Cristalli e artrosi: meccanismi fisiopatologici

Mario G. Carrabba | 11/07/2016 12:32

L’artrosi (OA) è la forma morbosa che colpisce più spesso l’apparato locomotore nell’uomo.

Nonostante la sua elevata prevalenza, la patogenesi di questa malattia è ancora in parte sconosciuta.

È stato tuttavia definitivamente accertato che la malattia consegue all’effetto patogeno sulle strutture articolari di una serie di fattori che singolarmente o più spesso variamente combinati tra loro sono in grado di destabilizzarle permanentemente. Tali fattori includono quelli genetici, meccanici e biochimici, ma anche la presenza degli esiti locali di pregresse malattie o traumi.

È stato altresì osservato, nel corso di numerosi studi che la malattia colpisce prima o poi tutte le componenti articolari anche se l’osso e la cartilagine articolare sono certamente i tessuti maggiormente coinvolti. In effetti sono caratteristici di questa malattia la presenza di osteofiti, la riduzione dello spazio articolare e l’usura della cartilagine. Ambedue questi aspetti sottolineano la partecipazione al processo patogenetico, con pari dignità, sia dei condrociti e della matrice che li circonda, che degli osteociti e del tessuto circostante.

La malattia è considerata di natura non infiammatoria, tuttavia una risposta flogistica è stata largamente documentata a livello dei diversi tessuti citati. Essa può derivare oltre che dalle irregolarità superficiali e dall’aumentato attrito proprio dell’OA, dalla comparsa di cristalli nell’articolazione sia in via primitiva che secondaria.

La presenza nell’ambiente sinoviale (liquido e membrana sinoviale, cartilagine e osso subcondrale) di diversi tipi di cristalli o di agglomerati cristallini è stato rilevato da tempo come un evento frequentemente associato all’OA.

Questa concomitanza induce da un lato una risposta infiammatoria locale (soprattutto se i cristalli si trovano o precipitano nel liquido e nella membrana sinoviale), dall’altro si verifica un più o meno grave deficit della risposta meccanica al carico e/o una sofferenza della popolazione cellulare residente (condrociti, osteociti) nel caso in cui la presenza anomala dei cristalli si verifichi nell’osso subcondrale, nella cartilagine articolare, nei menischi, nei dischi o negli altri tessuti molli articolari. In quest’ultimo caso la progressiva perdita delle proprietà biomeccaniche di questi tessuti indurrà l’inizio del processo artrosico oppure comporterà una accelerazione di tale evento morboso.

Esistono infatti numerosi casi in cui la presenza di cristalli è un evento secondario alla malattia principale (OA) o perché l’osso subcondrale stesso ne libera dei frammenti a seguito del movimento dei capi articolari in cui l’affezione è talmente avanzata da denudarlo almeno parzialmente della cartilagine articolare, oppure perché la stessa degenerazione cartilaginea modifica talmente la matrice da agevolare la precipitazione locale dei cristalli stessi.

Riassumiamo nella Tab. 1 i cristalli (o altre sostanze occasionalmente presenti nell’articolazione) più frequentemente riscontrati in associazione all’artrosi suddividendoli tra molecole più spesso responsabili di artrosi e cristalli la cui presenza si manifesta quando questa malattia è già avanzata.

Tabella 1

Cristalli e altre sostanze più  frequentemente associate all’artrosi

La presenza in circa 2/3 dei liquidi sinoviali artrosici di cristalli o agglomerati cristallini positivi alla colorazione con rosso di alizarina S (64,2% degli 81 artrosici esaminati da Paul et al, 1983) (1) documenta l’elevata frequenza con cui questa componente partecipa ai meccanismi patogenetici scatenati dalla malattia.

Se si esclude il caso in cui la presenza di fosfati basici di calcio è secondario alla degenerazione cartilaginea e quei pochi in cui è in gioco un meccanismo genetico, in tutti gli altri pazienti è verosimilmente in gioco un dismetabolismo locale.

Non è tuttavia chiaro, né per i cristalli di BCP, né per quelli di CPPD presenti nella cartilagine articolare, se l’evento inducente la loro precipitazione si è verificato prima o dopo la comparsa delle alterazioni artrosiche della matrice.

In condizioni fisiologiche nella parte più profonda della cartilagine articolare umana  (la cosiddetta cartilagine calcificata) sono presenti delle  vescicole a contenuto minerale (“matrix vesicles”) costituito da idrossiapatite o da CPPD. In presenza di ATP prevale la produzione del secondo, in assenza di ATP si produce la prima.

