Papel de las enzimas y las citoquinas en la patogénesis de la osteoartritis

En los últimos años, los investigadores se han centrado en identificar las proteasas responsables de la degradación de la matriz extracelular (ECM) del cartílago articular en la osteoartrosis. Según los conceptos modernos, las metaloproteasas de matriz (MMP) desempeñan un papel importante en la patogénesis de la osteoartrosis. En pacientes con osteoartrosis, se detecta un aumento en el nivel de tres MMP: colagenasas, estromelisinas y gelatinasas. La colagenasa es responsable de la degradación del colágeno nativo, la estromelisina, del colágeno tipo IV, proteoglicanos y laminina, y la gelatinasa, de la degradación de la gelatina, los colágenos IV, Vh XI y la elastina. Además, se asume la presencia de otra enzima, la agrecanasa, que tiene las propiedades de las MMP y es responsable de la proteólisis de los agregados de proteoglicanos cartilaginosos.

Se han identificado tres tipos de colagenasas en el cartílago articular humano, cuyos niveles están significativamente elevados en pacientes con osteoartritis: colagenasa-1 (MMP-1), colagenasa-2 (MMP-8) y colagenasa-3 (MMP-13). La coexistencia de tres tipos diferentes de colagenasas en el cartílago articular sugiere que cada una de ellas desempeña su propia función específica. De hecho, las colagenasas-1 y -2 se localizan principalmente en la zona superficial e intermedia superior del cartílago articular, mientras que la colagenasa-3 se encuentra en la zona intermedia inferior y en la zona profunda. Además, los resultados del estudio inmunohistoquímico demostraron que a medida que la osteoartritis progresa, el nivel de colagenasa-3 alcanza una meseta e incluso disminuye, mientras que el nivel de colagenasa-1 aumenta gradualmente. Existe evidencia de que en la osteoartritis, la colagenasa-1 está involucrada principalmente en el proceso inflamatorio en el cartílago articular, mientras que la colagenasa-3 está involucrada en la remodelación tisular. La colagenasa-3, expresada en el cartílago de pacientes con OA, degrada el colágeno tipo II más intensamente que la colagenasa-1.

De las representantes del segundo grupo de metaloproteasas, también se han identificado tres en la estromelisina humana: estromelisina-1 (MMP-3), estromelisina-2 (MMP-10) y estromelisina-3 (MMP-11). Actualmente, se sabe que solo la estromelisina-1 está implicada en el proceso patológico de la osteoartrosis. La estromelisina-2 no se detecta en la membrana sinovial de pacientes con osteoartrosis, pero se encuentra en cantidades muy pequeñas en los fibroblastos sinoviales de pacientes con artritis reumatoide. La estromelisina-3 también se encuentra en la membrana sinovial de pacientes con artritis reumatoide cerca de los fibroblastos, especialmente en las zonas de fibrosis.

En el grupo de las gelatinasas en el tejido cartilaginoso humano, sólo se han identificado dos: la gelatinasa de 92 kD (gelatinasa B o MMP-9) y la gelatinasa de 72 kD (gelatinasa A o MMP-2); en pacientes con osteoartritis, se determina un aumento en el nivel de gelatinasa de 92 kD.

Recientemente, se ha identificado otro grupo de MMP que se localizan en la superficie de las membranas celulares, denominadas MMP de tipo membrana (MMP-MT). Este grupo incluye cuatro enzimas: MMP-MT1 y MMP-MT-4. Se ha detectado la expresión de MMP-MT en el cartílago articular humano. Si bien la MMP-MT-1 posee propiedades colagenasa, ambas enzimas, MMP-MT-1 y MMP-MT-2, son capaces de activar la gelatinasa de 72 kDa y la colagenasa-3. El papel de este grupo de MMP en la patogénesis de la OA requiere aclaración.

Las proteinasas se secretan en forma de zimógeno, que se activa mediante otras proteinasas o compuestos orgánicos de mercurio. La actividad catalítica de las MMP depende de la presencia de zinc en la zona activa de la enzima.

