Reparação da cartilagem articular e factores de crescimento na patogénese da osteoartrite

Graças ao progresso da biotecnologia, em particular da tecnologia de clonagem, a lista de fatores de crescimento que, sendo fatores anabólicos, desempenham um papel importante, mas não totalmente compreendido na patogênese da osteoartrite, foi recentemente expandida intensamente.

O primeiro grupo de fatores de crescimento discutido abaixo são os IGFs. Eles são encontrados em grandes quantidades no soro sanguíneo e têm uma série de propriedades em comum com a insulina. O IGF-2 é mais típico para o estágio embrionário de desenvolvimento, enquanto o IGF-1 é o representante dominante do grupo em adultos. Ambos os representantes deste grupo atuam ligando-se aos receptores de IGF tipo I. Embora a função do IGF-2 permaneça desconhecida, a importância do IGF-1 já foi determinada - ele é capaz de estimular a síntese de proteoglicanos pelos condrócitos e inibir significativamente os processos catabólicos na cartilagem articular. O IGF-1 é o principal estímulo anabólico para a síntese de proteoglicanos pelos condrócitos, presente no soro sanguíneo e no líquido sinovial. O IGF-1 é um fator importante para o cultivo de condrócitos em modelos experimentais de osteoartrose in vitro. Supõe-se que o IGF-1 entre no líquido sinovial a partir do plasma sanguíneo. Além disso, condrócitos normais produzem ambos os fatores – a expressão de IGF-1 e IGF-2 foi encontrada na membrana sinovial e na cartilagem de pacientes com osteoartrose. Na cartilagem normal, o IGF-1 não possui propriedades mitogênicas, mas é capaz de estimular a proliferação celular na matriz danificada, o que indica participação em processos reparativos.

Substâncias biologicamente ativas que estimulam a reparação e inibem a degradação da cartilagem articular

• Insulina
• Interferon gama
• Hormônio somatotrópico, andrógenos
• Somatomedinas (IPF-1 e -2)
• TGF-beta (fator de crescimento tecidual)
• Fator de crescimento derivado de plaquetas
• Fator de crescimento básico de fibroblastos
• EFR
• Antagonista do receptor de IL-1
• Proteínas de ligação ao TNF-α
• Inibidores teciduais de metaloproteases
• uma ₂ -macroglobulina
• ai-antitripsina
• RG-macroglobulin
• Rg-antiquimotripsina

As ações do IGF-1 e do IGF-2 são controladas por várias proteínas de ligação ao IGF (IGF-BP), que também são produzidas pelos condrócitos. O IGF-BP pode atuar como um carreador e também ter atividade bloqueadora do IGF. Células isoladas da cartilagem articular de pacientes com osteoartrose produzem quantidades excessivas de IGF-BP, indicando que elas bloqueiam os efeitos do IGF. J. Martel-Pelletier et al. (1998) demonstraram que, embora a síntese de IGF-1 na cartilagem aumente na osteoartrose, os condrócitos respondem fracamente à estimulação com IGF-1. Descobriu-se que esse fenômeno está associado (pelo menos em parte) a um aumento no nível de IGF-BP. O IGF-BP tem alta afinidade pelo IGF e é um importante biomodulador de sua atividade. Até o momento, sete tipos de IGF-BP foram estudados, e a desregulação de IGF-BP-3 e IGF-BP-4 desempenha um papel importante na osteoartrite.

Outra categoria de fatores de crescimento que exibem diferentes efeitos sobre os condrócitos inclui o fator de crescimento derivado de plaquetas (PDGF), o FGF e o TGF-beta. Esses fatores são produzidos não apenas pelos condrócitos, mas também por sinovócitos ativados. O FGF possui propriedades anabólicas e catabólicas, dependendo da concentração e da condição da cartilagem articular. O PDGF está envolvido na manutenção da homeostase da MEC da cartilagem articular, sem apresentar propriedades mitogênicas óbvias. Esse fator de crescimento é conhecido por aumentar a síntese de proteoglicanos e reduzir sua degradação.

