Особенности метаболизма белков соединительной ткани. Регенерация костной и хрящевой тканей

костный метаболизм

Введение

После изучения данной обучающей презентации у врачей травматологов-ортопедов появится четкое понимание об основных биохимических вопросах, которые касаются характеристики белкового обмена в соединительной ткани. Данная презентация поможет понять роль различных белков для различных вариантов соединительной ткани. Прояснит понимание роли различных типов коллагенов. Даст базовые знания о синтезе и деградации коллагена и эластина. Очень важно, что данная обучающая презентация продемонстрирует роль витаминов для обменных процессов в соединительной ткани. Особенно важно из всех витаминов отметить роль витамина С и холекальциферола. Данная презентация выделит роль пролилгидроксилазы и лизилоксидазы для обмена коллагена и эластина. Также после изучения данной презентации у травматологов-ортопедов будет четкое понимание этапов коллагеногенеза и его регуляции. Врачи указанного профиля получат информацию о ремоделировании и деградации коллагена и об основах регенерации костной и хрящевой тканей.

Состав костной ткани

Костная и хрящевая ткани - это специализированный тип соединительной ткани.
Костная ткань отличается высокой минерализацией (или кальцифекацией) межклеточного матрикса и содержит по массе около 50% неорганических соединений, 25% органических соединений и 25% воды.
В состав костей входит 99% всего кальция организма (в виде гидроксиапатита: Са10(РО4)6 (ОН)2).
Органические соединения в костной ткани представлены белками, липидами и гетерополисахаридами.
Основную долю органических веществ составляют белки (90% - это коллагеновые белки).

Синтез костного матрикса - остеобласты

Синтез костного матрикса осуществляется остеобластами (4-6% от всех клеток костной ткани) в два основных этапа:

1. Осаждение органического матрикса: секретируются коллагеновые белки, главным образом коллаген I типа, неколлагеновые белки (остеокальцин, остеонектин, ВМР-2, остеопонтин и протеогликаны, включая декорин и бигликан), которые образуют органическую матрицу.

2. Последующая минерализация органического матрикса, которая происходит в две фазы:

везикулярную (матричные везикулы высвобождаются из апикального мембранного домена остеобластов; в них сульфатированные протеогликаны иммобилизируют кальций; при необходимости ферменты остеобластов разрушают протеогликаны, и кальций высвобождается через Са2+-каналы везикул, которые образованы белками аннексинами),
фибриллярную.

Остеокласты

остеокласт

Остеокласты примечательны своим строением и наличием ферментов резорбции костной ткани:

лизосомальной Н+-АТФ-азы вакуольного типа,
тартрат-резистентной кислой фосфатазы,
катепсина К,
матричной металлопротеиназы-9 (ММР-9)

Увеличение количества остеокластов и их активности (например, при воспалении или метастатическом поражении) приводит к остеопорозу или остеолизису.

Состав хрящевой ткани

хрящ

Интерстициальная вода составляет 65-85%;
коллагеновые белки составляют до 25% от состава межклеточного вещества;
хрящевая ткань содержит больше эластиновых волокон, чем костная ткань;
протеогликаны составляют приблизительно от 5 до 10%;
клетки (хондроциты) составляют не более 10% от массы хряща.

Неколлагеновые белки костной и хрящевой тканей

белки костной ткани

Коллаген и его типы

Коллаген - основной белок соединительной ткани многоклеточных организмов

Коллаген - основной нерастворимый фибриллярный белок соединительной ткани и внеклеточного матрикса.
Термином «коллаген» названа группа белков, формирующих характерную тройную спираль из трех полипептидных цепей.
Данные белки отличаются по размеру, функциям, распределению в тканях.
В настоящее время описано 28 типов коллагена.
Коллагены I, II, III типов доминантные в организме человека, на их долю приходится около 95 % от всех типов коллагена.

классификация коллагена

Коллаген I типа:

содержится в костях, коже, сухожилиях, связках, роговице, склере, кровеносных сосудах;
самый распространенный в организме;
составляет 95% от различных типов коллагенов костей 80% от всех белков костной ткани;
гетеротример: две α₁ цепи и одна α₂
каждая цепь состоит из ~ 1000 аминокислот;
длина коллагена данного типа ~ 300 нм, а толщина 1-5 нм;
состоит из трех доменов: N-телопептид, центральный трехспиральный домен и С-телопептид;
центральный домен представлен повторяющейся аминокислотной последовательностью: Глицин-Х-У, где X - часто пролин, а У - гидроксипролин;
пострансляционная модификация: гидроксилирование (особенно важное значение имеет гидроксилирование лизина), гликозилирование (может быть ферментативным и неферментативным; неферментативное гликозилирование интенсифицируется при старении и приводит к повышенному образованию поздних продуктов гликирования -AGEs);
маркёры формирования костного матрикса и антирезорбтивной терапии:

N-концевой (терминальный) пропептид проколлагена I типа (PINP), N-терминальный пропептид проколлагена I типа (используется в клинической практике);
С-концевой (терминальный) пропептид проколлагена I типа (PICP).

