Molecular and clinical studies of cartilage and bone macromolecules in arthritis

Abstract

The pathogenesis of inflammatory arthritides include synovial inflammation and joint tissue destruction.



Tissue destruction has traditionally been regarded a consequence of inflammation, but recent observations indicate that the processes are not always closely linked and may proceed uncoupled. The ultimate target organs for the destructive process are articular cartilage and bone.



This thesis focuses on the pathophysiological changes in these tissues in arthritis patients differently prone to joint damage. Proteins or fragments of proteins released into synovial fluid and blood, so called molecular markers, were studied, as indicators of ongoing processes. Groups representing destructive rheumatoid arthritis (RA), non-destructive RA and psoriatic arthritis, were studied. In RA, high serum levels of the cartilage component COMP and low levels of the 846 epitope of aggrecan, correlate to joint damage. High synovial fluid aggrecan levels correlate to cartilage destruction. The pattern in psoriatic arthritis resembles in this respect that in non-destructive RA. Most changes occur early in the disease course, indicating a critical period for long-term joint damage. The findings will be useful to prognosticate future joint damage and facilitate the selection of patients likely to benefit from tissue-protective therapy. The observations indicate involvement of different pathogenic mechanisms in destructive and non-destructive arthritis.



In a project aimed at exploring the turnover of a putatively regulatory cartilage protein with molecular marker potential, chondroadherin, I have studied its release from cartilage and interactions with other cartilage matrix components. Cartilage destruction in arthritis is accomplished by matrix metalloproteases. Chondroadherin was released from cartilage when treated with APMA, known to be an activator of latent metalloproteases. The released protein appeared to be intact and associated to monomeric collagen type II, a major structural element in cartilage. The interaction between chondroadherin and collagen II was characterised by electron microscopy and surface plasmon resonance assays. Future work aims at defining the interacting sites on collagen and chondroadherin, respectively, and to study the functional consequences of chondroadherin for collagen assembly into fibrils.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Inflammatoriska ledsjukdomar, innefattande bl.a. ledgångsreumatism, reumatoid artrit, och ledinflammation vid psoriasis, psoriasisartrit, är vanliga. I västvärlden lider cirka 1 procent av den vuxna befolkningen av reumatoid artrit (RA) medan psoriasisartrit (PsoA) är mindre vanlig. Ett kännetecken för dessa sjukdomar är att de medför en risk att ledernas vävnader bryts ner med påföljande funktionsinskränkning. Benägenheten att bryta ner ledens vävnader varierar mellan olika ledsjukdomar och också inom en viss sjukdomsgrupp, t.ex. RA. Det saknas idag redskap för att tidigt i sjukdomsförloppet avgöra i vad mån en patient riskerar att framgent utveckla grav ledskada (destruktion). Detta kan ha avgörande betydelse för valet av behandling.



Leder har en komplicerad uppbyggnad. Förutom ledbrosk finns ledhinna, ledkapsel och ledband, samt i vissa leder också menisker. Samtliga dessa strukturer kan skadas vid ledinflammation. Funktionen av flertalet av ledens olika vävnader kan, i händelse av skada, delvis kompenseras. Den vävnad i lederna vars funktion i händelse av grav skada uppenbarligen inte kan kompenseras är brosk. Brosket utgör därför den slutliga målvävnaden för konsekvenserna av inflammationen vid dessa sjukdomar.



Brosk är uppbyggt av ett fåtal celler spridda i en omfattande matris, extracellulär matrix (ECM). Det kvantitativt dominerande proteinet i brosk är kollagen. Många sådana molekyler är sammanfogade till repliknande strukturer, som bildar ett nätverk i vävnaden. Näst kollagen är den stora aggregerande broskproteoglykanen, aggrecan, den rikligast förekommande komponenten. Aggrecan har en komplicerad uppbyggnad bestående av en proteinkärna, till vilken det fästs ett stort antal kolhydratkedjor som har en extrem negativ laddning p.g.a. den höga halten av karboxyl- och svavelgrupper. Aggrecan binder i vävnaden till en sockermolekyl (polysackarid) kallad hyaluronan. På detta sätt bildas stora komplex bestående av en centralt belägen hyaluronan till vilken ett stort antal aggrecanmolekyler bundits. Dessa komplex är snärjda i kollagennätverket. Förutom de nämnda komponenterna, finns det ett stort antal andra komponenter i brosk, av vilka bl.a. cartilage oligomeric matrix protein (COMP) och chondroadherin studerats i detta arbete. COMP är ett protein som består av 5 identiska subenheter sammanfogade i ena änden. Dess exakta funktion i brosk är okänd men den kan bl.a. binda till kollagen. Chondroadherin är ett broskprotein som kan binda till celler men vars funktioner i övrigt är okända.