O TGF-beta é de particular interesse por seu papel na patogênese da osteoartrite. É membro da grande superfamília TGF e compartilha propriedades funcionais e de sinalização com os fatores de crescimento BMP (proteína morfogenética óssea) recentemente descobertos.

O TGF-beta é um fator pleiotrópico: por um lado, possui propriedades imunossupressoras; por outro, é um fator quimiotático e um potente estimulador da proliferação de fibroblastos. As propriedades únicas do TGF-beta são a capacidade de inibir a liberação de enzimas de várias células e aumentar significativamente a produção de inibidores enzimáticos (por exemplo, TIMP). O TGF-beta é considerado um importante regulador do dano tecidual devido à inflamação. Assim, no tecido da cartilagem articular, o TGF-beta estimula significativamente a produção de matriz pelos condrócitos, especialmente após a pré-exposição a esse fator. A cartilagem normal é insensível ao TGF-beta. Em pacientes com osteoartrite, o TGF-β estimula a produção de agrecano e pequenos proteoglicanos na cartilagem articular.

O TGF-beta é produzido por muitas células, particularmente condrócitos. É liberado em uma forma latente ligada a uma proteína especial chamada proteína associada à latência (LAP). A dissociação dessa proteína é realizada por proteases, que são produzidas em grandes quantidades em tecidos inflamados. Além do TGF-beta, que é produzido por células ativadas, os estoques da forma latente desse fator são um elemento importante da reatividade do TGF-beta no tecido após lesão local. O TGF-beta está presente em quantidades significativas no líquido sinovial, na membrana sinovial e na cartilagem da articulação afetada pela osteoartrose. Em áreas de tecido danificado com infiltrados inflamatórios, a coexpressão de TNF e IL-1 é detectada, enquanto em áreas com fibrose, apenas a expressão de TGF-beta é detectada.

A incubação de condrócitos cultivados de pacientes com osteoartrite com TGF-beta causa um aumento significativo na síntese de proteoglicanos por essas células. A estimulação de condrócitos normais com TGF-beta causa um aumento na síntese de proteoglicanos somente após vários dias de incubação. Talvez esse tempo seja necessário para que o fenótipo celular se altere sob a influência do TGF-beta (por exemplo, para uma alteração na chamada compartimentalização dos proteoglicanos: os proteoglicanos recém-criados localizam-se apenas ao redor dos condrócitos).

Sabe-se que a ativação da síntese de fatores de crescimento, em particular o TGF-beta, é um elo importante na patogênese da fibrose renal e hepática e na formação de cicatrizes durante a cicatrização de feridas. O aumento da carga sobre os condrócitos in vitro leva à hiperprodução de TGF-beta, enquanto a diminuição da síntese de proteoglicanos após a imobilização dos membros pode ser nivelada pelo TGF-beta. O TGF-beta induz a formação de osteófitos na zona marginal das articulações como um mecanismo de adaptação às mudanças na carga. A IL-1, causando um processo inflamatório moderado na membrana sinovial em resposta ao dano articular, promove a formação de condrócitos com fenótipo alterado, que produzem uma quantidade excessiva.

Injeções locais repetidas de TGF-beta recombinante em altas concentrações levaram ao desenvolvimento de osteoartrite em camundongos C57B1 - a formação de osteófitos, que é característica da osteoartrite humana, e uma perda significativa de proteoglicanos na zona de "borda ondulada".

