Современные представления о действии тиреоидных гормонов и тиреотропного гормона на костную ткань

Роль тиреоидных гормонов и ТТГ в метаболизме костной ткани

Взаимосвязь между патологией щитовидной железы и состоянием костной ткани впервые была замечена еще в 1891 г., когда Recklinghausen описал множественные переломы у пациента с нелеченым тиреотоксикозом [51]. Несмотря на то, что в современной этиологической и патогенетической классификации остеопороза тиреотоксикоз включен в группу вторичного остеопороза [1—3, 6], различные аспекты действия тиреоидных гормонов на костную ткань продолжают изучать до сегодняшнего дня [51].

Целью настоящего обзора является обсуждение механизмов влияния тиреоидных гормонов на кость и в большей степени анализ новой информации о биологическом и клиническом значении ТТГ для костной ткани. В обзоре также приведены сведения о физиологии костного ремоделирования и механизмам активации рецепторов к тиреоидным гормонам и ТТГ, что необходимо для более цельного понимания гипотез, объясняющих возможные пути влияния ТТГ на костные клетки.

Физиология тиреоидных гормонов и механизм их действия на клеточном уровне

Прогормон 3,5,3',5'-Ь-тетрайодтиронин (Т₄) синтезируется в щитовидной железе вместе с небольшим количеством активного гормона 3,5,3'- L-трийодтиронина (Т₃). Ферменты йодтиронин- дейодирования (D) переводят Т₄ в Т₃ через 5'-мо- нодейодирование, при этом в тканях человека преобладает дейодиназа D2 [12]. Дейодиназа D3 (D3) инактивирует Т₄ и Т₃ через 5-монодейодирование. Внутриклеточная концентрация Т₃ зависит от относительной активности разных дейодиназ [14] (рис. 1).

Клеточные влияния Т₃ опосредуются через рецептор тиреоидных гормонов, который является членом семейства ядерных рецепторов и функционирует как индуцируемый Т₃ фактор транскрипции (см. рис. 1) [42, 43]. Т, обладает в 100 раз меньшей аффинностью к ядерным рецепторам по сравнению с Т₃ и не вызывает активацию транскрипции [14]. Т₃-рецепторы a (TRa) и [3 (TR[3) кодируются двумя разделенными генами — THRA (ген рецептора тиреоидных гормонов а) и THRB (ген рецептора тиреоидных гормонов 0), расположенными у человека на хромосомах 17 и 3 соответственно [29, 51, 71]. Как THRA-, так и THRB-гены транскрибируются как множественные РНК-изоформы [34, 42, 54, 73]. Внутри ядра рецепторы к Т₃ связаны как гетеродимеры с ретиноидными Х-рецепторами (RXR) для спецификации гормоночувствительных элементов в регионе промотора чувствительных генов [11, 74]. В отсутствие Т₃ несвязанный RXR-TR гетеродимер присоединяется к элементам генов, транскрибируемых тиреоидными гормонами (thyroid-response elements — TRE), и таким образом опосредует подавление транскрипции. Связь Т₃ приводит к диссоциации комплекса корепрессора, восстановлению комплекса коактиватора и, следовательно, активации транскрипции генов, чувствительных к тиреоидным гормонам (см. рис. 1) [11, 51, 73, 74].

Экспериментальные исследования на животных показали, что в костной ткани преобладает экспрессия рецептора к тиреоидным гормонам a (TRa) [11, 54], тогда как рецептор к тиреоидным гормонам р (TR[3) экспрессируется в костях в 10 раз меньше, чем TRa. Функционально в скелете также доминирует TRa [53,66]. У мышей TRa (0/0), лишенных всех изоформ рецептора TRa, развивается задержка роста с отсроченной оссификацией костей и сниженной минерализацией, несмотря на эутиреоз [30]. Такие изменения скелета сходны с клинической картиной гипотиреоза у детей. В то же время у мышей TRp (-/-), полностью лишенных TRp-изоформ, наблюдалась клиническая картина резистентности к тиреоидным гормонам при нормальном развитии скелета [26, 29]. Однако мыши TRa (0/0) TRp (-/-) имели более выраженные изменения со стороны костной системы, чем TRa (0/0), что показывает возможность частичной компенсации TRp при отсутствии TRa в костях [29]. Кроме того, селективный агонист TRp, используемый у грызунов с врожденным гипотиреозом, позволяет частично восстановить развитие скелета и его созревание [27], хотя использование Т₃ дает значительно лучшие результаты. Таким образом, преобладание функциональной активности различных изоформ тиреоидного рецептора в той или иной ткани может оказывать селективное влияние на органы и использоваться в терапии, а также для предотвращения побочных эффектов проводимой терапии тиреоидными гормонами [28, 72].

