eISSN: 2299-0046
ISSN: 1642-395X
Advances in Dermatology and Allergology/Postępy Dermatologii i Alergologii
Current issue Archive Manuscripts accepted About the journal Editorial board Journal's reviewers Abstracting and indexing Subscription Contact Instructions for authors
SCImago Journal & Country Rank
4/2005
vol. 22
 
Share:
Share:
more
 
 

Caspase-1 – a role in an evolution of systemic sclerosis

Bożena Dziankowska-Bartkowiak
,
Agnieszka Żebrowska
,
Elżbieta Dziankowska-Zaborszczyk
,
Elżbieta Waszczykowska

PDiA 2005; XXII, 4: 167–173
Online publish date: 2005/09/22
Article file
- Kaspaza I.pdf  [0.12 MB]
Get citation
ENW
EndNote
BIB
JabRef, Mendeley
RIS
Papers, Reference Manager, RefWorks, Zotero
AMA
APA
Chicago
Harvard
MLA
Vancouver
 
 
Adres do korespondencji: dr med. Bożena Dziankowska-Bartkowiak, Zakład Immunodermatologii, Katedra i Klinika Dermatologii, Uniwersytet Medyczny, 90-017 Łódź, ul. Krzemieniecka 5, tel. +48 42 686 79 81, 686 25 70, faks +48 42 688 45 65, e-mail: bozenadz@interia.pl



