The role of gene polymorphisms in the development of aseptic instability of knee and hip joint endoprostheses: a review

Full Text

Введение

Асептическая нестабильность (АН) эндопротезов – самая частая причина ревизионного эндопротезирования в отдалённом периоде [1]. Клинически, АН можно охарактеризовать болью и нарушением функции сустава, рентгенологически – образованием зоны перипротезного остеолиза (ППО) и миграцией эндопротеза, а также отсутствием признаков инфекции по данным лабораторных исследований [2]. Известно, что ППО развивается за счёт медленно протекающего перипротезного воспаления [3].

После установки эндопротеза в области операции образуется синовиально-подобная околопротезная мембрана (synovial-like interface membrane, SLIM), которая формирует псевдокапсулу [4, 5]. Остеолиз возникает из-за хронической воспалительной реакции, связанной дебрисом – микроскопическими частицами, которые появляются при износе эндопротеза и вызывают в SLIM рекрутирование клеток, включая макрофаги, фибробласты, лимфоциты и остеокласты. Эти клетки секретируют провоспалительные и остеокластогенные цитокины, усиливая воспалительную реакцию. Кроме прямой активации воспаления посредством фагоцитоза, на динамику ППО влияют аутокринные и паракринные эффекты в перипротезном пространстве. На развитие и активность воспаления влияют степень износа эндопротеза [6, 7], механическая нагрузка [8], аллергическая реакция на металл [9], действие жидкостных токов вокруг эндопротеза и процессы коррозии, которым подвергается имплантат [10]. Для оценки патологической реакции на материал эндопротеза наряду с диагностикой перипротезной инфекции, разработан гистопатологический алгоритм идентификации частиц материала протеза в области SLIM, который может иметь значение для выбора тактики ортопедического лечения на фоне различных воспалительных реакций и гетерогенности частиц по составу и свойствам [11].  Имеются свидетельства, что генетические факторы, включая отдельные вовлечённые в воспаление гены и генотипы в целом, также вносят вклад в развитие перипротезного остеолиза [12].

В данном обзоре проанализированы результаты исследований, в которых изучалось влияние отдельных генных продуктов на развитие перипротезного остеолиза и асептической нестабильности эндопротезов. К сожалению, мы не обнаружили отечественных исследований, посвящённых указанному вопросу, поэтому в обзор включены только зарубежные публикации.

Трудности интерпретации результатов оригинальных исследований

Изучение влияния генотипа на проявление комплексного признака, такого как склонность к перипротезному остеолизу – непростая задача. Комплексные (сложные) признаки контролируются несколькими генами или семействами генов. Проявление комплексного признака в фенотипе зависит от взаимодействия этих генов между собой и влияния факторов окружающей среды. Основные генетические факторы, влияющие на проявление сложного признака, представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Генетические изменения и типы аллельных взаимодействий, влияющие на фенотип. SNP - однонуклеотидный полиморфизм, CNV - вариация числа копий гена, DEL - делеция, INS - инсерция.

В основе генетической изменчивости признака лежит популяционный полиморфизм нуклеотидных последовательностей генов, отвечающих за проявление признака в фенотипе. Генетический полиморфизм включает однонуклеотидные замены (SNP), нуклеотидные вставки (инсерции) и делеции последовательностей ДНК. Кроме того, копийность целого ряда генов (локусов) в геноме может различаться. Вариация числа копий (copy number variation, CNV) представляет собой особый тип генетического полиморфизма, который возникает в результате несбалансированных хромосомных перестроек, в основном, делеций и дупликаций. В итоге, число копий кодирующих последовательностей ДНК снижается или повышается, что приводит к снижению или повышении уровней экспрессии кодируемого белка или РНК и оказывает влияние на фенотип. Вследствие CNV, индивидуальные геномы различаются по числу копий последовательностей ДНК размером от 1 тысячи до нескольких миллионов пар оснований.

В дальнейшем, для всех указанных вариаций мы воспользуемся термином «полиморфизм».  В популяции встречаются различные генные полиморфизмы, представленные аллельными вариантами. В результате взаимодействия между ними (рис.1) проявляется тот или иной фенотип. При полном доминировании в фенотипе гетерозиготы проявляется только доминантный признак, контролируемый соответствующим аллелем. При неполном доминировании признак в фенотипе гетерозиготы имеет промежуточную форму между гомозиготой по доминантному и гомозиготой по рецессивному аллелю. Взаимодействие аллелей по типу кодоминирования приводит к проявлению в фенотипе гетерозиготы признаков, контролируемых и доминантным, и рецессивным аллелями. Аллельное исключение связано с отсутствием экспрессии одного из аллелей независимо от доминантности. Признак может контролироваться также несколькими парами аллельных генов. При взаимодействии неаллельных генов, проявление признака в фенотипе зависит от суммарного взаимодействия аллелей генов, контролирующих этот признак. На проявление признака может влиять эпигенетика – приобретённые или унаследованные особенности ДНК, не связанные с изменениями генетического кода, но влияющие на работу клетки.

