İNFLAMASYON ve KEMİK METABOLİZMASI

Transkript

1 İNFLAMASYON ve KEMİK METABOLİZMASI AR. GÖR. FUNDA TAMER HACETTEPE ÜNİVERSİTESİ BESLENME ve DİYETETİK BÖLÜMÜ Beslenme İlintili Hastalıklarda Metabolik ve Biyokimyasal Değişiklikler

2 SUNUM PLANI Kemik-immün hücre Kemik yeniden modellenmesi Osteoimmünoloji RANK-RANKL-OPG İmmün hücre ve sitokinler İmmün aktivasyon ve inflamasyonun kemik yapısı üzerine etkileri Beslenme

3 İskelet ve immün sistem tamamen ayrı gözüken ancak inflamasyon ve kemik modellenmesinin ortak süreçleri ile bağlanmış iki sistem olarak karşımıza çıkmaktadır. İMMÜN HÜCRE Arron, j. et al., Nature,408(6812):535-6 David, J.P Adv Immunol, 95: Danks, L. et al J Biochem, 154(1):29-39

4 Kemik oluşumu Kronik inflamatuar hastalıklar Endokrin sistemdeki fonksiyonel değişiklikler Kemik resorpsiyonu Walsh, MC. et al., Cytokine Growth Factor Rev, 14(3-4): Sato, K. et al., Curr Opin Rheumatol, 18(4): Lorenzo, J. et al., Endocr Rev, 29(4): Scholtysek, C. et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11(3):188-95

5 İmmün hücre fonksiyonlarıyla ilişkili sitokinler, kemokinler ve büyüme faktörleri gibi çok sayıda çözünür medyatörün osteoblast ve osteoklast aktivitelerini regüle ettiği gösterilmiştir. SİTOKİNLER Raımer et al., Int Arch Allergy Immunol, 143:31-48 Lorenzo et al., Endocr Rev, 29: Schett G., Arthritis Res Ther, 11:

6 Kemik ve immün hücrelerin ortak öncü hücrelerden köken aldığı, hücre sinyalizasyonu için ortak reseptörleri paylaştıkları ve immün hücrelerin osteoklastlara farklılaştığı bilinmektedir. Raımer et al., Int Arch Allergy Immunol, 143:31-48 Lorenzo et al., Endocr Rev, 29:403-40

7 KEMİK İMMÜN SİSTEM (a) immün sistem aracılı kemik yıkımı, (b) inflamasyon ve kemik yapımı arasındaki etkileşim ve (c) kemiğin immün hücreler için oluşturduğu alandır Schett G., Arthritis Res Ther, 11(1):

8 Kemik yeniden modellenmesi Yetişkinlerde, her yıl toplam kemik kütlesinin yaklaşık %10 u kemik yeniden modellenme sürecine girmektedir. Yeniden modellenme sayesinde kemik dokusunda sürekli meydana gelen hasar tamir edilir. Kemik yapımı ve resorpsiyonu sağlıklı kemik yapısının sağlanması için gerekmektedir Rho, J. et al., Mol Cells, 17(1):1-9 Scholtysek, C. et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11(3):188-95

9 Monosit/makrofaj ailesi kök hücreleri Mezenkimal kök hücreleri Osteoklast öncüleri Osteoblast öncüleri Osteoklast Doldurulmuş resorpsiyon alanı Endotel hücre, kan damarları Resorpsiyon alanı Osteoblast Kemik resorpsiyonu Kemik yapımı Osteositler Redlich, K., Smolen, J.S Nature Reviews Drug Discovery 11,

10 Hematopoetik monosit/makrofaj öncül hücrelerden osteoklastların farklılaşması osteoklastogenez olarak adlandırılmaktadır ve olgun osteoklastların aktivasyonunu sağlamaktadır. Rho, J. et al., Mol Cells, 17(1):1-9 Scholtysek, C. et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11(3):188-95

