Роль цитокиновой системы RANKL/RANK/OPG в регуляции минерального обмена костной ткани

50

Обзоры

Роль цитокиновой СИСТЕМЫ RANKL/RANK/OPG в регуляции минерального обмена костной ткани

Д.С. Аганов, В.В. Тыренко, Е.Н. Цыган, М.М. Топорков, С.Г. Бологов Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова, Санкт-Петербург, Россия

The role of cytokine system RANKL/RANK/OPG in the regulation of bone metabolism

D.S. Aganov, V.V. Tyrenko, E.N. Tsygan, M.M. Toporkov, S.G. Bologov S.M. Kirov Military Medical Academy, Saint-Petersburg, Russia

В обзоре представлены современные данные о клеточных и молекулярных механизмах развития нарушения минерального обмена костной ткани. Ключевая роль в понимании процессов регуляции костной реконструкции принадлежит цитокиновой системе, состоящей из рецептора активатора ядерного фактора каппа-бета, его лиганда и остеопротегерина. Показана значимость цитокиновой системы в развитии процесса остеобласто- и остеокластогенеза. Рассмотрены молекулярные процессы гистогенеза и резорбции костной ткани.

Ключевые слова: остеопороз, цитокиновая система RANKL/RANK/OPG, костная ткань, минеральный обмен, ремоделирование, остеобласт, остеокласт.

Введение

Остеопороз (ОП) — системное заболевание, характеризующееся снижением минеральной плотности кости, массой кости и микроструктурными перестройками костной ткани, приводящими к повышенной ломкости. Вследствие снижения костной массы при ОП резко возрастает риск переломов как при незначительной травме, так и при статической нагрузке. Снижение костной массы в единице объема происходит постепенно, скрыто и часто выявляется уже после образования переломов позвонков, шейки бедренной кости, дистального отдела лучевой кости и др. [1].

ОП в настоящее время самое распространенное метаболическое заболевание опорно-двигательного аппарата [2]. Известно, что после перелома шейки бедренной кости 20% пациентов умирают в течение первого года; у 80% формируется ограничение двигательной функции, а 30—40% становятся глубокими инвалидами. По результатам исследований, переломы позвонков приводят к снижению 5-летней выживаемости на 16% с последующим увеличением риска летального исхода в течение первых 5 лет после перелома в 2,26 раза [3, 4]. Показано, что смертность после перелома у мужчин выше, чем у женщин [5]. Суммарная стоимость лечения больных ОП в Европе по состоянию на 2010 г. составила около 37 млрд евро, из них 66% пришлось на лечение уже случившихся переломов, 29% на лечение последствий переломов и только 5% на медикаментозную профилактику.

В настоящее время костная ткань рассматривается как динамическая система с развитым кровоснабжением и высокой активностью обмена веществ, где на микроскопическом уровне происходят непрерывные процессы новообразования и разрушения с целью поддержания механической прочности кости [6]. По данным B.L. Riggs (2000), около 70% прочности кости обеспечивается ее минеральным компонентом. Оставшийся вклад в это свойство вносят особенности органического матрикса, размеры, форма и микроархитектоника костного органа [7].

e-maiMimanerio@gmaN.com

The review describes the modern data concerning the cellular and molecular mechanisms of mineral metabolism disturbance in bone tissue. Cytokine system consisting of receptor activator of nuclear factor к-b, its ligand and osteoprotegerin (RANKL/RANK/OPG) has a key role in understanding of bone remodeling regulation. We discuss a significance of the cytokine system in osteoblasto- and osteoclastogenesis. Molecular processes of histogenesis and bone resorption have been analyzed.

Key words: osteoporosis, cytokine system RANKL/RANK/ OPG, bone tissue, mineral metabolism, remodeling, osteoblast, osteoclast.

Костная ткань содержит специализированную систему клеток, происходящих из мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток: остеобласты и остеоциты; а также клетки гемопоэтического происхождения — остеокласты [8—10].

