Pro-inflammatory and anti-inflammatory cytokines in the pathogenesis of osteoarthritis

Abstract

The review summarizes the current understanding of the role of cytokines in the pathogenesis of osteoarthritis. The imbalance of pro-inflammatory and anti-inflammatory cytokines in the joint tissues leads to the development of inflammation and cartilage damage, which leads to progressive degeneration of the joints.

Full Text

Остеоартрит (ОА) — хроническое гетерогенное прогрессирующее заболевание суставов, характеризующееся деградацией экстрацеллюлярного матрикса хряща, которое сопровождается ремоделированием тканей сустава и проявляется болевым синдромом, развитием краевых остеофитов с нарушением функциональной активности и снижением качества жизни больных [1]. В России ОА поражено до 12 % населения, причем в последние годы вызванная им нетрудоспособность возросла в 3–5 раз [2]. По данным ВОЗ, в развитых странах количество пациентов с ОА, особенно в старших возрастных группах, постоянно растет. Среди причин инвалидности больных старше 50 лет данное заболевание входит в лидирующую группу [2].

Согласно последним данным участие иммун ной системы в развитии и прогрессировании ОА является одним из ключевых элементов патогенеза болезни [3]. Анализ постоянно растущего числа исследований указывает на особую роль сети цитокинов в патогенезе ОА. Во время прогрессирования ОА синтез и действие различных цитокинов могут изменяться в зависимости от продолжительности и тяжести заболевания [4]. Этот обзор представляет собой анализ современных знаний об иммунорегуляторной роли целого ряда цитокинов в патогенезе ОА.

Провоспалительные цитокины в патогенезе остеоартрита

Ключевую роль в процессе деградации хряща играют провоспалительные цитокины, которые синтезируются и воздействуют на большинство клеток-мишеней, находящихся в суставе, уже на самой ранней стадии воспаления. Среди многих представителей этой группы наибольшее значение в патогенезе ОА играют TNF-α, IL-1β, IL-2, IL-6, IL-15, IL-17 и IL-18.

Интерлейкин-1 бета (IL-1β) считается одним из ключевых цитокинов, участвующих в патогенезе ОА. Он индуцирует воспалительные реакции и катаболический эффект в суставном хряще, субхондральной кости, синовиальной оболочке, связках и других суставных тканях. Это один из 11 представителей семейства IL-1 (IL-1F) [5]. Его синтез мононуклеарами, присутствующими в суставе или проникшими туда в течение воспалительной реакции, оказывает значительное влияние на метаболизм хондроцитов, остеобластов, остеокластов и клеток синовиальной оболочки [6]. Во многих исследованиях показано, что пациенты с ОА имеют повышенный уровень IL-1β в сыворотке крови, синовиальной жидкости, синовиальной оболочке, хряще и в субхондральной кости [7]. Биологическая активация клеток с помощью IL-1β опосредована взаимодействием с мембранным рецептором 1-го типа (IL-1R1), который также может связываться другим агонистом IL-1α и, кроме того, рецепторным антагонистом IL-1ra. При этом передача активирующего сигнала внутрь клетки происходит только при сборке комплекса — IL-1β или IL1-α, IL-1R1 и акцессорный белок рецептора IL-1AcP. Затем происходит взаимодействие с адаптерным белком MyD88 с последующей активацией связанных с IL-1RI киназ IRAK4 и IRAK1. Это приводит к инициации МАР-киназных каскадов [10] и к активации транскрипционного фактора NF-κB, которая сопровождается экспрессией сотен генов, ответственных за продукцию других цитокинов, хемокинов, молекул адгезии, других медиаторов воспаления и ферментов [11].

При ОА у пациентов усиливается экспрессия рецептора IL-1R1 на поверхности хондроцитов и фибробластоподобных синовиоцитов, а также значительно повышается локальная концентрация IL-1β [9]. Повышение локального уровня ИЛ-1β смещает в тканях регулирующий баланс в пользу агониста, стимулируя развитие воспаления по механизму, схожему с другими воспалительными заболеваниями суставов.

