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. 2020 Jun 8;55(5):537–542. doi: 10.1055/s-0040-1702955

Genetic Aspects in Shoulder Disorders ∗

Carina Cohen 1,✉, Eduardo A Figueiredo 1, Paulo S Belangero 1, Carlos Vicente Andreoli 1, Mariana Ferreira Leal 2, Benno Ejnisman 1
PMCID: PMC7575388  PMID: 33093716

Abstract

The influence of genetic inheritance has been increasingly investigated in shoulder disorders, such as rotator cuff injury, instability and frozen shoulder. Although the initial findings are enlightening, it is necessary to progressively build a database of genetic markers to catalog genomic profiles that, later, may contribute for predicting the risk of the disease, as well as to the development of better diagnostic and treatment tools. The present article seeks to update what is evidence of genetic studies in the literature for these diseases, from polymorphism analyses, expression of candidate genes in tissues and broad genomic association studies (GWAS). However, it is necessary to point out that there is great difficulty in replicating and using the findings, mainly due to the lack of statistical power, the high rate of false-positive results and the large number of variables involved.

Keywords: shoulder, genetic polymorphism, gene expression

Introduction

The influence of genetics has been increasingly investigated in shoulder disorders, such as rotator cuff injury (RCI), instability and frozen shoulder (FS). Because they are complex or multifactorial diseases, these lesions are determined by the interaction of genetic and environmental factors. A characteristic of complex diseases is that they may present family aggregation, as it is more likely that the relatives of an affected person will share with them more alleles of predisposition to the disease than unrelated people.

The genome of any 2 individuals of the human species are identical in 99.9% of its sequence. 1 Thus, the difference between individuals represents 0.1% of the genome. Among the variations, when the frequency of an allelic variant reaches > 1% of the population, this variant is called "polymorphism". The most frequently studied types are single nucleotide polymorphisms (SNPs). There are several drawings of studies appropriate for genetic research of multifactorial diseases such as twin studies, adoption studies, family studies, studies of trios (purpose, mother and father) and case-control studies. 2

For musculoskeletal system injuries, most published studies investigate the frequency of polymorphism of "candidate genes" in cases and controls based on literature publications. Case-control studies can also be conducted on a large scale, such as genome wide association studies (GWAS) , which use robust sequencing techniques or microarray (oligonucleotide chips) to scan genetic variants (usually hundreds of thousands of SNPs) into a human genome. Genome wide association studies are essentially a hypothesis-free approach because they make no assumptions about the location or functional meaning of associated loci or their products. 2 It should be noted that, in addition to studies based on DNA analysis, gene and protein expression studies can provide clues to involved genes and the knowledge of the biological function of these genes can help in understanding the molecular pathophysiology of the disease.

Most studies that evaluated whether genetic variants are associated with the risk of shoulder lesions investigated polymorphisms in genes encoding proteins present in the extracellular matrix (ECM) or which are directly or indirectly involved in homeostasis and repair process of the tissues involved (ligaments, tendons, and capsule) whose basic structure is the collagen fibril. Variants in collagen genes can alter the primary structure of the collagen, generating chains less stable than normal, in order to affect the capsular structure. The fibrils of the articular tissues are composed predominantly by type I collagen, which is primarily responsible for physiological resistance to tension. During the process of repairing tendons and ligaments, it is postulated that collagen III forms a primary architecture that is subsequently infiltrated and replaced with collagen I. 3 Type V collagen is a fibrinogenesis regulator and intersperses in type I collagen fibers, so that its alteration can generate structural damage to the capsule as suggested in individuals with Ehlers Danlos syndrome whose COL5 expression was decreased in between 25 and 30% of the patients with mutation of this gene. 4

Additionally, other collagens, collagen synthesis modulator genes ( TGFB, TGFB1 ) , metalloproteinases, proteoglycans that may be associated with fibrils and glycoproteins – for example, fibronectin (FN) and tenascin C ( TNC ) , which act in the modulation of TGFB and in the tendon repair process by promoting migration and adherence of fibroblasts to fibrils. 5 6 Cytokines, such as TGFB1 and its receptors, can play a key role in inflammatory and fibrotic processes, regulating various ECM proteins, including collagens, FN1 and TNC. 7 It is undoubtedly one of the cytokines most closely involved in the fibrosis process, and is present in large quantities in places of chronic inflammation. 8

Matrix metalloproteinases (MMPs) are zinc-dependent proteases responsible for tissue remodeling and the degradation of ECM during normal physiological processes such as cell proliferation, remodeling of tissues, reproduction, differentiation, angiogenesis and apoptosis, but also participate in diseases such as arthritis, tumor invasion, cancer and inflammation, and may harm the organization and structural support of the tissues. 9 These enzymes are classified based on their substrate preference, including collagenases (e.g., MMP1 and MMP13), strobes (e.g. MMP3) and gelatinases (e.g., MMP2 and MMP9). Matrix metalloproteinases are inhibited by a class of proteins called TIMP.

Rotator Cuff Injury

Despite the theories of intrinsic and extrinsic causes for the origin of rotator cuff injuries (RCIs), there is preliminary evidence of genetic contribution leading to tendinous degeneration and consequent rupture of the tendons. 10

Studies in the literature show that siblings of individuals with RCI are more likely to develop complete injury and risk of being symptomatic. 11 12 13 14 Recently, in a study with 33 pairs of elderly twins (17 monozygotics and 16 dizigothics), Gumina et al. 15 calculated the heritability rate of 18%, and the contribution of 44% to the shared environment and 38% to the single environment. Gene expression studies demonstrate different gene behaviors in relation to rotator cuff injury. Riley et al. 16 evaluated 10 patients and 24 controls and found decreased expression of the MMP2, MMP9, MMP13 genes.

Lo et al., 17 18 in a study with tissue of 10 patients and 6 cadavers, found increased expression of MMP13 and inhibition of MMP3 expression, TIMP2 , TIMP3 , TIMP4 . In 2005, the same author found an increase in the expression of MMP13 , COL1A1 , COL3A1 and agrecan, in addition to inhibition of the expression of decorine.

Shindle et al. 19 found increased expression of MMP9 , MMP13 , COX2 and COL1A1 as well as decreased expression of iNOS, VEGF , COL3A1 and biglican. Shirachi et al. 20 analyzed the expression of COL1A1 and COL3A1 at the edge of the lesion of the supraspinal tendon in 12 patients, with five fresh cadavers as control. The authors correlated the expression of these genes with the integrity of the repair after the period of 1 year postoperatively. In addition, the expression of COL1A1 was associated with the time of onset of symptoms, suggesting that conservative treatment should not be prolonged if patients do not present improvement after a certain period.

Robertson et al. 21 evaluated the gene expression of pro-inflammatory cytokines, tissue remodeling genes and angiogenesis factors in 35 patients with complete RCI. There was a correlation of increased expression of MMP1 and MMP9 and failure of repair healing. Gotoh et al. 22 performed a study with 24 patients and found an increase in MMP3 and TIMP1 expression in patients who had re-rupture after 1 year of RCI repair. The expression of collagen genes was not related.

The first genetic study conducted by national authors observed a correlation between RCI and polymorphisms in the genes DEFB1, ESRRB, FGF3, FGF10 and FGFR1. The authors also concluded that female and white gender are the main predictors of this type of injury. 23 Confirming these findings, mutations of the ESRRB gene were correlated with the lesion in a study with 175 patients with RCI compared to a control group of 3,293 individuals from a genetic database access open for consultation ( Illumina iControls database ). 24 It is noteworthy that this series of cases did not distinguish patients with traumatic and degenerative injuries.

Tashjian et al. 25 used information from a population genetic database containing a sample of 311 cases compared with 2,641 healthy individuals and found a relationship between mutations in sap30BP genes and SASH1 in RCI. Both genes have a direct relationship with the apoptosis mechanism.

In another publication performed in a Brazilian population, 64 patients with RCI were evaluated and the association with genetic polymorphisms of MMP-1 and MMP-3 metalloproteinases were evaluated. 26

Sejersen et al., 27 in a systematic review, identified 2,199 protein analysis studies in tendinopathies and verified a tendency to increase COL1, COL3, MMP1, MMP9, MMP13, TIMP1, VEGF expression and decrease in MMP3. Chung et al. 28 found increased expression of MMP9 and IL6 genes in diabetics. The authors suggested that this difference may be one of the explanations for increased repair failure in diabetic patients.

Our group, in 2017, described through a Reverse transcription polymerase chain reaction quantitative real time (qRT-qPCR) study, with a normalized sample using the HPRT1, BPT and ACTB genes , the decrease in MMP1 expression, MMP9 and MMP13 and the increase in IMPT3 in individuals with injury in relation to controls. 29 In another study, the presence of polymorphisms related to MMP1, MMP-2, MMP-3, MMP-9, MMP-13, TIMP-1, TNC and COL5A1 genes in patients with RCI was also observed. These authors found 15 SNPs of the TNC gene and they were significantly associated with degenerative lesions. 30

Ahn et al. 31 evaluated 14 patients who underwent repair and concluded that negative regulation of inflammatory response genes and positive regulation of cell differentiation genes at the time of surgery are related to rotator cuff healing.

Treviño et al. 32 evaluated the expression of proteases (catepsins and MMP ) of tendon tissues and supraspinal muscle, in addition to the humeral cartilage of 30 rats after RCI at 3 distinct moments: 1, 3 and 12 weeks. The authors concluded that there is a significant increase in proteases in the three tissues, each with different profiles, and initially the increase in expression in the tendons and posterior in the humeral cartilage.

Lee et al., 33 in a study with rats, analyzed 39,429 genes and followed changes in their expression after 1 and 4 weeks of injury and identified that rotator cuff rupture induces the expression of specific genes related to aging, apoptosis, atrophy and transport of fatty acids. The authors associated that many genes that are altered may play a role in the tendon degeneration process after the injury. In 2018, our group described that the altered expression of the genes COL1A1, COL1A2, COL3A1, COL5A1, FN1, TNC, TGFB1, and TGFBR1 is involved in the process of degeneration in ruptures of the rotator cuff. 34

In a systematic review study, Dabija et al. concluded that although previous studies provide preliminary evidence of genetic and family predisposition to RCIs, there is a lack of large genomic studies that can provide more definitive information and guide the early detection of individuals at risk, prophylactic rehabilitation and potential gene therapies and interventions in regenerative medicine. 10

