Role senescence při rozvoji osteoporózy a osteoartrózy

Overview

Nezadržitelný pokrok v medicíně má za následek dramaticky rostoucí prodloužení střední délky života, ale ne vždy člověk prožije svůj život ve zdraví tak, jak ho v roce 2021 definovala tzv. Tripartita (World Healthy Organisation – WHO, Food and Agriculture Organization of the United Nations – FAO UN, World Organisation for Animal Health, do roku 2003 Office International des Epizooties – OIE) [1,2]. S rostoucí střední délkou života exponenciálně roste počet lidí trpících chronickými nemocemi. Mezi chronická onemocnění spojená s věkem patří také muskuloskeletální choroby, které jsou reprezentovány zejména diagnózami osteoporóza a osteoartróza [2,3,4]. Mezi roky 2010 a 2019 se celosvětově zvýšil počet osteoporotických pacientů o 5 milionů, tedy na 32 milionů osob ohrožených osteoporotickou frakturou, která je většinou prvním příznakem této „tiše“ probíhající nemoci. V České republice v roce 2019 trpělo osteoporózou 572 tisíc lidí, přičemž přibližně 80 % z nich zůstává neléčeno (treatment gap). Počet pacientů s prodělanou nízkotraumatickou zlomeninou se od roku 2010 do roku 2019 zvýšil z 72 195 na 91 349. Nejvýraznější podmnožinou jsou zlomeniny obratlového těla a proximálního femuru, které mají 10 až 30% riziko úmrtí do 12 měsíců po jejich vzniku [2,4]. Osteoartróza (OA) je jedním z nejčastějších kloubních onemocnění. Prevalence není přesně zmapovaná, dle některých světových i českých statistik trpí osteoartrózou 40 % lidí ve věku nad 60 let, a dokonce 80 % lidí ve věku nad 65 let [5,6]. Nejčastější lokalizací OA jsou kolenní klouby, kyčelní klouby, malé klouby rukou a klouby na páteři, u nichž není postižena pouze kloubní hyalinní chrupavka, ale také synovium, kloubní pouzdro, úpony šlach a vazů, úpony svalů a subchondrální kost. U mladších osob se jedná většinou o posttraumatický stav, u starších osob se předpokládá vliv genetických, biomechanických, endokrinologických, zánětlivých činitelů a faktorů spojených se stárnutím chrupavky [5,6,7]. Zejména v poslední dekádě se množí důkazy o propojení obou těchto nemocí se senescencí buněk [7,8].

Klíčová slova:

osteoporóza – osteoartróza – Senescence

Úvod

Kost je dynamická neustále se remodelující hmota. Stará, poškozená kostní hmota je odbourávána osteoklasty a nová vystavěná pomocí osteoblastů. Tento proces je nezbytný k udržení síly a pružnosti kostní hmoty. Deregulace remodelace kostní hmoty má za následek porušenou mikroarchitekturu a celkově sníženou kvalitu kosti, a tím zvýšené riziko nízkoenergetických (low-energy) neboli nízkotraumatických fraktur [9,10].

Kloubní hyalinní chrupavka je unikátní tkáň, která obsahuje poměrně málo buněk, tzv. chondrocytů, které jsou zodpovědny za udržování homeostázy extracelulární matrix (voda, kolagen, proteoglykany, malé množství kalciových solí). Při osteoartróze dochází ke změně homeostázy matrix ve prospěch katabolického procesu a k alteraci matrix [6,7].

Osteoklasty, osteoblasty i chondrocyty podléhají procesu stárnutí, který se projevuje komplexně jako proces buněčné senescence [10,12]. Senescenci se věnuje v poslední dekádě mnoho pozornosti, a to nejen kvůli potencionálnímu terapeutickému ovlivnění. Senolytika a senomodulátory se studují v preklinických studiích na zvířecích modelech. Ověřit se musí ještě farmakodynamika a toxicita v již probíhajících klinických studiích. Do budoucna bychom tak mohli snížit výskyt chronických nemocí, jakými jsou i osteoporóza a osteoartróza [11,12,13].

