МЕЖТКАНЕВАЯ КОММУНИКАЦИЯ И КИСЛОТНОСТЬ: НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА ФИБРОДИСПЛАЗИЮ ОССИФИЦИРУЮЩУЮ ПРОГРЕССИРУЮЩУЮ

INTERSTITIAL COMMUNICATION AND ACIDITY: A NEW LOOK AT OSSIFYING PROGRESSIVE FIBRODYSPLASIA

Elena Budko

Doctor of Pharmacy, Professor, Head of the Department of General and Bioorganic Chemistry, Kursk State Medical University,

Russia, Kursk

Leonid Yampolsky

Candidate of Sciences in Chemistry, Associate Professor of the Department of General and Bioorganic Chemistry, Kursk State Medical University,

Russia, Kursk

Anna Balashova

Pediatrician, Head of the CDL of the children's polyclinic OBUZ KGKB No. 3, Russia, Kursk

Eva Kolberg

Student of Kursk State Medical University,

Russia, Kursk

АННОТАЦИЯ

Образование кости de novo (гетеротопическая оссификация) ведет к инвалидизации пациента с фибродисплазией оссифицирующей прогрессирующей (ФОП) на фоне хронического воспаления. В мягких тканях происходит привлечение, разрастание и дифференцировка множества типов клеток, включая хондроциты, переходные коричневые адипоциты, тучные клетки и, конечно, остеобласты. При этом внутренняя среда организма обогащается высвобождающимися активными свободными ионами кальция, фосфатами, бифосфонатами, принимающими совместно с остеобластами, участие в формировании гидроксиапатитов костной ткани. По нашему мнению, внешне внезапные хаотичные оссификационные процессы вызваны глобальной гиперацидной дисфункцией совокупной буферной системы организма, проявляющейся во флуктуационном образовании суперкислотных регионов, в частности, в структуре скелетных мышц. Закисление мягких тканей, сопровождающееся частичным лизисом прилегающих участков кости провоцирует направленную диффузию мезенхимальных клеток, их специализацию в полноценные остеобласты и далее формирование костной ткани при участии гидроксиапатитов, коллагена и т.п. В конечном итоге, метаболические процессы позволяют организму компенсировать закисление на данном участке до нормализации рН, за счет хаотичного остеогенеза. Направленная структурная коррекция состава буферной системы организма способна, по нашему мнению, блокировать гетеротопические оссификационные процессы на этапе формирования.

ABSTRACT

De novo bone formation (heterotopic ossification) leads to disability of a patient with ossifying progressive fibrodysplasia (FOP) on the background of chronic inflammation. In soft tissues, many cell types are attracted, overgrown and differentiated, including chondrocytes, transitional brown adipocytes, mast cells and, of course, osteoblasts. At the same time, the internal environment of the body is enriched with released active free calcium ions, phosphates, biphosphonates, which together with osteoblasts take part in the formation of bone tissue hydroxyapatites. In our opinion, outwardly sudden chaotic ossification processes are caused by global hyperacid dysfunction of the body's total buffer system, manifested in the fluctuation formation of superacid regions, in particular, in the structure of skeletal muscles. Acidification of soft tissues, accompanied by partial lysis of adjacent bone sections, provokes the directed diffusion of mesenchymal cells, their specialization into full-fledged osteoblasts and further the formation of bone tissue with the participation of hydroxyapatites, collagen, etc. Ultimately, metabolic processes allow the body to compensate for acidification in this area until the pH is normalized, due to chaotic osteogenesis. The directed structural correction of the composition of the body's buffer system is capable, in our opinion, of blocking heterotopic ossification processes at the stage of formation

Ключевые слова: оссификационные процессы, оссификат, ФОП, BMP, мезенхимальные клетки, буферные системы, ацидоз

Keywords: ossification processes, ossification, FOP, BMP, mesenchymal cells, buffer systems, acidosis

Введение.