11 Osteoblastların ve osteoklastların farklılaşma ve fonksiyonları büyüme faktörleri ve sitokinler ile etkilenmektedir. Harada, S. et al., Nature, 423(6937): Lorenzo J. et al., Endocr Rev, 29: Scholtysek C. et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11(3): Makrofaj, dendritik hücre ve osteoklastların monosit-makrofaj ailesinden gelen ortak öncü hücreleri bulunmaktadır. Takayanagi H., Ann N Y Acad Sci,1192:117-23

12 Osteoimmünoloji «Osteoimmünoloji» terimi ilk olarak 2000 yılında immün ve iskelet sistemi hücreleri arasındaki ilişkinin açıklanması için ortaya atılmıştır. 1 yıl öncesinde, RANKL T lenfositlerde bulunmuş, dendritik hücre ve osteoklast fonksiyonu için regülatör olarak tanımlanmıştır. Takayanagi, H Nat Rev Rheumatol, 11:74-6

13 Osteoblast ve osteoklast ilişkisi Osteoblastlarda üretilen 2 temel faktör osteoklastların gerçekleştirdiği kemik resorpsiyonunun regülasyonunda önemli rol oynamaktadır RANKL OPG Walsh MC., et al Front Immunol, 5: Takayanagi, H Nat Rev Rheumatol, 11:74-6

14 Reseptör aktivatör nükleer faktör k-b (RANK) Ligandı Osteoklast öncüsü Farklılaşma ve füzyon Aktif osteoklast TNF süper ailesi proteinleri üyesidir. Osteoblastlarda transmembran proteini olarak üretilmektedir. Osteoblast Theill, et al Annu Rev Immunol, 20: Nakashima et al., 2009, J Bone Miner Metab, 27: Takayanagi, H Nat Rev Rheumatol, 11:74-6 KEMİK RESORPSİYONU

15 1,25- dihidroksi vitamin D 3 PTH Prostaglandin E 2 RANKL ekspresyonu Theill, et al Annu Rev Immunol, 20: Nakashima et al., 2009, J Bone Miner Metab, 27: Takayanagi, H Nat Rev Rheumatol, 11:74-6

16 RANKL osteklast öncü hücrelerinin farklılaşmasını ve olgun hücrelerin resorpsiyon kapasitesini regüle eden çok önemli bir sitokindir. Takayanagi, H J Periodontal Res, 40: Osteoklastlarda bulunan reseptörüne bağlandığında RANKL sinyalizasyonu sonucunda hücre farklılaşması ve aktivasyonu artarak osteoklast spesifik moleküllerin ekspresyonu sağlanmaktadır. Zupan, et al., Biochem Med, 23:43-63 İnflamasyona bağlı gelişen kemik hasarının anormal RANKL ekspresyonu nedeniyle oluşan patolojik bir durum olduğu bilinmektedir. Theill et al., 2002, Annu Rev Immunol, 20:

17 RANK RANK ligandının biyolojik olarak aktif reseptörü RANK ilk olarak dendritik hücrelerde tanımlanmıştır. Bununla birlikte osteoklast öncü hücreleri,olgun osteoklastlar ile B ve T lenfositlerde de eksprese olduğu gösterilmiştir. TNF reseptör süper ailesi üyesidir. OSCAR Ayrıca monosit yüzeyinde eksprese olmaktadır Lorenzo, et al., Immunol Rev, 208:5-6 Nemeth et al., 2011, J Immunol, 186:13-8 Goettsch et al., Endocrinology, 152:

18 RANKL-RANK Boyle WJ. et al., Nature, 423: Kök hücre Pre-osteoklast Çok çekirdekli osteoklast Osteoblastlar RANKL Aktif osteoklast Beslenme İlintili Hastalıklarda Metabolik ve Biyokimyasal Değişiklikler KEMİK YIKIMI

19 Osteoprotegrin (OPG) TNF reseptör süper ailesi üyesidir. Osteoblastlar tarafından sentezlenir ve osteoklastogenez üzerine inhibe edici etki gösterir. RANK ligandına yüksek spesifite ile bağlanmakta; osteoklast farklılaşmasını ve aktivasyonunu önlemekte, osteoklast apoptozunu arttırmaktadır. Nabipour, I. et al., Menopause, 16:950-5

20 Boyle WJ. et al., Nature, 423: Kök hücre Pre-osteoklast RANKL RANK OPG Osteoklast farklılaşması, fonksiyon ve survivalı inhibe olmaktadır Beslenme İlintili Hastalıklarda Metabolik ve Biyokimyasal Değişiklikler

21 RANKL-OPG arasındaki denge kemik resorpsiyon hızını belirlemektedir Osteoklast aktivasyonu Lacey DL, et al. Cell. 1998;93: Boyle WJ, et al. Nature. 2003;423: Hofbauer LC, et al. JAMA. 2004;292:490-5 Nabipour, I. et al., Menopause, 16:950-5

22 Makrofaj Pre-osteoklast Çok çekirdekli osteoklast Aktif osteoklast Sitokin Büyüme Faktörleri Hormonlar Osteoblast Osteosit Kemik yapımı Kemik yıkımı J. Brent Richards, Hou-Feng Zheng & Tim D. Spector Nature Reviews Genetics 13, (August 2012)

23 Takayanagi, H Ann N Y Acad Sci, 1192: Nakashima, T., et al., Trends Endocrinol Metab, 23: TNF Reseptör İlişkili Faktör (TRAF) RANK tek başına intrinsik enzim aktivitesi gösteremez. Adaptör proteinler gereklidir. TNF-reseptör-ilişkili faktör (TRAF) ailesi proteinleri (7 üyesi bulunmaktadır) TRAF6, RANK sinyali için en önemli adaptör proteindir

24 Osteoblast Takayanagi, H Ann N Y Acad Sci, 1192: Nakashima, T., et al., Trends Endocrinol Metab, 23: Osteoklast öncüsü CD40, Toll-benzeri reseptörler (TLRs) ve IL-1 reseptörü Osteoklastogenik genler

25 Monosit-Koloni Stimüle Edici Faktör (M-CSF) Osteoblastlar da dahil olmak üzere çeşitli hücrelerin ürettiği M-CSF osteoklast proliferasyonunda önemli etkiye sahiptir. Pre-osteoklastların yüzeyinde bulunan reseptörüne (c-fms) bağlanarak intraselüler bir kaskadı uyarmaktadır. Sonuçta osteoklast proliferasyonu ve survival ını değiştirmektedir. Caetano-Lopes, J. Et al Autoimmun Rev, 8(3):250-5

26 RANKL-RANK Boyle WJ, et al. Nature. 2003;423: Kök hücre M-CSF Pre-osteoklast Çok çekirdekli osteoklast Osteoblastlar RANKL Aktif osteoklast Beslenme İlintili Hastalıklarda Metabolik ve Biyokimyasal Değişiklikler KEMİK YIKIMI

27 ephrinb2-ephb4 ephrinb2-ephb4 aracılı sinyalizasyon c- fos ve NFATc1 transkripsiyonel kaskatlarını bloke ederek osteoklast farklılaşmasını inhibe etmektedir. Ayrıca çeşitli osteogenik genleri (Dlx5, Osx, Runx2) stimüle ederek osteoblast farklılaşmasını indüklemektedir. Caetano-Lopes, J. Et al Autoimmun Rev, 8:250-5

28 Bu 2 yönlü sinyalizasyonun; Anjiyogenez, intestinal hücrelerde epitelyal hareket, akson hareketi, kök hücre farklılaşması, immün yanıt ve kemik yapısı için önemli olduğu gösterilmiştir. ephrinb2-ephb4 aracılı osteoblast-osteoklast etkileşimi kemik üretimi ve resorpsiyonu arasındaki dengenin sağlanmasında önemli role sahiptir. Caetano-Lopes, J. Et al Autoimmun Rev, 8:250-5

29 Kemiğin immünoregülasyonu OSTEOBLAST Doğal ve edinilmiş bağışıklığın farklı efektör hücreleri OSTEOKLAST Caetano-Lopes, J. Et al Autoimmun Rev, 8:250-5 Scholtysek et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11: Okamato, K. et al Clin Calcium, 22:1641-9