Сложность и многозначность взаимосвязей между генотипом и фенотипом при наследовании комплексных признаков создает целый ряд проблем, связанных с поиском причинно-следственных связей между генетическими полиморфизмами и фенотипическими признаками, а также с оценкой вклада других генетических факторов в их развитие.

Оценка риска и шанса перипротезного остеолиза

Для адекватной оценки результатов исследований, посвящённых связи генотипа и ППО, необходимо определить понятия риска и шанса. Риск представляет собой меру вероятности наступления события (перипротезного остеолиза, асептической нестабильности или иного). Так, если 10-летний риск асептической нестабильности эндопротеза в исследовании составил 10%, то у 10% от всех пациентов, получивших эндопротезирование, в течение 10 лет после операции наблюдалась АН. Если имеется вторая группа, в которой 10-летний риск асептической нестабильности составил 20%, то группы можно сравнить с помощью соотношения рисков (risk ratio, RR), которое для второй группы составит

 

где R2 – риск АН в группе 2, R1 – риск АН в группе 1.

Осуществлённый подсчёт означает, что риск АН во второй группе в 2 раза выше. В зарубежной литературе также используется термин «hazard», что переводится аналогично термину «risk», однако обозначает вероятность наступления события в каждый момент времени (например, вероятность развития АН у пациента в течение следующего месяца). Для сравнения величин «hazard» в исследованиях используется соотношение (hazard ratio, HR) и показатель сходен с соотношением рисков (RR). Особняком стоит понятие шанса («odd»): шанс события определяется как отношение числа случаев, когда событие наступило к числу случаев, когда этого не произошло. Для указанных выше групп шанс составит

 

где АН – число (доля) пациентов с АН, неАН – число (доля) пациентов, у которых АН не наступила.

 

Из подсчётов явно видно, что отношение шансов (odds ratio, OR) будет примерно равным 2.5, что может ввести в заблуждение при оценке риска.

Использование вышеописанных показателей имеет свои положительные и отрицательные стороны, которые обсуждаются другими авторами [13]. Важно понимать, что применение различных методик оценки риска, различных способов обработки и сравнения данных приводит к сложностям в интерпретации результатов исследования. В нижеследующем тексте оценки рисков в виде соотношений RR, HR, OR рассматриваются в соответствии с оригинальными исследованиями.

Интерлейкины

Интерлейкины – большое семейство белков, участвующих в воспалении, регенерации, регуляции жизненного цикла, иммунном ответе и других процессах. В различных исследованиях оценивалось влияние на развитие асептической нестабильности или перипротезного остеолиза полиморфизмов генов, кодирующих молекулы IL-1a, IL-1b, IL-1RA, IL-2, IL-4, IL-4Ra, IL-6, IL-10, IL-12 [14–18].

IL-1

Семейство IL-1 включает в себя 11 цитокинов, 5 рецепторов и 6 ко-рецепторов [19]. IL-1a экспрессируется постоянно во многих клетках, в то время, как IL-1b начинает экспрессироваться в ответ на ряд стимулов, включая сам IL-1b, и только в иммунных клетках [20]. IL-1RА (interleukin-1 receptor antagonist) подавляет воспалительную активность. Добавление IL-1b в культуру мышиной костной ткани стимулировало синтез ряда матриксных металлопротеиназ, участвующих в деградации внеклеточного матрикса [21]. Кроме того, интерлейкины семейства вызывают превращение фибробластов в остеокласты in vitro и костную резорбцию [22, 23].

Полиморфизмы генов, кодирующих IL-1a, IL-1b, IL-1RA были исследованы в трёх различных исследованиях[14–16]. Как показано Gordon с соавторами [16], носительство аллели IL1RA rs419598 было связано с меньшей вероятностью остеолиза в выборке из 612 пациентов (остеолиз – 272, контроль – 340, OR = 0.69 (0.48-0.99), p = 0.048) по данным регрессионного анализа. Для  однонуклеотидного полиморфизма (single nucleotide polymorphism, SNP) в гене IL1B rs1143634 с помощью регрессии по Коксу была выявлена на выборке из 222 пациентов (АН – 77, контроль – 145) ассоциация с повышением риска асептической нестабильности: гомозиготы TT по этому полиморфизму имели более высокий риск по сравнению с гомозиготами дикого типа CC (HR 3.704 (1.274–10.753), p = 0.016) и гетерозиготами CT (HR 4.587 (1.675–12.500), p = 0.003) [14]. При сравнении рисков АН у носителей аллелей C и Т обнаружилась тенденция IL1B rs1143634 с риском асептической нестабильности, не достигший уровня значимости (p = 0.06). Однако в других исследованиях не удалось найти взаимосвязь IL1B rs1143634 с перипротезным остеолизом или асептической нестабильностью [15, 16]. Влияния других полиморфизмов IL-1B (rs1143627, rs16944, rs4848306) на риск АН не было выявлено [15, 16]. Полиморфизмы гена IL1A rs17561и rs1800587 также не влияли на риск и тяжесть остеолиза или АН [14–16].

