Új megközelítések az osteoarthritis kezelésére mezenchimális őssejtekkel

1 ausztrál állatorvosi őssejt és Magellan őssejt P/L, 116-118 Thames St, Box Hill VIC 3129, Ausztrália

2 Kémia és Biotechnológia Tanszék, Természettudományi, Műszaki és Technológiai Kar, Swinburne Műszaki Egyetem, John St, Hawthorn VIC 3122, Ausztrália

Absztrakt

Az oszteoartritisz az egyik leggyakoribb krónikus egészségügyi probléma a világon, amely fogyatékosságot és krónikus fájdalmat okoz mozgáskorlátozottaknak, és progresszív degeneratív betegség olyan súlyt viselő ízületekben, mint a térd. Az OA következtében kialakuló ízület patológiája magában foglalja a porc térfogatának csökkenését és a porc elváltozásait, amelyek az ízületi ízületi struktúrák gyulladásához vezetnek; előfordulása és progressziója különféle kockázati tényezőkhöz kapcsolódik. A jelenlegi kezelések többsége a tünetek kezelésére összpontosít, például fizikai és foglalkozási terápiákra, a fájdalom kezelésére szolgáló farmakológiai beavatkozásokra és a korlátozott sikerrel járó műtéti beavatkozásokra, és nem foglalkoznak a betegség progressziójával, és nem is állítják le őket. Ebben az áttekintésben ismertetjük az OA jelenlegi kezelési lehetőségeit és az izgalmas, új transzlációs orvosi kutatásokat, amelyek jelenleg mesenchymális őssejteket használnak az OA kezelésére.

1. Osteoarthritis

Az osteoarthritis az ízületi ízületek patológiája, amely leggyakrabban porchibákkal, például osteochondralis defektusokkal társul, és ez az egyik leggyakoribb krónikus fogyatékossági betegség, amely világszerte érinti az embereket. A napi tevékenységek súlyos korlátozását okozhatja, ami komolyan befolyásolhatja az életminőséget. Körülbelül a 60 év feletti férfiak 9,6% -ának és a nők 18% -ának van tüneti osteoarthritise világszerte [1, 2]. A mozgásszervi állapotot degeneratív ízületi porc jellemzi, amely a porc elvékonyodásához vezet (1. ábra), amely csontkontaktust eredményez, ami végül merevség, fájdalom és mozgáskorlátozás tüneteihez vezet. Az OA fő kockázati tényezői az idősebb kor, az elhízás, a korábbi sérülések, a sporttal kapcsolatos sérülések, a foglalkozási túlterhelés és a genetikai háttér [3, 4]. Ahogy az idős népesség és az elhízás világszerte növekszik, az OA szélesebb körben elterjedt, ami jelentős egészségügyi és gazdasági terhet jelent globálisan [5]. Becslések szerint az OA kapcsolódó költségeinek társadalmi-gazdasági terhe a fejlett országokban a bruttó hazai termék 1,0 és 2,5% -a között van [6].

Az OA általában szinoviális ízületekkel (diarthrososokkal) társul, más néven szabadon mozgatható ízületek [7]. A normális ízületi ízületet (1. ábra) két csont vége alkotja, amelyet vékony réteg sima, szilárd ízületi porc borít, egy kapszula, amely tele van az ízületi folyadékkal, szalagokkal, inakkal, izmokkal, erekkel és idegekkel [8]. Ezek a szerkezeti elemek mechanikai kölcsönhatásukkal funkcionális egységet alkotnak. Bármelyik komponensben bekövetkezett változások anabolikus vagy katabolikus válaszokhoz vezetnek más komponensekben [9]. A szinoviális ízületi szövetek rendellenességei, például az ízületi porc, a subchondralis csont, az ínszalagok, a menisci, a synovium, a perifériás idegek és az izmok stresszt okozhatnak az ízületben, és végül az ízületi porc degenerációjához vezethetnek, ami OA-t eredményez [7, 10].