Senescence

Senescence byla poprvé popsána v roce 1961 L. Hayflickem a P. S. Moorheadem, kteří mimo jiné objasnili, že somatické nenádorové buňky mohu projít jen určitým definovaným počtem dělení (tzv. Hayflickův limit) [13]. Senescence je ireverzibilní zastavení buněčné proliferace ve fázi G1 buněčného dělení. Nedochází ovšem k indukci programované buněčné smrti, naopak buňky zůstávají velmi životaschopné a metabolicky aktivní. Dochází k celé řadě změn uvnitř buňky, jako jsou změny v expresi genů, seskupení chromatinu, zastavení aktivace apoptózy a také ke změnám v sekreční činnosti buněk. Senescentní buňky secernují do svého okolí signální faktory, proteázy, proteiny extracelulární matrix, neproteinové komponenty, a také extracelulární vezikuly obsahující miRNA. Tento sekreční fenotyp asociovaný se senescencí (Senescence Associated Secretory Phenotype – SASP) hraje klíčovou roli v ovlivňování bezprostředního i vzdáleného okolí senescentní buňky [8,11,12,13,15,16].

Aktivace buněčné senescence

Senescence je aktivovaná signálními bílkovinnými molekulami označenými p53/p21^CIP1 [7,12]. Protein p53 je za běžných podmínek v buňce neaktivní, je vázán svým negativním regulátorem ubikvitin-ligázou MDM2 (Murine Double Minute 2) [15]. Při poškození DNA se aktivuje tumor supresorová osa p53/p21^CIP1 a p16^INK4a. Nejprve dojde k vyvázání a fosforylaci p53, ke zvýšení jeho koncentrace v buňce a zastaví se buněčný cyklus ve fázi G1/S. Následně se spustí exprese p21, která je pak udržovaná p16^Ink4a (zvýšená hladina p16^Ink4a vede k zástavě buněčného cyklu), schéma, [7,18]. p53 je kódován genem TP53 lokalizovaném na chromosomu 17, p21 je kódován genem CDKN1A (Cyclin-Dependent Kinase Inhibitor 1 A) lokalizovaném na chromosomu 6, p16 je kódován genem CDKN2A (Cyclin-Dependent Kinase Inhibitor 2A) lokalizovaném na chromosomu 9 [8,11,12,13,15,18].

Spouštěče buněčné senescence

Spouštěčem buněčné senescence může být zkracování telomer jako důsledek tzv. Hayflickova limitu, což je přirozená neboli replikativní senescence [13,14,19]. Vedle replikativní senescence může dojít také ke stresem indukované předčasné senescenci (Stress-Induced Premature Senescence – SIPS) způsobené poškozením DNA externími procesy, jako je ultrafialové záření, ionizující záření nebo také endogenními procesy jako oxidační stres spouštěný kyslíkovými radikály (Reactive Oxygen Species – ROS). Oxidační stres může být při nízkých hladinách užitečný. Ale když se například v kosti rovnováha mezi ROS a antioxidanty naruší, vede to ke smrti osteoblastů a osteocytů, a následně k destrukci kosti zvýšením diferenciace a aktivity osteoklastů [8,13]. Dalším spouštěčem senescence může být alterace chromatinu způsobená epigenetickými změnami souvisejícími se stárnutím a jejich vlivem na transkripci genů, proliferaci a poškození DNA [8,11,13]. Poškození DNA vede k aktivaci tzv. „DNA – damage repair“ (DDR) systému, který reaguje na poškození DNA a aktivuje tumor supresorovou osu p53/p21^CIP1 a p16^INK4a. Pokud je poškození ireverzibilní, p53 indukuje buněčnou senescenci [8,11,12,13,15,18]. Mezi induktory SISP patří i protoonkogeny (typický zástupce Ras), které kódují klíčové geny buněčného cyklu a jejichž mutací může dojít k narušení proliferace buněk a následné přeměně na buňky nádorové [17,18,19]. Za zároveň spouštěče i biomarkery senescence jsou pokládány miRNA. miRNA jsou jednovláknové řetězce nekódující RNA o délce nejčastěji 21–23 nukleotidů, které se podílejí na regulaci genové exprese posttranskripčně vazbou 3’ nepřekládanou oblastí mRNA tak, že blokují translaci proteinu, který konkrétní mRNA kóduje. miRNA mohou být transportovány do vzdálených buněk pomocí exosomů, takže mají také potenciál jako signální molekuly, biomarker i jako prognostický nebo terapeutický nástroj. miRNA hrají důležitou roli také v procesech souvisejících s chorobami, jako jsou diabetes mellitus 2. typu, kardiovaskulární choroby, nádory a také osteoporóza a osteoartróza [8,11,21,22,23].

