Pathofysiologische eenheid in de ontwikkeling van osteoporose en vasculaire atherosclerose

In de sterftestructuur van de bevolking van ontwikkelde landen nemen ziekten van de bloedsomloop de eerste plaats in. Hart- en vaatziekten (arteriële hypertensie, ischemische hartziekten, myocardinfarct), die voortkomen uit atherosclerose, worden terecht de epidemie van de 21e eeuw genoemd.

Volgens de WHO sterven wereldwijd jaarlijks meer dan 17 miljoen mensen aan hart- en vaatziekten, en tegen 2015 zal het aantal sterfgevallen stijgen tot 20 miljoen. Een van de belangrijkste oorzaken van functionele insufficiëntie en verlies van werkvermogen bij volwassenen is osteoporose (OP) - de bekendste en meest voorkomende skeletaandoening ter wereld met een leeftijdsgebonden prevalentie. Osteoporose is een multifactoriële polygene skeletaandoening en de meest voorkomende vorm van metabole osteopathie. De ziekte wordt gekenmerkt door verlies van botmassa, verstoring van de microarchitectuur (vernietiging van de trabeculae), afname van botsterkte en gaat gepaard met een hoog risico op fracturen.

Het zijn fracturen, waarvan de ernstigste fracturen van de femurhals en de radius in het onderste derde deel van de onderarm zijn, die de medische en medisch-sociale betekenis van de ziekte bepalen, inclusief de verhoogde mortaliteit en de aanzienlijke economische verliezen die ermee gepaard gaan. De bijzonderheid van osteoporose is dat deze ziekte vooral ouderen en oude mensen treft. Een significante toename van de incidentie van osteoporose, waargenomen sinds de tweede helft van de 20e eeuw, weerspiegelt vanzelfsprekend de demografische veranderingen die zich voordoen in de bevolking en die zich manifesteren in de vergrijzing van de bevolking in alle geïndustrialiseerde landen ter wereld. Talrijke epidemiologische studies die recentelijk wereldwijd en in Europa zijn uitgevoerd, wijzen op een positieve correlatie tussen hart- en vaatziekten en pathologieën van het skeletstelsel. Tegelijkertijd associëren veel auteurs osteoporose met de progressie van atherosclerose, inclusief verkalking van de vaatwanden. Bij vrouwen met osteoporotische fracturen werd een verhoogde incidentie van verkalking van de aorta- en kransslagaders waargenomen, waarvan de ernst correleerde met een afname van de botmineraaldichtheid (BMD).

De studies van SO Song et al. onthulden een verband tussen een afname van de BMD van de wervelkolom en het proximale femur en een toename van het calciumgehalte in de kransslagaders volgens elektronenbundelcomputertomografie. M. Naves et al. ontdekten dat bij vrouwen met postmenopauzale osteoporose een afname van de BMD met één standaarddeviatie ten opzichte van de piekbotmassa gepaard gaat met een verhoogd risico op algehele mortaliteit met 43% en vroegtijdig overlijden door cardiovasculaire pathologie. Andere studies vonden ook dat patiënten met een afname van de BMD een grotere kans hebben op een verhoogde bloedlipidenconcentratie, het ontwikkelen van ernstigere coronaire atherosclerose en een significant verhoogd risico op beroerte en myocardinfarct. De gepresenteerde gegevens suggereren dat een toename van de incidentie van osteoporose, ectopische verkalking en atherosclerose bij dezelfde patiënten een gemeenschappelijke pathogenetische basis heeft. Het concept dat hart- en vaatziekten en osteoporose met elkaar verbonden zijn via markers die gelijktijdig vaat- en botcellen beïnvloeden, wordt ondersteund door uitgebreide experimentele studies.

Een kandidaat voor de rol van een dergelijke marker is het onlangs geïdentificeerde eiwit osteoprotegerine (OPG), dat behoort tot de familie van tumornecrosefactorreceptoren en deel uitmaakt van het RANKL-RANK-OPG-cytokinesysteem.

