Wibracje modelują funkcje makrofagów, wzmacniają wczesną odpowiedź zapalną i wspomagają gojenie osteoporotycznych złamań.

W osteoporozie, w wyniku spadku gęstości kości związanym z obniżonym poziomem estrogenu, często dochodzi do złamań oraz obserwuje się poważne zaburzenia procesu ich gojenia (w tym wydłużenie tego procesu). U osób zdrowych gojenie złamań jest ściśle zorganizowane i koordynowane. Rozpoczyna go zainicjowanie w miejscu uszkodzenia stanu zapalnego, gdzie dochodzi do infiltracji komórek immunokompetentnych i uwalniania cytokin (cząsteczek pośredniczących w komunikacji pro- i przeciwzapalnej). W badaniach translacyjnych (na zwierzętach), modelujących osteoporozę, często stosuje się szczury po owariektomii (ovariectomy – OVX), czyli po chirurgicznym usunięciu jajnika bądź jajników. W wyniku tego zabiegu dochodzi do drastycznego obniżenia poziomu estrogenu produkowanego przez jajniki, co prowadzi do osteoporozy. W miejscu złamania kości u osteoporotycznych szczurów obserwowano zaburzenia w rekrutowaniu naprawczych mezenchymalnych komórek macierzystych szpiku kostnego (mesenchymal stem cells – MSC), jak i w budowie nowego unaczynienia odtwarzanej kości, kostnieniu śródchrzęstnym i tempie przemian powstającej tkanki kostnej.

Wcześniejsze publikacje donosiły, że stymulacja wibracjami o małej amplitudzie i wysokiej częstotliwości (low-magnitude high-frequency vibration – LMHFV) efektywnie promuje gojenie złamań poprzez angażowanie naprawczych komórek MSC oraz indukowanie nowego unaczynienia i kostnienia. Wcześniej pokazano ponadto, że wibracje o niskiej intensywności wpływały na zwiększenie proliferacji makrofagów in vitro oraz promowały ich pro-leczniczy, przeciwzapalny fenotyp. Natomiast efekty wibroterapii na mechanizmy wczesnej odpowiedzi zapalnej i modyfikację przez makrofagi ich własnego fenotypu zapalnego (tzw. polaryzację makrofagów) w procesie gojenia osteoporotycznych złamań in vivo nie są znane.

W przedstawianych badaniach translacyjnych za cel przyjęto analizę mechanizmu odpowiedzi zapalnej zachodzącej w warunkach osteoporotycznego zrastania kości oraz wpływ LMHFV na regulację wrodzonej odpowiedzi immunologicznej związanej z inicjacją procesu gojenia złamań u szczurów osteoporotycznych.

• OVX wpłynęła w miejscu złamania na obniżenie poziomu cytokin prozapalnych (TNF-α oraz IL-6), a podwyższyła poziom cytokiny przeciwzapalnej (IL-10) w 1 tygodniu po złamaniu.
• OVX znacznie opóźniała proces gojenia złamań – nawet po 8 tygodniach obserwowano znacząco niższy stopień zrostu kości po OVX, względem grupy kontrolnej.
• LMHFV wzmacniały i przyspieszały proces gojenie złamań po OVX.
• LMHFV przywracały prawidłowe funkcje upośledzonej niedoborem estrogenu odpowiedzi zapalnej w miejscu złamania.
• LMHFV promowały polaryzację makrofagów z fenotypu prozapalnego M1 do M2 (przeciwzapalnego).

Opracowano na podstawie:

Vibration treatment modulates macrophage polarisation and enhances early inflammatory response in oestrogen-deficient osteoporotic-fracture healing. Chow SK i wsp. Eur Cell Mater. 2019 Nov 7;38:228-245. doi: 10.22203/eCM.v038a16.

Badana populacja

144 samice szczura zostały w 6 miesiącu życia poddane obustronnej OVX lub operacji pozorowanej (różniącej się od OVX jedynie nie wycięciem jajników, przy zachowaniu rozcięcia tkanek i całej procedury operacji – tzw. operacja pozorna – sham). Trzy miesiące po OVX rozwinęła się osteoporoza. Nastęnie 9-miesięczne szczury losowo rozdzielono do 4 grup:

• SHAM: z operacją pozorowaną;
• OVX: z indukowaną przez usunięcie jajników osteoporozą, bez wibracji;
• OVX-VT: grupa OVX poddana wibracjom (VT – vibration);
• OVX-VT-NSAID: grupa OVX poddana wibracjom oraz przyjmowaniu specyficznego inhibitora cyklooksygenazy wzbudzonej (COX-2), celekoksybu – niesteroidowego leku przeciwzapalnego (non-steroid anti-inflammatory drug – NSAID).