Az ízületi porc a kötőszövet speciális típusa, amely nem idegi, nonmfatikus, nem vaszkuláris, ezért korlátozott az önjavításban. Az ízületi porc metabolikusan aktív szövet, felépítését és biokémiai összetételét a kondrociták szabályozzák, fejlesztik és javítják. A kondrociták az egyetlen sejttípus az ízületi porcban [9]. A táplálékot a szinoviális folyadék és a subchondralis csont támogatja diffúzióval, rendszeres ízületi mozgással. A szinoviális ízület mozgása arra kényszeríti az ízületi porcot az ízületi porcba és onnan ki, hogy tápanyagokat juttasson el és hulladéktermékeket dobjon el a porc számára [11]. A proximális subchondralis csont tápanyagokat, például glükózt, oxigént és vizet juttat a porchoz perfúzióval a subchondralis régió sűrű edényeiből [12]. Ezért a porc, a subchondralis csont és a synovium kölcsönhatásba lépnek egymással, és kulcsszerepet játszanak az OA patogenezisében, ha a teljes ízületi ízületet érintő rendellenes mechanika van [13, 14].

Az OA társul a kondrociták általi lebontás és szintézis fiziológiai egyensúlytalanságával is, ami a porcmátrix összetételének megváltozását eredményezi [15]. Az OA korai szakaszában a nyugalmi kondrociták aktiválódnak, hogy átalakítsák a porcmátrix tartalmát [16], a víztartalom növekszik, és a porcban lévő glikozaminoglikán veszteség a porc mechanikai tulajdonságainak változásához vezet ebben a hipertrófiás anabolikus fázisban [ 17, 18]. E korai kompenzációs kísérletek sikertelensége után a kondrociták katabolikussá válnak, öregedésen és apoptózison mennek keresztül, és végül az ízületi porc progresszív degenerációját eredményezik [19], amelyet OA irreverzibilis állapotnak tekintenek [18, 20]. Továbbá fibrillációk (mikroszkopikus repedések) alakulnak ki a felszíni zónában, valamint mély repedések, csontvelő elváltozások és delaminálódások a porcban [21]. A progresszív, lebomlott ízületi porc mellett a subchondralis csont különféle jelátviteli mechanizmusokon keresztül kölcsönhatásba lép a porcokkal, amelyek a fokozott fájdalommal és diszfunkcióval járnak és társulnak [18], perifériás és centrális fájdalomérzékenység miatt [16].

2. Az osteoarthritis jelenlegi farmakológiai kezelése és korlátai

Mint fent említettük, továbbra is az ízületi porc degenerációja a legjelentősebb szerkezeti változás, amelyet az OA-ban észleltek, ami súlyos fájdalmat és csökkent mozgékonyságot eredményezett [16, 22]. A degenerált porc gyógyításának veleszületett képességét a porc avaszkuláris jellege korlátozza, ami jelentős kihívást jelent az OA kezelésében. Jelenleg nincs gyógymód erre a legyengült állapotra, és a legtöbb kezelés a tünetek kezelésére összpontosít, beleértve a 2. ábrán vázolt három fő módszert is. Ezek elsősorban fizikai és foglalkozási terápiák, például súlycsökkenés vagy teherhordó ízületek segédeszközei; másodszor farmakológiai beavatkozás fájdalomcsillapításra nem szteroid gyulladáscsökkentők (NSAID-ok), opioidok, viszkoszupplementek vagy kortikoszteroid injekciók útján; és harmadszor sebészeti beavatkozás, például artroszkópia, mikrotörés vagy teljes ízületi pótlás.

Az Arthritis Alapítvány (www.arthitis.org) azt javasolja, hogy az OA-betegek önképzésre tegyenek szert az állapot kezelésében, és ösztönzi a túlsúlyos és elhízott betegek fogyását. Ez diétával és testmozgással jár az egészséges testsúly csökkentése és kezelése érdekében; az OA okozta fájdalom és fizikai korlátok miatt azonban a testmozgást nehéz megvalósítani és fenntartani. A közös célzott fizikoterápia javította a fájdalmat és a funkciókat; azonban nincs hosszú távú javulás. Egy segédeszközt úgy terveztek, hogy mechanikai támogatást nyújtson az ízületi struktúrához az OA-ban szenvedő betegeknél, ami instabilitást okoz az ízületben, valamint a terhelés elosztására a fájdalom enyhítésére és a funkció javítására, de ezek csak korlátozottan járnak sikerrel.

