Основи біології кісток та скелетного гомеостазу

Вступ до біології кісток

Кістка є динамічною мінералізованою сполукою, що має зв’язкову тканину, яка виконує кілька функцій: механічна підтримка та рух, захист життєво важливих органів, гематопоезія (місцезнаходження кісткового мозку), гомеостаз кальцію та фосфатів, а також ендокринна регуляція (вироблення остеокальцину, що впливає на обмін речовин і когнітивні функції). Скелет становить приблизно 15% маси тіла і складається з 206 кісток у дорослого людини, які безперервно перетворюються протягом життя — приблизно 10% скелета дорослої людини замінюється щороку через взаємопов’язані цикли резорбції кістки (остеокласти) та формування кістки (остеобласти).

Гомеостаз кісток підтримується трьома основними типами клітин: остеобласти (клітини, що утворюють кістку, які походять з мезенхімних стовбурових клітин), остеокласти (мультинуклеарова клітина, що розчиняє кістки, яка походить з гематопоетичних моноцитарних попередників) та остеоцити (термічно диференційовані остеобласти, занурені в матрикс кістки, які служать механосенсорами та ендокринними клітинами). Баланс між активністю остеобластів і остеокластів визначає загальну масу кісток; дисбаланс призводить до остеопорозу (надмірна резорбція) або остеопетрозу (недостатня резорбція). Розуміння цього балансу на молекулярному рівні дозволило розробити кілька схваlených методів лікування, спрямованих на запобігання втраті кісток.

Біологія остеобластів

Остеобластна диференціація відбувається шляхом транскрипційного каскаду, що опосередкований фактором транскрипції Runx2 (CBFA1), який є ключовим для формування кісток — відсутність Runx2 у мишах повністю позбавляє їх кісток; SP7 (остеоксин) діє під контролем Runx2; ATF4 регулює синтез колагену типу I та його посттрансляційні модифікації. Сигнал Wnt/бета-катехіну є домінуючим шляхом, що сприяє диференціації остеобластів від адипоцитів. Мутації LRP5 викликають високу щільність кісток у людей (збільшення функції) або низьку щільність кісток/остеопорозу-псевдогліому (зниження функції), що підтверджує критичну роль шляху Wnt. Склеростин, що виробляється остеоцитами, інгібує сигнал Wnt, забезпечуючи зворотний зв’язок на підтримку формування кісток — мішень ромозозума (анти-склеростину).

Ремоделирование костей

Блок ремоделирования костей

Ремоделирование костей происходит в дискретных многоклеточных единицах (МКУ) костей, состоящих из временной анатомической структуры: остеокласты выкапывают каналы резорбции (Haversian canals в кортикальной кости, зоны резорбции в трабекулярной кости); реверсивные клетки переходят от резорбции к формированию; затем остеобласты заполняют полость новым остеоидом, который минерализуется в течение 3-6 месяцев. Остеоциты в существующей кости воспринимают механическую нагрузку, микроповреждения и гормональные сигналы — посылая парахрмовые сигналы через каналярные сети для направления ремоделирования в соответствующие участки. Сопряжение между резорбцией и последующим формированием медиируется TGF-бета, IGF-1 и EphrinB2-EphB4 сигналами, выделяемыми из костной матрицы во время резорбции.

Гормональная регуляция

Паратгормон (ПТГ) является основным регулятором гомеостаза кальция: при гипокальциемии секретируется ПТГ, действуя на почки (увеличивая реабсорбцию кальция, активируя витамин D), кишечник (абсорбцию кальция посредством витамина D) и кости (острый выброс кальция из костей — стимуляция резорбции). Интермиттирующий ПТГ (терипатариф) парадоксальным образом стимулирует образование костей — его анаболический эффект используется клинически при остеопорозе. Эстроген защищает кости, подавляя активность остеокластов (увеличивая OPG, уменьшая RANKL, индуцируя апоптоз остеокластов); снижение эстрогена, связанное с менопаузой, приводит к ускоренной потере трабекулярных костей. Кальцитонин (от тиреоидных C-клеток) подавляет остеокласты остро, но имеет ограниченную физиологическую роль в гомеостазе. FGF23 (от остеоцитов) регулирует гомеостаз фосфата, действуя на почки для снижения реабсорбции фосфатов и подавления активации витамина D.

