Анализ терапевтического эффекта элеутерозида Е, природного гликозида лигнанов, при остеоартрозе коленного сустава и его взаимодействия с ММП
Остеоартроз (ОА) - это дегенеративное заболевание, характеризующееся нарушением обмена веществ в суставном хряще и разрушением костной структуры сустава. В тяжелых случаях он может привести к потере функции сустава и стал важной причиной потери трудоспособности и инвалидности у людей старше 50 лет. Среди них наиболее часто встречается остеоартроз коленного сустава. По данным Всемирной организации здравоохранения, в настоящее время в мире насчитывается около 190 миллионов пациентов с остеоартрозом. В связи со старением общества число больных ОА увеличивается с каждым годом, что приводит к большому экономическому бремени и психическому давлению на семьи пациентов. В настоящее время лечение остеоартроза в основном опирается на неспецифические препараты для облегчения клинических симптомов. Неопиоидные анальгетики (ацетаминофен, центральные анальгетики) и нестероидные противовоспалительные препараты принимаются внутрь для облегчения симптомов артрита, но они не могут кардинально вылечить остеоартрит. В то же время эти препараты имеют множество побочных реакций со стороны сердечно-сосудистой и желудочно-кишечной систем, что ограничивает сферу их применения. Поэтому существует острая необходимость в разработке инновационного препарата для лечения ОА с новым механизмом действия и высокой эффективностью в клинической практике. Элеутерозид Е (ЕЕ) - уникальный гликозидный компонент лигнанов в Acanthopanax senticosus (рис. 1). В предыдущих исследованиях наша исследовательская группа обнаружила, что ЭЭ обладает хорошим противовоспалительным действием, но до сих пор не было международных исследований по применению ЭЭ в лечении ОА. Поэтому, основываясь на предыдущих работах, в данном исследовании была создана модель остеоартрита коленного сустава кролика с использованием перерезания передней крестообразной связки (ACLT). Впервые в качестве терапевтического препарата был выбран ЕЕ, который вводился путем внутрисуставной инъекции для терапевтического воздействия. Терапевтическое и защитное действие ЭЭ на экспериментальный остеоартрит коленного сустава кроликов было оценено на животном уровне. Кроме того, с помощью технологии молекулярного докинга и методов моделирования молекулярной динамики были проанализированы сайты взаимодействия и режимы связывания между EE и MMPs, уточнен режим связывания комплексов EE и MMPs и заложена основа для разработки нового терапевтического препарата-кандидата для лечения остеоартрита из природных источников.

Основными компонентами суставного хряща являются хрящевой матрикс, хондроциты и вода. Хрящевой матрикс в основном состоит из протеогликанов и коллагена, а хондроциты являются основным источником реакций деградации и метаболизма хрящевого матрикса. В нормальных физиологических условиях поддерживается динамический баланс между деградацией и синтезом компонентов хряща. Возникновение поражений при остеоартрозе (ОА) в основном связано с прогрессирующим разрушением костной ткани, хряща и даже внеклеточного матрикса (ECM) внутрисуставных связок и сухожилий под воздействием некоторых сопутствующих медиаторов или факторов, что приводит к локальному размягчению, истиранию и структурному повреждению суставного хряща. В последние годы ученые обнаружили, что матриксные металлопротеиназы (ММП) тесно связаны с повреждениями костей и суставов и активностью заболевания у пациентов с ОА, играя решающую роль в патологическом процессе разрушения хрящевого матрикса и хондроцитов. ММП - это ферменты цинковой протеазы, способные разрушать внеклеточный матрикс (ВКМ) и почти все компоненты ВКМ. При возникновении остеоартроза хондроциты и синовиальные клетки выделяют избыточное количество матриксных металлопротеиназ (ММП-3 и ММП-9), нарушая баланс между матриксными металлопротеиназами тканевого ингибирующего фактора (ММП-ИМФ) и вызывая необратимую деградацию ЭЦМ. Это приводит к отеку суставного хряща, снижению устойчивости к внешним воздействиям, обострению внутрисуставных воспалительных реакций и, в конечном итоге, к потере функции сустава. Повреждение хряща, вызванное сверхэкспрессией ММП, стало одной из горячих точек в изучении патогенеза ОА. Поэтому поиск ингибиторов ММП стал новой стратегией разработки препаратов для лечения ОА.

Традиционная китайская медицина - важный компонент сокровищницы китайской медицины. Благодаря широкому спектру источников, богатому химическому составу и низкой частоте побочных реакций, она привлекает все большее внимание отечественных и зарубежных исследователей. В настоящее время поиск и открытие новых терапевтических препаратов на основе малых молекул, направленных на борьбу с заболеваниями, полученными из традиционной китайской медицины, стал одним из приоритетных направлений исследований. Acanthopanax senticosus (Rupr. et Maxim.) Harms, также известный как женьшень или терновый тростник, является ценным лекарственным растением, произрастающим в основном в Хэйлунцзяне, Цзилине, Ляонине, Хэбэе, на Дальнем Востоке России и Хоккайдо (Япония). Оно имеет долгую историю лекарственного использования в Китае. Предварительные исследования исследовательской группы показали, что элеутерозид E (EE) является одним из основных активных ингредиентов Acanthopanax senticosus. В настоящее время имеется мало сообщений о фармакологических эффектах ЭЭ, в основном о снижении уровня сахара в крови, улучшении постменопаузального остеопороза, борьбе с центральной усталостью и ухудшением памяти, а также уменьшении ишемически-реперфузионного повреждения головного мозга. Наши предыдущие исследования показали, что ЭЭ может значительно подавлять воспалительные факторы и повреждение суставного хряща. В результате поиска и изучения литературы, в настоящее время не существует научных отчетов о применении ЭЭ для лечения ОА в международном масштабе.