Qualora si verifichi un incremento di tale contenuto minerale (vedi oltre), quest’ultimo esercita un’azione di stimolo alla proliferazione della membrana sinoviale.

In un recente lavoro di Nalbant et al, 2003 (2), in 330 liquidi artrosici esaminati sono stati riscontrati cristalli di idrossiapatite nel 47%, CPPD nel 21 % ed entrambi i tipi di cristalli nel 16%.

È stata rilevata una correlazione tra la frequenza dei cristalli (sia di idrossiapatite che di CPPD) e lo score radiologico della OA.

Il fatto che i cristalli di BCP siano raramente rilevabili in malattie altamente destruenti per l’articolazione come la AR depone nel senso di una stretta associazione tra la loro presenza, l’artrosi e la gravità di quest’ultima (McCarthy et al, 2001) (3) .

È stato ampiamente documentato che questi tipi di cristalli sono in grado di stimolare la produzione di PGE2, di attivare la  fosfolipasi C e la MAP (mitogen activated protein)-chinasi . Esse inducono altresì la sintesi di protooncogeni (c-fos e c-jun) e di metalloproteasi (MMP1, MMP3, MMP9, MMP13). Di qui la loro azione stimolante la degradazione cartilaginea e la loro dimostrata presenza nel corso dell’OA soprattutto a livello di questo tessuto.

I cristalli di BCP sono infine in grado di indurre una riduzione della sintesi degli inibitori tissutali delle MMPs (TIMP-1 e -2).

Tra gli inibitori meglio noti della cristallizzazione dell’idrossiapatite vi sono i policarbossilati e i polifosfati. Essi includono il pirofosfato, i bisfosfonati, i poliacrilici, i citrati, gli amminoacidi, i nucleotidi e le proteine naturali contenenti gamma-carbossilati. Il più interessante di questi composti sembrerebbe il tricarbossilato fosforilato noto sotto il nome di fosfocitrato (PC). Esso previene la calcificazione dei tessuti molli in vivo e non produce alcun effetto collaterale nell’animale fino al dosaggio di 150 micromoli/Kg/giorno.

In particolare il PC inibisce l’espressione dei  prooncogeni (c-fos e c-jun) indotti dai cristalli di CPPD e BCP, la sintesi della MMPs e la mitogenesi dei fibroblasti umani in vitro.

La formazione di cristalli nei tessuti articolari avviene in presenza di alcune condizioni cliniche che predispongono alla loro presenza (Tab. 2).

Tabella 2

Sulla base di ricerche nell’animale, essa è in rapoorto con le concentrazione del pirofosfato inorganico extracellulare (ePPi). Questa sostanza sarebbe un inibitore funzionale della formazione di cristalli di BCP. A seguito di un significativo aumento della sua concentrazione, si verificherebbe tuttavia una particolare predisposizione alla precipitazione di CPPD.

In sintesi una riduzione di ePPi promuoverebbe la deposizione di cristalli di BCP, mentre il suo eccesso quella di CPPD (Costello e Ryan, 2004) (4).

Le manifestazioni cliniche (o l’aggravamento di un’artrosi preesistente) dipendono dalla quantità di questi cristalli che precipitano nelle diverse strutture (membrana sinoviale, liquido sinoviale, menischi, cartilagine articolare e osso subcondrale). La precipitazione, a sua volta, dipende, quando si verifica, da un eccessivo aumento o diminuzione dei fattori riportati nella Tab. 3 e nella Fig.1 .

Tabella 3

Il pirofosfato inorganico (PPi) è prodotto all’interno delle cellule e in genere non diffonde all’esterno (cosiddetto “intracellular Ppi”) e pertanto la precipitazione extracellulare dipende dalla sua fuoriuscita. Essa sarebbe mediata dalla proteina di trasporto ANK.

In alternativa il PPi potrebbe essere prodotto, all’esterno della cellula, dalla degradazione dei nucleosidi trifosfatati (NTP) secondo la reazione: NTP à NMP + PPi  a seguito dell’intervento locale di ectoenzimi ad attività nucleoside trifosfato pirofosfoidrolasi (NTPPPH).