I denna avhandling har jag dels studerat hur brosk- och i viss mån benkomponenter omsätts vid inflammatoriska ledsjukdomar (arbete I-III) och dels, som en del i ett projekt som avser att studera hur chondroadherin omsätts vid ledsjukdomar, studerat hur proteinet binder till kollagen (arbete IV).



Brosk och ben är dynamiska vävnader som ständigt omsätts. Denna omsättning förändras vid inflammatoriska ledsjukdomar och den störda omsättningen kan leda till en närmast total förlust av ledbrosk. Under omsättningen frisätts proteiner eller delar av proteiner till ledvätskan. Vissa av dessa transporteras vidare till blodcirkulationen. Genom ökad kunskap om komponenterna som bygger upp brosk och ben har man kunnat utveckla bestämningsmetoder för dessa i ledvätska och blod. Genom att mäta mängden och karaktären av de frisatta komponenterna i ledvätska eller blod i väl definierade patientgrupper kan man bilda sig en uppfattning om på vilket sätt vävnadsomsättningen förändrats i samband med en ledsjukdom. Denna teknik kallas markörteknologin eftersom det som frisätts till ledvätska och blod under ideala förhållanden speglar det som sker i vävnaden.



I de två första delarbetena har markörteknologin använts för att studera skillnader mellan patienter med RA som utvecklade ledskador, destruerande RA, och sådana som efter lång tid fortfarande inte utvecklat några betydande ledskador, icke destruerande RA. Såväl blodnivåer som nivåer i ledvätska av ett flertal markörer undersöktes. Vid bestämning av blodnivåer användes två patientgrupper där den ena uppvisade en mycket aggressiv sjukdomsbild och kort tid efter sjukdomsdebuten utvecklade grava skador i höftlederna medan den andra gruppen hade mildare sjukdom och inte uppvisade tecken till höftengagemang. De viktigaste fynden hos dessa patienter var att de med destruerande RA tidigt i förloppet uppvisade höga värden av COMP i blodet medan de patienter som inte hade en destruerande sjukdom hade höga värden av den s.k. 846-epitopen av aggrecan. När ledvätskenivåerna studerades, fann vi att de med destruerande förlopp tidigt under sjukdomsutvecklingen hade högre nivåer av aggrecan än de som inte destruerade. I motsats till förhållandet i serum fann vi inga skillnader i nivåerna av COMP. För att exkludera inflytandet av olika mängder ledvätska hos olika patienter har vi också räknat på kvoten mellan aggrecan och COMP. Dessa beräkningar utfaller så att de med destruerande sjukdom har högre värden initialt än gruppen med icke destruerande sjukdom. Vi visar vidare att det finns ett statistiskt samband mellan nivåerna av denna kvot i ledvätska och risken att utveckla leddestruktion i höft eller knä. I det tredje arbetet har patienter med psoriasisartrit studerats. Aggrecan, COMP och benproteinet BSP mättes i ledvätska och jämfördes med RA-patienterna i arbete II. Två viktiga iakttagelser gjordes. Aggrecan-nivåerna vid psoriasisartrit var jämförbara med icke destruerande RA men lägre än vid destruerande RA. COMP-nivåerna var högre vid psoriasisartrit än i någon av grupperna med RA. Liknande nivåer av COMP finner man vid reaktiv artrit, en godartad form av ledinflammation som kan följa efter infektioner.



Ovanstående tre studier visar:



1. Skillnader i metabola förändringar i brosk mellan patienter med olika långtidsprognos visar sig tidigt. I senare delar av sjukdomsförloppet är de olika grupperna mer lika avseende molekylära markörer. Detta understryker vikten av tidig diagnos och behandling.