Остеопороз та переломи

Остеопороз визначається низькою щільністю кісткової тканини (кількість T ≤ -2,5) та підвищеним ризиком переломів. Близько 200 мільйонів людей у світі мають остеопороз; переломи стегна викликають смертність протягом року від 20 до 25%. Первинний остеопороз (післяменопальний, пов'язаний з віком) відображає дефіцит естрогенів та старіння остеобластів. Вторинний остеопороз виникає внаслідок прийому глюкокортикоїдів, хвороби целіакії, ниркової недостатності та гіпогонадизму. Варіанти лікування: бісфосфонати (алендронат, золедерон – інгібірують фермент фарнесілпірофсфатсинтазу остеокластів, зменшуючи пренюляцію GTP-зв’язуючих білків, необхідних для функції остеокластів), деносумаб (анти-RANKL), селективні естрогенові рецепторні модулятори (SERM – ралоксіфен), теріпатаїд (анаболічний препарат), абалопаратейд (аналог партеногенетичного гормону людини) та ромозозумаб (анти-склеростин – як анаболічний, так і антикатаболічний).

Приклади та застосування

Приклад 1: Розробка ромозомумабу

Ромозомумаб – моноклоналний антитіло проти склеростину (продукту гену SOST), вироблене остеоцитами, інгібує Wnt/бета-катехінамі в остеобластах, пригнічуючи утворення кісток. Специфічні родини з природно нефункціональним SOST (склеростоз, вандехемеровська хвороба) мають значно підвищену щільність кісток без збільшення ризику переломів, що підтверджує склеростин як терапевтичну мішенню. Ромозомумаб був розроблений на основі цих генетичних даних людини. У постменопаузічній остеопорозі ромозомумаб збільшив щільність кісток сідничного відділу хребта на 13% за 12 місяців (на відміну від ~5-8% з бісфосфонатами) – найбільший приріст щільності кісток, досягнутий будь-яким затвердженим препаратом. 12-місячний курс ромозомумабу, що супроводжувався деносумабом, значно зменшив нові переломи порівняно з монотерапією аледронатом у клінічному дослідженні ARCH.

Приклад 2: Кісткова метастазування раку

Кістка є найпоширенішим місцем кісткової метастазування при раку грудей, простати, легень, нирок та щитовидної залози. Клітини пухлини в кістці створюють «патові цикли»: клітини раку грудей виділяють ПТНР, стимулюючи вироблення РНКЛ остеобластами, остеокласти розчиняють кістки, вивільняючи ІФГ та КФБ, які ще більше стимулюють ріст пухлинних клітин і вироблення ПТНР. Бісфосфонати (золедронова кислота) та деносумаб знижують скелет-пов’язані події (переломи, ураження спинного мозку, потреба в кістіоваріаційній терапії) при раку грудей, простати та інших видів з кістковими метастазами, орієнтуючись на остеокластий ланцюг «патової цикли». Розуміння молекулярної біології кісткової метастазування – остеотропні молекули адгезії клітин пухлини, фактори нішевого середовища кістки – ідентифікує нові терапевтичні мішені проти метастазування.

Приклад 3: Жирова адипозність кісткового мозку

Клітини MSC можуть диференціюватися або в остеобласти, або в адипоцити; з віком та при остеопорозі диференціація схиляється до адипоцитів, збільшуючи жирову масу в кістковому мозку (вимірюється за допомогою МРТ). PPAR-гамма – головний транскрипційний фактор адипогенезу; його активація пригнічує Runx2, сприяючи адипогенезу на шкоду остеобластогенезу. Агоністи PPAR-гамма (тизолідиндіони, що використовуються при діабеті 2 типу) збільшують жирову масу в кістковому мозку та зменшують щільність кісток – важливий побічний ефект. Розуміння лінії межування остеобластів-адипоцитів спрямоване на розробку селективних модуляторів, які підтримують лінійну диференціацію остеобластів без адипогенного зсуву, потенційно лікуючи одночасно як остеопороз, так і метаболічні ефекти старіння, пов’язані з кістковим мозком.

Приклад 4: Генетика щільності кісток

GWAS для щільності кісток виявив понад 500 генетичних локусів, багато з яких знаходяться в або біля генів, що регулюють сигналізацію Wnt, шлях ОПГ/РНКЛ, TGF-бета або функцію остеоцитів. Варіанти ЛРП5 (корецептор Wnt), ЕN1 (транскрипційний фактор), WNT16 (поверхнева кістка), TNFRSF11B (ОПГ) та РНКЛ є серед найсильніших асоціацій. Полігенні оцінки ризику, отримані з варіантів GWAS, прогнозують ризик переломів за межами клінічної оцінки FRAX, використовуючи клінічні фактори ризику. Рідкі мізогенні генетичні хвороби кісток (FBN1 при синдромі Марфана, COL1A1/2 при остеогенезі імуперфекті, NOTCH2 при остеопозі-пеглігі) ідентифікують ключові регуляторні шляхи кістки, валідовані за допомогою генетики людини. Кожен мізогенний ген щільності кісток потенційно є терапевтичною мішенню.