Фибродисплазия оссифицирующая прогрессирующая (FOP; ФОП) -орфанное заболевание смешанного эпигенеза с признаваемой многими учеными, генетической предрасположенностью [12], привлекает к себе внимание все большего количества исследовательских групп во всем мире, во многом, благодаря активности Международной ассоциации прогрессирующей оссифицирующей фибродисплазии. Первичные декомпенсированные воспалительные процессы в мышечной, соединительной ткани способны преобразоваться в полноценные оссификаты. Средний возраст начала заболевания (существенные внешние признаки) составляет 7,1 года [23].

Патофизиология ФОП изучена еще недостаточно, причины возникновения заболевания однозначно не определены, однако в большом количестве работ отмечено проявление нарушений в передаче сигналов костным морфогенетическим белком BMP - цитокином, относящимся к основному подклассу трансформирующих факторов роста. Вероятной причиной такого нарушения считается единственная распространенная гетерозиготная мутация (617G>A; R206H) в цитоплазматическом домене активинового рецептора IA/ активин-подобной киназы 2 (ACVR1/ALK2), являющегося рецептором BMP типа I [12; 26].

Среди распространенных первичных симптомов при ФОП — жжение, боль в мышцах, слабость, отечность прилегающих тканей, болезненность движений, повышение температуры тела. Несмотря, на отсутствие явного провоцирующего фактора, влияние которого можно было бы отследить, в течение первого десятилетия жизни возникают спорадические эпизоды болезненных отеков мягких тканей. В качестве причины указывают ушибы, мышечное переутомление, инъекции, стоматологическая помощь, связанная с повреждением тканей и т.п. Кроме того гетеротопические оссификации часто возникают после заболеваний вирусной и бактериальной этиологии.

Современные возможности дифференциальной диагностики позволяют достаточно детально описать состояние костной и мышечной ткани, однако [28] в случае ФОП около 90% диагностируются ошибочно, а 67% подвергаются 7вредным для пациентов инвазивным диагностическим процедурам [17]. В настоящее время проведена существенная дифференциация оссификационных процессов, позволяющая выделить ФОП (M61.1 по МК 10) из общего количества болезней костно-мышечной системы и соединительной ткани, в том числе генетических заболеваний с прогрессирующей костной гетеротопией и кожной оссификацией [6] и форм посттравматической оссификации [22]. Достаточно часто внезапное возникновение болезненных отеков мягких тканей ошибочно принимают за формирование опухоли костной ткани [17], но попытки санации гетеротопической кости обычно приводят к эпизодам взрывного образования новых костных структур.

Еще одна группа заболеваний костно-мышечной системы и соединительной ткани, с которой необходимо дифференцировать ФОП, детские ревматоидные заболевания [2]. Симптомы чаще всего выявляются у детей в возрасте от 6 до 14 лет. Распространенность болезней ревматического круга составляет 5,7 на 100 000 детского населения. Среди диагностических признаков ревматоидных состояний лихорадка, температура; усталость, одышка, отечность. Начало заболевания острое, в большинстве случаев развивается через 1 - 3 недели после перенесенной ангины, реже другой стрептококковой инфекции. При повторных атаках этот срок может быть меньшим. Рецидивы болезни часто развиваются после любых интеркуррентных заболеваний, оперативных вмешательств, физических перегрузок.

На наш взгляд, объединяет эти заболевания следующее: у больного по каким-то причинам существенно снижены оксигенация (сатурация) тканей, аэробный порог; возникают признаки анемии, как следствие, снижается тканевой рН. В случае ФОП, возникает порочный круг, метаболический выход из которого проявляется в формировании новой костной ткани в фасциях мышц, что непосредственно связано с дисфункцией отдельных составляющих буферной системы организма.

В качестве цели исследования обозначена систематизация данных и формирование гипотезы о значимости протолитических равновесий и поддерживающих их компонентов, и систем для хода метаболических процессов при возникновении ФОП и других заболеваний со сходной симптоматикой.

Материалы и методы исследований.