Эффект IL-1β проявляется в его значительном влиянии на метаболизм клеток и внеклеточного матрикса (ECM) [12]. В ходе болезни первостепенное значение имеет постепенная потеря суставного хряща. Многие исследования подтверждают, что IL-1β блокирует синтез хондроцитами ECM-компонентов, препятствуя синтезу ключевых структурных белков, таких как коллаген типа II и протеогликаны [13]. IL-1β также стимулирует синтез металлопротеи наз (ММР), преимущественно MMP-1, MMP-3 и MMP-13, способствующих повреждению суставного хряща [14]. Кроме индукции ферментов семейства MMP, IL-1β влияет на продукцию хондроцитами металлопротеиназ ADAMTS, которые ответственны за протеолиз молекул аггрекана [15]. IL-1β вместе с TNF-α также стимулирует апоптоз хондроцитов [16]. Кроме того, в период обострения болезни IL-1β стимулирует образование активных форм кислорода (ROS), которые непосредственно повреждают суставной хрящ, что происходит на фоне подав ления экспрессии и продукции окислительных ферментов [17]. Помимо этих прямых эффектов IL-1β индуцирует продукцию других цитокинов, включая IL-6, IL-8 и фактор, вызывающий лейкемию (LIF), которые обусловливают аддитивные или синергические эффекты в катаболическом каскаде. Также IL-1β активирует ноцицепторы посредством усиления активности внутриклеточной киназы и индуцирует косвенную сенсибилизацию путем увеличения продукции кининов и простаноидов. Эта взаимосвязь указывает на возможность корреляции уровней цитокинов с интенсивностью болевого синдрома и рентгенографическими признаками прогрессирования заболевания у пациентов с ОА.

Фактор некроза опухолей альфа (TNF-α) вместе с IL-1β считается ключевым воспалительным цитокином, участвующим в патофизиологических процессах, происходящих в тканях суставов при ОА. Это один из 19 лигандов в суперсемействе факторов некроза опухоли (TNF) [18]. TNF-α секретируется теми же клетками в суставе, которые синтезируют IL-1β, и его повышенная концентрация наблюдается при обострении ОА в сыворотке крови, синовиальной жидкости, синовиальной оболочке, хряще и субхондральной кости [7]. Цитокин обладает способностью связываться с двумя изотипами мембранных рецепторов, расположенных на поверхности почти каждой клетки, TNF-R1 и TNF-R2 [19]. Рецептор TNF-R1 связывает растворимую и мембранную форму TNF-α, тогда как TNF-R2 — в основном мембранную форму [19]. TNF-R1 способен активировать два различных сигнальных комплекса: первый участвует в активации путей, конечные продукты которых стимулируют воспалительный ответ, секрецию цитокинов и продуцирование белков, предотвращающих апоптоз, тогда как второй включает сигнальную трансдукцию, приводящую к гибели клеток [20]. Связь TNF-α с TNF-R1 приводит к активации одного из наиболее важных путей транскрипции — NF-κB [21]. Другой важный сигнальный путь активируется киназой JNK, а также ERK и p38MAPK [20]. Образование комплекса II  сопровождается эндоцитозом активированного рецептора, изменением его конформации и акти вации FADD и прокаспазы 8, что приводит к гибели клеток [22]. В свою очередь, связывание mTNF-α с рецептором TNF-R2 приводит к включению TRAF2, имеющего решающее значение в трансдукции сигнала, а также TRAF3, c-IAP1 и c- IAP2, приводящему к активации JNK-киназы и транскрипционного фактора NF-κB [23]. Было доказано, что полиморфизм в гене TNF-R2 (M196R) может предопределять развитие OA путем увеличения количества рецепторных белков на поверхности хондроцитов, что обусловливает нарушение их функций из-за чрезмерной активации mTNF-α [24]. В ряде исследований обнаружен дополнительный лиганд, способный связываться как с TNF-R1, так и с TNF-R2, — програнулин (PGRN) [25]. PGRN — это фактор роста, обладающий противовоспалительными и иммуномодулирующими свойствами [26]. Было показано, что уровень PGRN значительно повышен у пациентов с ОА. Возможность конкурентного связывания PGRN с TNF-α-рецепторами, а также повышение его концентрации в течение болезни делает его естественным антагонистом TNF, блокирующим сигнальные пути TNF-α/TNF-R1 и TNFα/TNF-R2. Эффект TNF-α в большинстве случаев совпадает с действием IL-1β. Он является результатом активации одной и той же группы внутриклеточных реакций, которые увеличивают воспаление и катаболизм в суставных тканях [11]. TNF-α блокирует синтез хондроцитами протеогликановых компонентов и коллагена типа II [27]. Активированные хондроциты продуцируют MMP-1, MMP-3, MMP-13 и ADAMTS-4 [15]. TNF-α также индуцирует апоптоз хондроцитов и вызывает расстройство миграции хондрогенных клеток-предшественников, в результате чего снижается регенерационный потенциал хряща [28]. TNF-α стимулирует синтез других цитокинов, например IL-6, IL-8, RANTES и VEGF. [29]. Биологическое действие TNF как воспалительного цитокина зависит от его концентрации в тканях. При высоких концентрациях TNF выступает в роли медиатора повреждения хрящевой и костной ткани и развития системной воспалительной реакции. TNF-α, помимо мощных катаболических эффектов в патофизиологии ОА, активирует сенсорные нейроны непосредственно через рецепторы TNFR1 и TNFR2 и инициирует каскад воспалительных реакций, стимулируя продукцию IL-1, IL-6 и IL-8. При повышении продукции TNF-α развивается ноцицептивная и невропатическая боль. Анти-TNF-α-лечение антителом TNF позволяет уменьшить симптомы боли и воспаления при ОА на длительное время.

