tumaan.

Aktivoituneen NF-kB:n kertyminen lisää NFATcl-proteiinin ilmentymistä, joka on spesifinen laukaiseva tekijä, joka käynnistää osteoklastigeneesiä muodostavien solunsisäisten geenien transkriptioprosessin. Erilaistunut osteoklasti ottaa tietyn aseman luun pinnalla ja kehittää erikoistuneen sytoskeletonin, jonka avulla se voi luoda eristetyn imeytysontelon, osteoklastien ja luun väliin olevan mikroympäristön. Solun muodostamaa onteloa vasten oleva OC-kalvo muodostaa useita poimuja ja saa aaltomaisen ulkonäön, mikä suurentaa merkittävästi imeytymispintaa. Muodostuneen imeytysontelon mikroympäristö happamoituu protonien sähkögeenisen pumppauksen avulla siihen. OC:n solunsisäinen pH ylläpidetään hiilihappoanhydraasi II:n osallistumisella HCO3/Cl-ionien vaihdon kautta solun imeytymistä estävän kalvon läpi. Ionisoitunut kloori tunkeutuu imeytymismikroonteloon aallotetun imeytymiskalvon anionikanavien kautta, jolloin ontelon pH saavuttaa 4,2–4,5. Hapan ympäristö luo olosuhteet luun mineraalifaasin mobilisaatiolle ja muodostaa optimaaliset olosuhteet luukudoksen orgaanisen matriisin hajoamiselle katepsiini K:n, OK:n "happovesikkelien" syntetisoiman ja resorptioonteloon vapauttaman entsyymin, osallistuessa. Lisääntynyt RANKL:n ilmentyminen johtaa suoraan luun resorption aktivoitumiseen ja luuston luuntiheyden laskuun. Rekombinantti-RANKL:n käyttöönotto johti hyperkalsemian kehittymiseen ensimmäisen päivän loppuun mennessä ja kolmannen päivän loppuun mennessä merkittävään luumassan menetykseen ja luuntiheyden laskuun. RANKL:n ja OPG:n välinen tasapaino itse asiassa määrää resorboituneen luun määrän ja luuntiheyden muutoksen asteen. Eläinkokeet ovat osoittaneet, että OPG:n lisääntynyt ilmentyminen hiirillä johtaa luumassan lisääntymiseen, osteopetroosiin, ja sille on ominaista osteoklastien määrän ja aktiivisuuden väheneminen. Sitä vastoin, kun OPG-geeni on pois päältä, havaitaan luuntiheyden laskua, kypsien, monitumaisten osteoklastien määrän merkittävää kasvua, luuntiheyden vähenemistä ja spontaaneja nikamamurtumia.

Rekombinantti-OPG:n ihonalainen anto hiirille annoksella 4 mg/kg/vrk viikon ajan palautti luuntiheysindeksit. Rotilla tehdyssä adjuvanttiniveltulehduksen mallissa OPG:n anto (2,5 ja 10 mg/kg/vrk) 9 päivän ajan patologisen prosessin alkuvaiheessa esti RANKL:n toiminnan ja esti luu- ja rustokudosmassan menetyksen. Kokeet osoittavat, että OPG:n toiminta koostuu pääasiassa RANKL:n aiheuttamien vaikutusten vähentämisestä tai merkittävästä "sammuttamisesta". Tällä hetkellä on käynyt ilmeiseksi, että RANKL:n ja OPG:n välisen suhteen ylläpitäminen on tärkeä edellytys luun resorption ja muodostumisen välisen tasapainon ylläpitämiselle. Näiden kahden prosessin konjugaatio, RANKL:n ja OPG:n suhteelliset pitoisuudet luukudoksessa, määräävät luumassan ja -lujuuden tärkeimmät määräävät tekijät. Sen jälkeen, kun RANKL-RAMK-OPG-järjestelmä löydettiin osteoklastien muodostumisen ja erilaistumisen lopulliseksi reitiksi, monet tutkijat ovat vahvistaneet tämän solu- ja molekyylimekanismin johtavan roolin osteoporoosin patogeneesissä.