норма концевого пептида

Маркёры деградации и резорбции:

С-концевой (терминальный) телопептид проколлагена I типа (СТХ-1, β-CrossLaps) (используется в клинической практике),
неоэпитоп коллагена I типа (С1М).

Входящая в состав С-терминальных телопептидов альфа-аспарагиновая кислота конвертируется в бета-форму (β-CrossLaps) и дальнейшему катаболизму не подвергается, а выводится почками в составе мочи в неизмененном виде.
Является специфическим маркером деградации коллагена костей и остеопороза, а также высокочувствительным показателем антирезорбтивной терапии.

норма пептида

Коллаген II типа:

содержится в хрящах, межпозвонковых дисках, стекловидном теле;
ген Со12А1 максимально экспрессирован в экстрацеллюлярном матриксе и суставных хрящах;
три идентичные α₁ цепи, т.е. гомотример;
так же, как и коллаген I типа, образует фибриллы приблизительно 300 нм длиной и 1,5 нм в диаметре;
как и все фибриллообразующие коллагены синтезируется в виде проколлагена;
С-концевой пропептид - это неколлагеновый домен (NC1), состоит из трех идентичных цепей;
N-концевой пропептид содержит три домена: NC2, Col2, NC3; при остеоартрите реэкспрессирован эмбриональный домен N-пропептида - PIIBNP (ингибирует выживаемость остеокластов и соответственно резорбцию);
взаимодействует с коллагенами XI и IX типов и с небольшими протеогликанами, богатыми лейцином.

Коллаген III типа:

содержится в коже, стенке сосудов, лёгких, печени, селезенке;
гомотримерный коллаген (три α₁ цепи);
участвует в фибриллогенезе коллагена I типа в коже, сердечно-сосудистой системе и в кишечнике;
костный морфогенетический белок 1 (ВМР-1) вовлечен в скорость-лимитирующий этап удаления С-концевого пептида;
процессинг проколлагена III типа повышается в присутствии энхансеров проколлаген-С-протеиназы (РСРЕ). Идентификация и связывание РСРЕ - это перспективная мишень антифибротической терапии;
«молодая» рубцовая ткань содержит в основном коллаген III типа и небольшое количество коллагена I типа. Однако при «старении» рубца соотношение коллагена I/III типов становится 1/г. При келлоидах и гипертрофических рубцах отмечается превалирование коллагена III типа;
является лигандом для рецептора G-белка (GPR56). Данное взаимодействие определяет развитие коры больших полушарий;
также взаимодействует с интегрином α₂β₁ и фактором Виллебранда, т.о. участвует в адгезии и в регенерации сосудов.

Коллаген IV типа:

содержится в базальных мембранах;
содержит повторяющиеся длинные (400 нм) спирализованные участки, которые прерываются короткими неспирализованными фрагментами;
наиболее гибкий коллаген, в 26 местах его тройная спираль прерывается неколлагеновой аминокислотной последовательностью;
обеспечивает взаимодействие между ламинином, гепарансульфатом, перлеканом, нидогеном, факторами роста и клетками;
N- и С-концевые пропептиды не отщепляются и являются местом связывания (остатки цистеина и лизина) при образовании олигомерных форм коллагена;
секретируется эндотелиоцитами, эпителиоцитами, миоцитами, адипоцитами и др.;
содержит различные α-цепи (α_1-6);
N-концевой коллагеновый домен (7S) богат цистеином и лизином, имеется связь между лизином и гидроксилизином, сильно гликозилирован, т.о. защищен от воздействия коллагеназ;
центральный коллагеновый домен содержит около 1400 аминокислотных остатков;
С-концевой глобулярный домен (NC) содержит много метионина и лизина, которые между собой образуют связь;
синдром Гудпасчера и синдром Альпрота связаны с аутоиммунным поражением почечных базальных мембран (содержат коллаген IV типа) и развитием гломерулонефрита.

Коллаген V типа:

содержится в костях, роговице, лёгких, плаценте, вместе с коллагеном I типа;
минорный длинный фибриллярный коллаген (390 нм);
имеет глобулярный N-домен;
коллаген V типа необходим для фибрилляции коллагенов I и III типов;
коллаген данного типа связывается с ДНК, гепарансульфатом, гепарином,инсулином,тромбоспондином;
гетеротример: α₁2α₂.