Skeletální senescence

Současné poznatky ukazují, že estrogen hraje důležitou roli v regulaci kostní homeostázy jak u žen po menopauze, tak u stárnoucích mužů, zatímco vliv testosteronu je napříč studiemi nekonzistentní.

Dosud uskutečněné studie ukazují, že existuje úbytek kostní hmoty spojený se stárnutím, jehož důvodem není úbytek gonadálních hormonů, nýbrž proces senescence, a proto je na hladině gonadálních hormonů nezávislý.

Biomarkery senescence byly prokázány u osteocytů i osteoblastů řadou in vitro i in vivo studií [8]. Senescentní buňky se hromadí v kostním mikroprostředí v průběhu stárnutí a vylučují SASP (Senescence Associated Secretory Phenotype), jehož důsledkem je jednak akumulace dalších senescentních buněk a také dysfunkce okolní tkáně. To, jak senescentní buňky a SASP mění kostní buňky, není přesně objasněno [13,14]. SASP se pravděpodobně do kosti dostává i z neskeletálních lokalit. Naopak nevíme, zdali SASP z kosti může mít i systémové účinky [14,15,16].

Biomarkery senescence byly nalezeny rovněž v artritických kloubech, včetně chrupavky, subchondrální kosti, synovie a infrapatelárního tukového polštáře [20,23]. Zvýšením počtu senescentních buněk a SASP v kloubních tkáních dochází k degradaci chrupavky a rozvoji osteoartrózy. Přesný mechanizmus rovněž není znám [23].

Senescentní buňky jako cíl léčby osteoporózy a osteoartrózy

Senescentní buňky a jejich SASP jsou stále více považovány za slibné terapeutické cíle k prevenci nemocí souvisejících s věkem [7,12]. Přes mnohé nejasnosti v patofyziologii senescentního procesu jednotlivých tkání je několik senolytik a senomodulátorů zkoušeno v preklinických a časných fázích klinických studií. Bohužel nedávno ukončená randomizovaná dvojitě zaslepená placebem kontrolovaná studie fáze 2 hodnotící účinnost, bezpečnost a farmakodynamiku senolytika UBX0101 u pacientů s osteoartrózou kolene (ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03513016) však skončila neúspěšně [24]. Další randomizovaná otevřená studie fáze 2 probíhající v jednom centru sleduje vliv (ClinicalTrials.gov Identifier: NCT04313634) senolytik (dasatinib a kvercetin/quercetin) na biomarkery kostní resorpce a formace u postmenopauzálních žen. Dokončena bude v průběhu roku 2023 [25]. Dasatinib a kvercetin prokázal i u pacientů s diabetickou nefropatií signifikantní snížení počtu senescentních biomarkerů [26]. Nicméně potenciální bezpečnostní obavy týkající se terapie senolytiky, včetně možných off-target účinků (včetně tumorigeneze), je třeba v probíhajících klinických studiích pečlivě vyhodnotit [14,16,19].

Závěr

Indukování senescence je výhodné u poškozených buněk, které se tak brání replikaci mutovaných genů. Pomocí SASP jsou rovněž aktivovány buňky imunitního systému, které mohou poškozené buňky odstranit. Senescence je studována jako jeden z patofyziologických mechanizmů vzniku osteoporózy a osteoartrózy. Vzhledem ke stárnutí populace a nárůstu počtu pacientů s chronickými onemocněními typickými pro stáří, jako jsou právě osteoporóza a osteoartróza, je opodstatněné zaměření výzkumníků na proces senescence a jeho ovlivnění.

Mgr. Květa Kroupová 

kroupovkv@lfhk.cuni.cz

www.ukbd.fnhk.eu

Received | Doručeno do redakce | Doručené do redakcie 10. 3. 2023

Accepted | Přijato po recenzi | Prijaté po recenzii 16. 3. 2023