골관절염의 발병 기전에서 결정 침착의 역할

기본 인산칼슘(BCP) 결정은 골관절염 환자의 30~60%의 활막액에서 발견됩니다. A. Swan 등(1994)에 따르면, 칼슘 함유 결정은 훨씬 더 많은 골관절염 환자의 활막액에서 발견됩니다. 그러나 결정의 크기가 매우 작거나 수가 적기 때문에 기존 기술로는 식별할 수 없습니다. 활막액에 BCP 결정이 존재하는 것은 관절 연골 변성의 방사선적 징후와 관련이 있으며, 결정이 없는 무릎 관절의 삼출액에 비해 더 많은 양의 삼출액과 관련이 있습니다. 선천성 관절염의 방사선적 진행에 영향을 미치는 요인에 대한 연구에서는 피로인산칼슘 이수화물(CPPD) 결정의 침착이 불리한 임상적 및 방사선적 결과의 예측 인자임을 보여주었습니다. 고령 환자를 대상으로 한 연구에서 골관절염은 연골석회화증과 관련이 있는 것으로 나타났으며, 특히 무릎의 외측 경골 대퇴 구획과 첫 세 개의 중수지절 관절에서 더욱 두드러졌습니다. 골관절염 환자에서 OFC와 PFC, 두 가지 유형의 결정이 모두 발견되는 것은 드문 일이 아닙니다.

임상적으로 칼슘 결정 침착으로 인한 관절 연골 변성은 원발성 골관절염에서 관찰되는 변성과 다릅니다. 만약 결정이 연골 변성의 단순한 부수적 현상이라면, 원발성 골관절염이 가장 흔하게 발생하는 관절, 즉 무릎, 고관절, 그리고 손의 작은 관절에서 발견될 것입니다. 반면, 결정 침착 질환은 어깨, 손목, 팔꿈치와 같이 원발성 골관절염에서 흔하지 않은 관절에 가장 흔히 영향을 미칩니다. 관절액(삼출액)에 결정이 존재하는 경우, 더 심각한 관절 연골 변성과 관련이 있습니다. 결정 침착과 연골 변성 중 어느 것이 원인이고 어느 것이 결과인지에 대한 논쟁이 있습니다. 이러한 논쟁의 중간적 입장은 다음과 같은 가정입니다. 연골 대사의 원발성 이상이 연골 변성을 유발하고, 결정의 이차적 침착이 연골 분해를 가속화한다는 것입니다(소위 증폭 루프 이론).

칼슘 결정이 관절 연골을 손상시키는 정확한 기전은 아직 밝혀지지 않았습니다. 이론적으로 칼슘 결정은 연골세포에 직접적인 손상을 줄 수 있습니다. 그러나 조직학적 검사에서 연골세포 근처에서 결정이 발견되는 경우는 드물며, 연골세포가 이를 섭취하는 경우는 더욱 드뭅니다. 가장 유력한 기전은 활막 세포에 의한 결정의 식세포작용에 의해 단백질 분해 효소가 방출되거나 연골세포의 효소 방출을 자극하는 사이토카인이 분비되는 것입니다. 이러한 개념은 피로인산 관절염에서 PFKD로 유발된 활막염이 빠르게 진행되는 골관절염 발생에 미치는 역할을 연구한 결과에서도 뒷받침됩니다. 이 연구에서는 부분 외측 반월상 연골 절제술로 유발된 골관절염이 있는 토끼의 오른쪽 무릎에 피로인산칼슘 이수화물 결정(1mg 또는 10mg)을 매주 주사했습니다. 8회 주사 후 오른쪽 무릎 관절은 왼쪽 무릎 관절에 비해 유의미하게 더 심각한 변화를 보였습니다. 활막 염증의 강도는 피로인산칼슘 이수화물 결정의 관절 내 주사량 및 그 용량과 상관관계를 보였다. 본 연구에 사용된 CPPD 결정의 용량이 생체 내 용량보다 높았음에도 불구하고, 이러한 결과는 피로인산 관절염에서 CPPD 유도 염증이 골관절염 진행에 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.

칼슘 함유 결정에 의한 관절 연골 손상 유도의 잠재적 메커니즘은 결정체의 유사 분열 촉진 특성, MMP를 유도하고 프로스타글란딘 합성을 자극하는 능력과 관련이 있습니다.

