Peran endapan kristal dalam patogenesis osteoartritis

Kristal kalsium fosfat dasar (BCP) ditemukan dalam cairan sinovial pada 30-60% pasien osteoartritis. Menurut A. Swan dkk. (1994), kristal yang mengandung kalsium ditemukan dalam cairan sinovial pada lebih banyak pasien osteoartritis; namun, karena ukuran kristal yang sangat kecil atau jumlahnya yang sedikit, kristal tersebut tidak dapat diidentifikasi menggunakan teknik konvensional. Keberadaan kristal BCP dalam cairan sinovial berkorelasi dengan tanda-tanda radiografi degenerasi kartilago artikular dan dikaitkan dengan volume efusi yang lebih besar dibandingkan dengan efusi pada sendi lutut tanpa kristal. Sebuah studi tentang faktor-faktor yang memengaruhi perkembangan radiografi gonarthrosis menunjukkan bahwa pengendapan kristal kalsium pirofosfat dihidrat (CPPD) merupakan prediktor hasil klinis dan radiografi yang tidak baik. Dalam sebuah studi terhadap pasien lanjut usia, osteoartritis ditemukan terkait dengan kondrokalsinosis, terutama pada kompartemen tibiofemoral lateral lutut dan tiga sendi metakarpofalangeal pertama. Tidak jarang kedua jenis kristal, OFC dan PFC, ditemukan pada pasien penderita osteoartritis.

Secara klinis, degenerasi tulang rawan artikular yang disebabkan oleh pengendapan kristal kalsium berbeda dengan yang terlihat pada osteoartrosis primer. Jika kristal merupakan epifenomena sederhana dari degenerasi tulang rawan, kristal akan ditemukan pada sendi yang paling sering terkena osteoartrosis primer, yaitu lutut, pinggul, dan sendi-sendi kecil tangan. Sebaliknya, penyakit pengendapan kristal paling sering menyerang sendi yang tidak khas untuk osteoartrosis primer, seperti bahu, pergelangan tangan, dan siku. Keberadaan kristal dalam cairan sendi (efusi) dikaitkan dengan degenerasi tulang rawan artikular yang lebih parah. Pertanyaan tentang mana yang menjadi penyebab dan mana yang menjadi akibat, pengendapan kristal atau degenerasi tulang rawan, masih diperdebatkan. Posisi perantara ditempati oleh asumsi berikut: anomali primer dalam metabolisme tulang rawan menyebabkan degenerasinya, dan pengendapan kristal sekunder mempercepat degradasinya (yang disebut teori loop amplifikasi).

Mekanisme pasti yang menyebabkan kristal kalsium merusak tulang rawan artikular tidak diketahui dan dirangkum di bawah ini. Secara teoritis, kristal kalsium dapat merusak kondrosit secara langsung. Akan tetapi, pemeriksaan histologis jarang menemukan kristal di dekat kondrosit, dan bahkan lebih jarang lagi kristal tersebut tertelan oleh kondrosit. Mekanisme yang paling mungkin adalah fagositosis kristal oleh sel-sel lapisan sinovial, diikuti oleh pelepasan enzim proteolitik atau sekresi sitokin yang merangsang pelepasan enzim oleh kondrosit. Konsep ini didukung oleh sebuah studi tentang peran sinovitis yang diinduksi PFKD dalam perkembangan osteoartritis progresif cepat pada artropati pirofosfat. Dalam studi ini, kristal kalsium pirofosfat dihidrat (1 atau 10 mg) disuntikkan setiap minggu ke lutut kanan kelinci dengan osteoartritis yang diinduksi oleh menisektomi lateral parsial. Ternyata setelah 8 suntikan, sendi lutut kanan menunjukkan perubahan yang jauh lebih serius dibandingkan dengan kiri. Intensitas peradangan sinovial berkorelasi dengan suntikan intra-artikular kristal kalsium pirofosfat dihidrat dan dosisnya. Walaupun dosis kristal CPPD yang digunakan dalam penelitian ini melebihi dosis in vivo, hasilnya menunjukkan peran peradangan yang diinduksi CPPD dalam perkembangan osteoartritis pada artropati pirofosfat.

Mekanisme potensial induksi kerusakan tulang rawan artikular oleh kristal yang mengandung kalsium dikaitkan dengan sifat mitogeniknya, kemampuan untuk menginduksi MMP dan merangsang sintesis prostaglandin.

