Введение

Боль в спине является одним из наиболее важных вопросов медицины, так как относится к одной из лидирующих причин инвалидизации пациентов трудоспособного возраста [1, 2]. Одна из частных причин — дегенеративно-дистрофическое поражение межпозвонковых дисков (МПД), преимущественно поясничного отдела позвоночника, наиболее существенным проявлением которого является выпадение МПД в просвет позвоночного канала с образованием грыжи межпозвонкового диска (ГМД), компрессией невральных структур, приводящей к развитию радикулопатического болевого синдрома. Его распространенность, по данным E. Casey и соавт., составляет 9,8 случаев на 1 тыс. человек, что, несомненно, доказывает актуальность углубленного исследования патогенеза данной патологии [2, 3]. В современных исследованиях выделяется значимая роль различных биохимических и иммунологических изменений в патогенезе данной патологии, таких как активность провоспалительных цитокинов, факторов роста, остеодеструктивных процессов, однако о роли генетической регуляции данных процессов в литературе имеются только единичные сообщения [4].

Современное представление о патогенезе дегенеративно-дистрофического поражения межпозвонкового диска

МПД является крупнейшим бессосудистым органом в устройстве человека и может быть макроскопически разделен на три части: пульпозное ядро (ПЯ), фиброзное кольцо (ФК) и хрящевую замыкательную пластинку (ХЗП). ПЯ состоит из коллагена II типа (Col2), гликозаминогликанов (ГАГ) и клеток пульпозного ядра, а наружное волокнисто-хрящевое ФК — в основном из коллагеновых волокон I типа и клеток ФК. Верхняя и нижняя ХЗП похожи на гиалиновый хрящ и располагаются выше и ниже межпозвонкового диска, соединяя фиброзное кольцо с прилегающими к нему поверхностями смежных позвонков [5].

Патологические изменения в МПД, происходящие на тканевом, клеточном и молекулярном уровнях, приводят к серьезным изменениям в морфологии и физиологии МПД, снижая способность диска выдерживать нагрузки. Наибольшая роль в этом процессе отводится деградации внеклеточного матрикса (ВМ), процессу воспаления и клеточной гибели [6]. Ключевую роль в поддержании целостности ВМ играют коллагеновая сеть типов I и II, обеспечивая прочность при физиологическом растяжении матрикса [7], и связывающие воду протеогликаны — аггреканы [8]. Метаболическое разрушение клеток пульпозного ядра приводит к снижению их способности синтезировать компоненты ВМ, в то время как они все больше секретируют молекулы, разрушающие ВМ, — матриксные металлопротеиназы (MMP), дезинтеграрин и металлопротеиназы с тромбоспондином (ADAMTS) [9]. Разрушение клеток ПЯ в сочетании с распадом протеогликанов приводит к снижению способности ткани ФК и ПЯ связывать воду, что ускоряет разрушение их структуры [10].

Деградация ВМ дополнительно усиливается потерей клеток, которая может быть вызвана запрограммированной гибелью клеток и сопровождается «старением» клеток, причем лежащие в основе данных процессов факторы, такие как механическое перенапряжение, индуцируют оба механизма, приводя в конечном итоге к тотальной деструкции МП и выпадению его в просвет позвоночного канала с формированием грыжи МПД [11]. Помимо деградации ВМ и феномена клеточной гибели, важную роль играет и процесс воспаления, который является отличительным фактором между бессимптомной дегенерацией диска и дегенерацией диска, сопровождающейся клинической симптоматикой [12]. Хорошо известно, что клетки ФК выделяют ряд провоспалительных цитокинов, при этом при сравнении здоровой ткани с тканью, пораженной дегенеративным процессом, in vivo и in vitro наиболее значимы изменения уровня показателей интерлейкинов (IL)-1β, -6 и -17, TNF-α [11, 12]. Кроме того, отмечается значительное влияние факторов роста на скорость дегенеративно-дистрофического процесса МПД. В норме семейство трансформирующего фактора роста-бета (TGF-β) модулирует анаболическую активность хондроцитов в суставном хряще, поддерживает костный гомеостаз во время ремоделирования кости и стимулирует восстановление тканей [6, 13]. Однако в случае чрезмерного механического воздействия на МПД данные процессы искажаются. В эксперименте на мышах отмечается, что механический стресс приводит к чрезмерной активации семейства TGF-β, ускоряя дегенерацию клеток ПЯ. Авторы также отмечают, что введение нейтрализующих TGF-β антител вызывает замедление данных процессов [13].

