Роль матриксных металлопротеиназ в патогенезе остеоартрита | Цурко В.В., Червякова Ю.Б., Малышева Н.В.

Введение

Остеоартрит (ОА) — хроническое прогрессирующее заболевание опорно-двигательного аппарата, сопровождающееся в основном артралгиями и/или слабо или умеренно выраженными артритами в дебюте болезни и стойкими артритами, сменяющимися обострениями и ремиссиями, в основном в коленных, тазобедренных и дистальных межфаланговых суставах. Реже вовлекаются проксимальные межфаланговые, первые пястно-запястные, плюсневые, фасеточные суставы, суставы позвоночника и др. Болезнь проявляется воспалительно-дегенеративным процессом в хрящевой ткани — хондритом, в субхондральной кости — оститом, синовиальной оболочке — синовитом, суставной капсуле — капсулитом, околосуставных мышцах — миозитом, связках — тендинитом. Клиническая картина характеризуется хроническим суставным синдромом, мышечной атрофией, дефигурацией суставов, деформацией конечностей и функциональной недостаточностью, возникающей, как правило, на поздней стадии и приводящей нередко к снижению качества жизни и инвалидности пациентов [1–4].

Остеоартритом страдают во всем мире более 250 млн человек, большинство из которых пожилые люди (старше 65 лет), однако первые симптомы заболевания могут проявляться и в более раннем возрасте через несколько лет после спортивной, бытовой травмы или при ожирении [5].

Особую роль в патогенезе ОА играет увеличение количества стареющих клеток, содержащих экзосомы и эктосомы, которые активно секретируют медиаторы воспаления: провоспалительные матриксные металлопротеиназы (MMП), хемокины, а также микроРНК (miR), фрагменты ДНК и ряд других биологически активных субстратов. Медиаторы воспаления способны изменять экспрессию генов и клеточные сигнальные пути, приводя к активному воспалению, его усилению и к клинически развернутому суставному синдрому. Старение часто связывают с хроническим слабовыраженным вялотекущим воспалением, хотя точный механизм связи старения с воспалением при ОА до сих пор неизвестен [6].

Помимо старения, способствовать развитию болезни могут многие неблагоприятные факторы риска ОА, которые действуют на протяжении патологического процесса, способствуют прогрессированию и ухудшению прогноза болезни, в том числе и присоединившейся коморбидной патологии. В.В. Цурко и соавт. [7] было отмечено, что у больных с клиническими проявлениями ОА на любом уровне действия факторов риска прогноз значительно хуже, чем у пациентов с минимальными симптомами или без них.

Цель данного обзора — представление современных данных о взаимосвязи воспаления и ОА, в которой значительное место отведено роли ММП.

Характеристика ММП

Матриксные металлопротеиназы играют важную роль в патогенезе ОА [8]. Семейство ММП состоит более чем из 20 энзимов, способных расщеплять почти все компоненты внеклеточного матрикса соединительной ткани. Они представляют собой семейство цинк- и кальций-зависимых эндопептидаз, обладающих функцией активных ферментов, протеолитическая активность которых запускается и контролируется как активацией проферментов, так и α2-макроглобулином и тканевыми ингибиторами металлопротеиназ (TИМП). ММП подразделяются на коллагеназы (ММП-1, -8, -13), желатиназы (желатиназа A (ММП-2) и желатиназа B (ММП-9)), стромелизины (ММП-3 и -10, -11), макрофагальную металлоэластазу (ММП-12), матрилизин (ММП-7) и ММП мембранного типа (МТ) [8].