[ 1 ], [ 2 ]

Botremodellering en de rol van het rankl-rank-opg-systeem

Osteoporose is een ziekte die voortkomt uit de processen van botremodellering, met verhoogde botresorptie en verminderde botsynthese. Beide processen van botweefselvorming zijn nauw met elkaar verbonden en zijn het resultaat van cellulaire interactie tussen osteoblasten (OB) en osteoclasten (OC), afkomstig van voorlopercellen van verschillende cellijnen: osteoblasten - van mesenchymale stamcellen, osteoclasten - van macrofaag-monocytaire cellen van het beenmerg. Osteoblasten zijn mononucleaire cellen die betrokken zijn bij het proces van botvorming en mineralisatie van botmatrixcellen. Osteoblasten spelen een fundamentele rol bij het moduleren van botremodellering en het reguleren van de metabole activiteit van andere botweefselcellen. Ze scheiden een aantal biologisch actieve stoffen uit, waarmee ze het rijpingsproces van de osteoclastprecursorcel beïnvloeden en deze transformeren tot een grote meerkernige cel die in staat is deel te nemen aan resorptie, d.w.z. de absorptie van botweefsel, en die alleen inwerkt op gemineraliseerd bot, zonder de matrix van het botweefsel zelf te veranderen.

Rijping en differentiatie van osteoblasten vinden plaats onder invloed van verschillende specifieke factoren die het transcriptieproces beïnvloeden, waarvan het eiwit Cbfal (core-binding factor oil; ook bekend als runt-related transcription factor 2; RUNX2) de belangrijkste is. Bij muizen met een Cbfal/RUNX2-deficiëntie wordt een significante vertraging van het botvormingsproces waargenomen en wordt geen rijping van OB-cellen waargenomen. Toediening van recombinant Cbfal aan dieren daarentegen veroorzaakt de expressie van genen die inherent zijn aan osteoblasten in niet-osteogene cellen. De belangrijke rol die Cbfal/RUNX2 speelt in de differentiatie en rijping van osteoblasten komt ook tot uiting in het vermogen van het eiwit om de functie te reguleren van vele genen die betrokken zijn bij de synthese van botweefseleiwitten: collageen type 1, osteopontine (OPN), osteocalcine en sialoproteïne. De groei en functionele capaciteit van de OB worden ook beïnvloed door paracriene en/of autocriene factoren die de activiteit van intranucleaire transcriptieprocessen, de synthese van OPN en osteocalcine reguleren. Deze omvatten een aantal celgroeifactoren, cytokinemodulatoren en hormonaal biologisch actieve stoffen. De veronderstelling dat de activering en regulatie van botweefselremodellering een gevolg zijn van de interactie tussen osteoblasten en osteoclasten is bevestigd in talrijke onderzoeken. Aanzienlijke vooruitgang in het begrip van de processen van botremodellering werd bereikt met de ontdekking van het cytokine RANKL-RANK-OPG-systeem, dat een sleutelrol speelt in de vorming, differentiatie en activiteit van osteoclasten. De ontdekking van dit systeem werd de hoeksteen voor het begrip van de pathogenese van osteoporose, osteoclastogenese en regulatie van botresorptie, evenals andere processen die betrokken zijn bij lokale botremodellering. De regulatie van de osteoclastogenese wordt hoofdzakelijk uitgevoerd door twee cytokinen: receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (RANKL) en OPG tegen de achtergrond van de permissieve werking van macrophage colony-stimulating factor (M-CSF).

RANKL is een glycoproteïne geproduceerd door osteoblastische cellen, geactiveerde T-lymfocyten, dat behoort tot de superfamilie van tumornecrosefactor (TNF)-liganden en de belangrijkste stimulus is voor osteoclastrijping. De moleculaire basis van intercellulaire interacties waarbij het RANKL-RANK-OPG-systeem betrokken is, kan als volgt worden weergegeven: RANKL, tot expressie gebracht op het oppervlak van osteoblasten, bindt zich aan de RANK-receptor op de membranen van OC-precursorcellen en induceert het proces van osteoclastdifferentiatie en -activering. Tegelijkertijd geven beenmerg- en OB-stamcellen M-CSF af. Deze polypeptidegroeifactor, die interageert met zijn transmembraanreceptor met hoge affiniteit (c-fms), activeert intracellulair tyrosinekinase en stimuleert zo de proliferatie en differentiatie van de osteoclastprecursorcel. De proliferatieve activiteit van M-CSF neemt significant toe wanneer OB wordt blootgesteld aan parathyroïdhormoon, vitamine D3, interleukine 1 (IL-1), TNF en neemt juist af onder invloed van oestrogenen en OPG. Oestrogenen, die interageren met intracellulaire OB-receptoren, verhogen de proliferatieve en functionele activiteit van de cel, verminderen tegelijkertijd de functie van osteoclasten en stimuleren de productie van OPG door osteoblasten. OPG is een oplosbare receptor voor RANKL, die wordt gesynthetiseerd en afgegeven door osteoblastische cellen, evenals stromacellen, vasculaire endotheelcellen en B-lymfocyten. OPG fungeert als een endogene decoy receptor voor RANKL, blokkeert de interactie met zijn eigen receptor (RANK) en remt zo de vorming van volwassen meerkernige osteoclastcellen, verstoort het proces van osteoclastogenese en vermindert de activiteit van botweefselresorptie. RANKL, gesynthetiseerd en vrijgegeven door OB-cellen, is een specifieke factor die nodig is voor de ontwikkeling en werking van OC. RANKL interageert met zijn tropische receptor RANK op het membraan van de OC-precursorcel (een gemeenschappelijke precursorcel voor osteoclasten en monocyten/macrofagen), wat leidt tot intracellulaire cascade-genomische transformaties. RANK beïnvloedt de nucleaire factor kappa-B (NF-kB) via het receptor-geassocieerde eiwit TRAF6, dat NF-kB activeert en transporteert van het cytoplasma naar de celkern.

