Γονιδιακή έκφραση στον αρθρικό χόνδρο ασθενών με οστεοαρθρίτιδα

Abstract

Osteoarthritis (OA) is a complex, multi-factorial disease with genetic, mechanic and environmental components leading to the degeneration of articular cartilage. Scientific research in the last years focused on the identification of genes connected to an increased risk for OA development. Recent studies highlighted genes with a differentiated expression in osteoarthritic compared to normal cartilage, with those encoding extracellular matrix proteins (collagen, proteoglycans etc) being the most well studied. However, there is no effective drug therapy yet. Epidemiological studies have linked OA and obesity, even in non weight bearing joints, providing an alternative point of view for this multi-factorial disease. Considering the increasing number of studies connecting osteoarthritis with metabolic syndrome, hypercholesterolemia and atherosclerosis, the scenario of a metabolic component in the pathogenesis of OA becomes extremely attractive. Based on the above considerations, the study of the expression of genes implicated in lipid metabolism has been the objective of this study. Firstly, we studied the expression of leptin and its receptors in the articular cartilage, as well as its role on cartilage metabolism. Leptin is an adipose tissue derived hormone mainly involved in body weight homeostasis, while it is also implicated in various processes, such as bone and cartilage metabolism as well as lipid metabolism and atherosclerosis. We detected mRNA and protein expression of leptin and its functional receptor Ob-Rb on osteoarthritic cartilage, while the use of quantitative real-time PCR revealed differential mRNA and protein expression levels of leptin and Ob-Rb in the cartilage with advanced osteoarthritic changes compared to the cartilage with mild osteoarthritic changes. This type of approach of having tissue from adjacent regions with advanced and mild osteoarthritic changes from the same patient provided the advantage of control over confounding variables such as age, genetic background, differences in clinical management, and artefacts due to specimen collection. Since cartilage with mild OA is obtained from a joint that is clearly involved in a disease process it cannot be completely comparable to normal cartilage; therefore non-OA cartilage was also included in the study as control. In order to investigate whether leptin has a local or a systemic effect on osteoarthritic cartilage, we quantified leptin levels in paired serum and synovial fluid (SF) samples and observed significantly elevated leptin concentration levels in SF samples than in serum, while there was also a significant association with the BMI of the patients. Our observations lead to the conclusions that obesity, which is characterised by systemic hyperleptinemia, leptin resistance and a low-grade inflammation, contributes significantly to a dramatic increase in leptin’s expression in articular cartilage of obese patients. This consideration leads to the conclusion that in obese people hyperleptinemia may be present at a local level leading to various processes, such as downregulation of Ob-Rb expression, which was also shown in our study in chondrocyte cultures growing in the presence of leptin. We also observed in chondrocyte cultures that leptin had an increasing effect in IL-1β production, supporting a direct pro-inflammatory role of leptin on chondrocytes. We also showed that leptin had a dose dependent increasing effect on the production of two important catabolic enzymes, metalloproteinase -9 and -13 (MMP-9 and MMP-13), which are implicated in cartilage degradation. Taken together the above findings reinforce the scenario that OA is a multi-factorial disease with leptin comprising a critical metabolic link between obesity and OA which further proposes the existence of a metabolic component in OA development, providing evidence that altered lipid metabolism may be playing a significant role. ...................................................