Para entender como o excesso de TGF-beta causa as alterações conhecidas na cartilagem, é necessário observar que a exposição ao TGF-β induz um fenótipo característico de condrócitos com uma alteração na subclasse de proteoglicanos sintetizados e interrupção da integração normal dos elementos da MEC. Tanto o IGF-1 quanto o TGF-beta estimulam a síntese de proteoglicanos por condrócitos cultivados em alginato, mas este último também induz a chamada compartimentalização de proteoglicanos. Além disso, descobriu-se que o TGF-beta aumenta o nível de colagenase-3 (MMP-13) em condrócitos ativados, o que contradiz a ideia geral do TGF-beta como um fator que, ao contrário, reduz a liberação de proteases destrutivas. No entanto, não se sabe se a síntese de MMP-13 induzida por TGF-beta está envolvida na patogênese da OA. O TGF-beta não apenas estimula a síntese de proteoglicanos, mas também promove sua deposição em ligamentos e tendões, aumentando a rigidez e reduzindo a amplitude de movimento nas articulações.

As BMPs são membros da superfamília TGF-beta. Algumas delas (BMP-2, BMP-7 e BMP-9) têm a propriedade de estimular a síntese de proteoglicanos pelos condrócitos. As BMPs exercem seus efeitos ligando-se a receptores específicos na superfície celular; as vias de sinalização do TGF-beta e das BMPs diferem ligeiramente. Assim como o TGF-beta, as BMPs sinalizam por meio do complexo receptor serina/treonina quinase tipo I e II. Nesse complexo, o receptor tipo II é transfosforilado e ativa o receptor tipo I, que transmite o sinal para moléculas sinalizadoras chamadas Smads. Após receber o sinal, as Smads são rapidamente fosforiladas. Sabe-se atualmente que, na via de sinalização das BMPs, as Smads-1, -5 e -8 são fosforiladas, e na via de sinalização do TGF-beta, as Smads-2 e Smad-3 são fosforiladas. Em seguida, as Smads nomeadas associam-se à Smad-4, que é comum às vias de sinalização de todos os membros da superfamília TGF-beta. Esse fato explica a presença de funções cruzadas em membros da superfamília TGF-beta, bem como o fenômeno de inibição mútua das vias de sinalização TGF-beta e BMP pela competição por componentes comuns. Recentemente, outra classe de proteínas Smad foi identificada, representada pelas Smad-6 e -7. Essas moléculas atuam como reguladoras das vias de sinalização TGF-beta e BMP.

Apesar do efeito estimulante da CMP na síntese de proteoglicanos ser conhecido há muito tempo, seu papel na regulação da função da cartilagem articular permanece controverso devido à conhecida capacidade da CMP de causar desdiferenciação celular, estimular a calcificação e a formação de tecido ósseo. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) mostraram que a interação da CMP com o receptor de CMP tipo II é necessária para manter o fenótipo diferenciado dos condrócitos, bem como controlar sua proliferação e hipertrofia. De acordo com LZ Sailor et al. (1996), a CMP-2 mantém o fenótipo dos condrócitos em cultura por 4 semanas sem causar sua hipertrofia. A CMP-7 (idêntica à proteína osteogênica-1) mantém o fenótipo de condrócitos maduros da cartilagem articular cultivados em alginato por um longo período.

A introdução de KMP-2 e -9 nas articulações do joelho de camundongos aumentou a síntese de proteoglicanos em 300%, significativamente mais do que o TGF-beta. No entanto, o efeito estimulante foi temporário e, após alguns dias, o nível de síntese retornou ao nível inicial. O TGF-beta causou uma estimulação de longo prazo da síntese de proteoglicanos, provavelmente devido à autoindução do TGF-beta e à sensibilização dos condrócitos a esse fator.

O TGF-beta é responsável pela formação de condrófitas, o que pode ser considerado um efeito indesejável de sua ação, a KMP-2 também promove a formação de condrófitas, porém em uma área diferente da margem articular (principalmente na área da placa de crescimento).

