Reparación del cartílago articular y factores de crecimiento en la patogénesis de la osteoartritis

Gracias al progreso de la biotecnología, en particular de la tecnología de clonación, recientemente se ha ampliado intensamente la lista de factores de crecimiento que, siendo factores anabólicos, juegan un papel importante, aunque no completamente comprendido, en la patogénesis de la osteoartritis.

El primer grupo de factores de crecimiento que se analiza a continuación son los IGF. Se encuentran en grandes cantidades en el suero sanguíneo y comparten varias propiedades con la insulina. El IGF-2 es más típico de la etapa embrionaria del desarrollo, mientras que el IGF-1 es el principal representante del grupo en adultos. Ambos actúan uniéndose a los receptores de IGF tipo I. Si bien la función del IGF-2 sigue siendo desconocida, la importancia del IGF-1 ya se ha determinado: es capaz de estimular la síntesis de proteoglicanos por los condrocitos e inhibir significativamente los procesos catabólicos en el cartílago articular. El IGF-1 es el principal estímulo anabólico para la síntesis de proteoglicanos por los condrocitos, presente en el suero sanguíneo y el líquido sinovial. El IGF-1 es un factor importante para el cultivo de condrocitos en modelos experimentales de osteoartrosis in vitro. Se asume que el IGF-1 ingresa al líquido sinovial desde el plasma sanguíneo. Además, los condrocitos normales producen ambos factores: se encontró la expresión de IGF-1 e IGF-2 en la membrana sinovial y el cartílago de pacientes con osteoartrosis. En el cartílago normal, el IGF-1 no posee propiedades mitogénicas, pero es capaz de estimular la proliferación celular en la matriz dañada, lo que indica su participación en procesos reparadores.

Sustancias biológicamente activas que estimulan la reparación e inhiben la degradación del cartílago articular.

• Insulina
• interferón gamma
• Hormona somatotrópica, andrógenos
• Somatomedinas (IPF-1 y -2)
• TGF-beta (factor de crecimiento tisular)
• Factor de crecimiento derivado de plaquetas
• Factor de crecimiento básico de fibroblastos
• EFR
• Antagonista del receptor de IL-1
• Proteínas de unión al TNF-α
• Inhibidores tisulares de metaloproteasas
• una _2- macroglobulina
• ai-antitripsina
• RG-macroglobulin
• Rg-antiquimotripsina

Las acciones de IGF-1 e IGF-2 están controladas por varias proteínas de unión a IGF (IGF-BP), que también son producidas por los condrocitos. IGF-BP puede actuar como transportador y también tiene actividad bloqueadora de IGF. Las células aisladas del cartílago articular de pacientes con osteoartrosis producen cantidades excesivas de IGF-BP, lo que indica que bloquean los efectos del IGF. J. Martel-Pelletier et al. (1998) demostraron que, aunque la síntesis de IGF-1 en el cartílago aumenta en la osteoartrosis, los condrocitos responden débilmente a la estimulación de IGF-1. Resultó que este fenómeno está asociado (al menos en parte) con un aumento en el nivel de IGF-BP. IGF-BP tiene una alta afinidad por IGF y es un importante biomodulador de su actividad. Hasta la fecha, se han estudiado siete tipos de IGF-BP, y la desregulación de IGF-BP-3 e IGF-BP-4 juega un papel importante en la osteoartritis.

Otra categoría de factores de crecimiento que exhiben diferentes efectos sobre los condrocitos incluye el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF), el FGF y el TGF-beta. Estos factores son producidos no solo por los condrocitos, sino también por los sinovocitos activados. El FGF posee propiedades tanto anabólicas como catabólicas, dependiendo de la concentración y el estado del cartílago articular. El PDGF participa en el mantenimiento de la homeostasis de la matriz extracelular (ECM) del cartílago articular sin poseer propiedades mitogénicas evidentes. Se sabe que este factor de crecimiento mejora la síntesis de proteoglicanos y reduce su degradación.

