Doc. dr. sc. Dijana Perković, specijalistica interne medicine, subspecijalistica reumatologije, kliničke imunologije i alergologije
21.02.2022.
Imunološki i koštani sustav međusobno se isprepleću te imaju značajan utjecaj na fiziološke i patološke procese. Područje osteoimunologije je iznimno važno za razumijevanje procesa u artritisima i drugim reumatskim bolestima.
Na povezanost imunološkog sustava i kostiju je ukazano još davne 1972. godine kada je identificirana tvar koja aktivira osteoklaste u imunološkim stanicama. Termin "osteoimunologija" su tridesetak godina kasnije osmislili Arron i Choi u komentaru članka Takayanagia i suradnika kako bi opisali fenomen regulacije osteoklasta posredovane T-stanicama, odnosno važnost izlučivanja RANKL i IFN-γ iz aktiviranih T stanica. Neosporno je da se imunološki i koštani sustav međusobno isprepleću te imaju značajan utjecaj na fiziološke i patološke procese. Područje osteoimunologije je iznimno važno za razumijevanje procesa u artritisima i drugim reumatskim bolestima.
Koštani sustav podržava lokomotornu aktivnost ljudskog organizma, ali je istovremeno i višenamjenski organ koji ima metaboličku aktivnost i održava homeostazu minerala poput kalcija i fosfata. Osim toga, koštana srž sadrži hematopoetske matične stanice i zrele imunološke stanice, uključujući B stanice, makrofage i mali broj T stanica. S druge strane, imunološki sustav ima obrambenu ulogu koja održava integritet višestaničnog organizma eliminirajući brojne strane tvari kao što su bakterije, virusi ili karcinomske stanice. Visoko razvijeni imunološki sustav zahtijeva i funkcionalno specijalizirane imunološke stanice i tkiva uključena u stvaranje i održavanje tih stanica, kao što su timus, limfni čvorovi, slezena i koštana srž. Stanice u koštanoj srži funkcionalno su podijeljene na stanice koje sudjeluju u metabolizmu kostiju i hematopoetske stanice uključene u imunološke procese, a smatra se da su pod kontrolom endokrinog i imunog sustava. U stvari, koštane stanice i hematopoetske stanice dijele isto mikrookruženje u koštanoj srži i zajedno sudjeluju u aktivnostima koštanog sustava. Ove stanice dijele zajedničko porijeklo s imunološkim stanicama, budući da i jedne i druge nastaju iz hematopoetskih matičnih stanica koštane srži. Štoviše, prethodnici osteoklasta mogu se otkriti u cirkulaciji, a njihov broj raste u upalnim stanjima koja su obilježena visokim razinama faktora nekroze tumora (TNF).
Utvrđeno je da brojni citokini utječu na aktivnost koštanih stanica i koštanu masu. RANKL (receptorski aktivator nuklearnog faktora (NF)-κB liganda) je jedna od najvažnijih molekula koja povezuje imuni i koštani sustav. RANKL je prvi put opisan kao član superfamilije faktora tumorske nekroze (TNF) kojeg eksprimiraju T stanice. Aktivacijom NF-κB, RANKL pospješuje rast T stanica i funkciju dendritičkih stanica, za koje se kasnije pokazalo da su bitan čimbenik za diferencijaciju osteoklasta. Naime, ključan čimbenik za diferencijaciju osteoklasta označavan je kao osteoprotegerin (OPG) ligand i faktor diferencijacije osteoklasta, a identificiran je kao citokin aktiviran-induciran posredstvom TNF-om (TRANCE) i kao RANKL (TRANCE/RANKL).
No, RANKL nije ograničen samo na remodeliranje kosti već sudjeluje u brojnim imunološkim funkcijama, uključujući razvoj limfnih čvorova i diferencijaciju epitelnih stanica timusa. Opisana je i imunosupresivna uloga RANKL-a. Na dermalnim keratinocitima, RANKL inhibira eksperimentalne autoimune i alergijske odgovore povećanjem broja regulatornih T (Treg) stanica. S druge strane, istraživanja RANKL signalizacije su otkrila imunološki povezane signalne molekule i transkripcijske faktore koji su uključeni u regulaciju osteoklastogeneze (Tablica 1). Pokazalo se da ekspresiju gena TRANCE/RANKL pospješuju osteotropni čimbenici koji uključuju 1,25(OH)2D3. Stoga vitamin D i drugi osteotropni čimbenici mogu biti uključeni u imunološke odgovore posredovane ovim citokinom. Ovim bi se mogla objasniti moguća imunološka uloga vitamina D.
Tablica 1. Imunološki čimbenici koji potiču osteoklastogenezu (28).
