1 австралийски ветеринарни стволови клетки и магеланови стволови клетки P/L, 116-118 Thames St, Box Hill VIC 3129, Австралия

мезенхимни

2 Катедра по химия и биотехнологии, Факултет по наука, инженерство и технологии, Технологичен университет Суинбърн, John St, Hawthorn VIC 3122, Австралия

Резюме

Остеоартритът е един от най-често срещаните хронични здравословни проблеми в света, който причинява увреждане и хронична болка с намалена подвижност и е прогресиращо дегенеративно заболяване в носещите тежести стави като коляното. Патологията на ставата в резултат на ОА включва загуба на хрущялен обем и хрущялни лезии, водещи до възпаление на ставните ставни структури; честотата и прогресията му са свързани с различни рискови фактори. Повечето от настоящите лечения се фокусират върху лечението на симптомите, като физикални и професионални терапии, фармакологична интервенция за лечение на болка и хирургическа интервенция с ограничен успех и не разглеждат и не спират прогресията на заболяването. В този преглед ще опишем текущите възможности за лечение на ОА и вълнуващите нови транслационни медицински изследвания, които се провеждат в момента с използване на мезенхимни стволови клетки за терапия с ОА.

1. Артроза

Остеоартритът е патологията на ставните стави, най-често свързана с дефекти в хрущяла като остеохондрални дефекти и е едно от най-често срещаните хронични увреждащи заболявания, засягащи хората по целия свят. Това може да причини сериозно ограничаване на ежедневните дейности, което може сериозно да повлияе на качеството на живот. Приблизително 9,6% от мъжете и 18% от жените, които са на възраст над 60 години, имат симптоматичен остеоартрит в световен мащаб [1, 2]. Мускулно-скелетното състояние се характеризира с дегенеративен ставен хрущял, който води до изтъняване на хрущяла (Фигура 1), което води до контакт с костите, което в крайна сметка води до симптоми на скованост, болка и ограничение на движението. Основните рискови фактори за ОА са по-напреднала възраст, затлъстяване, предшестващо нараняване, свързано със спорт нараняване, прекомерна професионална употреба и генетичен произход [3, 4]. Тъй като възрастното население и затлъстяването се увеличават по целия свят, ОА се разпространява все по-често, причинявайки значителна здравна и икономическа тежест в световен мащаб [5]. Изчислено е, че свързаните с тях разходи за ОА имат социално-икономическа тежест между 1,0 и 2,5% от брутния вътрешен продукт в развитите страни [6].

ОА обикновено се свързва със синовиални стави (диартрози), известни също като свободно подвижни стави [7]. Нормалната синовиална става (Фигура 1) се формира от две костни краища, покрити с тънък слой от гладък, твърд ставен хрущял, капсула, пълна със синовиална течност, връзки, сухожилия, мускули, кръвоносни съдове и нерви [8]. Тези структурни компоненти образуват функционална единица с тяхното механично взаимодействие. Промените във всеки компонент водят до анаболен или катаболен отговор на други компоненти [9]. Аномалията в синовиалните ставни тъкани като ставния хрущял, субхондралната кост, връзките, менискусите, синовиума, периферните нерви и мускулите може да причини стрес в ставата и в крайна сметка да доведе до дегенерация на ставния хрущял, водещ до ОА [7, 10].

Ставният хрущял е специален вид съединителна тъкан, която е невронна, нелимфатична, несъдова и следователно ограничена при самовъзстановяване. Ставният хрущял е метаболитно активна тъкан и неговата архитектура и биохимичен състав се регулират, развиват и ремонтират от хондроцитите. Хондроцитите са единственият клетъчен тип в ставния хрущял [9]. Храненето се поддържа от синовиалната течност и субхондралната кост чрез дифузия чрез редовно движение на ставите. Движението на синовиалната става принуждава синовиалната течност в и извън ставния хрущял да доставя хранителни вещества и да изхвърля отпадъчните продукти за хрущяла [11]. Проксималната субхондрална кост осигурява хранителни вещества като глюкоза, кислород и вода до хрущяла чрез перфузия от плътните им съдове в субхондралната област [12]. Следователно, хрущялът, субхондралната кост и синовиум взаимодействат помежду си и играят ключови роли в патогенезата на ОА, когато има ненормална механика, обхващаща цялата ставна става [13, 14].

