Остеопороз и кальцификация сосудов

Ремоделирование кости и роль rankl-rank-opg-системы

Остеопороз – заболевание, в основе которого лежат процессы нарушения костного ремоделирования с повышением резорбции костной ткани и снижением синтеза кости. Оба процесса образования костной ткани тесно взаимосвязаны и являются результатом клеточного взаимодействия остеобластов (ОБ) и остеокластов (ОК), берущих начало от предшественников различных клеточных линий: остеобласты – из мезенхимальных стволовых клеток, остеокласты – из макрофагально-моноцитарных клеток костного мозга. Остеобласты – мононуклеарная клетка, участвующая в процессе образования кости и минерализации клеток костного матрикса. Остеобласты играют фундаментальную роль в модуляции костного ремоделирования и регуляции метаболической активности других клеток костной ткани. Они секретируют ряд биологически активных веществ, посредством которых влияют на процесс созревания клетки – предшественницы остеокластов, превращая ее в большую многоядерную клетку, способную участвовать в резорбции, т. е. рассасывании костной ткани, действуя только на минерализованную кость, не изменяя собственно матрикса костной ткани.

Созревание и дифференциация остеобластов осуществляются под влиянием различных специфических факторов, воздействующих на про-цесс транскрипции, важнейшим из которых является протеин Cbfal (core-binding factor oil; известный также как runt related transcription factor 2; RUNX2). У мышей с недостаточностью Cbfal/RUNX2 наблюдается существенное замедление процесса костеобразования, не прослеживается созревание ОБ-клеток. Напротив, введение животным рекомбинантного Cbfal вызывает экспрессию в неостеогенных клетках генов, присущих остеобластам. Значимая роль, выполняемая Cbfal/RUNX2 в дифференциации и созревании остеобластов, проявляется также в способности белка регулировать функцию многих генов, участвующих в синтезе протеинов костной ткани: коллагена типа 1, остеопонтина (OPN), остеокальцина и сиалопротеина. На рост и функциональную способность ОБ оказывают влияние также паракринные и/или аутокринные факторы, регулирующие активность процессов внутриядерной транскрипции, синтез OPN и остеокальцина. К ним относится ряд факторов роста клеток, модуляторы цитокинов, гормональные биологически активные вещества. Предположение, что активация и регуляция ремоделирования костной ткани являются следствием взаимодействия остеобластов и остеокластов, получило подтверждение в многочисленных исследовательских работах. Значительный прогресс в понимании процессов костного ремоделирования был достигнут с открытием цитокиновой RANKL-RANK-OPG-системы, играющей ключевую роль в формировании, дифференцировке и активности остеокластов. Открытие этой системы стало краеугольным камнем для понимания патогенеза остеопороза, остеокластогенеза и регуляции костной резорбции, а также других процессов, вовлеченных в локальное ремоделирование кости. Регуляция остеокластогенеза осуществляется в основном при помощи двух цитокинов: лиганда рецептора – активатора ядерного фактора каппа-В (RANKL) и OPG на фоне пермиссивного действия макрофагального колониестимулирующего фактора (M-CSF).

