Идентификация биохимических и биомеханических маркеров дегенерации хряща коленного сустава (IBBM-CKJ) (IBBM-CKJ)

Остеоартроз (ОА) — болезненное и изнурительное заболевание синовиальных суставов, поражающее структурную и функциональную целостность суставного хряща, субхондральной кости, синовиальной оболочки и прилегающей поддерживающей соединительной ткани. Это дегенеративное заболевание, характеризующееся потерей хряща, с высокой распространенностью у лиц старше 55 лет. Наиболее пораженной областью при ОА является медиальный отдел коленного сустава. Симптомы ОА включают боль в суставах, скованность и отек, которые могут привести к нарушению физической функции и мышечной слабости. Этиология заболевания многофакторна и до конца не изучена. Традиционно ОА рассматривали как болезнь «износа», вызванную старением, но как нефизиологическими механическими нагрузками (например, смещение, ожирение, травма или нестабильность сустава) нормального сустава или физиологическая механическая нагрузка на патологический сустав могут вызвать ОА.

Смещение суставов было определено как потенциальный биомеханический фактор риска развития и прогрессирования ОА коленного сустава. Хотя определение смещения может предоставить важную информацию о распределении нагрузки в статических условиях, параметры динамической нагрузки были проанализированы во время ходьбы, чтобы предоставить информацию об общей внешней нагрузке на колено в фазе опоры. Согласно Andriacchi, внешний приводящий момент колена можно использовать для прогнозирования распределения нагрузки между медиальным и латеральным отделами колена во время динамической деятельности. Увеличенные внешние приводящие моменты связаны с увеличением суставных усилий на медиальном плато. При ходьбе силы распределяются по суставной поверхности неравномерно, и примерно 70% общей нагрузки проходит через медиальный отдел. Это может способствовать более высокой распространенности ОА в этом компартменте. Можно ожидать, что у пациентов с варусной деформацией еще более высокая доля нагрузки приходится на медиальный отдел. Это может привести к ускорению дегенерации суставного хряща.

Связь между механической нагрузкой и тяжестью и прогрессированием медиального ОА была показана во многих исследованиях. Установлено , что тяжесть заболевания коррелирует с моментом приведения коленного сустава , угловым импульсом приведения коленного сустава и моментом разгибания коленного сустава . Миядзаки и др. проанализировали прогрессирование заболевания у больных ОА в течение семи лет. Пациенты, у которых рентгенологически было выявлено прогрессирование заболевания в медиальном отделе коленного сустава, также имели более сильную боль в колене и больший момент приведения коленного сустава, чем пациенты без прогрессирования заболевания. Балиунас и др. наблюдали достоверно больший момент приведения коленного сустава у больных ОА с разной степенью тяжести заболевания, но достоверных различий в сагиттальных моментах обнаружено не было. Торп и др. проанализировали не только момент приведения коленного сустава, но и угловой импульс приведения коленного сустава в фазе опоры у здоровых добровольцев и пациентов с ОА с легким и умеренным прогрессированием заболевания в медиальном отделе коленного сустава. Пиковый момент приведения коленного сустава и угловой импульс приведения коленного сустава достоверно различались между контрольной группой, пациентами с легким и умеренным ОА. Кроме того, параметр углового импульса приведения коленного сустава значительно различался у пациентов с легким и умеренным ОА, что позволяет предположить, что этот параметр может описывать функциональные изменения между различными стадиями прогрессирования заболевания.

В то время как взаимосвязь варусного смещения и ОА медиального отдела хорошо описана в литературе, имеется мало информации о том, влияет ли и как варусное смещение на латеральный отдел. Fantini Pagani недавно продемонстрировал, что механическое качество хряща не связано с моментом приведения коленного сустава при ходьбе у пациентов с тяжелым ОА.

Авторы также сообщили, что механические свойства остеоартритного хряща сильно различаются, что указывает на сложную взаимосвязь между нагрузкой на сустав и изменениями тканей во время дегенеративных процессов суставного хряща. В клинической практике у пациентов с идентичным механическим варусным смещением нижней конечности может наблюдаться либо изолированный остеоартроз медиального отдела коленного сустава (пример 1), либо ОА медиального, латерального и пателлофеморального отделов (пример 2). Эта сущность предполагает, что остеоартрит в коленных суставах с варусным смещением, в котором медиальный отдел подвергается чрезмерной перегрузке, со временем прогрессирует от медиального к латеральному. Можно предположить, что большую роль в прогрессировании заболевания при остеоартрозе коленного сустава играют механобиологические факторы и воспалительные реакции, а не механическая передача нагрузки.

Считается, что механобиологические факторы вызывают изменения в распределении толщины суставного хряща в суставе на протяжении всей жизни. Здоровый суставной хрящ, как правило, наиболее толстый в суставах, подвергающихся высоким нагрузкам, таких как коленный. Кроме того, боковые различия в площади поперечного сечения мышц положительно коррелировали с боковыми различиями в морфологии суставного хряща. Предыдущие исследования показали, что для здоровых колен соотношение медиального и латерального хрящей больше у людей, у которых пиковый момент приведения колена во время ходьбы выше, что позволяет предположить, что хрящ толще в областях, где нагрузка больше. Эти результаты подтверждаются данными исследований на животных, в которых толщина суставного хряща увеличивалась на 19-23% при приложении высоких механических нагрузок. Увеличение толщины хряща при воздействии более высоких нагрузок может компенсироваться большей поверхностью хряща, что может быть вызвано высокой физической активностью во время роста. Изменения толщины большеберцово-бедренного хряща не зависят от дозы, что позволяет предположить, что морфология хряща взрослого человека может быть нечувствительна к тренировкам или улучшаться при них.