Коллагеназы расщепляют коллагены типов I, II, III, аггрекан, фибронектин, перлекан, а также разрушают внеклеточный матрикс, активируют плазминоген. Желатиназы разрушают коллагены типов I, IV, V, VII, X, XI и XIV, аггрекан, протеогликан-связанный белок, желатин, эластин, ламинин, витронектин, фибронектин. Кроме того, они ответственны за расщепление протеинов, не связанных с внеклеточным матриксом, таких как хемокины, основной белок миелина, субстанция P. Стромелизины разрушают коллагены II, IV, IX, желатин, аггрекан, протеогликан-связанный белок, остеонектин, фибронектин, ламинин. Макрофагальная металлоэластаза расщепляет коллаген IV, желатин, эластин, фибронектин, фибриноген, фибрин и плазминоген; матрилизин — коллагены III, IV, V, IX, X, XI, желатин I, II, IV, V, тенасцин С аггрекан, остеонектин, протеогликан-связанный белок, фибронектин и ламинин, нерастворимые фибриллы фибронектина. Среди ММП МТ выделяют МТ1- и МТ3-ММП, они вовлечены в развитие ОА, причем первая играет наиболее значимую роль. К их функциям относят активацию про-ММП-2 и про-ММП-13, также они обладают коллагенолитическими свойствами [8].

Источниками ММП являются различные клетки, включая фибробласты, макрофаги, гладкомышечные клетки сосудистой стенки, нейтрофилы и тучные клетки. ММП образуются из неактивных предшественников, которые превращаются в активные протеиназы под воздействием внеклеточных факторов, в том числе и при воздействии провоспалительных цитокинов [8].

Таким образом, ММП представляют собой эндопептидазы, которые способны разрушать различные типы белков внеклеточного матрикса, в связи с чем им отводится крайне важное место в патогенезе ОА.

Влияние ММП на хрящ и другие ткани сустава

Гиалиновый хрящ является одним из важнейших компонентов сустава. Он покрывает суставные поверхности, принимает на себя и равномерно распределяет действие внешних сил сжатия и растяжения, состоит в основном из хондроцитов и экстрацеллюлярного матрикса, синтезируемого хондроцитами. Структурные макромолекулы матрикса гиалинового хряща представлены коллагенами, протеогликанами, неколлагеновыми белками и гликопротеинами. Патология суставного хряща является ключевым звеном в патогенезе ОА. Воспаление в суставе, протекающее с периодическими обострениями, обусловлено действием ряда агрессивных ферментов, среди которых важное место отводится ММП [3].

Молекулярная основа хряща и примыкающей к ней субхондральной костной пластинки определяет важные свойства суставной поверхности: прочность, эластичность и упругость. Суставной хрящ выполняет и основную амортизационную функцию, обеспечивающую движение в суставах. Здоровый хрящ не содержит кровеносных и лимфатических сосудов, тогда как в патологически измененный и частично кальцифицированный хрящ могут легко прорастать сосуды. Для физиологической целостности хряща необходимо, чтобы постоянный синтез протеогликанов, коллагена и гиалуроновой кислоты был равен теряемому их количеству. В патологически измененном хряще наблюдается высокая катаболическая активность, которая не компенсируется ее недостаточной синтетической активностью. Среди протеогликанов хряща основным является аггрекан [3].

Аггрекан важен для правильного функционирования гиалинового суставного хряща, связывает фибриллы коллагена II типа и удерживает воду, придавая хрящу функцию опоры и противодействия механическим нагрузкам. Также он обеспечивает осмотическое давление в клетках, лубрикацию и стабилизацию матрикса суставного хряща. Аггрекан играет ключевую роль в межхондроцитарном взаимодействии и обеспечивает его важную функцию — связываться с гиалуроновой кислотой и коллагеном. Определенная роль в патогенезе ОА отводится аггрекиназе, ферменту, доминирующему в системе протеолитических ферментов и отвечающему за деградацию аггрекана в суставном хряще, которая приводит к нарушению его организации и функционирования. Продукты деградации в виде фрагментов аггрекана в синовиальной жидкости способны вызывать синовит [9]. Дальнейшее изучение полиморфизма аггрекана и аггрекиназы открывает дополнительные возможности для более глубокого понимания патогенеза ОА, что обусловливает актуальность дальнейших исследований в этом направлении.