칼슘 함유 결정의 유사분열 효과. 결정 관련 관절병증에서는 활막 내벽 세포의 증식이 자주 관찰되는데, 결정 자체는 이 과정에 부분적으로만 관여합니다. 활막 세포 수의 증가는 연골 분해를 촉진하고 단백질 분해 효소의 분비를 유도하는 사이토카인의 분비 증가를 동반합니다. 인간 관절 병리에서 발견되는 농도의 OFC 결정은 휴면 상태의 피부 섬유아세포 배양액과 개 및 생쥐의 활막 섬유아세포의 유사분열을 용량 의존적으로 자극합니다. 피로인산칼슘 이수화물, 요산염, 황산염, 탄산염, 인산칼슘 결정은 세포 성장을 자극합니다. 이러한 결정에 의해 유도되는 ( ^3H )-티미딘 결합의 시작 및 피크는 혈청으로 세포를 자극했을 때보다 3시간 정도 지연됩니다. 이 시간은 결정의 식세포작용 및 용해에 필요할 수 있습니다. 동일한 크기의 대조군 결정(예: 다이아몬드 가루 또는 라텍스 입자)을 첨가했을 때 유사분열이 촉진되지 않았습니다. 요산나트륨 일수화물 결정은 유사분열 특성이 약했고, 요산칼슘 결정보다 유의미하게 낮았는데, 이는 유사분열에서 결정의 칼슘 함량이 중요함을 시사합니다. 합성 OFC 결정은 연골석회화증 환자에서 얻은 결정과 동일한 유사분열 특성을 보였습니다. 칼슘 함유 결정의 유사분열 효과는 시험관 내 배양액 주변 영양 배지의 칼슘 함량 증가 때문이 아니었습니다. 영양 배지에서 염기성 인산칼슘 결정이 용해되었을 때 섬유아세포에 의한 ( ^3H )-티미딘의 흡수가 촉진되지 않았기 때문입니다.

OFC 유도 유사분열에 대한 한 가지 제안된 기전은 비정상적인 활막 세포 증식이 적어도 부분적으로는 세포내입과 세포내 결정 용해에 기인할 수 있다는 것입니다. 이는 세포질 Ca ²⁺ 농도를 증가시키고 칼슘 의존성 경로를 활성화시켜 유사분열을 유도합니다. 이 개념은 유사분열을 자극하기 위해 세포와 결정의 직접적인 접촉이 필요하다는 사실에 의해 뒷받침됩니다. 세포 배양물을 결정에 노출시키면 세포 성장이 유도되는 반면, 그러한 접촉이 결핍된 세포는 세포 성장이 유도되지 않았기 때문입니다. 세포-결정 상호작용 후 결정 식세포작용의 필요성을 연구하기 위해 세포를 ⁴⁵ Ca-OPC와 ( ^{3H )-티미딘과 함께 배양했습니다. 그 결과,45} Ca-OPC를 함유한 세포는 염기성 인산칼슘 표지가 없는 세포보다 훨씬 더 많은 ( ^3H )-티미딘을 흡수하는 것으로 나타났습니다. 대식세포 배양에서 사이토칼라신에 의한 결정 내입 억제는 결정 용해를 억제하여 식세포작용의 필요성을 더욱 강조했습니다.

칼슘 함유 결정은 산에 용해됩니다. 식세포작용 후, 결정은 대식세포 포식용해소체의 산성 환경에서 용해됩니다. 클로로퀸, 염화암모늄, 바필로마이신 A1, 그리고 리소좀 pH를 증가시키는 모든 리소좀영양제는 염기성 인산칼슘 결정과 함께 배양된 섬유아세포 ^에서 세포 내 결정 용해 및 (3H)-티미딘 흡수를 용량 의존적으로 억제합니다.

단층 섬유아세포 배양액에 OFC 결정을 첨가하자 세포 내 칼슘 농도가 즉시 10배 증가했으며, 8분 후 기준치로 돌아왔습니다. 염기성 인산칼슘 결정을 칼슘이 없는 배양 배지에 첨가했기 때문에 칼슘 공급원은 주로 세포 외 이온이었습니다. 세포 내 칼슘 농도의 다음 증가는 60분 후에 관찰되었으며, 최소 3시간 동안 지속되었습니다. 이 연구에서 칼슘 공급원은 식세포작용에 의해 식세포소체에 용해된 결정이었습니다.