Остеобласты (ОБ) играют фундаментальную роль в непрерывном процессе костного ремоделирования и регуляции активности клеток костной ткани. Выделяют 2 вида ОБ: активные (2—8%), неактивные (80—92%). Основная функция ОБ — это продукция костного матрикса и его минерализация, в частности, синтез коллагена I типа (90—95%), образующего основу органического матрикса. Наряду с этим ОБ синтезируют неколлагеновые белки (остеокальцин, остеонектин и остеопонтин). ОБ продуцируют про-теингликаны, такие как декорин и бигликан, которые принимают участие в хранении кальция и регулировании роста гидроксиапатита. Основной фермент, вырабатываемый ОБ — костная щелочная фосфатаза (КЩФ), являющаяся ранним маркером активности ОБ. Роль КЩФ заключается в участии в процессе минерализации кости. На мембране ОБ осуществляется экспрессия рецепторов для ПТГ, а в ядрах — для витамина D3 и половых гормонов [11].

Остеоциты (ОЦ) — многочисленная система клеток костной ткани, представляющая собой — «зрелые» непролиферирующие клетки, располагающиеся в остеоцитарных лакунах, со всех сторон окруженные костным матриксом. Существующее мнение об ОЦ, как о клетках с низкой метаболической активностью, в настоящее время пересмотрено. ОЦ благодаря механосенсорной активности регулируют баланс ОБ и ОК, участвуют в метаболизме кальция и фосфатов. Одной из функций ОЦ является сохранение целостности костного матрикса (остеоцитарная остеоплазия), за счет формирования костного вещества на стенках лакун. Помимо этого, ОЦ обладают остеолитическим действием, L. Belanger назвал этот процесс остеоцитарным остеолизом [12]. Данный процесс характеризуется продукцией протеолитических ферментов зрелыми ОЦ, при стимуляции ПТГ [13].

Гены & Клетки Том IX, № 4, 2014

Обзоры

51

Остеокласты (ОК) — симпласты, участвующие в резорбции как минеральных, так и органических компонентов матрикса. Уникальный признак ОК — это многоядерность и наличие «гофрированного края» - функциональной зоны ОК. Считается, что ОБ могут опосредовать резорбцию костной ткани [14], способствуя продвижению ОК к костной поверхности. Под влиянием кальцитонина ОК теряют «гофрированный край», при этом продолжительность их жизни уменьшается. При повышении концентрации кальция по принципу обратной связи снижается активность ОК.

Большинство регуляторных механизмов в организме направлено на процессы резорбции. Ключевую роль в понимании процессов регуляции костной реконструкции принадлежит цитокиновой системе рецептора активатора ядерного фактора каппа-р (RANK), его лиганда (RANKL) и остеопроте-герина (OPG) [15], отвечающей за остеокластогенез, резорбцию и ремоделирование костной ткани. Открытие данной системы способствовало пониманию патоморфогенеза ОП, остеокластогенеза, регуляции костной резорбции, локальных процессов репарации.

OPG был выделен двумя независимыми лабораториями и обозначался как фактор, ингибирующий остеокластогенез (OCIF), вскоре был открыт его родственный лиганд (OPG-L) [16—18], а также фактор дифференцировки остеокластов (ODF) [19], суперсемейство фактора некроза опухоли (TNFSF), суперсемейство рецептора к фактору некроза опухоли (TNFRSF). Таким образом, OPG является членом семейства TNF и представляет собой основной секреторный гликопротеин, содержащий N-концевые домены (домены 1 — 4), два гомологичных домена (домены 5 и 6) и С-концевой гепарин-связы-вающий домен (домен 7), который представлен в 60-кД мономерной форме и дисульфидными связями в гомодимерной форме 120 кДа. OPG продуцируется различными тканями органов сердечно-сосудистой системы (сердце, артерии, вены), легкими, печенью, почками, кишечником и костной тканью, а также кроветворной и иммунной системой [20]. Рецепторы к OPG расположены на остеобластах, лимфоцитах и преостеокластах.

Провоспалительные цитокины потенцируют резорбцию костной ткани путем повышения продукции RANK. Система RANKL и OPG осуществляет регуляцию остеокластогенеза. RANKL — это гликопротеин суперсемейства TNF, продуцируемый клетками остеобластической линии и активированными Т-лимфоцитами. Он считается главным стимулятором дифференцировки ОК и определяет продолжительность их жизни. На разных этапах развития RANKL может обнаруживаться в головном мозге, сердце, почках, скелетных мышцах и коже [21, 22]. Его экспрессия модулируется с помощью различных цитокинов (IL-1, -6, -11, TNF-a), глюкокортикостероидов и ПТГ. Расщепление RANKL происходит за счет действия металлопротеиназы-дизинтгерин-TNF-конвертазы. Кроме того, выявлены различные изоформы RANKL, самая короткая из которых обладает наименее выраженным остеокластогенетическим эффектом.

При повышенной продукции RANKL происходит увеличение костной резорбции. Соединение RANKL с RANK — рецептором, расположенным на мембранах клеток-предшественниц ОК, приводит к его активации. Активизированные рецепторы RANK воздействуют на транскрипционный фактор каппа-р, через связанный с рецептором протеин рецептора фактора некроза опухоли TNF (TRAF 6), сопряженного с RANK, повышая при этом экспрессию ядерного фактора транскрипции, активирующего ядерный фактор Т-лимфоцитов (NFATc1), являющимся белком инициатором резорбции костной ткани. Одновременно с этим ОБ продуцируют макрофагальный колониестимулирующий фактор (M-CSF), который активирует внутриклеточную тирозинкиназу, посредством чего осуществляется пролиферация и дифференцировка клеток-предшественниц ОК — моноцитов, макрофагов, преостеокластов.

X.F. Wang и соавт. показали, что у мышей с повышенной продукцией OPG, в течение короткого времени развивается остеопетроз, соответственно при низкой продукции OPG — остеопороз [23]. Ввиду этого OPG является ингибитором остеокластогенеза.

Дифференцировка ОБ осуществляется посредством различных факторов, одним из которых является ядерный связывающий фактор-а1 (Cbfa1). Показано, что при дефиците Cbfa1 замедляется пролиферация и дифференцировка ОБ, и наоборот, введение рекомбинантного Cbfa1 приводит к формированию полноценной костной ткани [24]. Cbfa1, известный как внутриядерный фактор транскрипции (RUNX2), участвует в регуляции генов, участвующих в синтезе белков костного матрикса, таких как коллаген 1 типа, остеопонтин, остеокальцин и сиало-протеин. Эстрогены, взаимодействуя с рецепторами ОБ, инициируют выработку OPG, снижая при этом функцию ОК. ПТГ, являющийся главным регулятором кальция сыворотки крови, оказывает влияние на костное ремоделирование, путем увеличения синтеза OPG-L на мембране ОБ и ингибируя секрецию OPG, таким образом, остеобластогенез превалирует над костной резорбцией.

Регуляция костного ремоделирования происходит под влиянием системных и локальных факторов, обладающих гормональной активностью. ПТГ, кальци-триол, соматотропный гормон, инсулин, тиреоидные и половые гормоны, оказывают воздействие на костное ремоделирование, путем поддержания постоянного обмена кальция, фосфора, магния из кости во внеклеточную жидкость и наоборот [8]. Локальные факторы (инсулиноподобные факторы роста, осте-окластактивирующий фактор, фактор роста тром-боцитарного происхождения, фактор роста фибробластов, простагландин Е2) являются медиаторами ответа на механическую нагрузку и изменение уровня системных гормонов [25]. Нарушение баланса между процессами костного ремоделирования является центральным звеном патогенеза ОП. Понимание процессов развития ОП с учетом межклеточных и молекулярных взаимодействий формирует новые представления о возможностях фармацевтической коррекции дисбаланса костного формирования и резорбции.

Гены & Клетки Том IX, № 4, 2014

52

Обзоры

ЛИТЕРАТУРА:

1. Franklin J., Englund M., Ingvarsson T. The association between hip fracture and hip osteoarthritis: A case-control study. BMC Musculoskelet. Disord. 2010; 11(1): 274.

2. Торопцова Н.В., Михайлов Е.Е., Беневоленская Л.И. Проблема остеопороза в современном мире. Росс. мед. журн. 2005; 13(24): 1582-5.

3. Cooper C., Atkinson E.J., Jacobsen S.J. et al. Population-based study of survival after osteoporotic fractures. Am. J. Epidemiol. 1993; 137(9): 1001-5.

4. Bliuc D., Nguyen N.D., Milch V.E. et al. Mortality risk associated with low-trauma osteoporotic fracture and subsequent fracture in men and women. JAMA 2009; 301(5): 513-21.

