Контроль и регуляция метаболизма хрящевой ткани

Между тем поступление гормонов к хондроцитам ограничено, ибо оно возможно только путем диффузии через матрикс хряща.

Гликокортикоидные гормоны угнетают биосинтетическую активность хондроцитов, ингибируя продукцию и коллагенов, и протеогликанов. Вероятно, в основе этого действия лежит вызываемое гликокортикоидами торможение гликолиза — главного пути энергетического обеспечения хондроцитов.

Действие других гормонов на хрящевые клетки не однозначно. В ряде случаев оно носит опосредованный характер или изменяется в зависимости от дополнительных условий. Так, инсулин стимулирует синтез сульфатированных гликозаминогликанов только в хондроцитах крыс, перенесших гипофизэктомию.

Противоречивы сведения о действии на хондроциты тиреоидных гормонов. Тирозин стимулирует биосинтез хондроитин-сульфатов при низком парциальном давлении кислорода в среде, а также обеспечивает дифференциацию хондроцитов в культурах в присутствии сыворотки крови. Трийодтиронин стимулирует in vitro рост и созревание хрящей куриного эмбриона. Предварительная гипофизэктомия снижает стимулирующее действие тироксина.

Тироксин тормозит стимуляцию процессов синтеза в хондроцитах соматомединами. Стимуляторы соматомедины, в частности, стимулируют синтез гликозаминогликанов. Другой гипофизарный гормон — релаксин — вызывает изменения фенотипа культивируемых хондроцитов из суставных хрящей и эпифизарных хрящей, способствуя экспрессии коллагенов I и III типов. Паратиреоидный гормон усиливает включение радиоактивного сульфата в суставные хрящи кроликов. Тестостерон стимулирует рост хрящей благодаря вызываемой этим гормоном задержке азота в тканях; утилизация сульфата при этом не изменяется. Эстрогенные гормоны, напротив, задерживают рост метаэпифизарных хрящей, угнетая биосинтез хондроцитами ДНК и гликозаминогликанов. Последний эффект особенно свойствен эстрадиолу.

Возникают трудности с конкретизацией характера действия индивидуальных гормонов на метаболические функции хрящевых клеток ввиду сложного взаимодействия различных гормональных факторов (это взаимодействие относится к любым клеткам). Другая причина заключается в том, что на хондроциты оказывают воздействие гормоны, причем на фоне более сильного влияния окружающего клетки матрикса. Матрикс хряща может модифицировать эффект гормонов.

Наряду с системными гуморальными факторами, такими как гормоны, некоторые витамины (в частности витамин А и его производная — ретиноевая кислота), на метаболические функции хондроцитов суставных хрящей регулирующее влияние оказывают локальные факторы, сосредоточенные в матриксе. Это многочисленные растворимые медиаторы: факторы роста и диффренциации, цитокины, которые воздействуют на биосинтетическую активность хондроцитов на всех возможных уровнях (на транскрипцию мРНК, сплайсинг РНК, трансляцию, посттрансляционные модификации, внутриклеточный транспорт и секрецию в экстрацеллюлярный матрикс готовых белков).

Важным анаболическим фактором роста для хондроцитов суставных хрящей является инсулиноподобный факторpocma-I (IGF-I), активность которого в большой мере зависит от присутствия в матриксе группы секретируемых белков, связывающих IGF (IGFB). Хрящевая ткань содержит большое количество одного из членов этой группы — IGFB-3, причем его накопление увеличивается с возрастом. IGFB-3 связывается в территориальном матриксе хондроцитов с фибронектином, а этот комплекс, в свою очередь, связывает IGF-I, угнетая его анаболическое влияние. При повреждении хряща происходят освобождение IGF-I и локальная интенсификация синтеза матрикса.

Антагонистом IGF-I является интерлейкин IL-1α, имеющий вместе с другими цитокинами большое значение в развитии воспалительных и других деструктивных поражений хрящей. Действие обоих этих локальных регуляторов опосредовано внутри клетки фактором транскрипции Sox-9, экспрессия которого коррелирует с экспрессией специфических для хондроцита генов, ответственных за продукцию экстрацеллюлярного матрикса. IGF-1 усиливает действие Sox-9, a IL-1α угнетает его экспрессию, ограничивая тем самым репаративный потенциал хондроцита. Известно также участие ряда других морфогенов и факторов транскрипции, образующих пути передачи сигналов от различных компонентов матрикса (лигандов) к генетическому аппарату клетки, в формировании фенотипа хондроцита.

