Reparatur des Gelenkknorpels und Wachstumsfaktoren in der Pathogenese der Arthrose

Dank der Fortschritte in der Biotechnologie, insbesondere in der Klontechnologie, wurde die Liste der Wachstumsfaktoren, die als anabole Faktoren eine wichtige, aber noch nicht vollständig verstandene Rolle bei der Pathogenese der Osteoarthritis spielen, in letzter Zeit stark erweitert.

Die erste Gruppe von Wachstumsfaktoren, die im Folgenden besprochen wird, sind IGFs. Sie kommen in großen Mengen im Blutserum vor und haben eine Reihe von Eigenschaften mit Insulin gemeinsam. IGF-2 ist typischer für das embryonale Entwicklungsstadium, während IGF-1 der dominierende Vertreter dieser Gruppe bei Erwachsenen ist. Beide Vertreter dieser Gruppe wirken, indem sie an IGF-Typ-I-Rezeptoren binden. Während die Funktion von IGF-2 unbekannt ist, ist die Bedeutung von IGF-1 bereits geklärt: Es kann die Synthese von Proteoglykanen durch Chondrozyten stimulieren und katabole Prozesse im Gelenkknorpel signifikant hemmen. IGF-1 ist der wichtigste anabole Stimulus für die Synthese von Proteoglykanen durch Chondrozyten und kommt im Blutserum und der Synovialflüssigkeit vor. IGF-1 ist ein wichtiger Faktor für die Kultivierung von Chondrozyten in experimentellen Osteoarthrosemodellen in vitro. Es wird angenommen, dass IGF-1 aus dem Blutplasma in die Synovialflüssigkeit gelangt. Darüber hinaus produzieren normale Chondrozyten beide Faktoren – die Expression von IGF-1 und IGF-2 wurde in der Synovialmembran und im Knorpel von Patienten mit Osteoarthrose gefunden. Im normalen Knorpel hat IGF-1 keine mitogenen Eigenschaften, kann aber die Zellproliferation in der geschädigten Matrix stimulieren, was auf eine Beteiligung an Reparaturprozessen hindeutet.

Biologisch aktive Substanzen, die die Reparatur stimulieren und den Abbau des Gelenkknorpels hemmen

• Insulin
• Gamma-Interferon
• Somatotropes Hormon, Androgene
• Somatomedine (IPF-1 und -2)
• TGF-beta (Gewebewachstumsfaktor)
• Plättchenabgeleiteter Wachstumsfaktor
• Basischer Fibroblasten-Wachstumsfaktor
• EFR
• IL-1-Rezeptorantagonist
• TNF-a-bindende Proteine
• Gewebeinhibitoren von Metalloproteasen
• a ₂ -Makroglobulin
• ai-Antitrypsin
• RG-Makroglobulin
• Rg-Antichymotrypsin

Die Wirkungen von IGF-1 und IGF-2 werden durch verschiedene IGF-bindende Proteine (IGF-BP) gesteuert, die ebenfalls von Chondrozyten produziert werden. IGF-BP kann als Trägerprotein fungieren und zudem IGF-blockierende Wirkung haben. Aus dem Gelenkknorpel von Patienten mit Osteoarthrose isolierte Zellen produzieren übermäßige Mengen an IGF-BP, was darauf hindeutet, dass sie die Wirkung von IGF blockieren. J. Martel-Pelletier et al. (1998) zeigten, dass Chondrozyten trotz erhöhter IGF-1-Synthese im Knorpel bei Osteoarthrose nur schwach auf IGF-1-Stimulation reagieren. Es stellte sich heraus, dass dieses Phänomen (zumindest teilweise) mit einem Anstieg des IGF-BP-Spiegels verbunden ist. IGF-BP hat eine hohe Affinität zu IGF und ist ein wichtiger Biomodulator dessen Aktivität. Bisher wurden sieben IGF-BP-Typen untersucht, und eine Dysregulation von IGF-BP-3 und IGF-BP-4 spielt eine wichtige Rolle bei Osteoarthritis.

