Липидный метаболизм в клетках хрящевой ткани

DOI:

Метаболизм липидов представляет собой сложную систему биохимических процессов, протекающих в клетках, межклеточном веществе и биологических жидкостях организма. Наиболее хорошо особенности липидного обмена изучены в паренхиматозных клетках внутренних органов (печень, сердце, почки, головной мозг и др.), а также в собственно жировой ткани [1, 2, 10, 14, 18, 20].

В отношении хряща таких работ немного. На сегодняшний момент существует ряд гипотез и небольшое количество экспериментальных работ, действительно направленных на раскрытие механизмов регуляции липидного обмена в хондроцитах. В то же время, нарушение этой регуляции нередко приводит к различным патологическим состояниям, таким как метаболический синдром, остеоартроз (ОА) и др. [3, 5, 21, 33]. Кроме того, современные технологии лечения многих болезней суставов основаны на клеточных технологиях, предусматривающих культивирование аутологичных хондроцитов in vitro [9, 28]. Экспериментальная патология и фармакология в настоящее время находится на стадии перехода с преимущественно анимальных моделей на модельные клеточные культуры. Это требует разработки принципов управления метаболизмом, в том числе – липидным, в изолированных культурах хондроцитов человека и животных.

Таким образом, существует объективная необходимость в систематизации данных о механизмах регуляции метаболизма липидов в хондроцитах.

Структура хряща как фактор, влияющий на метаболизм

Одной из объективных причин, определяющих особенности обмена веществ, в том числе и липидов, в хряще in vivo, являются особенности его структурной организации. Отсутствие кровеносных сосудов в хрящевой ткани объясняется ее особым предназначением: значительные циклические нагрузки несовместимы с обеспечением метаболизма током крови по сосудистой сети внутри ткани. Поэтому суставной хрящ сам активно сопротивляется прорастанию сосудов с помощью специфического белка AIF. Хрящевой матрикс состоит из структурных макромолекул и тканевой жидкости, взаимодействие между которыми обеспечивает характерные механические качества хряща – прочность и эластичность [4, 19].

Тканевая жидкость составляет от 60 % до 80 % массы хряща, ее объем и перемещение в хрящевой ткани определяются взаимодействием со структурными макромолекулами – протеогликанами. Это, в итоге, и определяет скорость и направление потоков вещества в ткани. Поэтому питательные вещества и сигнальные молекулы поступают к хондроцитам из синовиальной жидкости, минуя двойной диффузный барьер: сначала из капилляров в синовиальную жидкость, затем – через плотный хрящевой матрикс непосредственно к клеткам [11, 17].

При использовании метода рамановской спектроскопической визуализации были расширены представления о трехмерной организации матрикса суставного хряща. Данные исследования показали, что биомеханика и внутритканевые взаимоотношения в хряще зависят в большей степени не от химического состава матрикса, а от его микро- и наноструктуры. Взаимоотношения воды и полимеров матрикса между собой динамичны во времени и значительно различаются по зонам суставного хряща [31].

Обеспечение метаболизма хондроцитов субстратами зависит от способности этих молекул к диффузии из синовиальной жидкости в направлении остеохондральной линии.

Таким образом, доступность питательных веществ ограничена проницаемостью матрикса в зависимости от размера и заряда диффундирующих молекул. Состав и трехмерная организация матрикса определяет доступность необходимых молекул к хондроцитам, тем самым регулируя обмен веществ на субстратном уровне. Поскольку доступ к клеткам внешних гуморальных факторов весьма ограничен, считается, что регуляция метаболизма в хондроцитах в большей степени имеет ауторегуляторный механизм [19].

Липиды (преимущественно фосфолипиды) входят в состав синовиальной жидкости, где они обеспечивают часть смазочной функции, но также могут проникать в ткань хряща и вовлекаться в метаболизм хондроцитов поверхностной зоны [8].