Физиология ремоделирования костной ткани у человека

У взрослых людей механизмы регенерации скелета поддерживаются благодаря костному ремоделированию, которое заключается в локальном удалении старой костной ткани остеокластами и замещении этого участка новой тканью остеобластами [44]. Ремоделирование позволяет кости адаптироваться к механическим нагрузкам и восстанавливать микроповреждения, что поддерживает прочность кости.

До настоящего времени не совсем понятно, что инициирует ремоделирование в отдельном участке скелета, но наиболее вероятно, что регуляторами являются паракринные факторы, секретируемые остеоцитами, когда последние подвергаются механическим стимулам [31]. Имеются доказательства, что 2 белка, вырабатываемых остеобластами, участвуют в регуляции ремоделирования кости [31]. Первый компонент этой системы — фактор дифференцировки остеокластов, называемый RANKL (лиганд рецептора — активатора ядерного фактора каппа бета), который присоединяется к своему рецептору — RANK (рецептор — активатор ядерного фактора каппа бета) на поверхности предшественников остеокластов, что активирует NF-кВ (ядер- ный фактор каппа бета) и напрямую стимулирует дифференцировку остеокластов. Второй компонент системы OPG (остеопротогерин) — растворимый белок, который связывается с RANKL и тем самым блокирует его способность к взаимодействию с RANK-рецептором [13, 31].

Активированные остеокласты приклеиваются к поверхности минерализации кости и секретируют ионы водорода через протонную помповую систему и лизосомальные ферменты, которые разрушают протеиновый матрикс кости при низком pH. Когда резорбция закончена, остеокласты подвергаются программированной клеточной гибели (апоптозу) в течение реверсивной фазы [31, 44]. После апоптоза остеокластов начинается финальная фаза — костеобразование. Остеобласты вторгаются в область резорбции, секретируют новый матрикс, и начинается минерализация [31, 44]. Активность двух типов клеток — остеобластов и остеокластов, таким образом, тесно связана. Однако когда есть увеличение активности остеокластов или уменьшение активности остеобластов, каждая резорбтивная поверхность только частично заполнена, что приводит к снижению массы кости.