30 Kemiğin immünoregülasyonu İmmün ve iskelet sistem hücreleri aynı mikro çevreden köken almakta ve çeşitli ortak düzenleyici faktörlerden etkilenmektedir: Sitokinler Sinyal molekülleri Transkripsiyon faktörler Reseptörler Caetano-Lopes, J. Et al Autoimmun Rev, 8:250-5 Scholtysek et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11: Okamato, K. et al Clin Calcium, 22:1641-9

31 Otoimmün artrit ve osteoporoz gibi kemik hastalıklarının patogenezi?? OSTEOKLAST REGÜLASYONU İnflamasyonun osteoklastogenezi arttırdığı bilinmektedir Walsh, M.C., et al Cytokine Growth Factor Rev, 14:251-63

32 RANKL osteoblastlar dışında; Monosit, nötrofil, dendritik hücre, B ve T lenfositlerinde üretilmektedir. Sato, K., et al., Curr Opin Rheumatol, 18:419-26

33 T-Hücreleri RANKL, aktive T hücrelerinde eksprese olabilmekte ve osteoklast öncü hücreler üzerine direkt etki göstererek osteoklast farklılaşmasını indükleyebilmektedir. T hücreleri inflamasyon ile ilgili bölgelerde sıklıkla gözlenmektedir ve edinilmiş immün yanıt sırasında salınan regülatör sitokinlerin temel salgılayıcılarıdır. T hücrelerinin sinovyuma infiltrasyonu RA da önemli bir patolojik bulgudur. Sato, K., et al., Curr Opin Rheumatol, 18: Takayanagi, H Nat Rev Rheumatol, 5: Scholtysek et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11: Rauner, M. et al Int Arch Allergy Immunol, 160: Danks, L., et al J Biochem, 154:29-39

34 İnflamasyonun osteoklast ve kemik resorpsiyonunu modüle etmesi ile ilişkili mekanizma T hücre IL-1, IL-6, IL-17 Osteoblast RANKL RANKL RANKL+M-CSF Osteoklast öncüleri Aktif osteoklast Lacativa, PG. et al Arq Bras Endocrinol Metab, 54(2):123-32

35 T hücreleri IFN-gama IFN-α : RANK-RANKL sinyalizasyonunun negatif regülatörü INF-β: RANKL ile indüklenen c-fos ekspresyonunu etkiler, osteoklastogenez inhibisyonu RANK-RANKL inhibisyonu TRAF6 degredasyonu Ubikitin-proteozom yolağı NF-kB ve JNK gibi sinyalizasyon yolaklarının blokajı Takayanagi, H Nat Rev Rheumatol, 5:667-76

36 Th17 hücreleri tipik osteoklastogenik T hücre tipidir Yüksek düzeyde RANKL eksprese ederler RANKL ekspresyonunu arttıran pro-inflamatuar sitokin üretirler (IL- 17) Kemik ve kartilaj degredasyonunu indükleyen enzimlerin sentezi artar Sato, K., et al., Curr Opin Rheumatol, 18: Scholtysek et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11: Bultink, IE. et al., Curr Rheumatol Rep, 14:224-30

37 Patolojik durumlarda T hücrelerinin osteoklastogenez üzerine olan etkisi eksprese ettikleri pozitif ve negatif faktörlere bağımlılık göstermektedir. Kan damarları Osteoblastlar Osteoklastlar Seeman E, et al N Engl J Med.354(21):

38 T-hücre alt tipi İlişkili sitokin Osteoklastogeneze olan etkisi T h 1 T h 2 T h 17 T reg IFNγ IL-12 IL-18 TNF IL-4 IL-6 IL-10 IL-13 IL-17 RANKL IL-23 TNF IL-10 TGF-β IL-6 İnhibisyon Stimülasyon Stimülasyon Stimülasyon İnhibisyon Stimülasyon İnhibisyon İnhibisyon Stimülasyon Stimülasyon Stimülasyon Stimülasyon İnhibisyon Stimülasyon Stimülasyon Takayanagi, H Nat Rev Rheumatol, 5:667-76