Интерлейкин-6 (IL-6) представляет собой полипотентный цитокин, активирующий иммунную систему и усиливающий воспалительный ответ. Синтез IL-6 в тканях пораженного сустава обычно происходит в ответ на IL-1β и TNF-α и в основном осуществляется хондроцитами, остеобластами, макрофагами и адипоцитами [30]. Повышение концентрации IL-6 наблюдается как в синовиальной жидкости, так и в сыворотке крови и положительно коррелирует с интенсивностью повреждений при рентгенологических исследованиях [31].

Существует два подтипа рецептора IL-6R, а именно мембранная форма mIL-6R и растворимая sIL-6R [31]. Активность IL-6 реализуется посредством его высокоаффинного связывания с мембранным рецептором, который экспрессируется на поверхности В-лимфоцитов и других клеток, последующего формирования комплекса субъединицы gp80 IL-6R с гомодимером трансмембранной молекулы gp130 и передачи сигнала внутрь клетки. В результате происходит активация STAT3, фосфорилирование MAPK и активация пути PI3 K/AKT [33]. Необходимо отметить, что полиморфизм гена (-174G/C), кодирующий IL-6, может предопределять скорость развития патологических изменений при ОА [34]. Воздействие IL-6 на суставной хрящ приводит к уменьшению продукции коллагена типа II и увеличению синтеза ферментов из группы ММРА [35]. Остеобласты, стимулированные IL-6, в свою очередь, становятся дополнительными источниками IL-1β, TNF-α и могут также продуцировать ММР, оказывая деструктивное влияние на расположенный вблизи субхондральной кости хрящ [37], что замыкает круг взаимосвязей между этими тремя провоспалительными цитокинами. В ряде работ отмечается активация афферентных нейронов при повышении уровня IL-6, что указывает на важную роль IL-6 в распространении боли при ОА [50].

Таким образом, IL-6 считается ключевым цитокином, вызывающим изменения в субхондральной кости [36]. Его влияние в значительной степени основано на повышении активности остеокластов и, следовательно, резорбции субхондральной кости. Это обстоятельство делает IL-6 наряду с IL-1β и TNF-α важной терапевтической мишенью при ревматоидном  артрите и остеоартрите.