Поэтому в данной статье впервые изучается терапевтический эффект ЭЭ на остеоартрит, оценивается терапевтическое и защитное действие ЭЭ на экспериментальный остеоартрит коленного сустава кролика на животном уровне и приводятся экспериментальные доказательства для профилактики и лечения остеоартрита с помощью ЭЭ. В данном исследовании использовался классический метод перерезания передней крестообразной связки (ACLT) для создания модели остеоартрита коленного сустава кролика. Для терапевтического воздействия ЭЭ-20 и ЭЭ-60 вводили в полость сустава один раз в неделю в течение 5 недель подряд. Изучалось влияние ЭЭ-20 на воспалительные цитокины и патологические изменения в суставах на модели коленного остеоартроза кролика, а также наблюдалось профилактическое и терапевтическое действие ЭЭ на животной модели коленного остеоартроза кролика. Результаты эксперимента показали, что ЭЭ может значительно улучшить инфильтрацию воспалительных клеток, пролиферацию фиброзной ткани и повреждение поверхности хряща в местах остеоартрита. Исследования показали, что ММП-3 и ММП-9 могут ускорять повреждение внеклеточного матрикса в хрящевой структуре суставов при ОА, способствовать ускорению разрушения хряща и, таким образом, прогрессированию ОА. Кроме того, ИЛ-1 β также является ключевым фактором в производстве 0А. ИЛ-1 β может индуцировать выработку оксида азота (NO) и циклооксигеназы (ЦОГ) в синовиальных клетках, а циклооксигеназа-2 может способствовать секреции оксида азота и простагландина Е2 (ПГЕ2). ПГЕ2 - это многофункциональный медиатор воспаления, который может увеличивать выработку ММП и других катаболитов, тем самым влияя на структуру и функцию суставной ткани и ускоряя разрушение структуры сустава. Поэтому далее мы использовали метод определения ELISA для анализа и определения уровней медиаторов воспаления (IL-1 β и PGE2) и матричных металлопротеиназ MMP-3 и MMP-9 в суставной жидкости животных с моделью ОА после вмешательства ЭЭ. Результаты показали, что лечение ЭЭ может значительно снизить уровень медиаторов воспаления (IL-1 β и PGE2) и матричных металлопротеиназ MMP-3 и MMP-9 в суставной жидкости (P<0,001), что свидетельствует о значительном противоостеоартритном эффекте ЭЭ.

В настоящее время технологии молекулярного докинга и моделирования молекулярной динамики стали важными инструментами для изучения режима связывания между белками и рецепторами и имеют большое прикладное значение в области исследования новых лекарственных препаратов. В данном исследовании технология молекулярного докинга и моделирование молекулярной динамики были использованы для анализа и изучения сайтов взаимодействия и режимов связывания между EE и MMPs. Гидроксильная группа на сахарном кольце EE может образовывать водородные связи с аминокислотами в рецепторах MMP-3 и MMP-9 в канавках каталитических сайтов MMP-3 и MMP-9, которые играют важную роль в связывании лиганда. Кроме того, бензольное кольцо лиганда EE может образовывать гидрофобные стэкинг-взаимодействия с гидрофобными остатками в MMP-3 и MMP-9, что может стабилизировать их связывание. Эксперименты по моделированию молекулярной динамики показывают, что основной вклад в процесс связывания EE с комплексами MMP-3 и MMP-9 вносят ван-дер-ваальсовы потенциальные энергии и электростатические взаимодействия, и обе системы имеют схожие режимы связывания. При этом общая энергия связывания EE и MMP-3 ниже, а EE обладает более сильной способностью связываться с MMP-3. Этот результат согласуется с вышеупомянутой тенденцией результатов эксперимента по обнаружению в ИФА. Приведенные выше данные являются ключевой теоретической основой для будущих исследований молекулярного механизма анти-MMPs эффектов EE и разработки новых ингибиторов MMPs на основе гликозидов лигнина с ядерной структурой.

Таким образом, внутрисуставное введение ЭЭ может значительно улучшить инфильтрацию воспалительных клеток, пролиферацию фиброзной ткани и повреждение поверхности хряща в местах остеоартрита, а также снизить уровень медиаторов воспаления (IL-1 β и PGE2) и матричных металлопротеиназ MMP-3 и MMP-9 в суставной жидкости, что свидетельствует о значительном противоостеоартритном эффекте ЭЭ. Кроме того, дальнейшие методы молекулярного докинга и эксперименты по молекулярной динамике показали, что лиганды EE могут связываться с канавками каталитических сайтов MMP-3 и MMP-9. Несколько гидроксильных групп на сахарном кольце лигандов EE могут образовывать водородные связи с несколькими аминокислотами в рецепторах MMP-3 и MMP-9, которые играют важную роль в связывании лиганда. Результаты этого исследования заложат основу для разработки нового кандидата в терапевтические препараты для лечения остеоартрита из природных источников.