IL-2

Интерлейкин-2 (IL-2) в основном продуцируется CD4+T-хелперами, при этом рецепторы IL-2 презентируются на поверхности широкого спектра клеток [24]. Гамма-цепи рецептора IL-2R являются общими, как минимум, для молекул интерлейкинов IL-2R, IL-4R, IL-7R, IL-9R, IL-15R, IL-21R [25]. Рецепторы, использующие IL-2Ry, активируют сигнальные пути JAK-STAT, ERK и PI3K, которые индуцируют воспалительные процессы [26].

Мутации в генах, кодирующих IL-2 или его рецептор, приводят к нарушению функций этих белков и вызывают иммунные патологии. Мутации интерлейкина IL-2Ra приводят к развитию аутоиммунных заболеваний, мутации IL-2Rb – к снижению численности натуральных киллеров (NK), а при нарушении функций IL-2Ry развивается тяжёлый комбинированный иммунодефицит [24].

Gallo с соавторами [15] оценивали связь между тяжестью остеолиза и однонуклеотидными полиморфизмами на выборке из 205 пациентов (лёгкий остеолиз – 89, тяжёлый остеолиз – 116), прошедших тотальное эндопротезирование тазобедренного сустава (ТЭТБС). SNP rs2069762 в гене IL2 встречался реже (OR = 0.55, p = 0.043) в случаях тяжёлого остеолиза, однако регрессионный анализ не определил степень влияния полиморфизма на тяжесть остеолиза.

IL-6

Интерлейкин-6 сходен с IL-2 по своим функциям в индукции воспаления и передаче сигнала через каскады JAK-STAT, ERK и PI3K. В одном семействе с IL-6 находится также IL-11 и ряд других факторов [27]. Рецептор IL-6 (IL-6R) представлен на клеточных мембранах (mIL-6R) и растворимом виде (sIL-6R). В зависимости от локализации рецепторы выполняют различную роль: мембранный рецептор выполняет противовоспалительную функцию, в то время как растворимый – провоспалительную [28].

Активация сигнального пути IL-6 в физиологических условиях приводит к увеличению продукции белков острой фазы, созреванию B-лимфоцитов, пролиферации Т-клеток, секреции иммуноглобулинов [29]. Патологическая роль IL-6 проявляется в составе микроокружения опухолей, при рассеянном склерозе, болезни Альцгеймера, ревматоидном артрите и других состояниях [28]. В культуре мышиных остеобластов продукцию IL-6 стимулировали воздействием на клетки IL-1a, TNF-a и липополисахарида (LPS), а добавление IL-6 к культуре вызывало остеолиз [30].

Kolundzic с соавторами [17] в своём исследовании на малой выборке (41 пациент, 45 эндопротезов ТБС) показали, что в регрессионной модели пропорциональных рисков комбинированный генотип IL6 rs1800797 G/A b и rs1800796 С/С увеличивал риск развития асептической нестабильности (HR 5.43 (1.73-17.0), p = 0.004) по сравнению со всеми другими сочетаниями. Однако, при анализе минорных аллелей по отдельности влияние не было статистически достоверным. Отметим, что причиной первичного эндопротезирования у большинства участников исследования была врождённая дисплазия тазобедренного сустава, а не идиопатический остеоартроз, как в большинстве исследований по теме. В упомянутом выше исследовании Gallo с соавторами [15] на выборке из 205 пациентов установили, что среди пациентов с тяжёлым остеолизом достоверно чаще встречались носители IL6 rs1800795 (OR = 2.51, p = 0.007). Кроме того, по результатам мультивариантной регрессии, этот полиморфизм был статистически достоверным предиктором более тяжёлого остеолиза (p = 0.049). При этом, Gordon с соавторами [16] не смогли обнаружить статистически значимую взаимосвязь любого из трёх (rs1800795, rs1800796, rs1800797) полиморфизмов с перипротезным остеолизом по отдельности, но редкий (2,4% в группе остеолиза; 0.8% в группе контроля) гаплотип G/G/A имел такую связь (p = 0.02). Аналогичный результат относительно rs1800795 имел место и в других работах [18].

