Современные генетические и иммунологические аспекты патогенеза нарушения консолидации переломов (обзор литературы)
https://doi.org/10.29413/ABS.2022-7.2.6
Аннотация
Цель данной статьи – провести анализ генетических и иммунологических механизмов развития нарушений консолидации переломов на современном научном этапе.
Материалы и методы. Поиск литературных источников проводился в открытых электронных базах данных научной литературы PubMed и eLIBRARY. Глубина поиска – 10 лет.
Результаты. В обзоре проведён анализ данных литературы о современном состоянии вопросов изучения молекулярно-генетических механизмов репаративной регенерации костной ткани, в том числе и в развитии нарушений консолидации переломов. Рассмотрены механизмы наиболее важных звеньев патогенеза, которые чаще всего приводят к различным нарушениям процессов репарации костной ткани на сегодняшний день.
Заключение. Процесс репарации костной ткани многогранен, и в его осуществлении принимает участие множество факторов, однако хотелось бы отметить, что ведущую роль в течении репаративной регенерации играет персонифицированный генетически запрограммированный ответ на данное патологическое состояние. Тем не менее, несмотря на неоспоримый прогресс современной медицины в изучении процессов восстановления кости после перелома, до настоящего момента остаётся множество «белых» пятен в данном вопросе, что диктует необходимость его дальнейшего всестороннего изучения с целью эффективного лечения пациентов с нарушением консолидации.
Ключевые слова
Об авторах
А. М. МиромановРоссия
доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой травматологии и ортопедии
672000, г. Чита, ул. Горького, 39а
К. А. Гусев
Россия
кандидат медицинских наук, ассистент кафедры травматологии и ортопедии
672000, г. Чита, ул. Горького, 39а
А. Н. Старосельников
Россия
ассистент кафедры травматологии и ортопедии
672000, г. Чита, ул. Горького, 39а
О. Б. Миронова
Россия
кандидат медицинских наук, доцент кафедры травматологии и ортопедии
672000, г. Чита, ул. Горького, 39а
Н. А. Мироманова
Россия
доктор медицинских наук, доцент, заведующая кафедрой детских инфекций
672000, г. Чита, ул. Горького, 39а
Список литературы
1. Емельянов В.Ю., Преображенская Е.В., Николаев Н.С. Сравнительная оценка эффективности биофизических методов стимуляции остеогенеза: обзор литературы. Травматология и ортопедия России. 2021; 27(1): 86-96. doi: 10.21823/2311-2905-2021-27-1-86-96
2. Zaiss MM, Frey B, Hess A, Zwerina J, Luther J, Nimmerjahn F, et al. Regulatory T cells protect from local and systemic bone destruction in arthritis. J Immunol. 2010; 184(12): 7238-7246. doi: 10.4049/jimmunol.0903841
3. Ding Z-C, Lin Y-K, Gan Y-K, Tang T-T. Molecular pathogenesis of fracture nonunion. J Orthop Translat. 2018; 14: 45-56. doi: 10.1016/j.jot.2018.05.002
4. Zhang J, Yang Y, Yang Z, Li T, Chen F. Snapshot: Targeting macrophages as a candidate for tissue regeneration. Curr Issues Mol Biol. 2018; 29: 37-48. doi: 10.21775/cimb.029.037
5. Мироманов А.М., Гусев К.А., Мироманова Н.А. Влияние полиморфизма гена TGFβ1-25Arg>Pro на экспрессию ростового фактора TGFβ1 у больных с нарушением консолидации переломов в Забайкальском крае. Фундаментальные исследования. 2015; 1(5): 1008-1012.
6. Гусев К.А., Мироманов А.М., Мироманова Н.А., Витковский Ю.А. Полиморфизм гена EGFR-2073A>T и экс-прессия ростового фактора EGF у больных с нарушением консолидации переломов длинных костей конечностей. Забайкальский медицинский вестник. 2016; 3: 25-29. URL: http://zabmedvestnik.ru/arhiv-nomerov/nomer-3-za-2016-god/polimorfizm-gena-egfr-2073a-t-i-jekspressija-rostovogo-faktoraegf-u-bolnyh-s-narusheniem-konsolidacii-perelomov-dlinnyhkostej-konechnostej/588/5.pdf [дата доступа: 01.12.2021].