Rankl-rank-opg-sytokiinijärjestelmän rooli verisuonten kalkkeutumisprosessissa

Oletus osteoporoosin ja ateroskleroosin yhteisestä patogeneettisestä perustasta sekä osteoporoosin kehittymismekanismien ja verisuonten kalkkeutumisen tietystä samankaltaisuudesta on vahvistettu useilla kokeellisilla ja kliinisillä havainnoilla. On osoitettu, että luu- ja verisuonikudoksella on monia identtisiä ominaisuuksia sekä solu- että molekyylitasolla. Luukudos ja luuydin sisältävät endoteelisoluja, preosteoblasteja ja osteoklasteja - monosyyttien johdannaisia, ja ne kaikki ovat myös normaaleja komponentteja verisuonen seinämän solupopulaatioissa. Sekä luukudos että valtimoiden seinämä ateroskleroottisen prosessin olosuhteissa sisältävät OPN:ää, osteokalsiinia, morfogeneettistä luuproteiinia, matriisi-Gla-proteiinia, tyypin I kollageenia ja matriisivesikkeleitä. Ateroskleroosin ja osteoklasteja synnyssä monosyytit osallistuvat erilaistumiseen makrofageiksi, joilla on vaahtomainen sytoplasma verisuonen seinämässä, ja osteoklasteiksi luukudoksessa. Verisuonen seinämässä on soluelementtejä, jotka erilaistuvat osteoblasteiksi luun OB:n muodostumisvaiheiden mukaisesti ja tuottavat luun mineraalikomponenttia.

Perustavanlaatuisen tärkeää on se, että RANKL-RANK-OPG-sytokiinijärjestelmä, joka käynnistää osteoblastogeneesin ja osteoklastogeneesin luukudoksessa, indusoi muun muassa osteoblastien ja osteoarteriosyyttien erilaistumista sekä verisuonten seinämien mineralisaatioprosessia. Tämän järjestelmän komponenteista, jotka osoittavat suoraan osteoporoosin ja ateroskleroosin välisen yhteyden, OPG herättää tutkijoiden suurimman huomion. Tiedetään, että OPG:tä ilmentävät paitsi luukudoksen solut, myös sydän- ja verisuonisolut: sydänlihassolut, valtimoiden ja laskimoiden sileät lihassolut sekä verisuonten endoteelisolut. OPG on verisuonten kalkkeutumisen säätelijä, mikä vahvistettiin S. Moropun ym. kokeellisessa työssä, joka suoritettiin terveillä hiirillä ja eläimillä, joilla oli OPG:n ilmentymistä mahdollistavan geenin häiriintyminen/puuttuminen. Havaittiin, että hiirillä, joilla oli heikentynyt kyky syntetisoida OPG:tä (OPG-/-), toisin kuin kontrolliryhmällä, havaittiin valtimoiden kalkkeutumisprosessin aktivoitumista yhdistettynä osteoporoosin ja useiden luunmurtumien kehittymiseen. Päinvastoin, sitä syntetisoivan geenin käyttöönotto eläimillä, joilla OPG:n ilmentyminen oli riittämätöntä, vaikutti sekä luun resorptioprosessin että verisuonten kalkkeutumisen tukahduttamiseen.

Tulehduksella on keskeinen rooli ateroskleroosin kehittymisen kaikissa vaiheissa, ja siihen liittyy merkittävä tulehdusmerkkiaineiden - sytokiinien (interleukiini-1, α-TNF) - pitoisuuden nousu veriplasmassa, mikä puolestaan indusoi luun resorptiota. Ateroskleroosin kehityksen tulehduksellisen luonteen mukaisesti OPG:n ilmentyminen ja vapautuminen verenkiertoon ja ympäröiviin kudoksiin endoteelisolujen ja verisuonten sileiden lihassolujen toimesta tapahtuu edellä mainittujen tulehdusta edistävien tekijöiden vaikutuksesta. Toisin kuin stroomasolut, endoteelisolut ja verisuonten sileä lihaskudos eivät reagoi D3-vitamiinin tai lisäkilpirauhashormonin (PTH) pitoisuuden muutoksiin veriplasmassa lisäämällä OPG:n synteesiä ja vapautumista. OPG estää D3-vitamiinin aiheuttamaa ektooppista kalkkeutumista verisuonissa ja lisää samalla OPG:n, luiden tärkeimmän ei-kollageenisen matriisiproteiinin, pitoisuutta. OPG toimii verisuonten mineralisaation estäjänä ja laukaisee OPG:n synteesin ja vapautumisen endoteeli- ja sileissä lihassoluissa. OPN, joka estää hydroksiapatiittimatriisin muodostumista (in vitro) ja verisuonten kalkkeutumista (in vivo), syntetisoituu ja vapautuu riittävän suurina pitoisuuksina verisuonen seinämän mediakerroksen sileiden lihassolujen ja intiman makrofagien toimesta. OPN:n synteesi tapahtuu alueilla, joilla verisuonen seinämä on pääasiassa mineralisoitunut, ja sitä säätelevät tulehdusta edistävät ja osteogeeniset tekijät. Yhdessä avb3-integriinin kanssa, jota endoteelisolut syntetisoivat aterogeneesikohdissa, OPN aiheuttaa OPG:n NF-kB-riippuvaisen vaikutuksen endoteelisolujen eheyden ylläpitämiseen. Siten sydän- ja verisuonisairauksissa havaitut kohonneet plasman ja verisuonten OPG-pitoisuudet voivat olla seurausta endoteelisolujen aktiivisuudesta sekä tulehdusmerkkiaineiden vaikutuksesta että OPN/avb3-HHTerpnHOBoro-mekanismin seurauksena.