Коллаген VI типа:

содержится в коже, хрящах, лёгких, плаценте, сосудистой стенке, межпозвонковых дисках, экстрацеллюлярном матриксе;
коллаген, формирующий микрофибриллы;
короткоцепочечный коллаген, имеет глобулярные домены, которые длиннее коллагеновых;
латерально ассоциирован с коллагеном I типа;
две молекулы формируют димер, а затем превращаются в тетрамер;
содержит большое количество последовательностей Арг-Гли-Асп, благодаря чему взаимодействует с интегринами и участвует в клеточной адгезии (связывается с фибробластами, хондроцитами, гемопоэтическими и опухолевыми клетками);
также связывается с декорином, фибронектином, перликаном, бигликаном и тенасцином;
находится рядом с базальной мембраной;
гетеротример: α₁α₂α₃;
является ранним сенсором ответа на повреждение, регулирует фиброгенез и отвечает за межклеточное взаимодействие.

Коллаген VII типа:

содержится в коже (эпидермально-дермальное соединение), слизистой оболочке ротовой полости;
коллаген, формирующий «заякоренные фибриллы»;
синтезируется кератиноцитами и фибробластами;
имеет длину 450 нм;
содержит два концевых неколлагеновых домена и один центральный — коллагеновый;
формирует димеры, соединяясь антипараллельно с неколлагеновым N-концевым доменом.

Коллаген VIII типа:

содержится в эндотелиальных клетках, десцеметовых мембранах эндотелия роговицы;
короткоцепочечный коллаген;
молекулы этого коллагена собираются антипараллельно с образованием тетрамеров, формируя гексагональные решётки, которые и обеспечивают прозрачность роговицы.

Коллаген IX типа:

содержится в хрящах, роговице;
коллаген, ассоциированный с фибриллами;
состоит из трёх коллагеновых (К, фибриллярных) доменов и четырёх неколлагеновых (НК, глобулярных) доменов;
антипараллельно присоединяется к коллагену II типа (ограничивает размер фибрилл) Лиз-Лиз мостиками (К1, К2, НК1, НК2, НКЗ);
НК4-домен положительно заряжен и необходим для связи с гиалуроновой кислотой или хондроитинсульфатом при организации межклеточного матрикса в хрящах;
латерально ассоциируется с коллагеном II типа.

Коллаген X типа:

содержится в гипертрофированном хряще;
в норме составляет 1% от коллагенов хрящевой ткани;
короткоцепочечный коллаген;
как и коллагены IV и VIII типов, коллаген данного типа формирует сетеподобные структуры;
гомотример (состоит из трех α₁ цепей);
связывает кальций.

Коллаген XI типа:

содержится в хрящах, стекловидном теле;
минорный коллаген, образующий фибриллы;
гетеротример (α₁α₂α₃);
дефект гена данного типа коллагена приводит к развитию:

синдрома Стиклера (группа наследственных коллагенопатий (II, IX и XI типов коллагена, другое название — наследственная артроофтальмопатия. Заболевание характеризуется изменениями лица, поражением глаз, потерей слуха и патологией суставов),
синдрома Маршала (гипоплазия средней зоны лица, спондилоэпифизарные аномалии, расщелина неба и сенсоневральная тугоухость, эктодермальная дисплазия с гипертрихозом и гипогидрозом, утолщением костей свода черепа, гипертелоризм).

Коллаген XII типа:

содержится в скелетных мышцах, коже, костях, сухожилиях, связках;
коллаген, ассоциированный с фибриллами (стабилизирует коллаген I типа);
гомотример (состоит из трех α₁ цепей);
участвует в дифференцировке остеобластов и формировании костной ткани, также регулирует полярность фибробластов;
содержит большое количество пептидных последовательностей;
Арг-Гли-Асп для связи с β₁ интегрином;
нарушение синтеза данного типа коллагена приводит к снижению содержания белков костного матрикса остеокальцина и остеопонтина;
дефект гена данного типа коллагена приводит к развитию синдрома Элерса-Данло, при этом клинически выражена гипермобильность суставов и мышечная слабость.

Регенерация костной и хрящевой тканей

На регенерацию костной и хрящевой тканей влияют:

нормальный генетический профиль,
нормальный гормональный профиль,
обеспеченность витаминами: С, В6, РР, К, D3,
обеспеченность металлами: Fe2+, Си, Са2+, Zn2+,
нормоксия,
BMPs,
факторы роста (PDGF),
наличие клеток предшественников.

Имплантация аутологичных хондроцитов

Более современные подходы к регенерации хряща включают имплантацию аутологичных хондроцитов (ACI) и теперь имплантацию аутологичных хондроцитов, связанную с матрицей (MACI), а также индуцированный аутологичным матриксом хондрогенез (AMIC).
MACI - это двухэтапная процедура (и прогресс по сравнению с оригинальной процедурой ACI), при которой здоровые хрящевые клетки собирают у пациента, размножают, высевают в коллагеновую матрицу и затем повторно имплантируют в дефект хряща. AMIC, с другой стороны, является одностадийной процедурой, при которой бесклеточный коллагеновый матрикс имплантируется в дефект хряща.
TGF-B1 (трансдуцированные аллогенные хондроциты (Invossa), внутрисуставная инъекция) продемонстрировал высокий индекс пролиферации гиалинового хряща.