La actividad biológica de las MMP está controlada por TIMP específicos. Hasta la fecha, se han identificado tres tipos de TIMP presentes en los tejidos articulares humanos: TIMP-1–TIMP-3. Se ha identificado y clonado un cuarto tipo de TIMP, pero aún no se ha detectado en tejidos articulares humanos. Estas moléculas se unen específicamente al sitio activo de las MMP, aunque algunas pueden unirse al sitio activo de la progelatinasa de 72 kD (TIMP-2, -3, -4) y de la progelatinasa de 92 kD (TIMP-1 y -3). La evidencia sugiere que, en la OA, existe un desequilibrio entre las MMP y los TIMP en el cartílago articular, lo que resulta en una deficiencia relativa de inhibidores, posiblemente debido en parte a un aumento del nivel de MMP activas en el tejido. Los TIMP-1 y -2 se encuentran en el cartílago articular y son sintetizados por los condrocitos. En la osteoartrosis, solo se detecta TIMP tipo I en la membrana sinovial y el líquido sinovial. El TIMP-3 se encuentra exclusivamente en la matriz extracelular (MEC). El TIMP-4 comparte casi el 50 % de su secuencia de aminoácidos con el TIMP-2 y el 38 % con el TIMP-1. En otras células diana, el TIMP-4 modula la activación de la progelatinasa de 72 kD en la superficie celular, lo que indica un importante papel como regulador tisular específico de la remodelación de la MEC.

Otro mecanismo para controlar la actividad biológica de las MMP es su activación fisiológica. Se cree que las enzimas de la familia de las serina y cisteína proteasas, como la AP/plasmina y la catepsina B, respectivamente, son activadores fisiológicos de las MMP. Se han encontrado niveles elevados de uroquinasa (uAP) y plasmina en el cartílago articular de pacientes con osteoartritis.

A pesar de que se encuentran varios tipos de catepsinas en los tejidos articulares, la catepsina B se considera el activador más probable de las MMP en el cartílago. Se han encontrado inhibidores fisiológicos de las serina y cisteína proteasas en los tejidos articulares humanos. La actividad del inhibidor de AP-1 (IAI-1), así como de las cisteína proteasas, se reduce en pacientes con osteoartritis. De forma similar a MMP/TIMP, es el desequilibrio entre las serina y cisteína proteasas y sus inhibidores lo que puede explicar la mayor actividad de las MMP en el cartílago articular de pacientes con osteoartritis. Además, las MMP pueden activarse entre sí. Por ejemplo, la estromelisina 1 activa la colagenasa 1, la colagenasa 3 y la gelatinasa de 92 kD; la colagenasa 3 activa la gelatinasa de 92 kD; la MMP-MT activa la colagenasa 3 y la gelatinasa de 72 kDa potencia esta activación; La MMP-MT también activa la gelatinasa de 72 kDa. Las citocinas se dividen en tres grupos: destructivas (inflamatorias), reguladoras (incluidas las antiinflamatorias) y anabólicas (factores de crecimiento).

Tipos de citocinas (según van den Berg WB et al)

Destructivo	Interleucina-1 TNF-a Factor inhibidor de la leucemia Interleucina-17
Regulador	Interleucina-4 Interleucina-10 Interleucina-13 Inhibidores enzimáticos
Anabólico	Factores de crecimiento similares a la insulina TGF-b Proteínas morfogenéticas óseas Proteínas morfogenéticas derivadas del cartílago

Las citocinas destructivas, en particular la IL-1, inducen un aumento en la liberación de proteasas e inhiben la síntesis de proteoglicanos y colágenos por los condrocitos. Las citocinas reguladoras, en particular la IL-4 y la IL-10, inhiben la producción de IL-1, aumentan la producción del antagonista del receptor de IL-1 (IL-1RA) y reducen el nivel de la NO sintasa en los condrocitos. Por lo tanto, la IL-4 contrarresta la IL-1 en tres direcciones: 1) reduce la producción, impidiendo sus efectos; 2) aumenta la producción del principal "depurador" IL-1RA; y 3) reduce la producción del principal "mensajero" secundario, el NO. Además, la IL-4 reduce la degradación enzimática del tejido. In vivo, el efecto terapéutico óptimo se logra con una combinación de IL-4 e IL-10. Los factores anabólicos como TGF-β e IGF-1 en realidad no interfieren con la producción o acción de IL-1, sino que exhiben la actividad opuesta, por ejemplo, estimulan la síntesis de proteoglicanos y colágeno, suprimen la actividad de las proteasas y TGF-β también inhibe la liberación de enzimas y estimula sus inhibidores.