Celekoksyb podawano celem zahamowania ścieżki sygnałowej COX-2/ prostaglandyny, niezbędnej dla prawidłowego przebiegu procesu gojenia złamań. Ponadto leki z grupy NSAID blokujące COX-2 są często stosowane w redukcji bólu i zapalenia u pacjentów ortopedycznych. W przedstawianych badaniach celekoksyb podawano zwierzętom w celu zbadania skali udziału odpowiedzi zapalnej w mechanizmie wpływającym na efektywność procesu gojenia złamań indukowanym wibracjami.

Procedura badania

Gojenie złamań oraz wrodzoną odpowiedź immunologiczną analizowano w cotygodniowych radiografach, mikro-tomografii komputerowej, testem ELISA oraz stosując histomorfometrię w 1, 2, 4 i 8 tygodniu po terapii wibracyjnej.

Wykorzystanie wibracji w badaniu

LMHFV (35 Hz, 0,3 g) podawano 20 min dziennie, 5 dni w tygodniu (przez 8 tygodni).

Wyniki

Owariektomia nieco wzmocniła zapalenie na poziomie całego organizmu, ale lokalnie – wpłynęła na upośledzenie wrodzonej odpowiedzi zapalnej w miejscu złamania, gdzie odnotowano znacząco obniżony poziom cytokin prozapalnych (czynnik martwicy nowotworów α – tumour necrosis factor-alpha – TNF-α – i interleukina szósta – IL-6) oraz podwyższony poziom cytokiny przeciwzapalnej IL-10 we wczesnej fazie gojenia (1 tydzień po złamaniu).

Po owariektomii obserwowano znaczne obniżenie efektywności i przedłużenie procesu gojenia złamań. Podobnie w grupie OVX-VT-NSAID (grupa po owariektomii i wibracjach, ale równocześnie z upośledzoną ścieżką COX-2/ prostaglandyny).

Zastosowanie LMHFV w grupie OVX-VT usprawniło i przyspieszyło gojenie złamań kości po owariektomii oraz wpłynęło na przywrócenie uszkodzonej niedoborem estrogenu wrodzonej odpowiedzi immunologicznej w miejscu złamania. Towarzyszyła temu promocja polaryzacji makrofagów z fenotypu prozapalnego M1 do M2 (przeciwzapalnego).

Komentarz

Wcześniejsze badania pokazały, że procesy naprawcze w miejscu złamania kości są inicjowane i koordynowane przez wrodzoną odpowiedź immunologiczną. Normalnie uszkodzone tkanki uwalniają chemokiny, w wyniku czego dochodzi do infiltracji miejsca uszkodzenia przez neutrofile, monocyty i makrofagi. Te komórki wrodzonej odporności wydzielają cytokiny prozapalne (TNF-α, IL-1 i -6) oraz przeciwzapalne (IL-10), aby stymulować z kolei rekrutowanie w miejsce złamania komórek naprawczych. Następnie dochodzi do zmiany charakteru makrofagów z prozapalnego (M1) na przeciwzapalny (M2). Poziomy TNF-α oraz IL-6 są pośrednio regulowane przez estrogen, ponadto estrogen moduluje odpowiedź zapalną przez receptory estrogenowe. Stąd w złamaniach u zwierząt osteoporotycznych po usunięciu jajników produkujących estrogen dochodzi do upośledzenia lokalnej odpowiedzi zapalnej.

Wyniki otrzymane w opracowywanym doniesieniu wskazują na znaczący wpływ wibracji na wczesną odpowiedź zapalną inicjowaną w gojeniu osteoporotycznych złamań. Podawanie LMHFV może modulować polaryzację fenotypu makrofagów z stanu prozapalnego (M1) na przeciwzapalny (M2) i poprawiać upośledzoną odpowiedź zapalną w kościach po OVX.

Zidentyfikowano tu zatem prawdopodobne cele terapeutyczne związane z reakcją zapalną, których regulacja wibroterapią lub innymi formami terapii mogłaby wesprzeć opóźniane obniżonym poziomem estrogenu gojenie niezrośniętych kości u pacjentów osteoporotycznych.

Więcej w: