変形性関節症の病態における関節軟骨の修復と成長因子

バイオテクノロジー、特にクローン技術の進歩により、同化因子として、変形性関節症の発症において重要な役割を果たしているが完全には解明されていない成長因子のリストが最近大幅に拡大されました。

以下で説明する成長因子の最初のグループはIGFです。IGFは血清中に大量に存在し、インスリンと共通する多くの特性を持っています。IGF-2は胎児期の発達に典型的であり、IGF-1は成人におけるこのグループの主要な代表です。このグループの代表は両方とも、IGFタイプI受容体に結合して作用します。IGF-2の機能は未だ不明ですが、IGF-1の重要性はすでに明らかになっています。IGF-1は、軟骨細胞によるプロテオグリカンの合成を刺激し、関節軟骨における異化プロセスを著しく阻害することができます。IGF-1は、血清と滑液中に存在し、軟骨細胞によるプロテオグリカンの合成を促進する主要な同化刺激物質です。IGF-1は、in vitroの変形性関節症の実験モデルにおいて軟骨細胞を培養するための重要な因子です。IGF-1は血漿から滑液に入ると考えられています。さらに、正常な軟骨細胞はIGF-1とIGF-2の両方の因子を産生します。変形性関節症患者の滑膜と軟骨では、IGF-1とIGF-2の発現が確認されました。正常な軟骨では、IGF-1は細胞分裂を促進する性質はありませんが、損傷した基質における細胞増殖を刺激することができ、これは修復プロセスへの関与を示唆しています。

関節軟骨の修復を促進し、劣化を抑制する生理活性物質

• インスリン
• ガンマインターフェロン
• 成長ホルモン、アンドロゲン
• ソマトメジン（IPF-1およびIPF-2）
• TGF-β（組織増殖因子）
• 血小板由来成長因子
• 塩基性線維芽細胞増殖因子
• EFR
• IL-1受容体拮抗薬
• TNF-α結合タンパク質
• メタロプロテアーゼの組織阻害剤
• α2マクロ_{グロブリン}
• ai-アンチトリプシン
• RGマクログロブリン
• Rg-アンチキモトリプシン

IGF-1とIGF-2の作用は、軟骨細胞によって産生される様々なIGF結合タンパク質（IGF-BP）によって制御されます。IGF-BPはIGFのキャリアとして作用するだけでなく、IGF阻害活性も有します。変形性関節症患者の関節軟骨から単離された細胞は、過剰なIGF-BPを産生し、IGFの作用を阻害することが示唆されています。J. Martel-Pelletierら（1998）は、変形性関節症において軟骨におけるIGF-1の合成が増加するにもかかわらず、軟骨細胞はIGF-1刺激に対する反応が弱いことを示しました。この現象は（少なくとも部分的には）IGF-BPレベルの上昇と関連していることが判明しました。IGF-BPはIGFと高い親和性を持ち、その活性の重要なバイオモジュレーターです。現在までに 7 種類の IGF-BP が研究されており、IGF-BP-3 および IGF-BP-4 の調節異常が変形性関節症において重要な役割を果たしています。

軟骨細胞に対して異なる作用を示す成長因子の別のカテゴリーには、血小板由来成長因子（PDGF）、FGF、TGF-βなどがあります。これらの因子は軟骨細胞だけでなく、活性化滑膜細胞によっても産生されます。FGFは、関節軟骨の濃度と状態に応じて、同化作用と異化作用の両方を示します。PDGFは、明らかな細胞分裂促進作用を示さずに、関節軟骨の細胞外マトリックス（ECM）の恒常性維持に関与しています。この成長因子は、プロテオグリカンの合成を促進し、その分解を抑制することが知られています。

TGF-βは、変形性関節症の病態形成における役割から特に注目されています。TGF-βは大規模なTGFスーパーファミリーに属し、最近発見されたBMP（骨形成タンパク質）成長因子と機能的およびシグナル伝達特性を共有しています。

TGF-βは多面的作用を持つ因子です。免疫抑制作用を持つ一方で、走化性因子であり、線維芽細胞の増殖を強力に刺激します。TGF-βのユニークな特性は、様々な細胞からの酵素の放出を阻害し、酵素阻害剤（例えばTIMP）の産生を大幅に増加させることです。TGF-βは、炎症による組織損傷の重要な調節因子と考えられています。そのため、関節軟骨組織において、TGF-βは、特にこの因子に事前に曝露された後、軟骨細胞によるマトリックスの産生を著しく刺激します。正常な軟骨はTGF-βに鈍感です。OA患者では、TGF-βは関節軟骨におけるアグリカンと小さなプロテオグリカンの産生を刺激します。