A more recent study conducted an extensive analysis using Gene Expression Omnibus (GEO) gene expression profile gse93661 and bioinformatics analysis to investigate differentially expressed genes (DEGs) in satellite cells between samples of cases of supraspinal injury and subscapular tendon controls. In total, 551 DEGs were identified, including 272 hyper-regulated DEGs and 279 hypo-regulated DEGs pointing out a number of genes ( GNG13 , GCG , NOTCH1 , BCL2 , NMUR2 , PMCH , FFAR1 , AVPR2 , GNA14 and KALRN ) and thus providing clues to speculate that the GNG13/ signaling pathway/calcium is highly correlated with denervation atrophy in the pathological process of RCI. 35

There is a line of research of our group in which we analyze the difference in gene expression between bursal and articular partial lesions, using genetic ontology system and Next-Generation Sequencing (NGS) platform. The bursal partial lesion proved to be genetically more complex because it presented a higher number of genes identified by NGS, and most genes that showed increased expression were associated with fusion, adhesion or interaction of the cell with the extracellular matrix, while hyperexpression of the EGLN3 gene, an oxygen saturation sensor tissue and suppression of the ID1 gene, an important regulator of biological processes including cell growth, senescence, differentiation, apoptosis, angiogenesis and neoplastic transformation. (André Godinho's professional master's thesis, unpublished data).

Finally, in another line of investigation, which seeks to understand whether fatty infiltration (FI) and inflammation slow healing in RCIs, Thankam et al. evaluated miRNAs of patients with and without FI and inflammation and detected 13 miRNAs and 216 genes-targets that interconnect the activated protein kinase (AMPK) metabolic checkpoint and the pathway of the inflammatory molecule TREM-1. 36

Shoulder instability

Shoulder instability, like other orthopedic conditions, has a possible genetic component. Foëx reported the presence of recurrent shoulder displacements in three generations of a UK family. 37 Imazato et al. 38 demonstrated that in patients with multidirectional shoulder instability, the collagen fibers of the capsule, muscles and skin are relatively immature, more soluble and with less crosslink than controls.

In a population of Sweden, it was observed that homozygotes with the rare allusion in the rs1800012 polymorphism (on the Sp1 binding site) of the gene encoding collagen chain 1 type 1 (COL1A1) was a protective factor for shoulder instability (N = 126). 39 Collins et al. 40 bringing together the results of caucasoid individuals from Sweden and South Africa, investigated whether this COL1A1 polymorphism was associated with the risk of cruciate ligament injury, anterior knee instability, shoulder instability and Achilles tendon ruptures. The authors described that the TT genotype was a protective factor against the lesion, when all lesions were combined and compared with control individuals.

Initially, Belangero et al. 41 investigated the expression of the genes COL1A1 , COL1A2 , COL3A1 and COL5A1 in the anteroinferior region (macroscopically altered) and compared with the anterosuperior region of the glenohumeral capsule of 18 patients with traumatic anterior instability (TAI). They identified reduced expression of COL5A1 in the upper region. The same authors demonstrated in 2014 that COL1A1 expression and COL1A1/COL1A2 ratio were increased in all regions (anterosuperior, anteroinferior and posterior) of the capsule, in patients with TAI when compared with controls, and this ratio seems to reduce in the anteroinferior region the longer the symptom exists. The ratio between COL1A1/COL5A1 was also increased in the anteroinferior and posterior region of the capsule. 42 In 2016, they evaluated genes related to the collagen crosslink process and suggested that expression changes in the genes of TGFB1, TGFBR1, LOX and PLOD2 may play a role in shoulder instability. 43 Finally, when evaluating the expression of genes encoding proteins of the extracellular matrix (COMP, FN1, TNC and TNXB ) they found higher expression of TNC and FN1 in the anteroinferior part of the capsule and FN1 is directly correlated with the duration of symptoms and with recurrent displacements in relation to controls. 44 COMP expression was reduced, and may be associated with the integrity of the capsule after shoulder dislocation, particularly in the portion of the macroscopically affected.

Frozen Shoulder

The positive family history of frozen shoulder (FS) is described in 9.5 up to 20% of the cases, 45 46 the prevalence calculated in a twin study is 11.6% and the heritability estimate is of 42%. 47 The idiopathic aspect of the lesion and studies such as the one that reports the case of monozygotic siblings with bilateral frozen shoulder developed at the same time 48 favor the genetic propensity of affected individuals theory. In addition, other data that reinforce the probable genetic influence of complex patterns (gene-environment interaction) of the FS is the curious association with Dupuytren disease (DD) which is a complex, multifactorial disease, with a strong known genetic component. 49

There is great histological similarity between the fibroproliferative processes of the two diseases, 50 and the association between fibrotic conditions (frozen shoulder and DD), joint stiffness and total arthroplasties has been reported. Fibrotic conditions showed heritability of 28%. These findings are suggestive of a genetic influence on a common process of underlying disease that affects connective tissues. 51 The increased expression of TGFB and TGFBR1 and decreased MMP2 levels in the capsular tissue of affected shoulders were demonstrated. 52 In agreement, Bunker et al. 53 also demonstrated a decrease in mRNA expression of MMP1 and MMP2, similar to DD.