Accumulatie van geactiveerde NF-kB verhoogt de expressie van het NFATcl-eiwit, een specifieke trigger die het transcriptieproces van intracellulaire genen start die de osteoclastogenese vormen. De gedifferentieerde osteoclast neemt een bepaalde positie in op het botoppervlak en ontwikkelt een gespecialiseerd cytoskelet waarmee een geïsoleerde resorptieholte kan worden gecreëerd, een micro-omgeving tussen osteoclasten en bot. Het OC-membraan tegenover de door de cel gevormde holte vormt vele plooien en krijgt een gegolfd uiterlijk, wat het resorptieoppervlak aanzienlijk vergroot. De micro-omgeving van de gecreëerde resorptieholte wordt verzuurd door elektrogene pomping van protonen erin. De intracellulaire pH van de OC wordt gehandhaafd met de deelname van koolzuuranhydrase II door de uitwisseling van HCO3/Cl-ionen door het antiresorptieve membraan van de cel. Geïoniseerd chloor dringt door in de resorptiemicroholte via de anionkanalen van het gegolfde resorptiemembraan, waardoor de pH in de holte 4,2-4,5 bereikt. De zure omgeving creëert omstandigheden voor de mobilisatie van de botmineraalfase en optimale omstandigheden voor de afbraak van de organische matrix van botweefsel met deelname van cathepsine K, een enzym dat wordt gesynthetiseerd en afgegeven in de resorptieholte door de "zure blaasjes" van OK. Verhoogde RANKL-expressie leidt direct tot activering van botresorptie en een afname van de BMD van het skelet. De introductie van recombinant RANKL leidde tot de ontwikkeling van hypercalciëmie aan het einde van de eerste dag en aan het einde van de derde dag tot een aanzienlijk verlies van botmassa en een afname van de BMD. De balans tussen RANKL en OPG bepaalt feitelijk de hoeveelheid geresorbeerd bot en de mate van verandering in BMD. Dierexperimenten hebben aangetoond dat verhoogde expressie van OPG bij muizen leidt tot een verhoogde botmassa, osteopetrose, en wordt gekenmerkt door een afname van het aantal en de activiteit van osteoclasten. Wanneer het OPG-gen daarentegen wordt uitgeschakeld, worden een afname van de botdichtheid (BMD), een significante toename van het aantal volwassen, meerkernige osteoclasten, een afname van de botdichtheid en het optreden van spontane wervelfracturen waargenomen.

Subcutane toediening van recombinant OPG aan muizen in een dosis van 4 mg/kg/dag gedurende een week herstelde de BMD-indices. In het model van adjuvante artritis bij ratten blokkeerde toediening van OPG (2,5 en 10 mg/kg/dag) gedurende 9 dagen in het beginstadium van het pathologische proces de RANKL-functie en voorkwam het verlies van bot- en kraakbeenweefselmassa. De experimenten geven aan dat de functie van OPG voornamelijk bestaat uit het verminderen of aanzienlijk "uitschakelen" van de effecten veroorzaakt door RANKL. Momenteel is het duidelijk geworden dat het handhaven van de relatie tussen RANKL en OPG een belangrijke voorwaarde is voor het handhaven van de balans tussen botresorptie en -vorming. De conjugatie van deze twee processen, de relatieve concentraties van RANKL en OPG in botweefsel, bepalen de belangrijkste determinanten van botmassa en -sterkte. Sinds de ontdekking van het RANKL-RAMK-OPG-systeem als laatste pad voor de vorming en differentiatie van osteoclasten, hebben veel onderzoekers de leidende rol van dit cellulaire en moleculaire mechanisme in de pathogenese van osteoporose bevestigd.