Активация МMП является первичным универсальным ответом, создающим неустойчивость к ингибиторам разрушения хряща. Это приводит к утрате способности хондроцитов образовывать многочисленные связи с экстрацеллюлярным матриксом [10].

В экспериментальных работах было показано, что повышенная продукция трансформирующего фактора роста (ТФР) α на ранней стадии повреждения хрящевой ткани, по-видимому, приводит к повышению чувствительности хондроцитов, что меняет их фенотип. В результате длительного хронического суставного воспаления происходит «переключение» хондроцитов на биосинтез «короткого» коллагена трех его типов — IX–XI — процесса, не свойственного нормальной хрящевой ткани. Это приводит к потере биомеханических свойств матрикса хряща [11, 12].

Хотя изменения в хряще при ОА сходны с возрастными, имеются и характерные особенности болезни, отличающие их: более интенсивная убыль протеогликанов и выраженность морфологических изменений структуры хряща, таких как фрагментация с интенсивной пролиферацией и, как правило, его повышенная гидратация. Характерным является и наличие реактивного синовита, иногда уже на ранней стадии ОА [13].

При ОА показано повышение уровня многих ММП, а также сывороточного и внутриклеточного уровня активаторов про-ММП, включая их общий активатор — плазмин в тканях воспаленного сустава, непосредственно в суставной синовиальной жидкости, тогда как относительный дефицит TИMП способствует усилению протеолиза в хряще, измененном вследствие ОА. ММП при ОА регулируют деградацию экстрацеллюлярного матрикса путем расщепления пептидной связи белков-мишеней и запускают ангиогенез [14].

В деградации хряща принимают участие МMП-1, -2, -3, -7, -8, -9 и -13, среди которых коллагеназа отвечает за деградацию коллагена, а стромелизин — за деградацию протеогликанов. Они играют основную роль в разрушении внеклеточного матрикса. Ранее полагали, что основным ферментом, отвечающим за деградацию коллагена II типа в патологическом хряще на необратимой стадии ОА, является коллагеназа 1 (МMП-1). Однако недавно была идентифицирована коллагеназа 3 (МMП-13), которая считается одной из самых агрессивных протеиназ, вовлекаемых в деструкцию хрящевой ткани у пациентов с ОА. В ряде исследований именно ее высокий уровень был выявлен в пораженном гиалиновом хряще. Более того, полагают, что МMП-13 способствует синтезу неполноценного волокнистого хряща [14, 15]. При изучении МMП-3, -9, -13 как в эксперименте на животных, так и у пациентов с ОА было показано, что они участвуют в разрушении коллагена и протеогликанов, главных компонентов внеклеточного матрикса хряща [16, 17].

В патофизиологии местного воспаления при ОА важную роль играют хемокины [18]. Активность MMП также связывают со стимуляцией хемокинового лиганда 20 (chemokine (C-C motif) ligand 20, CCL20), который оказывает катаболическое воздействие на суставной хрящ и, по-видимому, на синовиальную оболочку. В исследовании N. Alaaeddine et al. [19] были изучены роль в патогенезе ОА CCL20 и его рецептора 6 (Chemokine (C-C Motif) Receptor 6, CCR6) по их уровням экспрессии в хряще, а также фенотип хондроцитов, изменившихся в процессе этой болезни. Влияние CCL20 на хрящ также изучали по обнаружению в малых концентрациях фрагментов в их мРНК с помощью полимеразной цепной реакции. Было показано, что CCL20 и его CCR6 играют важную роль в патогенезе ОА, изменяя фенотип и экспрессию катаболических генов в хондроцитах [19].