2. Det finns kvantitativa och/eller kvalitativa skillnader i de sjukdomsmekanismer som är verksamma vid destruerande RA, icke destruerande RA resp. psoriasisartrit. Avseende aggrecan-nivåerna i ledvätska speglar dessa sannolikt nedbrytning av ECM. Destruerande RA ter sig därför aggressivast. Ledvätskenivåerna av COMP kan däremot, med tanke på likheterna med reaktiv artrit, möjligen spegla det reparationssvar som alltid utlöses i vävnader som utsätts för nedbrytning. Psoriasisartrit har med denna tolkning det bäst fungerande reparativa svaret i vävnaden. De förhöjda serumnivåerna av 846 epitopen, som kan spegla nysyntes av aggrecan, indikerar ett reparativt svar, som inte tycks finnas i samma utsträckning vid destruerande RA. De initialt höga serumnivåerna av COMP, som finns vid destruerande RA, är mer svårtolkade men kan bero på såväl ett reparativt svar som ökad nedbrytning av vävnad. Hur skillnaderna mellan fynden i ledvätska och serum skall förklaras är delvis oklart. En delförklaring kan vara att en väsentligt större andel av aggrecan-fragment än av COMP-fragment som frisätts till ledvätska tas om hand i lymfvägarna vid passagen mellan ledhålan och blodet. Andra förklaringar kan vara en snabbare omsättning av COMP i ledvätskan eller att den reaktiva strukturen på COMP maskeras.



3. Bestämning av molekylära markörer kommer att få stor klinisk betydelse för att tidigt i sjukdomsförloppet förutsäga framtida leddestruktion och därmed skapa ett bättre beslutsunderlag för val av bromsande behandling.



I det sista delarbetet har vi studerat ett annat protein som finns i brosk och sena, kallat chondroadherin. Hur omsättningen av detta protein påverkas av ledsjukdomar är till stora delar okänt. Vi vet dock att mängden i brosk tycks minska hos vissa individer redan i tidiga stadier vid utveckling av ledförslitning, artros. Hur förhållandet är vid inflammatoriska ledsjukdomar som RA och psoriasisartrit vet man ej. Det har visat sig svårt att påvisa proteinet i ledvätska hos patienter med inflammatoriska ledsjukdomar. I laboratorieförsök har vi därför behandlat brosk med APMA, en substans som aktiverar vävnadsnedbrytande enzym. Därvid frisätts proteinet från brosk. Vi har i arbete IV visat att frisatt chondroadherin binder till kollagen II, den strukturella huvudkomponenten i brosk. Den funktionella konsekvensen av denna bindning är ännu okänd. Andra proteiner besläktade med chondroadherin har dock visats påverka kollagenets möjlighet att bilda fibrer och möjligen skulle chondroadherin kunna ha en liknande funktion. Eftersom både kollagen och chondroadherin kan binda till broskceller, och därmed har möjlighet att påverka funktionen hos dessa, ökar självfallet bindningen mellan chondroadherin och kollagen komplexiteten i detta system. Konsekvenserna av dessa multipla interaktioner återstår att klarlägga.



Ledinflammation medför stort lidande för patienter. Kunskapen om mekanismerna för utvecklingen av vävnadsskadan är, även om den ökat markant under senare år, fortfarande ofullständig. Genom grundläggande forskning avseende uppbyggnaden av vävnaderna, samt olika komponenters funktioner och samspel, skapas förutsättningar för att i djurmodeller och slutligen i väl definierade patientmaterial prova olika hypoteser för sjukdomsutvecklingen vid ledsjukdomar. Bättre förståelse av hur sjukdomsprocesserna styrs ger möjlighet att skapa effektiv behandling, som kan förhindra eller bromsa utveckling av ledskador hos denna stora patientgrupp.

• author: Månsson, Bengt
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor van den Berg, Wim, University Hospital Nijmegen, The Netherlands
• organization: Rheumatology
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Rheumatology and Autoimmunity
• keywords: Skeleton, Prognosis, Tissue damage, Bone markers, Cartilage markers, Rheumatoid arthritis, Psoriatic arthritis, muscle system, rheumatology locomotion, Skelett, muskelsystem, reumatologi
• pages: 114 pages
• defense location: Lecture hall, Department of Rheumatology, Lund University Hospital
• defense date: 1999-12-16 09:15:00
• external identifiers: other:LUMEDW/(MERK-1011)1-114(1999)
• ISBN: 91-628-3887-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 818e3455-8535-43b2-9a30-37d30b60ee86 (old id 40054)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:24:40
• date last changed: 2018-11-21 20:58:36