Vai trò của lắng đọng tinh thể trong quá trình sinh bệnh của bệnh thoái hóa khớp

Tinh thể canxi phosphat cơ bản (BCP) được tìm thấy trong dịch hoạt dịch của 30-60% bệnh nhân bị thoái hóa khớp. Theo A. Swan và cộng sự (1994), tinh thể chứa canxi được tìm thấy trong dịch hoạt dịch của số lượng lớn hơn nhiều bệnh nhân bị thoái hóa khớp; tuy nhiên, do kích thước cực kỳ nhỏ của tinh thể hoặc số lượng ít nên chúng không được xác định bằng các kỹ thuật thông thường. Sự hiện diện của tinh thể BCP trong dịch hoạt dịch có tương quan với các dấu hiệu thoái hóa sụn khớp trên X quang và liên quan đến thể tích tràn dịch lớn hơn so với tràn dịch ở khớp gối không có tinh thể. Một nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến tiến triển trên X quang của bệnh thoái hóa khớp gối cho thấy sự lắng đọng của tinh thể canxi pyrophosphat dihydrat (CPPD) là yếu tố dự báo kết quả lâm sàng và X quang không thuận lợi. Trong một nghiên cứu trên bệnh nhân cao tuổi, bệnh thoái hóa khớp được phát hiện có liên quan đến vôi hóa sụn, đặc biệt là ở khoang xương chày đùi bên của đầu gối và ba khớp bàn ngón tay đầu tiên. Không phải là hiếm khi cả hai loại tinh thể OFC và PFC đều được tìm thấy ở những bệnh nhân bị viêm xương khớp.

Về mặt lâm sàng, thoái hóa sụn khớp do lắng đọng tinh thể canxi khác với tình trạng thoái hóa xương khớp nguyên phát. Nếu tinh thể là một hiện tượng phụ đơn giản của thoái hóa sụn, chúng sẽ được tìm thấy ở các khớp thường bị thoái hóa xương khớp nguyên phát nhất, tức là đầu gối, hông và các khớp nhỏ ở bàn tay. Ngược lại, các bệnh lắng đọng tinh thể thường ảnh hưởng đến các khớp không điển hình cho tình trạng thoái hóa xương khớp nguyên phát, chẳng hạn như vai, cổ tay và khuỷu tay. Sự hiện diện của tinh thể trong dịch khớp (tràn dịch) có liên quan đến thoái hóa sụn khớp nghiêm trọng hơn. Câu hỏi về nguyên nhân là gì và nguyên nhân là gì, lắng đọng tinh thể hay thoái hóa sụn, vẫn đang được tranh luận. Một vị trí trung gian được chiếm giữ bởi giả định sau: một bất thường chính trong quá trình chuyển hóa sụn dẫn đến thoái hóa của nó và sự lắng đọng thứ phát của tinh thể làm tăng tốc quá trình thoái hóa của nó (cái gọi là lý thuyết vòng khuếch đại).

Cơ chế chính xác mà tinh thể canxi gây tổn thương sụn khớp vẫn chưa được biết đến được tóm tắt dưới đây. Về mặt lý thuyết, tinh thể canxi có thể trực tiếp gây tổn thương tế bào sụn. Tuy nhiên, xét nghiệm mô học hiếm khi phát hiện ra tinh thể gần tế bào sụn và thậm chí còn hiếm hơn khi chúng bị tế bào sụn nuốt vào. Cơ chế có khả năng xảy ra nhất là thực bào tinh thể bởi các tế bào lót hoạt dịch, sau đó giải phóng các enzyme phân giải protein hoặc tiết ra các cytokine kích thích tế bào sụn giải phóng các enzyme. Khái niệm này được hỗ trợ bởi một nghiên cứu về vai trò của viêm hoạt dịch do PFKD gây ra trong sự phát triển của bệnh thoái hóa khớp tiến triển nhanh trong bệnh lý khớp do pyrophosphate. Trong nghiên cứu này, các tinh thể canxi pyrophosphate dihydrate (1 hoặc 10 mg) được tiêm hàng tuần vào đầu gối phải của thỏ bị thoái hóa khớp do cắt bỏ một phần sụn chêm bên. Hóa ra sau 8 lần tiêm, khớp gối phải cho thấy những thay đổi nghiêm trọng hơn đáng kể so với bên trái. Cường độ viêm hoạt dịch có tương quan với các lần tiêm tinh thể canxi pyrophosphate dihydrate vào khớp và liều lượng của chúng. Mặc dù liều lượng tinh thể CPPD được sử dụng trong nghiên cứu này vượt quá liều lượng trong cơ thể sống, nhưng kết quả cho thấy vai trò của tình trạng viêm do CPPD gây ra trong quá trình tiến triển của bệnh thoái hóa khớp ở bệnh lý khớp do pyrophosphate.