Our group detected in the capsule of eight FS operated patients, compared with controlling individuals, that this hyperregulation of TGFBR1 was directly related to the duration of symptoms suggesting that TGFB signaling should be involved in the development of the disease. In addition, an increase in the expression of MRNA of FN1 and TNC mRNA has been demonstrated in the affected capsule fragments that may be involved in the process of inflammation and migration of fibroblasts. 54 Lubis et al. 52 investigated serum levels of MMPs, TIMPs and TGF11 in FS and normal individuals using the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) method. Baseline levels of MMP1 and MMP2 were significantly lower, while TIMP1, TIMP2 and TGF levels 1 were significantly higher in the FS group, with findings similar to the fibroproliferative disorders in DD. 9 These deficiencies in the production of MMP1 may reflect an altered capacity for local tissue remodeling. 55

Kabbabe et al. 56 used the quantitative polymerase chain reaction (PCR) technique to show increased expression levels of MMP3 and its role as a fibrogenic mediator in the FS compared to the control group. Xu et al. 57 concluded that the increased expression of the MMP3 rs650108 variant was significantly associated with FS susceptibility in a Chinese Han population.

In 2017, Chen et al. 58 studied IL-11, MMP3, TGF-1, and GDF5 SNPs in a small Chinese population and found that the FS genotype of IL-11143627 polymorphism was associated with lower FS risk compared with genotype TT ( p  = 0.022) and that serum IL-1was expressed at a significantly higher level when compared with the control group ( p  < 0.001).

In addition, our group analyzed 18 polymorphisms in genes encoding proteins involved in the homeostasis of the extracellular matrix of the capsule and the signaling pathway of TGF1. Genes encoding collagens ( COL1A1, COL5A1 ) , glycoproteins ( FN1, TNC ) genes involved in signaling the transformer growth factor and its receptor ( TGFB1, TGFBR1 ) , metalloproteinases ( MMP2, MMP3, MMP9, MMP13 ) and tissue inhibitor of MMP2 ( TIMP2 rs2277598 ) were selected. While in men the association of TGFBR1 and TGFBR1 polymorphisms was pointed out, in women MMP2 and MMP9 metalloproteinases were pointed out as risk factors for development of FS. Only MMP13 was related to both genders. 59 MMP13, collagenase metalloproteinase, divide the main structural component of cartilage, type II collagen, thus effecting irreversible loss of Extracellular matrix (ECM) architecture and function. The expression of MMP collagenase was significantly elevated in the nodule tissue sample of patients operated for DD, where high collagen turnover occurs; however, high levels of TIMP1 blocking the action of MMP13 in the breakdown of collagen was appointed as possibly responsible for the process of contracture and fibrosis in these individuals. 60

Perspectives

The era of individual genetics has grown exponentially in recent years. Along with the growing number of publications, there is great frustration due to conflicting results, the expectation of clinical application of the results and the lack of replication of the findings, mainly due to the low statistical power and the high rate of false-positives. In addition, diseases are controlled by the sum of expression of various genes, but each with small effect. It is still necessary to catalog different shoulder-related polymorphisms, since the genomic profile will allow the defining of a database of genetic markers that may contribute to the risk of diseases. Thus, knowledge of molecular bases can help in the development of better prevention, diagnosis and treatment tools.

Conflito de Interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses.

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Trabalho desenvolvido na Disciplina de Medicina do Esporte e Atividade Física, Centro de Traumatologia do Esporte (CETE), Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), São Paulo, SP, Brasil.

∗

Work developed in the Sports Medicine and Physical Activity Discipline, Sports Traumatology Center (CETE, in the Portuguese acronym), Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP, in the Portuguese acronym), São Paulo, SP, Brazil.

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Aspectos genéticos nas afecções do ombro ∗

Resumo

A influência da herança genética tem sido cada vez mais investigada nas afecções do ombro, como a lesão do manguito rotador, instabilidade e ombro congelado. Ainda que os achados iniciais sejam pouco esclarecedores, é necessário construir progressivamente um banco de marcadores genéticos para catalogar perfis genômicos que, mais adiante, poderão contribuir para a previsão do risco da doença, desenvolvimento de melhores ferramentas de diagnóstico e tratamento. O presente artigo busca atualizar o que há de evidências de estudos genéticos na literatura para essas doenças, desde análises de polimorfismos, expressão de genes candidatos em tecidos e estudos de associação genômica ampla (GWAS, na sigla em inglês). Porém, é necessário apontar que existe grande dificuldade na replicação e utilização dos achados, principalmente em razão da falta de poder estatístico, da alta taxa de resultados falso-positivos e da grande quantidade de variáveis envolvidas.

Palavras-chave: ombro, polimorfismo genético, expressão gênica

Introdução

A influência da genética tem sido cada vez mais investigada nas afecções do ombro, como a lesão do manguito rotador (LMR), instabilidade e ombro congelado (OC). Por se tratarem de doenças complexas ou multifatoriais, essas lesões são determinadas pela interação de fatores genéticos e ambientais. Uma característica das doenças complexas é que elas podem apresentar agregação familiar, pois é mais provável que os parentes de uma pessoa afetada compartilhem com ela mais alelos de predisposição à doença do que pessoas não aparentadas.