RANKL – это гликопротеин, продуцируемый клетками остеобластного ряда, активированными Т-лимфоцитами, который принадлежит к суперсемейству лигандов фактора некроза опухоли (TNF) и является главным стимулом созревания остеокластов. Молекулярная основа межклеточного взаимодействия с участием RANKL-RANK-OPG-системы может быть представлена следующим образом: RANKL, экспрессированный на поверхности остеобластов, связывается с RANK-рецептором, расположенным на мембранах клеток – предшественников ОК, и индуцирует процесс дифферен-цировки и активации остеокластов. Одновременно стволовые клетки костного мозга и ОБ высвобождают M-CSF. Этот полипептидный фактор роста, взаимодействуя с его высокоаффинным трансмембранным рецептором (c-fms), активирует внутриклеточную тирозинкиназу, стимулируя пролиферацию и дифференциацию клетки – предшественницы остеокластов. Пролиферативная активность M-CSF значительно повышается при воздействии на ОБ паратиреоидного гормона, витамина D3, интерлейкина 1 (IL-1), TNF и, напротив, понижается под влиянием эстрогенов и OPG. Эстрогены, взаимодействуя с внутриклеточными рецепторами ОБ, повышают пролиферативную и функциональную активность клетки, одновременно понижая функцию остеокластов, стимулируя продукцию остеобластом OPG. OPG – растворимый рецептор для RANKL, синтезируемый и высвобождаемый остеобластными клетками, а также клетками стромы, эндотелиальными клетками сосудов и В-лимфоцитами. OPG действует как эндогенный рецептор-ловушка для RANKL, блокируя его взаимодействие с собственным рецептором (RANK), и таким образом угнетает формирование зрелых многоядерных клеток остеокластов, нарушая процесс остеокластогенеза, понижая активность резорбции костной ткани. Синтезируемый и высвобождаемый ОБ-клетками RANKL является специфическим фактором, необходимым для развития и функционирования ОК. RANKL вступает во взаимодействие с тропным к нему рецептором RANK на мембране клетки – предшественницы ОК (общий предшественник для остеокластов и моноцитов/макрофагов), приводя к внутриклеточным каскадным геномным транс-формациям. RANK воздействует на ядерный фактор каппа-В (NF-kB) через сопряженный с рецептором протеин TRAF6, который активирует и транслокирует NF-kB из цитоплазмы в клеточное ядро.

Накопление активированного NF-kB повышает экспрессию протеина NFATcl, являющегося специфическим триггером, запускающим процесс транскрипции внутриклеточных генов, формирующих процесс остеокластогенеза. Дифференцированный остеокласт принимает определенное положение на поверхности кости и развивает специализированный цитоскелет, который позволяет ему создавать изолированную полость резорбции, микросреду между остеокластами и костью. Мембрана ОК, обращенная в образованную клеткой полость, формирует множество складок, приобретает гофрированный вид, что значительно увеличивает резорбирующую поверхность. Микросреда созданной полости резорбции подкисляется посредством электрогенной подкачки в нее протонов. Внутриклеточный рН ОК поддерживается с участием карбоангидразы II посредством обмена ионами НСО3/С1 через антирезорбтивную мембрану клетки. Ионизированный хлор по анионным каналам гофрированной резорбтивной мембраны проникает в микрополость резорбции, в результате чего рН в полости достигает величин 4,2-4,5. Кислая среда создает условия для мобилизации минеральной фазы кости и формирует оптимальные условия для деградации органического матрикса костной ткани с участием катепсина К, фермента, синтезируемого и высвобождаемого в полость резорбции «кислыми везикулами» ОК. Повышение экспрессии RANKL непосредственно ведет к активации резорбции кости и снижению МПК скелета. Введение ре-комбинантного RANKL уже к концу первых суток приводило к развитию гиперкальциемии, а к концу третих – существенной потере костной массы и снижению показателей МПК. Баланс между RANKL и OPG фактически обусловливает количество резорбированной кости и степень изменения МПК. В экспериментах на животных установлено, что повышенная экспрессия OPG у мышей приводит к увеличению костной массы, остеопетрозу и характеризуется снижением количества и активности остеокластов. Напротив, при выключении гена OPG наблюдается понижение МПК, существенное повышение количества зрелых, многоядерных остеокластов, снижение плотности костной ткани и возникновение спонтанных переломов позвонков.

Подкожное введение мышам рекомбинантного OPG в дозе 4 мг/кг/сут в течение недели восстанавливало показатели МПК. На модели адъювантного артрита у крыс введение OPG (2,5 и 10 мг/кг/сут) в течение 9 дн в начальной стадии патологического процесса блокировало функцию RANKL и предотвращало потерю массы костной и хрящевой ткани. Проведенные эксперименты указывают на то, что функция OPG в основном заключается в понижении или значительном «выключении» эффектов, обусловленных RANKL. В настоящее время стало очевидным, что поддержание взаимосвязи между RANKL и OPG является важным условием сохранения равновесия между резорбцией и формированием костной ткани. Сопряженность этих двух процессов, относительные концентрации RANKL и OPG в костной ткани определяют главные детерминанты массы и прочности кости. С момента открытия системы RANKL-RAMK-OPG как конечного пути формирования и дифференциации остеокластов многими исследователями подтверждена ведущая роль этого клеточно-молекулярного механизма патогенеза остеопороза.