Các cơ chế tiềm ẩn gây tổn thương sụn khớp do tinh thể chứa canxi có liên quan đến đặc tính phân bào, khả năng gây ra MMP và kích thích tổng hợp prostaglandin.

Tác dụng sinh nguyên phân của tinh thể chứa canxi. Trong các bệnh lý khớp liên quan đến tinh thể, sự tăng sinh của các tế bào lót hoạt dịch thường được quan sát thấy, trong đó bản thân các tinh thể chỉ chịu trách nhiệm một phần cho quá trình này. Sự gia tăng số lượng tế bào hoạt dịch đi kèm với sự gia tăng tiết cytokine, thúc đẩy quá trình tiêu sụn và gây ra sự tiết các enzyme phân giải protein. Các tinh thể OFC ở nồng độ tìm thấy trong bệnh lý khớp của con người kích thích sinh nguyên phân phụ thuộc vào liều lượng của các nuôi cấy nguyên bào sợi da đang nghỉ ngơi và nguyên bào sợi hoạt dịch ở chó và chuột. Các tinh thể canxi pyrophosphate dihydrat, urat, sulfat, cacbonat và canxi phosphate kích thích sự phát triển của tế bào. Sự khởi đầu và đỉnh điểm của sự kết hợp ( ^3H )-thymidine do các tinh thể này gây ra bị dịch chuyển 3 giờ so với sự kích thích các tế bào bằng huyết thanh. Khoảng thời gian này có thể cần thiết cho quá trình thực bào và hòa tan các tinh thể. Việc bổ sung các tinh thể kiểm soát có cùng kích thước (ví dụ, bụi kim cương hoặc các hạt cao su) không kích thích sinh nguyên phân. Các tinh thể natri urat monohydrat có đặc tính mitogenic yếu và kém hơn đáng kể so với các tinh thể canxi urat, cho thấy tầm quan trọng của hàm lượng canxi trong các tinh thể trong quá trình mitogenesis. Các tinh thể OFC tổng hợp có cùng đặc tính mitogenic như các tinh thể thu được từ những bệnh nhân bị vôi hóa sụn. Hiệu ứng mitogenic của các tinh thể chứa canxi không phải là kết quả của việc tăng hàm lượng canxi trong môi trường dinh dưỡng xung quanh trong ống nghiệm, vì sự hòa tan của các tinh thể canxi phosphat cơ bản trong môi trường dinh dưỡng không kích thích sự kết hợp của ( ^3H )-thymidine bởi các nguyên bào sợi.

Một cơ chế được đề xuất cho quá trình nguyên phân do OFC gây ra là sự tăng sinh bất thường của tế bào hoạt dịch có thể là do, ít nhất một phần, quá trình nội bào và hòa tan tinh thể trong tế bào, làm tăng nồng độ Ca2 ⁺ trong tế bào chất và kích hoạt con đường phụ thuộc canxi dẫn đến nguyên phân. Khái niệm này được hỗ trợ bởi yêu cầu tiếp xúc trực tiếp giữa tế bào và tinh thể để kích thích nguyên phân, vì việc tiếp xúc với các tế bào nuôi cấy với tinh thể gây ra sự phát triển của tế bào, trong khi việc tiếp xúc với các tế bào không có sự tiếp xúc như vậy thì không. Để nghiên cứu yêu cầu thực bào tinh thể sau tương tác giữa tế bào và tinh thể, các tế bào được nuôi cấy với ⁴⁵ Ca-OPC và ( ³ H)-thymidine. Người ta thấy rằng các tế bào chứa ⁴⁵ Ca-OPC kết hợp nhiều hơn đáng kể ( ³ H)-thymidine so với các tế bào không có nhãn canxi phosphat cơ bản. Trong nuôi cấy đại thực bào, sự ức chế nội bào tinh thể bởi cytochalasin dẫn đến ức chế quá trình hòa tan tinh thể, càng làm nổi bật sự cần thiết của quá trình thực bào.