Wstęp
Twardzina układowa (systemic sclerosis – SSc) jest wielonarządową chorobą tkanki łącznej, w której patomechanizm włóknienia nie został do końca poznany. Postuluje się wpływ różnorodnych czynników, których wzajemne współdziałanie wydaje się być odpowiedzialne za rozwój procesu chorobowego.
W patogenezie twardziny podkreślana jest istotna rola, jaką odgrywają zaburzenia odczynowości komórkowej i humoralnej. W skórze i narządach wewnętrznych chorych z SSc wykrywana jest zwiększona liczba limfocytów T, komórek plazmatycznych, tucznych, makrofagów, eozynofili i bazofili, które poprzez efekt cytotoksyczny, jak również zwiększoną ekspresję niektórych cytokin modyfikują czynność fibroblastów i mogą być odpowiedzialne za uszkodzenie komórek śródbłonka [1]. Szczególna rola przypisywana jest aktywnym limfocytom T pomocniczym HLA DR-dodatnim [2]. W twardzinie gromadzą się one w nadmiernych ilościach głównie wokół zmienionych naczyń krwionośnych i są jednym z czynników stymulujących fibroblasty do wzmożonej produkcji kolagenu [3]. Kahari i Murrel sugerują, że w SSc ogniwem łączącym różnorodne czynniki patogenetyczne mogą być wolne rodniki generowane przez komórki uczestniczące w procesach zapalnych [4, 5]. Powstają one w wyniku zaburzeń w mikrokrążeniu, uszkodzenia śródbłonków naczyń krwionośnych i niedotlenienia [6]. Na skutek długotrwałego destrukcyjnego działania aktywnych form tlenu w komórkach dochodzi do obkurczenia mitochondriów i uszkodzenia ich grzebienia oraz zniszczenia błon innych organelli komórkowych i fragmentacji jądra, co w konsekwencji prowadzi do obumierania komórki w procesie apoptozy [7]. Połączenie białka powierzchniowego Fas/Apo-1 z ligandem Fas, powodujące zwiększenie ekspresji genu kodującego fosfatazę komórek hemopoetycznych (Hcph) oraz aktywację limfocytów i jest jednym z czynników inicjujących zaprogramowaną śmierć komórek [8] Degradacja DNA spowodowana przez proteolizę inhibitora endonukleazy (ICAD – inhibitor of caspase-activated Dnase) doprowadza do aktywacji DNA-zy (CAD – caspase-activated deoxyribonuclease), enzymu nasilającego rozpoczętą już destrukcję kwasu DNA [9]. Najnowsze badania wykazały, że zmiany DNA w różnych komórkach nie przebiegają w jednakowy sposób, a wewnątrzkomórkowe proteazy mogą odgrywać zasadniczą rolę w zapoczątkowywaniu apoptozy [10]. Podkreślany jest istotny wpływ specyficznych komórkowych proteaz cysteiny (cysteine-aspartic acid specific proteases), nazywanych kaspazami [11]. Wszystkie kaspazy syntetyzowane są w komórkach w formie proenzymatycznej, w postaci zymogenu [10].
Mechanizm apoptozy podlega regulacji zarówno genetycznej, jak i biochemicznej [12]. Obecnie wydaje się, że istnieją co najmniej 2 niezależne, nakładające się na siebie drogi aktywacji apoptozy – receptorowa (zewnątrzpochodna) z aktywacją kaskady kaspaz oraz mitochondrialna (wewnątrzkomórkowa), przebiegająca bez ich udziału [13]. Wiadomo, że enzymy proteolityczne niszczą białka strukturalne i komórki enzymatyczne, jednak ich rola nie została dokładnie poznana.
Kaspaza-1 została określona jako enzym konwertujący interleukinę 1β (interleukin-β converting enzyme – ICE), prointerleukinę 18 oraz fosfolipazę A2 [14, 15]. Wyniki badań wskazują, że ten enzym proteolityczny, aczkolwiek nie jest niezbędny w procesie apoptozy, to spełnia istotną rolę w uwalnianiu cytokin i rozwoju procesu zapalnego [14, 15].
Materiał i metody
Do badań zakwalifikowano 17 chorych z twardziną układową (9 z lSSc i 8 z dSSc), w tym 14 kobiet i 3 mężczyzn w wieku 16–66 lat, którzy spełniali kryteria ACR dla rozpoznania twardziny układowej [16].
Stężenie kaspazy-1 oznaczano 2-krotnie – podczas pierwszego badania i po 12 mies., stosując metodę immunoenzymatyczną (ELISA) z użyciem komercyjnego zestawu firmy Quantikine R&D Systems Inc Minneapolis (USA). Czułość badania oznaczano na 0,68 pg/ml. Grupę kontrolną stanowiło 10 osób klinicznie zdrowych (9 kobiet i 1 mężczyzna) w wieku 25–64 lat.
Badani chorzy i zdrowe osoby wyrazili zgodę na udział w badaniu, na które uzyskano zgodę Komisji Bioetyki przy UM w Łodzi.