Eine weitere Kategorie von Wachstumsfaktoren mit unterschiedlichen Wirkungen auf Chondrozyten sind der Plättchen-abgeleitete Wachstumsfaktor (PDGF), FGF und TGF-beta. Diese Faktoren werden nicht nur von Chondrozyten, sondern auch von aktivierten Synovozyten produziert. FGF hat je nach Konzentration und Zustand des Gelenkknorpels sowohl anabole als auch katabole Eigenschaften. PDGF ist an der Aufrechterhaltung der Homöostase der extrazellulären Matrix des Gelenkknorpels beteiligt, ohne offensichtliche mitogene Eigenschaften zu besitzen. Dieser Wachstumsfaktor fördert bekanntermaßen die Synthese von Proteoglykanen und reduziert deren Abbau.

TGF-beta ist aufgrund seiner Rolle in der Pathogenese von Osteoarthritis von besonderem Interesse. Es gehört zur großen TGF-Superfamilie und hat dieselben funktionellen und signalgebenden Eigenschaften wie die kürzlich entdeckten BMP-Wachstumsfaktoren (Bone Morphogenetic Protein).

TGF-beta ist ein pleiotroper Faktor: Einerseits hat er immunsuppressive Eigenschaften, andererseits ist er ein chemotaktischer Faktor und ein starker Stimulator der Fibroblastenproliferation. Einzigartige Eigenschaften von TGF-beta sind die Fähigkeit, die Freisetzung von Enzymen aus verschiedenen Zellen zu hemmen und die Produktion von Enzyminhibitoren (z. B. TIMP) signifikant zu erhöhen. TGF-beta gilt als wichtiger Regulator von Gewebeschäden durch Entzündungen. So stimuliert TGF-beta im Gelenkknorpelgewebe signifikant die Matrixproduktion durch Chondrozyten, insbesondere nach vorheriger Exposition gegenüber diesem Faktor. Normaler Knorpel ist unempfindlich gegenüber TGF-beta. Bei Patienten mit OA stimuliert TGF-β die Produktion von Aggrecan und kleinen Proteoglykanen im Gelenkknorpel.

TGF-beta wird von vielen Zellen, insbesondere Chondrozyten, produziert. Es wird in latenter Form freigesetzt, gebunden an ein spezielles Protein namens Latenz-assoziiertes Protein (LAP). Die Dissoziation von diesem Protein erfolgt durch Proteasen, die in entzündeten Geweben in großen Mengen produziert werden. Neben TGF-beta, das von aktivierten Zellen produziert wird, sind Vorräte der latenten Form dieses Faktors ein wichtiges Element der TGF-beta-Reaktivität im Gewebe nach einer lokalen Verletzung. TGF-beta ist in signifikanten Mengen in Synovialflüssigkeit, Synovialmembran und Knorpel des von Osteoarthrose betroffenen Gelenks vorhanden. In Bereichen geschädigten Gewebes mit entzündlichen Infiltraten lässt sich eine Koexpression von TNF und IL-1 nachweisen, während in Bereichen mit Fibrose ausschließlich TGF-beta exprimiert wird.

Die Inkubation kultivierter Chondrozyten von Patienten mit Osteoarthritis mit TGF-beta führt zu einem signifikanten Anstieg der Proteoglykansynthese durch diese Zellen. Die Stimulation normaler Chondrozyten mit TGF-beta führt erst nach vielen Tagen Inkubation zu einem Anstieg der Proteoglykansynthese. Möglicherweise ist diese Zeit notwendig, damit sich der Zellphänotyp unter dem Einfluss von TGF-beta verändert (z. B. für eine Veränderung der sogenannten Kompartimentierung von Proteoglykanen: neu gebildete Proteoglykane sind nur um Chondrozyten herum lokalisiert).