Влияние тиреоидных гормонов на костный метаболизм

Т₃ способен влиять на функцию остеобластов как прямым воздействием через TRa-рецепторы, так и опосредованно. 13 частности, Т₃ стимулирует синтез остеокальцина, коллагена 1-го типа и щелочной фосфатазы, а также индуцирует проангио- генный фактор коллагеназу—3/матрикс металлопротеиназы 13 (ММР13), желатиназу—В (ММР9) и тканевый ингибитор матрикс металлопротеиназы [55, 59]. Кроме того, Т₃ опосредованно регулирует ответ остеобластов на паратиреоидный гормон через изменение синтеза рецепторов к паратгормону [32], увеличение скорости дифференцировки остеобластов и апоптоза и стимуляцию синтеза RANKL [46]. Также Т₃ влияет на экспрессию гена рецептора фактора роста фибробластов 1 (FGFR1), что может иметь значение в пропроли- феративном и проапоптотическом действии Т₃ [66]. Наиболее вероятно, что Т₃ влияет на резорбцию костной ткани остеокластами опосредованно, через стимулирование интерлейкина-6 (IL-6), интерлейкина-8 (IL-8), простагландина Е₂ и других цитокинов, вовлеченных в остеокластогенез [39, 62]. Т₃ также стимулирует синтез инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF-1) и его регуляторных связывающих протеинов (IGF-1 ВР-2 и ВР-4) [45, 63]. Эти наблюдения показывают, что Т₃ прямо и косвенно способствует пролиферации остеобластов, их дифференцировке и апоптозу (рис. 2). В то же время стимуляция Т₃ остеокластов приводит только к резорбции костной ткани и действие Т₃ на остеокласты происходит через стимуляцию IGF-1, а также воздействие на фактор роста фибробластов (FGF), IL-6, простагландины и индукцию RANKL (см. рис. 2) [12]. Здесь же необходимо отметить протективный эффект эстрогенов на кость, отсутствие которого усугубляет потерю костной ткани у пациентов с избытком тиреоидных гормонов. Эстрогены уменьшают остеокластогенез через увеличение OPG и подавление синтеза интерлейкина-1 (IL-1), IL-6, фактора некроза опухолей a (TNFa) и макрофаг-ко- лониестимулирующего фактора (M-CSF). Кроме того, эстрогены оказывают регулирующее влияние на IGF-1 (хотя ответ может зависеть от пола) и способны увеличивать трансформирующий фактор роста р (TGFJ3), который снижает активность остеокластов и увеличивает их апоптоз (см. рис. 2) [12].

Таким образом, при увеличении концентрации тиреоидных гормонов сверх физиологической нормы время всех фаз костного ремоделирования уменьшается, а частота появления участков ремоделирования увеличивается, т. е. активность остеобластов и остеокластов увеличивается, а цикл ремоделирования уменьшается на 50%. Эти изменения непропорциональны (активность остеокластов и остеобластов увеличивается неодинаково), что приводит к потере 10% массы кости за один цикл ремоделирования и увеличению риска развития переломов [23, 48].

Тиреотропный гормон и механизм его влияния на клетки

В настоящее время есть основания предполагать, что не только тиреоидные гормоны, но и ТТГ оказывают прямое физиологическое влияние на костную ткань. ТТГ — это гликопротеиновый гормон передней доли гипофиза, состоящий из двух нековалентно связанных субъединиц — аир [31]. Ген а-субъединицы локализован на хромосоме 6, и структурно эта часть одинакова у всех гликопротеидных гормонов гипофиза. Ген р-субъединицы локализован на хромосоме 1 и р-субъединица специфична для ТТГ [31]. ТТГ является основным гормоном, необходимым для развития щитовидной железы, синтеза и секреции тиреоидных гормонов [25]. Реализация эффектов ТТГ осуществляется через связь со специфическим рецептором к тиреотропному гормону (ТТГ-Р) [24]. ТТГ-Р представляет собой одноцепочечный гликопротеид, содержащий 764 аминокислоты, ген ТТГ-Р у человека локализован на хромосоме 14q3. Рецептор к тиреотропному гормону принадлежит к семейству рецепторов гликопротеиновых гормонов суперсемейства парных G-проте- ин-трансмембранных рецепторов [24, 36, 38]. Структурно ТТГ состоит из внешней части — эктодомена, или субъединицы А, которая вовлечена в связь с лигандом, и внутренней части — субъединицы В, включающей трансмембранную и внутриклеточную части [24, 31]. Через субъединицу В реализуются такие эффекты ТТГ, как развитие клеток щитовидной железы, синтез тиреоидных гормонов и их высвобождение [31].

Связь ТТГ с рецептором приводит к активации системы G-протеин-аденилатциклаза — циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), а также может быть активирована фосфатидилинозитолфосфатная система с увеличением концентрации внутриклеточного кальция [31] (рис. 3). В клетках щитовидной железы изменения уровня внутриклеточного кальция и фосфолипаза С регулируют расход йода, продукцию перекиси водорода и йодирование тиреоглобулина, тогда как аденилат- циклаза и цАМФ регулируют поглощение йода и транскрипцию тиреоглобулина, тиреоидной пероксидазы и на- трий-йодидного транспортера [18].