7. Новикова Е.Л., Бакаленко Н.И., Нестеренко А.Ю., Кулакова М.А. НОХ-гены и регенерация у животных. Онтогенез. 2016; 47(4): 209-218. doi: 10.7868/S0475145016040078
8. Zimmermann G, Schmeckenbecher KHK, Boeuf S, Weiss S, Bock R, Moghaddam A, et al. Differential gene expression analysis in fracture callus of patients with regular and failed bone healing. Injury. 2012; 43(3): 347-356. doi: 10.1016/j.injury.2011.10.031
9. Waki T, Lee SY, Niikura T, Iwakura T, Dogaki Y, Okumachi E, et al. Profiling microRNA expression in fracture nonunions: Potential role of microRNAs in nonunion formation studied in a rat model. Bone Joint J. 2015; 97-В(8): 1144-1151. doi: 10.1302/0301-620X.97B8.34966
10. Wang H, Xie Z, Hou T, Li Z, Huang K, Gong J, et al. MiR-125b regulates the osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells by targeting BMPR1b. Cell Physiol Biochem. 2017; 41(2): 530-542. doi: 10.1159/000457013
11. He B, Zhang ZK, Liu J, He YX, Tang T, Li J, et al. Bioinformatics and microarray analysis of miRNAs in aged female mice model implied new molecular mechanisms for impaired fracture healing. Int J Mol Sci. 2016; 17(8): 1260. doi: 10.3390/ijms17081260
12. Guimarães JM, Guimarães IC do V, Duarte MEL, Vieira T, Vianna VF, Fernandes MBC, et al. Polymorphisms in BMP4 and FGFR1 genes are associated with fracture non-union. J Orthop Res. 2013; 31(12): 1971-1979. doi: 10.1002/jor.22455
13. Movchan OS, Olifirenko OI. Autotransplantation native marrow at defective fracture consolidation. Trauma. 2016; 17(2): 69-72. doi: 10.22141/1608-1706.2.17.2016.74658
14. Скрипникова И.А., Алиханова Н.А., Колчина М.А., Мягкова М.А., Косматова О.В. Атеросклероз и остеопороз. Общие мишени для влияния сердечно-сосудистых и антиостеопорозных препаратов (Часть I). Влияние сердечно-сосудистых препаратов на прочность костной ткани. Рациональная фармакотерапия в кардиологии. 2019; 15(1): 69-76. doi: 10.20996/1819-6446-2019-15-1-69-76
15. Парахонский А.П. Механизмы регенерации тканей. Заметки ученого. 2018; 6(31): 10-18.
16. Матчин А.А., Стадников А.А., Носов Е.В., Кириакиди С.Х. Морфологическая и иммуногистохимическая характеристика процессов заживления экспериментальных переломов нижней челюсти. Журнал анатомии и гистопатологии. 2019; 8(1): 44-48. doi: 10.18499/2225-7357-2019-8-1-44-48
17. Juban G, Chazaud B. Metabolic regulation of macrophages during tissue repair: Insights from skeletal muscle regeneration. FEBS Lett. 2017; 591(19): 3007-3021. doi: 10.1002/1873-3468.12703
18. Schlundt C, Khassawna TEl, Serra A, Dienelt A, Wendler S, Schell H, et al. Macrophages in bone fracture healing: Their essential role in endochondral ossification. Bone. 2018; 106: 78-89. doi: 10.1016/j.bone.2015.10.019
19. Wu AC, Raggatt LJ, Alexander KA, Pettit AR. Unraveling macrophage contributions to bone repair. Bonekey Rep. 2013; 2: 373. doi: 10.1038/bonekey.2013.107
20. Maruyama M, Rhee C, Utsunomiya T, Zhang N, Ueno M, Yao Z, et al. Modulation of the inflammatory response and bone healing. Front Endocrinol (Lausanne). 2020; 11: 386. doi: 10.3389/fendo.2020.00386
21. Sivanathan KN, Rojas-Canales DM, Hope CM, Krishnan R, Carroll RP, Gronthos S, et al. Interleukin-17A-induced human mesenchymal stem cells are superior modulators of immunological function. Stem Cells. 2015; 33(9): 2850-2863. doi: 10.1002/stem.2075