Η οστεοαρθρίτιδα (ΟΑ) είναι μία ετερογενής και πολυπαραγοντική νόσος, με γενετικές, μηχανικές και περιβαλλοντικές συνιστώσες να οδηγούν στην αποδόμηση του αρθρικού χόνδρου. Τα τελευταία χρόνια η επιστημονική έρευνα ήταν στραμμένη στον εντοπισμό γονιδίων που σχετίζονται με αυξημένο κίνδυνο εμφάνισης ΟΑ. Πρόσφατες μελέτες ανέδειξαν γονίδια των οποίων η έκφραση μεταβάλλεται στην ΟΑ, μεταξύ των οποίων περισσότερο μελετημένα είναι τα γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες της εξωκυττάριας ουσίας (κολλαγόνο, πρωτεογλυκάνες, κ.α.), χωρίς ωστόσο να επιτευχθεί κάποια πρόοδος στις παρεχόμενες θεραπευτικές επιλογές. Επιδημιολογικές παρατηρήσεις που συνδέουν την ΟΑ με την παχυσαρκία, ακόμη και σε αρθρώσεις που δεν υπόκεινται σε μηχανική φόρτιση, προσέφεραν μια εναλλακτική προσέγγιση στη θεώρηση αυτού του πολυπαραγοντικού νοσήματος, ενώ οι αυξανόμενες μελέτες που συσχετίζουν την ΟΑ με παράγοντες του μεταβολικού συνδρόμου όπως η υπερχοληστερολαιμία και η αθηρωμάτωση, ενισχύουν την άποψη ενός πιθανού μεταβολικού παθογενετικού μηχανισμού. Στα πλαίσια της ανωτέρω θεώρησης η διερεύνηση της έκφρασης των γονιδίων που εμπλέκονται στον μεταβολισμό των λιπιδίων καθώς και των εμπλεκόμενων μηχανισμών δράσης τους αποτέλεσε το αντικείμενο της μελέτης αυτής. Αρχικά μελετήσαμε την έκφραση της λεπτίνης και των υποδοχέων της στον αρθρικό χόνδρο καθώς και το ρόλο τους στο μεταβολισμό του χόνδρου. Η λεπτίνη, είναι μία ουσία που παράγεται κύρια από το λιπώδη ιστό και σχετίζεται με τη διατήρηση σταθερού σωματικού βάρους, ενώ σε πρόσφατες μελέτες έχουν επισημανθεί και πλειοτροπικές δράσεις της λεπτίνης στα οστά και το χόνδρο καθώς και στο μεταβολισμό των λιπιδίων και την αθηρωμάτωση. Στη μελέτη μας ανιχνεύσαμε σημαντικά υψηλότερα επίπεδα mRNA και πρωτεϊνικής έκφρασης τόσο της λεπτίνης όσο και του λειτουργικού υποδοχέα της, Ob-Rb, στον οστεοαρθριτικό χόνδρο σε σύγκριση με το φυσιολογικό ενώ, με τη χρήση της ποσοτικής PCR, παρατηρήσαμε διαφοροποιημένη έκφραση της λεπτίνης και του υποδοχέα της Ob-Rb στο χόνδρο με προχωρημένες οστεοαρθριτικές αλλοιώσεις, σε σύγκριση με το χόνδρο με ήπιες οστεοαρθριτικές αλλοιώσεις. Η πειραματική προσέγγιση της λήψης δύο οστεοαρθριτικών δειγμάτων από την ίδια άρθρωση έχει το πλεονέκτημα ότι αποφεύγει επιρροές από εξωγενείς παράγοντες και άλλες μεταβλητές όπως η ηλικία, το γενετικό υπόβαθρο καθώς και διαφορές στη φαρμακευτική αγωγή. Αν και είναι σαφές ότι ο χόνδρος με τις ήπιες οστεοαρθριτικές αλλοιώσεις δεν μπορεί να θεωρηθεί ως όμοιος με το φυσιολογικό χόνδρο, θα μπορούσε να υποστηριχθεί ότι ο ήπια διαταραγμένος χόνδρος πλησίον του χόνδρου με έκδηλες οστεοαρθριτικές εκδηλώσεις αντιπροσωπεύει έναν ιστό ο οποίος έχει τη δυνατότητα να δώσει έναυσμα στη διεργασία αποδόμησης και να θεωρηθεί ως ο καθρέπτης του τι συμβαίνει κατά την εξέλιξη της νόσου. Επίσης διερευνήθηκαν τα επίπεδα της λεπτίνης στο αρθρικό υγρό ασθενών με ΟΑ και βρέθηκε ότι ήταν υψηλότερα από ότι στα αντίστοιχα δείγματα ορού των ασθενών, ενώ παρουσίαζαν στατιστικά σημαντική συσχέτιση με το δείκτη μάζας σώματος των ασθενών. Από τις παρατηρήσεις αυτές οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι η παχυσαρκία, η οποία χαρακτηρίζεται από συστηματική υπερλεπτιναιμία, αντίσταση στη λεπτίνη και μία κατάσταση ήπιας φλεγμονής, συνεισφέρει σημαντικά σε μια δραματική αύξηση της έκφρασης λεπτίνης στον αρθρικό χόνδρο των παχύσαρκων ασθενών. Αυτή η θεώρηση οδηγεί στο συμπέρασμα ότι σε παχύσαρκα άτομα η υπερλεπτιναιμία μπορεί να είναι παρούσα και σε τοπικό επίπεδο και να οδηγεί σε διάφορες καταστάσεις όπως σε υπολειτουργία της έκφρασης του λειτουργικού υποδοχέα, κάτι που ενισχύθηκε από τις παρατηρήσεις μας μετά από επίδραση λεπτίνης σε καλλιεργημένα χονδροκύτταρα και μελέτη της μεταγραφικής έκφρασης του Ob-Rb. Επίσης σε καλλιεργημένα οστεοαρθριτικά χονδροκύτταρα παρατηρήθηκε αύξηση της παραγωγής ΙL-1β μετά από επίδραση λεπτίνης, γεγονός που υποδεικνύει έναν άμεσα προ-φλεγμονώδη ρόλο της λεπτίνης στα χονδροκύτταρα. Στη μελέτη μας τέλος διαπιστώθηκε ότι η επίδραση της λεπτίνης στις καλλιέργειες των χονδροκυττάρων οδήγησε σε δοσοεξαρτώμενη αύξηση της παραγωγής των μεταλλοπρωτεινασών -9 και -13, δύο σημαντικών καταβολικών ενζύμων που εμπλέκονται στη διαδικασία αποδόμησης του αρθρικού χόνδρου. Οι παρατηρήσεις αυτές σχετικά με το ρόλο της λεπτίνης στην εξέλιξη της ΟΑ ενισχύουν το σενάριο ότι η ΟΑ αποτελεί μια πολυπαραγοντική νόσο με μηχανικές και μεταβολικές αιτίες, μεταξύ των οποίων ο μεταβολισμός των λιπιδίων φαίνεται να παίζει σημαντικό ρόλο. .................................................................................................................................