Регуляторы дифференцировки стволовых клеток и костного метаболизма

Значительную роль в перипротезном остеолизе играет нарушение баланса между образованием остеокластов и остеобластов. Процессы клеточной дифференцировки, лежащие в основе такого баланса, контролируются различными сигнальными путями, например RANK и Wnt, а также зависят от особенностей регуляции метаболизма в костной ткани, опосредованной калицитонином. Исследованы полиморфизмы целого ряда генов, кодирующих белки, вовлеченные в эти процессы, включая RANK, OPG, FRZB, KREMEN2, SFRP1, TGFB, CALCA, VDR [15, 18, 31–35].

Сигнальный путь RANKL-RANK-OPG

Сигнальный путь RANKL-RANK-OPG – один из основных сигнальных путей, ответственных за костный метаболизм. RANKL представляет собой растворимый лиганд для рецептора RANK, который активно выделяется в зоне воспаления. Хроническое воспаление, вызывающее перипротезный остеолиз, не является исключением. RANKL взаимодействует с RANK, вызывая cигнальный каскад, активирующий транскрипционный фактор NF-kB [36]. Транскрипционные изменения, вызываемые NF-kB, приводят к взрослению и дифференцировке предшественников остеокластов. Взрослые остеокласты и сами экспрессируют RANK и RANKL, что стимулирует их выживание и резорбцию костной ткани.

Белок остеопротегерин (osteoprotegerin, OPG), выступает растворимым рецептором-приманкой (decoy receptor) для RANKL [6]. Большую часть OPG в костном мозге синтезируют B-лимфоциты, что указывает участие иммунной системы в механизмах балансировки остеогенеза и остеолиза [37]. Связывая RANKL, остеопротегерин препятствует активации сигнального пути RANK.

Malic с соавторами [35] привлекли к исследованию 91 пациента с асептической нестабильностью и 150 пациентов со стабильными эндопротезами тазобедренного сустава. Аллель Т полиморфизма RANK rs1805034 чаще (OR 1.77 (1.20-2.59), p = 0.004) встречался в случаях асептической нестабильности, также как и генотип T/T по этому полиморфизму (p = 0.008). Аллель А полиморфизма OPG rs3102725 также был статистически значимо связан с асептической нестабильностью (OR 3.76 (2.31-6.11), p = 0.001), как и генотип A/A (p = 0.001). Исследователям не удалось найти подтверждений связи между асептической нестабильностью и полиморфизмами гена OPG rs2073617, rs2073618. MacInnes с соавторами [32] провели значимое исследование, направленное на поиск вариаций генома, связанных с риском остеолиза и временем развития асептической нестабильности. Были сформированы исследовательская (n = 631, из которых остеолиз - 275) и репликационная (n = 127, из которых остеолиз - 40) когорты. Проводилось генотипирование по более чем 300 полиморфизмам. В исследовательской когорте было обнаружено влияние на риск остеолиза ряда полиморфизмов, не все из которых при репликации имели сонаправленный эффект. По результатам мета-анализа двух когорт, было выявлено клинически 5 значимых полиморфизмов сигнального пути RANKL-RANK-OPG: RANK rs4524033 (минорный аллель А, OR 1.69 (1.24–2.30), p = 0.008), rs9960450 (минорный аллель C, OR 0.51 (0.28–0.93), p = 0.029), rs7226991 (минорный аллель А, OR 0.73 (0.55–0.97), p = 0.029), rs4485469 (минорный аллель G, OR 0.77 (0.59–0.99), p = 0.046), OPG rs11573847 (минорный аллель G, OR 1.67 (1.0–2.27), p = 0.046). В исследовании были исследованы и другие полиморфизмы, связанные с сигнальными молекулами пути Wnt, они будут рассмотрены ниже.

Сигнальный путь Wnt

Wnt – один из важнейших сигнальных путей морфогенеза. Имеются три сценария передачи сигнала по этому пути: бета-катениновый (также известный как «канонический»); Wnt-полярный (PCP, planar cell polarity); Wnt-Ca2+ [38]. Канонический сигнальный путь начинается с присоединения Wnt к рецептору – белку Fzd (frizzled) и ко-рецептору LPR5 или LRP6. Негативными регуляторами пути Wnt выступают, среди прочих, белки склеростин (SOST), Dickkopf (DKK), Wise (SOSTDC1), Krm (KREMEN) и cекретируемые frizzled-ассоциированные белки (secreted frizzled-related proteins, SFRP).

Активация сигнального каскада Wnt/β-катенина путём блокирования гена SOST предотвращает остеолиз, вызванный частицами титана, ингибируя созревание остеокластов [39].