Известно, что многие клеточные процессы, включая пролиферацию, дифференцировку, апоптоз, высвобождение цитокинов, регулируются микроРНК, длина которых составляет 21—23 нуклеотида [14]. Они вовлечены в различные патологические состояния, осуществляя свои биологические функции путем связывания с цис-регуляторными элементами, присутствующими в 30 нетранслируемых областях их мРНК-мишеней, что приводит к ингибированию трансляции или деградации [15, 16]. Таким образом, микроРНК (miRNA) представляют собой небольшие некодирующие РНК, которые модулируют свои гены-мишени, регулируя стабильность и трансляцию мРНК, а также контролируя экспрессию генов на посттранскрипционном уровне путем сопряжения с мРНК-мишенями в 3’-нетранслируемой области [16]. МикроРНК, которые составляют всего 1—3% генома человека, могут регулировать до 30% генов, кодирующих белок у человека, что, безусловно, заслуживает внимания в исследовании патогенеза развития дегенеративно-дистрофического поражения позвоночника [16, 17].

Генетическая регуляция активности матриксных металлопротеиназ при дегенеративно-дистрофическом поражении межпозвонковых дисков

Матриксные металлопротеиназы (MMP) являются основными медиаторами деградации внеклеточного матрикса, обеспечивая нормальное восстановление тканей, а также способствуя их патологическому разрушению [18].

В настоящее время у человека идентифицировано 24 MMP, которые делятся на шесть групп:

1. Коллагеназы (MMP-1, -8, -13 и -18), воздействующие на фибриллярную оболочку.

2. Желатиназы (MMP-2 и -9), денатурирующие коллагены, желатины и ламинин.

3. Стромелизины (MMP-3, -10 и -11), протеолизирующие различные субстраты, включая протеогликаны, желатины, коллагены.

4. Матрилизины (MMP-7 и -26), расщепляющие различные компоненты ВМ, включая аггрекан.

5. Мембранные MMP (MMP-14—17, -24), локализующиеся на плазматических мембранах и обладающие цитоплазматическими доменами, влияющие на внутриклеточные сигнальные пути и активирующие другие MMP.

6. Остальные MMP. Они вовлечены в регуляцию деградации тканевого матрикса, но специфика их субстрата четко не определена [18].

Считается, что нарушение регуляции активности MMP ответственно за патологический катаболизм матрикса при дегенеративно-дистрофических поражениях МПД. Изменения в экспрессии коллагена II типа и аггрекана под воздействием различных микроРНК происходят двумя основными путями: воздействием на разные MMP либо влиянием на фосфатазу и гомологичный белок тензина (PTEN), IL-6, активатора сигнального пути транскрипции 3 (IL-6/STAT3) и фактора дифференцировки роста 5 (GDF5) [19, 20]. Исследование микроРНК, регулирующих синтез MMP, показало, что ген miRNA-93 ответствен за регуляцию MMP-3. Подавление экспрессии miRNA-93, наблюдаемое при дегенерации ПЯ, повышает уровень MMP-3, что приводит к деградации коллагена II типа. Исследование 628 различных микроРНК у 128 пациентов, оперированных по поводу ГМД, в сравнении с людьми без признаков дегенеративного процесса, выявило 28 дифференциально экспрессируемых микроРНК в ткани ПЯ, среди которых особенному подавлению в тканях МПД подвергся ген miRNA-193-3p. Отмечено, что miRNA-193-3p ответствен за регуляцию MMP-14. Эксперименты in vivo, в которых снижению экспрессии miRNA-193-3p противодействовали инъекцией конструкции лентивируса, экспрессирующей miRNA-193-3p, показали повышение уровня экспрессии коллагена II типа и аггрекана по сравнению с контрольной группой без инъекции этой конструкции [19]. Выявлена роль сверхэкспрессии MMP-13 в развитии дегенеративного поражения МПД, что связано с опосредованным подавлением экспрессии miRNA-27b [20].