Các tinh thể chứa canxi hòa tan trong axit. Sau khi thực bào, các tinh thể hòa tan trong môi trường axit của phagolysosome của đại thực bào. Chloroquine, amoni clorua, bafilomycin A1 và tất cả các tác nhân lysosomotrophic làm tăng độ pH của lysosome phụ thuộc vào liều lượng ức chế sự hòa tan tinh thể nội bào và sự hấp thu (3H)-thymidine ^trong nguyên bào sợi được nuôi cấy bằng tinh thể canxi phosphat cơ bản.

Việc bổ sung tinh thể OFC vào nuôi cấy nguyên bào sợi đơn lớp gây ra sự gia tăng gấp mười lần ngay lập tức nồng độ canxi nội bào, trở lại mức ban đầu sau 8 phút. Nguồn canxi chủ yếu là ion ngoại bào, vì các tinh thể canxi phosphat cơ bản được thêm vào môi trường nuôi cấy không chứa canxi. Sự gia tăng tiếp theo của nồng độ canxi nội bào được quan sát thấy sau 60 phút và kéo dài ít nhất 3 giờ. Ở đây, nguồn canxi là các tinh thể thực bào hòa tan trong phagolysosome.

Người ta thấy rằng hiệu ứng mitogenic của tinh thể OFC tương tự như hiệu ứng của PDGF như một yếu tố tăng trưởng; giống như sau, tinh thể OFC biểu hiện sự hiệp đồng với IGF-1 và huyết tương. Sự phong tỏa IGF-1 làm giảm mitogenesis tế bào để đáp ứng với OFC. PG Mitchell và cộng sự (1989) đã chỉ ra rằng việc cảm ứng mitogenesis trong nguyên bào sợi Balb/c- ₃ T3 _bởi tinh thể OFC đòi hỏi sự hiện diện của serine/threonine protein kinase C (PKC), một trong những chất trung gian chính của các tín hiệu được tạo ra trong quá trình kích thích bên ngoài tế bào bằng hormone, chất dẫn truyền thần kinh và các yếu tố tăng trưởng. Sự giảm hoạt động PKC trong tế bào Balb/c-3 T3 _{ức chế sự cảm ứng trung gian bởiOFC} của proto-oncogene c-fos và c-myc, nhưng không ảnh hưởng đến sự kích thích các oncogene này được trung gian bởi PDGF.

Sự gia tăng canxi nội bào sau khi hòa tan các tinh thể thực bào không phải là con đường truyền tín hiệu duy nhất cho quá trình nguyên phân. Khi các yếu tố tăng trưởng như PDGF liên kết với thụ thể màng của chúng, phospholipase C (một phosphodiesterase) được kích thích, thủy phân phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate để tạo thành các chất truyền tin nội bào inositol-3-phosphate và diacylglycerol. Chất trước giải phóng canxi từ lưới nội chất bằng cách điều chỉnh hoạt động của các enzyme phụ thuộc canxi và phụ thuộc canxi/calmodulin như protein kinase và protease.

R. Rothenberg và H. Cheung (1988) đã báo cáo sự gia tăng phân hủy phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate bởi phospholipase C trong các tế bào hoạt dịch thỏ để đáp ứng với sự kích thích bằng tinh thể OFC. Sau này làm tăng đáng kể hàm lượng inositol-1-phosphate trong các tế bào có gắn nhãn ( ^3H )-inositol; đỉnh đạt được trong vòng 1 phút và kéo dài trong khoảng 1 giờ.