В работе [15] показано, что ремоделирование суставного хряща вследствие повреждения или патологического состояния характеризуется изменением гомеостаза хряща, включая пространственное распределение фенотипа хондроцитов. Получена база данных молекулярных процессов в хондроцитах, подходящая для дальнейшего исследования ремоделирования суставного хряща, в том числе при использовании временного матрикса (скаффолда) при его замещении.

Липиды являются важными питательными веществами в метаболизме хондроцитов и доступны для этих клеток посредством синтеза de novo (основной механизм), а также путем диффузии (актуален для поверхностной зоны и для молодого хряща). Состояние хряща и развитие ОА зависят от доступности липидов [23, 24].

Распределение и состав эндогенных липидов и транспорт экзогенных жирных кислот были исследованы в суставном хряще крупного рогатого скота [25]. Для исследования распределения и состава эндогенных липидов было проведено рамановское картирование хондроцитов и окружающего их матрикса в поверхностной и глубокой зонах суставного хряща. Были выявлены различия в распределении липидов между этими двумя зонами. В хондроцитах выявлялись капли липидов, которые были больше по размерам и многочисленнее в глубокой зоне. В поверхностной зоне преобладали свободные насыщенные жирные кислоты, тогда как липидные капли хондроцитов глубокой зоны содержали триглицериды с ненасыщенными жирнокислотными остатками. Пальмитат накапливался преимущественно в матриксе только в поверхностной зоне. Поглощение пальмитатов хондроцитами в обеих зонах показало дифференциальную температурную чувствительность, что подтвердило идею о том, что клетки захватывают пальмитат как активными, так и пассивными механизмами.

Особенности регуляции метаболизма липидов в хондроцитах

В последнее десятилетие значительно повысился интерес к исследованию липидного метаболизма в клетках хрящевой ткани, поскольку стало понятно, что этот обмен обладает спецификой и существенно отличается от хорошо изученного обмена в клетках кишечного эпителия, печени, жировой ткани; а, во-вторых, липидный обмен в хрящевой ткани имеет существенное значение для их функционирования [23, 26].

Важным аспектом этой проблемы является управление метаболизмом липидов, а именно управление через взаимодействие сигнальных молекул с их рецепторами. Возникает много вопросов, связанных с тем, какие пути доставки используются, каким сродством обладают данные молекулы с рецепторами, какая концентрация этих молекул становится «управляющим фактором» и можно им управлять извне [13, 16, 26].

Показано, что лептины, являющиеся классическими индукторами потребления липидов в организме, имеют специфические рецепторы (LRb) на мембране хондроцитов. Роль этих сигналов в хрящевой ткани до конца не изучена, но возможно, что такое взаимодействие может регулировать дифференцировку хондроцитов и синтез коллагена X. Неясно, является ли это прямым или косвенным эффектом лептина [30].

В работе [33] были предприняты попытки определить экспрессию в хондроцитах генов, отвечающих за синтез холестерола, которые могут регулироваться по Hedgehog сигнальному пути (HH). Результаты были проанализированы для дифференциально экспрес- сируемых генов, сгруппированы в функциональные сети и подтверждены в независимых образцах. Было обнаружено, что сигнализация HH-путь регулирует гены, которые определяют холестериновый гомеостаз, и это приводит к изменениям накопления холестерина в хондроцитах. Более высокий уровень Gli-подобных факторов транскрипции приводит к накоплению внутриклеточного холестерина.

Было установлено [29], что ядерные рецепторы PPARд регулируют метаболические гены в хондроцитах и влияют на синтез триглицеридов, а также повышают регуляцию маркеров окислительного стресса. В связи с этим, ядерные рецепторы являются перспективными терапевтическими мишенями для лечения ОА.

Участие обмена липидов в патологии хрящевой ткани

Метаболизм липидов с участием хондроцитов суставного хряща является сложным процессом и может быть вовлечен в развитие патологии.