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Proteínas morfogenéticas da cartilagem

As proteínas morfogenéticas da cartilagem (CMP-1 e -2) são outros membros da superfamília TGF-beta, essenciais para a formação do tecido cartilaginoso durante o desenvolvimento dos membros. Mutações no gene CMP-1 causam condrodisplasia. As CMPs podem ter um perfil mais seletivo de direcionamento para a cartilagem. Embora o TGF-beta e as CMPs possam estimular os condrócitos, eles podem atuar em muitas outras células, portanto, seu uso para o reparo da cartilagem pode estar associado a efeitos colaterais. Ambos os tipos de CMPs são encontrados na cartilagem de articulações saudáveis e osteoartríticas e promovem o reparo da MEC da cartilagem articular após degradação enzimática, mantendo um fenótipo normal.

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Sinergismo de fatores de crescimento

Um fator de crescimento é capaz de se autoinduzir, assim como outros fatores de crescimento; essa interação é finamente regulada. Por exemplo, o FGF, juntamente com outros fatores de crescimento, proporciona uma reparação mais eficaz da cartilagem articular após um defeito traumático. O IGF-1, juntamente com o TGF-beta, induz significativamente o fenótipo normal dos condrócitos durante o cultivo in vitro. Foi demonstrado que o TGF-beta previne a produção de IGF-1 e IGF-BP, além de desfosforila o receptor de IGF-1 e estimular a ligação do IGF-1. Em cartilagem intacta de camundongos, foi observado o fenômeno de sinergismo do IGF-1 com diversos fatores de crescimento. No entanto, a fraca resposta dos condrócitos ao IGF-1 não pode ser nivelada pelo seu uso em combinação com outros fatores de crescimento.

Interação de citocinas anabólicas e destrutivas

Fatores de crescimento exibem interações complexas com IL-1. Por exemplo, a pré-exposição de condrócitos ao FGF aumenta a liberação de protease após a exposição à IL-1, possivelmente por meio do aumento da expressão do receptor de IL-1. O PDGF também estimula a liberação de protease dependente de IL-1, mas reduz a inibição da síntese de proteoglicanos mediada por IL-1. Isso pode indicar que alguns fatores de crescimento podem simultaneamente estimular o reparo da cartilagem e promover sua destruição. Outros fatores de crescimento, como IGF-1 e TGF-β, estimulam a síntese da matriz articular e inibem a destruição da cartilagem articular mediada por IL-1, indicando que sua atividade está relacionada apenas ao reparo tecidual. Essa interação é independente da pré-exposição dos condrócitos à IL-1. Curiosamente, a cinética dos efeitos da IL-1 e do TGF-beta pode ser diferente: a capacidade do TGF-beta de suprimir a degradação da cartilagem articular é atenuada por sua ação lenta no mRNA do TIMP. Por outro lado, um aumento nos níveis de hNOC e NO é observado na ausência de TGF-beta. Dada a dependência de NO do efeito supressor da IL-1 na síntese de proteoglicanos pelos condrócitos, isso pode explicar por que observamos uma neutralização significativamente mais forte do TGF-beta à inibição dependente de IL-1 da síntese de proteoglicanos em comparação à degradação de proteoglicanos in vivo.

Em um estudo com camundongos injetados intra-articularmente com IL-1 e fatores de crescimento, demonstrou-se que o TGF-beta neutraliza significativamente a inibição da síntese de proteoglicanos na cartilagem articular mediada por IL-1, enquanto a CMP-2 é incapaz de tal neutralização: seu potencial estimulatório foi completamente inibido pela IL-1, mesmo em altas concentrações de CMP-2. Notavelmente, na ausência de IL-1, a CMP-2 estimulou a síntese de proteoglicanos muito mais intensamente do que o TGF-beta.

