Роль различных сигнал-трансдукторных систем в дегенерации межпозвонковых дисков

Полный текст

Введение Межпозвонковый диск (МПД) представляет собой сложную анатомическую структуру, состоящую из пульпозного ядра, фиброзного кольца и замыка-тельных пластинок. МПД является амортизирующей прослойкой между телами двух соседних позвонков, не позволяя им соприкасаться друг с другом. Дегенерация МПД приводит к возникновению хронического болевого синдрома в спине, что в значительной мере снижает качество жизни человека и приводит, в итоге, к инвалидизации [1]. Более того, высокая распространенность болевого синдрома в нижней части спины позволяет говорить о том, что дегенеративное заболевание МПД - это социально-экономическая проблема мирового масштаба [2]. Дегенерация МПД - это мультифакторное заболевание, которое характеризуется нарушением баланса между катаболическими и анаболическими процессами, а также изменением гисто-, цитоархитектоники и биохимического состава структур МПД [3-7]. Тем не менее, до настоящего времени механизмы развития дегенеративного заболевания МПД до конца не изучены [5]. С начала второй половины прошлого столетия в мире ведутся активные исследования, посвященe-mail: byval75_vadim@yandex.ru ные изучению апоптотических процессов в клетках МПД [8, 9]. Данные, полученные за последние годы, говорят о том, что развитие дегенерации МПД может быть связано с несколькими факторами: повышением уровня содержания провоспалительных цитокинов в тканях МПД, идиопатическим нарушением трофики его структур, а также генетической предрасположенностью к данному заболеванию, обусловленной наличием многочисленных полиморфизмов [5]. Основой одного из механизмов развития дегенерации МПД является разрушение внеклеточного матрикса пульпозного ядра [10, 11]. Как известно, пульпозное ядро в норме представляет собой гелеобразную, высокогидратированную соединительную ткань, богатую протеогликанами и нотохордальными клетками [1, 12]. Клетки пуль-позного ядра играют важную роль в обеспечении биомеханической функции всего МПД, нивелируя воздействие различных механических нагрузок. Это возможно благодаря синтезу внеклеточного матрикса клетками пульпозного ядра [13-16]. У взрослых людей нотохордальных клеток становится меньше. Эти клетки сменяются хондроцитоподобными, которые, в свою очередь, в результате естественного старения и дегенерации приобретают характерис Гены & Клетки Том XII, № 4, 2017 ОБЗОРЫ 21 тики хондроцитов. В среднем у взрослого человека плотность клеток пульпозного ядра составляет 4х106 клеток/см3 [14]. Доказано, что дегенерация МПД характеризуется и деградацией внеклеточного матрикса, и гибелью клеток пульпозного ядра, что в конечном итоге приводит к потере прочности всего МПД при воздействии различных нагрузок [1, 12]. На современном этапе развития медицины консервативное лечение дегенеративного заболевания МПД ограничивается лишь несколькими вариантами симптоматической и патогенетической терапии. Подробное изучение работы сигнал-трансдукторных систем, вовлеченных в патогенез дегенерации МПД, позволит разработать новые точки приложения в лечении данного заболевания [17]. Более того, разработанные терапевтические агенты будут способны не только замедлить дегенеративные процессы в МПД, но активизировать процессы репарации в его структурах [4]. Цель настоящего обзора - анализ современных литературных данных, посвященных изучению роли различных сигнал-трансдукторных систем в патогенезе дегенерации МПД. Сигнал-трансдукторные системы - это механизмы передачи и усиления сигналов, полученных клеткой от гормонов, цитокинов, факторов роста и других воздействий. Множество внутриклеточных реакций передают информацию от рецептора внутрь клетки, изменяя