Роль rankl-rank-opg-цитокиновой системы в процессе калыдификации сосудов

Предположение о наличии общей для остеопороза и атеросклероза патогенетической основы, определенном сходстве между механизмами развития остеопороза и кальцификации сосудов находит подтверждение во многих экспериментальных и клинических наблюдениях. Было продемонстрировано, что костная и сосудистая ткани обладают многими идентичными свойствами как на клеточном, так и на молекулярном уровне. Костная ткань и костный мозг содержат эндотелиальные клетки, преостеобласты и остеокласты – производные моноцитов, при этом все они являются также нормальными компонентами клеточных популяций сосудистой стенки. Как костная ткань, так и стенка артериальных сосудов в условиях атеросклеротического процесса содержат OPN, остеокальцин, морфогенетический костный протеин, матриксный Gla-протеин, коллаген типа I, а также матриксные везикулы. В патогенезе атеросклероза и ОП задействованы моноциты с дифференциацией в макрофаги с пенистой цитоплазмой в пределах сосудистой стенки и в остеокласты в костной ткани. В сосудистой стенке находятся клеточные элементы, дифференцирующиеся в остеобласты в соответствии со стадиями образования костных ОБ, продуцирующих минеральный компонент кости.

Принципиально значимым является факт, что RANKL-RANK-OPG-цитокиновая система, инициирующая остеобласто- и остеокластогенез в костной ткани, индуцирует в том числе дифференциацию остеобластов и ОК, а также процесс минерализации стенки сосуда. Среди компонентов этой системы, непосредственно указывающей на существование взаимосвязи между остеопорозом и атеросклерозом, OPG привлекает наибольшее внимание исследователей. Известно, что OPG экспрессируется не только клетками костной ткани, но и клетками сердечнососудистой системы: миокардиоцитами, гладкомышечными клетками артерий и вен, эндотелиальными клетками сосудов. OPG является модулятором кальцфикации сосудов, что получило подтверждение в экспериментальной работе S. Могопу и соавт., выполненной на интактных мышах и животных с нарушением/отсутствием гена, обеспечивающего экспрессию OPG. Установлено, что у мышей с нарушенной способностью синтезировать OPG (OPG-/-), в отличие от контрольной группы животных отмечается активация процесса кальцификации артерий в сочетании с развитием остеопороза и множественными переломами костей. Напротив, введение животным с недостаточной экспрессией OPG синтезирующего его гена способствовало угнетению как процесса резорбции кости, так и кальцификации сосудов.

Воспаление играет ключевую роль во всех стадиях развития атеросклероза, сопровождающегося существенным повышением в плазме крови концентрации маркеров воспаления – цитокинов (интерлейкина-1, a-TNF), которые, в свою очередь, индуцируют резорбцию костной ткани. Согласно воспалительной природе развития атеросклероза экспрессия и высвобождение в ток крови и окружающие ткани OPG клетками эндотелия и гладкомышечными клетками стенок сосудов осуществляются под влиянием указанных провоспалительных факторов. В отличие от стромальных клеток, эндотелиальные клетки и гладкомышечная ткань сосудов не реагируют повышением синтеза и высвобождением OPG на изменение содержания витамина D3 или паратгормона (РТН) в плазме крови. OPG предупреждает обусловленную витамином D3 эктопическую кальцификацию в сосудах, одновременно повышая содержание OPN, основного неколлагенового матриксного белка костей, который действует как ингибитор минерализации сосудов и как триггер синтеза и высвобождения эндотелиальными и гладкомышечными клетками OPG. OPN, угнетая процесс образования гидроксиапатитного матрикса (in vitro) и кальцификацию сосудов (in vivo), в достаточно высоких концентрациях синтезируется и высвобождается гладкомышечными клетками media стенки сосудов и макрофагами интимы. Синтез OPN осуществляется в местах с преимущественной минерализацией сосудистой стенки и регулируется провоспалительны-ми и остеогенными факторами. Совместно с ауЬЗ-интегрином, синтезируемым клетками эндотелия в местах атерогенеза, OPN обусловливает NF-kB-зависимое влияние OPG на сохранение целостности клеток эндотелия. Таким образом, повышение концентрации в плазме крови и тканях сосудов OPG, наблюдаемом при сердечно-сосудистых заболеваниях, может быть следствием активности клеток эндотелия как под влиянием маркеров воспаления, так и в результате воздействия OPN/avb3-HHTerpnHOBoro механизма.