A conferma dei citati meccanismi, è stata identificata una mutazione del ratto (ank/ank) che, in assenza del gene responsabile della sintesi della proteina ANK, non è più in grado di trasportare a livello extracellulare il PPi. Ne deriva una ridotta concentrazione extracellulare di ePPi che comporta infatti una incontrollata formazione di BCP. (Fig. 1)

Figura 1 - Origine del pirofosfato cartilagineo extracellulare (ePPi) (Costello e Ryan, 2004)

Nell’uomo il prodotto del gene ANKH è sovrapponibile a quello murino e alcune sue mutazioni sono responsabili di displasia ossea.

All’interno delle mutazioni descritte nell’uomo a carico dell’ANKH (Pendleton et al, 2002) (5), sono state riportate sia alterazioni che conducono alla precipitazione di CPPD o di idrossiapatite in rapporto ad un fenotipo che, a seguito dell’espressività maggiore o minore di questa proteina vettrice di membrana,  porta rispettivamente ad una aumentata o diminuita concentrazione di ePP.

Nell’ambito dei citati meccanismi, all’interno di quello che fa capo all’NTPPPH è stato recentemente valorizzato il ruolo di uno dei suoi isoenzimi denominato PC-1. In assenza del gene che sintetizza quest’ultimo, in effetti, possono risultare infatti deficit sintetici di osteopontina e ipofosfatasia per mutazione del gene che sintetizza TNAP (tissue-nonspecific alkaline phosphatase) (Costello e Ryan, 2004) (4).

Il deficit di attività NTPPPH è stata altresì dimostrata, nel uomo, in famiglie con calcificazione arteriosa idiopatica infantile. In questi pazienti le mutazioni associate ai difetti dell’enzima citato inducono una ridotta concentrazione di ePPi e la conseguente calcificazione tissutale con BCP.

Ai citati meccanismi occorre aggiungere il possibile coinvolgimento della proteina dello strato intermedio della cartilagine (CILP o cartilage intermediate-layer protein). Variazioni genetiche di quest’ultima possono influenzare, con meccanismi diversi da quelli citati (ANK e NTPPPH), la concentrazione  di ePPi inducendo, in caso di eccesso della proteina, una precipitazione di cristalli di CPPD.

Infine è stato descritto in pazienti con depositi di CPPD un aumento dell’attività transglutaminasica (in particolare la transglutaminasi di tipo 2 o TG-2). Questo enzima sarebbe in grado di legare e idrolizzare GTP, di stabilizzare la matrice, di attivare il TGFbeta e quindi di stimolare la produzione di ePPi. Pertanto la presenza concomitante di un incremento di TG-2, di condrociti ipertrofici e di cristalli CPPD sarebbe caratteristica di un deposito patologico cartilagineo di questi cristalli.

Nell’ambito della regolazione della concentrazione dell’ ePPi  ricordiamo, da ultimo, l’intervento possibile di altri fattori stimolanti come il fattore XIIIa , IL-1beta, le chemochine CXCL8 e CXCL1 e i relativi recettori e l’ormone tiroideo. Sia T3 che T4 e i fattori appena elencati agirebbero prevalentemente stimolando la sintesi di TG-2.

Riassumiamo nella Tab. 4 alcuni elementi caratteristici della cartilagine in presenza di concentrazioni patologiche di CPPD.

Tabella 4 - Alcune fattori coinvolti nella formazione di cristalli di CPPD a livello cartilagineo

I rapporti a livello cartilagineo tra i diversi cristalli che possono essere contemporaneamente presenti sono complessi e solo in parte conosciuti: quelli di urato agevolerebbero la precipitazione  di CPPD, mentre  i cristalli  di  BCP tenderebbero a inibire una ulteriore cristallizzazione di  CPPD.

L’interazione tra matrice e presenza di cristalli locale a livello cartilagineo è relativamente poco conosciuta, anche se, in linea di massima,  risulta acquisito che in presenza di lesioni sia delle fibre collagene che dei proteoglicani, la precipitazione di cristalli sia di CPPD che di BCP è agevolata. Al contrario difficilmente si riscontrano cristalli in un contesto di matrice normale (Kalya e Rosenthal, 2005) (6).

In linea di massima, le lesioni riscontrate riguardano sia il collagene di tipo II, spesso frammentato, che i proteoglicani che presentano un PM ridotto.

Questi aspetti possono essere riscontrati anche semplicemente per la concomitanza di elementi come l’età avanzata e/o l’artrosi.