Y. Wu et al. [3] также показали, что некоторые типы miR, которые являются регуляторами различных генов, связанных с развитием и поддержанием гомеостаза хрящей, влияют на уровень МMП-3/-13 в синовиоцитах макрофагального типа в дебюте болезни и, возможно, в уже измененных хондроцитах, на более поздней стадии активного фиброза и в синовиоцитах фибробластического типа, повышая синтез неполноценного коллагена. В ряде исследований было показано, что индукция MMП-3 в синовиоцитах и хондроцитах при ОА связана с экспрессией miR-149 и miR-454. MiR-149 подавляется в хондроцитах, снижение ее уровня коррелирует с повышенной экспрессией провоспалительных цитокинов, таких как ТФР-α, интерлейкин (ИЛ) 1β и ИЛ-6. Полученные в данных исследованиях результаты позволили по-новому рассмотреть механизмы патогенеза ОА [3, 20].

Повышение уровня МMП в хряще у пациентов с ОА связывают напрямую с высоким уровнем фактора, регулирующего интерферон (interferon regulatory factor, IRF), который практически всегда выявляется в измененных хондроцитах, что в перспективе может служить маркером начала раннего воспалительного остеоартритического процесса [21]. Другие исследователи показали роль фактора роста кровеносных сосудов (vascular endothelial growth factor, VEGF) в синовиоцитах и рецептора активации пути нуклеарного фактора RAGE/Nf-kB (receptor for advanced glycation end products / nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) в хондроцитах в индукции экспрессии MМP-13 в тканях суставов у больных ОА [16, 22]. E. van Geffen et al. [23] продемонстрировали при ОА гиперсекрецию ИЛ-37, которая подавляет активность ИЛ-1β и снижает уровень МMП-13 в хондроцитах человека, в результате чего запускается катаболический процесс.

Матриксная металлопротеиназа 3, более известная как стромелизин 1, активно участвует в патогенезе ОА за счет способности расщеплять коллаген II типа и аггрекан. Ее активность зависит от уровня различных хемокинов [3]. S.M. Hou et al. [24] считают, что среди различных видов относительно недавно открытых хемокинов синтез МMП-3 под влиянием фракталкина (chemokine (C-X3-C motif) ligand 1, CX3CL1) через активацию NF-κB особенно активно наблюдается во время воспаления при ОА в синовиальных фибробластах. Кроме того, показано, что во время синтеза ММП-3 CX3CL1 повышает активацию NF-κB через сигнальный путь CX3CR1/c-Raf/MAPK (mitogen-activated protein kinase) в синовиальных фибробластах при ОА у человека.

Как было показано B. Bauvois et al. [25], в патогенезе ОА также играет роль экспрессия желатиназ, таких как MМП-2 и -9. Они, как и некоторые уже упомянутые выше ММП, являются ответственными за расщепление экстрацеллюлярного матрикса и усиливают активность цитокинов и хемокинов, таким образом отрицательно влияя на состояние хряща и синовиальной оболочки.

Согласно принятой гипотезе развития ОА высвобождение медиаторов воспаления, включая ММП, происходит вследствие первоначального биомеханического повреждения тканей сустава. Активированные ММП вовлекаются в раннюю индукцию ангиогенеза, который, наряду с воспалением, играет решающую роль в развитии этого заболевания. Таким образом, ММП отводится важное место в распространении воспаления и разрушении хрящевого матрикса в патогенезе ОА.

Деградация хряща при ОА и активаторы ММП

Деградация хряща при ОА может быть разной по времени, но при этом запускается более длительный каскад реакций, которые и приводят к парадоксальному, часто вялотекущему воспалению в пораженном суставе. При этом в большей степени страдает синтетическая способность хондроцитов как основных клеток, образующих многочисленные связи с экстрацеллюлярным матриксом [10, 26].