её метаболизм посредством транскрипционных факторов. Эти изменения носят неоднозначный характер. Один и тот же клеточный сигнальный путь способен регулировать как пролиферацию, так и апоптоз. Пути могут быть связаны между собой, а отдельные компоненты одного пути способны активировать или ингибировать другой сигнальный путь. Это сложнейшая система, понимание механизмов которой может позволить влиять на клеточный ответ. Созданы препараты, способные ингибировать определенные стадии сигнал-трансдукторного пути и клеточные реакции, однако в широкую клиническую практику такие препараты еще не внедрены. Примерами действующих веществ таких лекарственных препаратов-кандидатов, исследуемых для терапии дегенерации МПД, служат: ресвератрол - природный полифенол, содержащийся в листьях горца японского и способный ингибировать IL-6, -8-зависимые сигнальные пути; 4,5-дигидроксиантрахинон-2-карбонат - природный антрахинон, получаемый из корневищ Ревеня пальчатого и способный угнетать активность IL-1-зависимого клеточного пути [18]. В настоящее время большое внимание уделяют возможностям клеточной терапии и тканевой инженерии. Так, существует целый ряд экспериментальных исследований, подтверждающих высокую эффективность применения мультипотентных мезенхимальных стро-мальных клеток (ММСК), полученных из костного мозга, жировой ткани, синовиальной оболочки и др., в лечении дегенерации МПД [8, 19]. Дегенеративные заболевания МПД характеризуются гибелью клеток в его структурах с повышением содержания уровня провоспалительных цитокинов (фактора некроза опухолей-а (TNF-а), интерлейкина 1ß (IL-1 ß), интерлейкина 6 (IL-6), интерлейкина 9 (IL-9), интерлейкина 17 (IL-17)) [18, 20]. Биологически активные молекулы, такие как цитокины и факторы роста, индуцируют дегенерацию внеклеточного матрикса и разрушают его компоненты, в первую очередь, структуру коллагеновых фибрилл и аггреканов [4, 21, 22]. Роль митоген-активированных протеинкиназных сигнальных систем в дегенерации МПД Существуют три основных митоген-активиро-ванных протеинкиназы (MAPK): p38 киназа, c-Jun N-концевая киназа (JNK) и сигнал-регуляторная внеклеточная киназа (ERK) [23]. Все они участвуют в различных клеточных сигнальных путях, регулирующих клеточный рост, пролиферацию, дифферен-цировку и апоптоз [24]. Белок-активатор-1 (AP-1) - это транскрипционный фактор MAPK пути. Он может взаимодействовать со специфическими последовательностями ДНК, названными AP-1 сайтами. Интерлейкин 17А (IL-17A, транскрипционный фактор в MAPK) представляет собой цитокин, продуцируемый активированными Т-хелперами. IL-17A - один из основных провоспалительных цитокинов, вовлеченных в патогенез ряда заболеваний, таких как ревматоидный артрит, системная склеродермия, бронхиальная астма, а также дегенерация МПД [25-27]. Рис. 1. Клеточный сигнальный путь MAPK: IL-17A - интерлейкин-17A; IL-17RA - рецептор к интерлейкину-17А; p38 - сигнальный путь p38 киназы; JNK - сигнальный путь c-Jun N-концевой киназы; ERK - сигнал-регуляторная внеклеточная киназа; AP-1 - белок-активатор-1; c-Jun и c-Fos - гетеродимеры белка AP-1; COX-2 - циклооксигеназа 2; PGE-2 - простагландин Е2; AP-1R - рецептор AP-1 Гены & Клетки Том XII, № 4, 2017 22 ОБЗОРЫ IL-17A в значительной мере усиливает синтез ци-клоокигеназы-2 (COX-2) и простагландина-Е2 (PGE-2) через активацию MAPK/AP-1 пути в клетках пуль-позного ядра, что ведет к активации воспалительной реакции в ткани МПД [28]. Важно отметить, что при активации вышеуказанных реакций усиливается фос-форилирование p38 киназы и JNK, но не ERK [28]. Белок AP-1 существует и функционирует в виде гетеродимеров c-Jun и c-Fos [23]. Для экспрессии COX-2 необходимы обе части AP-1, чтобы связаться с одноименным