Изучены результаты аналитических исследований в динамике (n=4) крови ребенка (9 лет) с фибродисплазией оссифицирующей прогрессирующей (M61.1): клинический анализ крови и лейкоцитарная формула (Beckman Coulter DXH-800), расширенные биохимические исследования. Изучены обезличенные результаты аналитических исследований крови детей (n=6) с диагнозом ювенильный ревматоидный артрит М08.4 на разных стадиях: клинический анализ крови и лейкоцитарная формула (Beckman Coulter DXH-800) и биохимические исследования (Beckman Coulter AU-5800). Возраст пациентов от 7 до 18 лет (в среднем 12,7±3,2 лет).

Статистическая обработка полученных результатов исследований проведена с помощью разработанного ранее авторами [3] метода корреляционного графического анализа на базе программы «Microsoft Excel»

Результаты.

На рис. 1 представлены некоторые показатели из результатов клинического анализа крови пациента с фибродисплазией оссифицирующей прогрессирующей (Б1 – Б4 во временной динамике, слева на рис. А и Б) и пациентов с ювенильным ревматоидным артритом (1, 2, 3, 4, 6, 7) (справа на рис. А и Б). Точками «Мин» и «Мах» обозначен диапазон референсных значений указанных на рис.1 (А.Б), показателей.  Исходя из числовых значений, уровень гемоглобина у всех реципиентов значительно снижен и находится на нижней границе нормы или ниже нее. Общее содержание кислорода в крови Парциальное давление кислорода в крови 29, 5 ед. при норме 37 – 42 ед. Величины гематокрита, а так же количества эритроцитов и лейкоцитов приближены к нижней границе референтных значений. Во всех случаях выявлена анемия. Отметим, что для детского населения Курской области анемия в целом характерна, и часто ее проявления усугубляются при возникновении вирусных заболеваний как один из неспецифичных признаков возможного воспалительного процесса.

А Б

Рисунок 1. Результаты клинического исследования крови (рис 1А) и корреляционный графический анализ его показателей (рис 1Б) для пациента с фибродисплазией оссифицирующей (Б1 – Б4) и пациентов с ювенильным ревматоидным артритом (1,2,3,4,6,7)

Осуществленный корреляционный графический анализ позволил соединить на одном графике различные по значениям единицы измерения и визуализировать их референсных значения в диапазоне +1 - (-1) по шкале относительных единиц. Корреляционный анализ полученного объема данных позволил провести ранжирование результатов по выраженности отклонений от референтных значений для больных с ювенильным ревматоидным артритом (1,2,3,4,6,7 пациенты) (рис.1 Б справа), для пациента с фибродисплазией оссифицирующей ранжирование представлено в соответствии с датами проведения исследований (Б1 – Б4) (рис.1 Б слева),. При этом показана значимость смещений базовых показателей крови в 2 случаях из 6 для пациентов с ювенильным ревматоидным артритом и 2 случаях из 4 для фибродисплазии оссифицирующей. Обращает на себя внимание поразительная упорядоченность группировки и симметричность расположения исходных данных (рис. 1А), что отражает некую закономерность в развитии процессов.

Обсуждение.

При ревматоидных заболеваниях, как и для ФОП характерны признаки железодефицитной анемии и анемии хронического воспаления, в основе которых лежит подавление продукции эритропоэтина, связанное с избыточной выработкой провоспалительных цитокинов.

На фоне сниженного парциального давления кислорода количество эритроцитов и оксигемоглобина тоже снижено, следовательно, основные компоненты гемоглобиновой буферной системы не обладают необходимой емкостью и не способны нейтрализовать возникающие признаки метаболического ацидоза и анемии, сопровождаемые ацидным повреждением клеток, капилляров, разрушением строения межклетника в структурах мышечной или соединительной ткани.