Предыдущие исследования на животных и людях показали, что неиспользование, такое как иммобилизация или интенсивная механическая нагрузка, вызывает изменения в морфологии и биологии хряща.

Состав и морфология хряща оптимизированы для несущей функции и характеризуются способностью выдерживать высокие и повторяющиеся механические нагрузки, возникающие в повседневной жизни. Эта механическая функция хряща напрямую связана с составом внеклеточного матрикса (ECM). Синтез и деградация молекул ECM влияют на механические свойства суставного хряща. Основными компонентами ECM являются коллаген II и неколлагеновые белки, такие как протеогликан аггрекан и другие гликопротеины. Потенциальные биологические маркеры метаболизма хряща включают эти компоненты матрикса и/или продукты их распада, цитокины и протеазы (например, металлопротеазы), и их можно количественно определить в сыворотке, моче и синовиальных образцах. Было идентифицировано несколько сывороточных биомаркеров для мониторинга метаболизма хряща. Одним из установленных биомаркеров для мониторинга метаболизма хряща в отношении дегенерации суставов при ОА, ревматоидном артрите (РА) и поврежденных коленях является белок олигомерного матрикса хряща (СОМР). Кроме того, в предыдущих исследованиях сообщалось об увеличении концентрации COMP в сыворотке сразу после тренировки, при этом доза механических нагрузок определяла величину и продолжительность повышения концентрации COMP в сыворотке. Помимо COMP, для мониторинга метаболизма хряща подходят биомаркеры синтеза и деградации коллагена II и аггрекана. Более того, микроРНК могут играть ключевую роль в гомеостазе внеклеточного матрикса и обнаруживаются на определенных стадиях прогрессирования ОА. До сих пор было обнаружено, что миР-140, миР-9, миР-98 и миР-146 активируются в материале пациентов с остеоартритом, и их экспрессия связана с индуцированной ИЛ-1 бета продукцией ФНО-альфа и деградацией матрикса в остеоартритном хряще. . микроРНК могут выделяться в сыворотку при различных заболеваниях и могут иметь прогностический потенциал для определения начала и прогрессирования дегенерации хряща при ОА. Наконец, повреждение митохондрий связано со снижением продукции, секреции ВКМ и усиленной деградацией хряща. Недавние сообщения показывают, что специфические ингибиторы митохондриальной дыхательной цепи могут подавлять синтез ВКМ в суставных хондроцитах и ​​индуцировать выработку провоспалительных цитокинов и множества факторов, высвобождаемых из поврежденных митохондрий, например, повреждение митохондриальной ДНК, активные формы кислорода, цитохром с, пролин/ синтез гидроксипролина, производство АТФ и лактата могут выступать в качестве биомаркеров ОА.

Воспаление внутри коленного сустава играет важную роль в патофизиологических процессах, возникающих после начала ОА при высокой механической нагрузке. Цитокины являются ключевыми участниками воспалительного механизма и способствуют прогрессированию повреждения хряща. Поэтому исследователи сосредотачиваются на влиянии воспаления при ОА и роли провоспалительных и противовоспалительных цитокинов, которые могут вызывать неблагоприятный или благоприятный исход. Изучение основных механизмов поможет исследователям понять, как цитокины способствуют прогрессированию ОА, и предоставит потенциальные мишени для новых терапевтических средств и биомаркеров для диагностики и прогнозирования ОА. Сообщалось о различиях в профиле цитокинов у пациентов с ОА, РА и здоровых лиц контрольной группы. Специфические цитокины, участвующие в ОА, ранее были обнаружены в крови, а также в синовиальной жидкости. Экспрессия цитокинов в жидкостях может служить надежным диагностическим маркером ранних и поздних стадий ОА. Недавние данные указывают на потенциальную корреляцию цитокинового профиля между кровью и синовиальной жидкостью, что должно быть подтверждено исследованиями. Кроме того, исследователи хотят проанализировать цитокиновый профиль в образцах тканей при ОА и сопоставить результаты с профилями сыворотки и синовиальной жидкости и клиническими параметрами. Эти результаты могут связать воспалительные реакции, вызванные ОА медиального отдела, со смещением и прогрессированием ОА в непораженных участках латерального отдела.

Таким образом, больший приводящий момент колена связан с большей передачей нагрузки через медиальный отдел колена. Многочисленные исследования выявили увеличение момента приведения коленного сустава у пациентов с медиальным ОА коленного сустава и варусной деформацией по сравнению со здоровыми людьми. Однако неясно, как варусное смещение и динамический момент нагрузки/приведения колена влияют на хрящ латерального отдела. Морфологические и биохимические маркеры позволяют анализировать дегенерацию хряща in vivo у людей в связи с механической нагрузкой, потенциальным биомеханическим фактором риска развития и прогрессирования ОА коленного сустава.