Adipocytokines in Osteoarthritis

Abstract

Nivelrikko on maailman yleisin nivelsairaus. Toistaiseksi siihen ei ole onnistuttu kehittämään parantavaa tai taudin etenemistä hidastavaa hoitoa. Nivelrikon riskitekijät tunnetaan hyvin, mutta niiden yhteys tautiprosessiin on monelta osin tuntematon. Nivelrikkoa hidastavien lääkeaineiden kehityksen kannalta on tärkeää saada uutta tietoa nivelrikkoon johtavista molekyylitason mekanismeista.

Lihavuus on merkittävä nivelrikon riskitekijä. Lihavuuden yhteyttä nivelrikkoon selittää osin kantaville nivelille kohdistuva ylimääräinen kuorma. Lihavuus on kuitenkin myös sorminivelrikon riskitekijä. Tämä viittaa siihen, että on olemassa jokin lihavuuteen liittyvä metabolinen tekijä (tai tekijöitä), joka välittää lihavuuden vaikutuksen niveliin systeemisesti, ts. verenkierron, ja edelleen nivelnesteen kautta.

Adiposytokiinit, eli adipokiinit, ovat rasvakudoksen erittämiä hormoneja. Alun perin adipokiinien havaittiin säätelevän ruokahalua ja toimivan kehon energiatasapainoa säätelevinä molekyyleinä. Sittemmin adipokiinien on huomattu säätelevän myös muita kehon toimintoja, kuten tulehdusreaktiota. Adipokiineja on löydetty myös nivelrikkonivelistä, ja niiden on hypotisoitu osallistuvan nivelsairauksien patogeneesiin.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia kolmen adipokiinin, adiponektiinin, leptiinin ja resistiinin merkitystä nivelrikon patogeneesissa, ja niiden roolia lihavuutta ja nivelrikkoa yhdistävinä tekijöinä. Tavoitteena oli näin tuottaa uutta tietoa mahdollisista uusista nivelrikon lääkehoidon kohteista.

Tutkimusta varten kerättiin poikkileikkausaineisto sadalta polven tekonivelleikkauspotilaalta, sisältäen kliiniset tiedot, veri- ja nivelnestenäytteet, sekä rustonäytteet rustoviljelmää varten. Näytteistä analysoitiin adiponektiinin, leptiinin ja resistiinin pitoisuudet, ja verrattiin niitä nivelrikon patogeneesin kannalta tärkeiden tulehduksellisten välittäjäaineiden, mukaan lukien typpioksidin (engl. nitric oxide, NO), interleukiini-6:n (IL-6), ja katabolisten rustoa hajottavien entsyymien, matriksimetalloproteinaasien (MMP), pitoisuuksiin. Aineiston perusteella tutkittiin myös adipokiinien yhteyttä nivelrikon radiologiseen vakavuusasteeseen, nivelrikon biomarkkereihin sekä nivelrikon kliiniseen vaikeusastemittariin (Knee Society Score, KSS). Lisäksi adiponektiinin ja leptiinin vaikutuksia, sekä niitä välittäviä solunsisäisiä signalointireittejä ja säätelymekanismeja tutkittiin nivelrikkorusto- ja rustosoluviljelmissä.

Adiponektiini- ja leptiinipitoisuudet verenkierrossa ja nivelnesteessä, ja kaikkien kolmen adipokiinin pitoisuudet rustoviljelmässä olivat suurempia naisilla kuin miehillä. Leptiini korreloi vahvasti painoindeksin (BMI, body mass index) kanssa niin verenkierrosta, kuin myös nivelnesteestä ja rustoviljelmästä mitattuna.