TGF-βは多くの細胞、特に軟骨細胞によって産生されます。潜在型として放出され、潜在関連タンパク質（LAP）と呼ばれる特殊なタンパク質に結合します。このタンパク質からの解離は、炎症組織で大量に産生されるプロテアーゼによって行われます。活性化細胞によって産生されるTGF-βとは別に、この因子の潜在型の貯蔵は、局所損傷後の組織におけるTGF-β反応性の重要な要素です。TGF-βは、変形性関節症に罹患した関節の滑液、滑膜、および軟骨に大量に存在します。炎症性浸潤を伴う損傷組織領域では、TNFとIL-1の共発現が検出されますが、線維化を伴う領域では、TGF-βの発現のみが検出されます。

変形性関節症患者の培養軟骨細胞をTGF-βで刺激すると、これらの細胞におけるプロテオグリカンの合成が著しく増加します。正常軟骨細胞をTGF-βで刺激すると、数日間の培養後にのみプロテオグリカンの合成が増加します。おそらくこの時間は、TGF-βの影響下で細胞の表現型が変化するのに必要な時間です（例えば、いわゆるプロテオグリカンの区画化の変化、つまり新たに生成されたプロテオグリカンが軟骨細胞の周囲にのみ局在する状態など）。

成長因子合成、特にTGF-βの活性化は、腎線維症および肝線維症の病態形成、そして創傷治癒における瘢痕形成において重要な因子であることが知られています。in vitroにおける軟骨細胞への負荷増加はTGF-βの過剰産生を引き起こし、一方、四肢固定後のプロテオグリカン合成低下はTGF-βによって抑制されます。TGF-βは、負荷変化への適応機構として、関節辺縁帯における骨棘形成を誘導します。関節損傷に反応して滑膜に中等度の炎症プロセスを引き起こすIL-1は、過剰産生する、変化した表現型を有する軟骨細胞の形成を促進します。

高濃度の組み換え型 TGF-β を繰り返し局所注射すると、C57B1 マウスに変形性関節症が発症し、ヒトの変形性関節症の特徴である骨棘が形成され、「波状境界」領域でプロテオグリカンが大幅に減少しました。

過剰なTGF-βが軟骨に既知の変化を引き起こす仕組みを理解するには、TGF-βへの曝露が、合成されるプロテオグリカンのサブクラスの変化とECM要素の正常な統合の破壊を伴う特徴的な軟骨細胞の表現型を誘導することに注目する必要がある。IGF-1とTGF-βはどちらもアルギン酸中で培養された軟骨細胞によるプロテオグリカン合成を刺激するが、後者はいわゆるプロテオグリカンの区画化も誘導する。さらに、TGF-βは活性化軟骨細胞中のコラーゲナーゼ-3（MMP-13）のレベルを上昇させることがわかっており、これはTGF-βがむしろ破壊的なプロテアーゼの放出を減少させる因子であるという一般的な考えとは矛盾している。しかし、TGF-β誘導性のMMP-13合成がOAの病態に関与しているかどうかは分かっていない。 TGF-βはプロテオグリカンの合成を刺激するだけでなく、靭帯や腱へのプロテオグリカンの沈着を促進し、関節の硬直性を高め、可動域を狭めます。

BMPはTGF-βスーパーファミリーに属します。その一部（BMP-2、BMP-7、BMP-9）は、軟骨細胞によるプロテオグリカンの合成を促進する性質を持っています。BMPは細胞表面の特定の受容体に結合して効果を発揮しますが、TGF-βとBMPのシグナル伝達経路はわずかに異なります。TGF-βと同様に、BMPはセリン/スレオニンキナーゼ受容体複合体I型およびII型を介してシグナル伝達します。この複合体では、II型受容体がトランスリン酸化され、I型受容体を活性化します。I型受容体は、シグナルをSmadと呼ばれるシグナル伝達分子に伝えます。シグナルを受け取ったSmadは、速やかにリン酸化されます。現在、BMPシグナル伝達経路ではSmad-1、-5、-8がリン酸化され、TGF-βシグナル伝達経路ではSmad-2とSmad-3がリン酸化されることが分かっています。そして、これらのSmadは、TGF-βスーパーファミリーの全メンバーのシグナル伝達経路に共通するSmad-4と会合します。この事実は、TGF-βスーパーファミリーのメンバーに共通する機能交差の存在、および共通構成要素の競合によるTGF-βとBMPシグナル伝達経路の相互阻害現象を説明しています。近年、Smad-6およびSmad-7に代表される別のクラスのSmadタンパク質が同定されました。これらの分子は、TGF-βおよびBMPシグナル伝達経路の調節因子として機能します。