El TGF-beta reviste especial interés por su papel en la patogénesis de la osteoartritis. Pertenece a la gran superfamilia de los TGF y comparte propiedades funcionales y de señalización con los factores de crecimiento BMP (proteína morfogenética ósea), recientemente descubiertos.

El TGF-beta es un factor pleiotrópico: por un lado, posee propiedades inmunosupresoras y, por otro, es un factor quimiotáctico y un potente estimulador de la proliferación de fibroblastos. Sus propiedades únicas son la capacidad de inhibir la liberación de enzimas de diversas células y aumentar significativamente la producción de inhibidores enzimáticos (por ejemplo, TIMP). Se considera un importante regulador del daño tisular causado por la inflamación. Así, en el cartílago articular, el TGF-beta estimula significativamente la producción de matriz por los condrocitos, especialmente tras la preexposición a este factor. El cartílago normal es insensible al TGF-beta. En pacientes con OA, el TGF-β estimula la producción de agrecano y pequeños proteoglicanos en el cartílago articular.

El TGF-beta es producido por muchas células, en particular por los condrocitos. Se libera en forma latente unido a una proteína específica llamada proteína asociada a la latencia (LAP). La disociación de esta proteína se lleva a cabo por proteasas, que se producen en grandes cantidades en los tejidos inflamados. Además del TGF-beta, producido por las células activadas, las reservas de la forma latente de este factor son un elemento importante de la reactividad del TGF-beta en el tejido tras una lesión local. El TGF-beta está presente en cantidades significativas en el líquido sinovial, la membrana sinovial y el cartílago de la articulación afectada por osteoartrosis. En zonas de tejido dañado con infiltrados inflamatorios, se detecta la coexpresión de TNF e IL-1, mientras que en zonas con fibrosis, solo se detecta la expresión de TGF-beta.

La incubación de condrocitos cultivados de pacientes con osteoartritis con TGF-beta provoca un aumento significativo de la síntesis de proteoglicanos en estas células. La estimulación de condrocitos normales con TGF-beta provoca un aumento de la síntesis de proteoglicanos solo después de varios días de incubación. Quizás este tiempo sea necesario para que el fenotipo celular cambie bajo la influencia del TGF-beta (por ejemplo, para un cambio en la denominada compartimentación de los proteoglicanos: los proteoglicanos recién creados se localizan únicamente alrededor de los condrocitos).

Se sabe que la activación de la síntesis de factores de crecimiento, en particular del TGF-beta, es un factor clave en la patogénesis de la fibrosis renal y hepática, así como en la formación de cicatrices durante la cicatrización. El aumento de la carga sobre los condrocitos in vitro provoca una hiperproducción de TGF-beta, mientras que la disminución de la síntesis de proteoglicanos tras la inmovilización de la extremidad puede ser compensada por el TGF-beta. El TGF-beta induce la formación de osteofitos en la zona marginal de las articulaciones como mecanismo de adaptación a los cambios de carga. La IL-1, que causa un proceso inflamatorio moderado en la membrana sinovial en respuesta al daño articular, promueve la formación de condrocitos con un fenotipo alterado, que producen una cantidad excesiva.

Las inyecciones locales repetidas de TGF-beta recombinante en altas concentraciones condujeron al desarrollo de osteoartritis en ratones C57B1: la formación de osteofitos, que es característica de la osteoartritis humana, y una pérdida significativa de proteoglicanos en la zona del "borde ondulado".

Para comprender cómo el exceso de TGF-beta causa los cambios conocidos en el cartílago, es necesario tener en cuenta que la exposición a TGF-β induce un fenotipo característico de condrocitos con un cambio en la subclase de proteoglicanos sintetizados y la interrupción de la integración normal de los elementos de la matriz extracelular (ECM). Tanto IGF-1 como TGF-beta estimulan la síntesis de proteoglicanos por condrocitos cultivados en alginato, pero este último también induce la llamada compartimentación de proteoglicanos. Además, se encontró que TGF-beta aumenta el nivel de colagenasa-3 (MMP-13) en condrocitos activados, lo que contradice la idea general de TGF-beta como un factor que, por el contrario, reduce la liberación de proteasas destructivas. Sin embargo, se desconoce si la síntesis de MMP-13 inducida por TGF-beta está involucrada en la patogénesis de la OA. El TGF-beta no solo estimula la síntesis de proteoglicanos, sino que también promueve su deposición en ligamentos y tendones, aumentando la rigidez y reduciendo el rango de movimiento en las articulaciones.