Es ist bekannt, dass die Aktivierung der Wachstumsfaktorsynthese, insbesondere von TGF-beta, ein wichtiges Bindeglied in der Pathogenese von Nieren- und Leberfibrose sowie der Narbenbildung während der Wundheilung darstellt. Eine erhöhte Belastung der Chondrozyten in vitro führt zu einer Hyperproduktion von TGF-beta, während eine verminderte Proteoglykansynthese nach Ruhigstellung der Gliedmaßen durch TGF-beta ausgeglichen werden kann. TGF-beta induziert die Osteophytenbildung in der Randzone der Gelenke als Anpassungsmechanismus an Belastungsänderungen. IL-1, das als Reaktion auf Gelenkschäden einen moderaten Entzündungsprozess in der Synovialmembran auslöst, fördert die Bildung von Chondrozyten mit verändertem Phänotyp, die eine übermäßige Menge produzieren.

Wiederholte lokale Injektionen von rekombinantem TGF-beta in hohen Konzentrationen führten bei C57B1-Mäusen zur Entwicklung von Osteoarthritis – der Bildung von Osteophyten, die für die menschliche Osteoarthritis charakteristisch ist, und einem erheblichen Verlust von Proteoglykanen in der „Wellenrand“-Zone.

Um zu verstehen, wie ein Überschuss an TGF-beta die bekannten Knorpelveränderungen verursacht, muss man sich bewusst machen, dass die Exposition gegenüber TGF-beta einen charakteristischen Chondrozytenphänotyp mit einer Veränderung der Unterklasse der synthetisierten Proteoglykane und einer Störung der normalen Integration von ECM-Elementen induziert. Sowohl IGF-1 als auch TGF-beta stimulieren die Proteoglykansynthese durch in Alginat kultivierte Chondrozyten, letzteres induziert jedoch auch die sogenannte Kompartimentierung von Proteoglykanen. Darüber hinaus erhöhte TGF-beta den Spiegel von Kollagenase-3 (MMP-13) in aktivierten Chondrozyten, was im Widerspruch zur allgemeinen Vorstellung steht, dass TGF-beta im Gegenteil die Freisetzung destruktiver Proteasen reduziert. Es ist jedoch nicht bekannt, ob die durch TGF-beta induzierte MMP-13-Synthese an der Pathogenese von OA beteiligt ist. TGF-beta stimuliert nicht nur die Synthese von Proteoglykanen, sondern fördert auch deren Ablagerung in Bändern und Sehnen, wodurch die Steifheit erhöht und der Bewegungsbereich der Gelenke eingeschränkt wird.

BMPs gehören zur TGF-beta-Superfamilie. Einige von ihnen (BMP-2, BMP-7 und BMP-9) haben die Eigenschaft, die Synthese von Proteoglykanen durch Chondrozyten zu stimulieren. BMPs entfalten ihre Wirkung, indem sie an spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche binden. Die Signalwege von TGF-beta und BMPs unterscheiden sich geringfügig. Wie TGF-beta signalisieren BMPs über den Serin/Threonin-Kinase-Rezeptorkomplex Typ I und II. In diesem Komplex wird der Typ-II-Rezeptor trans-phosphoryliert und aktiviert den Typ-I-Rezeptor, der das Signal an Signalmoleküle namens Smads weiterleitet. Nach Empfang des Signals werden Smads rasch phosphoryliert. Derzeit ist bekannt, dass im BMP-Signalweg Smads-1, -5 und -8 und im TGF-beta-Signalweg Smads-2 und Smad-3 phosphoryliert werden. Die genannten Smads assoziieren dann mit Smad-4, das den Signalwegen aller Mitglieder der TGF-beta-Superfamilie gemeinsam ist. Dies erklärt das Vorhandensein von Kreuzfunktionen bei Mitgliedern der TGF-beta-Superfamilie sowie das Phänomen der gegenseitigen Hemmung der TGF-beta- und BMP-Signalwege durch Konkurrenz um gemeinsame Komponenten. Kürzlich wurde eine weitere Klasse von Smad-Proteinen identifiziert, die durch Smad-6 und -7 repräsentiert wird. Diese Moleküle wirken als Regulatoren der TGF-beta- und BMP-Signalwege.