Многие исследования показали присутствие рецептора ТТГ не только в ткани щитовидной железы, но и в клетках других органов. В частности, экспрессия рецептора ТТГ была обнаружена в лимфоцитах [7, 16, 20,40], тимусе [40, 49, 65], гипофизе [15, 56], яичках [19, 41], почках [60], головном мозге [17], жировой ткани и фибробластах [8, 22, 33, 70], сердце [21, 61], скелетной мускулатуре, в том числе экст- раорбитальных мышцах [5], коже [5], кишечнике [5, 40], печени и поджелудочной железе [5] и костях [4, 37, 47, 52, 69].

Возможпые механизмы воздействия ТТГ на костную ткань

Далеко не во всех тканях, где выявлена экспрессия рецептора ТТГ, показана его физиологическая роль. Недавнее фундаментальное исследование Е. Abe и соавт. продемонстрировало ключевую роль ТТГ в ремоделировании кости, которая не зависит от влияния циркулирующих тиреоидных гормонов [4]. Эксперименты проводились как in vitro, так и in vivo на культурах клеток остеосаркомы грызунов и живых грызунов (мыши), гомозиготных по отсутствию рецептора ТТГ (ТТГР -/-) и гетерозиготных (ТТГР +/-). Животным проводилась заместительная терапия тиреоидными гормонами. У гомозиготных особей на фоне достижения эутиреоза удалось нормализовать массу тела, но не массу и толщину костей, за исключением массы бедренных костей. У гетерозиготных особей уменьшение экспрессии даже 50% рецептора ТТГ привело к выраженному остеопорозу, который сочетался с остеосклерозом [4]. Особенно интересно, что рецептор ТТГ оказался способным независимо регулировать резорбцию и формирование кости. Например, при постменопаузальном остеопорозе наблюдается увеличение как костеобразования, так и в большей степени костной резорбции, что приводит к остеопорозу без фокального остеосклероза [58]. Наличие фокального склероза совместно с остеопорозом предполагает автономную активность остеобластов и остеокластов и как минимум пространственную диссоциацию формирования и резорбции, т. е. возможность повышения активности остеобластов и образование новой кости на участке, который не подвергался предварительной резорбции. На основании целого ряда экспериментов in vivo и in vitro, в том числе отдельно на культурах клеток остеокластов или остеобластов, авторы приходят к следующим выводам: in vitro ТТГ оказывает воздействие независимо как на остеобласты, так и на остеокласты; рецептор ТТГ представлен па обоих клеточных типах; фенотип остеокластов у мутантных животных не является результатом увеличения экспрессии остеобластами RANKL и M-CSF [4]. Вместо увеличения уровня RANKL и M-CSF у мышей наблюдалось увеличение TNFa — цитокина, который синергичен RANKL в процессе остео- кластогенеза [4]. Таким образом, в нормальной клетке ТТГ подавляет дифференцировку остеокластов и остеобластов из их предшественников [4, 52]. В клетках ТТГР -/- это подавление смещено и наблюдается увеличение как костной формации, так и костной резорбции. На рис. 4 показан возможный механизм увеличения костного метаболизма в отсутствие рецептора к ТТГ на предшественниках остеокластов и остеобластов [52]. Предшественники остеобластов увеличивают экспрессию рецептора к фактору роста эндотелия сосудов 2 (Flk-1, или VEGFR2) и белков, относящихся к рецептору липопротеинов низкой плотности (LRP-5), что ведет к увеличению количества остеобластов и соответственно увеличению костной формации. Также остеобласты повышают продукцию TNFa, что стимулирует дифференцировку остеокластов. Предшественники остеокластов в отсутствие рецептора к ТТГ увеличивают чувствительность к RANKL-опосредованной дифференцировке (без увеличения концентрации RANKL) с ростом фосфорилирования митогенактивированных протеин- киназ 8, 9, 10 (JNK-p МАРК, или JNK) и активации NF-кВ (см. рис. 4) [4, 52]. На сегодняшний день сложно сказать, нашли ли авторы экспериментов исчерпывающую информацию о биологической роли ТТГ в костной ткани, но любопытно отметить, что у мышей, лишенных рецептора к тиреоидным гормонам, как упоминалось выше, нарушался рост костей и созревание, т. е. минерали- зация костной ткани, без нарушений ремоделирования [30], тогда как мыши, лишенные рецептора ТТГ, при возмещении тиреоидных гормонов восстановили минерализацию кости, но не ремоделирование [4]. Однако при интерпретации результатов этого исследования необходимо учитывать некоторые отличия в физиологии костной системы грызунов и человека, в частности способность костей мыши к росту в течение всей жизни. В то же время экспериментальные модели грызунов широко используются в настоящее время для доклинических испытаний антиостеопоротических препаратов [68], моделирования остеопороза [57] и даже изучения особенностей ремоделирования кости [9, 64].