Известно, что снижение экспрессии miRNA-133a при дегенеративном поражении приводит к потере коллагена II типа, увеличивая активность MMP-9. Авторами отмечается, что miRNA-133a меньше экспрессируется в дегенерированной ткани МПД, приводя к усиленной деградации коллагена II типа, ассоциированного с MMP-9, с последующей дегенерацией МПД. Известны связи miRNA-98 с сигнальным путем IL-6/STAT3. Снижение экспрессии miRNA-98 при дегенеративном процессе приводит к повышению уровня IL-6 в тканях ПЯ. Сниженные уровни miRNA-98 активируют сигнальный путь STAT3, повышая уровни STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3), pSTAT3 (транскрипционный фактор) и MMP-2, способствуя дегенерации МПД [19, 20].

В анаболизме ВМ участвует также GDF5 [28]. Экспрессия GDF5 в дегенерировавшем МПД снижается двумя микроРНК: miRNA-132 и miRNA-7 [21]. Снижение экспрессии miRNA-132 способствует деградации ВМ, нацеливаясь на GDF5 и приводя к увеличению экспрессии MMP-13 через активируемую митогеном протеинкиназу/внеклеточный сигнально-регулируемый киназный путь (MAPK/ERK). Эксперименты in vivo подтвердили, что снижение экспрессии miRNA-132 увеличивает деградацию ВМ. Отмечаются понижение экспрессии miRNA-494 и повышение уровня MMP-3, MMP-13, разлагающих ВМ в МПД [22].

Генетическая регуляция семейства трансформирующего фактора роста β (TGF-β) при дегенеративно-дистрофическом поражении межпозвонковых дисков

Трансформирующий фактор роста (TGF-β) и родственные ему факторы роста являются секретируемыми плейотропными факторами, играющими значимую роль в гомеостазе тканей человека, регулируя пролиферацию, дифференцировку, гибель и миграцию клеток [23, 24].

Семейство TGF-β включает более 30 структурно связанных белков, регулируемых членами семейства белков сигнальных преобразователей (SMAD).

При активации рецепторов семейства TGF-β белки SMAD фосфорилируются рецептором I типа киназы на двух карбокси-концевых участках серина и транслоцируются в ядро для регуляции экспрессии генов [23, 24]. M. Shroeder и соавт. [25] обнаружили значительное увеличение активности белков семейства TGF-β в дегенерированных тканях ФК. R. Abbot и соавт. [26] также отмечают, что один из рецепторов семейства TGF-β — TβRI — подавляется в пульпозном ядре у пациентов, оперированных по поводу ГМД, по сравнению с контрольной группой пациентов без дегенеративной патологии позвоночника.

A. Hata и соавт. [27] отмечают значительную роль увеличения экспрессии микроРНК в регуляции активности семейства TGF-β посредством опосредованного воздействия на весь механизм регуляции синтеза семейства TGF-β через воздействие на различные сигнальные пути SMAD. Имеются сообщения, что семейство TGF-β способствует снижению синтеза ВМ посредством повышения активации сигнальных путей SMAD 2/3. Показано, что повышение экспрессии miRNA-17-92 снижает индуцированное TGF-β ингибирование пролиферации и синтеза коллагена в МПД, непосредственно воздействуя на SMAD2 и SMAD4.

Ряд авторов отмечают прямую зависимость между повышением экспрессии гена miRNA-26a и сигнальным путем SMAD4, что говорит о патологическом влиянии на ткань межпозвонкового диска [28], а G. Yao и соавт. подчеркивают влияние на данный сигнальный путь miRNA-224 [29]. Описана зависимость между повышением экспрессии miRNA-27a и активацией сигнального пути SMAD2, а также влияние на этот сигнальный путь miRNA-155b и miRNA-146a [30]. G. Fu и соавт. отмечают, что повышение экспрессии miRNA-376c регулирует активность рецептора ТβRI, что косвенно влияет на повышение активности белков семейства TGF-β [31].