Efek mitogenik kristal yang mengandung kalsium. Pada artropati yang berhubungan dengan kristal, proliferasi sel-sel lapisan sinovial sering diamati, dengan kristal itu sendiri hanya bertanggung jawab sebagian untuk proses ini. Peningkatan jumlah sel sinovial disertai dengan peningkatan sekresi sitokin, yang mendorong kondrolisis dan menginduksi sekresi enzim proteolitik. Kristal OFC pada konsentrasi yang ditemukan dalam patologi sendi manusia secara dosis-tergantung merangsang mitogenesis kultur fibroblas kulit yang beristirahat dan fibroblas sinovial anjing dan tikus. Kristal kalsium pirofosfat dihidrat, urat, sulfat, karbonat, dan kalsium fosfat merangsang pertumbuhan sel. Onset dan puncak penggabungan ( ^3H )-timidin yang diinduksi oleh kristal-kristal ini bergeser 3 jam dibandingkan dengan stimulasi sel dengan serum darah. Periode waktu ini mungkin diperlukan untuk fagositosis dan pembubaran kristal. Penambahan kristal kontrol dengan ukuran yang sama (misalnya, debu berlian atau partikel lateks) tidak merangsang mitogenesis. Kristal natrium urat monohidrat memiliki sifat mitogenik yang lemah dan secara signifikan lebih rendah daripada sifat mitogenik kalsium urat, yang menunjukkan pentingnya kandungan kalsium kristal dalam mitogenesis. Kristal OFC sintetis memiliki sifat mitogenik yang sama seperti kristal yang diperoleh dari pasien dengan kondrokalsinosis. Efek mitogenik kristal yang mengandung kalsium bukanlah hasil dari peningkatan kandungan kalsium dari media nutrisi di sekitarnya secara in vitro, karena pelarutan kristal kalsium fosfat basa dalam media nutrisi tidak merangsang penggabungan ( ^3H )-timidin oleh fibroblas.

Satu mekanisme yang diusulkan untuk mitogenesis yang diinduksi OFC adalah bahwa proliferasi sel sinovial yang abnormal mungkin disebabkan, setidaknya sebagian, oleh endositosis dan pelarutan kristal intraseluler, yang meningkatkan konsentrasi Ca ²⁺ sitoplasma dan mengaktifkan jalur yang bergantung pada kalsium yang mengarah pada mitogenesis. Konsep ini didukung oleh kebutuhan kontak langsung sel-kristal untuk merangsang mitogenesis, karena paparan kultur sel terhadap kristal menginduksi pertumbuhan sel, sedangkan paparan sel yang kehilangan kontak tersebut tidak. Untuk mempelajari kebutuhan fagositosis kristal setelah interaksi sel-kristal, sel dikultur dengan ⁴⁵ Ca-OPC dan ( ³ H)-timidin. Ditemukan bahwa sel yang mengandung ⁴⁵ Ca-OPC menggabungkan lebih banyak ( ³ H)-timidin secara signifikan daripada sel tanpa pelabelan kalsium fosfat dasar. Dalam kultur makrofag, penghambatan endositosis kristal oleh sitokalasin mengakibatkan penghambatan pelarutan kristal, yang selanjutnya menyoroti perlunya fagositosis.

Kristal yang mengandung kalsium larut dalam asam. Setelah fagositosis, kristal larut dalam lingkungan asam fagolisosom makrofag. Klorokuin, amonium klorida, bafilomisin A1, dan semua agen lisosomotropik yang meningkatkan pH lisosomal secara tergantung dosis menghambat pembubaran kristal intraseluler dan penyerapan (3H)-timidin ^dalam fibroblas yang dikultur dengan kristal kalsium fosfat basa.

Penambahan kristal OFC ke kultur fibroblas monolayer menyebabkan peningkatan kalsium intraseluler sepuluh kali lipat secara langsung, yang kembali ke nilai dasar setelah 8 menit. Sumber kalsium sebagian besar adalah ion ekstraseluler, karena kristal kalsium fosfat basa ditambahkan ke media kultur bebas kalsium. Peningkatan berikutnya dalam konsentrasi kalsium intraseluler diamati setelah 60 menit dan berlangsung setidaknya selama 3 jam. Di sini, sumber kalsium adalah kristal yang difagositosis yang dilarutkan dalam fagolisosom.