Полиморфизмы FRZB rs288326 и rs7775 были исследованы на выборке из 609 пациентов с эндопротезом тазобедренного сустава [31]. FRZB rs288326 в исследовании был различным образом распределён (p = 0.018) между группами: аллель Т на 32% реже встречался у пациентов с остеолизом (p = 0.041). По результатам логистической регрессии FRZB rs288326 был связан со снижением риска остеолиза (OR 0.62 (0.38-0.99), p = 0.049). Также гаплотип по полиморфизмам FRZB rs288326 и rs7775 С/С (дикий тип) был связан с остеолизом (OR 1.5 (1.09-2.07), p = 0.014). В уже упомянутом выше исследовании MacInnes [32], было выявлено влияние полиморфизмов KREMEN2 rs4786361 (OR 0.76 (0.58–0.98), p = 0.035) и SFRP1 rs921142 (OR 1.34 (1.05–1.71), p = 0.017) на вероятность остеолиза по данным мета-анализа исследовательской и репликационной когорт. Также, по данным регрессионного анализа, ряд полиморфизмов влиял на время до развития асептической нестабильности, однако при мета-анализе двух когорт критический уровень значимости достигнут не был.

Сигнальный путь TGF

Сигналинг, опосредованный трансформирующим фактором роста (transforming growth factor, TGF), тесно связан с путём Wnt. Всего в семействе TGF более тридцати генов, кодирующих разнообразные цитокины, включая белок костного морфогенеза (bone morphogenic protein, BMP) [40]. Белки семейства TGF депонируются во внеклеточном матриксе, связываясь с ним при помощи специальных доменов. Высвобождение TGF происходит, в том числе, под действием тканевых матриксных металлопротеаз. Передача сигнала рецепторов к ядру происходит при помощи белков семейства Smad. Кроме того, имеются другие пути передачи сигнала TGF, помимо «каноничного» Smad-зависимого, в том числе ERK-MAPK, TRAF-TAK, PI3K-mTOR-AKT, JAK-STAT. В результате столь большого числа задействуемых молекул, имеется много пересечений между сигнальными путями TGF-b и других молекул, ответственных за регуляцию остеогенеза. Сигнальные пути Wnt и TGF взаимно усиливают друг друга, и оба этих сигнальных пути способствуют дифференцировке и взрослению остеоцитов.

TGF-b активно синтезируется в макрофагах, фибробластах и эндотелиальных клетках перипротезных тканей, а также в SLIM у пациентов с асептической нестабильностью эндопротезов коленных суставов независимо от типа фиксации (цементный/бесцементный) [41].

Полиморфизм TGFB1 rs1800470 на малой выборке (n = 41) тазобедренных эндопротезов был ассоциирован с риском асептической нестабильности [17]. При сравнении 89 пациентов с лёгким остеолизом и 116 – с тяжёлым в исследовании Gallo с соавторами [15] не было выявлено влияния этого полиморфизма, а также TGFB1 rs1800471 на тяжесть перипротезного остеолиза, однако в исследовании не проверялось влияние на риск асептической нестабильности.

Молекулы, связанные с воспалением

Так как центральным механизмом перипротезного остеолиза является медленно протекающее воспаление, участвующие в этом процессе молекулы играют выдающуюся роль. Среди генов, кодирующих такие молекулы, исследованы на связь с перипротезным остеолизом MMP1, TIMP1, TNFA, IFNG, NOS2, NLRP3, CARD8, P2RX7, MBL, BCL2, TIRAP [14, 17, 18, 33, 42–48].

Матриксные металлопротеиназы

Матриксные металлопротеиназы (matrix metalloproteinases, MMP) – группа цинксодержащих ферментов, играющих самые различные роли в воспалении, ангиогенезе, заживлении ран, ремоделировании тканей [49]. У человека обнаружено более 20 генов металлопротеиназ [50]. Известно, что белки этой группы, а также связанные с ними тканевые ингибиторы матриксных протеаз (tissue inhibitors of matrix proteases, TIMP) и белки RECK участвуют в дифференцировке мезенхимальных стволовых клеток в остеобласты. Протеолитическая активность MMP в основном регулируется за счёт внеклеточной активации, а также TIMP. В группу последних входят 4 белка ингибирующие MMP за счёт образования комплексов с высокой аффинностью [51].

Деградация внеклеточного матрикса – один из компонентов перипротезного остеолиза. Среди прочих факторов, в число участников этого процесса входят MMP. In vitro было обнаружено, что синтез MMP-2, MMP-3, MMP-9, MMP-13 индуцируется в очаге остеолиза под действием IL-1b [21]. При оценке экспрессии мРНК в перипротезной костной ткани было выявлено значимое повышение уровня мРНК MMP-1, MMP-9, MMP-10, MMP-12 и MMP-13 [52]. Уровень экспрессии ряда других MMP также повышался, но менее значительно. В другой работе было отмечено повышение уровня экспрессии мРНК TIMP1-3 на фоне снижения TIMP-4 [53].