Одним из активаторов продукции ММП-1, -3, -13 является ИЛ-18, который действует на поверхность хондроцитов. Это происходит благодаря активации сочетанной экспрессии ИЛ-1β и фактора некроза опухолей α (tumor necrosis factor alfa, TNF-α) в хондроцитах, а также через повышение продукции NO, циклооксигеназы 2 и простагландина Е2. Известно, что повышенный уровень ИЛ-15 в синовиальной жидкости на ранней стадии ОА запускает активацию ММП. Также установлено, что ИЛ-17, ингибируя синтез протеогликанов хондроцитами, влияет на внеклеточный матрикс через активацию ММП [8].

Предполагают, что протеогликаны, теряя часть своих основных положительных функций, обеспечивающих прочность коллагена, приобретают антигенные свойства. Освобождающиеся протеогликаны, а также продукты распада хондроцитов и коллагена, являясь по своей природе антигенами, индуцируют образование аутоантител, запуская и формируя аутоиммунное воспаление. Аутоиммунный ответ организма поддерживает хондрит и синовит, в дальнейшем усиливая дегенеративные изменения в хряще и синовиальной оболочке. О включении иммуновоспалительного механизма в патологический процесс при ОА свидетельствует обнаружение иммунных комплексов в пораженном суставном хряще и синовиальной оболочке [10].

Таким образом, активаторы ММП активно вовлекаются в деградацию хряща через разнообразные пути, напрямую или косвенно влияя на компоненты, которые поддерживают функции и целостность хряща.

Тканевые ингибиторы ММП

Период активации МMП проходит вне клетки, что определяет возможное ослабление или подавление их активности тканевым ингибитором протеинзы α2-макроглобулином, однако стоит отметить, что однажды запущенный деструктивно-пролиферативный процесс в хряще, предусматривающий и параллельно протекающую перестройку субхондральной кости, остановить невозможно. Эти изменения можно лишь замедлить, так как они мобильные и происходят под действием различных экзогенных и эндогенных факторов [11, 12, 27].

В исследованиях показано, что дисбаланс ММП/ТИМП приводит к усилению образования свободных радикалов и в конечном итоге к обострению ОА [8]. Имеются данные, что секрецию ММП угнетает ИЛ-4, обладая хондропротективными свойствами [8].

Кроме того, ряд авторов считают, что α2-макроглобулин (гликопротеин плазмы крови) и ТИМП являются основными группами эндогенных ингибиторов, контролирующих активность ММП. α2-макроглобулин за счет конформационных изменений способен подавлять ферментативную активность ММП. ТИМП-1, -2, -3, -4 являются ингибиторами широкого спектра для ММП. ТИМП-1 также ингибирует реакции апоптоза, ТИМП-2 — активируемую фактором роста пролиферацию, ТИМП-3 —ангиогенез. ТИ-4 пока изучается, его функции еще не раскрыты [8].

Таким образом, ингибиторы ММП играют важную роль в процессе развития ОА и обладают протективными свойствами в отношении тканей сустава.

Заключение

Остеоартрит — сложное заболевание опорно-двигательной системы, основой которого является синовиальное воспаление. В настоящее время проведено большое количество исследований, посвященных изучению ММП, их тканевых ингибиторов и маркеров воспаления у пациентов с ОА в рамках клеточно-молекулярных механизмов развития синовита. Однако относительно взаимосвязи между воспалением и ОА остается много вопросов, в том числе о роли ММП в воспалительном ответе. Эти результаты помогут лучше понять природу воспалительного ответа синовиальной оболочки и поврежденного хряща и роли ММП при дегенеративно-воспалительном ОА. Однако в условиях развивающегося патологического процесса роль ММП и ТИМП гетерогенна и представляет интерес для продолжения фундаментальных исследований механизмов действия данных биологически активных веществ. В настоящее время ни один из ингибиторов ММП не входит в официальный перечень препаратов для лечения ОА. Дальнейшее изучение и прояснение роли ММП в механизмах развития и течения этого заболевания помогут выстроить тактику лечения и выявить потенциальные терапевтические и фармакологические мишени.