CMPがプロテオグリカン合成を促進する作用があることは古くから知られているが、CMPには細胞の脱分化を引き起こし、石灰化と骨組織形成を促進することが知られているため、関節軟骨機能の調節におけるその役割については依然として議論が続いている。M. Enomoto-Iwamotoら (1998) は、CMPとCMP受容体II型との相互作用は、軟骨細胞の分化した表現型の維持、ならびにその増殖と肥大の制御に必要であることを示した。LZ Sailorら (1996) によると、CMP-2は培養下で4週間にわたり軟骨細胞の表現型を維持し、肥大を引き起こさない。CMP-7 (骨形成タンパク質-1と同一) は、アルギン酸中で培養された関節軟骨の成熟軟骨細胞の表現型を長期間維持する。

KMP-2およびKMP-9をマウスの膝関節に導入すると、プロテオグリカン合成が300%増加し、TGF-βを有意に上回りました。しかし、この刺激効果は一時的なもので、数日後には合成レベルは初期レベルに戻りました。TGF-βはプロテオグリカン合成を長期的に刺激しましたが、これはTGF-βの自己誘導と、この因子に対する軟骨細胞の感作によるものと考えられます。

TGF-βは軟骨増殖体の形成に関与しており、これはその作用の望ましくない影響と考えられますが、KMP-2も軟骨増殖体の形成を促進しますが、関節縁の別の領域（主に成長板の領域）で促進されます。

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軟骨形成タンパク質

軟骨形成タンパク質（CMP-1およびCMP-2）は、TGF-βスーパーファミリーに属するタンパク質であり、四肢の発達における軟骨組織の形成に不可欠です。CMP-1遺伝子の変異は、軟骨異形成症を引き起こします。CMPは、より選択的な軟骨標的プロファイルを有する可能性があります。TGF-βとCMPは軟骨細胞を刺激しますが、他の多くの細胞にも作用するため、軟骨修復への使用には副作用が伴う可能性があります。どちらのタイプのCMPも、健常関節および変形性関節症の軟骨に存在し、酵素分解後の関節軟骨細胞外マトリックス（ECM）の修復を促進し、正常な表現型を維持します。

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成長因子の相乗効果

一つの成長因子は、他の成長因子と同様に、自己増殖を誘導することができ、その相互作用は細かく制御されています。例えば、FGFは他の成長因子と併用することで、外傷性欠損後の関節軟骨の修復をより効果的に促進します。IGF-1はTGF-βと併用することで、in vitro培養において軟骨細胞の正常な表現型を顕著に誘導します。TGF-βはIGF-1およびIGF-BPの産生を阻害し、IGF-1受容体を脱リン酸化してIGF-1の結合を刺激することが実証されています。マウスの無傷軟骨では、IGF-1と多くの成長因子の相乗効果が認められました。しかし、IGF-1に対する軟骨細胞の弱い反応は、他の成長因子と組み合わせて使用することで平準化することはできません。

同化性サイトカインと破壊性サイトカインの相互作用

成長因子は IL-1 と複雑な相互作用を示す。例えば、軟骨細胞を FGF に事前曝露すると、IL-1 受容体の発現増加を介して、IL-1 曝露後のプロテアーゼ放出が増加する。PDGF も IL-1 依存性のプロテアーゼ放出を刺激するが、IL-1 を介したプロテオグリカン合成の阻害を軽減する。これは、一部の成長因子が軟骨の修復を刺激し、同時にその破壊を促進できることを示しているのかもしれない。IGF-1 や TGF-β などの他の成長因子は、関節マトリックスの合成を刺激し、IL-1 を介した関節軟骨の破壊を阻害することから、これらの因子の活性は組織修復にのみ関連していることがわかる。この相互作用は、軟骨細胞の IL-1 への事前曝露とは無関係である。興味深いことに、IL-1 と TGF-β の効果の速度論は異なる可能性がある。TGF-β の関節軟骨分解を抑制する能力は、TIMP mRNA に対するその緩やかな作用によって減弱する。一方、TGF-β非存在下ではhNOCおよびNOレベルの上昇が観察される。軟骨細胞によるプロテオグリカン合成に対するIL-1の抑制効果がNO依存的であることを考慮すると、生体内におけるプロテオグリカン分解と比較して、IL-1依存性プロテオグリカン合成阻害に対するTGF-βの有意に強い拮抗作用が観察される理由を説明できるかもしれない。