39 Diğer immün hücreler Dendritik hücreler immün yanıtın başlaması sırasında anahtar moleküllerdir. Normal şartlar altında, dendritik hücreler kemikte nadir olarak lokalize olurlar ve kemik yeniden modellenmesi sürecinde yer almazlar. Ancak RANKL varlığında ve inflamatuar durumlarda osteoklast öncülerine farklılaştıkları gösterilmiştir. Okamoto, K., et al., Clin Calcium, 22: Scholtysek et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11:188-95

40 Diğer immün hücreler Makrofajlar doğal immünitenin temel bileşenleridir ve benzer şekilde RANKL varlığında osteoklast farklılaşması yolağına girebilmektedirler. Ayrıca TNF-α, IL-I ve IL-6 gibi proinflamatuar sitokinler için önemli üreticilerdir. Bu sitokinler varlığında osteklast öncülerinin proliferasyon ve farklılaşması artmakta, sinovyal fibroblastlarda RANKL üretimini indüklemektedir. Takayanagi, H Phys Biol Sci, 83: Okamoto, K., et al., Clin Calcium, 22: Scholtysek et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11:188-95

41 İmmün hücreler Osteoklast farklılaşması Ürettikleri sitokinler ve RANK-RANKL sinyalizasyona etkileri ile kemik hasarı üzerine etki gösterirler Takayanagi, H Phys Biol Sci, 83: Okamoto, K., et al., Clin Calcium, 22: Scholtysek et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11:188-95

42 Sitokinler IL-4 BALP IL-5 IL-10 IL-12 IL-13 IL-18 IFN-α,β,γ Collagen type I propeptides Osteocalcin TNF-α IL-1 IL-3 IL-6 IL-7 IL-11 IL-15 IL-17 Mabey, T. et al., World J Orthop, 6:95-105

43 TNF-α TNF-α makrofajlar, doğal öldürücü hücreler, mast hücreleri, T ve B lenfositleri gibi çok sayıda immün hücre tarafından üretilmektedir. Osteoklastogenez için güçlü bir stimülatördür. TNF-α osteoklast öncülerini kemik iliğinden inflamasyon bölgesine getirerek kemik yıkımı üzerine arttırıcı etki göstermektedir. Delves, PJ. et al N Engl J Med, 343(2): Azuma Y. et al., 2000, J Biol Chem, 275(7): Scholtysek et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11(3):188-95

44 IL-1 Makrofajlar, lenfositler ve ayrıca mezankimal hücreler gibi çok sayıda hücre tarafından üretilmektedir. IL-1 in osteoklast üretimini arttırdığı ve ömrünü uzattığı gösterilmiştir. Teitelbaum, SL. et al., Science, 289(5484):1504-8

45 Eklem yıkımının lokal aktivasyonu hem osteoklastları hem de inflamatuar hücreleri inflamasyon bölgesine çekerek İnflamatuar medyatörler IL-1 TNF-α Degrade edici enzimler Sitokinler Scholtysek et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11(3):188-95

46 IL-6 Artritte, IL-6 nın hem lokal hem de sistemik kemik resorpsiyonu üzerine önemli etkileri olduğu gösterilmiştir. Fonseca, JE., et al Autoimmun Rev, 8(7):538-42

47 Scholtysek et al., Inflamm Allergy Drug Targets, 11(3): IL-6 Paget s hastalığı ve RA gibi kronik bozukluklarda patojenik role sahiptir. Her 2 durum da aşırı osteoklast gelişimi ve osteolitik lezyonlarla karakterizedir.