Эксперименты с рецептором к ТТГ проводили и на культурах клеток человека, полученных от здоровых доноров [69]. В культуре неизмененных остеобластов человека была обнаружена матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК) рецептора к ТТГ. Связь с меченным ¹²⁵1 ТТГ была ниже на нормальных остеобластах человека, чем на культуре костных клеток крысы, хотя наиболее высокая связь была в культуре клеток остеосаркомы человека с введенным рецептором к ТТГ [69]. Как уже упоминалось выше, связь ТТГ с рецептором сопровождается повышением в клетке уровня цАМФ и в меньшей степени кальция [31]. Сходный эффект наблюдается при взаимодействии с рецепторами к кальцитонину и паратиреоидному гормону — важными регуляторами костного метаболизма, также относящимися к семейству парных G-протеин- трансмембранных рецепторов [52]. При стимуляции ТТГ культуры остеобластов человека отмечалось увеличение внутриклеточного уровня цАМФ на 282% и отсутствовало изменение уровня внутриклеточного кальция. При стимуляции ТТГ культуры клеток остеосаркомы человека с введенным рецептором ТТГ уровень цАМФ вырос на 3030% [69]. На основании полученных результатов авторы делают вывод о маловероятности значимого влияния ТТГ на метаболизм костной ткани [69], однако полностью исключить воздействие ТТГ на костную ткань по результатам данного исследования не представляется возможным.

В качестве гипотез о вероятном механизме действия ТТГ на костную ткань кажутся интересными недавние экспериментальные работы на культурах клеток щитовидной железы. Одно из исследований было посвящено функциональной роли системы костных морфогенетических протеинов (BMP) в тиреоидных клетках свиньи [67]. BMP относятся к группе трансформирующих факторов роста р и наиболее полно описаны как индукторы дифференцировки остеобластов и хондроцитов [10]. В исследовании на культуре клеток тироцитов свиньи показано, что BMP подавляют экспрессию мРНК рецептора ТТГ. ТТГ в свою очередь способен избирательно подавлять сигналы BMP [67]. В другом исследовании в культуре фолликулярных клеток щитовидной железы человека были обнаружены компоненты регуляции костного ремоделирования OPG и значительно меньшая концентрация RANKL [35]. Уровень мРНК OPG и секреция протеина положительно регулировались интерлейкином-1₽ (IL-1[3) (увеличение в 33 раза), TNFa (увеличение в 8 раз) и ТТГ (увеличение в 3 раза). Уровень мРНК RANKL стимулировался цитокинами и подавлялся ТТГ. Функциональная роль OPG и RANKL в фолликулярных клетках щитовидной железы не вполне понятна; возможно, они являются локальными им- мунорегуляторными факторами. В частности, в ткани щитовидных желез пациентов, прооперированных по поводу болезни Грейвса, концентрация OPG была в 3 раза выше, чем у пациентов, прооперированных по поводу неаутоиммунной патологии щитовидной железы [35]. Возникает вопрос: можем ли мы предположить, что наличие рецептора ТТГ в костной ткани позволяет ТТГ оказывать подобные же эффекты на BMP в костных клетках (т. е. подавление дифференцировки остеобластов) и взаимодействие RANKL и OPG (т. е. подавление дифференцировки остеокластов)? Для подтверждения или опровержения этого, безусловно, требуются дополнительные исследования. Более традиционное объяснение физиологического значения рецептора ТТГ в костных клетках было предложено в экспериментальной работе на культурах клеток остеосаркомы человека и нормальных человеческих остеобластов [47]. Авторы определили экспрессию функционального рецептора ТТГ и йодтиро- ниндейодиназы 2-го типа (D2) в обеих культурах клеток. Экспрессия D2 в клетках остеосаркомы человека была ниже, чем в культуре нормальных остеобластов, так же, как в культуре клеток папиллярной карциномы щитовидной железы экспрессия D2 ниже, чем в нормальной тиреоидной ткани