Las BMP pertenecen a la superfamilia TGF-beta. Algunas de ellas (BMP-2, BMP-7 y BMP-9) estimulan la síntesis de proteoglicanos en los condrocitos. Las BMP ejercen sus efectos uniéndose a receptores específicos en la superficie celular; las vías de señalización de TGF-beta y BMP difieren ligeramente. Al igual que TGF-beta, las BMP emiten señales a través del complejo receptor de serina/treonina quinasa tipo I y II. En este complejo, el receptor tipo II se transfosforila y activa el receptor tipo I, que transmite la señal a moléculas de señalización llamadas Smads. Tras recibir la señal, los Smads se fosforilan rápidamente. Actualmente, se sabe que en la vía de señalización de BMP se fosforilan los Smads-1, -5 y -8, y en la vía de señalización de TGF-beta, los Smads-2 y Smad-3. Las Smad se asocian entonces con Smad-4, que es común a las vías de señalización de todos los miembros de la superfamilia TGF-beta. Este hecho explica la presencia de funciones cruzadas en los miembros de la superfamilia TGF-beta, así como el fenómeno de inhibición mutua de las vías de señalización de TGF-beta y BMP al competir por componentes comunes. Recientemente, se identificó otra clase de proteínas Smad, representada por Smad-6 y Smad-7. Estas moléculas actúan como reguladoras de las vías de señalización de TGF-beta y BMP.

A pesar de que el efecto estimulante del CMP sobre la síntesis de proteoglicanos se conoce desde hace mucho tiempo, su papel en la regulación de la función del cartílago articular sigue siendo controvertido debido a su conocida capacidad para causar desdiferenciación celular, estimular la calcificación y la formación de tejido óseo. M. Enomoto-Iwamoto et al. (1998) demostraron que la interacción del CMP con el receptor CMP tipo II es necesaria para mantener el fenotipo diferenciado de los condrocitos, así como para controlar su proliferación e hipertrofia. Según LZ Sailor et al. (1996), el CMP-2 mantiene el fenotipo de los condrocitos en cultivo durante 4 semanas sin causar su hipertrofia. El CMP-7 (idéntico a la proteína osteogénica-1) mantiene el fenotipo de los condrocitos maduros del cartílago articular cultivado en alginato durante mucho tiempo.

La introducción de KMP-2 y KMP-9 en las articulaciones de la rodilla de ratones aumentó la síntesis de proteoglicanos en un 300 %, significativamente más que con TGF-beta. Sin embargo, el efecto estimulante fue temporal y, tras unos días, la síntesis volvió a su nivel inicial. El TGF-beta provocó una estimulación más prolongada de la síntesis de proteoglicanos, probablemente debida a la autoinducción de TGF-beta y a la sensibilización de los condrocitos a este factor.

El TGF-beta es responsable de la formación de condrofitos, lo que puede considerarse un efecto indeseable de su acción, el KMP-2 también promueve la formación de condrofitos, pero en una zona diferente del margen articular (principalmente en la zona de la placa de crecimiento).

