Uvod

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).

RANKL sustav

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.

povećaj sliku

Tablica 1. Imunološki čimbenici koji potiču osteoklastogenezu (28).

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.

Destrukcija kosti u reumatskom artritisu

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).

povećaj sliku

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.

Destrukcija kosti u osteoporozi

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.

Nove molekule u osteoimunologiji

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.

Zaključak

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.

Literatura

1. Horton JE, Raisz LG, Simmons HA, Oppenheim JJ, Mergenhagen SE. Bone resorbing activity in supernatant fluid from cultured human peripheral blood leukocytes. Science. 1972; 177:793–5.
2. Mundy GR, Raisz LG, Cooper RA, Schechter GP, Salmon SE. Evidence for
   the secretion of an osteoclast stimulating factor in myeloma. N Engl J Med.
   1974; 291:1041–6.
3. Arron JR, Choi Y. Bone versus immune system. Nature. 2000; 408:535–6.
4. Takayanagi H, Ogasawara K, Hida S, i sur. T-cellmediated regulation of osteoclastogenesis by signalling cross-talk between RANKL and IFN-g. Nature.2000; 408:600–5.
5. Guder C, Gravius S, Burger C,. Wirtz DC. Schildberg FA. Osteoimmunology: A Current Update of the Interplay Between Bone and the Immune System. Immune System.Front. Immunol. 2020; 11: 58.
6. Seeman E, Delmas PD. Bone quality--the material and structural basis of bone
   strength and fragility. N Engl J Med2006;354:2250–2261.
7. Okamoto K, Nakashima T, Shinohara M, i sur. Osteoimmunology: the conceptual framework unifying the immune and skeletal systems.Physiol Rev 2017;97: 1295–1349.
8. Anderson DM, Maraskovsky E, Billingsley WL, i sur. A homologue of the TNF receptor and its ligand enhance T-cell growth and dendritic-cell function. Nature 1997: 390: 175–179.
9. Wong BR, Josien R, Lee SY, i sur. TRANCE (tumor necrosis factor [TNF]-related activation-induced cytokine), a new TNF family member predominantly expressed in T cells, is a dendritic cell-specific survival factor. J Exp Med 1997;186: 2075–2080.
10. Lacey DL, Timms E, Tan HL, i sur. Osteoprotegerin ligand is a cytokine that regulates osteoclast differentiation and activation. Cell 1998;93: 165–176.
11. Yasuda H, Shima N, Nakagawa N, i sur. Osteoclast differentiation factor is a ligand for osteoprotegerin/osteoclastogenesis-inhibitory factor and is identical to TRANCE/RANKL. Proc Natl Acad Sci USA 1998:95: 3597–3602.
12. Takayanagi H. Osteoimmunology: shared mechanisms and crosstalk between the
    immune and bone systems. Nat Rev Immunol2007;7: 292–304.
13. Loser K, Mehling A, Loeser S i sur. Epidermal RANKL controls regulatory T-cell numbers via activation of dendritic cells. Nature Medicine 2006;12:1372–1379.
14. Kartsogiannis V, Zhou H, Horwood N J i sur. Localization of RANKL (receptor activator of NF kappa B ligand) mRNA and protein in skeletal and extraskeletal tissues. Bone 1999;25(5):525-34.
15. Nakashima T, Takayanagi H. New regulation mechanisms of osteoclast differentiation. Ann NY Acad Sci 2011;1240:E13–8.
16. Sato K, Takayanagi H. Osteoclasts, rheumatoid arthritis, and osteoimmunology. Review Curr Opin Rheumatol 2006;18(4):419-26.
17. Bromley M, Woolley D: Histopathology of the rheumatoid lesion. Arthritis Rheumatism. 1984;27(8):857-863.
18. Davy A, Soriano P. Ephrin Signaling In Vivo: Look Both Ways. Developmental Dynamics 2005;232:1–10,
19. Pettit AR, Ji H, von Stechow D i sur. TRANCE/RANKL knockout mice are protected from bone erosion in a serum transfer model of arthritis. Am J Pathol 2001;159(5):1689-99.
20. Danks L, Komatsu N, Guerrini MM i sur. RANKL expressed on synovial fibroblasts is primarily responsible for bone erosions during joint inflammation. Ann Rheum Dis 2016;75(6):1187-95.
21. Eghbali-Fatourechi G, Khosla S, Sanyal A, Boyle WJ, Lacey DL, Riggs BL. Role of RANK ligand in mediating increased bone resorption in early postmenopausal women. J Clin Invest. 2003;111:1221–30.
22. Breuil Y, Ticchioni M, Testa J, i sur. Immune changes in post-menopausal osteoporosis: the immunos study. Osteoporos Int 2010;21:805–14.
23. D’Amelio P, Grimaldi A, Di Bella S, i sur. Estrogen deficiency increases osteoclastogenesis up-regulating T cells activity: a key mechanism in osteoporosis. Bone. 2008;43:92–100.
24. Roggia C, Gao Y, Cenci S, i sur. Up-regulation of TNF-producing T cells in the bone marrow: a key mechanism by which estrogen deficiency induces bone loss in vivo. Proc Natl Acad Sci USA 2001;98:13960–13965,.
25. Sun L, Peng Y, Sharrow AC, i sur. FSH directly regulates bone mass. Cell 2006;125:247–260.
26. Auréal M, Machuca-Gayet I, Fabienne Coury F. Rheumatoid Arthritis in the View of Osteoimmunology. Biomolecules 2021;11: 48
27. Brunetti G, Rizzi R, Storlino G, i sur. LIGHT/TNFSF14 as a new biomarker of bone disease in multiple myeloma patients experiencing therapeutic regimens. Front Immunol. 2018;23:2459.
28. Ponzzeti M, Rucci N. Updates on osteoimmunology: Whats' new on the cross-talk between bone and immune system. Front. Endocrinol. 2019;10:236.
29. Harre U, Georgess D, Bang H, i sur. Induction of osteoclastogenesis and bone loss by human autoantibodies against citrullinated vimentin. J Clin Invest. 2012;122: 1791–802.