48 İmmün aktivasyon ve inflamasyonun kemik yapısı üzerine etkileri Sürekli devam eden inflamasyon, fonksiyonel yetersizlik ve morbiditemortalitede artışa neden olan ilerleyen kemik erozyonları ile karakterizedir. Bu sitokinler sinovyal fibroblast/osteoblastlarda RANKL ekspresyonunu Romatoid artritte pro-inflamatuar sitokinler TNF-α, IL-1 ve IL-6 nın güçlü şekilde indüklemektedir ve RANK sinyalizasyonunu hızlandırarak inflamatuar durumun devamında etkili olduğu bilinmektedir. kemik yıkımı üzerine direkt etki göstermektedir Takayanagi, H Nat Rev Immunol, 7(4):

49 Kronik inflamasyon süresince kemik yapımı ve resorpsiyonu arasındaki denge osteoklast kaynaklı kemik yıkımına kaymaktadır. Takayanagi, H Clin Calcium, 17: Takayanagi, H Nat Rev Rheumatol, 5: van Schaardenburg, D. et al., Ann Rheum Dis, 70: Okamoto, K., et al., Clin Calcium, 22:1641-9

50 Sato, K., et al., Curr Opin Rheumatol, 18:419-26

51 RANKL/OPG oranı RA patolojisinde önemlidir Monosit/makrofaj ailesi Pre-osteoklast Kök hücre Mezenkimal öncüler Osteoprogenitör hücreler Pre-füzyon Osteoklastogenik aktivitenin artışı ile birlikte; organik matriksin (tip I kollajen) katepsin K ile yıkımı Çok mineralize bileşenlerin çekirdekli (hidroksiapatit kristalleri) osteoklastik proton pompası ile oluşturulan asit ortamda çözünmesi Aktif osteoklast Pre-osteoblast Osteoblast Resorpsiyon Matriks üretimi Osteosit Takayanagi, H Nat Rev Immunol, 7(4):

52 Romatoid artritte T hücre ve osteoklast etkileşimlerinin kemik kaybı patogenezinde önemli rolü olduğu bilinmektedir. Takayanagi, H Nat Rev Immunol, 7(4): Artiritli eklemlerde T hücrelerinin suprese edici etkisi interferon-gama yetersizliği nedeniyle bozulmuştur ancak yüksek derecede inflamatuar sitokin indükleme kapasiteleri bulunmaktadır. RA lı hastaların sinovyumunda RANKL ekspresyonu tespit edilmişken bu durum diğer kemik hastalıklarında gözlenmemiştir. Sato, K. et al., Curr Opin Rheumatol, 18(4): Nakashima, T. et al., J Clin Immunol, 29(5):555-67

53 Beslenme??

54

55 Lipid/Lipoprotein Lipid oksidasyon ürünleri İnflamasyon ve inflamatuar sitokin üretimi Osteblast farklılaşması inhibisyonu Osteblastlarda kemik üretiminde azalma Kemik iliği stromal hücrelerinde adipogenez artışı Osteklast farklılaşması indüksiyonu Osteklastlarda kemik resorpsiyonunda artma

56 Yüksek yağlı diyet ve sonucunda hiperlipidemi ve okside olmuş lipit düzeyinin artışı osteoklast farklılaşmasını indüklemekte ve osteoblast farklılaşmasını inhibe etmektedir

57

58 Okside lipoprotein T lenfositlerde RANKL düzeyi Bu durumda oluşan yüksek RANKL/OPG oranı kemik yeniden modellenme sürecini bozmaktadır.

59 Osteoblast farklılaşması üzerine etkileri olduğu gösterilmiştir

60 Beslenme İlintili Hastalıklarda Metabolik ve Biyokimyasal Değişiklikler

61 Hiperlipidemi ile indüklenen kemik kaybında oksidatif stres önemli bir indikatördür

62 Monosit/makrofaj ailesi Olgun osteoklast RANKL TRAF6 Rac1 Nox ROS

63 RANK/RANKL yolağı aracılı kemik resorpsiyonu

64

65 Sonuç İskelet ve immün sistem çok sayıda ortak molekül ve regülatör mekanizma paylaşmaktadır. Osteoklastların immün sistem içerisinde bulunan makrofajlar, T hücreler, B hücreler ve dendritik hücreler gibi hücreler ile etkileşim içerisinde olduğu çok sayıda çalışmada gösterilmiştir. Bu nedenle romatoid artrit gibi çeşitli hastalıkların patogenezinde kemik-immün sistem aktivasyonu ilişkisinin moleküler düzeyde incelenmesi önem kazanmaktadır.