Синтез цитокинов группы IL-1 и других интерлейкинов находится под контролем простагландинов, из числа которых особенно важен простагландин PGE₂

Ввиду наличия рецепторов, хондроциты восприимчивы к действию костных морфогенетических белков (BMP), продуцируемых остеобластами. Анаболический эффект BMP на хондроциты особенно выражен у ВМР-7 (ОР-1). ОР-1 поддерживает нормальный фенотип хондроцитов, стимулируя биосинтез коллагена II типа и агрекана; ОР-1 также стимулирует пролиферацию хондроцитов. Вместе с тем хондроциты, подобно остеобластам, сами экспрессируют ОР-1, причем интенсивность этого биосинтеза, определяемая как иммунологическими методами, так и по экспрессии мРНК, прогрессивно снижается с возрастом. Она снижается также при дегенеративных поражениях суставных хрящей. Считают, что ОР-1 необходим для поддержания гомеостаза и структурной целостности хрящевого матрикса.

Кроме ВМР-7 (ОР-1), хондроциты экспрессируют специфические морфогены (факторы роста), также как и BMP из суперсемейства TGF-β, аналогичные (BMP). Это — происходящие из хряща морфогенетические белки, или хрящевые морфогенетические белки (CDMP). Известны два таких белка — CDMP-1 и CDMP-2. CDMP имеют особое значение в обеспечении целостности суставной поверхности хрящей.

Регулирующее влияние экстрацеллюлярного матрикса как специфической информационной системы на метаболические функции хондроцитов обусловлено также самим фактом его присутствия вокруг клеток и концентрацией в нем специфических макромолекулярных компонентов. Это влияние было убедительно показано в экспериментах с тканевыми культурами хрящей. Удаление матрикса или какого-либо из его компонентов, осуществляемое с помощью ферментов (папаин, коллагеназа, гиалуронидаза), влечет за собой немедленную интенсификацию экспрессии недостающих в матриксе макромолекул. Одновременно усиливается пролиферация хондроцитов. После восполнения дефицита интенсивность метаболических процессов возвращается к исходному уровню. Аналогичное явление наблюдалось и in vivo после внутривенного введения животным протеолитического фермента папаина, разрушающего матрикс.

Молекулярный механизм такого, осуществляющегося по принципу обратной связи, влияния матрикса на хондроциты состоит, очевидно, во взаимодействии медиаторов с рецепторами клеточной поверхности, в том числе с интегринами, которые передают исходящую от матрикса информацию внутрь клеток. Макромолекулярные компоненты матрикса, во-первых, могут модулировать эффект медиаторов, и, во-вторых, могут и сами связываться с рецепторами, влияя на экспрессию генов.

Но интересно, что это количественное влияние компонентов матрикса сочетается с эффектом качественного характера. Суть последнего состоит в том, что специфические компоненты хрящевого матрикса, в частности коллаген II типа и агрекан, необходимы для поддержания фенотипа культивируемых хондроцитов. Добавление в клеточную культуру коллагена II типа значительно интенсифицирует вызываемую фактором роста TGFβ-1 экспрессию хондроцитами агрекана и α1(II)-проколлагена. Денатурированный коллаген II типа такого влияния не оказывает.

Положительным влиянием на проявление фенотипических свойств хондроцитов обладает и такой компонент матрикса, как гиалуронан. При культивировании на синтетическом полимере, основу которого составляет гиалуронан, хондроциты активно экспрессируют мРНК коллагена II типа и агрекана, а экспрессия не свойственного хондроцитам коллагена I типа угнетается.

Регулирующее действие матрикса имеет еще один аспект, который можно назвать пространственным. Известно, что хондроциты легко утрачивают свой фенотип в плоскостной монослойной культуре, — они начинают синтезировать коллаген I типа и гиалуронан, т.е. возвращаются к фенотипу мезенхимальной клетки. Если же изолированные хондроциты культивируются в трехмерной объемной среде — в коллагеновом геле, они длительное время продолжают экспрессировать типичные для хрящевой ткани коллаген II типа и агрекан.

Большая роль в регуляции метаболических функций суставного хряща принадлежит биомеханическим факторам. Всякое ограничение движений в суставе на длительный срок влечет за собой уменьшение массы хрящей в данном суставе и понижение концентрации протеогликанов в экстрацеллюлярном матриксе. При искусственном приложении компрессии к культивируемым хондроцитам (путем периодического центрифугирования многослойной культуры) увеличивалась экспрессия мРНК коллагена II типа, а также одного из факторов роста (IGF-I).