Malik с соавторами [18] на выборке из 91 пациента с АН и 150 пациентов со стабильными эндопротезами тазобедренного сустава продемонстрировали связь аллеля С полиморфизма MMP1 rs5854 с асептической нестабильностью (OR 3.27 (2.21-4.83), p = 0.001), а также ассоциацию с АН генотипа C/C. Аналогично, ассоциация (OR 2.72 (2.06-3.48), p = 0.0001) аллеля T полиморфизма MMP1 rs5854 с АН была выявлена Yan с соавторами [46] при сравнении 63 пациентов с асептической нестабильностью с 81 пациентом со стабильным тотальным эндопротезом тазобедренного сустава. В том же исследовании было высчитано влияние аллеля T на риск АН при доминантности (CT + TT против CC, OR 2.67 (1.25-5.76), p = 0.0028) и рецессивности (TT против CT + CC, OR 4.17 (1.22 - 17.2), p = 0.0186) аллеля. Pan с соавторами [47] проводили исследование связи полиморфизмов гена TIMP1 с асептической нестабильностью, включив в исследование 59 пациентов с АН и 100 пациентов со стабильными эндопротезами тазобедренного сустава. Было установлено, что имеется ассоциация асептической нестабильности с аллелем Т TIMP1 rs4898 (OR 1.32 (1.16-1.58), p = 0.0013), аллелем G rs6609533 (OR 1.78, (1.52-2.17), p < 0.0001). Был выявлен статистически незначимый тренд к повышению риска АН для у носителей аллеля А rs2070584 (OR 1.14, (0.97-1.40), p = 0.2028).

TNF-а

TNF-a, как и RANKL, относится к большому семейству факторов некроза опухоли и действует синергично с сигнальной осью RANK-RANKL [54]. В перипротезных тканях при асептической нестабильности была выявлена высокая концентрация TNF-a [55]. В экспериментах in vivo показана остеолитическая активность TNF-a как за счёт усиления продукции IL-6 и простагландина E2, так и независимо от последних [56, 57]. Ингибирование продукции TNF-a приводило к меньшей выраженности индуцированного липополисахаридом остеолиза in vivo [58]. C помощью протеомного анализа была выявлена дисрегуляция уровня TNF-a у пациентов с системными остеопенией и остеопорозом [59].

Выше упоминалось исследование Gallo с соавторами [15] на выборке из 205 пациентов с перипротезным остеолизом ацетабулярного компонента эндопротеза тазобедренного сустава (лёгкий остеолиз – 89, тяжёлый остеолиз – 116). В исследовании аллель А полиморфизма TNFA rs361525 встречался чаще у пациентов с более тяжёлым остеолизом (OR 6.59 (1.47-29.64), p = 0.005). Было показано влияние аллеля А полиморфизма на тяжесть остеолиза при помощи регрессионного анализа (p = 0.045). Относительно крупное исследование провели Wilkinson с соавторами [44] с привлечением 481 пациента с тазобедренными эндопротезами (асептическая нестабильность – 214, контроль – 267). Носительство аллеля А полиморфизма TNFA rs361525 было связано с нестабильностью эндопротезов (OR 1.7 (1.0-2.9), p = 0.05) по данным регрессионного анализа с учётом различных ковариат. В исследовании López‑Anglada [14] для полиморфизма TNFA rs1800629 не удалось выявить ассоциации с асептической нестабильностью при сравнении 77 пациентов с АН коленных или тазобедренных суставов и 145 пациентов со стабильными эндопротезами. Аналогичным образом, полиморфизм не влиял на тяжесть остеолиза или развитие асептической нестабильности в других исследованиях [15, 17, 44].

NOS

Оксид азота синтезируется в кости различными клетками, в том числе остеобластами [60]. Известно, что эндотелиальная изоформа синтазы оксида азота (endothelial nitric oxide synthase, eNOS) важна для адекватного метаболизма остеобластов и остеогенеза [61]. Показано, что макрофаги в SLIM на границе между костью и имплантатом экспрессируют индуцибельную изоформу фермента (inducible NOS, iNOS), способствуя резорбции костей [62]. iNOS, TNF-a и IL-6 являются маркерами М1 поляризации макрофагов, характерной для воспаления или ожирения [63].

При исследовании возможной связи между ранней асептической нестабильностью эндопротезов и полиморфизмами генов NOS2 и NOS3, кодирующими индуцибельную и эндотелиальную синтазы оксида азота соответственно, López-Anglada с соавторами [14] обследовали 339 коленных и тазобедренных эндопротезов. Было выявлено повышение риска АН: для генотипа AA против GG сильнее (HR 3.509 (1.266-9.709), p = 0.016), чем для генотипа AA против GA (HR 2.639 (1.072-6.494), p = 0.035) полиморфизма NOS2 exon 22 (ClinVar 2604681).