De rol van het rankl-rank-opg cytokinesysteem in het proces van vasculaire verkalking

De veronderstelling over de aanwezigheid van een gemeenschappelijke pathogenetische basis voor osteoporose en atherosclerose, een zekere gelijkenis tussen de mechanismen van osteoporoseontwikkeling en vasculaire verkalking, wordt bevestigd door vele experimentele en klinische observaties. Het is aangetoond dat bot- en vaatweefsels veel identieke eigenschappen hebben, zowel op cellulair als moleculair niveau. Botweefsel en beenmerg bevatten endotheelcellen, preosteoblasten en osteoclasten – derivaten van monocyten – die tevens normale componenten zijn van de cellulaire populaties van de vaatwand. Zowel botweefsel als de wand van arteriële vaten bevatten onder de omstandigheden van het atherosclerotische proces OPN, osteocalcine, morfogenetisch botproteïne, matrix Gla-proteïne, collageen type I en matrixvesikels. In de pathogenese van atherosclerose en OP zijn monocyten betrokken bij de differentiatie tot macrofagen met schuimcytoplasma in de vaatwand en tot osteoclasten in botweefsel. In de vaatwand bevinden zich cellulaire elementen die zich differentiëren tot osteoblasten, afhankelijk van de stadia van botvorming (OB), waaruit het minerale bestanddeel van bot ontstaat.

Van fundamenteel belang is het feit dat het cytokinesysteem RANKL-RANK-OPG, dat osteoblastogenese en osteoclastogenese in botweefsel initieert, onder andere de differentiatie van osteoblasten en OC induceert, evenals het proces van vaatwandmineralisatie. Van de componenten van dit systeem, die direct wijzen op het bestaan van een verband tussen osteoporose en atherosclerose, trekt OPG de meeste aandacht van onderzoekers. Het is bekend dat OPG niet alleen tot expressie wordt gebracht door cellen in botweefsel, maar ook door cardiovasculaire cellen: myocardiocyten, gladde spiercellen van slagaders en aders, en vasculaire endotheelcellen. OPG is een modulator van vasculaire verkalking, wat werd bevestigd in het experimentele werk van S. Moropu et al., uitgevoerd op intacte muizen en dieren met een verstoring/afwezigheid van het gen dat OPG-expressie verzorgt. Er werd vastgesteld dat muizen met een verminderd vermogen om OPG (OPG-/-) te synthetiseren, in tegenstelling tot de controlegroep, een activering van het proces van arteriële verkalking vertonen in combinatie met de ontwikkeling van osteoporose en meerdere botbreuken. Integendeel, de introductie van het gen dat OPG synthetiseert bij dieren met onvoldoende expressie van OPG droeg bij aan de onderdrukking van zowel het proces van botresorptie als vasculaire verkalking.

Ontsteking speelt een sleutelrol in alle stadia van de ontwikkeling van atherosclerose, gepaard gaand met een significante toename van de concentratie van ontstekingsmarkers in het bloedplasma - cytokinen (interleukine-1, a-TNF), die op hun beurt botresorptie induceren. Vanwege het inflammatoire karakter van de ontwikkeling van atherosclerose vinden de expressie en afgifte van OPG in de bloedbaan en omliggende weefsels door endotheelcellen en vasculaire gladde spiercellen plaats onder invloed van de bovengenoemde pro-inflammatoire factoren. In tegenstelling tot stromacellen reageren endotheelcellen en vasculair glad spierweefsel niet op veranderingen in het gehalte aan vitamine D3 of parathyroïdhormoon (PTH) in het bloedplasma door de synthese en afgifte van OPG te verhogen. OPG voorkomt vitamine D3-geïnduceerde ectope verkalking in bloedvaten en verhoogt tegelijkertijd het gehalte aan OPN, het belangrijkste niet-collageenmatrixeiwit van botten, dat werkt als een remmer van vasculaire mineralisatie en als een trigger voor de synthese en afgifte van OPG door endotheel- en gladde spiercellen. OPN, dat de vorming van de hydroxyapatietmatrix (in vitro) en vasculaire verkalking (in vivo) remt, wordt in voldoende hoge concentraties gesynthetiseerd en afgegeven door gladde spiercellen in de media van de vaatwand en door macrofagen in de intima. OPN-synthese vindt plaats in gebieden met een overheersende mineralisatie van de vaatwand en wordt gereguleerd door pro-inflammatoire en osteogene factoren. Samen met avb3-integrine, gesynthetiseerd door endotheelcellen op de plaatsen van atherogenese, veroorzaakt OPN het NF-kB-afhankelijke effect van OPG op het behoud van de integriteit van endotheelcellen. De verhoogde plasma- en vasculaire OPG-concentraties die worden waargenomen bij hart- en vaatziekten kunnen dus een gevolg zijn van de activiteit van endotheelcellen, zowel onder invloed van ontstekingsmarkers als als gevolg van het OPN/avb3-HHTerpnHOBoro-mechanisme.