Высвобождение медиаторов воспаления способствует дальнейшему сужению сосудов, нарушению транспорта кислорода в тканях [13, 14]. При этом, рост клеток и клеточный цикл подавляются, а апоптоз наоборот усиливается [11]. Улучшение адаптации организма к гипоксическому стрессу достигается за счет белкового фактора «индуцируемого при гипоксии» (HIF) [11], играющего решающую роль в пролиферации [21] и дифференцировке хондроцитов [9]. При этом, HIF способствует накоплению клеточного матрикса и ангиогенезу в зоне формирования хряща, обеспечивая диффузионное питание тканей [27]. В условиях тяжелой тканевой гипоксии [24; 29] белки HIF способствуют целевой пролиферации, ведущей к гипертрофии хондроцитов [18], экспрессии таких генов, как BMP, VEGF и NRP-1 [31, 7, 8], что ведет к совершенствованию внутритканевой дифференциации, повышению уровня энергообмена.

При недостаточной компонентной емкости буферных систем в скелетных мышцах, процесс закисления достаточно устойчив и длителен, сопровождается отеками, возникающими в мышечных тканях в непосредственной близости от сопряженных костных участков. И далее возможно два сценария развития. Первый: по мере накопления емкости компонентов буферных систем гомеостаз восстанавливается, отечность тканей существенно снижается вплоть до полного исчезновения. Второй: при сохраняющейся низкой концентрации компонентов буферных систем некомпенсированная кислотность среды ведет к частичному лизису хрящевых и костных тканей, при этом внутренняя среда организма обогащается активными свободными ионами кальция, фосфатами.

Колебания рН служат сигналами для костного мозга на продуцирование и введение в кровяное русло тех или иных типов клеток, как инструмента ремоделирования тканей для поддержания гомеостаза. В гипоксическом микроокружении активируется экспрессия мезенхимальных клеток [4, 19.], описано повышение экспрессии BMP в клетках-предшественниках [5, 30] и реорганизация островков уплотненной ткани в хондробластические зоны эктопической кости [1, 9, 30]. Возникающая при травме гипоксия на фоне хронического тканевого ацидоза является движущей силой оссификации [29], возникающей как при ФОП [14], так и при других заболеваниях со сходными метаболическими нарушениями [25].

Заключение.

Оссификационные процессы, возникающие вследствие укола, травмы, перенапряжения, разрыва мышц, местного инфицирования, системного инфекционного заболевания, метаболических нарушений протекают при ФОП на фоне декомпенсированного ацидоза. По нашему мнению, исходной причиной многоплановых метаболических нарушений является тканевое нарушение рН среды, вызванное зональным недоформированием, прежде всего, основного (щелочного) компонента буферной системы организма. Формирование оссификата происходит, как попытка компенсации организмом хронического закисления отдельных участков скелетных мышц и соединительнотканных образований. Важнейшей причиной снижения емкости основного компонента (компонентов) буферных систем организма, мы считаем направленные нарушения макро и микроэлементного баланса, провоцирующие изменение структуры и функционала сред организма и, соответственно, возникновение метаболических нарушений.

Список литературы:

1. Бурнаевский Н. С., Вишнякова Х. С., Сафенина А. В., Рыбалко Д. В., Попов К. В., Eгоров Е. Е. Влияние парциального давления кислорода на эффективность колониеобразования и дифференцировки мезенхимальных стромальных клеток человека, полученных из различных источников // Гены и клетки. 2010. №4.
2. Гончар Н. В. Патогенетическое значение коморбидности ювенильного ревматоидного артрита и компонентов метаболического синдрома (обзор литературы) / Н. В. Гончар, Н. В. Слизовский // Children's Medicine of the North-West. – 2021. – Т. 9. – № 4. – С. 23-32.
3. Ельцова Н. О., Будко Е. В., Ямпольский Л. М. Графический способ выявления изменений химической структуры по ИК-спектрам твердофазных лекарственных препаратов // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2021. – Т. 21. – № 6. – С. 879-887.
4. Скоробогатова Н. Г., Петренко Ю. А., Волкова Н. А., Петренко А. Ю. Изучение способности к дифференцировке в остеогенном и адипогенном направлениях мезенхимальных стромальных клеток костного мозга человека клонального происхождения // Biotechnol. acta. 2010. №3
5. Шахов В.П., Карлов А.В., Хлусов И.А. Мезенхимальные стволовые клетки и остеогенез (обзор литературы) // Гений Ортопедии 2003. № 2. C. 116-121.
6. Sherman L.A., Cheung K., De Cunto C., Kile S., Pignolo R.J., Kaplan F.S. The diagnostic journey in fibrodysplasia ossificans progressiva: insights from the FOP registry // Annual Meeting of the American Society for Bone and Mineral Research. 2020.
7. Agarwal S., Loder S., Brownley C., Cholok D., Mangiavini L., Li J., Breuler C., Sung H.H., Li S., Ranganathan K. Inhibition of Hif1alpha prevents both trauma-induced and genetic heterotopic ossification // Proceedings of the National Academy of Sciences U S A. 2016. Vol. 113.  Pp. 338–347.
8. Agrawal R., Pandey P., Jha P., Dwivedi V., Sarkar C., Kulshreshtha R. Hypoxic signature of microRNAs in glioblastoma: insights from small RNA deep sequencing // BMC Genomics. 2014. Vol. 15. P. 686.
9. Amarilio R., Viukov S.V., Sharir A., Eshkar-Oren I., Johnson R.S., Zelzer E. HIF1alpha regulation of Sox9 is necessary to maintain differentiation of hypoxic prechondrogenic cells during early skeletogenesis // Development. 2007. Vol. 134. Pp. 3917–3928.
10. Bassett C., Herrmann D. Influence of oxygen concentration and mechanical factor on differentiation of connective tissue in vitro // Nature. 1961. Vol. 190. P. 460.
11. Bracken C.P., Fedele A.O., Linke S., Balrak W., Lisy K., Whitelaw M.L., Peet D.J. Cell-specific regulation of hypoxia-inducible factor (HIF)-1alpha and HIF-2alpha stabilization and transactivation in a graded oxygen environment // Journal of Biological Chemistry. 2006. Vol. 281(225). Pp. 75–85.
12. Davis E.L., Salisbury E.A., Olmsted-Davis E., Davis A.R. Anaplerotic Accumulation of Tricarboxylic Acid Cycle Intermediates as Well as Changes in Other Key Metabolites During Heterotopic Ossification // Journal of Cellular Biochemistry. 2016. Vol. 117(4). Pp. 1044-53. doi: 10.1002/jcb.25454.
13. Drouin G., Couture V., Lauzon M.A., Balg F., Faucheux N., Grenier G. Muscle injury-induced hypoxia alters the proliferation and differentiation potentials of muscle resident stromal cells // Skelet Muscle. 2019. – Vol. 9. – P. 18.
14. Eltzschig H.K., Carmeliet P. Hypoxia and inflammation // New England Journal of Medicine. 2011. Vol. 364(6). Pp. 56–65.
15. Holzwarth, C., Vaegler, M., Gieseke, F. et al. Low physiologic oxygen tensions reduce proliferation and differentiation of human multipotent mesenchymal stromal cells // BMC Molecular and Cell Biology. 2010. Vol.11. P. 11.