Las citocinas proinflamatorias son responsables del aumento de la síntesis y expresión de MMP en los tejidos articulares. Se sintetizan en la membrana sinovial y luego se difunden al cartílago articular a través del líquido sinovial. Las citocinas proinflamatorias activan a los condrocitos, que a su vez también son capaces de producir citocinas proinflamatorias. En las articulaciones afectadas por osteoartrosis, el papel de efector de la inflamación lo desempeñan principalmente las células de la membrana sinovial. Son los sinovocitos de tipo macrófago los que secretan proteasas y mediadores inflamatorios. Entre ellos, IL-β, TNF-α, IL-6, factor inhibidor de la leucemia (LIF) e IL-17 son los más implicados en la patogénesis de la osteoartrosis.

Sustancias biológicamente activas que estimulan la degradación del cartílago articular en la osteoartritis

• Interleucina-1
• Interleucina-3
• Interleucina-4
• TNF-a
• Factores estimulantes de colonias: macrófagos (monocito) y granulocitos-macrófagos
• Sustancia P
• PGE ₂
• Activadores del plasminógeno (tipos tisular y uroquinasa) y plasmina
• Metaloproteasas (colagenasas, elastasas, estromelisinas)
• Catepsinas A y B
• Trilsin
• lipopolisacáridos bacterianos
• Fosfolipasa Ag

Los datos de la literatura indican que IL-1 y, posiblemente, TNF-a son los principales mediadores de la destrucción del tejido articular en la osteoartrosis. Sin embargo, todavía se desconoce si actúan de forma independiente uno del otro o si existe una jerarquía funcional entre ellos. Los modelos animales de osteoartrosis han demostrado que el bloqueo de IL-1 previene eficazmente la destrucción del cartílago articular, mientras que el bloqueo de TNF-a solo conduce a una disminución de la inflamación en los tejidos articulares. Se encontraron mayores concentraciones de ambas citocinas en la membrana sinovial, el líquido sinovial y el cartílago de los pacientes. En los condrocitos, son capaces de aumentar la síntesis no solo de proteasas (principalmente MMP y AP), sino también de colágenos menores, como los tipos I y III, y reducir la síntesis de colágenos tipos II y IX y proteoglicanos. Estas citocinas también estimulan las especies reactivas de oxígeno y los mediadores inflamatorios como la PGE ₂. El resultado de estos cambios macromoleculares en el cartílago articular en la osteoartritis es la ineficacia de los procesos reparadores, lo que conduce a una mayor degradación del cartílago.

Las citocinas proinflamatorias mencionadas modulan los procesos de supresión/activación de MMP en la osteoartrosis. Por ejemplo, el desequilibrio entre los niveles de TIMP-1 y MMP en el cartílago en la osteoartrosis podría estar mediado por la IL-1, ya que un estudio in vitro demostró que un aumento en las concentraciones de IL-1 beta conlleva una disminución de las concentraciones de TIMP-1 y un aumento en la síntesis de MMP por los condrocitos. La síntesis de AP también está modulada por la IL-1 beta. La estimulación in vitro de los condrocitos del cartílago articular con IL-1 provoca un aumento dosis-dependiente en la síntesis de AP y una marcada disminución en la síntesis de iAP-1. La capacidad de la IL-1 para disminuir la síntesis de iAP-1 y estimular la síntesis de AP constituye un potente mecanismo para la generación de plasmina y la activación de MMP. Además, la plasmina no solo activa otras enzimas, sino que también participa en el proceso de degradación del cartílago mediante proteólisis directa.

La IL-ip se sintetiza como un precursor inactivo con una masa de 31 kD (pre-IL-ip) y, tras la escisión del péptido señal, se convierte en una citocina activa con una masa de 17,5 kD. En los tejidos articulares, como la membrana sinovial, el líquido sinovial y el cartílago articular, la IL-ip se encuentra en forma activa, y estudios in vivo han demostrado la capacidad de la membrana sinovial para secretar esta citocina en la osteoartrosis. Algunas serina proteasas son capaces de convertir la pre-IL-ip en su forma bioactiva. En mamíferos, estas propiedades se encontraron únicamente en una proteasa, perteneciente a la familia de enzimas específicas del aspartato de cisteína, denominada enzima convertidora de IL-1β (ICF o caspasa-1). Esta enzima es capaz de convertir específicamente la pre-IL-ip en IL-ip madura, biológicamente activa, con una masa de 17,5 kD. El ICF es una proenzima de 45 kD (p45) localizada en la membrana celular. Tras la escisión proteolítica de la proenzima p45, se forman dos subunidades, p10 y p20, que se caracterizan por su actividad enzimática.