O genoma de quaisquer 2 indivíduos da espécie humana são idênticos em 99,9% de sua sequência. 1 Assim, a diferença entre indivíduos representa 0,1% do genoma. Dentre as variações, quando a frequência de uma variante alélica atinge mais do que 1% da população, essa variante passa a ser chamada “polimorfismo”. O tipo mais frequentemente estudado são os polimorfismos de nucleotídeo único (SNP). Existem vários desenhos de estudos apropriados para a investigação genética das doenças multifatoriais, como os estudos de gêmeos, estudos de adoção, estudos de famílias, estudos de trios (propósito, mãe e pai) e estudos de caso-controle. 2

Para lesões do sistema musculoesquelético, grande parte dos estudos publicados investiga a frequência de polimorfismo de “genes candidatos” em casos e controles com base nas publicações da literatura. Os estudos caso-controle podem também ser realizados em larga escala, como os estudos de associação genômica ampla (GWAS, na sigla em inglês), que utilizam técnicas robustas de sequenciamento ou microarray ( chips de oligonucleotídeos) para fazer uma varredura das variantes genéticas (geralmente centenas de milhares de SNPs) em um genoma humano. Os estudos de associação genômica ampla são, essencialmente, uma abordagem livre de hipótese, porque não faz suposições sobre a localização ou o significado funcional de locos associados ou seus produtos. 2 Convém ressaltar que, além dos estudos baseados nas análises de DNA, os estudos de expressão gênica e proteica podem fornecer pistas de genes envolvidos, e o conhecimento da função biológica desses genes pode auxiliar na compreensão da fisiopatologia molecular da doença.

A maior parte dos estudos que avaliaram se variantes genéticas estão associadas ao risco de lesões do ombro investigou polimorfismos em genes que codificam proteínas presentes na matriz extracelular (MEC) ou que estão envolvidos direta ou indiretamente na homeostase e no processo de reparo dos tecidos envolvidos (ligamentos, tendões, e cápsula) cuja estrutura básica é a fibrila de colágeno. Variantes nos genes do colágeno podem alterar a estrutura primária do mesmo, gerando cadeias menos estáveis do que o normal, de forma afetar a estrutura capsular. As fibrilas dos tecidos articulares são compostas predominantemente pelo colágeno tipo I, que é responsável primariamente pela resistência fisiológica à tensão. Durante o processo de reparo de tendões e ligamentos, é postulado que colágeno III forma uma arquitetura primária que, posteriormente, é infiltrada e substituída por colágeno I. 3 O colágeno tipo V é um regulador da fibrilogenese e se intercala nas fibras de colágeno tipo I, de forma que sua alteração pode gerar danos estruturais na cápsula, como foi sugerido em indivíduos com síndrome de Ehlers Danlos, cuja expressão do COL5 se mostrou diminuída em entre 25 e 30% dos pacientes com mutação desse gene. 4

Adicionalmente, foram estudados outros colágenos, genes de moduladores da síntese de colágeno (TGFB, TGFB1 ), metaloproteinases, proteoglicanos que podem estar associados às fibrilas e glicoproteínas – por exemplo, fibronectina ( FN ) e tenascina C ( TNC ), que atuam na modulação do TGFB e no processo de reparo dos tendões por promover migração e adesão de fibroblastos às fibrilas. 5 6 As citocinas, como o TGFB1 e seus receptores, podem desempenhar um papel fundamental nos processos inflamatórios e fibróticos, regulando várias proteínas da MEC, incluindo colágenos, FN1 e TNC. 7 É, sem dúvida, uma das citocinas mais intimamente envolvidas no processo de fibrose, e está presente em grandes quantidades em locais de inflamação crônica. 8

As metaloproteinases da matriz (MMPs) são proteases dependentes do zinco responsáveis pela remodelação tecidual e pela degradação da MEC durante processos fisiológicos normais como proliferação celular, remodelação de tecidos, reprodução, diferenciação, angiogênese e apoptose, mas também participam em doenças como artrite, invasão tumoral, câncer e inflamação, podendo prejudicar a organização e o suporte estrutural dos tecidos. 9 Essas enzimas são classificadas com base em sua preferência de substrato, incluindo colagenases (por exemplo, MMP1 e MMP13), estromelizinas (por exemplo, MMP3) e gelatinases (por exemplo, MMP2 e MMP9). As metaloproteinases da matriz são inibidas por uma classe de proteínas chamada TIMP.

Lesão do Manguito Rotador

Apesar das teorias de causas intrínsecas e extrínsecas para origem das lesões do manguito rotador (LMR), existem evidências preliminares da contribuição genética que levam à degeneração tendínea e à consequente ruptura dos tendões. 10

Estudos da literatura demonstram que irmãos de indivíduos com LMR apresentam maior propensão a desenvolver lesão completa e risco de serem sintomáticos. 11 12 13 14 Recentemente, em um estudo com 33 pares de gêmeos idosos (17 monozigóticos e 16 dizigóticos) Gumina et al. 15 calcularam o índice de herdabilidade de 18%, e a contribuição de 44% para o ambiente compartilhado e de 38% para o ambiente único. Estudos de expressão gênica demonstram diferentes comportamentos dos genes em relação à lesão do manguito rotador. Riley et al. 16 avaliaram 10 pacientes e 24 controles e encontraram diminuição da expressão dos genes MMP2, MMP9, MMP13 .

Lo et al., 17 18 em estudo com tecido de 10 pacientes e 6 cadáveres, encontraram o aumento da expressão de MMP13 e inibição da expressão de MMP3 , TIMP2 , TIMP3 e TIMP4 . Em 2005, o mesmo autor encontrou aumento da expressão de MMP13 , COL1A1 , COL3A1 e agrecano, além da inibição da expressão de decorina.