Wszyscy pacjenci byli poddani badaniu klinicznemu. Rozległość i nasilenie stwardnień skóry oceniano, stosując skalę punktową Total Skin Score (TSS) wg Kahaleha i wsp. (punktacja od 0 do 3, maksymalna liczba punktów – 66) [17].
W celu oceny obecności zmian w poszczególnych narządach wewnętrznych przeprowadzono następujące specjalistyczne badania: scyntygrafia przełyku; EKG,
24-godzinne monitorowanie EKG metodą Holtera (rejestratory FD3, analiza 3 kanałów CS-2, CM-5, IS z użyciem systemu Oxford Medilog Excel –2); echokardiografia serca (z użyciem aparatu H-P 2500), badanie spirometryczne płuc (określano w procentach wartości należnej: natężonej pojemności życiowej – FVC, natężonej objętości wydechowej pierwszosekundowej – FEV1 i wskaźnika FEV1/FVC); zaburzenia wentylacji płuc o typie restrykcyjnym rozpoznawano przy zmniejszeniu FVC poniżej 80% wartości należnej i podwyższonej lub mieszczącej się w granicach normy wartości wskaźnika FEV1/FVC; zmiany o charakterze obturacyjnym – przy ograniczeniu wartości FEV1 i o typie mieszanym, gdy zmniejszenie wartości należnych FVC i FEV1 było podobne [18]; badanie pojemności dyfuzyjnej tlenku węgla w pojedynczym oddechu (DLCO) z zastosowaniem Master Laboratory Screen (Jaeger Toennies, Wuerzburg, Niemcy); wartości wyrażane były w procentach, porównywanych do należnych wartości; radiologiczne badanie klatki piersiowej, kości rąk i stóp.
U wszystkich pacjentów wykonano ponadto badania laboratoryjne, takie jak OB, badanie morfologiczne krwi, badanie ogólne moczu, oznaczenie stężenia mocznika i kreatyniny w surowicy. Określenie rodzaju przeciwciał przeciwjądrowych wykonano na substracie komórek nowotworowych raka krtani HEp-2 (zestaw standardowy firmy Sigma Diagnostics), stosując pośrednią metodę immunofluorescencji (IIF). Dokładną ich identyfikację przeprowadzono, wykorzystując metodę podwójnej immunodyfuzji w żelu agarowym (double immunodiffusion – DID) wg Ouchterlony’ego wobec ekstraktu grasicy cielęcej zawierającej rozpuszczalne antygeny jądrowe [19].
Uzyskane wyniki poddano analizie statystycznej z zastosowaniem testu rang Spearmana, Mann-Whitneya oraz Cochran-Coxa w celu porównania par wartości średnich i median. Wartości p<0,05 uznawano za statystycznie znamienne.
Wyniki
Charakterystykę kliniczną badanych przedstawiono w tab. 1.
Wykazano, że średnie wartości stężenia kaspazy-1 w surowicy były niższe u chorych z SSc (61,6±76,4 pg/ml) niż u osób klinicznie zdrowych (212,4±246,2 pg/ml). Stwierdzono także, że w badanej grupie chorych na twardzinę układową były one niższe w grupie chorych z odmianą lSSc (36,5±59,4 pg/ml) niż u pacjentów z dSSc (89,7±87,1 pg/ml). Różnice te były statystycznie znamienne (p<0,05) (ryc. 1.). Po 12 mies. badania wykazały wzrost stężeń kaspazy-1 w surowicy badanych pacjentów (SSc – 125,5±103,5 pg/ml; lSSc – 91,5±75,1 pg/ml; dSSc – 163,8±122,0 pg/ml) (ryc. 1.).
Nie stwierdzono, by stężenia kaspazy-1 korelowały z czasem trwania objawu Raynauda i czasem trwania stwardnień skóry (tab. 2.). Podczas pierwszego badania wykazano natomiast ujemną korelację stężeń kaspazy-1 ze stopniem nasilenia stwardnień skóry (r=-0,711; p<0,05) (ryc. 2.). Po 12 mies. obserwowano zmniejszenie nasilenia stwardnień skóry i postaci klinicznej diffuse SSc w całej badanej grupie (tab. 1.). Zależność pomiędzy ich nasileniem a stężeniem kaspazy-1 była także znamienna i miała charakter dodatni: w SSc (r=0,675; r=0,003), lSSc (r=0,845; p=0,004) natomiast w dSSc nie była statystycznie znamienna (r=0,407; p>0,05) (ryc. 3.).
Dalsza analiza w podgrupie lSSc wykazała korelację o ujemnym charakterze pomiędzy stężeniami kaspazy-1 i liczbą narządów, w których wykazano obecność swoistych zmian oraz odchyleń w badaniach dodatkowych (r=-0,709) (tab. 2.).
Dyskusja
W ostatnich latach zebrano wiele dowodów na to, że w patogenezie wielu chorób, w tym również kolagenoz, znaczącą rolę odgrywa zaburzony proces eliminacji pobudzonych komórek limfatycznych.