Aktivacijom NF-κB, RANKL pospješuje rast T stanica i funkciju dendritičkih stanica, za koje se kasnije pokazalo da su bitan čimbenik za diferencijaciju osteoklasta.
Osteoblasti i stromalne stanice koštane srži se smatraju primarnim izvorima RANKL-a za osteoklastogenezu, no i druge mezenhimske stanice, kao što su osteociti i hondrociti, koje također eksprimiraju RANKL. Isprepletanje imunog i koštanog sustava dodatno je uočeno istraživanjem reumatskog artritisa (RA), koji je jedna od najreprezentativnijih upalnih koštano-zglobnih bolesti izazvana poremećenom aktivacijom imunog sustava. Brojni dokazi pokazuju da je destrukcija kosti u RA uzrokovana pojačanom aktivnošću osteoklasta, što je rezultat aktivacije podskupine T-stanica, Th17 stanica. Dakle, osteoklasti su temeljne stanice koje resorbiraju kost, a već smo spomenuli da nastaju od monocita/makrofaga koji potječu od hematopoetskih matičnih stanica. Zreli osteoklasti dekalcificiraju anorganske komponente kosti i razgrađuju proteine koštanog matriksa oslobađanjem klorovodične kiseline i proteolitičkih enzima kao što je katepsin K. Proces remodeliranja kosti postiže se međudjelovanjem osteoklasta, osteoblasta i osteocita u suradnji s drugim stanicama u koštanoj srži. Molekule uključene u interakciju stanica-stanica nazivaju se "komunikacijskim čimbenicima". RANKL je predstavnik ovih komunikacijskih čimbenika, ali su identificirane i druge molekule koje funkcioniraju kao dodatni komunikacijski čimbenici koji kontroliraju remodeliranje kosti. Neke od njih su efrini i Eph receptori koji su vezani na membranu te funkcioniraju kao par receptor-ligand.
Stanice slične osteoklastima su identificirane u upaljenoj sinoviji reumatoidnih zglobova još ranih 1980-ih, no tek je kloniranjem RANKL-a patološka važnost osteoklasta u artritisu privukla veliku pozornost. Osteoklasti su nađeni u kulturama sinovijalnih stanica u bolesnika s reumatoidnim artritisom (RA), što ukazuje da upaljeno sinovijalno tkivo sadrži stanice prekursore osteoklasta i stanice koje podržavaju osteoklastogenezu. Nakon kloniranja RANKL-a i spoznaje da je neophodan za osteoklastogenezu, pokazalo se da je u sinoviji bolesnika s RA izrazito visoka ekspresija RANKL-a. Studije na mišjim modelima autoimunog artritisa dodatno su pokazale važnost RANKL-a i osteoklasta u razaranju kostiju povezanom s upalom. Dakle, miševi kojima nedostaju osteoklasti ili su inaktivni, su bili zaštićeni od razaranja kostiju, ali ne i od upale. Proupalni citokini u upaljenom sinovijalnom tkivu, uključujući TNF-α, IL-6 i IL-1, izravno induciraju ekspresiju RANKL-a na stanicama koje sudjeluju u osteoklastogenezi kao što su sinovijalni fibroblasti. No, pored sinovijalnih fibroblasta, RANKL je izražen i na T i B stanicama. Međutim, upravo su sinovijalni fibroblasti, a ne T stanice, funkcionalno najznačajniji izvor RANKL-a u zglobovima zahvaćenim artritisom. S druge strane, Th17 stanice imaju sposobnost induciranja ekspresije RANKL-a na sinovijalnim fibroblastima.
Aktivirane T stanice proizvode citokine sa stimulativnim ili inhibitornim učincima na osteoklastogenezu. Th1 i Th2 stanice stvaranjem IFN-γ i IL-4 ostvaruju snažne inhibitorne učinke na osteoklastogenezu. S druge strane, Th17 stanice putem IL-17 potiču osteoklastogenezu. U artritisu, IL-17 iz Th17 stanica izravno inducira ekspresiju RANKL-a na sinovijalnim fibroblastima i stimulira sinovijalne makrofage na stvaranje upalnih citokina kao što su TNF-α, IL-1β i IL-6. Ovi citokini dodatno pospješuju osteoklastogenezu povećanjem RANKL-a na sinovijalnim fibroblastima i aktiviranjem stanica prekursora osteoklasta. Kao odgovor na upalne citokine, sinovijalne stanice proizvode enzime koji razgrađuju matriks i uzrokuju destrukciju hrskavice. Dakle, Th17 stanice imaju ključnu ulogu u povezanosti između upale i destrukcije kosti u RA. Neke studije su pokazale sposobnost anticitrulinskih protutijela da se vežu izravno na prekursore osteoklasta pospješujući osteoklastogenezu (Slika 1).