Obwohl der stimulierende Effekt von CMP auf die Proteoglykansynthese seit langem bekannt ist, bleibt seine Rolle bei der Regulierung der Gelenkknorpelfunktion umstritten, da CMP bekanntermaßen Zelldedifferenzierung verursachen und Kalzifizierung sowie Knochengewebebildung stimulieren kann. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) zeigten, dass die Interaktion von CMP mit dem CMP-Rezeptor Typ II notwendig ist, um den differenzierten Phänotyp von Chondrozyten aufrechtzuerhalten und ihre Proliferation und Hypertrophie zu kontrollieren. Laut LZ Sailor et al. (1996) erhält CMP-2 den Phänotyp von Chondrozyten in Kultur 4 Wochen lang aufrecht, ohne deren Hypertrophie zu verursachen. CMP-7 (identisch mit osteogenem Protein 1) erhält den Phänotyp reifer Chondrozyten von Gelenkknorpel, die in Alginat kultiviert werden, über lange Zeit aufrecht.

Die Einführung von KMP-2 und -9 in die Kniegelenke von Mäusen erhöhte die Proteoglykansynthese um 300 %, deutlich stärker als TGF-beta. Der stimulierende Effekt war jedoch vorübergehend, und nach einigen Tagen kehrte das Syntheseniveau auf das Ausgangsniveau zurück. TGF-beta bewirkte eine längerfristige Stimulierung der Proteoglykansynthese, was wahrscheinlich auf die Autoinduktion von TGF-beta und die Sensibilisierung von Chondrozyten für diesen Faktor zurückzuführen ist.

TGF-beta ist für die Bildung von Chondrophyten verantwortlich, was als unerwünschter Effekt seiner Wirkung angesehen werden kann. KMP-2 fördert ebenfalls die Bildung von Chondrophyten, allerdings in einem anderen Bereich des Gelenkrandes (hauptsächlich im Bereich der Wachstumsfuge).

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ]

Knorpelmorphogenetische Proteine

Knorpelmorphogenetische Proteine (CMP-1 und -2) sind weitere Mitglieder der TGF-beta-Superfamilie und essentiell für die Bildung von Knorpelgewebe während der Extremitätenentwicklung. Mutationen im CMP-1-Gen verursachen Chondrodysplasie. CMPs weisen möglicherweise ein selektiveres, auf Knorpel abzielendes Profil auf. Obwohl TGF-beta und CMPs Chondrozyten stimulieren können, wirken sie auch auf viele andere Zellen, sodass ihre Verwendung zur Knorpelreparatur mit Nebenwirkungen verbunden sein kann. Beide CMP-Typen kommen im Knorpel gesunder und osteoarthritischer Gelenke vor und fördern die Reparatur der extrazellulären Matrix des Gelenkknorpels nach enzymatischem Abbau unter Erhaltung eines normalen Phänotyps.

[ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ], [ 16 ], [ 17 ]

Synergismus von Wachstumsfaktoren

Ein Wachstumsfaktor kann sich selbst sowie andere Wachstumsfaktoren induzieren; diese Interaktion unterliegt einer feinen Regulierung. Beispielsweise ermöglicht FGF in Kombination mit anderen Wachstumsfaktoren eine effektivere Reparatur von Gelenkknorpel nach einem traumatischen Defekt. IGF-1 induziert zusammen mit TGF-beta signifikant den normalen Phänotyp von Chondrozyten bei In-vitro-Kultivierung. Es wurde gezeigt, dass TGF-beta die Produktion von IGF-1 und IGF-BP hemmt, den IGF-1-Rezeptor dephosphoryliert und die IGF-1-Bindung stimuliert. In intaktem Mausknorpel wurde ein Synergismus von IGF-1 mit vielen Wachstumsfaktoren beobachtet. Die schwache Reaktion der Chondrozyten auf IGF-1 kann jedoch durch die Kombination mit anderen Wachstumsfaktoren nicht ausgeglichen werden.