Интерлейкин-15 (IL-15) регулирует дифференцировку и пролиферацию Т-клеток и NK-клеток [39]. Его повышенная концентрация была обнаружена в синовиальной жидкости больных ОА на ранних стадиях заболевания [40]. Было также показано, что повышенный уровень IL-15 в сыворотке коррелирует как с уровнем болевого синдрома, так и со степенью повреждений при рентгенографии [41]. Также было отмечено, что повышение его выработки может стимулировать секрецию определенных типов металлопротеиназ [40].

Семейство интерлейкинов-17 (IL-17) представляет собой группу провоспалительных цитокинов (IL-17A-F), которые могут взаимо действовать через пять типов рецепторов (IL-17RA-E) [42]. Источником IL-17 служат стимулированные CD4+-Т-клетки и тучные клетки, которые проникают в синовиальную мембрану через кровеносные сосуды [43]. Уровень IL-17 в сыворотке и синовиальной жидкости пациентов повышен и коррелирует с рентгенографическими признаками повреждений при ОА [44]. Было показано, что IL-17 ингибирует синтез протеогликанов хондроцитами и способствует продуцированию ферментов группы ММР [45]. Кроме того, IL-17 усиливает секрецию других цитокинов и соединений, влияющих на деструкцию хряща, таких как IL-1β, TNF-α, IL-6, NO и PGE2 [46]. В ряде работ было продемонстрировано, что полиморфизм гена IL-17A G-197A может быть ответственным за быстроту развития и выраженность проявлений ОА [47].

Интерлейкин-18 (IL-18) является еще одним  представителем семейства IL-1. Синтез IL-18 в суставе осуществляется хондроцитами, остео бластами и макрофагами [48]. Его повышенная концентрация наблюдается в синовиальной жидкости, синовиальной оболочке, хряще и сыворотке крови и показывает положительную корреляцию со степенью суставных повреждений при рентгенографических исследованиях [49]. Полиморфизм генов, кодирующих IL-18R и интерлейкин-18, может предопределять скорость развития дегенеративных изменений при ОА [50]. IL-18 действует на хондроциты, индуцируя усиление экспрессии IL-18R на их поверхности и избыточный синтез металлопротеиназ MMP-1, MMP-3 и MMP-13 [51]. В дополнение к увеличению концентрации ферментов, разрушающих хрящи, происходит ингибирование продуцирования протеогликанов, аггрекана и коллагена типа II; кроме того, хондроциты обнаруживают морфологические изменения, характерные для клеток, входящих в апоптоз [52].

Из описанного выше следует, что в патогенезе ОА участвует множество провоспалительных цитокинов, каждый из которых вносит свой вклад в эскалацию воспаления и за счет взаимной стимуляции усиливает его. В связи с этим в ближайшем будущем важным фактором при выборе оптимального курса терапии будет явля ется предварительный мониторинг цитокинового статуса у пациентов с ОА с целью определения актуальной терапевтической мишени.

Противовоспалительные цитокины в патогенезе остеоартрита

Основным представителем группы противовоспалительных цитокинов, участвующих в патогенезе ОА, является рецепторный антагонист интерлейкина 1 (IL-1) — IL-1ra, IL-10 и TGFβ.

Рецепторный антагонист интерлейкина 1 — IL-1ra

Процесс активации IL-1β в норме регулируется посредством различных механизмов, которые реализуются с участием других белков суперсемейства IL-1. Одним из важнейших белков этого семейства является IL-1ra, синтезирующийся практически теми же клетками, которые отвечают за синтез агонистов IL-1, но в отличие от них постоянно циркулирующий в крови на довольно высоком уровне. IL-1ra имеет более высокую константу ассоциации с IL-1R1, чем IL-1, и эффективно конкурирует с ними за связывание с этим рецептором. Взаимодействие IL-1ra с рецептором препятствует образованию рецепторного комплекса с IL-1AcP и не сопро вождается передачей активирующего сигнала. На тех же клетках присутствует рецептор IL-1R2, который является рецептором-ловушкой, так как не проявляет способности активировать внутриклеточный сигнал и, следовательно, также относится к факторам, регулирующим активность IL-1 [8].