Shindle et al. 19 encontraram aumento da expressão de MMP9 , MMP13 , COX2 e COL1A1 bem como a diminuição da expressão de iNOS, VEGF , COL3A1 e biglican. Shirachi et al. 20 analisaram a expressão de COL1A1 e COL3A1 na borda da lesão do tendão do supraespinal em 12 pacientes, tendo como controle cinco cadáveres frescos. Os autores correlacionaram a expressão desses genes com a integridade do reparo após o período de um ano de pós-operatório. Além disso, a expressão de COL1A1 foi associada com o tempo de início dos sintomas, sugerindo que o tratamento conservador não deva ser prolongado se os pacientes não apresentarem melhora após determinado período.

Robertson et al. 21 avaliaram a expressão gênica de citocinas pró-inflamatórias, genes de remodelação tecidual e fatores de angiogênese em 35 pacientes com LMR completa. Houve correlação do aumento da expressão de MMP1 e MMP9 e falha da cicatrização do reparo. Gotoh et al. 22 realizaram estudo com 24 pacientes e encontraram aumento da expressão de MMP3 e TIMP1 nos pacientes que tiveram re-ruptura após um ano do reparo da LMR. A expressão dos genes de colágeno não apresentou relação.

O primeiro estudo genético realizado por autores nacionais observou correlação entre a LMR e polimorfismos nos genes DEFB1 , ESRRB , FGF3 , FGF10 e FGFR1. Os autores também concluíram que sexo feminino e cor branca são os principais preditores deste tipo de lesão. 23 Confirmando estes achados, mutações do gene ESRRB foram correlacionados à lesão em um estudo com 175 pacientes com LMR comparados a um grupo controle de 3.293 indivíduos de um banco de dados genético de acesso aberto para consulta ( Illumina iControls database ). 24 Vale ressaltar que esta série de casos não distinguiu pacientes com lesões traumáticas e degenerativas.

Tashjian et al. 25 utilizaram informação proveniente de um banco de dados genético populacional contendo uma amostra de 311 casos, compararam-na com 2641 indivíduos saudáveis e encontraram relação entre mutações nos genes SAP30BP e SASH1 em LMR. Ambos os genes apresentam relação direta com mecanismo de apoptose.

Em outra publicação realizada em população brasileira, foram avaliados 64 pacientes com LMR e foi apontada a associação com polimorfismos genéticos de metaloproteinases MMP-1 e MMP-3 . 26

Sejersen et al. 27 em revisão sistemática, identificaram 2.199 estudos de análise de proteínas em tendinopatias e verificaram uma tendência de aumento da expressão de COL1, COL3, MMP1, MMP9, MMP13, TIMP1, VEGF e diminuição de MMP3. Chung et al. 28 encontraram o aumento da expressão dos genes MMP9 e IL6 em diabéticos. Os autores sugeriram que essa diferença pode ser uma das explicações para o aumento da falha do reparo em pacientes diabéticos.

Nosso grupo, em 2017, descreveu por meio de estudo de Reação em cadeia da polimerase quantitativo em tempo real (qRT-qPCR), com amostra normalizada por meio dos genes HPRT1 , TBP e ACTB, a diminuição da expressão de MMP1 , MMP9 e MMP13 e o aumento de TIMP3 em indivíduos portadores de lesão em relação a controles. 29 Em outro estudo, a presença de polimorfirmos relacionados aos genes MMP-1, MMP-2, MMP-3, MMP-9, MMP-13, TIMP-1, TNC e COL5A1 em pacientes com LMR também foi observada. Estes autores encontraram 15 SNPs do gene TNC e os mesmos estavam significativamente associados a lesões degenerativas. 30

Ahn et al. 31 avaliaram 14 pacientes que foram submetidos ao reparo e concluíram que a regulação negativa de genes de resposta inflamatória e a regulação positiva de genes de diferenciação celular no momento da cirurgia estão relacionados à cicatrização do manguito rotador.

Treviño et al. 32 avaliaram a expressão de proteases (catepsinas e MMP ) de tecidos do tendão e músculo do supraespinal, além da cartilagem umeral de 30 ratos após LMR em 3 momentos distintos: 1, 3 e 12 semanas. Os autores concluíram que há um aumento significativo das proteases nos três tecidos, cada um com diferentes perfis, havendo inicialmente o aumento da expressão nos tendões e posteriormente na cartilagem umeral.

Lee et al., 33 em estudo com ratos, analisaram 39.429 genes e acompanharam as alterações na expressão dos mesmos após 1 e 4 semanas de lesão e identificaram que a ruptura do manguito rotador induz a expressão de genes específicos relacionados ao envelhecimento, apoptose, atrofia e transporte de ácidos graxos. Os autores associaram que muitos genes que estão alterados possam ter um papel no processo de degeneração do tendão após a lesão. Em 2018, nosso grupo descreveu que a expressão alterada dos genes COL1A1, COL1A2, COL3A1, COL5A1, FN1, TNC, TGFB1, e TGFBR1 está envolvida no processo de degeneração nas rupturas do manguito rotador. 34

Em estudo de revisão sistemática, Dabija et al. concluíram que apesar dos estudos anteriores fornecerem evidências preliminares de predisposição genética e familiar das LMR, há uma falta de grandes estudos genômicos que possam fornecer informações mais definitivas e orientar a detecção precoce de indivíduos em risco, reabilitação profilática e potenciais terapias gênicas e intervenções em medicina regenerativa. 10