OFC 결정의 유사분열 효과는 성장인자인 PDGF와 유사한 것으로 밝혀졌습니다. 후자와 마찬가지로 OFC 결정은 IGF-1 및 혈장과 상승효과를 보입니다. IGF-1 차단은 OFC에 반응하여 세포 유사분열을 감소시킵니다. PG Mitchell 등(1989)은 OFC 결정에 _{의한 Balb/c-3} T3 섬유아세포 의 유사분열 유도에는 호르몬, 신경전달물질 및 성장인자로 세포를 외부에서 자극하는 동안 생성되는 신호의 주요 매개체 중 하나인 세린/트레오닌 단백질 키나제 C(PKC)가 필요하다는 것을 보여주었습니다. Balb/c-3 T3 세포에서 PKC 활성이 감소하면 _{OFC 매개 프로토온코진 c-fos 및 c-myc 유도가억제되지만} PDGF에 의해 매개되는 이러한 온코진의 자극에는 영향을 미치지 않습니다.

식세포작용에 의해 용해된 결정체에 따른 세포 내 칼슘 증가는 유사분열의 유일한 신호 전달 경로가 아닙니다. PDGF와 같은 성장 인자가 세포막 수용체에 결합하면 포스포리파아제 C(포스포디에스테라아제)가 자극되어 포스파티딜이노시톨 4,5-비스포스페이트를 가수분해하여 세포 내 전달 물질인 이노시톨-3-포스페이트와 디아실글리세롤을 생성합니다. 이노시톨-3-포스페이트는 단백질 키나아제 및 프로테아제와 같은 칼슘 의존성 효소와 칼슘/칼모듈린 의존성 효소의 활성을 조절하여 소포체에서 칼슘을 방출합니다.

R. Rothenberg와 H. Cheung(1988)은 OFC 결정으로 자극했을 때 토끼 활막 세포에서 포스포리파아제 C에 의한 포스파티딜이노시톨 4,5-비스포스페이트의 분해가 증가함을 보고했습니다. OFC 결정은 표지된 ( ^3H )-이노시톨을 가진 세포에서 이노시톨-1-포스페이트 함량을 유의미하게 증가시켰으며, 피크는 1분 이내에 도달하여 약 1시간 동안 지속되었습니다.

디아실글리세롤은 칼슘 피로인산 이수화물의 잠재적 활성제입니다.OFC 결정은 인지질분해효소 C 활성을 증가시켜 디아실글리세롤 축적을 초래하므로 결과적으로 PKC 활성화가 증가할 것으로 예상할 수 있습니다.PG Mitchell 등(1989)은 Balb/c- _{3T3섬유아세포} 의 DNA 합성에 대한 OFC 결정과 PDGF의 효과를 비교했습니다.세포 배양에서 PKC는 디아실글리세롤 유사체인 종양 지지 포르볼 디에스테르(TPD)와 함께 세포를 배양하여 불활성화했습니다.저용량의 TPD로 장기간 자극하면 PKC 활성이 감소했지만, 고용량의 단일 자극은 활성화했습니다.OFC 결정에 의한 DNA 합성 자극은 PKC 불활성화 후 억제되었으며, 이는 OFC 유도 유사분열에서 이 효소의 중요성을 시사합니다.이전에 GM McCarthy 등은 (1987)은 OFC 결정에 대한 인간 섬유아세포의 유사분열 반응과 PKC 활성화 사이의 연관성을 입증했습니다. 그러나 OFC 결정은 포스파티딜이노시톨 3-키나아제나 티로신 키나아제를 활성화시키지 않아 OFC 결정에 의한 세포 활성화 기전이 선택적임을 확인했습니다.

세포 증식은 원암유전자(proto-oncogene)라고 불리는 유전자 그룹에 의해 조절됩니다. 원암유전자인 c-fos와 c-myc의 산물인 foe와 mye 단백질은 세포핵에 위치하며 특정 DNA 서열에 결합합니다. OFC 결정으로 3T3 섬유아세포를 자극하면 몇 분 내에 c-fos가 발현되며, 자극 후 30분에 최대 발현량에 도달합니다. OFC 결정 또는 PDGF에 의한 c-myc 전사 유도는 1시간 이내에 발생하여 자극 후 3시간에 최대 발현량에 도달합니다. 세포는 최소 5시간 동안 높은 수준의 c-fos와 c-myc 전사를 유지합니다. PCD가 불활성화된 세포에서는 OFC 또는 TFD 결정에 의한 c-fos와 c-myc의 자극이 유의미하게 억제되는 반면, PDGF에 의한 이러한 유전자의 유도는 변화가 없습니다.

미토겐 활성화 단백질 키나아제(MAP K) 계열의 구성원들은 다양한 세포 내 신호전달 연쇄반응의 핵심 조절자입니다. 이 계열의 하위 분류 중 하나인 p42/p44는 원암유전자인 c-fos와 c-jun의 활성화를 포함하는 기전을 통해 세포 증식을 조절합니다. OFC와 PFKD 결정은 p42와 p44를 모두 포함하는 단백질 키나아제 신호전달 경로를 활성화하는데, 이는 칼슘 함유 결정에 의한 유사분열에서 이 경로가 중요한 역할을 한다는 것을 시사합니다.