Интерлейкин-10 (IL-10) считается основным противовоспалительным цитокином. После связывания его с рецептором IL-10R запускается каскад внутриклеточной передачи сигнала. Это приводит к активации тирозинкиназ JAK1 и TYK2, что, в свою очередь, акти вирует STAT3-путь, который стимулирует синтез продуктов генов, зависящих от IL-10 [59]. IL-10 представляет собой еще один цитокин, который проявляет хондропротекторный эффект в патогенезе ОА. Было доказано, что IL-10 участвует в стимулировании синтеза коллагена II типа и аггрекана и ответственен за ингибирование продукции металлопротеиназ семейства ММР [60]. Также IL-10 (аналогично IL-4) ингибирует апоптоз хондроцитов [61]. Эти свойства IL-10, вероятно, являются результатом стимуляции синтеза антагониста IL-1β (IL-1Ra) и тканевого ингибитора металлопротеиназ-1 (TIMP-1), а также факторов роста [62]. Было показано, что IL-10 активирует киназный путь SMAD1/SMAD5/SMAD8 и ERK1/2MAP и индуцирует экспрессию костных морфогенетических белков 2 и 6 (BMP-2, BMP-6), что приводит к стимуляции хондрогенеза [63].

Трансформирующий ростовой фактор бета (TGFβ) представляет собой индуктор анаболического ответа хондроцитов и в наибольшей концентрации секретируется в костном матриксе [65]. Это плейотропный цитокин с иммуносупрессивной активностью, стимулятор пролиферации фибробластов, инициатор синтеза матриксных белков. Он также усиливает пролиферацию и дифференцировку остеобластов и усиливает апоптоз остеокластов [65]. При ОА повышенная концентрация TGFβ обна руживается в синовиальной жидкости и хряще, что способствует продукции протеогликана и аггрекана [4].

Иммунорегуляторные цитокины в патогенезе остеоартрита

Интерлейкин-2 (IL-2) является важным иммунорегуляторным цитокином, стимулирующим пролиферацию и дифференцировку активированных Т-лимфоцитов в эффекторные Th-лимфоциты или цитотоксические Т-клетки. IL-2 может стимулировать крупные гранулярные лимфоциты, макрофаги и В-клетки. IL-2 секретируется Т-лимфоцитами CD4+, а также Т-клетками некоторых других субпопуляций лимфоцитов. IL-2 представляет собой мономерный гликопротеин с молекулярным весом 14,6 кД, включающий 133 аминокислотных остатка. По данным изоэлектрофокусирования данный белок представлен несколькими биологически активными формами, отличающимися друг от друга зарядом в связи с разной степенью гликозилирования молекул в посттрансляционный период. Было показано, что уровень IL-2 значительно повышен у пациентов с ОА в синовиальной жидкости и коррелирует с воспалительной активностью. При этом в сыворотке больных ОА на высоте обострения отмечается парадоксальное снижение уровня этого цитокина [7]. На синтез IL-2 при остеоартрите влияют определенные цитокины (IL-1β, IL-6, TNF-α). Продуцируемые другими классами клеток, они стимулируют продукцию IL-2 у преактивированных антигеном Т-клеток. Мишенями ответ ного регуляторного действия IL-2 являются различные субпопуляции Т-клеток, В-клетки, натуральные киллерные клетки, макрофаги, ответственные за воспаление и разрушение в суставных тканях. Все эти клетки имеют соответствующий рецептор для восприятия сигнала от IL-2, который усиливает В-клеточный рост и синтез иммуноглобулинов, интерферона, модулирует экспрессию рецептора IL-2. Дефекты IL-2 и его рецептора были найдены при выраженном костном ремоделировании у пациентов с ОА [11].