Ditemukan bahwa efek mitogenik kristal OFC mirip dengan PDGF sebagai faktor pertumbuhan; seperti yang terakhir, kristal OFC menunjukkan sinergisme dengan IGF-1 dan plasma darah. Blokade IGF-1 mengurangi mitogenesis sel sebagai respons terhadap OFC. PG Mitchell dkk. (1989) menunjukkan bahwa induksi mitogenesis pada fibroblas Balb/c- _{3 T3oleh} kristal OFC memerlukan keberadaan protein kinase C serin/treonin (PKC), salah satu mediator utama sinyal yang dihasilkan selama stimulasi eksternal sel dengan hormon, neurotransmiter, dan faktor pertumbuhan. Penurunan aktivitas PKC pada sel Balb/c-3 T3 _{menghambat induksi proto-onkogen c-fos dan c-myc yang dimediasiOFC}, tetapi tidak memengaruhi stimulasi onkogen ini yang dimediasi oleh PDGF.

Peningkatan kalsium intraseluler setelah pembubaran kristal yang difagositosis bukan satu-satunya jalur pensinyalan untuk mitogenesis. Ketika faktor pertumbuhan seperti PDGF mengikat reseptor membrannya, fosfolipase C (suatu fosfodiesterase) terstimulasi, yang menghidrolisis fosfatidilinositol 4,5-bisfosfat untuk membentuk pembawa pesan intraseluler inositol-3-fosfat dan diasilgliserol. Yang pertama melepaskan kalsium dari retikulum endoplasma dengan memodulasi aktivitas enzim yang bergantung kalsium dan bergantung kalsium/kalmodulin seperti protein kinase dan protease.

R. Rothenberg dan H. Cheung (1988) melaporkan peningkatan degradasi fosfatidilinositol 4,5-bisfosfat oleh fosfolipase C pada sel sinovial kelinci sebagai respons terhadap stimulasi dengan kristal OFC. Yang terakhir secara signifikan meningkatkan kandungan inositol-1-fosfat pada sel dengan ( ^3H )-inositol berlabel; puncaknya dicapai dalam waktu 1 menit dan bertahan selama sekitar 1 jam.

Diasilgliserol adalah aktivator potensial kalsium pirofosfat dihidrat. Karena kristal OFC meningkatkan aktivitas fosfolipase C, yang menyebabkan akumulasi diasilgliserol, akibatnya, seseorang dapat mengharapkan peningkatan aktivasi PKC. PG Mitchell dkk. (1989) membandingkan efek kristal OFC dan PDGF pada sintesis DNA oleh _{fibroblas Balb/c-3T3}. Dalam kultur sel, PKC dinonaktifkan dengan inkubasi sel dengan phorbol diester pendukung tumor (TPD), analog diasilgliserol. Stimulasi jangka panjang dengan dosis rendah TPD menurunkan aktivitas PKC, sedangkan stimulasi tunggal dengan dosis tinggi mengaktifkannya. Stimulasi sintesis DNA oleh kristal OFC ditekan setelah inaktivasi PKC, yang menunjukkan pentingnya enzim ini dalam mitogenesis yang diinduksi OFC. Sebelumnya, GM McCarthy dkk. (1987) menunjukkan hubungan antara respons mitogenik fibroblas manusia terhadap kristal OFC dan aktivasi PKC. Namun, kristal OFC tidak mengaktifkan fosfatidilinositol 3-kinase atau tirosin kinase, yang menegaskan bahwa mekanisme aktivasi sel oleh kristal OFC bersifat selektif.

Proliferasi sel dikendalikan oleh sekelompok gen yang disebut proto-onkogen. Protein foe dan mye, produk dari proto-onkogen c-fos dan c-myc, terlokalisasi dalam inti sel dan terikat pada urutan DNA tertentu. Stimulasi fibroblas 3T3 dengan kristal OFC menghasilkan ekspresi c-fos dalam beberapa menit, yang mencapai maksimum 30 menit setelah stimulasi. Induksi transkripsi c-myc oleh kristal OFC atau PDGF terjadi dalam 1 jam dan mencapai maksimum 3 jam setelah stimulasi. Sel mempertahankan tingkat transkripsi c-fos dan c-myc yang tinggi setidaknya selama 5 jam. Pada sel dengan PCD yang tidak aktif, stimulasi c-fos dan c-myc oleh kristal OFC atau TFD ditekan secara signifikan, sedangkan induksi gen-gen ini oleh PDGF tidak berubah.

Anggota famili mitogen-activated protein kinase (MAP K) merupakan regulator utama berbagai kaskade pensinyalan intraseluler. Salah satu subkelas famili ini, p42/p44, mengatur proliferasi sel melalui mekanisme yang melibatkan aktivasi proto-onkogen c-fos dan c-jun. Kristal OFC dan PFKD mengaktifkan jalur pensinyalan protein kinase yang melibatkan p42 dan p44, yang menunjukkan peran jalur ini dalam mitogenesis yang diinduksi kristal yang mengandung kalsium.