마지막으로, OFC 유도 유사분열은 전사인자 핵인자 κB(NF-κB)와 관련이 있는데, 이는 면역글로불린 κ 경쇄(IgK) 유전자로 처음 기술되었습니다. NF-κB는 다양한 유전자의 발현을 조절하기 때문에 여러 신호전달 경로에서 중요한 유도성 전사인자입니다. NF-κB 유도는 일반적으로 세포질에서 IκB라는 억제 단백질의 방출과 연관됩니다. NF-κB 유도 후, 활성 전사인자는 핵으로 이동합니다. OFC 결정은 Balb/c- _3T3 섬유아세포와 인간 피부 섬유아세포에서 NF-κB를 유도합니다.

NF-κB 활성화 후 신호 전달에는 여러 경로가 관여할 수 있지만, 모든 경로는 IκB를 인산화하여 분해하는 단백질 키나아제를 포함합니다. 시험관 내 연구에 따르면, IκB는 이전에 키나아제(예: PKC 및 단백질 키나아제 A)의 기질로 작용하는 것으로 알려져 왔습니다. 그러나 최근 분자량이 큰 IκB 키나아제 복합체가 발견되었습니다. 이러한 키나아제는 IκB의 세린 잔기를 특이적으로 인산화합니다. TNF-α와 IL-1에 의한 NF-κB 활성화에는 NF-κB 유도 키나아제(NIK)와 IκB 키나아제의 효율적인 작용이 필요합니다. NIK 활성화의 분자적 기전은 현재 알려져 있지 않습니다. OFC 결정은 PKC와 NF-κB를 모두 활성화하지만, 이 두 과정이 어느 정도 연관되어 있는지는 알려져 있지 않습니다. GκB 키나아제 변형은 인산화를 통해 일어나므로, OFC 결정에 의한 NF-κB 유도에서 PKC가 GκB 키나아제의 인산화 및 활성화를 통해 역할을 한다는 가능성을 배제할 수 없습니다. 이러한 개념은 PKC 억제제인 스타우로스포린이 OFC 결정에 의해 유도되는 유사분열 및 NF-κB 발현을 억제하는 것으로 뒷받침됩니다. 마찬가지로, 스타우로스포린은 GκB 키나아제를 억제하여 단백질 키나아제 A 및 기타 단백질 키나아제를 억제합니다.

따라서 섬유아세포에서 OFC 결정에 의해 유도되는 유사 분열의 메커니즘은 적어도 두 가지 다른 과정을 포함합니다.

• PKC 및 MAP K 활성화, NF-κB 및 전암유전자 유도를 초래하는 빠른 막 결합 이벤트
• ^{세포 내에서 결정이 더 느리게 용해되어 세포 내 Ca 2+} 함량이 증가하고, 이어서 세포 분열을 자극하는 여러 가지 칼슘 의존적 과정이 활성화됩니다.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

MMP-칼슘 함유 결정에 의한 유도

칼슘 함유 결정에 의한 조직 손상의 매개체는 MMP(콜라게나제-1, 스트로멜리신, 92kD 젤라티나제 및 콜라게나제-3)입니다.

OFC 결정 함량과 관절 조직 파괴 사이의 관계를 고려하여 OFC 결정과 일부 콜라겐이 활막 세포에 의해 식세포작용을 받는다는 가설이 제시되었습니다. 자극받은 활막세포는 증식하고 단백질 분해효소를 분비합니다. 이 가설은 배양된 인간 또는 개 활막세포에 천연 또는 합성 OFC, PFCD 및 기타 결정을 첨가하여 시험관 내에서 검증되었습니다. 중성 단백질 분해효소와 콜라겐 분해효소의 활성은 용량 의존적으로 증가했으며, 결정 없이 배양한 대조군 세포 배양액보다 약 5~8배 높았습니다.

결정이 포함된 배지에서 배양된 세포에서는 콜라겐 분해효소-1, 스트로멜리신, 젤라티나아제-92 kDa mRNA의 공동 유도가 검출되었고, 이어서 효소가 배지로 분비되었습니다.

OFC 결정은 또한 성숙한 돼지 연골세포에서 콜라겐 분해효소-1과 콜라겐 분해효소-2 mRNA의 축적을 유도하여 이들 효소를 배지로 분비했습니다.