Белки инфламмасом

Инфламмасомы – группа белковых комплексов, участвующих в определении патогенов и реакции на них. Инфламмасомы содержат сенсорные белки, которые реагируют на конкретные стимулы [64]. NLRP3 является одним из таких белков. Сформированные на его основе инфламмасомы реагируют, в том числе, на микроскопические частицы, АТФ, ионофоры калия [65]. Активация NLRP3-инфламмасом приводит к превращению про-IL-1b, про-IL-18 в активные формы этих молекул [64, 66]. Восьмой член семейства рекрутирующих каспазу доменов (Caspase Recruitment Domain Family Member 8, CARD8) также является одним из ключевых белков инфламмасом [67]. Сборка NLRP3- и CARD8-зависимых инфраммасом вызывают появление в межклеточном пространстве DAMP и усиление воспаления [68]. P2RX7 – ген, кодирующий одноимённый пуринергический внутриклеточный рецептор P2X7, распознающий АТФ [69]. Он способен активировать инфламмасомный белок NLRP3, а также независимым от последнего образом повышать уровень IL-1b.

Проведя генотипирование 87 пациентов с тазобедренными эндопротезами (АН – 36, контроль – 51), Mavcic с соавторами [45] показали, что «дикий» тип по полиморфизмам NLRP3 rs35829419 и CARD8 rs2043211 (С/С и A/A, соответственно) в сочетании встречаются в группе контроля чаще, чем в группе остеолиза (49% против 28%, p = 0.05). При помощи логистический регрессии показано, что носители такого генотипа имели меньший риск АН (OR 0.33, p = 0.02). В другом исследовании с участием 205 пациентов с перипротезным остеолизом в области тотального эндопротеза тазобедренного сустава полиморфизмы P2RX7 rs1653624 и rs28360457 имели тренд к ассоциации с большей тяжестью перипротезного остеолиза, однако, тот был статистически незначим [43].

Маннозо-связывающий белок

Маннозо-связывающий лектин, также известный как маннан-связывающий лектин (mannose/mannan-binding lectin, MBL) – белок острой фазы, задействующий антитело-независимый путь активации системы комплемента [70]. Он представляет собой гетероолигомерный комплекс, в первую очередь связывающий углеводы микроорганизмов, и передающий сигнал за счёт ассоциированных молекул сериновой протеазы, ассоциированной с маннозо-связывающим лектином (mannan-binding lectin serine protease, MASP). Установлено, что, помимо бактериальных углеводов, MBL может связывать и внутренние антигены организма [71]. Таким образом, MBL может участвовать в процессе асептического воспаления за счёт распознания клеток в процессе апоптоза и способствования дальнейшему их фагоцитозу. In vitro, in vivo и на людях показана связь MBL с костным обменом [72]. MBL ингибировал остеокластогенез, связанный с действием RANKL и макрофагальным колониестимулирующим фактором.

В исследовании, проведённом с участием 221 пациента с эндопротезами тазобедренного сустава (контроль – 150, АН – 71), оценивалась связь с АН следующих полиморфизмов: MBL rs1800450, rs11003125, rs5030737, rs7096206 [48]. Лишь аллель G полиморфизма MBL rs1800450 был ассоциирован с асептической нестабильностью (OR = 2.17; (1.18-3.98), p = 0.012), как и генотип G/G (p = 0.027).

Результаты геномных и экзомных исследований

Koks с соавторами [73] проанализировали данные 423 пациентов, прошедших тотальное эндопротезирование тазобедренного сустава. Пациентов разделили на три группы: группа 1 – пациенты без симптомов асептической развитости как минимум один год (n = 156); группа 2 – пациенты, проходящие первичное эндопротезирование (n = 163); группа 3 – пациенты после ревизионного эндопротезирования после асептической нестабильности (n = 104). В процессе анализа данные группы 3 сравнивались с данными групп 1 и 2. Авторы работы обнаружили 52 полиморфизма со значением p < 1*10^-5, однако ни один из них не достиг уровня геномной значимости p < 1*10^-8. Характерной для полногеномного анализа ассоциаций проблемой является большое число ложно-положительных сигналов, в особенности связанное с редкими генными вариантами [74], однако в работе не указывается на исключение минорных аллелей из анализа. Небольшой для подобных исследований размер выборки связан с ограничением размера эффекта, который может быть определён. Также не было выполнено стратификации по типу имплантата и фиксации, уровню физической активности или другим ковариатам, способным влиять на риск асептической нестабильности [75–77].

