골관절염 발병 기전에서 관절 연골 복구 및 성장 인자

생명공학, 특히 복제 기술의 발전 덕분에, 골관절염의 발병 기전에서 중요한 역할을 하지만 아직 완전히 이해되지 않은 성장 인자 목록이 최근 집중적으로 확장되었습니다.

아래에서 논의할 첫 번째 성장 인자 그룹은 IGF입니다. IGF는 혈청에서 다량으로 발견되며 인슐린과 여러 가지 공통적인 특성을 가지고 있습니다. IGF-2는 배아 발달 단계에서 더 전형적인 반면, IGF-1은 성인에서 이 그룹의 주요 대표자입니다. 이 두 그룹의 대표자 모두 IGF I형 수용체에 결합하여 작용합니다. IGF-2의 기능은 아직 밝혀지지 않았지만, IGF-1의 중요성은 이미 밝혀졌습니다. IGF-1은 연골세포의 프로테오글리칸 합성을 자극하고 관절 연골의 이화 과정을 유의미하게 억제할 수 있습니다. IGF-1은 혈청과 활액에 존재하는 연골세포의 프로테오글리칸 합성에 대한 주요 동화작용 자극제입니다. IGF-1은 체외 골관절염 실험 모델에서 연골세포 배양에 중요한 인자입니다. IGF-1은 혈장에서 활액으로 유입되는 것으로 추정됩니다. 또한, 정상 연골세포는 두 가지 인자를 모두 생성합니다. 골관절염 환자의 활막과 연골에서 IGF-1과 IGF-2의 발현이 관찰되었습니다. 정상 연골에서 IGF-1은 세포 분열 촉진 효과는 없지만 손상된 연골 기질에서 세포 증식을 촉진할 수 있으며, 이는 회복 과정에 관여함을 시사합니다.

관절 연골의 재생을 촉진하고 분해를 억제하는 생물학적 활성 물질

• 인슐린
• 감마 인터페론
• 성장호르몬, 안드로겐
• 소마토메딘(IPF-1 및 -2)
• TGF-베타(조직 성장 인자)
• 혈소판 유래 성장 인자
• 염기성 섬유아세포 성장 인자
• 전자수용기
• IL-1 수용체 길항제
• TNF-α 결합 단백질
• 금속단백분해효소의 조직 억제제
• _2- 마크로 글로불린
• AI-항트립신
• RG-마크로글로불린
• Rg-안티키모트립신

IGF-1 및 IGF-2의 작용은 연골 세포에서도 생성되는 다양한 IGF 결합 단백질(IGF-BP)에 의해 조절됩니다. IGF-BP는 운반체 역할을 할 수 있으며 IGF 차단 활동도 합니다. 골관절염 환자의 관절 연골에서 분리한 세포는 과도한 양의 IGF-BP를 생성하여 IGF의 효과를 차단한다는 것을 나타냅니다. J. Martel-Pelletier 등(1998)은 골관절염에서 연골의 IGF-1 합성이 증가하지만 연골 세포는 IGF-1 자극에 약하게 반응한다는 것을 보여주었습니다. 이 현상은 (적어도 부분적으로) IGF-BP 수치의 증가와 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다. IGF-BP는 IGF에 대한 친화성이 높고 그 활동의 중요한 생체 조절제입니다. 지금까지 7가지 유형의 IGF-BP가 연구되었으며 IGF-BP-3 및 IGF-BP-4의 조절 장애가 골관절염에서 중요한 역할을 합니다.

연골세포에 다양한 효과를 나타내는 또 다른 성장인자로는 혈소판 유래 성장인자(PDGF), FGF, TGF-β가 있습니다. 이러한 성장인자는 연골세포뿐만 아니라 활성화된 활막세포에서도 생성됩니다. FGF는 관절 연골의 농도와 상태에 따라 동화작용과 이화작용을 모두 나타냅니다. PDGF는 관절 연골 세포 외 기질(ECM)의 항상성을 유지하는 데 관여하지만, 뚜렷한 유사분열 촉진 효과는 없습니다. 이 성장인자는 프로테오글리칸의 합성을 촉진하고 분해를 감소시키는 것으로 알려져 있습니다.

TGF-베타는 골관절염 발병 기전에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. TGF-베타는 대형 TGF 슈퍼패밀리에 속하며, 최근 발견된 BMP(골형성단백질) 성장인자와 기능적 및 신호전달적 특성을 공유합니다.

TGF-베타는 다면발현성 인자입니다. 한편으로는 면역억제 작용을 하는 반면, 다른 한편으로는 화학주성 인자이자 섬유아세포 증식을 강력하게 자극합니다. TGF-베타의 독특한 특성은 다양한 세포에서 효소 분비를 억제하고 효소 억제제(예: TIMP)의 생성을 유의미하게 증가시키는 능력입니다. TGF-베타는 염증으로 인한 조직 손상의 중요한 조절 인자로 여겨집니다. 따라서 관절 연골 조직에서 TGF-베타는 특히 이 인자에 미리 노출된 후 연골세포의 기질 생성을 유의미하게 자극합니다. 정상 연골은 TGF-베타에 민감하지 않습니다. 하지만 골관절염 환자에서 TGF-베타는 관절 연골에서 아그레칸과 작은 프로테오글리칸의 생성을 자극합니다.

TGF-베타는 여러 세포, 특히 연골세포에서 생성됩니다. 잠복성 단백질(LAP)이라는 특수 단백질에 결합된 잠복 형태로 방출됩니다. 이 단백질과의 해리는 염증 조직에서 대량으로 생성되는 프로테아제에 의해 이루어집니다. 활성화된 세포에서 생성되는 TGF-베타 외에도, 잠복성 TGF-베타는 국소 손상 후 조직에서 TGF-베타 반응성을 결정하는 중요한 요소입니다. TGF-베타는 골관절염이 발생한 관절의 활액액, 활막, 연골에 상당량 존재합니다. 염증성 침윤이 있는 손상된 조직 부위에서는 TNF와 IL-1의 동시 발현이 관찰되는 반면, 섬유화가 있는 부위에서는 TGF-베타 발현만 관찰됩니다.

골관절염 환자의 배양된 연골세포를 TGF-β와 함께 배양하면 이들 세포의 프로테오글리칸 합성이 유의미하게 증가합니다. 정상 연골세포를 TGF-β로 자극하면 배양 후 며칠이 지나야 프로테오글리칸 합성이 증가합니다. 아마도 이 시간은 TGF-β의 영향으로 세포 표현형이 변화하는 데 필요한 시간일 것입니다(예: 프로테오글리칸의 소위 구획화 변화, 즉 새로 생성된 프로테오글리칸은 연골세포 주변에만 국한됨).

성장인자, 특히 TGF-β 합성의 활성화는 신장 및 간 섬유화의 발병 기전과 상처 치유 과정 중 흉터 형성에 중요한 연결 고리로 알려져 있습니다. 시험관 내 연골세포 부하 증가는 TGF-β의 과다 생성을 유도하는 반면, 사지 고정 후 감소된 프로테오글리칸 합성은 TGF-β에 의해 정상화될 수 있습니다. TGF-β는 부하 변화에 대한 적응 기전으로 관절 변연부에 골극 형성을 유도합니다. 관절 손상에 반응하여 활막에 중등도의 염증 과정을 유발하는 IL-1은 변형된 표현형을 가진 연골세포의 생성을 촉진하여 과도하게 생성합니다.

재조합 TGF-베타를 고농도로 국소 주입한 결과, C57B1 마우스에서 골관절염이 발생했으며, 인간 골관절염의 특징인 골극이 형성되고 "물결 모양 테두리" 영역에서 프로테오글리칸이 상당히 손실되었습니다.

과도한 TGF-β가 연골의 알려진 변화를 어떻게 유발하는지 이해하기 위해서는 TGF-β 노출이 합성되는 프로테오글리칸 아형의 변화와 ECM 요소의 정상적인 통합을 방해하는 특징적인 연골세포 표현형을 유도한다는 점에 유의해야 합니다. IGF-1과 TGF-β는 모두 알긴산에서 배양된 연골세포의 프로테오글리칸 합성을 자극하지만, TGF-β는 소위 프로테오글리칸의 구획화를 유도합니다. 더욱이, TGF-β는 활성화된 연골세포에서 콜라게나제-3(MMP-13) 수치를 증가시키는 것으로 나타났는데, 이는 TGF-β가 파괴적인 프로테아제의 분비를 오히려 감소시키는 요인이라는 일반적인 생각과는 상반됩니다. 그러나 TGF-β에 의해 유도되는 MMP-13 합성이 골관절염의 발병 기전에 관여하는지는 알려져 있지 않습니다. TGF-베타는 프로테오글리칸의 합성을 자극할 뿐만 아니라, 인대와 힘줄에 프로테오글리칸이 축적되는 것을 촉진하여 관절의 강성을 증가시키고 운동 범위를 감소시킵니다.