Jelenleg az OA farmakológiai kezelésének elsődleges stratégiája elsősorban a fájdalom enyhítése, a funkció javítása és az OA folyamat irányítása [22, 23]. Enyhe vagy közepesen súlyos fájdalom esetén a farmakológiai kezelést alkalmazzák, és a fájdalom enyhítésére rendszeresen olyan gyógyszereket alkalmaznak, mint az NSAID, az opioidok és a kortikoszteroidok; azonban nincs hosszú távú enyhülés, és ezeknek a farmakológiai szereknek nemkívánatos mellékhatásai vannak [24].

Az acetaminofen (paracetamol) volt az első vonalbeli farmakológiai kezelés az enyhe vagy közepesen súlyos OA fájdalom kezelésében. Meggyőző bizonyítékok hiányában azonban meggyőző ajánlássá vált [15]. Ezenkívül az acetaminofen használata olyan kockázatokkal társult, mint a gyomor-bélrendszeri (GI) káros események és a multiorganikus elégtelenség [17], minimális rövid távú előnyökkel [21]. Annak ellenére, hogy kevésbé hatékony, mint a nem szteroid gyulladáscsökkentők, és mivel néhány betegnek káros hatása van a nem szteroid gyulladáscsökkentőkre, néhány beteg még mindig használja, de konzervatív dózisokkal és a kezelés időtartamával ajánlott [15].

A nem szteroid gyulladáscsökkentők (NSAID-ok) egy nagy gyógyszercsalád, beleértve az orális NSAID-okat, mint például az ibuprofent, az aszpirint, a naproxent, a COX-2 inhibitorokat és a helyi NSAID-okat, például a diklofenakot krémként, tapaszként, gélként vagy oldatként. Az orális NSAID-okkal kapcsolatos problémák magukban foglalják a gyomor-bélrendszer (GI) káros hatásait, és ezeket a GI protektívvel együtt kell kezelni [25]. Ezenkívül potenciális toxicitással társulnak, különösen idős betegeknél [22]. Az orális COX-2 inhibitorok csökkenthetik a GI mellékhatásait, de más káros hatásokat is okozhatnak, például a kardiovaszkuláris események kockázatát. A helyi NSAID-ok kiküszöbölik az orális NSAID-k GI mellékhatásait, de kevésbé hatékonyak lehetnek [26], és dermatológiai mellékhatásokkal járnak [27].

Az opioidok fájdalomcsillapításra alkalmazhatók, ha a betegek nem tudnak NSAID-okat és acetaminofent használni mellékhatásaik miatt. Hosszú távú hatékonyságuk azonban korlátozott [27], és olyan káros hatásokkal jár, mint a légzési depresszió, az opioidhasználati rendellenesség és a túladagolás [28]. A vizsgálatok metaanalízisében az opioid terápiában részesülő betegek négyszer nagyobb eséllyel estek ki a káros hatások miatt, mint a placebót kapó betegek, és hosszú távú alkalmazásuk nem ajánlott [27]. A fájdalomcsillapításra és az OA-ban szenvedő betegek életminőségének javítására irányuló gyógyszerek széles választéka létezik. Jelenleg azonban nincsenek olyan farmakológiai szerek, amelyek megakadályozhatják, leállíthatják vagy visszafordíthatják az OA megjelenését. Ezek a tanulmányok rámutatnak a hatékony farmakológiai megoldások hiányára az OA-ban szenvedők számára.