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Proteínas morfogenéticas del cartílago

Las proteínas morfogenéticas del cartílago (CMP-1 y -2) son otros miembros de la superfamilia TGF-beta, esenciales para la formación de tejido cartilaginoso durante el desarrollo de las extremidades. Las mutaciones en el gen CMP-1 causan condrodisplasia. Las CMP pueden tener un perfil más selectivo, dirigido al cartílago. Si bien el TGF-beta y las CMP pueden estimular los condrocitos, también pueden actuar sobre muchas otras células, por lo que su uso para la reparación del cartílago puede conllevar efectos secundarios. Ambos tipos de CMP se encuentran en el cartílago de articulaciones sanas y artrósicas, y promueven la reparación de la matriz extracelular (ECM) del cartílago articular tras la degradación enzimática, manteniendo un fenotipo normal.

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Sinergismo de factores de crecimiento

Un factor de crecimiento puede inducirse a sí mismo, así como a otros factores de crecimiento; esta interacción está finamente regulada. Por ejemplo, el FGF, junto con otros factores de crecimiento, proporciona una reparación más efectiva del cartílago articular después de un defecto traumático. El IGF-1, junto con el TGF-beta, induce significativamente el fenotipo normal de los condrocitos al cultivarlos in vitro. Se demostró que el TGF-beta previene la producción de IGF-1 e IGF-BP, y también desfosforila el receptor de IGF-1, estimulando así su unión. En cartílago intacto de ratón, se observó el fenómeno de sinergia del IGF-1 con numerosos factores de crecimiento. Sin embargo, la débil respuesta de los condrocitos al IGF-1 no puede compensarse utilizándolo en combinación con otros factores de crecimiento.

Interacción de citocinas anabólicas y destructivas

Los factores de crecimiento exhiben interacciones complejas con IL-1. Por ejemplo, la preexposición de los condrocitos a FGF aumenta la liberación de proteasa después de la exposición a IL-1, posiblemente a través del aumento de la expresión del receptor de IL-1. PDGF también estimula la liberación de proteasa dependiente de IL-1, pero reduce la inhibición mediada por IL-1 de la síntesis de proteoglicanos. Esto puede indicar que algunos factores de crecimiento pueden estimular simultáneamente la reparación del cartílago y promover su destrucción. Otros factores de crecimiento, como IGF-1 y TGF-β, estimulan la síntesis de la matriz articular e inhiben la destrucción del cartílago articular mediada por IL-1, lo que indica que su actividad está relacionada únicamente con la reparación tisular. Esta interacción es independiente de la preexposición de los condrocitos a IL-1. Curiosamente, la cinética de los efectos de IL-1 y TGF-β puede ser diferente: la capacidad de TGF-β para suprimir la degradación del cartílago articular se atenúa por su acción lenta sobre el ARNm de TIMP. Por otro lado, se observa un aumento en los niveles de hNOC y NO en ausencia de TGF-β. Dada la dependencia del NO del efecto supresor de la IL-1 sobre la síntesis de proteoglicanos por los condrocitos, esto podría explicar por qué observamos una contrarrestación significativamente mayor de la inhibición de la síntesis de proteoglicanos dependiente de IL-1 por parte de TGF-β, en comparación con la degradación de proteoglicanos in vivo.

En un estudio con ratones inyectados intraarticularmente con IL-1 y factores de crecimiento, se demostró que el TGF-beta contrarresta significativamente la inhibición de la síntesis de proteoglicanos del cartílago articular mediada por IL-1, mientras que el CMP-2 es incapaz de contrarrestar dicha inhibición: su potencial estimulador fue completamente inhibido por la IL-1, incluso a altas concentraciones de CMP-2. Cabe destacar que, en ausencia de IL-1, el CMP-2 estimuló la síntesis de proteoglicanos con mucha mayor intensidad que el TGF-beta.

Además de su efecto sobre la síntesis de proteoglicanos, el TGF-beta también afecta significativamente la reducción inducida por IL-1 en el contenido de proteoglicanos del cartílago. Es posible que el contenido de proteoglicanos disminuya o aumente dependiendo de la concentración relativa de IL-1 y TGF-beta. Curiosamente, la anulación descrita de IL-1 y TGF-beta se observó en el grosor del cartílago, pero este fenómeno no se observó cerca de los condrofitos en los bordes de las superficies articulares. La formación de condrofitos es inducida por el TGF-β, que afecta a las células condrógenas del periostio, causando el desarrollo de condroblastos y la deposición de proteoglicanos. Aparentemente, estos condroblastos no son sensibles a la IL-1.