NF-kB:n aktivoituminen valtimon seinämän makrofageissa ja tukisoluissa on myös yksi tärkeimmistä osteoporoosin ja ateroskleroosin välisistä yhdistävistä mekanismeista. Lisääntynyt NF-kB-aktiivisuus tapahtuu verisuonten intimassa aktivoituneiden T-solujen vapauttamien sytokiinien vaikutuksesta, mikä edistää seriini/treoniinikinaasin (Akt, proteiinikinaasi B) aktiivisuuden lisääntymistä, joka on tärkeä tekijä ennen kaikkea verisuonten endoteelisolujen toiminnalle.

On todettu, että proteiinikinaasi B:n aktiivisuuden lisääntymisen seurauksena havaitaan eNOS:n stimulaatiota ja typpioksidin (NO) synteesin lisääntymistä, jotka ovat osa endoteelisolujen eheyden ylläpitämisen mekanismia. Samoin kuin OPG:ssä, RANKL:n synteesi ja vapautuminen endoteelisoluissa tapahtuu tulehdussytokiinien vaikutuksesta, mutta ei D3-vitamiinin tai PTH:n vaikutuksesta, jotka kykenevät lisäämään RANKL:n pitoisuutta OB- tai stroomasoluissa.

Valtimo- ja laskimoiden RANKL-pitoisuuden nousu saavutetaan myös transformoivan kasvutekijän (TGF-Pj) OPG:n ilmentymisprosessia estävän vaikutuksen seurauksena, jonka pitoisuus vähenee merkittävästi tämän tekijän vaikutuksesta. Sillä on monisuuntainen vaikutus RANKL-pitoisuuteen luussa ja verisuonissa: luukudoksessa TGF-Pj edistää OPG OB:n ilmentymistä ja seurauksena RANKL:ään sitoutuva OPG vähentää sen pitoisuutta ja osteoklastogeneesiaktiivisuutta. Verisuonten seinämissä TGF-Pj lisää RANKL/OPG-suhdetta ja sen seurauksena RANKL-pitoisuus, joka vuorovaikuttaa endoteelisolujen kalvojen pinnalla olevan RANK-reseptorinsa kanssa solunsisäisten signalointijärjestelmien osallistuessa, stimuloi verisuonisolujen osteogeneesiä, aktivoi kalkkeutumis-, proliferaatio- ja solumigraatioprosesseja sekä matriisin uudelleenmuotoutumista. Uuden konseptin tuloksena, joka perustuu nykyiseen ymmärrykseen luun uudelleenmuodostumisen solu- ja molekyylitason mekanismista osteoporoosissa ja ateroskleroosiprosessissa sekä sytokiini RANKL-RANK-OPG-järjestelmän johtavan roolin selvittämiseen näiden sairauksien ilmentymisessä, syntetisoitiin uuden sukupolven lääke - denosumabi. Denosumabi (Prolia; Amgen Incorporation) on spesifinen ihmisen monoklonaalinen vasta-aine, jolla on korkea RANKL:n tropismiaste ja joka estää tämän proteiinin toiminnan. Lukuisat laboratorio- ja kliiniset tutkimukset ovat osoittaneet, että denosumabi, jolla on korkea kyky vähentää RANKL:n aktiivisuutta, hidastaa ja heikentää merkittävästi luun resorptiota. Tällä hetkellä denosumabia käytetään ensilinjan lääkkeenä bisfosfonaattien ohella systeemistä osteoporoosia sairastavilla potilailla luunmurtumien ehkäisemiseksi. Samanaikaisesti S. Helas ym. osoittivat denosumabin estävän vaikutuksen RANKL:n kykyyn toteuttaa verisuonten kalkkeutumisprosessia. Näin ollen saadut tiedot avaavat uusia mahdollisuuksia osteoporoosin ja verisuonten ateroskleroosin etenemisen hidastamiseen, osteoporoosin sydän- ja verisuonikomplikaatioiden kehittymisen ehkäisyyn sekä potilaiden terveyden ja hengen säilyttämiseen.

S. Sagalovsky, Richter. Osteoporoosin ja verisuonten ateroskleroosin kehityksen patofysiologinen yhtenäisyys // International Medical Journal - nro 4 - 2012