Повышение активности семейства TGF-β связано с процессом дегенерации МПД и модулируется повышением экспрессии miRNA-199a и MiRNA-483, что приводит к усиленному отложению фибронектина в клетках ПЯ и индуцированию изменений ВМ путем ауто- и паракринной стимуляции синтеза ВМ, однако механизм регуляции не указывается [32].

Генетическая регуляция выброса провоспалительных цитокинов при дегенеративно-дистрофическом поражении межпозвонковых дисков

Секреция цитокинов, наиболее значимыми из которых являются TNF-α, IL-1β и IL-6, приводит к проникновению иммунных клеток (макрофагов, нейтрофилов и T-клеток) в поврежденную ткань МПД, усиливая дегенеративный процесс, активируя экспрессию белков, разрушающих ВМ. Известно, что цитокины способствуют ускорению процесса апоптоза [33]. Имеется прямая связь между повышением экспрессии микроРНК и воспалительным процессом, в основе которой лежит влияние на активность провоспалительных цитокинов [33, 34].

W. Dong и соавт. отметили повышение экспрессии miRNA-640 при инициации процессов воспаления в МПД. Повышение экспрессии miRNA-640 приводило к стимуляции выработки провоспалительных цитокинов TNF-α и IL-1β через активацию сигнального пути ядерного фактора-κB (NF-κB). Мишенью miRNA-640 является белок-рецептор липопротеинов низкой плотности (LRP1), который при увеличении экспрессии miRNA-640 стимулирует процесс апоптоза в клетках ПЯ, способствуя синтезу MMP-3 и MMP-9 и уменьшая количество аггрекана и коллагена II типа. Обнаружено, что сверхэкспрессия miRNA-625-5p, также индуцирующаяся NF-kB сигнальным путем, уменьшает количество коллагена I типа [35].

Генетическая регуляция факторов, стимулирующих апоптоз при дегенеративно-дистрофическом поражении межпозвонковых дисков

Механизмы, лежащие в основе ускорения процесса апоптоза в дегенерированных МПД, на данный момент до конца неясны. Известно, что изменения в профиле экспрессии ряда микроРНК играют роль во внутриклеточном регуляторном каскаде реакций, приводящем к апоптозу при дегенеративном процессе в МПД [36, 37]. Выявлено, что повышение экспрессии miRNA-185 и miRNA-143-5p связано с активацией процесса апоптоза посредством активации сигнального пути Wnt/β-катенина. В экспериментах in vivo с использованием моделей крыс с дегенеративным поражением МПД, созданных путем пункции иглой ткани ПЯ, обнаружено, что miRNA-185 нацелен на ген белка галектина 3, β-галактозидазосвязывающего белка, кодируюшегося геном LGALS3, участвующего в процессе апоптоза [38]. Выявлено, что уровень экспрессии галектина 3 значительно повышен у крыс с повреждением ПЯ, что связано с ингибированием miRNA-185, и доказывается снижением процессов апоптоза при инъекции miRNA-185 in vivo [39, 40]. Отмечено, что экспрессия гена miRNA-143-5p повышается в дегенерированной ткани ПЯ крыс. Ген белка эукариотического фактора удлинения 2 (eEF2), являющийся одной из мишеней miRNA-143-5p, участвует в апоптозе и клеточной пролиферации, и его активация связана с сигнальным путем 5’-аденозинмонофосфат-активируемой протеинкиназы (AMPK) [40]. Повышение регуляции miRNA-143-5p при дегенерации МПД приводит к снижению количества белка eEF2, что уменьшает выработку коллагена II типа и аггрекана. В исследовании in vitro снижение экспрессии miRNA-143-5p привело к снижению уровня апоптоза за счет инактивации AMPK.

Некоторые ученые отмечают, что сверхэкспрессия miRNA-143 приводила к снижению активности внутриклеточной B-клеточной лимфомы а — 2 (BCL2) — фактора, блокирующего апоптоз, стимулируя гибель клеток МПД [41]. Ряд авторов утверждают, что повышение экспрессии miRNA-494 при дегенеративном поражении МПД участвует не только в деградации ВМ, но и в активации процесса апоптоза. Ими изучено два пути посттранскрипционной регуляции miRNA-494 и отмечено, что сверхэкспрессия miRNA-494 приводит к активации процесса апоптоза, индуцированного белком TNF-α, в то время как снижение экспрессии miRNA-494 приводит к понижению скорости апоптоза [42].