マウスの関節内にIL-1と成長因子を注入した研究では、TGF-βがIL-1を介した関節軟骨プロテオグリカン合成阻害を顕著に抑制することが実証されました。一方、CMP-2にはそのような抑制作用がなく、CMP-2の刺激活性は高濃度のIL-1によって完全に阻害されました。特に、IL-1非存在下では、CMP-2はTGF-βよりもはるかに強くプロテオグリカン合成を刺激しました。

TGF-βはプロテオグリカン合成への影響に加え、IL-1誘導による軟骨プロテオグリカン含量の減少にも顕著な影響を及ぼす。プロテオグリカン含量は、IL-1とTGF-βの相対濃度に依存して減少または増加する可能性がある。興味深いことに、上述のIL-1とTGF-βの拮抗作用は軟骨の厚みにおいて観察されたが、この現象は関節面縁の軟骨棘細胞近傍では観察されなかった。軟骨棘細胞の形成はTGF-βによって誘導され、TGF-βは骨膜中の軟骨形成細胞に作用し、軟骨芽細胞の発達とプロテオグリカンの沈着を引き起こす。明らかに、これらの軟骨芽細胞はIL-1に感受性がない。

HL Glansbeekら（1998）は、ザイモサン誘発性関節炎（すなわち、「純粋な」IL-1誘発性炎症モデル）を呈したマウスの関節におけるプロテオグリカン合成抑制に対するTGF-βとKMP-2の作用を研究した。TGF-βの関節内投与は炎症によるプロテオグリカン合成抑制を有意に抑制したが、KMP-2はこのIL-1依存性プロセスを実質的に抑制することができなかった。研究対象動物の膝関節へのTGF-βの反復注入は、軟骨細胞によるプロテオグリカン合成を有意に刺激し、炎症によって枯渇した軟骨における既存のプロテオグリカンの維持に寄与したが、炎症プロセスは抑制しなかった。

動物の変形性関節症の実験モデルを用いて軟骨細胞のプロテオグリカン合成機能を研究した場合、炎症モデルでは顕著な合成阻害（IL-1依存性プロセス）が観察されるのに対し、OAの初期段階ではプロテオグリカン含量の増加と合成の促進が常に認められる。変形性関節症で観察される同化因子、特に成長因子の活性増加は、IL-1などの抑制性サイトカインの効果を中和する。成長因子の中で最も重要なのはTGF-βであり、KMP-2がこのプロセスで重要な役割を果たす可能性は低い。IGF-1はin vitroではプロテオグリカン合成を刺激することができるが、IGF-1を局所的に適用したin vivoではこの特性は観察されない。これは、この成長因子の内因性レベルが最適であるという事実によると考えられる。変形性関節症の後期段階では、プロテオグリカン合成阻害の兆候が現れますが、これはおそらく IL-1 の優勢な作用と、活性低下により成長因子がそれを打ち消すことができないことに関係しています。

自発性変形性関節症を呈するSTR/ORTマウスにおける成長因子発現解析により、損傷軟骨におけるTGF-βおよびIL-1のmRNAレベルが上昇していることが示された。潜在型TGF-βの活性化は組織修復において重要な要素であることに留意すべきである。ACLウサギにおけるTGF-βII型受容体発現研究の結果は、TGF-βの役割の理解を複雑化させている。変形性関節症誘発直後にはこれらの受容体レベルの低下が検出され、TGF-βシグナル伝達が不十分であることが示唆された。興味深いことに、TGF-β受容体II型欠損マウスは自発性変形性関節症の兆候を示し、これもまたTGF-βシグナル伝達が軟骨修復の悪化および変形性関節症の発症において重要な役割を果たしていることを示唆している。

関節リウマチまたは変形性関節症患者の関節における成長因子の絶対量は、これらの疾患の発症におけるそれらの役割を示唆する可能性があります。しかし、変形性関節症と関節リウマチの関節では成長因子が高濃度で認められるにもかかわらず、両疾患における分解および修復プロセスの性質は全く異なります。おそらく、これらの疾患の発症において主要な役割を果たす、まだ特定されていない他の因子が存在するか、あるいは研究対象となった現象の他の側面（例えば、軟骨細胞表面の特定の受容体の発現、タンパク質に結合する可溶性受容体、同化因子と破壊因子の不均衡など）が関節組織における分解および修復プロセスの進行を決定していると考えられます。