Um estudo mais recente realizou análise ampla usando perfil de expressão gênica GSE93661 do banco de dados Gene Expression Omnibus (GEO) e análises de bioinformática para investigar genes diferencialmente expressos (DEGs) em células satélites entre amostras de casos de lesão do supraespinal e controles do tendão subescapular. No total, 551 DEGs foram identificados, incluindo 272 DEGs hiper-regulados e 279 DEGs hiporregulados apontando uma série de genes ( GNG13 , GCG , NOTCH1 , BCL2 , NMUR2 , PMCH , FFAR1 , AVPR2 , GNA14 e KALRN ) e fornecendo assim pistas para especular que a via de sinalização GNG13/cálcio é altamente correlacionada com a atrofia por denervação no processo patológico das LMR. 35

Há uma linha de pesquisa de nosso grupo em que analisamos a diferença de expressão gênica entre lesões parciais bursais e articulares, utilizando sistema de ontologia genética e a plataforma Sequenciamento de Nova Geração (NGS). A lesão parcial bursal mostrou-se geneticamente mais complexa por apresentar maior número de genes identificados pelo NGS, sendo que a maioria dos genes que apresentaram aumento de expressão estavam associados a fusão , adesão ou interação da célula com a matriz extracelular, enquanto na face articular foram identificados hiperexpressão do gene EGLN3 , um sensor da saturação do oxigênio tecidual e supressão do gene ID1 , um importante regulador de processos biológicos incluindo crescimento celular, senescência, diferenciação, apoptose, angiogênese e transformação neoplásica. (Tese de mestrado profissional de André Godinho, dados não publicados).

Por fim, em uma outra linha de investigação, que busca compreender se a infiltração gordurosa (IG) e inflamação retardam a cicatrização nas LMR, Thankam et al. avaliaram miRNAs de pacientes com LMR com e sem IG e inflamação e detectaram 13 miRNAs e 216 genes-alvos que interconectam o ponto de verificação metabólico 5′ monofosfato-adenosina proteína quinase ativada (AMP-Q) e a via da molécula inflamatória TREM-1. 36

Instabilidade do ombro

A instabilidade de ombro, como outras afecções ortopédicas, possui um possível componente genético. Foëx reportou a presença de deslocamentos recorrentes de ombro em três gerações de uma família do Reino Unido. 37 Imazato 38 demonstrou que em pacientes com instabilidade multidirecional do ombro, as fibras colágenas da cápsula, músculos e pele são relativamente imaturas, mais solúveis e com menos crosslink que controles.

Em uma população da Suécia, foi observado que os homozigotos para o alelo raro no polimorfismo rs1800012 (no sítio de ligação Sp1) do gene que codifica a cadeia α1 do colágeno tipo 1 ( COL1A1) era um fator protetor para instabilidade de ombro (N = 126). 39 Collins et al., 40 reunindo os resultados de indivíduos caucasoides da Suécia e da África do Sul, investigaram se esse polimorfismo de COL1A1 estava associado ao risco de lesão do ligamento cruzado anterior do joelho, de instabilidade de ombro e de rupturas do tendão de Aquiles. Os autores descreveram que o genótipo TT era um fator protetor contra a lesão, quando todas as lesões foram combinadas e comparadas com indivíduos controles.

Inicialmente, Belangero et al. 41 investigaram a expressão dos genes COL1A1 , COL1A2 , COL3A1 e COL5A1 na região anteroinferior (macroscopicamente alterada) e compararam com a região anterosuperior da cápsula glenoumeral de 18 pacientes com instabilidade anterior traumática do ombro (IATO). Identificaram expressão reduzida de COL5A1 na região superior. Os mesmos autores demonstraram em 2014 que expressão de COL1A1 e a razão COL1A1/COL1A2 estavam aumentadas em todas as regiões (anterossuperior, anteroinferior e posterior) da cápsula em pacientes com IATO quando comparados aos controles, e que essa razão parece reduzir na região anteroinferior quanto maior o tempo de sintomas. A razão entre COL1A1/COL5A1 também estava aumentada na região anteroinferior e posterior da cápsula. 42 Em 2016, avaliaram genes relacionados ao processo de crosslink do colágeno e sugeriram que alterações de expressão nos genes do TGFB1 , TGFBR1 , LOX e PLOD2 podem desempenhar um papel na instabilidade do ombro. 43 Por fim, ao avaliarem a expressão de genes que codificam proteínas da matriz extracelular ( COMP , FN1 , TNC e TNXB ) encontraram maior expressão de TNC e FN1 na parte anteroinferior da cápsula, estando a FN1 diretamente correlacionada com a duração dos sintomas e com deslocamentos recorrentes em relação aos controles. 44 Já a expressão de COMP estava reduzida, podendo estar associada com a integridade da cápsula após luxação do ombro, particularmente na porção macroscopicamente afetada.

