HDL y masa ósea

Los avances recientes en el campo  de las lipoproteínas sugieren un rol multifuncional de la lipoproteína de alta densidad (HDL) en la salud y la enfermedad. La HDL ha sido por décadas una lipoproteína que ha atraído la atención de la comunidad biomédica, principalmente por su importante rol en la ateroprotección. La correlación inversa entre los niveles de HDL colesterol (HDL-C) y el riego de desarrollar enfermedad cardiaca coronaria sugiere que los altos niveles plasmáticos de HDL-C protegen contra el desarrollo de ateroesclerosis. Como resultado, la mayoría de estudios se han ocupado de los niveles de HDL-C en patologías humanas. Sin embargo, datos recientes obtenidos en modelos animales y estudios clínicos indican que la funcionalidad de la HDL, determinada por su apoproteína  (APO) y el contenido de lípido, es más importante en la ateroprotección que los niveles de HDL-C solos. La HDL es un ensamble macromolecular de proteínas y lípidos sintetizados en la circulación como resultado de una acción concertada  de apoproténas, transportadores de lípidos y enzimas plasmáticas.  El principal lípido de la HDL madura es el colesterol esterificado. Otros lípidos como fosfolípidos, esfingolípidos y ceramidas también forman parte del lipidoma HDL. Los datos recientes indican que, además de la ateroesclerosis y la enfermedad cardiaca coronaria, la HDL puede jugar un rol importante en la patología y el tratamiento  de otras enfermedades incluyendo obesidad mórbida, hígado graso no alcohólico, diabetes mellitus tipo 2, enfermedad pulmonar obstructiva y enfermedades del sistema nervioso central. Adicionalmente, la HDL tiene un rol en la patogenia de enfermedades óseas degenerativas y metabólicas. La HDL disfuncional puede contribuir al incremento de la prevalencia de estas enfermedades e influir en los procesos metabólicos asociados con la síntesis y el catabolismo del hueso.

La HDL es una mezcla de partículas con densidades en el rango de 1,063-1,21 g/ml y, dependiendo de su composición de lípidos, estas partículas pueden asumir una geometría discoidal o esférica. Las partículas HDL maduras esféricas contienen aproximadamente 45-55% de APO, 26-32% de fosfolípidos, 15-20% de colesterol esterificado, 3-5% de colesterol libre y aproximadamente 5% de triglicéridos. El principal componente proteico de la HDL es la APO A1 (APOA1) que juega un rol clave en la biogénesis y las funciones de la HDL. Sin embargo, estudios en ratones indican que otras APO como APOE y APOCIII también son capaces  de promover la biogénesis de novo de HDL. La HDL que contiene APOA1 parece ser estructural y funcionalmente distinta  a la HDL que contiene APOE.

La biogénesis de la HDL que contiene APOA1 involucra a los  transportadores de lípidos “casette” ligador de ATP A1 (ABCA1) y G1 (ABCG1) y la enzima plasmática lecitina:colesterol acil transferasa (LCAT). En las etapas iniciales de la formación de HDL, la APOA1 libre de lípido, secretada aproximadamente 70% por el hígado y 30% por el intestino, interactúa funcionalmente con una forma dimérica del transportador de lípidos ABCA1 para adquirir fosfolípido y colesterol formando  una APOA1 mínimamente lipidada.  A través de una serie de etapas intermedias que involucra al ABCG1, la APOA1 mínimamente lipidada forma gradualmente partículas HDL discoidales, las cuales son convertidas en partículas esféricas por la LCAT. La APOA1 en las partículas HDL discoidales y esféricas  es capaz de interactuar con el receptor “scavenger” clase B tipo 1 (SRB1) presente en la superficie de las células para entregar esteres de colesterol a la célula. Los estudios en ratones sugieren que las interacciones de APOA1 con SRB1 son importantes para las funciones  ateroprotectoras de la HDL. Las etapas adicionales en el metabolismo de HDL involucran el procesamiento por la proteína plasmática colesteril ester transferasa, una enzima que media el intercambio de esteres de colesterol de HDL con triglicéridos de VLDL. Esta etapa contribuye a la reducción del tamaño de la partícula HDL, haciéndola un sustrato más apropiado para el SRB1, y al eventual catabolismo de colesteril esteres de HDL por el receptor de LDL a través de la captación mediada por receptor de LDL rica en colesteril ester. El procesamiento adicional de la HDL en la circulación involucra la hidrolisis de sus fosfolípidos y triglicéridos  por varias lipasas (lipoproteína lipasa, lipasa hepática y lipasa endotelial) y la transferencia  de fosfolípidos a partir de VLDL/LDL a HDL por proteínas que transfieren fosfolípidos.  

El hueso es una forma de tejido conectivo especializado con varias funciones especializadas incluyendo soporte mecánico para tejidos blandos, protección de órganos internos y soporte de la hematopoyesis. El mantenimiento de la masa ósea depende del balance entre la síntesis de hueso y la resorción ósea, dos tareas vitales que llevan a cabo los osteoblastos y los osteoclastos, respectivamente. La interacción bidireccional y continua entre osteoblastos y osteoclastos es coordinada en tiempo y espacio a través de un proceso que es fundamental para la homeostasis ósea llamado “remodelado óseo”. Este proceso está bajo el estricto control de señales autocrinas, paracrinas y endocrinas y es esencial para la adaptación del hueso a la carga mecánica y para la reparación después del daño. Los osteoblastos son células metabólicamente activa que poseen un núcleo grande, 2-4 nucleolos,  abundante retículo endoplásmico  y aparato de Golgi. Estas células son responsables de la producción de la matriz extracelular compuesta principalmente por colágeno tipo 1 y cantidades más pequeñas de proteínas especializadas. Los osteoblastos están bajo el control de señales autocrinas, paracrinas y endocrinas. En efecto, virtualmente todas las rutas de señales de transducción convergen en los osteoblastos. La “familia osteoblastos” también incluye las células del forro óseo y los osteocitos. Las primeras residen en la superficie del hueso, tienen forma de huso, metabólicamente y funcionalmente quiescentes  y separan la matriz ósea del espacio extracelular creando un tipo especial de epitelio. Esta separación es una característica esencial del hueso. Los osteocitos son componentes permanentes del hueso y las células más abundantes (90-95% del número total de células óseas)  del esqueleto humano. Atrapados en la matriz mineralizada, los osteocitos desarrollan una delicada red de procesos de membrana celular  para comunicarse unos con otros y con las células de la superficie ósea.  Estos procesos contienen conexina-43 y corren en pequeños canales, los canalículos, que permean la matriz extracelular.  La red de osteocitos es muy activa  y conforma una unidad endocrina con roles claves en el remodelado y la homeostasis ósea. Los oseocitos son las células más mecanosensibles del hueso. Los osteoclastos son células multinucleadas que derivan de precursores de monocitos, en claro contraste con los osteoblastos que son de origen mesenquimal. Los precursores de los osteoclastos son células mononucleadas que durante el proceso de diferenciación y bajo la influencia de factores específicos se fusionan formando células maduras multinucleadas. La principal función de los osteoclastos es la degradación de la matriz extracelular ósea. Para llevar a cabo esta función, los osteoclastos se adhieren a la superficie ósea a través de integrinas especializadas (principalmente α_vβ3). La H⁺-ATPasa secretora de ácido de la superficie apical facilita la resorción de mineral óseo por adición de ácido y solubilizando fosfato y calcio. La secreción de ácido  es apoyada por el intercambio cloro-protón y canales de cloruro. Los osteoclastos secretan varias proteinasas ácidas, incluyendo las catepsinas B y K y las metaloproteasas de matriz (MMP) 9 y 13 que degradan colágeno. La remoción de los componentes óseos es activada principalmente por translocación vacuolar. Los precursores de los osteoclastos también expresan el receptor RANK (receptor activator for nuclear factor κB) que regula la maduración de pre-osteoclastos mono y multinucleados a través de su unión con el ligando de RANK (RANKL). El RANKL es una proteína homotrimérica tipo II producida por osteoblastos y células estromales y es secretada  también por células T activadas. Los osteoblastos y las células estromales también producen y secretan osteoprotegerina (OPG), un receptor soluble señuelo de RANK. El incremento de la relación RANKL/OPG promueve la formación de osteoclastos y por consiguiente la resorción ósea. Hormonas hipofisiarias, esteroides sexuales, glucocorticoides, citoquinas específicas y factores de crecimiento están implicados en la regulación de la formación y degradación de hueso.