Slika 1. Destrukcija kostiju u reumatskom artritisu. Destrukcija kostiju u artritisu započinje u upaljenoj sinoviji na sučelju imunološkog sustava i kosti. IL-17 koji proizvode Th17 stanice povećava ekspresiju RANKL na sinovijalnim fibroblastima i inducira upalne citokine kao što su TNF-α, IL-6 i IL-1 iz urođenih imunoloških stanica. Ovi citokini dalje povećavaju ekspresiju RANKL na sinovijalnim fibroblastima i aktiviraju stanice prekursora osteoklasta. RANKL stimulira osteoklastičnu resorpciju kosti, dok je stvaranje kosti potisnuto. Preuzeto i prilagođeno iz Okamoto K, Nakashima T, Shinohara M, i sur. Osteoimmunology: the conceptual framework unifying the immune and skeletal systems. Physiol Rev 2017;97: 1295–1349.
U žena u postmenopauzi smanjenje razine estrogena rezultira brzim gubitkom kosti što povećava rizik od prijeloma kostiju. Koštane stanice, uključujući osteoklaste, osteoblaste i osteocite, eksprimiraju nuklearni estrogenski receptor (ER). Osim toga, estrogen ima višestruke učinke na imunološke stanice poput limfocita, makrofaga i dendritičkih stanica, koje također izražavaju nuklearni estrogenski receptori. Stoga je očito da postoje složene interakcije između nedostatka estrogena, gubitka koštane mase i imunološkog sustava. Naime, estrogeni potiskuju proizvodnju RANKL ne samo u osteoblastima već i u T i B stanicama, dok nedostatak estrogena povećava oslobađanje proosteoklastogenih citokina (tj. TNF-α i RANKL) iz aktiviranih T stanica. Time su identificirane imunološke stanice koje sudjeluju u razvoju osteoporoze. Kod nedostatka estrogena, serumska razina određenih upalnih citokina kao što su IL-6 i IL-1, koji sudjeluju u osteoklastogenezi, je povećana. Posebno se pokazalo da TNF-α igra ključnu ulogu u gubitku kosti uzrokovanom nedostatkom estrogena. Budući da je u bolesnika s postmenopauzalnom osteoporozom povećano stvaranje TNF-a i RANKL, liječenje 17–estradiolom inhibira njihovu sintezu.
Dakle, postmenopauzalna osteoporoza uvelike nastaje kao posljedica izravnih i neizravnih učinaka nedostatka estrogena. No, gubitak koštane mase se događa i tijekom perimenopauze, kada su razine estrogena još uvijek normalne. Tu bi značajnu ulogu mogao imati folikul stimulirajući hormon (FSH) koji počinje rasti u kasnoj fazi perimenopauze. FSH izravno inducira proizvodnju TNF-a iz makrofaga i granulocita koštane srži. Iako je njegova razina u korelaciji s biljezima resorpcije kosti u žena u postmenopauzi, potrebna su daljnja klinička ispitivanja kako bi se razjasnila uloga FSH u postmenopauzalnoj osteoporozi.
Posljednjih godina intenzivno se istražuju brojne molekule koje su dio osteoimunologije. Jedna od njih je homolog limfotoksina, povezan s povećanom resorpcijom kosti u osteoartritisu. Poznat je i kao renaissance, biomarker gubitka kosti u multiplom mijelomu. Jedan od istraživanih regulatora koštane mase je protein LipoCaliN-2 (Lcn2). Naziva se još i Neutrophil Gelatinase-Associated Lipocalin (NGAL). Pojačano se eksprimira u upalnim zbivanjima. Čini se da Lcn2, kada je prekomjerno eksprimiran, oštećuje osteoblaste, a kada se potpuno ukloni oštećuje metabolizam energije te na taj načinin direktno uzrokuje disfunkciju osteoblasta. No, u tijeku su istraživanja i o drugim ulogama ovog proteina, a isto tako i drugim molekulama koje bi mogle imati određenu ulogu u osteoimunologiji.
Kost je višenamjenski organ koji obavlja različite funkcije vezane uz lokomotorni te endokrini i imuni sustav. Kontrolni mehanizmi između kostiju i imunološkog sustava su složeni, usko povezani i uključuju brojne sastavnice. Koncept osteoimunologije nije od presudne važnosti samo u temeljnoj biologiji, već je vrlo važan i za razvoj novih terapijskih opcija u poremećajima koštanog i imunog sustava te u bolestima zglobova.