Основная функция интерлейкина-4 (IL-4) заключается в регуляции пролиферации и дифференцировки В-лимфоцитов. IL-4 представляет собой лиганд, биологическая активность которого опосредуется через рецепторную систему, предназначенную как для IL-4, так и для IL-13 [53]. После образования комплекса рецепторного типа внутриклеточная сигнальная трансдукция происходит путем постепенного фосфорилирования каскада IL-4Rα/JAK1/STAT3/STAT6, что приводит к экспрессии нескольких провоспалительных генов [54]. Полиморфизм генов, кодирующих как IL-4, так и IL-4Rα, может предопределять развитие ОА в суставах кистей рук, коленном и тазобедренном суставах [55]. Продукция IL-4 осуществляется Т-клетками (Th2), проникающими в сустав по кровеносным сосудам. Повышенная концентрация IL-4 наблюдается также в синовиальной жидкости и синовиальных клетках [56]. IL-4 ассоциируется с сильным хондрозащитным эффек том. Было обнаружено, что IL-4 оказывает ингибирующее действие на деградацию протеогликанов в суставном хряще путем ингибирования секреции металлопротеиназ MMP [57]. Кроме того, только IL-4 или в комбинации с IL-10 ингибирует апоптоз хондроцитов [57]. В дополнение к прямому снижению секреции воспалительных цитокинов происходит также снижение секреции других воспалительных медиаторов, таких как PGE2, COX-2, PLA2 и iNOS [57, 58].

Иммунорегуляторный эффект интерлейкина-13 (IL-13) в патогенезе ОА представляется наиболее важным в отношении фибробластов. Было показано, что IL-13 оказывает ингибирующее действие на синтез провоспалительных IL-1β, TNF-α и MMP-3 с одновременным увеличением уровня IL-1Ra. В ряде работ продемонстрировано, что IL-13 обладает способностью ингибировать провоспалительный эффект TNF-α относительно фибробластов у пациентов с ОА [64].

Заключение

Таким образом, остеоартрит представляет собой комплекс сложных процессов, ведущих к прогрессирующей дегенерации суставов и проявляющихся в виде деградации и деструкции хряща, разрушении структуры субхондральной кости и склерозировании, патологическом разрастании отдельных костных образований (остеофитоз), дистрофии связочного и сухожильного аппарата суставов и мышечной атрофии. В конечном счете вышеперечисленные процессы делают невозможным осуществлять важнейшую функцию опорно-двигательной системы — движение! Большое значение в развитие ОА имеют гормональный дисбаланс, активизация адипокинов при ожирении, нарушения углеводного и пуринового обмена при метаболическом синдроме. Однако на данный момент приоритетным в развитии ОА является воспаление, возникающее из-за очевидной дерегуляции в сети цитокинов и приводящее к нарушению баланса между воспалительными и противовоспалительными цитокинами. При этом отмечается существенный сдвиг в сторону воспалительных цитокинов. В суставах воспалительные цитокины оказывают в первую очередь разрушительное воздействие на суставной хрящ и субхондральную кость. Это многоуровневое воздействие, которое связано не только с индукцией апоптоза хондроцитов, но и с уменьшением синтеза ключевых компонентов хрящевой ткани, таких как протео гликаны, аггрекан и коллаген типа II. Кроме того, воспалительные цитокины способствуют усиленному синтезу и высвобождению многих протеолитических ферментов, в том числе металлопротеиназ семейства MMP и ADAMTS, которые разрушают суставной хрящ. Стоит отметить, что многие провоспалительные цитокины стимулируют в клетке синтез других цитокинов, тем самым каскадно усиливая воспаление. Действие противовоспалительных цитокинов оказывается недостаточным для ингибирования синтеза воспалительных цитокинов и их эффектов и зачастую только усиливает патологическое ремоделирование в суставных тканях.