Diacylglycerol là chất hoạt hóa tiềm năng của canxi pyrophosphate dihydrate. Vì tinh thể OFC làm tăng hoạt động của phospholipase C, dẫn đến tích tụ diacylglycerol, do đó, người ta có thể mong đợi sự gia tăng hoạt hóa PKC. PG Mitchell và cộng sự (1989) đã so sánh tác động của tinh thể OFC và PDGF lên quá trình tổng hợp DNA của _{nguyên bào sợi Balb/c-3T3}. Trong nuôi cấy tế bào, PKC bị bất hoạt bằng cách ủ tế bào với phorbol diester (TPD) hỗ trợ khối u, một chất tương tự diacylglycerol. Kích thích lâu dài với liều thấp TPD làm giảm hoạt động của PKC, trong khi kích thích đơn lẻ với liều cao đã kích hoạt nó. Kích thích tổng hợp DNA bởi tinh thể OFC bị ức chế sau khi PKC bị bất hoạt, cho thấy tầm quan trọng của enzyme này trong quá trình nguyên phân do OFC gây ra. Trước đó, GM McCarthy và cộng sự (1987) đã chứng minh mối liên hệ giữa phản ứng nguyên phân của nguyên bào sợi người đối với tinh thể OFC và hoạt hóa PKC. Tuy nhiên, tinh thể OFC không kích hoạt phosphatidylinositol 3-kinase hoặc tyrosine kinase, điều này khẳng định cơ chế kích hoạt tế bào của tinh thể OFC là có chọn lọc.

Sự tăng sinh tế bào được kiểm soát bởi một nhóm gen gọi là proto-oncogene. Các protein foe và mye, sản phẩm của proto-oncogene c-fos và c-myc, nằm trong nhân tế bào và liên kết với các trình tự DNA cụ thể. Kích thích nguyên bào sợi 3T3 bằng tinh thể OFC dẫn đến biểu hiện c-fos trong vòng vài phút, đạt mức tối đa là 30 phút sau khi kích thích. Sự cảm ứng phiên mã c-myc bởi tinh thể OFC hoặc PDGF xảy ra trong vòng 1 giờ và đạt mức tối đa là 3 giờ sau khi kích thích. Các tế bào duy trì mức độ phiên mã c-fos và c-myc cao trong ít nhất 5 giờ. Ở các tế bào có PCD bất hoạt, sự kích thích c-fos và c-myc bởi tinh thể OFC hoặc TFD bị ức chế đáng kể, trong khi sự cảm ứng các gen này bởi PDGF không thay đổi.

Các thành viên của họ protein kinase hoạt hóa mitogen (MAP K) là những chất điều hòa chính của nhiều chuỗi truyền tín hiệu nội bào. Một phân lớp của họ này, p42/p44, điều hòa sự tăng sinh tế bào thông qua cơ chế liên quan đến hoạt hóa các proto-oncogene c-fos và c-jun. Các tinh thể OFC và PFKD kích hoạt một con đường truyền tín hiệu protein kinase liên quan đến cả p42 và p44, cho thấy vai trò của con đường này trong quá trình nguyên phân do tinh thể chứa canxi gây ra.

Cuối cùng, quá trình nguyên phân do OFC gây ra liên quan đến yếu tố phiên mã nhân tố hạt nhân κB (NF-κB), lần đầu tiên được mô tả là gen chuỗi nhẹ immunoglobulin κ (IgK). Đây là một yếu tố phiên mã có thể gây ra, quan trọng trong nhiều con đường truyền tín hiệu vì nó điều chỉnh biểu hiện của nhiều gen khác nhau. Cảm ứng NF-κB thường kết hợp với việc giải phóng các protein ức chế được gọi là IκB từ tế bào chất. Cảm ứng NF-κB được theo sau bởi sự chuyển vị của yếu tố phiên mã hoạt động vào nhân. Các tinh thể OFC gây ra NF-κB trong nguyên bào sợi Balb/c- _3T3 và nguyên bào sợi da người.