сайтом [28]. Таким образом, IL-17A, индуцирующий экспрессию COX-2 и повышающий продукцию PGE-2, используя AP-1-зависимые механизмы, работает через параллельные сигнальные каскады, включающие p38/c-Fos и JNK/c-Jun [28]. Повышенная экспрессия гена c-fos в клетках пульпоз-ного ядра приводит к прогрессии дегенерации МПД [28]. IL-17A также в значительной мере усиливает фосфорилирование c-Jun, который не только является транскрипционным фактором в MAPK, но и цепью JNK (рис. 1). Активация JNK пути усиливает фосфорилирование белка c-Jun, который затем активирует экспрессию самого гена c-jun [23]. Также IL-17А может индуцировать ядерную транслокацию c-Jun и c-Fos, работа которых может быть остановлена некоторыми JNK и p-38 ингибиторами. К тому же при ингибировании p38/c-Fos или JNK/c-Jun, продукция COX-2 и PGE-2 значительно снижается [23]. TNF-зависимый механизм дегенерации МПД PGE-2, который синтезируется с помощью фермента COX-2, регулирует активность различных сигнальных путей, действуя через рецепторы про-стагландина E2 (EP-рецепторы) семейства G-белков [29]. TNF-a усиливает экспрессию COX-2 в клетках МПД, а также увеличивает продукцию PGE-2, что стимулирует работу Wnt-сигнального пути. Сигнальный каскад PGE-2 контролируется провоспалитель-ными цитокинами как на уровне синтеза главного компонента, так и на уровне экспрессии подклассов рецепторов к простаноидам [30]. EP3 рецептор является ключевым в активации Wnt-сигнального пути TNF-a-PGE2 [29]. Также установлено, что возможно контролировать экспрессию Wnt-сигнального пути через ядерный фактор каппа-B (NF-kB). Другими словами, увеличение активности Wnt-сигнального пути TNF-a может напрямую зависеть от состояния NF-kB сигнального пути [30, 31]. TNF -a активирует p65, JNK и p38-участки MAPK сигнального пути в клетках пульпозного ядра МПД [30]. При этом стимуляция пролиферативных процессов, осуществляемая через TNF-a, зависит от взаимодействия NF-kB, JNK и p38 сигнальных путей [32]. В том числе установлено, что кратковременное воздействие TNF-a стимулирует пролифератив-ные процессы через MAPK путь без задействования внеклеточной сигнал-регулируемой киназы (Erk)1/2 участка [30, 31]. В обычных условиях и при непродолжительном стрессовом воздействии, большинство молекул MKK7 находятся в дефосфорилированном состоянии [9]. RASSF7, подавляя активацию фосфорили-рованных MKK7, оказывает отрицательное модулирующее воздействие на проапоптотические JNK. При продолжительном воздействии стрессовых факторов или усилении их интенсивности, молекулы RASSF7 подвергаются деградации, что освобождает связанные фосфорилированные MKK7. В свою очередь, данные молекулы оказывают положительное модулирующее воздействие на JNK [33]. Доказано, что усиление экспрессии RASSF7 в ткани дегенерирующего МПД приводит к снижению уровня апопто-тического действия JNK пути [9]. Значение трансформирующих факторов роста Костные морфогенетические белки (BMPs) - это подгруппа суперсемейства трансформирующих ростовых факторов [34]. Наиболее изучена и доказана роль в дегенерации МПД для BMP-7. BMP-7 способен стимулировать синтез и созревание аггрекана и коллагена II типа через Smad 1, 5, 8 сигнальный путь, как и другие представители этой подгруппы [5]. Другие белки суперсемейства используют Smad 2, 3 сигнальные механизмы. В качестве неканонических путей обе группы способны использовать MAPK/ ERK и TAK1/p38 сигнальные пути [35]. BMP-7 взаимодействует с одноименными рецепторами типа I и II. Когда киназа рецептора I активируется, факторы Smad 1, 5 и 8 фосфорилируются и формируют комплекс с белком Smad 4, который перемещается в ядро клетки. В ядре он взаимодействует с другими транскрипционными факторами и стимулирует экспрессию таргетных генов (рис. 2) [5]. Рис. 2. Схема функционирования внутриклеточного сигнального пути BMP-7: BMP-7 - костный морфогенетический белок 7; BMPR - рецептор костных морфогенетических белков; SMAD - внутриклеточные белки, обеспечивающие передачу внеклеточных сигналов JNK и их значение в апоптозе клеток МПД JNK ферменты являются важными модуляторами апоптоза, действуя через активацию MAPKKKs-MKK4/MKK7-JNK пути. Исследования показали, что ингибирование RASSF7 (член семейства Ras-ассоциированных доменов) приводит к увеличению степени протекции клеток от JNK активации в норме [9, 33]. Белок Fox-C2 - это транскрипционный фактор семейства Forkhead. BMP-7 индуцирует экспрессию гена, кодирующего синтез белка Fox-C2, что по механизму положительной обратной связи обеспечивает активацию сигнального пути. Активация транскрипционного фактора Smad через BMP/Smad сигнальный путь важна для усиления восстановления внеклеточного матрикса и регенерации пульпозного ядра МПД [5, 35]. Гены & Клетки Том XII, № 4, 2017 ОБЗОРЫ 23 Сигнальные пути Toll-подобных рецепторов и их роль в дегенерации МПД Принято считать, что Toll-подобные рецепторы (TLR) опосредуют катаболические и воспалительные процессы в клетках МПД человека [1], они действуют через множество вторичных посредников (молекулярных агентов) При воздействии на данные рецепторы цитокина IL-1 ß происходит активация NF-кВ сигнал-трансдукторного пути, что влечет за собой экспрессию генов, кодирующих синтез подгруппы ферментов - матриксных металлопротеиназ (MMP) [36]. При стимуляции Toll-подобных рецепторов на всех клетках организма, у которых на цитоплазматической мембране есть такие рецепторы, последние взаимодействуют c адапторным белком-88 первичного ответа миелоидной дифференцировки (MyD88), который, в свою очередь, регулирует сигнальные киназы. В результате данного взаимодействия, происходит активация транскрипционных факторов семейства NF-кВ [4]. Следует учитывать, что для TLR3 и TLR4 существует MyD88-независимый путь активации. TLR4 может использовать оба механизма передачи сигнала: MyD88 или TIR-домен, содержащий адаптер, индуцируемый интерфероном-ß (TRIF), в то время как TLR3 способен использовать только последний из них [4]. Хотя MyD88-зависимый и независимый сигнальные пути используют различные адапторные белки, они оба запускают активацию и ядерную транслокацию NF-кВ, приводя к синтезу нескольких провоспалительных цитокинов [36]. Рис. 3. Структура сигнал-трансдукторной системы Toll-подобного рецептора: TLR - Toll-подобные рецепторы; MyD88 - адапторный белок-88 первичного ответа миелоидной дифференцировки; NF-кВ - сигнальный путь ядерного фактора каппа-бета; TRIF - TIR-домен содержащий адаптер; индуцируемый интерфероном-ß; IL-1 ß - интерлейкин 1ß; TNF -а - фактор некроза опухоли а Например, экспрессия TNF-а и IL-1 ß в клетках пульпозного ядра усиливается в зависимости от концентрации липополисахаридов, подтверждая тем самым, что активация Toll-подобного рецептора может служить триггером воспалительного каскада в клетках пульпозного ядра МПД. Липополисахариды способны увеличивать синтез провоспалительных цитокинов через MyD88-зависимый TLR4 сигнал-трансдукторный механизм. Кроме того, TLR4 может быть активирован взаимодействующими с ним напрямую или через посредников эндогенными молекулами, такими как белки теплового шока, гиалуро-новая кислота и ß-дефензин 2 (рис. 3) [4]. Механизм контроля образования индуцируемого гипоксией фактора в контексте нарушения метаболизма в МПД Одним из ключевых звеньев нарушения цитоархитектоники МПД считается снижение уровня диффузии питательных веществ и кислорода вглубь МДП из наружных отделов фиброзного кольца [37]. Недостаток кислорода, в свою очередь, запускает каскад