Adiponektiinipitoisuus korreloi NO:n, IL-6:n, MMP-1:n, MMP-3:n ja MMP-13:n kanssa nivelnesteessä ja/tai rustoviljelmän elatusnesteessä. Adiponektiini lisäsi näiden tekijöiden tuottoa viljellyssä nivelrikkorustossa ja rustosoluissa. Vaikutusta välitti solunsisäinen MAPK (engl. mitogen-activated protein kinase) signalointireitti. Adiponektiini assosioitui myös nivelrikon verestä mitattaviin biomarkkereihin, COMP:iin (eng. cartilage oligomeric matrix protein) ja MMP-3:een sekä nivelrikon radiologiseen vaikeusasteeseen.

Leptiini korreloi MMP-1:n ja MMP-3:n pitoisuuksien kanssa nivelnesteessä lihavilla (BMI > 30 kg/m2) nivelrikkopotilailla. Leptiinipitoisuudet olivat korkeampia potilailla, joilla oli vakavampi nivelrikko KSS-luokituksen mukaisesti. Leptiini lisäsi NO:n, IL-6:n, IL-8:n, prostaglandiini E2 (PGE2):n, MMP-1:n, MMP-3:n ja MMP-13:n tuottoa rustoviljelmissä. Vaikutusta välittivät solunsisäiset MAPK, proteiinikinaasi C (PKC), janus kinaasi 3 (JAK3) ja NF-κB (engl. nuclear factor κB) -signalointireitit. Aiemmin sytokiinien vaikutuksia säätelevänä tunnetun solunsisäisen proteiinin, SOCS-3:n (engl. suppressor of cytokine signaling-3), todettiin estävän tutkimuksessa löydettyjä leptiinin haitallisia vaikutuksia rustosoluissa. SOCS-3:n ilmentyminen nivelrikkopotilaiden rustossa, kuten myös bioaktiivista leptiiniä sitovan liukoisen leptiinireseptorin (sOb-R:n) pitoisuus, olivat pienempiä lihavilla potilailla verrattuna muuhun potilasjoukkoon.

Nivelrikkoruston todettiin vapauttavan resistiiniä. Resistiinipitoisuus korreloi NO:n, IL-6:n, MMP-1:n, MMP-3:n ja MMP-13:n pitoisuuksiin nivelnesteessä ja/tai rustoviljelmän elatusnesteessä.

Tutkimuksessa löydetyt korrelaatiot adipokiinien ja tulehduksen välittäjäaineiden sekä rustoa hajottavien entsyymien välillä sekä havaitut adiponektiinin ja leptiinin tulehdusta lisäävät ja rustotuhoa voimistat vaikutukset viittaavat siihen, että näillä kolmella adipokiinilla on yhteys ja todennäköisesti haitallinen rooli nivelrikon taudinkulussa. Leptiini korreloi vahvasti painoindeksiin ja sen löydetyt yhteydet katabolisiin entsyymeihin riippuivat painoindeksistä. Tämä viittaa siihen, että leptiini on haitallinen tekijä nivelrikon kannalta etenkin lihavilla yksilöillä. Lihavilla potilailla havaittiin myös häiriytyneitä mekanismeja puskuroida leptiinin vaikutuksia: pienempi sOb-R-pitoisuus ja matalampi SOCS-3:n ilmentyminen rustossa muuhun potilasjoukkoon (BMI < 30 kg/m2) verrattuna. Tämä viittaa siihen, että lihavat henkilöt voivat ovat erityisen alttiita leptiinin haitallisille vaikutuksille.

Tutkimus loi uutta tietoa nivelrikon mekanismeista sekä lihavuuden, adipokiinien ja nivelrikon yhteyksistä. Tutkituilla adiponiineilla havaittiin olevan nivelrustovauriota edistäviä vaikutuksia ja kyseisiä adipokiineja sekä niiden vaikutusreittejä kannattaa jatkossa tutkia uusina lääkevaikutuskohteina nivelrikon ehkäisyssä / hoidossa, leptiiniä erityisesti lihavilla yksilöillä.

Osteoarthritis (OA) is the most common joint disease in the world, but at present, there are no disease modifying drugs available. Although the risk factors of OA are well known, the detailed mechanisms underpinning the disease are poorly understood. There is a clear need to clarify the molecular pathways in the pathogenesis of OA in order to discover novel targets for drug development.