Một số con đường có thể liên quan đến quá trình truyền tín hiệu sau khi hoạt hóa NF-κB, nhưng tất cả đều liên quan đến protein kinase phosphoryl hóa (và do đó phân hủy) IκB. Dựa trên các nghiên cứu trong ống nghiệm, trước đây người ta cho rằng IκB đóng vai trò là chất nền cho kinase (ví dụ, PKC và protein kinase A). Tuy nhiên, gần đây, một phức hợp kinase IκB có trọng lượng phân tử lớn đã được xác định. Các kinase này phosphoryl hóa đặc hiệu các gốc serine của IκB. Hoạt hóa NF-κB bởi TNF-α và IL-1 đòi hỏi tác động hiệu quả của kinase gây NF-κB (NIK) và kinase IκB. Cơ chế phân tử của hoạt hóa NIK hiện chưa được biết. Mặc dù tinh thể OFC kích hoạt cả PKC và NF-κB, nhưng mức độ mà hai quá trình này có thể liên kết với nhau vẫn chưa được biết. Vì sự biến đổi kinase GκB xảy ra thông qua quá trình phosphoryl hóa, nên không thể loại trừ vai trò của PKC trong việc cảm ứng NF-κB bởi tinh thể OFC thông qua quá trình phosphoryl hóa và hoạt hóa kinase GκB. Khái niệm này được hỗ trợ bởi sự ức chế quá trình mitogenesis do tinh thể OFC gây ra và biểu hiện NF-κB bởi chất ức chế PKC staurosporine. Tương tự như vậy, staurosporine có thể ức chế kinase GκB và do đó ức chế protein kinase A và các protein kinase khác.

Do đó, cơ chế của quá trình nguyên phân do tinh thể OFC gây ra ở nguyên bào sợi bao gồm ít nhất hai quá trình khác nhau:

• một sự kiện liên kết màng nhanh chóng dẫn đến kích hoạt PKC và MAP K, gây ra NF-κB và các gen tiền ung thư,
• quá trình hòa tan tinh thể trong tế bào chậm hơn, dẫn đến sự gia tăng hàm lượng Ca2 ⁺ trong tế bào, sau đó kích hoạt một số quá trình phụ thuộc canxi kích thích quá trình nguyên phân.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Cảm ứng bởi tinh thể chứa MMP-canxi

Các chất trung gian gây tổn thương mô do tinh thể chứa canxi là MMP - collagenase-1, stromelysin, gelatinase 92 kD và collagenase-3.

Với mối quan hệ giữa hàm lượng tinh thể OFC và sự phá hủy mô khớp, một giả thuyết đã được đưa ra rằng các tinh thể OFC và có thể một số collagen bị thực bào bởi các tế bào hoạt dịch. Các tế bào hoạt dịch được kích thích tăng sinh và tiết ra protease. Giả thuyết này đã được thử nghiệm trong ống nghiệm bằng cách thêm OFC, PFCD tự nhiên hoặc tổng hợp và các tinh thể khác vào các tế bào hoạt dịch của người hoặc chó được nuôi cấy. Hoạt động của protease trung tính và collagenase tăng theo liều lượng và cao hơn khoảng 5-8 lần so với nuôi cấy tế bào đối chứng không có tinh thể.

Trong các tế bào được nuôi cấy trong môi trường chứa tinh thể, sự đồng cảm ứng của collagenase-1, stromelysin và mRNA gelatinase-92 kDa đã được phát hiện, sau đó là sự tiết enzyme vào môi trường.

Tinh thể OFC cũng thúc đẩy sự tích tụ mRNA của collagenase-1 và collagenase-2 trong tế bào sụn lợn trưởng thành, sau đó tiết các enzyme này vào môi trường.

GM McCarty và cộng sự (1998) đã nghiên cứu vai trò của sự hòa tan tinh thể nội bào trong quá trình sản xuất MMP do tinh thể gây ra. Việc nâng cao độ pH của lysosome bằng bafilomycin A đã ức chế sự hòa tan tinh thể nội bào và cũng làm giảm phản ứng tăng sinh của nguyên bào sợi người đối với tinh thể OFC, nhưng không ức chế quá trình tổng hợp và tiết MMP.

Cả canxi phosphat cơ bản và tinh thể PFCD đều không kích thích sản xuất IL-1 trong ống nghiệm, nhưng tinh thể urat natri thì có.

Dữ liệu hiện tại cho thấy rõ ràng sự kích thích trực tiếp sản xuất MMP bởi nguyên bào sợi và tế bào sụn khi tiếp xúc với tinh thể chứa canxi.

Các triệu chứng của bệnh thoái hóa khớp cho thấy vai trò quan trọng của MMP trong quá trình tiến triển của bệnh. Sự hiện diện của các tinh thể chứa canxi làm tăng sự thoái hóa của các mô ở các khớp bị ảnh hưởng.