Interaktion von anabolen und destruktiven Zytokinen

Wachstumsfaktoren interagieren komplex mit IL-1. Beispielsweise erhöht die Vorexposition von Chondrozyten mit FGF die Proteasefreisetzung nach IL-1-Exposition, möglicherweise durch eine erhöhte IL-1-Rezeptorexpression. PDGF stimuliert ebenfalls die IL-1-abhängige Proteasefreisetzung, reduziert jedoch die IL-1-vermittelte Hemmung der Proteoglykansynthese. Dies könnte darauf hindeuten, dass einige Wachstumsfaktoren gleichzeitig die Knorpelreparatur stimulieren und deren Zerstörung fördern können. Andere Wachstumsfaktoren wie IGF-1 und TGF-β stimulieren die Synthese der Gelenkmatrix und hemmen die IL-1-vermittelte Zerstörung des Gelenkknorpels, was darauf hindeutet, dass ihre Aktivität ausschließlich mit der Gewebereparatur zusammenhängt. Diese Interaktion ist unabhängig von der Vorexposition der Chondrozyten mit IL-1. Interessanterweise könnte die Kinetik der Wirkungen von IL-1 und TGF-β unterschiedlich sein: Die Fähigkeit von TGF-β, den Gelenkknorpelabbau zu unterdrücken, wird durch seine langsame Wirkung auf TIMP-mRNA abgeschwächt. Andererseits wird in Abwesenheit von TGF-beta ein Anstieg der hNOC- und NO-Spiegel beobachtet. Angesichts der NO-Abhängigkeit der supprimierenden Wirkung von IL-1 auf die Proteoglykansynthese durch Chondrozyten könnte dies erklären, warum wir in vivo eine signifikant stärkere Gegenwirkung von TGF-beta auf die IL-1-abhängige Hemmung der Proteoglykansynthese im Vergleich zum Proteoglykanabbau beobachten.

Eine Studie an Mäusen, denen intraartikulär IL-1 und Wachstumsfaktoren injiziert wurden, zeigte, dass TGF-beta der IL-1-vermittelten Hemmung der Gelenkknorpel-Proteoglykansynthese signifikant entgegenwirkt. CMP-2 hingegen ist zu einer solchen Hemmung nicht in der Lage: Sein stimulierendes Potenzial wurde selbst bei hohen CMP-2-Konzentrationen durch IL-1 vollständig gehemmt. Bemerkenswerterweise stimulierte CMP-2 in Abwesenheit von IL-1 die Proteoglykansynthese deutlich stärker als TGF-beta.

Neben seiner Wirkung auf die Proteoglykansynthese beeinflusst TGF-β auch die IL-1-induzierte Reduktion des Knorpelproteoglykangehalts signifikant. Es ist möglich, dass der Proteoglykangehalt je nach relativer Konzentration von IL-1 und TGF-β abnimmt oder zunimmt. Interessanterweise wurde die oben beschriebene gegensätzliche Wirkung von IL-1 und TGF-β in der Knorpeldicke beobachtet, jedoch nicht in der Nähe von Chondrophyten an den Gelenkflächenrändern. Die Chondrophytenbildung wird durch TGF-β induziert, das chondrogene Zellen im Periost beeinflusst und die Entwicklung von Chondroblasten und die Ablagerung von Proteoglykanen bewirkt. Offenbar reagieren diese Chondroblasten nicht auf IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) untersuchten die Fähigkeit von TGF-beta und KMP-2, der Unterdrückung der Proteoglykansynthese in den Gelenken von Mäusen mit Zymosan-induzierter Arthritis (d. h. in einem Modell einer „reinen“ IL-1-induzierten Entzündung) entgegenzuwirken. Die intraartikuläre Gabe von TGF-beta wirkte der entzündungsbedingten Unterdrückung der Proteoglykansynthese signifikant entgegen, während KMP-2 diesem IL-1-abhängigen Prozess praktisch nicht entgegenwirken konnte. Wiederholte Injektionen von TGF-β in das Kniegelenk der untersuchten Tiere stimulierten die Proteoglykansynthese durch Chondrozyten signifikant, trugen zum Erhalt vorhandener Proteoglykane im entzündungsbedingt erschöpften Knorpel bei, unterdrückten den Entzündungsprozess jedoch nicht.