Заключение

Патогенез болевого радикулопатического синдрома, связанного с дегенеративно-дистрофическим поражением тканей МПД, остается одним из наиболее актуальных и нерешенных вопросов современной медицины.

Исходя из данных литературы, наблюдается значимая роль факторов роста, провоспалительных цитокинов и остеодеструктивных процессов в развитии дегенеративной патологии позвоночника. Показана прямая связь повышения TGF-β, VEGF (фактора роста эндотелия сосудов), MMP (матриксных металлопротеиназ) и развития грыж и рецидивов грыж МПД; отмечается прямая корреляция между данными субстратами в сыворотке крови и биоптате ткани МПД, полученного в ходе хирургического лечения [42, 43], что может быть использовано для прогнозирования вероятности развития рецидива грыжи диска. Учитывая значимую роль различных генетических и молекулярных факторов в регуляции активности дегенеративно-дистрофических процессов в позвоночнике человека, представляется перспективным дальнейшее детальное исследование этих факторов и механизмов их действия с целью более точного понимания дегенеративно-дистрофических процессов в МПД и обоснования выбора наиболее актуальной тактики лечения.

Участие авторов:

Сбор и обработка материала — Чехонацкий А.А.

Статистический анализ данных — Чехонацкий В.А.

Написание текста — Чехонацкий В.А., Горожанин А.В., Захарова Н.Б.

Редактирование — Усачев Д.Ю., Павлова Г.В., Мирзаев К.Б.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Комментарий

Более 35 лет назад канадский ученый W. Kirkaldy-Willis описал стадии развития дегенеративного каскада в позвоночнике. Согласно данной теории, I стадией является дисфункциональная стадия, затрагивающая преимущественно биохимические процессы в ткани межпозвонкового диска у лиц 2—3-й декады жизни и проявляющаяся умеренными морфологическими изменениями преимущественно в структурах фиброзного кольца. Наличие знаний о коллагенах I—II типа, возможно, позволило более детально описать процессы изменения структуры данного низкомолекулярного белка так же, как и компонентов углеводных цепочек гликозаминогликанов.

В представленном обзоре литературы суммированы данные о генетических и молекулярных факторах, определяющих именно инициацию дегенеративного процесса в межпозвонковых дисках. В последние годы исследования наследуемых факторов дегенерации стремительно занимают все большее количество передовых научных институтов во всем мире. По-видимому, это связано с отсутствием некой выдерживающей критику общей концепции дегенерации межпозвонковых дисков, а главное, с отсутствием сколько-нибудь значимой практики патоморфологически обоснованных методов лечения дисковой дегенерации. При этом, по данным фундаментальных исследований P. Eskola и соавт., опубликованных в наиболее представительном с точки зрения морфологических исследований журнале «PLOS ONE», у 65—80% пациентов дегенеративное заболевание является генетически обусловленным. Авторы считают, что высокая степень ассоциации генома, т.е. комбинация генетических изменений, ассоциированых с PARC 2 геномом, является уникальным предиктором, определяющим развитие дегенеративного процесса. В обзоре представлены современная концепция апоптоза делящихся клеток хряща межпозвонкового диска, а также влияние микроРНК на развитие дегенеративного процесса в межпозвонковом диске. Ключевая роль синтеза коллагена II типа, по мнению большинства исследователей, может служить предиктором в дегенерации системного процесса, ранее называемого остеохондрозом позвоночника, и, несмотря на значительные изменения в подходах к исследованию, не нашедшего внятного объяснения за прошедшие десятилетия. Авторами обзора предлагается некая собственная концепция прогнозирования вероятности развития дегенерации грыжи диска в зависимости от количественной величины показателей провоспалительных цитокинов в сыворотке крови пациентов. Учитывая значимую роль различных генетических факторов в регуляции активности дегенеративно-дистрофических процессов в позвоночнике человека, представляется перспективным дальнейшее детальное исследование механизмов действия этих факторов с целью более точного понимания данных процессов и разработки патогенетической терапии.

А.О. Гуща (Москва)