MacInnes с соавторами [78] в своей работе выполнили два полногеномных анализа ассоциаций на норвежской (n = 2624, из которых 779 подверглись ревизионному вмешательству) и британской (n = 890, из которых 317 имели рентгенологические признаки остеолиза и/или подверглись ревизионному вмешательству по поводу остеолиза) выборках. В норвежской когорте контрольные случаи для сравнения выбирались индивидуально и обеспечивалось совпадение по возрасту, полу, году первичного вмешательства, способу фиксации, материалу нагружаемых поверхностей и размеру головки эндопротеза. В британской когорте критериями включения в контрольную группу были: отсутствие симптомов, не менее 7 лет после первичного вмешательства, отсутствие признаков остеолиза по данным рентгенографии. В исследовании были предприняты меры для контроля качества данных, включая оценку равновесия Харди-Вайнберга и исключение минорных аллелей с частотой встречаемости менее 1%. Однако несмотря на обнаружение ряда полиморфизмов, связанных с повышением риска остеолиза и ревизионного вмешательства с значением p < 1*10^-6, ни один из найденных полиморфизмов не достиг уровня геномной значимости даже по результатам мета-анализа.

Примечательно исследование Bruggeman с соавторами [79], проведённое на выборке из 1130 близнецов. В исследование включались пациенты после эндопротезирования коленных или тазобедренных суставов, проводился сходный с работой MacInnes с соавторами контроль качества. Авторами были обнаружены 9 однонуклеотидных полиморфизмов, достигших геномного уровня значимости, влиявших на риск асептической нестабильности эндопротезов. Полиморфизм rs77149046 расположен в гене ELAPOR2. Этот полиморфизм значимо повышал риск асептической нестабильности (HR 5.40 (3.23-9.02), p = 1.32·10^-10). Ещё 4 полиморфизма расположены в гене SLC6A6, связанном с транспортом таурина и бета-аланина, и влияли на риск менее значимо: HR для них варьировал от 3.35 до 3.43. Шестой полиморфизм, rs7853989 (HR 3.46 (2.33-5.13), p = 6.91·10^-10), расположен в области кодирования системы кровеносных групп ABO и наличие минорной аллели связано с группой крови B. Ещё три полиморфизма лежали в некодирующих регионах генома.

Заключение

В заключение следует отметить, что на данный момент представленные данные о генетических факторах асептической нестабильности являются недостаточными и порой противоречивыми. Можно отметить следующие факты: результаты исследований на разных этнических популяциях могут значимо отличаться [78], результаты отдельных исследований часто противоречат друг другу, а геномные исследования выявляют совершенно иные генетические факторы риска [17, 32, 44, 79]. Основными проблемами работ по теме являются ограниченный размер выборки, что снижает достоверность результатов, разнородность выборки и неизвестный характер взаимодействия факторов риска, что может искажать результаты исследований.

Всё это свидетельствует о сложности выявления точных генетических факторов, связанных с асептической нестабильностью. Следует отметить важность репликации результатов в различных популяциях для подтверждения выявленных генетических ассоциаций.

Многоцентровые исследования на больших когортах пациентов позволят решить эти проблемы.

About the authors

Alexandr Dmitrievich Kamenskiy

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Russian University of Medicine" of the Ministry of Health of the Russian Federation, Moscow, Russia

Email: alexkamenskiyvm@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0007-3489-3555

Аспирант кафедры травматологии, ортопедии и медицины катастроф

Россия, 127006, subject of the Russian Federation, Moscow, internal ter., Tverskoy municipal district, st. Dolgorukovskaya, 4

Alexandra Il'inichna Don'kina

Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «N.I. Pirogov Russian National Research Medical University» of the Ministry of Health of the Russian Federation, Moscow, Russia

Email: alexandradonkina@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-0919-211X

Студент лечебного факультета

Россия, 117513, Moscow, st. Ostrovityanova, 1, building 6.

Yuri Veniaminovich Parakhin

N.A. Semashko Railroad Clinical Hospital of JSC Russian Railways, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: parachinyuri@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-2591-0949

Руководитель центра травматологии и ортопедии

Россия, 109386, Moscow, Stavropolskaya st., 23, bldg. 1

Olga Grigor'evna Kovtun

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Russian University of Medicine" of the Ministry of Health of the Russian Federation, Moscow, Russia; Federal State Budgetary Institution National Medical Research Center of Oncology named after. N.N. Blokhin" of the Russian Ministry of Health, Moscow, Russia

Email: miss.olga.kovtun@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-0274-0670

Студент лечебного факультета; лаборант-исследователь

Россия, 117513, Moscow, st. Ostrovityanova, 1, building 6; 115522, Moscow, Kashirskoe highway 24

Mikhail Viktorovich Parshikov

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Russian University of Medicine" of the Ministry of Health of the Russian Federation, Moscow, Russia

Email: parshikovmikhail@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4201-4577

Профессор кафедры травматологии, ортопедии и медицины катастроф

Россия, 127006, subject of the Russian Federation, Moscow, internal ter., Tverskoy municipal district, st. Dolgorukovskaya, 4

References

Supplementary files