BMP는 TGF-베타 슈퍼패밀리의 구성원입니다. 그중 일부(BMP-2, BMP-7, BMP-9)는 연골세포의 프로테오글리칸 합성을 자극하는 특성을 가지고 있습니다. BMP는 세포 표면의 특정 수용체에 결합하여 효과를 발휘합니다. TGF-베타와 BMP의 신호 전달 경로는 약간 다릅니다. TGF-베타와 마찬가지로 BMP는 세린/트레오닌 키나제 수용체 복합체 I형과 II형을 통해 신호를 전달합니다. 이 복합체에서 II형 수용체는 전이인산화되어 I형 수용체를 활성화시키고, I형 수용체는 신호를 Smads라는 신호 전달 분자로 전달합니다. 신호를 받은 Smads는 빠르게 인산화됩니다. 현재 BMP 신호 전달 경로에서 Smads-1, -5, -8이 인산화되고 TGF-베타 신호 전달 경로에서 Smads-2와 Smad-3이 인산화되는 것으로 알려져 있습니다. 명명된 Smads는 TGF-β 슈퍼패밀리의 모든 구성원의 신호 전달 경로에 공통적인 Smad-4와 결합합니다. 이는 TGF-β 슈퍼패밀리 구성원의 교차 기능 존재와 공통 구성 요소를 두고 경쟁함으로써 TGF-β와 BMP 신호 전달 경로가 상호 억제되는 현상을 설명합니다. 얼마 전, Smad-6과 -7로 대표되는 또 다른 종류의 Smad 단백질이 발견되었습니다. 이 분자들은 TGF-β와 BMP 신호 전달 경로의 조절자 역할을 합니다.

CMP가 프로테오글리칸 합성에 미치는 자극 효과는 오랫동안 알려져 왔지만, CMP가 세포 역분화를 일으키고, 석회화와 뼈 조직 형성을 자극하는 것으로 알려져 있기 때문에 관절 연골 기능 조절에 미치는 역할은 여전히 논란의 여지가 있습니다.M. Enomoto-Iwamoto 등(1998)은 CMP와 CMP 수용체 II형의 상호작용이 연골세포의 분화된 표현형을 유지하고 증식과 비대를 조절하는 데 필요하다는 것을 보여주었습니다.LZ Sailor 등(1996)에 따르면, CMP-2는 비대를 일으키지 않고 4주 동안 배양된 연골세포의 표현형을 유지합니다.CMP-7(골형성 단백질-1과 동일)은 알긴산에서 배양된 관절 연골의 성숙 연골세포의 표현형을 오랫동안 유지합니다.

KMP-2와 KMP-9를 마우스 무릎 관절에 투여했을 때 프로테오글리칸 합성이 300% 증가하여 TGF-β보다 유의미하게 증가했습니다. 그러나 이러한 자극 효과는 일시적이었으며, 며칠 후 합성 수준은 초기 수준으로 돌아왔습니다. TGF-β는 프로테오글리칸 합성을 장기간 자극했는데, 이는 TGF-β의 자가유도 및 연골세포의 이 인자에 대한 민감화 때문으로 추정됩니다.

TGF-베타는 연골세포 형성을 담당하는데, 이는 TGF-베타의 작용으로 인한 바람직하지 않은 효과로 간주될 수 있습니다. KMP-2도 연골세포 형성을 촉진하지만 관절 가장자리의 다른 부위(주로 성장판 부위)에서 촉진합니다.