22. Kim Y-G, Park J-W, Lee J-M, Suh J-Y, Lee J-K, Chang B-S, et al. IL-17 inhibits osteoblast differentiation and bone regeneration in rat. Arch Oral Biol. 2014; 59(9): 897-905. doi: 10.1016/j.archoralbio.2014.05.009
23. Noronha N de C, Mizukami A, Caliari-Oliveira C, Cominal JG, Rocha JLM, Covas DT, et al. Priming approaches to improve the efficacy of mesenchymal stromal cell-based therapies. Stem Cell Res Ther. 2019; 10(1): 131. doi: 10.1186/s13287-019-1224-y
24. Lin T, Pajarinen J, Nabeshima A, Lu L, Nathan K, Jamsen E, et al. Preconditioning of murine mesenchymal stem cells synergistically enhanced immunomodulation and osteogenesis. Stem Cell Res Ther. 2017; 8(1): 277. doi: 10.1186/s13287-017-0730-z
25. Philipp D, Suhr L, Wahlers T, Choi YH, Paunel-Gorgulu A. Preconditioning of bone marrow-derived mesenchymal stem cells highly strengthens their potential to promote IL-6-dependent M2b polarization. Stem Cell Res Ther. 2018; 9(1): 286. doi: 10.1186/s13287-018-1039-2
26. Lu Z, Chen Y, Dunstan C, Roohani-Esfahani S, Zreiqat H. Priming adipose stem cells with tumor necrosis factor-alpha preconditioning potentiates their exosome efficacy for bone regeneration. Tissue Eng A. 2017; 23(21-22): 1212-1220. doi: 10.1089/ten.tea.2016.0548
27. Camacho-Cardenosa M, Camacho-Cardenosa A, Timon R, Olcina G, Tomas-Carus P, Brazo-Sayavera J. Can hypoxic conditioning improve bone metabolism? A systematic review. Int J Environ Res Public Health. 2019; 16(10): 1799. doi: 10.3390/ijerph16101799
28. Ono T, Hayashi M, Sasaki F, Nakashima T. RANKL biology: Bone metabolism, the immune system, and beyond. Inflamm Regen. 2020; 40: 2. doi: 10.1186/s41232-019-0111-3
29. Герштейн Е.С., Тимофеев Ю.С., Зуев А.А., Кушлинский Н.Е. Лиганд-рецепторная система RANK/RANKL/OPG и ее роль при первичных новообразованиях костей (анализ литературы и собственные результаты). Успехи молекулярной онкологии. 2015; 2(3): 51-59. doi: 10.17650/2313-805X-2015-2-3-51-59
30. Walsh MC, Choi Y. Biology of the RANKL–RANK–OPG system in immunity, bone, and beyond. Front. Immunol. 2014; 5: 511. doi: 10.3389/fimmu.2014.00511
31. Baht GS, O’Young J, Borovina A, Chen H, Tye CE, Karttunen M, et al. Phosphorylation of Ser136 is critical for potent bone sialoprotein-mediated nucleation of hydroxyapatite crystals. Biochem J. 2010; 428(3): 385-395. doi: 10.1042/BJ20091864
32. Köttstorfer J, Thomas A, Gregori M, Kecht M, Kaiser G, Eipeldauer S, et al. Are OPG and RANKL involved in human fracture healing? J Orthop Res. 2014; 32(12): 1557-1561. doi: 10.1002/jor.22723
33. Abdallah BM, Stilgren LS, Nissen N, Kassem M, Jorgensen HRI, Abrahamsen B. Increased RANKL/OPG mRNA ratio in iliac bone biopsies from women with hip fractures. Calcif Tissue Int. 2015; 76(2): 90-97. doi: 10.1007/s00223-004-0074-4
34. Komiya Y, Habas R. Wnt signal transduction pathways. Organogenesis. 2008; 4(2): 68-75. doi: 10.4161/org.4.2.5851
35. Houschyar KS, Momeni A, Pyles MN, Maan ZN, Whittam AJ, Siemers F. Wnt signaling induces epithelial differentiation during cutaneous wound healing. Organogenesis. 2015; 11(3): 95-104. doi: 10.1080/15476278.2015.1086052
36. Clevers H. Wnt/beta-catenin signaling in development and disease. Cell. 2006; 127(3): 469-480. doi: 10.1016/j.cell.2006.10.018
37. Houschyar KS, Tapking C, Borrelli MR, Popp D, Duscher D, Maan ZN, et al. Wnt pathway in bone repair and regeneration – What do we know so far. Front Cell Dev Biol. 2019; 6: 170. doi: 10.3389/fcell.2018.00170