GM McCarty 등(1998)은 결정 유도 MMP 생성에서 세포 내 결정 용해의 역할을 연구했습니다. 바필로마이신 A를 이용한 리소좀 pH 상승은 세포 내 결정 용해를 억제하고, OFC 결정에 대한 인간 섬유아세포의 증식 반응을 약화시켰지만, MMP 합성 및 분비는 억제하지 않았습니다.

염기성 인산칼슘이나 PFCD 결정은 시험관 내에서 IL-1 생산을 유도하지 못했지만, 요산나트륨 결정은 IL-1 생산을 유도했습니다.

최근의 자료에 따르면 섬유아세포와 연골세포가 칼슘이 함유된 결정과 접촉하면 MMP 생산이 직접적으로 자극된다는 사실이 분명하게 나타났습니다.

골관절염 증상은 MMP가 질병 진행에 중요한 역할을 한다는 것을 시사합니다. 칼슘 함유 결정의 존재는 영향을 받는 관절 조직의 퇴행을 가속화합니다.

프로스타글란딘 합성 자극

칼슘 함유 결정은 세포 성장 및 효소 분비를 자극하는 동시에 포유류 세포 배양액에서 프로스타글란딘, 특히 PGE2의 방출을 유발합니다 _{. 모든 경우에서} PGE2의 방출은 세포가 결정에 노출된 후 1시간 이내에 발생합니다. R. Rothenberg(1987)는 PGE2 합성에 필요한 아라키돈산의 주요 공급원 _이 포스파티딜콜린과 포스파티딜에탄올아민임을 밝혔으며, 인지질분해효소 A2 _{와 NOX가 PGE2생성} 의 주요 경로임을 확인했습니다.

PGE1은 OFA 결정에 반응하여 방출될 수도 있습니다. GM McCarty 외(1993, 1994)는 PGE2 _, PGE2, 그리고 그 유사체인 미소프로스톨이 OFA 결정에 대한 인간 섬유아세포의 유사분열 반응에 미치는 영향을 연구했습니다. 세 가지 약물 모두 용량 의존적으로 유사분열 반응을 억제했으며, PGE2와 미소프로스톨은 더욱 뚜렷한 억제 활성을 보였습니다. PGE2와 미소프로스톨은 OFA 결정에 반응하여 콜라게나제 mRNA 축적을 억제했지만, PGE2는 그렇지 않았습니다 _.

MG McCarty와 H. Cheung(1994)은 OFC가 PGE에 의해 매개하는 세포 활성화 기전을 연구했습니다. 저자들은 PGE2보다 더 강력한 세포내 cAMP 유도제인 PGE _와 PGE가 cAMP 의존적 신호전달 경로를 통해 OFC 유도 유사분열과 MMP 생성을 억제함을 보였습니다. OFC 결정에 의해 유도되는 PGE 생성 증가는 피드백 기전을 통해 다른 생물학적 효과(유사분열 및 MMP 생성)를 약화시킬 가능성이 있습니다.

결정으로 인한 염증

칼슘 함유 결정은 골관절염 환자의 활액에서 흔히 발견되지만, 백혈구 증가를 동반한 급성 염증은 골관절염과 결정 관련 관절병증(예: 밀워키 숄더 증후군) 모두에서 드물게 발생합니다. 결정의 플로지스틱 잠재력은 여러 억제 요인에 의해 조절될 수 있습니다. R. Terkeltaub 등(1988)은 혈청과 혈장이 중성구 과립구의 염기성 인산칼슘 결정에 대한 반응을 유의미하게 억제하는 능력을 입증했습니다. 이러한 억제를 유발하는 요인은 결정 결합 단백질입니다. 이러한 단백질 중 하나인 ₂ -HS 당단백질(AHSr)에 대한 연구에서 AHSr이 중성구 과립구의 OFC 결정에 대한 반응을 가장 강력하고 특이적으로 억제하는 것으로 나타났습니다. AHSr은 간 유래 혈청 단백질입니다. 다른 혈청 단백질과 비교하여 뼈와 무기질화 조직에서 비교적 높은 농도로 발견되는 것으로 알려져 있습니다. 또한, AHSr은 "염증이 없는" 활액에 존재하며, 천연 활액의 염기성 인산칼슘 결정에서도 검출되었습니다. 따라서 AHSr이 생체 내에서 염기성 인산칼슘 결정의 플로고젠 형성 능력을 조절할 가능성을 배제할 수 없습니다.

위의 모든 내용을 요약하기 위해 WB van den Berg 등이 제안한 골관절염 발병에 대한 두 가지 계획을 제시합니다. (1999) 및 M. Carrabba et al. (1996)은 기계적, 유전적, 생화학적 요인을 결합한 것입니다.