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연골 형태발생 단백질

연골 형태형성 단백질(CMP-1 및 -2)은 사지 발달 중 연골 조직 형성에 필수적인 TGF-베타 슈퍼패밀리의 다른 구성원입니다. CMP-1 유전자의 돌연변이는 연골이형성증을 유발합니다. CMP는 더 선택적이고 연골을 표적으로 하는 특성을 가질 수 있습니다. TGF-베타와 CMP는 연골세포를 자극할 수 있지만, 다른 여러 세포에도 작용할 수 있으므로 연골 재생에 사용하면 부작용이 발생할 수 있습니다. 두 유형의 CMP 모두 건강한 관절과 골관절염 관절의 연골에서 발견되며, 효소 분해 후 관절 연골 외피세포(ECM)의 재생을 촉진하여 정상적인 표현형을 유지합니다.

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성장인자의 시너지 효과

한 성장 인자는 다른 성장 인자와 마찬가지로 스스로를 유도할 수 있으며, 이러한 상호작용은 미세하게 조절됩니다. 예를 들어, FGF는 다른 성장 인자와 함께 외상성 결손 후 관절 연골의 더욱 효과적인 회복을 제공합니다. IGF-1과 TGF-β는 연골세포를 시험관 내에서 배양할 때 정상적인 표현형을 유의미하게 유도합니다. TGF-β는 IGF-1과 IGF-BP의 생성을 억제하고, IGF-1 수용체를 탈인산화시켜 IGF-1 결합을 자극하는 것으로 나타났습니다. 손상되지 않은 마우스 연골에서 IGF-1과 여러 성장 인자의 상승작용이 관찰되었습니다. 그러나 IGF-1에 대한 연골세포의 약한 반응은 다른 성장 인자와 병용하여 사용할 경우 완화될 수 없습니다.

동화작용과 파괴작용 사이토카인의 상호작용

성장 인자는 IL-1과 복잡한 상호작용을 보입니다. 예를 들어, 연골세포가 FGF에 미리 노출되면 IL-1 노출 후 프로테아제 분비가 증가하는데, 이는 IL-1 수용체 발현 증가를 통해 나타날 수 있습니다. PDGF는 또한 IL-1 의존성 프로테아제 분비를 자극하지만, IL-1에 의한 프로테오글리칸 합성 억제를 감소시킵니다. 이는 일부 성장 인자가 연골 복구를 자극하고 동시에 연골 파괴를 촉진할 수 있음을 시사합니다. IGF-1 및 TGF-β와 같은 다른 성장 인자는 관절 기질 합성을 자극하고 IL-1에 의한 관절 연골 파괴를 억제하는데, 이는 이들의 활성이 조직 복구에만 관련되어 있음을 시사합니다. 이러한 상호작용은 연골세포가 IL-1에 미리 노출되는 것과는 무관합니다. 흥미롭게도 IL-1과 TGF-β의 효과 동역학은 서로 다를 수 있습니다. TGF-β의 관절 연골 분해 억제 능력은 TIMP mRNA에 대한 느린 작용으로 인해 약화됩니다. 반면, TGF-β가 없는 경우 hNOC와 NO 수치가 증가하는 것으로 관찰되었습니다. 연골세포의 프로테오글리칸 합성에 대한 IL-1의 억제 효과가 NO에 의존적이라는 점을 고려하면, 생체 내 프로테오글리칸 분해에 비해 IL-1 의존성 프로테오글리칸 합성 억제에 대한 TGF-β의 상쇄 작용이 훨씬 더 강한 이유를 설명할 수 있습니다.

IL-1과 성장인자를 관절 내 주사한 마우스 연구에서 TGF-β는 IL-1에 의한 관절 연골 프로테오글리칸 합성 억제를 유의미하게 상쇄하는 반면, CMP-2는 이러한 상쇄 작용을 할 수 없음이 밝혀졌습니다. CMP-2의 자극 잠재력은 고농도에서도 IL-1에 의해 완전히 억제되었습니다. 특히, IL-1이 없는 경우 CMP-2는 TGF-β보다 훨씬 더 강하게 프로테오글리칸 합성을 자극했습니다.

TGF-β는 프로테오글리칸 합성에 미치는 영향 외에도 IL-1에 의해 유도되는 연골 프로테오글리칸 함량 감소에도 유의미한 영향을 미칩니다. IL-1과 TGF-β의 상대 농도에 따라 프로테오글리칸 함량이 감소하거나 증가할 가능성이 있습니다. 흥미롭게도, 위에서 설명한 IL-1과 TGF-β의 상쇄 작용은 연골 두께에서는 관찰되었지만, 관절면 가장자리의 연골극세포 근처에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았습니다. 연골극세포 형성은 TGF-β에 의해 유도되는데, TGF-β는 골막의 연골형성 세포에 영향을 미쳐 연골모세포의 발달과 프로테오글리칸 침착을 유발합니다. 이러한 연골모세포는 IL-1에 민감하지 않은 것으로 보입니다.