Terakhir, mitogenesis yang diinduksi OFC melibatkan faktor transkripsi faktor nuklir κB (NF-κB), yang pertama kali dideskripsikan sebagai gen rantai ringan imunoglobulin κ (IgK). Ini adalah faktor transkripsi yang dapat diinduksi yang penting dalam banyak jalur pensinyalan karena mengatur ekspresi berbagai gen. Induksi NF-κB biasanya digabungkan dengan pelepasan protein penghambat yang disebut IκB dari sitoplasma. Induksi NF-κB diikuti oleh translokasi faktor transkripsi aktif ke dalam nukleus. Kristal OFC menginduksi NF-κB pada fibroblas Balb/c- _3T3 dan fibroblas kulit manusia.

Beberapa jalur mungkin terlibat dalam transduksi sinyal setelah aktivasi NF-κB, tetapi semuanya melibatkan protein kinase yang memfosforilasi (dan dengan demikian mendegradasi) IκB. Berdasarkan penelitian in vitro, IκB sebelumnya dianggap berfungsi sebagai substrat untuk kinase (misalnya, PKC dan protein kinase A). Namun, kompleks kinase IκB dengan berat molekul besar baru-baru ini telah diidentifikasi. Kinase ini secara khusus memfosforilasi residu serin dari IκB. Aktivasi NF-κB oleh TNF-α dan IL-1 memerlukan tindakan efisien dari kinase penginduksi NF-κB (NIK) dan kinase IκB. Mekanisme molekuler aktivasi NIK saat ini tidak diketahui. Meskipun kristal OFC mengaktifkan PKC dan NF-κB, sejauh mana kedua proses ini dapat dihubungkan tidak diketahui. Karena modifikasi kinase GκB terjadi melalui fosforilasi, peran PKC dalam induksi NF-κB oleh kristal OFC melalui fosforilasi dan aktivasi kinase GκB tidak dapat dikesampingkan. Konsep ini didukung oleh penghambatan mitogenesis yang diinduksi kristal OFC dan ekspresi NF-κB oleh penghambat PKC staurosporin. Demikian pula, staurosporin dapat menghambat kinase GκB, dan dengan demikian menghambat protein kinase A dan protein kinase lainnya.

Dengan demikian, mekanisme mitogenesis yang diinduksi kristal OFC pada fibroblas mencakup setidaknya dua proses berbeda:

• peristiwa terikat membran cepat yang menghasilkan aktivasi PKC dan MAP K, induksi NF-κB dan proto-onkogen,
• pelarutan kristal intraseluler yang lebih lambat, yang menyebabkan peningkatan kandungan Ca ²⁺ intraseluler, dan kemudian mengaktifkan sejumlah proses yang bergantung pada kalsium yang merangsang mitogenesis.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Induksi oleh kristal yang mengandung kalsium MMP

Mediator kerusakan jaringan oleh kristal yang mengandung kalsium adalah MMP - kolagenase-1, stromelysin, gelatinase 92 kD dan kolagenase-3.

Mengingat hubungan antara kandungan kristal OFC dan kerusakan jaringan sendi, hipotesis diajukan bahwa kristal OFC dan mungkin beberapa kolagen difagositosis oleh sel sinovial. Sinovosit yang terstimulasi berkembang biak dan mengeluarkan protease. Hipotesis ini diuji secara in vitro dengan menambahkan OFC alami atau sintetis, PFCD, dan kristal lainnya ke dalam sinovosit manusia atau anjing yang dikultur. Aktivitas protease netral dan kolagenase meningkat tergantung dosis dan kira-kira 5-8 kali lebih tinggi daripada kultur sel kontrol yang tumbuh tanpa kristal.

Pada sel yang dikultur dalam media yang mengandung kristal, ko-induksi mRNA kolagenase-1, stromelysin, dan gelatinase-92 kDa terdeteksi, diikuti oleh sekresi enzim ke dalam media.

Kristal OFC juga menginduksi akumulasi mRNA kolagenase-1 dan kolagenase-2 pada kondrosit babi dewasa, diikuti oleh sekresi enzim ke dalam medium.