Secondo alcuni Autori, l’eccessiva presenza locale di collagene di tipo I e X, unitamente all’ipertrofia del condrocita e alla presenza locale di proteoglicani a basso PM agevolerebbero la precipitazione dei cristalli di CPPD. A sua volta la presenza di aggregati di proteoglicani ad elevato PM inibirebbe la crescita dell’idrossipatite. Ciò grazie ad una azione chelante del calcio o per effetto di uno ostacolo dello loro struttura tridimensionale nei confronti della crescita dei cristalli.

Delle diverse proteine in grado di legare il calcio come la S-100, l’osteopontina e l’osteonectina, la seconda (una fosfoglicoproteina a struttura complessa) presente in particolare nella cartilagine artrosica attorno ai condrociti ipertrofici, sembra avere un importante ruolo nella formazione dei cristalli CPPD. Essa avrebbe un’elevata capacità di legare il calcio, è un substrato per la TG. Infine è presente nella calcificazioni patologiche vascolari e mammarie ed aumenta in presenza di cristalli pericondrocitari. La concentrazione di tutte le citate proteine comunque aumenta in presenza di cristalli. (Kalya e Rosenthal) (6).

La presenza di cristalli nell’ambiente articolare stabilisce, come già detto, un nesso di causa-effetto con le lesioni soprattutto cartilaginee, sinoviali e degli altri tessuti articolari sulla base di danni che si verificano per l’ attivazione di una sequenza di eventi intra- ed extra-cellulari rappresentati schematicamente nella Fig.2 .

Figura 2 - Sequenza delle alterazioni metaboliche conseguenti alla presenza di cristalli nella cartilagine articolare

La dimostrazione dell’attivazione dei diversi fattori di trascrizione riportati è stata documentata da numerosi lavori soprattutto di McCarthy et al , 2001 (3), Johnson et al, 2001 (7), Reuben et al, 2004 (8), Ea et al, 2005 (9).

Sulla base di quanto finora riportato i complessi rapporti tra cristalli e artrosi possono essere così riassunti:

- Essi sono frequentemente presenti in ambiente sinoviale ove occorre sempre ricercarli.

- Quelli costituti da BCP e CPPD sono di più frequente riscontro e sono in grado di aggravare e accelerare il processo degradativi osteocartilagineo.

- Se presenti in quantità cospicua, comportano una risposta infiammatoria e il peggioramento dell’attrito tra le strutture articolari in movimento.

- In casi più rari, sono responsabili di gravi e rapide distruzioni articolari.

Bibliografia

1. Paul H, Reginato AJ and Schumacher HR: Alizarin red S staining as a screening test to detect calcium compounds in synovial fluid. Arthritis Rheum 1983 ; 26 (2): 191-200

2. Nalbant S, Martinez JAM et al: Synovial fluid features and  their relation to osteoarthritis severity: new findings from sequential studies. Osteoarthris Cartilage 2003; 11: 50-54

3. Mc Carthy GM, Westfall PR et al: Basic calcium phosphate crystals activate human ostearthritic synovial fibroblasts and induce matrix metalloproteinase-13 ( collagenase-3 ) in adul porcine articular chondrocytes. Ann Rheum Dis 2001; 60: 399-406

4. Costello JC and  Ryan LM: Modulation of chondrocyte production of extracellular inorganic pyrophosphate. Curr Opin Rheumatol 2004; 16: 268-272

5. Pendleton A, Johnson MD et al: Mutations in ANKH cause chondrocalcinosis. Am J Hum Genet 2002 ; 71 : 933-940

6. Kalya S and Rosenthal AK : Extracellular matrix changes regulate calcium crystal formation in articular cartilage. Curr Opin Rheumatol 2005 ; 17 : 325-329

7. Johnson K, Hashimoto S et al : Interleukin-1 induces pro-mineralizing activity of cartilage tissue transglutaminase and factor XIIIa. Am J Pathol 2001; 159: 149-163

8. Reuben PM, Sun Y et al : Basic calcium phosphate cruystals activate p44/42 MAPK signal transduction pathway via protein kinase C in human fibroblasts. J Biol Chem 2004; 279: 35719-35725

9. Ea HK, Uzan B et al: Octacalcium phosphate crystals directly stimulate expression of inducible nitric oxide synthase through p38 and JNK mitogen-activated protein kinases in articular chondrocytes. Arthritis Res Ther 2005; 7: R915-R926

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