HL Glansbeek 외(1998)는 TGF-β와 KMP-2가 지모산 유도 관절염(즉, "순수한" IL-1 유도 염증 모델) 마우스의 관절에서 프로테오글리칸 합성 억제를 상쇄하는 능력을 연구했습니다. TGF-β의 관절 내 투여는 염증으로 인한 프로테오글리칸 합성 억제를 유의하게 상쇄하는 반면, KMP-2는 이러한 IL-1 의존적 과정을 사실상 상쇄하지 못했습니다. 연구 대상 동물의 무릎 관절에 TGF-β를 반복적으로 주사했을 때 연골세포의 프로테오글리칸 합성이 유의하게 촉진되었고, 염증으로 고갈된 연골에 존재하는 프로테오글리칸의 보존에 기여했지만, 염증 과정을 억제하지는 못했습니다.

동물의 골관절염 실험 모델을 사용하여 연골세포의 프로테오글리칸 합성 기능을 연구할 때, OA의 초기 단계에서 프로테오글리칸 함량의 증가와 합성 자극이 항상 주목되었는데, 이는 합성의 유의미한 억제(IL-1 의존적 과정)가 관찰되는 염증 모델과 대조적입니다. 골관절염에서 관찰되는 동화 인자, 특히 성장 인자의 활성 증가는 IL-1과 같은 억제 사이토카인의 효과를 중화시킵니다. 성장 인자 중에서 TGF-β가 가장 중요하며, KMP-2는 이 과정에서 중요한 역할을 할 가능성이 낮습니다. IGF-1은 시험관 내에서 프로테오글리칸 합성을 자극할 수 있지만, IGF-1을 국소적으로 적용한 생체 내에서는 이러한 특성이 관찰되지 않았습니다. 이는 이 성장 인자의 내인성 수준이 최적이기 때문일 수 있습니다. 골관절염의 후기 단계에서는 프로테오글리칸 합성이 억제되는 징후가 나타나는데, 이는 아마도 IL-1의 지배적인 작용과 활동 감소로 인해 성장 인자가 이를 상쇄할 수 없는 것과 관련이 있는 것으로 보인다.

자발성 골관절염이 있는 STR/ORT 마우스에서 성장 인자 발현을 분석한 결과, 손상된 연골에서 TGF-β와 IL-1의 mRNA 수치가 증가한 것으로 나타났습니다. 잠복형 TGF-β의 활성화는 조직 복구의 중요한 요소라는 점에 유의해야 합니다. TGF-β의 역할을 이해하는 것은 ACL 토끼에서 TGF-β II형 수용체 발현에 대한 연구 결과로 인해 더욱 복잡해졌습니다. 골관절염 유발 직후, 이러한 수용체 수치가 감소하여 TGF-β 신호전달이 불충분함을 시사합니다. 흥미롭게도, TGF-β 수용체 II형 결핍 마우스는 자발성 골관절염 징후를 보였는데, 이는 TGF-β 신호전달이 연골 복구의 악화 및 골관절염 발생에 중요한 역할을 한다는 것을 시사합니다.

류마티스 관절염이나 골관절염 환자의 관절에서 성장 인자의 절대 함량은 이러한 질환의 발병 기전에서 성장 인자가 어떤 역할을 하는지를 시사할 수 있습니다. 그러나 골관절염과 류마티스 관절염 환자의 관절에서 성장 인자 농도가 높다는 사실에도 불구하고, 두 질환의 분해 및 회복 과정의 본질은 완전히 다릅니다. 아마도 이러한 질환의 발병 기전에 중요한 역할을 하는 아직 밝혀지지 않은 다른 요인들이 있거나, 연구된 현상의 다른 측면들이 관절 조직의 분해 및 회복 과정의 진행을 결정할 것입니다(예: 연골세포 표면의 특정 수용체 발현, 단백질을 결합하는 가용성 수용체, 또는 동화 작용 인자와 파괴 인자의 불균형).