реакций, приводящих к увеличению синтеза провос-палительных цитокинов, в первую очередь, клетками пульпозного ядра [18]. Индуцируемый гипоксией фактор (HIF) является димером, синтезирующимся в организме в виде двух субъединиц: HIF-а и HIF-ß [38]. В нормальных условиях пролилгидроксилаза (PHD) контролирует кислород-зависимую деградацию а-субъединицы, гидроксилируя аминокислотные остатки пролила [37, 38]. В условиях гипоксии фермент ингибируется и подвергается катаболизму, субъединица стабилизируется, впоследствии объединяясь с HIF-ß, и работает как транскрипционный фактор [39]. Описываемое выше взаимодействие осуществляется через NF-<B/p65 сигнал-трансдук-торную систему, регулируя уровень провоспалитель-ных цитокинов: TNF-а, IL-1 а, IL-6, интерферона-у (IFN-y). Доказано, что ингибирование PHD усиливает TNF-опосредованное воздействие на аггреканы и коллагены, что нарушает структурные и биомеханические функции пульпозного ядра МПД [37]. Механизм опосредования эффекта PHD2 через NF-кВ на TNF-а считается уникальным для клеток ядра МПД (рис. 4) [18]. Рис. 4. Трансформация индуцируемого гипоксией фактора: HIF - индуцируемый гипоксией фактор; PHD - пролилгидроксилаза Гены & Клетки Том XII, № 4, 2017 24 ОБЗОРЫ Заключение Таким образом, дегенеративное заболевание МПД представляет собой каскад из множества неспецифичных сигнальных внутриклеточных путей, в которых сотни молекул осуществляют изменение метаболизма в каждой отдельной клетке [40]. При этом изменение метаболизма в клетках проявляется нарушением питания МПД и, как следствие, изменением нормальной гистоархитектоники и структуры внеклеточного матрикса МПД. На сегодняшний день создано несколько препаратов-кандидатов, действующих на работу отдельных клеточных сигнальных путей, которые вовлечены в патогенез дегенерации МПД [18]. Некоторые препараты показали свою высокую эффективность в терапии данного заболевания на моделях дегенеративного заболевания МПД у крыс. Активно развиваются методы клеточной терапии и тканевой инженерии при данной патологии [8, 19]. Безусловно, перспективным направлением современной молекулярной биологии является подробное изучение работы сигнальных путей, вовлеченных в патогенез дегенерации МПД. Также немаловажное значение отводится исследованию факторов, активирующих работу вышеуказанных цитокинов. Принято считать, что в активации цито-кинов и биологически активных веществ, играющих ключевые роли в патогенезе дегенерации МПД, участвуют несколько факторов: 1) наличие генетической предрасположенности к дегенерации МПД; 2) постоянная чрезмерная механическая нагрузка на структуры позвоночного столба; 3) оперативные вмешательства на позвоночнике в анамнезе; 4) инфекционно-воспалительный фактор (связанный с персистирующей инфекцией, вызванной P. acnes, S. aureus, S. epidermidis). Мы считаем, что в активации цитокиновых реакций, вовлеченных в молекулярный патогенез дегенерации МПД, участвуют одновременно несколько вышеперечисленных факторов. Их изучение позволит разработать новые точки приложения в терапии данного заболевания и внедрить их в широкую клиническую практику.

Об авторах

В. А Бывальцев

Иркутский государственный медицинский университет; Дорожная клиническая больница на ст. Иркутск-Пассажирский ОАО «РЖД»; Иркутский научный центр хирургии и травматологии; Иркутская государственная медицинская академия последипломного образования

Email: byval75_vadim@yandex.ru

Н. Е Гаращенко

Иркутский государственный медицинский университет; Иркутский национальный исследовательский технический университет

И. А Степанов

Иркутский государственный медицинский университет

Н. Т Алдиярова

Республиканский центр развития здравоохранения, Астана

Список литературы

Дополнительные файлы