Além de seu efeito na síntese de proteoglicanos, o TGF-β também afeta significativamente a redução induzida por IL-1 no conteúdo de proteoglicanos na cartilagem. É possível que o conteúdo de proteoglicanos diminua ou aumente dependendo da concentração relativa de IL-1 e TGF-β. Curiosamente, a neutralização descrita acima de IL-1 e TGF-β foi observada na espessura da cartilagem, mas esse fenômeno não foi observado próximo a condrófitas nas bordas das superfícies articulares. A formação de condrófitas é induzida por TGF-β, que afeta células condrógenas no periósteo, causando o desenvolvimento de condroblastos e a deposição de proteoglicanos. Aparentemente, esses condroblastos não são sensíveis à IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) estudaram a capacidade do TGF-β e da KMP-2 de neutralizar a supressão da síntese de proteoglicanos nas articulações de camundongos com artrite induzida por zimosan (ou seja, em um modelo de inflamação "pura" induzida por IL-1). A administração intra-articular de TGF-β neutralizou significativamente a supressão da síntese de proteoglicanos causada pela inflamação, enquanto a KMP-2 foi praticamente incapaz de neutralizar esse processo dependente de IL-1. Injeções repetidas de TGF-β na articulação do joelho dos animais estudados estimularam significativamente a síntese de proteoglicanos pelos condrócitos, contribuíram para a preservação dos proteoglicanos existentes na cartilagem depletada pela inflamação, mas não suprimiram o processo inflamatório.

Ao estudar a função de síntese de proteoglicanos dos condrócitos usando modelos experimentais de osteoartrose em animais, um aumento no conteúdo e estimulação da síntese de proteoglicanos nos estágios iniciais da OA sempre foi observado, em contraste com modelos inflamatórios, nos quais se observa inibição significativa da síntese (processo dependente de IL-1). O aumento da atividade de fatores anabólicos, em particular fatores de crescimento, observado na osteoartrose, neutraliza o efeito de citocinas supressoras como a IL-1. Entre os fatores de crescimento, o TGF-beta é o de maior importância; é improvável que a KMP-2 desempenhe um papel significativo nesse processo. Embora o IGF-1 seja capaz de estimular a síntese de proteoglicanos in vitro, essa propriedade não é observada in vivo com a aplicação local de IGF-1. Isso pode ser devido ao fato de que o nível endógeno desse fator de crescimento é ótimo. Em estágios mais avançados da osteoartrite, aparecem sinais de inibição da síntese de proteoglicanos, o que provavelmente está associado à ação dominante da IL-1 e à incapacidade dos fatores de crescimento de neutralizá-la devido à diminuição da atividade.

A análise da expressão do fator de crescimento em camundongos STR/ORT com osteoartrite espontânea demonstrou níveis aumentados de mRNA de TGF-β e IL-1 na cartilagem danificada. Deve-se notar que a ativação do TGF-β a partir da forma latente é um elemento importante do reparo tecidual. A compreensão do papel do TGF-β é dificultada pelos resultados de um estudo da expressão do receptor TGF-β tipo II em coelhos com LCA. Imediatamente após a indução da osteoartrite, níveis diminuídos desses receptores foram detectados, indicando sinalização insuficiente de TGF-β. Curiosamente, camundongos com deficiência do receptor TGF-β tipo 11 apresentaram sinais de osteoartrite espontânea, o que também indica um papel importante da sinalização TGF-β na deterioração do reparo da cartilagem e no desenvolvimento de osteoartrite.

O conteúdo absoluto de fatores de crescimento nas articulações de pacientes com artrite reumatoide ou osteoartrose pode indicar seu possível papel na patogênese dessas doenças. No entanto, apesar de altas concentrações de fatores de crescimento serem encontradas em articulações com osteoartrose e artrite reumatoide, a natureza dos processos de degradação e reparação em ambas as doenças é completamente diferente. Provavelmente, existem outros fatores, ainda não identificados, que desempenham um papel importante na patogênese dessas doenças, ou outros aspectos dos fenômenos estudados determinam o curso dos processos de degradação e reparação nos tecidos articulares (por exemplo, a expressão de certos receptores na superfície dos condrócitos, receptores solúveis que se ligam a proteínas ou um desequilíbrio de fatores anabólicos e destrutivos).