Activering van NF-kB in macrofagen van de arteriewand en in TC is ook een van de belangrijke mechanismen die osteoporose en atherosclerose met elkaar verbinden. Verhoogde NF-kB-activiteit treedt op als gevolg van de werking van cytokinen die vrijkomen door geactiveerde T-cellen in de vasculaire intima, wat bijdraagt aan een verhoogde activiteit van serine/threoninekinase (Akt, proteïnekinase B), een belangrijke factor voor de functie van, allereerst, vasculaire endotheelcellen.

Vastgesteld is dat verhoogde activiteit van proteïnekinase B leidt tot stimulatie van eNOS en een verhoogde synthese van stikstofmonoxide (NO), betrokken bij het mechanisme van het behoud van de integriteit van endotheelcellen. Net als bij OPG vinden de synthese en afgifte van RANKL door endotheelcellen plaats onder invloed van inflammatoire cytokines, maar niet onder invloed van vitamine D3 of PTH, die de concentratie van RANKL in OB- of stromacellen kunnen verhogen.

De toename van de RANKL-concentratie in arteriële en veneuze vaten wordt ook bereikt als gevolg van het remmende effect van de transformerende groeifactor (TGF-Pj) op het proces van OPG-expressie, waarvan het gehalte onder invloed van deze factor aanzienlijk wordt verlaagd. Het heeft een multidirectioneel effect op het RANKL-gehalte in bot en bloedvaten: in botweefsel bevordert TGF-Pj de expressie van OPG OB en als gevolg daarvan vermindert OPG, RANKL-bindend, de concentratie en osteoclastogenese-activiteit ervan. In de wanden van bloedvaten verhoogt TGF-Pj de RANKL/OPG-ratio en als gevolg daarvan het RANKL-gehalte, interagerend met zijn RANK-receptor op het oppervlak van endotheelcelmembranen met deelname van intracellulaire signaalsystemen, stimuleert vasculaire celosteogenese en activeert het proces van verkalking, proliferatie en celmigratie, en matrixremodellering. Het resultaat van het nieuwe concept, gebaseerd op de huidige kennis van het cellulaire en moleculaire mechanisme van botremodellering bij osteoporose en het atheroscleroseproces, en de opheldering van de leidende rol van het cytokine RANKL-RANK-OPG-systeem bij de implementatie van deze ziekten, was de synthese van een nieuwe generatie geneesmiddel: denosumab. Denosumab (Prolia; Amgen Incorporation) is een specifiek humaan monoklonaal antilichaam met een hoge mate van tropisme voor RANKL, waardoor de functie van dit eiwit wordt geblokkeerd. Talrijke laboratorium- en klinische studies hebben aangetoond dat denosumab, dat een hoog vermogen heeft om de activiteit van RANKL te verminderen, de mate van botresorptie aanzienlijk vertraagt en verzwakt. Momenteel wordt denosumab, samen met bisfosfonaten, gebruikt als eerstelijnsmedicijn bij patiënten met systemische osteoporose ter preventie van botbreuken. Tegelijkertijd, S. Helas et al. Denosumab heeft het remmende effect van RANKL op het vermogen van vasculaire verkalking te implementeren vastgesteld. De verkregen gegevens openen dus nieuwe mogelijkheden om de progressie van osteoporose en vasculaire atherosclerose te vertragen, de ontwikkeling van cardiovasculaire complicaties bij osteoporose te voorkomen en de gezondheid en het leven van patiënten te behouden.

S. Sagalovsky, Richter. Pathofysiologische eenheid van de ontwikkeling van osteoporose en vaatatherosclerose // International Medical Journal - Nr. 4 - 2012