Активация NF-kB в макрофагах артериальной стенки и в ОК также является одним из важных механизмов, связывающих остеопороз и атеросклероз. Повышение активности NF-kB происходит в результате воздействия цитокинов, высвобождаемых активированными Т-клетками в интиме сосудов, что способствует повышению активности киназы серина/треонина (Akt, протеинкиназы В), важного фактора для функции, в первую очередь, клеток эндотелия сосудов.

Установлено, что в результате повышения активности протеинкиназы В наблюдается стимуляция eNOS и повышение синтеза оксида азота (NO), участвующего в механизме сохранения целостности эндотелиальных клеток. Подобно OPG, синтез и высвобождение RANKL клетками эндотелия осуществляется под влиянием цитокинов воспаления, но не в результате воздействия витамина D3 или РТН, которые способны повышать концентрацию RANKL в ОБ или стромальных клетках.

Повышение концентрации RANKL в артериальных и венозных сосудах осуществляется также в результате ингибирующего воздействия трансформирующего фактора роста (TGF-Pj) на процесс экспрессии OPG, содержание которого существенно понижается под влиянием этого фактора оказывает разнонаправленное влияние на содержание RANKL в кости и сосудах: в костной ткани TGF-Pj способствует экспрессии OPG ОБ и, как результат, OPG, связывая RANKL, понижает его концентрацию и активность остеокластогенеза. В стенках сосудов TGF-Pj повышает соотношение RANKL/OPG и, как следствие, содержание RANKL, взаимодействуя с его рецептором RANK на поверхности мембран клеток эндотелия при участии внутриклеточных сигнальных систем, стимулирует остеогенез сосудистых клеток, активирует процесс кальцификации, пролиферации и миграции клеток, ремоделирование матрикса. Результатом новой концепции на основе современного представления о клеточно-молекулярном механизме развития ремодели-рования кости при остеопорозе и процесса атеросклерозирования, выяснения ведущей роли цитокиновой RANKL-RANK-OPG-системы в реализации этих заболеваний, явился синтез препарата нового поколения – деносумаба. Деносумаб (Prolia; Amgen Incorporation) – специфическое человеческое моноклональное антитело с высокой степенью тропности к RANKL, блокирующий функцию этого протеина. В многочисленных лабораторных и клинических исследованиях установлено, что деносумаб, проявляя высокую способность понижать активность RANKL, значительно замедляет и ослабляет степень резорбции кости. В настоящее время деносумаб применяют как препарат первого ряда, наряду с бисфосфонатами, у пациентов с системным остеопорозом с целью предупреждения переломов костей. Одновременно S. Helas и соавт. установили ингибирующее влияние деносумаба на способность RANKL реализовать процесс кальцификации сосудов. Таким образом, полученные данные открывают новые возможности для замедления прогрессирования остеопороза и атеросклероза сосудов, предупреждения развития сердечно-сосудистых осложнений при остеопорозе, сохранения здоровья и жизни пациентов.

С. Сагаловски, Рихтер. Патофизиологическое единство развития остеопороза и атеросклероза сосудов // Международный медицинский журнал – №4 – 2012