Bei der Untersuchung der Proteoglykan-synthetisierenden Funktion von Chondrozyten anhand experimenteller Osteoarthrosemodelle bei Tieren wurde in den Frühstadien der OA stets ein erhöhter Gehalt und eine Stimulation der Proteoglykansynthese festgestellt. In Entzündungsmodellen hingegen ist eine signifikante Hemmung der Synthese (IL-1-abhängiger Prozess) zu beobachten. Eine bei Osteoarthrose beobachtete erhöhte Aktivität anaboler Faktoren, insbesondere Wachstumsfaktoren, neutralisiert die Wirkung von Suppressor-Zytokinen wie IL-1. Unter den Wachstumsfaktoren ist TGF-beta der wichtigste; KMP-2 spielt in diesem Prozess wahrscheinlich keine bedeutende Rolle. Obwohl IGF-1 in vitro die Proteoglykansynthese stimulieren kann, wird diese Eigenschaft bei lokaler Anwendung von IGF-1 in vivo nicht beobachtet. Dies kann daran liegen, dass der endogene Spiegel dieses Wachstumsfaktors optimal ist. In späteren Stadien der Osteoarthritis treten Anzeichen einer Hemmung der Proteoglykansynthese auf, was wahrscheinlich mit der dominanten Wirkung von IL-1 und der Unfähigkeit von Wachstumsfaktoren zusammenhängt, dieser aufgrund der verringerten Aktivität entgegenzuwirken.

Die Analyse der Wachstumsfaktorexpression in STR/ORT-Mäusen mit spontaner Osteoarthritis zeigte erhöhte mRNA-Spiegel von TGF-β und IL-1 im geschädigten Knorpel. Es ist zu beachten, dass die Aktivierung von TGF-β aus der latenten Form ein wichtiger Bestandteil der Gewebereparatur ist. Das Verständnis der Rolle von TGF-β wird durch die Ergebnisse einer Studie zur Expression des TGF-β-Typ-II-Rezeptors in ACL-Kaninchen erschwert. Unmittelbar nach Induktion der Osteoarthritis wurden verringerte Konzentrationen dieser Rezeptoren festgestellt, was auf eine unzureichende TGF-β-Signalgebung hindeutet. Interessanterweise zeigten TGF-β-Rezeptor-Typ-11-defiziente Mäuse Anzeichen einer spontanen Osteoarthritis, was ebenfalls auf eine wichtige Rolle der TGF-β-Signalgebung bei der Verschlechterung der Knorpelreparatur und der Entstehung von Osteoarthritis hindeutet.

Der absolute Gehalt an Wachstumsfaktoren in den Gelenken von Patienten mit rheumatoider Arthritis oder Osteoarthrose kann auf deren mögliche Rolle in der Pathogenese dieser Erkrankungen hinweisen. Trotz der Tatsache, dass in Gelenken mit Osteoarthrose und rheumatoider Arthritis hohe Konzentrationen von Wachstumsfaktoren gefunden werden, ist die Art der Abbau- und Reparaturprozesse bei beiden Erkrankungen völlig unterschiedlich. Wahrscheinlich spielen andere, noch nicht identifizierte Faktoren eine wichtige Rolle in der Pathogenese dieser Erkrankungen, oder andere Aspekte der untersuchten Phänomene bestimmen den Verlauf von Abbau- und Reparaturprozessen im Gelenkgewebe (z. B. die Expression bestimmter Rezeptoren auf der Oberfläche von Chondrozyten, löslicher Rezeptoren, die Proteine binden, oder ein Ungleichgewicht von anabolen und destruktiven Faktoren).