3. Sebészeti beavatkozás az OA kezelésére

A műtéti beavatkozások akkor ajánlottak, ha az OA progressziója súlyos ízületi károsodást, fájdalom súlyosságát és funkcióromlást eredményezett, amelyet más lehetőségekkel nem lehet kezelni. A strukturális stabilitás helyreállításának kezdeti műtéti lehetősége, mint például az ízület eltávolítása artrotómiával vagy artroszkópiával a laza porc, a meniszkusz töredékeinek, a porc borotválkozásának és az oszteofiták eltávolításának eltávolítására korlátozott fájdalmat és funkciók enyhülését eredményezte [29]. Az artroszkópia továbbra is a fejlett világban az ortopéd sebészek által a legtöbbet elvégzett műtét az érintett merev térd mechanikai mozgásának elősegítése érdekében. Egy vakon végzett, kontrollált klinikai vizsgálat a debridement és a mosás placebóval végzett artroszkópiáján azt mutatta, hogy a műtét után nincs fájdalomcsillapítás a placebóval összehasonlítva [30].

Az ízületpótlás tekinthető az OA-betegek számára biztosított utolsó lehetőségnek, amikor az állapot a legsúlyosabbá válik. A csípő és a térd pótlására szolgáló műtéti eljárások rendkívül fájdalmasak és hosszú időt igényelnek a rehabilitációhoz. Ezenkívül a teljes térdprotézis bizonyos esetekben kedvezőtlen eredményeket mutatott, például tüdőembólia, fertőzések és műtéttel kapcsolatos halálesetek [31].

4. Sejtterápia és regeneratív orvostudomány OA esetén

A fentiek azt mutatják, hogy az OA jelenlegi kezelése csak a tünetek kezelésére összpontosul, és ezek közül az opciók egyike sem foglalkozik a betegség progressziójával, sem nem állítja le, sem hosszú távú előnyöket kínál. Ennélfogva kielégítetlen orvosi igény mutatkozik az OA szenvedéseinek kezelésére, amely megállíthatja a betegség előrehaladását és hosszú távon enyhítheti az OA tüneteit. A sejtterápia valódi ígéretet nyújtott ennek a legyengítő degeneratív állapotnak a leküzdésére, és hosszú távon betegségmódosító hasznot hozhat. Óriási erőfeszítéseket tettek a preklinikai vizsgálatokban és most a klinikai vizsgálatokban, amelyek a felnőtt őssejtek, különösen a mesenchymális őssejtek (MSC) regenerációs potenciálját értékelték az ízületi tér szerkezeti károsodásainak, a porc degenerációjának és a gyulladásnak a helyreállítására.

5. Mesenchymális őssejtterápia OA számára: új terápiás paradigma az OA számára

Eredetileg az MSC-ket izolálták a csontvelőből, de újabban sikeresen izolálták őket különböző egyéb szövetekből, például zsírszövetből [44], agyból, izomszövetből [45], bőrből [46] és fogakból [47]. Ezenkívül az MSC-k különböző szervekből és szövetekből is származhatnak, beleértve a lépet, a májat, a vesét, a tüdőt, a csecsemőmirigyet, a hasnyálmirigyet és az ereket, és könnyen elszaporodhatnak in vitro [48].

Mivel az emberi MSC-k heterogének és sok forrásból beszerezhetők, az izolálás és az expanzió különböző módszerei, valamint az irodalomban a sejtek jellemzésének különböző megközelítései kerültek leírásra, ez nehézséget okozott a tanulmányi eredmények összehasonlításában. A Nemzetközi Sejtterápiás Társaság (ISCT) Mesenchymal őssejtbizottsága három minimális kritériumot adott meg az MSC-k meghatározására a laboratóriumi alapú vizsgálatok és a preklinikai vizsgálatok során 2006-ban. Először is, az MSC-knek plasztikusan tapadniuk kell a szövetkultúra lombikokban. Másodszor, az MSC-populáció több mint 95% -ának expresszálnia kell a CD105, CD73 és CD90 értékeket, és hiányzik a CD45, CD34, CD14 vagy CD11b, CD79a vagy CD19 és HLA II osztály expressziója (kevesebb, mint 2% -a). Harmadszor, az MSC-knek képeseknek kell lenniük oszteoblasztokká, adipocitákká és kondroblasztokká differenciálódni in vitro standard differenciálási feltételekkel [49].