HL Glansbeek et al. (1998) estudiaron la capacidad del TGF-β y el KMP-2 para contrarrestar la supresión de la síntesis de proteoglicanos en las articulaciones de ratones con artritis inducida por zimosán (es decir, en un modelo de inflamación pura inducida por IL-1). La administración intraarticular de TGF-β contrarrestó significativamente la supresión de la síntesis de proteoglicanos causada por la inflamación, mientras que el KMP-2 fue prácticamente incapaz de contrarrestar este proceso dependiente de IL-1. Las inyecciones repetidas de TGF-β en la articulación de la rodilla de los animales estudiados estimularon significativamente la síntesis de proteoglicanos por los condrocitos y contribuyeron a la preservación de los proteoglicanos existentes en el cartílago disminuido por la inflamación, pero no suprimieron el proceso inflamatorio.

Al estudiar la función de síntesis de proteoglicanos de los condrocitos utilizando modelos experimentales de osteoartrosis en animales, siempre se ha observado un aumento en el contenido y la estimulación de la síntesis de proteoglicanos en las etapas tempranas de la OA, en contraste con los modelos inflamatorios, en los que se observa una inhibición significativa de la síntesis (proceso dependiente de IL-1). El aumento de la actividad de los factores anabólicos, en particular los factores de crecimiento, que se observa en la osteoartrosis, neutraliza el efecto de citocinas supresoras como la IL-1. Entre los factores de crecimiento, el TGF-beta es el de mayor importancia; es poco probable que el KMP-2 desempeñe un papel significativo en este proceso. Aunque el IGF-1 es capaz de estimular la síntesis de proteoglicanos in vitro, esta propiedad no se observa in vivo con la aplicación local de IGF-1. Esto puede deberse al hecho de que el nivel endógeno de este factor de crecimiento es óptimo. En fases posteriores de la osteoartritis aparecen signos de inhibición de la síntesis de proteoglicanos, probablemente asociada a la acción dominante de la IL-1 y a la incapacidad de los factores de crecimiento para contrarrestarla debido a la disminución de su actividad.

El análisis de la expresión del factor de crecimiento en ratones STR/ORT con osteoartritis espontánea demostró un aumento en los niveles de ARNm de TGF-β e IL-1 en el cartílago dañado. Cabe destacar que la activación de TGF-β desde la forma latente es un elemento importante de la reparación tisular. La comprensión del papel de TGF-β se complica por los resultados de un estudio de la expresión del receptor de TGF-β tipo II en conejos con LCA. Inmediatamente después de la inducción de osteoartritis, se detectaron niveles disminuidos de estos receptores, lo que indica una señalización insuficiente de TGF-β. Curiosamente, los ratones deficientes en el receptor de TGF-β tipo 11 mostraron signos de osteoartritis espontánea, lo que también indica un papel importante de la señalización de TGF-β en el deterioro de la reparación del cartílago y el desarrollo de osteoartritis.

El contenido absoluto de factores de crecimiento en las articulaciones de pacientes con artritis reumatoide u osteoartrosis podría indicar su posible papel en la patogénesis de estas enfermedades. Sin embargo, a pesar de que se encuentran altas concentraciones de factores de crecimiento en articulaciones con osteoartrosis y artritis reumatoide, la naturaleza de los procesos de degradación y reparación en ambas enfermedades es completamente diferente. Probablemente, existan otros factores aún no identificados que desempeñen un papel importante en la patogénesis de estas enfermedades, o que otros aspectos de los fenómenos estudiados determinen el curso de los procesos de degradación y reparación en los tejidos articulares (por ejemplo, la expresión de ciertos receptores en la superficie de los condrocitos, receptores solubles que se unen a proteínas o un desequilibrio entre factores anabólicos y destructivos).