La reducción de la masa ósea que se observa en individuos obesos está relacionada con el hecho que la obesidad provoca una respuesta inflamatoria de bajo grado mediada primariamente por las citoquinas pro-inflamatorias factor de necrosis tumoral-α(TNFα) e interleuquinas 6 (IL-6)  y 1β (IL-1β) que afectan el equilibrio formación-resorción  y por consiguiente la masa ósea. Los linfocitos T activados pueden unirse directamente a los macrófagos y disparar la producción y secreción de las citoquinas antes mencionadas. En condiciones normales, la HDL inhibe la interacción linfocito T-macrófago y previene el inicio de la respuesta inflamatoria. La inflamación tiene un fuerte impacto sobre el remodelado óseo afectando diferencialmente la función de osteoblastos y osteoclastos y por lo tanto juega un rol central en el desarrollo de patologías metabólicas relacionadas con el hueso, como la osteoporosis. El efecto de la inflamación de bajo grado es muy pronunciado en los osteoclastos. Específicamente, los linfocitos T activados expresan RANKL  y por lo tanto tienen la capacidad para unirse -y activar- directamente a los precursores de osteoclastos a través del eje RANK-RANKL. Adicionalmente, las moléculas pro-inflamatorias secretadas por los adipocitos de la médula ósea pueden aumentar la diferenciación y activación  de osteoclastos de una manera independiente de RANK/RANKL. La inflamación también está asociada con la producción de la proteína quimioatrayente de monocitos 1 (MCP1), una citoquina pro-inflamatoria que también está implicada en la transcripción de genes específicos de osteoclastos, primariamente a través de la cascada de señalización JAK-STAT.

Los datos clínicos y los estudios moleculares han demostrado que las perturbaciones en las rutas del metabolismo de los lípidos están fuertemente relacionadas con la fisiopatología de la osteoartritis (OA). Un sofisticado análisis proteoma comparativo de condrocitos OA hipertrofiados  reveló que rutas que regulan el metabolismo de lípidos, síntesis de prostaglandinas, metabolismo de glutatión y metabolismo a través de citocromo p450, exhiben diferencias entre condrocitos normales y condrocitos OA hipertróficos. Más aún, el análisis de expresión de genes en condrocitos OA humanos encontró alteraciones en los niveles de expresión de los genes que regulan la entrada y salida de colesterol y el metabolismo de lípidos. También está documentado que la expresión de un grupo de genes que regulan la salida de colesterol, concretamente ABCA1, APOA1 y LXRα, es suprimida significativamente en los condrocitos derivados de OA en comparación con el cartílago normal. Las alteraciones en la biogénesis y maduración de HDL predisponen al desarrollo de OA en ratones después del tratamiento crónico con dieta tipo occidental. Los ratones APOA1^-/-, en claro contraste con los ratones LCAT^-/- no resultaron muy obesos, una observación que apoya la posibilidad que el metabolismo alterado de la HDL puede tener un efecto destructivo directo sobre el cartílago articular que, es independiente del peso corporal, y contribuye significativamente al desarrollo de OA.