Az MSC-k „eredetét” a leukémiát gátló faktor (LIF), a fibroblaszt növekedési faktorok (FGF) és az emlősök emlős homológjai tartják fenn. Drosophila szárny nélküli (Wnts), egyéb növekedési faktorok és citokinek mellett [50]. Az MSC-k intrapopulációi funkcionálisan heterogének a többsoros differenciálódási potenciáljuk szempontjából. Az MSC-k tripotens klónjai (amelyek három sejttípusra differenciálhatók, pl. Oszteoblasztok, adipociták és kondroblasztok) mutatják a legnagyobb szaporodási és alacsonyabb apoptózis arányt a bipotens (csak két sejttípus) és unipotens (csak egy sejttípus) klónok [51, 52]. Az MSC-k proliferációs képességét egyaránt befolyásolja a sejtmag-sűrűség [53], és csökken, ahogy a sejtek a terminális differenciálódás felé haladnak [54]. Az MSC hosszú távú terjeszkedése befolyásolhatja az MSC populációk összetételét, működését és terápiás hatékonyságát [55]. Továbbá az olyan tenyésztési körülmények, mint a táptalaj és az oxigénfeszültség, nagy hatással vannak a génexpresszióra, valamint a proteom és a sejt szerveződésére [56, 57].

Az MSC-k differenciálódási folyamata szigorúan ellenőrzött, és különféle transzkripciós faktorok, citokinek, növekedési faktorok és extracelluláris mátrix molekulák aktivitását foglalja magában [54]. A differenciálódás hatékonysága összefügg a betegek életkorával is, ahol a fiatalabb betegekből izolált sejtek nagyobb differenciálóképességet mutattak a tenyészetben [58]. Számos biomarkert használnak az adipogén, kondrogén és oszteogén vonalak közötti differenciálódás meghatározására. Az adipogén differenciálódás biomarkerei az adiponektin, C/EBPα, FABP4, leptin és a peroxiszóma proliferációs gamma receptor (PPAR)γ); a kondrogén differenciálódás biomarkerei a II típusú agrekán kollagén és a Sox9; és az alkalikus foszfatáz, a csont szialoprotein, az osteocalcin, az osterix és a runx2 az osteogén differenciálódás biomarkerei [59–62].

Az OA MSC-alapú kezelése alacsonyabb kockázatot jelent a betegre nézve, és különféle források, például zsírszövet, csontvelő és szinovium [68]. Ezeket az autológ sejteket zsírleszívással vagy a csontvelőből szívva lehet kinyerni a betegekből. A zsírszármazékú MSC-ket részesítik előnyben a betegek, összehasonlítva a csontvelőből leszívott MSC-kkel, mivel az MSC-k viszonylag nagyobb arányban vannak jelen a zsírszövetekben, mint a csontvelő aspirátumban. A csontvelő eredetű MSC-k azonban magasabb kondrogén potenciállal bírhatnak, mint a zsírszármazék MSC-k [69]. Ezenkívül a szubinoviális szövet műtéti eltávolításával nyert szinoviális szövetek, a combcsont mediális condylusának nem porcos területe is vonzó MSC-forráská váltak az OA kezelésében [9, 68].

6. Jelenlegi klinikai vizsgálatok és esettanulmányok MSC-k vizsgálata az OA kezelésére

Az ízületi betegségben szenvedő betegek kezelésére szolgáló zsírszármazékú MSC-k a degeneratív OA kezelésének előfutáraként is működnek. Az osteochondritis dissecans az ízületi porcokhoz és a kondrális hibákhoz kapcsolódó ízületi rendellenesség, amely az ízületi porc és az alatta lévő csont károsodását eredményezi. A zsírszármazékokból származó MSC-kről a közelmúltban publikált klinikai esetsorban beszámoltak betegségmódosító hatásokról [74]. Ez a tanulmány kimutatta az elveszett porc regenerálódását, a fájdalom jelentős csökkenését és a mobilitás javulását (4. ábra) [74].