Есть свидетельство того, что изменения в содержании липидов хряща связаны с ОА и метаболическим синдромом, приводящим к разрушению хрящевого матрикса. Исследования указывают на то, что ОА – это скорее болезнь обмена веществ, который также был связан с нарушениями экспрессии генов липидного метаболизма [17, 21]. Так, в исследованиях [12] было показано, что окисленные липопротеины низкой плотности присутствуют в синовиальной жидкости, а так же связываются с лектин-подобным рецептором окисленных фракций. Эта вызывает атерогенные проявления в клетках: повышает производство активных форм кислорода в культивируемых клетках. Экспериментальными данными так же было получено, что при ОА накопление в хондроцитах липидов приводит к снижению экспрессии генов.

В синовиальной жидкости человека при количественной идентификации методом тандемной масс-спектрометрии выделено 130 различных липидов, преимущественно относящихся к фосфолипидам. Их соотношение значительно различалось у здоровых лиц, при раннем ОА и ревматоидном артрите, что ука- зывает на их участие в развитии патологии суставного хряща. Проникая в поверхностную зону хряща, измененные (например, частично окисленные) фосфолипиды, способны менять метаболизм хондроцитов [6].

Эксперименты на животных моделях показали, что регуляция пищевых жирных кислот может замедлить прогрессирование ОА. Например, омега-3 жирные кислоты и другие классы жирных кислот влияют как на воспалительные процессы в суставном хряще. Результаты показывают, что добавка омега-3 жирных кислот вызывает снижение как деструкцию, так и воспалительные проявления ОА, не влияя на нормальный тканевой гомеостаз [21, 27, 31].

Из литературных данных известно, что развитие биологических наук в последнее десятилетие основано на выявлении генетического риска и имеет существенное значение для разработки дифференцированного подхода к профилактике и лечению нарушений липидного метаболизма, а также ассоциированных с ними заболеваний. Известны основные стратегии изучения генов, ассоциированных с нарушениями липидного обмена. Одна из них – это тестирование генов-кандидатов. В качестве основного недостатка этого подхода отмечена невозможность получения принципиально новой информации о механизмах нарушения липидного обмена, так как метод существенно ограничен уже имеющимися знаниями. Несовершенство указанного подхода устраняется применением полногеномного картирования [12, 25, 29].

В работе [22] исследована роль хондроцитов в развитии патологии хрящевой ткани. Хондроциты могут реагировать изменениями метаболизма на механические нагрузки через клеточные мембраны. Такие изменения являются значительными, так как они приводят к изменению синтеза предшественников молекул межклеточного матрикса, необходимого для нормального функционирования суставного хряща. Однако, полного понимания регуляции этих процессов до настоящего времени не достигнуто.

Фосфолипаза А2 катализирует высвобождение арахидоната для последующего синтеза простагландинов, являющихся медиаторами воспаления и разнообразных сосудистых и мышечных изменений не воспалительной природы. При определении секреторных фракций фосфолипазы А2 в синовиальной жидкости, на модели ревматоидного артрита у мышей было обнаружено, что эти изоформы фермента обладают противовоспалительным эффектом и способны уменьшать тяжесть воспалительного повреждения хрящевой ткани [7].

Заключение

Особенности липидного обмена в хондроцитах в значительной степени предопределены строением межклеточного матрикса хряща, которое детерминирует специфику поступления к клеткам самих липидоd, субстратов для синтеза их в клетки, а также сигнальных молекул для регуляции этих биохимических процессов. Значительную роль в регуляции липидного обмена в хондроцитах имеют аутокринные механизмы, местные и дистантные механические воздействия. Нарушения метаболизма липидов сопровождают наиболее распространенные патологические процессы в хряще и тесно взаимосвязаны с их тяжестью и динамикой. Ряд липидов и сигнальных молекул этого обмена могут использоваться как потенциальные терапевтические средства. В то же время, имеющихся в настоящее время данных явно недостаточно для систематизации тонких молекулярных механизмов регуляции липидного обмена и влияния его метаболитов на структурно-функциональные характеристики хрящевой ткани, как в физиологических условиях, так и при развитии патологии костной и хрящевой ткани.