GM McCarty dkk. (1998) mempelajari peran pelarutan kristal intraseluler dalam produksi MMP yang diinduksi kristal. Peningkatan pH lisosomal dengan bafilomisin A menghambat pelarutan kristal intraseluler dan juga melemahkan respons proliferatif fibroblas manusia terhadap kristal OFC, tetapi tidak menghambat sintesis dan sekresi MMP.

Baik kalsium fosfat dasar maupun kristal PFCD tidak menginduksi produksi IL-1 secara in vitro, tetapi kristal natrium urat melakukannya.

Data saat ini dengan jelas menunjukkan stimulasi langsung produksi MMP oleh fibroblas dan kondrosit setelah kontak dengan kristal yang mengandung kalsium.

Gejala osteoartritis menunjukkan peran penting MMP dalam perkembangan penyakit. Keberadaan kristal yang mengandung kalsium meningkatkan degenerasi jaringan sendi yang terkena.

Stimulasi sintesis prostaglandin

Bersamaan dengan stimulasi pertumbuhan sel dan sekresi enzim, kristal yang mengandung kalsium menyebabkan pelepasan prostaglandin dari kultur sel mamalia, khususnya PGE2 _. Pelepasan PGE2 _dalam semua kasus terjadi dalam jam pertama setelah sel terpapar kristal. R. Rothenberg (1987) menetapkan bahwa sumber utama asam arakidonat untuk sintesis PGE2 _adalah fosfatidilkolin dan fosfatidiletanolamin, dan juga menegaskan bahwa fosfolipase A2 _dan NOX merupakan jalur dominan untuk _produksi PGE2.

PGE1 juga dapat dilepaskan sebagai respons terhadap kristal OFA. GM McCarty dkk. (1993, 1994) mempelajari efek PGE2 _, PGE, dan analognya misoprostol pada respons mitogenik fibroblas manusia terhadap kristal OFA. Ketiga agen tersebut menghambat respons mitogenik dalam cara yang bergantung pada dosis, dengan PGE dan misoprostol menunjukkan aktivitas penghambatan yang lebih nyata. PGE2 dan misoprostol, tetapi bukan PGE2 _, menghambat akumulasi mRNA kolagenase sebagai respons terhadap kristal OFA.

MG McCarty dan H. Cheung (1994) menyelidiki mekanisme aktivasi sel yang dimediasi OFC oleh PGE. Para penulis menunjukkan bahwa PGE, penginduksi cAMP intraseluler yang lebih kuat daripada PGE2 _, dan PGE, menghambat mitogenesis yang diinduksi OFC dan produksi MMP melalui jalur transduksi sinyal yang bergantung pada cAMP. Ada kemungkinan bahwa peningkatan produksi PGE yang diinduksi oleh kristal OFC melemahkan efek biologis lainnya (mitogenesis dan produksi MMP) melalui mekanisme umpan balik.

Peradangan yang disebabkan oleh kristal

Kristal yang mengandung kalsium sering ditemukan dalam cairan sinovial pasien dengan osteoartrosis, namun, episode peradangan akut dengan leukositosis jarang terjadi baik pada osteoartrosis maupun pada artropati terkait kristal (misalnya, sindrom bahu Milwaukee). Potensi flogistik kristal dapat dimodifikasi oleh sejumlah faktor penghambat. R. Terkeltaub dkk. (1988) menunjukkan kemampuan serum darah dan plasma untuk secara signifikan menghambat respons granulosit neutrofilik terhadap kristal kalsium fosfat basa. Faktor-faktor yang menyebabkan penghambatan tersebut adalah protein pengikat kristal. Sebuah studi tentang salah satu protein ini, glikoprotein ₂ -HS (AHSr), menunjukkan bahwa AHSP adalah penghambat paling kuat dan spesifik dari respons granulosit neutrofilik terhadap kristal OFC. AHSr adalah protein serum yang berasal dari hati; Diketahui bahwa, dibandingkan dengan protein serum lainnya, ia ditemukan dalam konsentrasi yang relatif tinggi dalam tulang dan jaringan mineralisasi. Selain itu, AHSr hadir dalam cairan sinovial yang "tidak mengalami peradangan" dan juga telah terdeteksi pada kristal kalsium fosfat basa dalam cairan sinovial asli. Dengan demikian, kemungkinan AHSr memodulasi potensi phlogogenik kristal kalsium fosfat basa secara in vivo tidak dapat dikesampingkan.

Untuk meringkas semua hal di atas, kami menyajikan dua skema patogenesis osteoartritis yang diusulkan oleh WB van den Berg dkk. (1999) dan M. Carrabba dkk. (1996), yang menggabungkan faktor mekanik, genetik dan biokimia.