Kích thích tổng hợp prostaglandin

Cùng với sự kích thích tăng trưởng tế bào và tiết enzyme, các tinh thể chứa canxi gây ra sự giải phóng prostaglandin từ nuôi cấy tế bào động vật có vú, đặc biệt là PGE2 _. Sự giải phóng PGE2 _trong mọi trường hợp xảy ra trong vòng một giờ đầu tiên sau khi tế bào tiếp xúc với tinh thể. R. Rothenberg (1987) xác định rằng các nguồn chính của axit arachidonic để tổng hợp PGE2 _là phosphatidylcholine và phosphatidylethanolamine, và cũng xác nhận rằng phospholipase A2 _{và NOX là những con đường chủ yếu đểsản xuất} PGE2.

PGE1 cũng có thể được giải phóng để đáp ứng với các tinh thể OFA. GM McCarty và cộng sự (1993, 1994) đã nghiên cứu tác động của PGE2 _, PGE và misoprostol tương tự của nó lên phản ứng mitogenic của nguyên bào sợi người đối với các tinh thể OFA. Cả ba tác nhân đều ức chế phản ứng mitogenic theo cách phụ thuộc vào liều lượng, trong đó PGE và misoprostol thể hiện hoạt động ức chế rõ rệt hơn. PGE2 và misoprostol, nhưng không phải PGE2 _, ức chế sự tích tụ của mRNA collagenase để đáp ứng với các tinh thể OFA.

MG McCarty và H. Cheung (1994) đã nghiên cứu cơ chế hoạt hóa tế bào do OFC làm trung gian bởi PGE. Các tác giả đã chỉ ra rằng PGE, một chất gây cảm ứng cAMP nội bào mạnh hơn PGE2 _và PGE, ức chế quá trình mitogenesis và sản xuất MMP do OFC gây ra thông qua con đường truyền tín hiệu phụ thuộc cAMP. Có thể sự gia tăng sản xuất PGE do tinh thể OFC gây ra làm suy yếu các tác động sinh học khác của chúng (mitogenesis và sản xuất MMP) thông qua cơ chế phản hồi.

Viêm do tinh thể gây ra

Các tinh thể chứa canxi thường được tìm thấy trong dịch hoạt dịch của bệnh nhân bị thoái hóa khớp, tuy nhiên, các đợt viêm cấp tính với chứng bạch cầu tăng rất hiếm gặp ở cả bệnh thoái hóa khớp và bệnh lý khớp liên quan đến tinh thể (ví dụ, hội chứng vai Milwaukee). Tiềm năng sinh lý của tinh thể có thể bị thay đổi bởi một số yếu tố ức chế. R. Terkeltaub và cộng sự (1988) đã chứng minh khả năng của huyết thanh và huyết tương trong việc ức chế đáng kể phản ứng của bạch cầu hạt trung tính đối với tinh thể canxi phosphat cơ bản. Các yếu tố gây ra sự ức chế như vậy là các protein liên kết tinh thể. Một nghiên cứu về một trong những protein này, glycoprotein ₂ -HS (AHSr), cho thấy AHSР là chất ức chế mạnh nhất và đặc hiệu nhất đối với phản ứng của bạch cầu hạt trung tính đối với tinh thể OFC. AHSr là một protein huyết thanh có nguồn gốc từ gan; Người ta biết rằng, so với các protein huyết thanh khác, nó được tìm thấy ở nồng độ tương đối cao trong xương và mô khoáng hóa. Ngoài ra, AHSr có trong dịch hoạt dịch "không bị viêm" và cũng được phát hiện trên các tinh thể canxi phosphat cơ bản trong dịch hoạt dịch tự nhiên. Do đó, không thể loại trừ khả năng AHSr điều chỉnh tiềm năng sinh phlogogenic của các tinh thể canxi phosphat cơ bản trong cơ thể sống.

Để tóm tắt tất cả những điều trên, chúng tôi trình bày hai sơ đồ về sinh bệnh học viêm xương khớp do WB van den Berg và cộng sự đề xuất. (1999) và M. Carrabba và cộng sự. (1996), kết hợp các yếu tố cơ học, di truyền và sinh hóa.