38. MacDonald BT, He X. Frizzled and LRP5/6 receptors for Wnt/beta-catenin signaling. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2012; 4(12): a007880. doi: 10.1101/cshperspect.a007880
39. Enzo MV, Rastrelli M, Rossi CR, Hladnik U, Segat D. The Wnt/beta-catenin pathway in human fibrotic-like diseases and its eligibility as a therapeutic target. Mol Cell Ther. 2015; 3: 1. doi: 10.1186/s40591-015-0038-2
40. Cadigan KM, Waterman ML. TCF/LEFs and Wnt signaling in the nucleus. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2012; 4(11): a007906. doi: 10.1101/cshperspect.a007906
41. Bao Q, Chen S, Qin H, Feng J, Liu H, Liu D et al. An appropriate Wnt/beta-catenin expression level during the remodeling phase is required for improved bone fracture healing in mice. Sci. Rep. 2017; 7(1): 2695. doi: 10.1038/s41598-017-02705-0
42. Wang T, Zhang X, Bikle DD. Osteogenic differentiation of periosteal cells during fracture healing. J Cell Physiol. 2017; 232(5): 913-921. doi: 10.1002/jcp.25641
43. Regard JB, Zhong Z, Williams BO, Yang Y. Wnt signaling in bone development and disease: Making stronger bone with Wnts. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2012; 4(12): a007997. doi: 10.1101/cshperspect.a007997
44. Tarapore RS, Siddiqui IA, Mukhtar H. Modulation of Wnt/beta-catenin signaling pathway by bioactive food components. Carcinogenesis. 2012; 33(3): 483-491. doi: 10.1093/carcin/bgr305
45. Yavropoulou MP, Yovos JG. The role of the Wnt signaling pathway in osteoblast commitment and differentiation. Hormones. 2007; 6(4): 279-294. doi: 10.14310/horm.2002.1111024
46. Pinzone JJ, Hall BM, Thudi NK, Vonau M, Qiang YW, Rosol TJ, et al. The role of Dickkopf-1 in bone development, homeostasis, and disease. Blood. 2009; 113(3): 517-525. doi: 10.1182/blood-2008-03-145169
47. Balemans W, Hul WV. The genetics of low-density lipoprotein receptor-related protein 5 in bone: A story of extremes. Endocrinology. 2007; 148(6): 2622-2629. doi: 10.1210/en.2006-1352
48. Schulze J, Seitz S, Saito H, Schneebauer M, Marshall RP, Baranowsky A, et al. Negative regulation of bone formation by the transmembrane Wnt antagonist Kremen-2. PLoS One. 2010; 5(4): e10309. doi: 10.1371/journal.pone.0010309
49. Cao J, Wei Y, Lian J, Yang L, Zhang X, Xie J, et al. Notch signaling pathway promotes osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells by enhancing BMP9/Smad signaling. Int J Mol Med. 2017; 40(2): 378-388. doi: 10.3892/ijmm.2017.3037
50. Lin GL, Hankenson KD. Integration of BMP, Wnt, and notch signaling pathways in osteoblast differentiation. J Cell Biochem. 2011; 112(12): 3491-3501. doi: 10.1002/jcb.23287
51. Baum R, Gravallese EM. Impact of inflammation on the osteoblast in rheumatic diseases. Curr Osteoporos Rep. 2014; 12(1): 9-16. doi: 10.1007/s11914-013-0183-y
52. Kureel J, John AA, Prakash R, Singh D. MiR 376c inhibits osteoblastogenesis by targeting Wnt3 and ARF-GEF-1-facilitated augmentation of beta-catenin transactivation. J Cell Biochem. 2018; 119(4): 3293-3303. doi: 10.1002/jcb.26490
53. Kang H, Hata A. The role of microRNAs in cell fate determination of mesenchymal stem cells: Balancing adipogenesis and osteogenesis. BMB Rep. 2015; 48(6): 319-323. doi: 10.5483/BMBRep.2015.48.6.206
54. Vimalraj S, Selvamurugan N. MicroRNAs: Synthesis, gene regulation and osteoblast differentiation. Curr Issues Mol Biol. 2013; 15: 7-18.