Приклад 5: Кісткові морфогени

BMP (кісткові морфогенні белки, з родини TGF-бета) були названі на основі їх здатності викликати екзогенез кісток. BMP сигналізують через комплекс рецепторів BMPR1A/1B-BMPR2, активуючи шляхи Smad1/5/8 та MAPK. Рекомбінантний BMP-2 (rhBMP-2, діботермін альфа) та BMP-7 покращують загоєння переломів і сіднювання хребців, але мають ризики, включаючи екзогенез кісток, остеоліз біля імпланту та можливі проблеми з раком при високих дозах. Інші інгибітори BMP, такі як ніггін та склеростин, регулюють активність BMP in vivo. Фібродасліцясная прогресія (FOP) викликана конститутивно активною мутацією ACVR1 (тип I рецептор BMP), що призводить до епізодичного екзогенезу кісток, спровокованого травмою або запаленням – надзвичайно патологічна хвороба з підвищеним функціонуванням BMP скелетного типу.

Приклад 6: Механізми остеопорозу

Остеопороз — «хвороба мармовної кістки» — виникає внаслідок неспроможності остеокластів, що призводить до прогресивного збільшення щільності кісток, погіршення їх міцності та утворення кісткової тканини в місцях, де раніше була кістка, викликаючи анемію та ураження спинного мозку. Мутації CLCN7 порушують остеокластий ruffled border chloride/H+ антипорт, необхідний для кислотного секрету, який розчиняє мінеральну речовину кістки. TCIRG1 (остеокласт-специфічний суб’єкт V-ATPase) мутації викликають найпоширенішу аутосомно-рецесивну остеопорозу – виліковується шляхом гемопоетичної трансплантації, оскільки остеокласти походять з гемопоэтической лінії. Автосомно-домінантна остеопороз II (ADO2, мутація CLCN7 з підвищеною активністю) викликає менш серйозну форму захворювання. Розуміння молекулярних генетичних механізмів остеопорозу валідувало ключові ролі CLCN7 та V-ATPase в кислотному секреті остеокластів, що дозволило спроектувати селективні інібітори остеокластів.

Приклад 7: Механічна стимуляція та утворення кісток

Закон Волфа — кістка адаптується до звичного механічного навантаження — відображає сенсорику остеоцитів. Остеоцити відчувають гідравлічний стрес за допомогою першого ключа і відростків, трансдукуючи навантаження через інтегрин-цитоскелетний зв’язок, вивільнення АТФ та пуринового сигналізування та шляхом сигналу Wnt. Низька щільність кісток при тривалому іммобілізації або в космічних польотах (до 1-2% на місяць) виникає через відсутність сигналів навантаження, що зменшує активність остеобластів; фізичні вправи, особливо силові та ударні вправи, сприяють утворенню кісток. Платформи з повного тіла вібрації досліджуються як механостимулюючі заміни для пацієнтів, які не можуть займатися фізичними вправами. Розуміння механо-остеобластного зв’язку на молекулярному рівні може дозволити фармакологічне відтворення механічної стимуляції для пацієнтів, які не можуть займатися фізичними вправами.

Приклад 8: Остеокальцин як гормон

Остеокальцин виробляється виключно остеобластами і довгий час вважався лише білком матриці кісток. Лабораторія Джерарда Карсенті виявила, що остеокальцин є кістковим гормоном з ендокринними діями: підкарбоксильований (активний) остеокальцин (виділяється при розчиненні кісток остеокластами) сприяє секреції інсуліну, підвищує чутливість до інсуліну та витрату енергії за допомогою зв’язування з рецептором GPRC6A на бета-клітинах підшлункової залози та м'язами; він покращує чоловічу фертильність через вироблення тестостерону; і він перетинає кровоносну бар’єр, покращуючи пам’ять та фізичну активність. Циркулююча концентрація остеокальцину зменшується з віком (інфузія остеокальцину зворотньо вплинула на вікові когнітивні дефіцити у мишей). Ці відкриття розширили роль кісток не лише як пасивного структурного елемента, а й як ендокринної органа, яка координує метаболізм, фертильність та функцію мозку.

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері — відкрийте розділ «Ремоділювання кісток: Баланс остеобластів та остеоцитів» і змінюйте параметри, поки модель запущена. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, вся модель живе в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Bone Remodeling: Osteoblast/Osteoclast Balance і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.