16. Kaplan F.S., Xu M., Seemann P., Connor M., Glaser D.L., Carroll L., Delai P., Fastnacht-Urban E., Forman S.J., Gillessen-Kaesbach G., Hoover-Fong J., Köster B., Pauli R.M., Reardon W., Zaidi S-A., Zasloff M., Morhart R., Mundlos S., Groppe J., Shore E.M. Classic and atypical fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP) phenotypes are caused by mutations in the bone morphogenetic protein (BMP) type I receptor ACVR1// Human Mutation. 2009. Vol. 30. Pp. 379-390. 10.1002/humu.20868.
17. Kitterman J.A., Kantanie S., Rocke D.M., Kaplan F.S. Iatrogenic harm caused by diagnostic errors in fibrodysplasia ossificans progressive // Pediatrics. 2005. Vol.116(5). P. 654.
18. Lin L., Shen Q., Xue T., Yu C. Heterotopic ossification induced by Achilles tenotomy via endochondral bone formation: expression of bone and cartilage related genes // Bone. 2010. Vol. 46. Pp. 425–31.
19. Lucas P.A., Calcutt A.F., Ossi P. Mesenchymal stem cells from granulation tissue // Journal of Cellular Biochemistry. 1993. Vol. 17E. P. 122.
20. Olcina M.M., Leszczynska K.B., Senra J.M., Isa N.F., Harada H, Hammond EM. H3K9me3 facilitates hypoxia-induced p53-dependent apoptosis through repression of APAK // Oncogene. 2016. Vol. 35. Pp. 793–799.
21. Pfander D., Cramer T., Schipani E., Johnson R.S. HIF-1alpha controls extracellular matrix synthesis by epiphyseal chondrocytes // Journal of Cell Science. 2003. Vol. 116. Pp. 19–26.
22. Pignolo R., Foley K. Nonhereditary Heterotopic Ossification: Implications for Injury, Arthropathy, and Aging. Clin Rev Bone Miner Metab. 2005; 3(3-4): 261–266
23. Pignolo R., Shore E., Kaplan F. Fibrodysplasia Ossificans Progressiva: Clinical and Genetic Aspects // Orphanet Journal of Rare Diseases. 2011. Vol. 6(1). P. 80.
24. Prabhakar N.R., Semenza G.L. Adaptive and maladaptive cardiorespiratory responses to continuous and intermittent hypoxia mediated by hypoxia-inducible factors 1 and 2. // Physiological Reviews. 2012. Vol. 92. Pp. 967–1003.
25. Rankin EB, Giaccia AJ, Schipani E. A central role for hypoxic signaling in cartilage, bone, and hematopoiesis // Current Osteoporos Representation. Pp. 46–52.
26. Shen Q., Little S.C., Xu M., Haupt J., Ast C., Katagiri T., Mundlos S., Seemann P., Kaplan F.S., Mullins M.C., Shore EM: The fibrodysplasia ossificans progressiva R20H ACVR1 mutation activates BMP independent chondrogenesis and zebrafish embargo ventralization // Journal of Clinical Investigation. 2009. Vol. 119. Pp. 3462-3472.
27. Steinbrech D.S., Mehrara B.J., Saadeh P.B., Chin G., Dudziak M.E., Gerrets R.P., Gittes G.K., Longaker M.T. Hypoxia regulates VEGF expression and cellular proliferation by osteoblasts in vitro // Plastic and Reconstructive Surgery. 1999. Vol. 104. Pp. 738–747.
28. Sullivan M.P., Torres S.J., Mehta S., Ahn J. Heterotopic ossification after central nervous system trauma: A current review // Bone & Joint Research. 2013. Vol. 1;2(3). Pp. 51-57.
29. Wang H., Lindborg C., Lounev V., Kim J.H., McCarrick-Walmsley R., Xu M., Mangiavini L., Groppe J.C., Shore E.M., Schipani E. Cellular hypoxia promotes heterotopic ossification by amplifying BMP signaling // Journal of Bone and Mineral Research. 2016. Vol. 31(16). Pp. 52–65.
30. Wang H., Shore E.M., Pignolo R.J., Kaplan F.S. Activin a amplifies dysregulated BMP signaling and induces chondro-osseous differentiation of primary connective tissue progenitor cells in patients with fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP) // Bone. 2018. Vol.109. Pp. 218–224.
31. Winkler S., Niedermair T., Fuchtmeier B., Grifka J., Grassel S., Anders S., Heers G., Wagner F. The impact of hypoxia on mesenchymal progenitor cells of human skeletal tissue in the pathogenesis of heterotopic ossification // International Orthopaedics. 2015. Vol. 39. Pp. 2495–2501.