55. Peng S, Gao D, Gao C, Wei P, Niu M, Shuai C. MicroRNAs regulate signaling pathways in osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (Review). Mol Med Rep. 2016; 14(1): 623-629. doi: 10.3892/mmr.2016.5335
56. Zhang L, Tang Y, Zhu X, Tu T, Sui L, Han Q, et al. Overexpression of MiR-335-5p promotes bone formation and regeneration in mice. J Bone Miner Res. 2017; 32(12): 2466-2475. doi: 10.1002/jbmr.3230
57. Lojk J, Marc J. Roles of non-canonical Wnt signalling pathways in bone biology. Int J Mol Sci. 2021; 22(19): 10840. doi: 10.3390/ijms221910840
58. Butler MT, Wallingford JB. Planar cell polarity in development and disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 2017; 18(6): 375-388. doi: 10.1038/nrm.2017.11
59. Gao B, Song H, Bishop K, Elliot G, Garrett L, English M, et al. Wnt signaling gradients establish planar cell polarity by inducing Vangl2 phosphorylation through Ror2. Dev Cell. 2011; 20(2): 163-176. doi: 10.1016/j.devcel.2011.01.001
60. Struhl G, Casal J, Lawrence PA. Dissecting the molecular bridges that mediate the function of Frizzled in planar cell polarity. Development. 2012; 139(19): 3665-3674. doi: 10.1242/dev.083550
61. Gao B. Wnt regulation of planar cell polarity (PCP). Curr Top Dev Biol. 2012; 101: 263-295. doi: 10.1016/B978-0-12-394592-1.00008-9
62. Wan Y, Lantz B, Cusack BJ, Szabo-Rogers HL. Prickle1 regulates differentiation of frontal bone osteoblasts. Sci Rep. 2018; 8(1): 18021. doi: 10.1038/s41598-018-36742-0
63. Qiu W, Chen L, Kassem M. Activation of non-canonical Wnt/JNK рathway by Wnt3a is associated with differentiation fate determination of human bone marrow stromal (mesenchymal). stem cells. Biochem Biophys Res Commun. 2011; 413(1): 98-104. doi: 10.1016/j.bbrc.2011.08.061
64. Hwang S-G, Yu S-S, Lee S-W, Chun J-S. Wnt-3a regulates chondrocyte differentiation via c-Jun/AP-1 pathway. FEBS Lett. 2005; 579(21): 4837-4842. doi: 10.1016/j.febslet.2005.07.067
65. Uehara S, Udagawa N, Mukai H, Ishihara A, Maeda K, Yamashita T, et al. Protein kinase N3 promotes bone resorption by osteoclasts in response to Wnt5a-Ror2 signaling. Sci Signal. 2017; 10(494): eaan0023. doi: 10.1126/scisignal.aan0023
66. Kovács B, Vajda E, Nagy EE. Regulatory effects and interactions of the Wnt and OPG-RANKL-RANK signaling at the bonecartilage interface in osteoarthritis. Int J Mol Sci. 2019; 20(18): 4653. doi: 10.3390/ijms20184653
67. Nam D, Mau E, Wang Y, Wright D, Silkstone D, Whetstone H, et al. T-lymphocytes enable osteoblast maturation via IL-17F during the early phase of fracture repair. PLoS One. 2012; 7(6): e40044. doi: 10.1371/journal.pone.0040044
68. Grassi F, Cattini L, Gambari L, Manferdini C, Piacentini A, Gabusi E, et al. T cell subsets differently regulate osteogenic differentiation of human mesenchymal stromal cells in vitro. J Tissue Eng Regen Med. 2016; 10(4): 305-314. doi: 10.1002/term.1727
69. Pacifici R. Osteoimmunology and its implications for transplantation. Am J Transplant. 2013; 13(9): 2245-2254. doi: 10.1111/ajt.12380