Apoptoza jest jednym z procesów, który odpowiada za stan tolerancji w stosunku do antygenów własnych organizmu. Dzięki niej eliminowane są z ustroju niedojrzałe limfocyty, które posiadają receptory dla epitopów własnych komórek oraz dla antygenów zgodności tkankowej – HLA [20]. Zahamowanie procesu genetycznie zaprogramowanej śmierci komórki doprowadza do nadmiernej aktywacji limfocytów T i B, co jest przyczyną produkcji autoprzeciwciał. Przypuszcza się, że osłabienie lub nasilenie apoptozy może być ważnym czynnikiem patogenetycznym w wielu chorobach [12]. Badania autorów wskazują na istotne znaczenie zaburzeń w regulacji tego procesu, także w rozwoju twardziny układowej [21]. Autorzy podają, że w tej chorobie zmiany zapalne ścian naczyń krwionośnych oraz proliferacja fibroblastów mogą być wynikiem zwiększonej produkcji czynników wzrostowych lub obniżonej wrażliwości tych komórek na czynniki indukujące apoptozę [21]. U chorych na twardzinę układową wykazano zwiększoną apoptozę w komórkach jednojądrowych krwi obwodowej [22] oraz zaburzenia ekspresji genu bcl-2 i ich nieprawidłową odpowiedź na kamptotecynę [23].
Wyniki badań eksperymentalnych wskazują, że odzwierciedleniem nasilenia apoptozy może być stężenie enzymów katabolicznych w surowicy oraz inicjująca rola, jaką kaspazy-1, -4, -5 oraz -11 spełniają w jej rozwoju [23]. Teraki i wsp. podkreślają znaczenie kaspazy-1 w apoptozie indukowanej przez Fas, która w kaskadzie proteaz cysteiny aktywuje proteazę efektorową – kaspazę-3 [10]. Kaspaza-1 jest także enzymem, który pełni istotną rolę w uwalnianiu cytokin i rozwoju zapalenia [24].
Prace niektórych autorów wskazują, że aktywacja kaspaz może być jednym z mechanizmów zapoczątkowujących apoptozę, a kaspaza-1 jest ważnym czynnikiem w rozwoju zapalenia alergicznego [25]. W badaniach przeprowadzonych u chorych z całorocznymi objawami astmy oskrzelowej i/lub alergicznego nieżytu nosa stwierdzono wyższe stężenia kaspazy-1 w surowicy niż u osób zdrowych [25]. Wykazano także korelację stężeń tego enzymu z nasileniem apoptozy komórek jednojądrowych izolowanych z krwi obwodowej tych chorych [26].
W dotychczasowym piśmiennictwie nie znaleziono danych na temat badań określających rolę kaspazy-1 w patogenezie twardziny układowej. W niniejszej pracy po raz pierwszy wykazano niższe stężenia kaspazy-1 w surowicy badanych chorych w porównaniu z grupą kontrolną, co potwierdza wpływ zaburzeń w sekrecji tej proteazy na prawidłowy przebieg apoptozy. Prawdopodobnie zmniejszone stężenie tego enzymu jest jednym z czynników hamujących apoptozę w początkowym okresie twardziny, co prowadzi do aktywacji limfocytów. Badania przeprowadzone u chorych z astmą oskrzelową i/lub alergicznym nieżytem nosa i nadwrażliwością na aspirynę wykazały, że zmniejszona apoptoza komórek nacieku zapalnego w polipach nosa jest odzwierciedleniem ważnej roli mechanizmu miejscowego zapalenia i może być związana z utrzymywaniem się i ciężkością choroby u tych pacjentów [27].
Zastanawiano się, czy stosowane leczenie może wpływać na stężenie kaspazy-1 w badanej grupie chorych na twardzinę układową. Badania prowadzone w grupie chorych, u których stosowano leki immunosupresyjne, jak i w grupie pacjentów otrzymujących jedynie leki rozszerzające naczynia i witaminę E, wykazały, że stężenia kaspazy-1 w surowicy były niższe niż w grupie kontrolnej. Kolejne oznaczenie stężenia wykonane po 12 mies. obserwacji, w trakcie kontynuacji terapii, ujawniło jego wzrost. Można zatem wysunąć przypuszczenie, że stosowane leki nie wpłynęły na zmianę mechanizmu genetycznie zaprogramowanej śmierci komórek, a ocena stężeń kaspazy-1 w surowicy chorych może być wykładnikiem aktywności procesu chorobowego. Potwierdzeniem tego przypuszczenia może być wykazanie w trakcie pierwszego badania istotnego związku nasilenia zmian skórnych z niższymi stężeniami kaspazy-1 u chorych z diffuse SSc, a u chorych z limited SSc z obecnością swoistych zmian w różnych narządach wewnętrznych i odchyleń w badaniach dodatkowych. Kolejnym dowodem na przydatność oznaczeń stężeń kaspazy-1 jako wykładnika nasilenia procesu chorobowego jest stwierdzenie w czasie drugiego badania znamiennej korelacji pomiędzy jej wyższymi stężeniami i stopniem nasilenia stwardnień skóry.
Uzyskane w trakcie przeprowadzonych badań wyniki mogą sugerować istotną rolę, jaką spełnia kaspaza-1 w przebiegu procesu eliminacji komórek odpowiedzialnych za przebieg fibrynogenezy w twardzinie układowej.