El TNF-α también se sintetiza como precursor unido a la membrana con una masa de 26 kDa; mediante escisión proteolítica, se libera de la célula como una forma soluble activa con una masa de 17 kDa. La escisión proteolítica la realiza la enzima convertidora de TNF-α (TNF-AC), que pertenece a la familia de las adamalicinas. AR Amin et al. (1997) observaron un aumento de la expresión del ARNm de TNF-AC en el cartílago articular de pacientes con osteoartritis.

La activación biológica de condrocitos y sinovocitos por IL-1 y TNF-α está mediada por la unión a receptores específicos en la superficie celular: IL-R y TNF-R. Se han identificado dos tipos de receptores para cada citocina: IL-1β tipos I y II, y TNF-R tipos I (p55) y II (p75). IL-1β y p55 son responsables de la transmisión de señales en las células del tejido articular. El IL-1β tipo I presenta una afinidad ligeramente mayor por IL-1β que por IL-1α; por el contrario, el IL-1β tipo II presenta una mayor afinidad por IL-1α que por IL-1β. Aún no está claro si la IL-1PI tipo II puede mediar las señales de IL-1 o si solo actúa como inhibidora competitiva de la asociación de IL-1 con el IL-1R tipo I. Los condroítidos y fibroblastos sinoviales de pacientes con osteoartrosis contienen grandes cantidades de IL-1PI y p55, lo que a su vez explica la alta sensibilidad de estas células a la estimulación por las citocinas correspondientes. Este proceso provoca un aumento de la secreción de enzimas proteolíticas y la destrucción del cartílago articular.

No se puede descartar la participación de la IL-6 en el proceso patológico de la osteoartritis. Esta hipótesis se basa en las siguientes observaciones:

• IL-6 aumenta el número de células inflamatorias en la membrana sinovial,
• IL-6 estimula la proliferación de condrocitos,
• IL-6 mejora los efectos de IL-1 al aumentar la síntesis de MMP e inhibir la síntesis de proteoglicanos.

Sin embargo, la IL-6 es capaz de inducir la producción de TIMPs, pero no afecta la producción de MMPs, por lo que se cree que esta citoquina está involucrada en el proceso de inhibición de la degradación proteolítica del cartílago articular, lo cual se realiza mediante un mecanismo de retroalimentación.

Otro miembro de la familia IL-6 es el LIF, una citocina producida por condrocitos obtenidos de pacientes con osteoartrosis en respuesta a la estimulación de las citocinas proinflamatorias IL-1p y TNF-α. El LIF estimula la resorción de proteoglicanos del cartílago, así como la síntesis de MMP y la producción de NO. El papel de esta citocina en la osteoartrosis no se ha dilucidado por completo.

La IL-17 es un homodímero de 20-30 kD con un efecto similar al de la IL-1, pero mucho menos pronunciado. La IL-17 estimula la síntesis y liberación de diversas citocinas proinflamatorias, como IL-1p, TNF-α, IL-6 y MMP, en células diana, como los macrófagos humanos. Además, la IL-17 estimula la producción de óxido nítrico (NO) por los condrocitos. Al igual que el LIF, el papel de la IL-17 en la patogénesis de la OA ha sido poco estudiado.

El radical libre inorgánico NO desempeña un papel importante en la degradación del cartílago articular en la OA. Los condrocitos aislados de pacientes con osteoartritis producen mayores cantidades de NO, tanto de forma espontánea como tras la estimulación con citocinas proinflamatorias, en comparación con las células normales. Se ha encontrado un alto contenido de NO en el líquido sinovial y el suero de pacientes con osteoartritis; esto se debe al aumento de la expresión y síntesis de la NO sintasa inducida (hNOC), la enzima responsable de la producción de NO. Recientemente, se clonó el ADN de la hNOC específica de los condrocitos y se determinó la secuencia de aminoácidos de la enzima. La secuencia de aminoácidos indica un 50 % de identidad y un 70 % de similitud con la hNOC específica del endotelio y el tejido nervioso.