Obesity is a significant risk factor of OA; the increased load on weight-bearing joints partly explains this connection. However, obesity is also a risk factor for hand OA. This points to the existence of some obesity-related metabolic factor(s) that could systemically mediate the effect of obesity on joints.

Adipocytokines, also known as adipokines, are hormones produced by adipose tissue. Adipokines were originally discovered as regulators of food intake and energy expenditure. More recently, they have been observed also to participate in the regulation of other body functions, such as in the regulation of the immune system. Adipokines have also been detected in osteoarthritic joints and they have been hypothesized to have a role in the pathogenesis of joint diseases.

The aim of the present study was to investigate the role of three adipokines i.e., adiponectin, leptin and resistin, in OA and to consider the possibility that they act as mediators between obesity and OA. The ultimate goal of this study was to produce information on possible novel drug targets for the treatment or prevention of OA.

Blood, cartilage and synovial fluid samples as well as clinical data from 100 OA patients undergoing knee replacement surgery in Coxa hospital for Joint Replacement, Tampere, Finland were collected for the study. In addition, intracellular mechanisms were investigated in additional cartilage and cell cultures.

Adiponectin and leptin concentrations in synovial fluid and in the circulation, and the levels of all three adipokines released from cultured cartilage were higher in females than males. The leptin concentration in all compartments correlated strongly with body mass index (BMI).

Adiponectin levels correlated with nitric oxide (NO), interleukin-6 (IL-6) and matrix metalloproteinase (MMP) enzymes MMP-1, MMP-3 and MMP-13 measured in the synovial fluid or in the cartilage culture media. Adiponectin increased the production of these factors in cultured OA cartilage and chondrocytes through mitogen-activated protein kinase (MAPK) mediated signaling pathways. Adiponectin was associated with circulating biomarkers of OA, namely cartilage oligomeric matrix protein (COMP) and MMP-3, as well as with the radiographic severity of OA.

Leptin concentration correlated with those of MMP-1 and MMP-3 in synovial fluid from obese (BMI > 30 kg/m2) OA patients. The leptin level was higher in patients with more severe findings/symptoms of OA as assessed by the Knee Society Score (KSS) rating of OA. Leptin increased the production of NO, IL-6, IL-8, prostaglandin E2 (PGE2), MMP-1, MMP-3 and MMP-13 in cartilage cultures through MAPK, protein kinase C (PKC), janus kinase 3 (JAK3) and nuclear factor κB (NF-κB) signaling pathways. Suppressor of cytokine signaling-3 (SOCS-3) was identified as a novel factor downregulating leptin responsiveness in chondrocytes. The expression of SOCS-3 and the level of soluble leptin receptor (sOb-R) that binds active free leptin into an inactive complex, were found to be lower in obese (BMI > 30 kg/m2) than in non-obese (BMI < 30 kg/m2) OA patients.

Resistin was present in OA synovial fluid and it was released from cultured OA cartilage. The levels of resistin correlated with those of NO, IL-6, MMP-1, MMP-3 and MMP-13 in synovial fluid and/or in cartilage culture media.

The correlations of all studied adipocytokines with proinflammatory and catabolic factors, as well as the proinflammatory and catabolic effects of adiponectin and leptin on cartilage, point to detrimental role for these adipokines in the pathogenesis of OA. Since the leptin concentration correlated with BMI and showed BMI-dependent clinical associations, it seems reasonable to postulate that it may act as a metabolic mediator between obesity and OA. Obese patients had also disturbed mechanisms to buffer leptin’s actions, i.e. decreased sOb-R concentrations and SOCS-3 expression, suggesting that obese individuals might be particularly prone to the detrimental effects of leptin. The findings propose that the studied adipokines could be investigated as novel drug targets in the prevention/treatment of OA in the future, especially leptin in obese individuals.