Praca finansowana z funduszy pracy własnej
nr 502-18-344 oraz statutowej nr 503-119-2 UM w Łodzi.

Piśmiennictwo

1. White B: Pathogenesis: Immune aspects. In: Clements PJ, Furst DE (eds): Systemic sclerosis. Williams & Wilkins. Baltimore, Maryland, USA, 1996: 229-50.
2. Haustein VF, Anderegg U: Pathophysiology of scleroderma: an update. J Eur Acad Dermatol Venereol 1998, 11; 1-8.
3. LeRoy EC: Increased collagen synthesis by scleroderma fibroblasts in vitro: a possibible defect in the regulation or activation of the scleroderma fibroblasts. J Clin Invest 1974; 54: 880-9.
4. Kahari VM: Activation of dermal connective tissue in scleroderma. Ann Med 1993; 25: 511-8.
5. Murrel D: A radical proposal for the pathogenesis of scleroderma. J Am Acad Dermatol 1993; 28: 78-85.
6. Granger DN: Role of xanthine oxidase and granulocytes in ischaemia-reperfusion injury. Am J Physiol 1988; 255: 260-9.
7. Komosińska K, Olczyk K, Winsz K: Rola wolnych rodników w etiopatogenezie twardziny układowej. Post Hig Med Dośw 1997; 51: 285-303.
8. Shultz LD, Schweitzer PA, Rajan TV, et al.: Mutation at murine motheaten locus are within the hematopoietic cell protein-tyrosine phosphatase (Hcph) gene. Cell 1993; 73: 1445-8.
9. Enari M, Sakahira H, Yokoyama H, et al.: A caspase-activated DNase that degrades DNA during apoptosis and its inhibitor ICAD. Nature 1998; 391: 43-50.
10. Teraki Y, Shiohara T: Apoptosis and the skin. Eur J Dermatol 1999; 9: 413-26.
11. Salvesen GS, Dixit VM: Caspases: Intracellular signaling by proteolysis. Cell 1997; 91 (14): 443-6.
12. Cohen JJ: Overview: mechanisms of apoptosis. Immunology Today 1993; 14 (3): 126-30.
13. Susin SA, Daugas E, Ravagnan L, et al.: Two distinct pathways leading to nuclear apoptosis. J Exp Med 2000; 92: 571-80.
14. Thornberry NA, Bull HG, Calaycay JR, et al.: A novel heterodimeric cysteine protease is required for interleukin-1 beta processing in monocytes. Nature 1992; 356: 768-74.
15. Miwa K, Asano M, Horai R, et al.: Casapase 1 – independent IL-1β release and inflammation induced by the apoptosis inducer Fas ligand. Nat Med 1998; 4 (11): 1287-92.
16. Subcommittee for Scleroderma Criteria of the American Rheumatism Association Diagnostic and Therapeutic Criteria Commmittee: Preliminary criteria for the classification of systemic sclerosis (scleroderma). Arthritis Rheum 1980; 23: 581-90.
17. Kahaleh MB, Suttany GL, Smith EA, et al.: A modified scleroderma skin score method. Clin Exp Rheumatol 1986; 4: 367-9.
18. Martinez FJ: Badania czynnościowe układu oddechowego. W: Khan MG, Lynch JP (red.). Choroby płuc. Diagnostyka i terapia (wyd. 1. polskie, red. W Droszcz). Urban & Partner, Warszawa, 2000.
19. Ouchterlony O: Diffusion-in-gel methods for immunological analysis. In: Callos P, Waxman BH (eds) Progress in Allergy. V: 30. New York, Karger, 1962.
20. Stassi G, Todaro M, Demaria R, et al.: Defective expression of CD95 (Fas/APO-1) molecule suggests apoptosis impairment of T and B cells in HLA-B8, DR3-positive individuals. Human Immunology 1997; 55: 39-44.
21. Szpringer E, Lutnicki K: Znaczenie apoptozy w wybranych chorobach w dermatologii. Nowa Medycyna 2002; 116: 24-32.
22. Czuwara J, Makieła B, Nowicka U i wsp.: Apoptoza w komórkach jednojądrowych krwi obwodowej pacjentów z twardziną układową. Przegl Dermatol 1996; 83: 461-6.
23. Zhivotovsky B, Samali A, Gahm A, et al.: Caspase: their intracellular localization and translocation during apoptosis. Cell Death Differ 1999; 8: 644-51.
24. Wang S, Miura M, Yung Y-K, et al.: Murine caspase-11, an ICE-interacting protease, is essential for the activation of ICE. Cell 1998; 92: 501-9.
25. Grzegorczyk J: Apoptoza – udział w rozwoju zapalenia alergicznego. Alergia Astma Immunologia 2003; 8: 20-3.
26. Grzegorczyk J, Kowalski ML, Piłat A, et al.: Increased apoptosis of peripheral blood mononuclear cells in patients with perinnial allergic asthma/rhinitis: relation to serum markers of apoptosis. Mediators Inflamm 2002; 11: 225-33.
27. Kowalski ML, Grzegorczyk J, Pawliczak R, et al.: Decreased apoptosis and distinct profile of infiltrating cells in the nasal polyps of patients with aspirin hypersensitivity. Allergy 2002; 57: 493-500.
Copyright: © 2005 Termedia Sp. z o. o. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0) License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/), allowing third parties to copy and redistribute the material in any medium or format and to remix, transform, and build upon the material, provided the original work is properly cited and states its license.
Quick links
© 2019 Termedia Sp. z o.o. All rights reserved.
Developed by Bentus.
PayU - płatności internetowe