Терапия плазмой, обогащенной тромбоцитами (PRP)

PRP модулирует воспалительную и катаболическую среду через локально нанесенный концентрат тромбоцитов, лейкоцитов и факторов роста (тромбоцитарного фактора роста - PDGF, фактора роста фибробластов - FGF, фактора роста гепатоцитов - HGF).
Недавние усилия были сосредоточены на оптимизации методов доставки, которые позволяют тромбоцитам медленно дегранулировать свои биологические составляющие, что может способствовать заживлению и улучшать симптомы остеоартроза в течение более длительного периода времени.
Существуют различные факторы, которые влияют на прогрессирование остеоартроза в суставах, в том числе ингибирование воспалительных цитокинов и изменение уровня ферментативной экспрессии.
PRP-терапия направлена на опосредование воспалительных и катаболических факторов в дегенеративной среде посредством секреции противовоспалительных факторов и хемотаксических эффектов, а также на увеличение синтеза коллагена II типа и коркового белка аггрекана.
Растет число исследований, которые продемонстрировали клиническую пользу PRP для неоперативного лечения остеоартроза.
Необходимы дополнительные рандомизированные контролируемые исследования с долгосрочным наблюдением, чтобы подтвердить терапевтическую эффективность PRP в этих условиях.
Кроме того, необходимы дальнейшие фундаментальные исследования, а также тщательно разработанные доклинические исследования и стандарты отчетности, чтобы прояснить эффективность PRP для восстановления и регенерации хряща для будущих клинических применений.

Терапия стромально-васкулярной фракцией (SVF)

SVF-терапия (от англ. Stromal Vascular Fraction) - это лечение клетками стромально-васкулярной фракции (СВФ), полученными из собственной (аутологичной) жировой ткани.
SVF-клетки вводят внутрисуставно под местной анестезией.
Цель СВФ лечения снять боль в суставе и восстановить суставной хрящ.
Клинические наблюдения применения данного варианта стимуляции регенерации гиалинового хряща демонстрируют высокую эффективность у больных с деформирующим остеоарторозом 11-111 стадии (Шевела Е.Ю. и соавт., 2017).

Использование факторов роста

Результат доклинических испытаний ВМР-2: двойная доставка IGF-1 и ВМР-2 имела более высокую долю восстановления субхондральной кости, больший рост кости на краях дефекта и более низкую удельную поверхность кости, чем однократная доставка IGF-1.
Результат доклинических испытаний ВМР-7: контролируемая добавка ВМР-7 может улучшить хондрогенный эффект TGF-рЗ, и каркасы, загруженные этой комбинацией факторов роста, могут индуцировать образование хряща в культурах человеческих мезенхимальных стволовых клеток.
Результат клинических испытаний FGF-18 (сприфермин): qMRI показал увеличение толщины хряща дозозависимым образом у пациентов с остеоартрозом коленного сустава с приемлемым профилем безопасности через 3 года.

Удаление соседних стареющих клеток (сенесцентных)

Недавнее исследование, проведенное Jeon и коллегами, показало, что стареющие хондроциты накапливаются вокруг травматических повреждений хряща и связаны с развитием артрита.
Клиренс этих стареющих клеток посредством внутрисуставной инъекции сенолитической молекулы ослаблял развитие артрита на мышиной модели.
Другое недавнее исследование показало, что омоложение старых MSCs с SRT1720, активатором SIRT1, значительно улучшало функцию сердца и ангиогенез в модели Ml у крыс по сравнению с контрольными MSC.
Эти потенциальные терапевтические средства, направленные на омоложение, оптимизацию и рекрутирование эндогенных стволовых клеток, вероятно, повысят эффективность методов инженерии хрящевой ткани у пожилых пациентов.

Применение остеопластических материалов

остеопластические материалы

Использованная литература

1. Биохимия: Учебник / Под ред. Е.С.Северина. – 4-е изд., испр. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. – 784 с.:ил.

2. Harpers Illustrated Biochemistry 30th Edition: 9780071825344: Medicine & Health Science Books.

3. Биологическая химия: учебник В.К. Кухта, Т.Е. Морозкина, З.И. Олецкий, А.Д. Таганович; под ред. А.Д. Тагановича. Минск: Асар, М.: Издательство БИНОМ, 2008. – 688 с.

4. Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. / Д.Нельсон, М.Кокс; пер. с англ. - 3-е изд., испр. – М.: Лаборатория знаний, 2017.