Regulation of inducible nitric oxide synthase expression and nitric oxide production in osteoarthritic cartilage and chondrocytes

Abstract

Uutta tietoa nivelrikosta Lääkehoidon kehittämisessä päästy askel eteenpäin

Nivelrikosta eli artroosista kärsii yli 400.000 suomalaista. Nivelrikon ensimmäisenä oireena on kipu nivelessä sitä rasitettaessa ja myöhemmin myös levossa. Sairaus voi johtaa nivelen jäykkyyteen ja liikkeen rajoittumiseen. Nivelrikkoa esiintyy tavallisimmin polvessa, lonkassa, selkärangassa ja sorminivelissä.

Aikaisemmin luultiin, että nivelrikko johtuu nivelen kulumisesta. Nykyään tiedetään, että kyseessä on nivelen sairaus, jonka seurauksena rusto vaurioituu ja ohenee. Nivelrikko aiheuttaa muutoksia myös muissa nivelen rakenteissa.

Tällä hetkellä nivelrikon hoito on ensisijaisesti kivun hoitoa ja toimintakyvyn ylläpitoa lääkkeillä, liikunnalla ja kuntoutuksella ja pidemmälle edenneissä tapauksissa tekonivelkirurgialla. Suomessa tehdään vuosittain yli 10 000 polven tai lonkan tekonivelleikkausta nivelrikon vuoksi. Väestön ikärakenteen muuttuessa hoidon tarve lisääntyy tulevina vuosina. Vilkkaasta tutkimuksesta huolimatta sairauden etenemistä hidastavia lääkkeitä ei ole pystytty toistaiseksi kehittämään.

Väitöskirjatutkimuksessaan lääketieteen lisensiaatti Katriina Vuolteenaho osoitti, että nivelrikkorusto tuottaa typpioksidia. Typpioksidi on elimistön kaasumainen viestimolekyyli, joka säätelee useita elimistön toimintoja. Nivelessä typpioksidi on rustotuhoa voimistava välittäjäaine ja typpioksidituottoa estävillä yhdisteillä on saatu lupaavia tuloksia nivelrikon koemalleissa.

Katriina Vuolteenaho tutki väitöskirjatyössään niitä solunsisäisiä mekanismeja, jotka johtavat liiallisen typpioksidituoton käynnistymiseen rustosoluissa ja nivelrikkorustossa. Tulosten perusteella etsittiin keinoja ja yhdisteitä, joilla nivelrikkoruston typpioksidisynteesiä voitaisiin säädellä. Tutkimuksessa löydettiin myös uusi vaikutusmekanismi reumalääkkeenä käytettävälle aurotiomalaatille: lääke esti ruston typpioksidituotantoa.

Väitöskirjatyö on perustutkimusta, joka antaa uutta tietoa typpioksidituoton ja -säätelyn perusmekanismeista nivelrikkorustossa. Tätä tietoa voidaan käyttää hyödyksi pyrittäessä kehittämään lääkkeitä nivelrikon hoitoon, sillä typpidioksidin tuotannon estäminen saattaisi olla avain nivelrikolle tyypillisten rustovaurioiden ehkäisemiseen.

Väitöskirja on tehty osana Tampereen yliopiston lääketieteellisessä tiedekunnassa tehtävää laajempaa typpioksidisynteesin säätelyä käsittelevää lääkekehitysprojektia. Projektia johtaa professori Eeva Moilanen ja se saa rahoituksensa TEKESin ja Suomen Akatemian Lääke 2000 teknologiaohjelmasta.

Regulation of inducible nitric oxide synthase expression and nitric oxide production in osteoarthritic cartilage and chondrocytes

Osteoarthritis (OA) is the most common cause of musculoskeletal disability and pain in the Western world. The characteristic feature of OA is destruction of the articular cartilage, although pathognomonic features are found throughout the entire joint. According to current viewpoint, OA is regarded as a local slowly progressing inflammatory condition, in which the chondrocyte plays an active role by releasing inflammatory and destructive mediators. The proinflammatory cytokines, interleukin-1 (IL-1) and tumor necrosis factor α (TNFα), enhance the destructive processes in OA cartilage. Both of these cytokines are capable of inducing nitric oxide (NO) production in chondrocytes and NO mediates many of the destructive effects of IL-1 and TNFα in the cartilage. Inhibitors of NO synthesis have shown retardation of clinical and histological signs and symptoms in various models of arthritis as well as in experimental OA.

Current therapy of OA combines non-pharmacological and pharmacological treatment to relieve pain, maintain or improve joint function, and decrease disability. At the moment there is no treatment available that could prevent or retard the disease progression in OA. NO production in chondrocytes represents a promising target to inhibit or to depress the destructive processes going on in the cartilage. The aim of the present study was to investigate the signaling pathways in the induction of iNOS expression and NO production in OA cartilage and in chondrocyte culture activated by IL-1. In addition, the pharmacological regulation of NO production and the effects of currently available disease-modifying antirheumatic drugs (DMARDs) on NO production were investigated.

In the present study, OA cartilage was found to produce NO spontaneously via inducible nitric oxide synthase (iNOS). Protein tyrosine kinases and nuclear factor B (NF-B) activation is involved in the iNOS induction. The results indicated that OA cartilage actively regulates responses to cytokines by producing endogenous cytokine antagonists IL-1 receptor antagonist (IL-1Ra), soluble IL-1 receptor II (sIL-1RII) and soluble TNFα receptor I and II (sTNFRI and sTNFRII). A highly selective iNOS inhibitor 1400W further enhanced IL-1 -induced IL-1Ra production by OA cartilage suggesting the presence of a positive feedback loop between IL-1 and NO as IL-1 -induced NO production promotes cartilage destruction by IL-1 by suppressing production of protective IL-1Ra. In addition to cartilage destructive mediators i.e. IL-1 and TNFα, the concentrations of anabolic transforming growth factor β (TGFβ) in synovial fluid are increased in OA. TGFβ inhibited IL-1 -induced NO production and iNOS expression by enhancing iNOS protein degradation. This finding suggests additional mechanism for TGFβ to counteract the destructive effects of IL-1 in OA and points to the importance of post-transcriptional regulation in NO production together with transcriptional regulation.

Glucocorticoids are commonly used as intra-articular injections in the treatment of knee OA. Although glucocorticoids have been shown to suppress NO production in various cell types, IL-1 -induced NO production in OA cartilage and chondrocytes was insensitive to dexamethasone. From the disease-modifying antirheumatic drugs (DMARDs) studied, aurothiomalate and hydroxychloroquine suppressed IL-1 -induced NO production in chondrocyte cultures and in OA cartilage probably due to suppression of NF-B activation. The TNFα-antagonists, etanercept and infliximab, suppressed TNFα -induced NO production in OA cartilage but had no effect on NO production induced by IL-1, LPS or IL-17. These data suggests that TNFα is not an autacoid mediator in these processes. In summary, aurothiomalate, hydroxychloroquine, etanercept and infliximab suppressed induced NO production in OA cartilage pointing to therapeutic potential for these drugs in the treatment of OA. The inhibitory effect also serves as a mechanism of action by which aurothiomalate and TNFα-antagonists can retard the progression of RA, because the inhibitory effects were achieved at drug concentrations found in vivo after administration of antirheumatic doses of the drugs.