70. Ono T, Takayanagi H. Osteoimmunology in bone fracture healing. Curr Osteoporos Rep. 2017; 15(4): 367-375. doi: 10.1007/s11914-017-0381-0
71. Ono T, Okamoto K, Nakashima T, Nitta T, Hori S, Iwakura Y, et al. IL-17-producing γδ T cells enhance bone regeneration. Nat Commun. 2016; 7: 10928. doi: 10.1038/ncomms10928
72. Glenn JD, Whartenby KA. Mesenchymal stem cells: emerging mechanisms of immunomodulation and therapy. World J Stem Cells. 2014; 6(5): 526-539. doi: 10.4252/wjsc.v6.i5.526
73. Lei H, Schmidt-Bleek K, Dienelt A, Reinke P, Volk H-D. Regulatory T cell-mediated anti-inflammatory effects promote successful tissue repair in both indirect and direct manners. Front Pharmacol. 2015; 6: 184. doi: 10.3389/fphar.2015.00184
74. Reinke S, Geissler S, Taylor WR, Schmidt-Bleek K, Juelke K, Schwachmeyer V, et al. Terminally differentiated CD8+ T cells negatively affect bone regeneration in humans. Sci Transl Med. 2013; 5(177): 177ra36. doi: 10.1126/scitranslmed.3004754
75. Toben D, Schroeder I, El Khassawna T, Mehta M, Hoffmann J-E, Frisch J-T, et al. Fracture healing is accelerated in the absence of the adaptive immune system. J Bone Miner Res. 2011; 26(1): 113-124. doi: 10.1002/jbmr.185
76. Baht GS, Silkstone D, Vi L, Nadesan P, Amani Y, Whetstone H, et al. Erratum: Exposure to a youthful circulation rejuvenates bone repair through modulation of b-catenin. Nat Commun. 2015; 6: 7761. doi: 10.1038/ncomms8761
77. Sun G, Wang Y, Ti Y, Wang J, Zhao J, Qian H. Regulatory B cell is critical in bone union process through suppressing proinflammatory cytokines and stimulating Foxp3 in Treg cells. Clin Exp Pharmacol Physiol. 2017; 44(4): 455-462. doi: 10.1111/1440-1681.12719
78. Takayanagi H. Osteoimmunology and the effects of the immune system on bone. Nat Rev Rheumatol. 2009; 5(12): 667-676. doi: 10.1038/nrrheum.2009.217
79. Könnecke I, Serra A, El Khassawna T, Schlundt C, Schell H, Hauser A, et al. T and B cells participate in bone repair by infiltrating the fracture callus in a two-wave fashion. Bone. 2014; 64: 155-165. doi: 10.1016/j.bone.2014.03.052
80. Yang S, Ding W, Feng D, Gong H, Zhu D, Chen B, et al. Loss of B cell regulatory function is associated with delayed healing in patients with tibia fracture. APMIS. 2015; 123(11): 975-985. doi: 10.1111/apm.12439
Рецензия
Для цитирования:
Мироманов А.М., Гусев К.А., Старосельников А.Н., Миронова О.Б., Мироманова Н.А. Современные генетические и иммунологические аспекты патогенеза нарушения консолидации переломов (обзор литературы). Acta Biomedica Scientifica. 2022;7(2):49-64. https://doi.org/10.29413/ABS.2022-7.2.6
For citation:
Miromanov A.M., Gusev K.A., Staroselnikov A.N., Mironova O.B., Miromanova N.A. Modern genetic and immunological aspects of the pathogenesis of impaired consolidation of fractures (literature review). Acta Biomedica Scientifica. 2022;7(2):49-64. (In Russ.) https://doi.org/10.29413/ABS.2022-7.2.6