Μελέτη της έκφρασης των οστικών μορφογενετικών πρωτεϊνών (BMPs) των αναστολέων των μεταλλοπρωτεϊνασών (TIMPs) και της Akt/PKB, στην παθογένεια της κήλης του μεσοσπονδύλιου δίσκου

Abstract

Back pain is the second leading cause of doctor visits and the leading cause of absenteeism in developed countries. The etiology of low back pain involves all the anatomical components of the lumbar spine, but the degeneration of intervertebral disc is responsible in 23% of cases with sciatica. For this reason the study of the mechanisms of degeneration of the intervertebral disc has gained much attention in the recent years. The human intervertebral disc is an avascular structure with a large proportion of extracellular matrix which is regenerated by a small number if cells. So, the integrity of these fewer cells is crucial and Akt / PKB tyrosine kinase act as an important mediator in the cell survival process.The degeneration of the intervertebral disc is a complex, multifactorial process with unknown onset motive, where mechanic, biological and genetic factors, either alone or in synergy play the most important role. The herniated intervertebral disc is the most important clinical manifestation of this process of wear. The fact is that, over 90% of cases improve with conservative treatment. This means that the body is able to activate various mechanisms at the cellular level to correct the structural damage that has occurred.These mechanisms are complex and intend (or comprise) the secretion of several inflammatory mediators with various catabolic properties (interleukins, tumor necrosis factors and metalloproteinases) and agents with anabolic properties (growth factors and tissue inhibitors of metalloproteinases).The aim of this study was to examine the simultaneous transcription levels of bone morphogenetic proteins (BMP 1,2,7) and the full group of tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs 1,2,3,4) as well as of Akt / PKB in the same samples intervertebral disc hernia and the potential association of the results with the clinical-pathological characteristics of patients with symptoms of sciatica.For this purpose mRNA levels were measured using quantitative PCR real time (real-time PCR) on 63 samples of lumbar disc herniation from patients with sciatica symptoms and in 10 cadaveric samples as controls.Our results are interesting because of the existence of multiple positive correlations. The analysis of co-expression pairs showed a significant positive correlation between Akt1kai Akt3 in the pathological group, suggesting a synergistic action between them, in the process of degeneration of the intervertebral disc. In respect of the BMPs study, in the group of disc control the transcriptional levels of BMP-1 are positively correlated with the levels of BMP-2. However, in the group of pathologic discs, except for a co-expression observed between BMP-1 and BMP-2 mRNA, a significant negative correlation was observed between BMP-1 and BMP-7. Finally, in the control group, TIMPs’s levels show no correlation, while the pathological group presents a large number of pairwise correlations demonstrating that all four family members act in a synergic way.Smoking habits were found to have a positive correlation with pain intensity, suggesting an unfavorable role for smoking in the regression process of herniated disc fragments. Our results provide knowledge to the molecular profile of Akt / PKB tyrosine-kinase, tissue inhibitors of metalloproteinases(TIMP1 to 4) and bone morphogenetic proteins(BMP1,2,7) in the herniated intervertebral disc and highlights the relationship with the clinical and pathological characteristics of the patients studied, strengthening the hypothesis of the involvement of these agents in the natural history of the disease. The present study according to our opinion provides another stone to our understanding of the complex mechanism that mediates the pathogenesis of intervertebral disc herniation. However, further research is needed to elucidate the exact role of the alleged players in this complicated process.

Η οσφυαλγία είναι η δεύτερη συχνότερη αιτία επίσκεψης σε ιατρό και η πρώτη αιτία απουσίας από την εργασία στις αναπτυγμένες χώρες. Στην αιτιολογία της οσφυαλγίας συμμετέχουν όλα τα δομικά στοιχεία της οσφυϊκής μοίρας αλλά, η εκφύλιση του μεσοσπονδυλίου δίσκου είναι υπεύθυνη σε ένα ποσοστό 23% των περιστατικών με οσφυαλγία. Ως εκ’ τούτου η μελέτη των μηχανισμών εκφύλισης του μεσοσπονδυλίου δίσκου έχει αποκτήσει μεγάλο ενδιαφέρων τα τελευταία χρόνια. Ο ανθρώπινος μεσοσπονδύλιος δίσκος είναι μια δομή άνευ αγγείων με μεγάλο ποσοστό εξωκυττάριας ουσίας το οποίο αναζωογονείται από ένα μικρό αριθμό κυττάρων. Στην σημαντική διαδικασία κυτταρικής επιβίωσης το Akt/PKB λειτουργεί ως μεσολαβητής διαφόρων σηματοδοτών μονοπατιών.Η εκφύλιση του μεσοσπονδυλίου δίσκου είναι μία πολύπλοκη, πολυπαραγοντική διαδικασία με άγνωστο μηχανισμό έναρξης, όπου μηχανικοί, βιολογικοί και γενετικοί παράγοντες ,είτε μόνοι τους είτε σε συνέργεια παίζουν το σημαντικότερο ρόλο. Η κήλη του μεσοσπονδυλίου δίσκου αποτελεί τη σημαντικότερη κλινική εκδήλωση αυτής της διαδικασίας φθοράς. Γεγονός είναι ότι πάνω από 90% των περιπτώσεων βελτιώνονται με συντηρητική θεραπεία. Αυτό σημαίνει ότι ο οργανισμός είναι σε θέση να ενεργοποιήσει διάφορους μηχανισμούς σε κυτταρικό επίπεδο με σκοπό την διόρθωση της δομικής βλάβης που έχει προκύψει. Οι μηχανισμοί αυτοί είναι πολύπλοκοι και σκοπεύουν στην έκκριση διαφόρων φλεγμονωδών μεσολαβητών με καταβολικές ιδιότητες (ιντερλευκίνες, παράγοντες νέκρωσης των όγκων και μεταλλοπροτεϊνασες) και παραγόντων με αναβολικές ιδιότητες (αυξητικοί παράγοντες και η αναστολείς των μεταλλοπρωτεϊνασών).Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν αφενώς η ταυτόχρονη εξέταση των μεταγραφικών επιπέδων συγκεκριμένων οστικών μορφογενετικών πρωτεϊνών (BMP 1,2,7) και της πλήρης ομάδας των ιστικών αναστολέων των μεταλλοπρωτεϊνασών (TIMPs 1,2,3,4) καθώς επίσης και των τριών ισομορφών των Akt/PKB γονιδίων στα ίδια δείγματα κήλης μεσοσπονδυλίου δίσκου, και αφετέρου η πιθανή συσχέτιση των αποτελεσμάτων με τα κλινικό-παθολογικά χαρακτηριστικά ασθενών με συμπτώματα ισχιαλγίας. Για τους σκοπούς της μελέτης τα επίπεδα mRNA των υπό εξέταση παραγόντων μετρήθηκαν με τη βοήθεια ποσοτικής αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης πραγματικού χρόνου (real-time PCR) σε 63 δείγματα οσφυικής κήλης ΜΣΔ ασθενών με συμπτώματα ισχιαλγίας και σε 10 πτωματικά δείγματα ως ομάδα ελέγχου. Τα αποτελέσματά μας παρουσιάζουν ενδιαφέρων λόγω της ύπαρξης πολλών θετικών συσχετίσεων. Η ανάλυση της συν-έκφρασης ανά ζεύγη μας έδειξε σημαντική θετική συσχέτιση μεταξύ AΚΤ1 και AΚΤ3 στην ομάδα του ΜΣΔ, γεγονός που υποδηλώνει μια συνεργιστική δράση μεταξύ τους, κατά της διαδικασία της εκφύλισης του δίσκου.Όσων αφορά την μελέτη των ΒΜΡs, στην ομάδα των δίσκων ελέγχου τα μεταγραφικά επίπεδα της ΒΜΡ-1 συσχετίζονται θετικά με τα επίπεδα της ΒΜΡ-2. Ωστόσο, στην ομάδα των παθολογικών δίσκων, εκτός από μία συν-έκφραση που παρατηρήθηκε μεταξύ ΒΜΡ-1 και ΒΜΡ-2 mRNA, μια σημαντική αρνητική συσχέτιση παρατηρήθηκε μεταξύ ΒΜΡ-1 και ΒΜΡ-7.Τέλος, στην ομάδα ελέγχου τα επίπεδα των TIMPs δεν παρουσιάζουν συσχέτιση ενώ στα παθολογικά δήγματα υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός συσχετίσεων ανά ζεύγη αποδεικνύοντας ότι και τα τέσσερα μέλη της οικογένειας δρουν σε αρμονία. Τα αποτελέσματά μας παρέχουν ενδείξεις για το μοριακό προφίλ των γονιδίων της οικογένειας των Akt/PKB, των αναστολέων των μεταλλοπρωτεϊνασών και των οστικών μορφογενετικών πρωτεϊνών στην κήλη του ΜΣΔ καθώς και για τη σχέση τους με τα κλινικό-παθολογικά χαρακτηριστικά των ασθενών που μελετήθηκαν, ενισχύοντας την υπόθεση της εμπλοκής των παραγόντων αυτών στη φυσική ιστορία της νόσου. Με τη μελέτη μας πιστεύουμε ότι έχουμε προσθέσει ένα λίθο στην μελέτη της παθογένειας της κήλης του μεσοσπονδυλίου δίσκου. Περαιτέρω έρευνα ωστόσο απαιτείται ώστε να διαφωτιστεί ο ακριβής ρόλος των επικαλούμενων παραγόντων σε αυτή την περίπλοκη διαδικασία.