• . Экспрессия йодтирониндейодиназы 2-го типа в шитовидной железе человека позитивно регулируется через рецептор ТТГ — цАМФ-опосредован- ный механизм [50], а активность D2 находится в отрицательном взаимодействии с тиреоидными гормонами (в основном Т, и реверсивным Т₃ через активацию протеинов деградации D2) [14]. В эксперименте было показано, что в обеих культурах клеток ТТГ увеличивал концентрацию мРНК D2 и повышал уровень активности D Эти результаты предполагают, что D2 в остеобластах человека увеличивается в ответ на снижение уровня тиреоидных гормонов и дополнительно увеличивается при повышении уровня ТТГ. Таким образом, рецептор ТТГ может быть вовлечен в регуляцию концентрации Т₃ в костной ткани через регуляцию экспрессии D2 [47].

Эффекты антител к рецептору ТТГ в костной ткани

Наличие рецептора ТТГ на костных клетках предполагает определение роли стимулирующих антител к рецептору ТТГ при болезни Грейвса. В то же время дефицит ТТГ, который, согласно мнению Е. Abe, приводит к увеличению как костеобразования, так и резорбции, мог бы парадоксально компенсироваться влиянием стимулирующих антител

• , однако степень стимуляции рецептора ТТГ должна зависеть от уровня антител и может быть весьма различной. Подавление костного метаболизма не обязательно должно приводить к увеличению прочности кости и соответственно снижению риска переломов. Если же за основу объяснения физиологической роли ТТГ в костной ткани взять его способность увеличивать экспрессию D2 [47], то получится, что антитела к рецептору ТТГ при болезни Грейвса могут увеличивать уровень локальной продукции Т₃ и, следовательно, усиливать потерю костной массы у пациентов с диффузным токсическим зобом.

Таким образом, тиреоидные гормоны необходимы для нормального развития, роста и минерализации скелета. Повышение содержания тиреоидных гормонов приводит к повышению как костной резорбции, так и костеобразования, однако с преобладанием костной резорбции, которая становится более выраженной в отсутствие протективного действия эстрогенов.

Физиологическое значение экспрессии рецептора к ТТГ на костных клетках на сегодняшний день не до конца изучено. Предполагается, что ТТГ необходим для нормального ремоделирования костной ткани. Снижение уровня ТТГ приводит к активации как костной резорбции, так и костного формирования с преобладанием резорбции; кроме того, вероятно, происходит разобщение этих процессов и как следствие образование участков остеопороза и остеосклероза. Возможно также, что ТТГ способствует увеличению внутриклеточного содержания Т₃ через активацию D2. Роль антител к рецептору ТТГ также не вполне изучена; существуют мнения как о их протективном эффекте на костную ткань, так и о негативном влиянии, что должно стать более понятным после уточнения механизмов действия ТТГ на кость. Результаты недавно проведенных экспериментальных работ ставят новые вопросы в понимании механизмов повреждения костной ткани при тиреотоксикозе, в частности — является ли снижение минеральной плотности кости результатом только увеличения содержания тиреоидных гормонов, дефицита ТТГ, влияния антител к рецептору ТТГ или комбинацией этих факторов? Для уточнения клинического значения каждого фактора целесообразно обратиться к исследованиям у больных с неаутоиммунным субклиническим тиреотоксикозом или оценить состояние костной ткани у пациентов с медикаментозной компенсацией болезни Грейвса, что может позволить изолированно уточнить значение снижения уровня ТТГ или повышенного содержания антител к рецептору ТТГ для костной ткани взрослых лиц.