ОА също се свързва с физиологичния дисбаланс на разграждане и синтез от хондроцити, което води до промени в състава на хрущялната матрица [15]. В ранните етапи на ОА, покойните хондроцити се активират, за да ремоделират съдържанието на хрущялната матрица [16], съдържанието на вода се увеличава и загубата на гликозаминогликан в хрущяла води до промените в механичните свойства на хрущяла в тази хипертрофична анаболна фаза [ 17, 18]. След неуспех на тези ранни компенсаторни опити, хондроцитите стават катаболни и претърпяват стареене и апоптоза и в крайна сметка водят до прогресивна дегенерация на ставния хрущял [19], което се счита за необратимо състояние на ОА [18, 20]. Освен това се образуват фибрилации (микроскопични пукнатини) в повърхностната зона, както и дълбоки пукнатини, лезии на костния мозък и разслояване в хрущяла [21]. В допълнение към прогресивно деградиралия ставния хрущял, субхондралната кост взаимодейства с хрущяла чрез различни сигнални механизми, които са представени и свързани с повишената болка и дисфункция [18], поради периферна и централна сенсибилизация на болката [16].

2. Настоящо фармакологично лечение на остеоартрит и неговите ограничения

Както бе споменато по-горе, дегенерацията на ставния хрущял остава най-значимата структурна промяна, наблюдавана при ОА, водеща до силна болка и намалена подвижност [16, 22]. Вродената способност да лекува дегенериралия хрущял е ограничена от аваскуларната природа на хрущяла, което представлява значително предизвикателство при лечението на ОА. Понастоящем няма лечение за това инвалидизиращо състояние и повечето от леченията се фокусират върху лечението на симптомите, включително 3 основни модалности, както е посочено на Фигура 2 [23]. Това са, първо, физикални и професионални терапии като загуба на тегло или помощни устройства за носещи стави; второ, фармакологична интервенция за лечение на болка чрез нестероидни противовъзпалителни лекарства (НСПВС), опиоиди, вискодобавки или инжектиране на кортикостероиди; и трето, хирургическа интервенция като артроскопия, микрофрактура или тотална подмяна на ставите.


Фондацията за артрит (www.arthitis.org) препоръчва пациентите с ОА да се самообучават в управлението на състоянието и насърчава отслабването при пациенти с наднормено тегло и затлъстяване. Това включва диета и упражнения за намаляване и управление на здравословното тегло; Въпреки това, поради болка и физическо ограничение в резултат на ОА, упражненията са трудни за изпълнение и поддържане. Показано е, че съвместната насочена физическа терапия подобрява болката и функцията; обаче няма дългосрочно подобрение. Помощното устройство е проектирано да осигурява механична опора на ставната структура при пациенти с ОА, причиняваща нестабилност в ставата, както и да разпределя натоварването за облекчаване на болката и подобряване на функцията, но те имат само ограничен успех.

Понастоящем основната стратегия на фармакологичното управление на ОА е основно за облекчаване на болката, подобряване на функцията и управление на ОА процеса [22, 23]. Фармакологичното лечение се използва за пациенти с лека до умерена болка, а лекарства като НСПВС, опиоиди и кортикостероиди се използват рутинно за облекчаване на болката; обаче няма дългосрочно облекчение и тези фармакологични агенти имат нежелани странични ефекти [24].

По-рано ацетаминофенът (парацетамол) беше първото лекарствено средство за лечение на лека до умерена ОА болка. Това обаче се превърна в неубедителна препоръка поради липса на убедителни доказателства [15]. Освен това, използването на ацетаминофен е свързано с рискове като стомашно-чревни (GI) нежелани събития и мултиорганна недостатъчност [17] с минимална краткосрочна полза [21]. Въпреки че е по-малко ефективен от НСПВС и тъй като някои пациенти имат неблагоприятни ефекти при НСПВС, той все още се използва от някои пациенти, но се препоръчва с консервативни дози и продължителност на лечението [15].

Нестероидните противовъзпалителни лекарства (НСПВС) са голямо семейство лекарства, включително орални НСПВС като ибупрофен, аспирин, напроксен, COX-2 инхибитори и локални НСПВС като диклофенак, образуван като крем, пластири, гелове или разтвор. Проблемите с пероралните НСПВС включват неблагоприятни стомашно-чревни (GI) ефекти и трябва да се приемат заедно с GI протектора [25]. Освен това те са свързани с потенциална токсичност, особено при пациенти в напреднала възраст [22]. Пероралните COX-2 инхибитори могат да намалят GI страничните ефекти, но могат да причинят други неблагоприятни ефекти, като риск от сърдечно-съдови инциденти. Използването на локални НСПВС елиминира GI страничните ефекти на оралните НСПВС, но може да бъде по-малко ефективно [26] и е свързано с дерматологични нежелани събития [27].

Опиоидите могат да се използват за облекчаване на болката, когато пациентите не могат да използват НСПВС и ацетаминофен поради свързаните с тях странични ефекти. Те обаче имат ограничена дългосрочна ефикасност [27] и са свързани с неблагоприятни ефекти като респираторна депресия, нарушение на употребата на опиоиди и предозиране [28]. При мета-анализ на проучвания пациентите, които са получавали опиоидна терапия, са четири пъти по-склонни да отпаднат поради неблагоприятни ефекти в сравнение с пациентите, получаващи плацебо, и тяхната продължителна употреба не се препоръчва [27]. Има широка гама от лекарства, насочени към облекчаване на болката и подобряване на качеството на живот на пациентите с ОА. Понастоящем обаче няма фармакологични агенти, които да предотвратяват, спират или обръщат началото на ОА. Тези проучвания подчертават липсата на ефективни фармакологични решения за страдащите от ОА.

3. Хирургическа интервенция за лечение на ОА

Хирургичните интервенции се препоръчват, когато прогресията на ОА доведе до сериозно увреждане на ставата, тежест на болка и влошаване на функцията, което не може да се управлява с други възможности. Първоначалният хирургически вариант за възстановяване на структурната стабилност като дебридиране на ставите чрез артротомия или артроскопия за отстраняване на хлабав хрущял, фрагменти от менискус, бръснене на хрущяла и премахване на остеофити е показал, че води до ограничена болка и облекчаване на функциите [29]. Артроскопията остава най-извършваната операция в развития свят от ортопедични хирурзи, за да помогне при механичното движение на засегнатото сковано коляно. Ослепено контролирано клинично изпитване за артроскопия за отстраняване и промиване с плацебо показа, че не се постига облекчаване на болката след операцията в сравнение с плацебо [30].

Заместването на ставите се счита за краен вариант, предоставен на пациентите с ОА, когато състоянието прогресира до най-тежкото. Хирургичните процедури за смяна на тазобедрената става и коленете са изключително болезнени и изискват дълъг период от време за рехабилитация. Освен това пълната подмяна на коляното е показала неблагоприятни резултати като белодробна емболия, инфекции и смъртни случаи, свързани с операция, в някои случаи [31].

4. Клетъчна терапия и регенеративна медицина за ОА

Горното показва, че настоящото лечение на ОА е фокусирано само върху лечението на симптомите и нито една от тези опции не адресира или спира прогресията на заболяването или предлага дългосрочни ползи. Следователно има незадоволено медицинско търсене за лечение на страдания от ОА, което може да спре прогресията на заболяването и да осигури дългосрочно облекчение от симптомите на ОА. Клетъчната терапия даде реално обещание за борба с това изтощително дегенеративно състояние и може да осигури дългосрочна полза, променяща заболяването. Огромни усилия бяха положени в предклиничните проучвания и сега в клиничните изпитвания, оценяващи регенеративния потенциал на възрастните стволови клетки, особено мезенхимните стволови клетки (MSCs), за възстановяване на структурните увреждания на ставното пространство, дегенерацията на хрущяла и възпалението.

5. Терапия с мезенхимни стволови клетки за ОА: Нова терапевтична парадигма за ОА


Първоначално MSC са изолирани от костния мозък, но в последно време те са успешно изолирани от различни други тъкани като мастна тъкан [44], мозък, мускулна тъкан [45], кожа [46] и зъби [47]. Освен това MSCs могат също да бъдат получени от различни органи и тъкани, включително далака, черния дроб, бъбреците, белите дробове, тимуса, панкреаса и кръвоносните съдове и могат лесно да се размножават инвитро [48].

Тъй като човешките MSC са разнородни и могат да бъдат получени от много източници, в литературата са описани различни методи за изолиране и разширяване и различни подходи за характеризиране на клетките, това е причинило затруднението при сравняването на резултатите от изследването. Комитетът по мезенхимни стволови клетки на Международното общество за клетъчна терапия (ISCT) е предоставил три минимални критерия за определяне на MSC за лабораторно изследване и предклинични проучвания през 2006 г. Първо, MSC трябва да са прилепнали към пластмасата в колбите за тъканна култура. Второ, повече от 95% от популацията на MSC трябва да експресират CD105, CD73 и CD90 и да нямат експресия (по-малко от 2% популация) на CD45, CD34, CD14 или CD11b, CD79a или CD19 и HLA клас II. Трето, MSC трябва да могат да се диференцират в остеобласти, адипоцити и хондробласти инвитро със стандартни условия за диференциация [49].

„Основността“ на МСК се поддържа от левкемичния инхибиторен фактор (LIF), растежните фактори на фибробластите (FGF) и хомолозите на бозайниците на Дрозофила безкрили (Wnts), наред с други растежни фактори и цитокини [50]. Интрапопулациите на МСК са функционално хетерогенни по отношение на техните многоредови потенциали за диференциация. Трипотентните клонинги на MSC (способни да бъдат диференцирани в три клетъчни типа, например остеобласти, адипоцити и хондробласти) показват най-високата степен на пролиферация и по-ниска степен на апоптоза в сравнение с бипотентните (само два клетъчни типа) и унипотентните (само един клетъчен тип) клонинги [51, 52]. Капацитетът на пролиферация на MSC се влияе както от плътността на клетъчното засяване [53], така и намалява с напредването на клетките към терминални диференциации [54]. Дългосрочното разширяване на MSC може да повлияе на състава, функцията и терапевтичната сила на популациите на MSC [55]. Освен това условията на култивиране като културална среда и напрежение на кислорода оказват голямо влияние върху генната експресия и протеома и клетъчната организация [56, 57].

Процесът на диференциация на MSC е строго контролиран и включва дейностите на различни транскрипционни фактори, цитокини, растежни фактори и извънклетъчни матрични молекули [54]. Ефективността на диференциация също корелира с възрастта на пациентите, при което изолирани клетки от по-млади пациенти показват по-висок капацитет за диференциация в културата [58]. Редица биомаркери се използват за определяне на диференциацията към адипогенни, хондрогенни и остеогенни линии. Биомаркерите за адипогенна диференциация са адипонектин, C/EBPα, FABP4, лептин и пероксизомен пролифератен рецептор гама (PPARγ); биомаркерите за хондрогенна диференциация са агреганов колаген тип II и Sox9; а алкалната фосфатаза, костният сиалопротеин, остеокалцин, остерикс и runx2 са биомаркери за остеогенна диференциация [59–62].

Базираното на MSC лечение на ОА има по-малък риск за пациента и различни източници като мастна тъкан, костен мозък и синовиум [68]. Тези автоложни клетки могат да бъдат взети от пациенти чрез липосукция или аспирация от костния мозък. Получените от мастна тъкан MSC са предпочитани от пациентите в сравнение с MSC, аспирирани от костния мозък, тъй като сравнително MSCs са по-богати в мастните тъкани, отколкото в аспирата на костния мозък. Въпреки това, получените от костен мозък MSCs могат да имат по-висок хондрогенен потенциал от MSC, получени от мастна тъкан [69]. Освен това синовиалните тъкани, получени чрез хирургично отстраняване на субсиновиална тъкан, нехрущялна област на медиалния кондил на бедрената кост, също са се превърнали в привлекателен източник на MSC при лечение на ОА [9, 68].

6. Текущи клинични изпитвания и поредици от случаи, разследващи МСК за лечение на ОА

Получените от мастна тъкан MSC за лечение на пациенти със ставни заболявания също действат като предшественик за лечение на дегенеративни ОА. Oseochondritis dissecans е съвместно заболяване, отнасящо се до ставния хрущял и хондралните дефекти, водещо до увреждане на ставния хрущял и подлежащата кост. Съобщава се, че получените от мастна тъкан MSC имат ефект, модифициращ заболяването в клинична серия, публикувана наскоро [74]. Това проучване показа регенерация на изгубения хрущял и значително намаляване на болката и подобряване на подвижността (Фигура 4) [74].