5. Olszynski W.P., Shawn Davison K., Adachi J.D. et al. Osteoporosis in men: epidemiology, diagnosis, prevention, and treatment. Clin. Ther. 2004; 26(1): 15-28.

6. Cameron D.A. The biochemistry and physiology of bone. The ultrastructure of bone 2012; 1: 191-236.

7. Riggs B.L. The pathogenesis of involutional osteoporosis. Seventh Bath Conference on Osteoporosis, UK. Osteoporosis Int. 2000; 11 Suppl 1: 1-20

8. Аничков Н.М., Дергунов А.В., Цыган В.Н. и др. Патофизиология обмена веществ. Санкт-Петербург: СпецЛит; 2013.

9. Papaioannou A., Morin S., Cheung A.M. et al. 2010 clinical practice guidelines for the diagnosis and management of osteoporosis in Canada: summary. Can. Med. Assoc. J. 2010; 182(17): 1864-73.

10. Reddi A.H., Roodman D., Freeman C. et al. Mechanisms of tumor metastasis to the bone: challenges and opportunities. J. Bone Miner. Res. 2003; 18 (2): 190-4.

11. Raska O., Bernaskova K. Bone metabolism: a note on the significance of mouse models. Physiol. Res. 2009; 58: 459-71.

12. Belanger L., Leonard F., Migicovsky B. Histochemical evidence of proteolysis in bone: the influence of parathormone. J. Histochem. Cytochem. 1963; 11(6): 734-7.

13. Цыган Е.Н., Деев Р.В. Морфофункциональные основы остеопороза. Санкт-Петербург: ВМедА; 2007.

14. Bianco P., Fisher L.W., Young M.F. et al. Expression of bone sialoprotein (BSP) in developing human tissues. Calcif. Tissue Int. 1991; 49(6): 421-6.

15. Walsh M.C., Choi Y. Biology of the RANKL—RANK—OPG system in immunity, bone, and beyond. Inflammation 2014; 5: 511.

16. Lacey D.L., Dunstan C.R., Kelley M. et al. Osteoprotegerin: a novel secreted protein involved in the regulation of bone density. Cell 1997; 89 (2): 309-19.

17. Tsuda E., Goto M., Mochizuki S.I. et al. Isolation of a novel cytokine from human fibroblasts that specifically inhibits osteoclastogenesis. Biochem. Bioph. Res. Co. 1997; 234(1): 137-42.

18. Lacey D.L., Timms E., Tan H.L. et al. Osteoprotegerin ligand is a cytokine that regulates osteoclast differentiation and activation. Cell 1998; 93(2): 165-76.

19. Yasuda H.,Shima N., Nakagawa N.et al.Osteoclast differentiation factor is a ligand for osteoprotegerin/osteoclastogenesis-inhibitory factor and is identical to TRANCE/RANKL. PNAS USA. 1998; 95(7): 3597-602.

20. Simonet W.S., Lacey D.L., Dunstan C.R. et al. Osteoprotegerin: a novel secreted protein involved in the regulation of bone density. Cell 1997; 89(2): 309-19.

21. Kadono Y., Okada F., Perchonock C. et al. Strength of TRAF6 signalling determines osteoclastogenesis. EMBO Rep. 2005; 6(2): 171-6.

22. Wada T, Nakashima T, Oliveira-Dos-Santos A. et al. The molecular scaffold Gab2 is a crucial component of RANK signaling and osteoclastogenesis. Nat. Med. 2005; 11(4): 394-9.

23. Wang X.F., Zhang Y.K., Yu Z.S., Zhou J.L. The role of the serum RANKL/OPG ratio in the healing of intertrochanteric fractures in elderly patients. Mol. Med. Rep. 2013; 7(4): 1169-72.

24. Wong B., Josien R., Lee Y. et al. The TRAF family of signal transducers mediates NF-kappaB activation by the TRANCE receptor. J. Biol. Chem. 1998; 273(43): 28355-9.

25. Жоголев К.Д, Никитин В.Ю, Цыган Е.Н. и др. Регуляция остеогенеза и иммуногенеза репаративных процессов. Санкт-Петербург: ВМедА, 2003.

Поступила: 03.10.2014 г.

Гены & Клетки Том IX, № 4, 2014