Ombro Congelado

O histórico familiar positivo de ombro congelado (OC) é descrito em 9,5 até 20% dos casos, 45 46 a prevalência calculada em estudo de gemelares é de 11,6% e a estimativa de herdabilidade de 42%. 47 O aspecto idiopático da lesão e estudos como o que relata o caso de irmãos monozigóticos com ombro congelado bilateral desenvolvido ao mesmo tempo 48 favorecem a teoria da propensão genética dos indivíduos acometidos. Além disso, outros dados que reforçam a provável influência genética de padrões complexos (interação gene-ambiente) do OC é a curiosa associação com a doença de Dupuytren (DD) que é uma doença complexa, multifatorial com forte componente genético conhecido. 49

Existe grande semelhança histológica entre os processos fibroproliferativos das duas doenças, 50 e foi relatada a associação entre condições fibróticas (ombro congelado e doença de Dupuytren), rigidez articular e artroplastias totais. Condições fibróticas apresentaram herdabilidade de 28%. Esses achados são sugestivos de uma influência genética em um processo comum de doença subjacente que afeta os tecidos conjuntivos. 51 Foi demonstrado o aumento da expressão de TGFB e TGFBR1 e diminuição dos níveis de MMP2 no tecido capsular de ombros acometidos. 52 Em acordo, Bunker et al. 53 também demonstraram diminuição da expressão de mRNA de MMP1 e MMP2 , semelhante à doença de Dupuytren.

Nosso grupo detectou na cápsula de oito pacientes operados de OC, em comparação com indivíduos controles, que essa hiperregulação de TGFBR1 se mostrou diretamente relacionada à duração dos sintomas de OC, sugerindo que a sinalização de TGFB deve estar envolvida no desenvolvimento da doença. Além disso, foi demonstrado aumento da expressão de mRNA de FN1 e de mRNA de TNC nos fragmentos de cápsula acometidos que pode estar envolvido no processo de inflamação e migração dos fibroblastos. 54 Lubis et al. 52 investigaram níveis séricos de MMPs, TIMPs e TGFβ1 em OC e indivíduos normais usando método de ensaio de imunoabsorção enzimática (ELISA, na sigla em inglês). Os níveis basais de MMP1 e MMP2 foram significativamente menores, enquanto os níveis TIMP1, TIMP2 e TGFβ1 foram significativamente maiores no grupo OC, achados semelhantes aos distúrbios fibroproliferativos na DD. 9 Essas deficiências na produção de MMP1 podem refletir uma capacidade alterada para a remodelação local do tecido. 55

Kabbabe et al. 56 utilizaram a técnica de reação em cadeia da polimerase (PCR, na sigla em inglês) quantitativa para mostrar níveis de expressão aumentados de MMP3 e seu papel como mediador fibrogênico no OC em comparação com grupo controle, achados que estão de acordo com Xu et al., 57 que concluíram que o aumento da expressão da variante de MMP3 rs650108 estava significativamente associada à susceptibilidade de OC em uma população Han chinesa.

Em 2017, Chen et al. 58 estudaram SNPs da IL-1β, MMP3, TGF-β1, e GDF5 em uma pequena população chinesa e encontraram que o genótipo CC do polimorfismo rs1143627 da IL-1β foi associado com menor risco de OC comparado ao genótipo TT ( p  = 0.022) e que a IL-1β sérica foi expressa em um nível significativamente mais alto quando comparado ao grupo controle ( p  < 0,001).

Além disso, nosso grupo analisou 18 polimorfismos em genes que codificam proteínas envolvidas na homeostase da matriz extracelular da cápsula e da via de sinalização de TGFβ1. Foram selecionados genes que codificam colágenos ( COL1A1, COL5A1), glicoproteínas ( FN1, TNC) genes envolvidos na sinalização do fator de crescimento transformador β1 e seu receptor ( TGFB1, TGFBR1), metaloproteinases ( MMP2, MMP3, MMP9, MMP13 ) e inibidor tecidual da MMP2 ( TIMP2 rs2277598 ). Enquanto nos homens foi apontada associação de polimorfismos de TGFB1 e TGFBR1 , nas mulheres as metaloproteinases MMP2 e MMP9 foram apontadas como fatores de risco para desenvolvimento de OC. Apenas a MMP13 esteve relacionada com ambos os sexos. 59 A MMP13, metaloproteinase do tipo colagenase, cliva o principal componente estrutural da cartilagem, o colágeno tipo II, efetuando, assim, a perda irreversível da arquitetura e função da Matriz extracelular (MEC). A expressão da colagenase MMP13 se mostrou significativamente elevada, na amostra de tecido de nódulos dos pacientes operados para a doença de Dupuytren, onde ocorre elevado turnover do colágeno; entretanto, elevados níveis de TIMP1 bloqueando a ação da MMP13, na quebra do colágeno, foi apontado como possível responsável pelo processo de contratura e fibrose nesses indivíduos. 60

Perspectivas

A era da genética individual tem crescido exponencialmente nos últimos anos. Junto ao crescente número de publicações, existe uma grande frustração devido a resultados conflitantes, à expectativa de aplicação clinica dos resultados e à falta de replicação dos achados, principalmente em razão do baixo poder estatístico e da alta taxa de falso-positivos. Além disso, as doenças são controladas pela somatória de expressão de vários genes, porém cada um deles com efeito pequeno. Ainda se faz necessário catalogar diferentes polimorfismos relacionados ao ombro, uma vez que o perfil genômico permitirá definir um banco de marcadores genéticos que poderão contribuir para a previsão do risco das doenças. Dessa forma, o conhecimento das bases moleculares poderá ajudar no desenvolvimento de melhores ferramentas de prevenção, diagnóstico e tratamento.

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