El NO inhibe la síntesis de macromoléculas de la matriz extracelular (ECM) del cartílago articular y estimula la síntesis de MMP. Además, un aumento en la producción de NO se acompaña de una disminución en la síntesis del antagonista de IL-1 (IL-1RA) por los condrocitos. Por lo tanto, un aumento en el nivel de IL-1 y una disminución de IL-1RA provocan una hiperestimulación del NO en los condrocitos, lo que a su vez conlleva una mayor degradación de la matriz cartilaginosa. Existen informes sobre el efecto terapéutico in vivo de un inhibidor selectivo de hNOC en la progresión de la osteoartrosis experimental.

Los inhibidores naturales de citocinas pueden impedir directamente la unión de estas a los receptores de la membrana celular, reduciendo así su actividad proinflamatoria. Se pueden dividir en tres clases según su mecanismo de acción.

La primera clase de inhibidores incluye antagonistas de receptores que impiden la unión del ligando a su receptor compitiendo por el sitio de unión. Hasta la fecha, solo se ha encontrado un inhibidor de este tipo para la IL-1: se trata del inhibidor competitivo del sistema IL-1/ILIP (IL-1 PA), ya mencionado. La IL-1 PA bloquea muchos efectos observados en los tejidos articulares en la osteoartritis, incluyendo la síntesis de prostaglandinas por las células sinoviales, la producción de colagenasa por los condrocitos y la degradación de la médula ósea del cartílago articular.

El IL-1RA se encuentra en diferentes formas: una soluble (rIL-1RA) y dos intercelulares (μIL-lPAI y μIL-1RAP). La afinidad de la forma soluble del IL-1RA es cinco veces mayor que la de las formas intercelulares. A pesar de la intensa investigación científica, la función de estas últimas sigue siendo desconocida. Experimentos in vitro han demostrado que la inhibición de la actividad de la IL-1β requiere una concentración de IL-1RA entre 10 y 100 veces superior a la normal, mientras que en condiciones in vivo se requiere un aumento de mil veces en la concentración de IL-1RA. Este hecho podría explicar en parte la deficiencia relativa de IL-1RA y el exceso de IL-1 en la membrana sinovial de pacientes con osteoartrosis.

La segunda clase de inhibidores naturales de citocinas son los receptores solubles de citocinas. Ejemplos de estos inhibidores en humanos, relacionados con la patogénesis de la osteoartritis, son el rIL-1R y el pp55. Los receptores solubles de citocinas son formas abreviadas de los receptores normales; al unirse a las citocinas, impiden su unión a los receptores asociados a la membrana de las células diana, actuando mediante el mecanismo de antagonismo competitivo.

El principal precursor de los receptores solubles es la IL-1RP unida a la membrana. La afinidad de la rIL-IP por la IL-1 y la IL-1RA es diferente. Por lo tanto, la rIL-1RN tiene mayor afinidad por la IL-1β que por la IL-1RA, y la rIL-1PI presenta mayor afinidad por la IL-1RA que por la IL-ip.

También existen dos tipos de receptores solubles para el TNF: pp55 y pp75. Al igual que los receptores solubles de IL-1, se forman por desprendimiento. In vivo, ambos receptores se encuentran en los tejidos de las articulaciones afectadas. El papel de los receptores solubles de TNF en la patogénesis de la osteoartrosis es objeto de debate. Se supone que, en bajas concentraciones, estabilizan la estructura tridimensional del TNF y aumentan la vida media de la citocina bioactiva, mientras que altas concentraciones de pp55 y pp75 pueden reducir la actividad del TNF por antagonismo competitivo. Probablemente, pp75 puede actuar como transportador de TNF, facilitando su unión al receptor asociado a la membrana.

La tercera clase de inhibidores naturales de citocinas está representada por un grupo de citocinas antiinflamatorias, que incluyen TGF-beta, IL-4, IL-10 e IL-13. Las citocinas antiinflamatorias reducen la producción de enzimas proinflamatorias y algunas proteasas, y estimulan la producción de IL-1RA y TIMP.