Los datos recientes proponen que hay una asociación entre niveles de HDL y  masa ósea. Sin embargo, los resultados generados a partir de estudios epidemiológicos en humanos son contradictorios. Una considerable cantidad de estos estudios han demostrado que el incremento de HDL está asociado con una mejor calidad ósea y una reducción del riesgo de osteoporosis, otros estudios apoyan una relación negativa entre niveles de HDL y masa ósea. Varios estudios recientes han investigado la posible conexión entre HDL y metabolismo óseo. En esta dirección, se ha estudiado extensamente el rol del principal receptor de HDL,  SRB1 (scavenger receptor  class B, tipo 1), en la regulación de la masa ósea. El SRBI es el producto del gen Scarb 1 y une HDL con gran afinidad, facilitando el transporte de colesterol desde órganos periféricos al hígado, un proceso llamado transporte reverso de colesterol. Los ratones Scarb1 KO tienen elevado significativamente  el colesterol plasmático y el HDL colesterol, volumen óseo aumentado  y elevado número de osteoblastos. El SRB1 regula la captación de colesterol en las glándulas adrenales, por lo tanto los animales con deficiencia de SRB1 se caracterizan por niveles disminuidos de glucocorticoides y elevados niveles de hormona adrenocorticotrópica (ACTH). Dado que las altas concentraciones de ACTH son anabólicas para los osteoblastos, este mecanismo puede explicar la alta masa ósea de los ratones Scarb1 KO.

La APOE es una glucoproteína de 34,2 kDa producida por el hígado y otros órganos periféricos. Sus principales funciones son la ateroprotección y el mantenimiento de la homeostasis de lípidos plasmáticos a través de mediar la captación celular de remanentes de quilomicrones, VLDL y LDL y su aclaramiento de la circulación. La APOE también está implicada en la biosíntesis de novo  de HDL. APOE, PPARγ, ESR1 e IL-6 pertenecen a un grupo de genes que regulan HDL y densidad mineral ósea (BMD). Los ratones con deficiencia de APOE tienen alta masa grasa pero reducida masa ósea y adiposidad de la médula ósea. Este hallazgo permite concluir que la APOE posiblemente detiene la maduración de las stem cell mesenquimales de la médula ósea  en estadios tempranos y por lo tanto afecta los linajes lipoblástico y osteoblástico, a través de mecanismos aun no identificados. Recientemente, se ha demostrado que la APOE2 humana tiene un efecto más significativo sobre el recambio óseo que la APOE3 y la APOE4. El rol de APOE en la función  de los osteoclastos es pobremente entendido. Un reporte reciente sobre macrófagos derivados de la médula ósea demuestra que la APOE tiene un efecto inhibidor sobre los osteoclastos, el cual es mediado por cascadas de señalización relacionadas con c-FOS, NFATc1 y NF-κB. Sobre la base de estos hallazgos, la literatura actual indica que la APOE es un potente regulador de stem cell mesenquimales y por lo tanto afecta la masa ósea.

La APOA1 es una molécula clave en la regulación de la biogénesis de HDL. Además de su rol en la ateroprotección, la APOA1 también está implicada en el desarrollo de hígado graso no alcohólico y en la patogenia de la OA. A través de una serie de experimentos in vitro y experimentos moleculares sobre stem cells mesenquimales, osteoblastos y osteoclastos se demostró que factores relacionados con osteoblastos y los ejes de señalización RUNX2, osterix, COLLa1 y RANKL están significativamente alterados en ratones APOA1 KO.  Por el contrario, no son afectados los genes que regulan la diferenciación y función de osteoclastos concretamente TRAP (Acp5), catepsina K (Ctsk) y RANK (Tnfrsf11a). Estos hallazgos indican que la reducción de masa ósea en los ratones ApoA1 KO es atribuida primariamente a la supresión de la síntesis ósea osteoblástica y no al incremento de la degradación ósea osteoclástica. Asimismo, la adiposidad de la médula ósea tiene un rol esencial en la regulación de osteoblastos y osteoclastos, y por consiguiente, la masa ósea. El análisis histológico de ratones APA1 KO revela que la médula ósea  de estos animales tiene significativamente elevado el número de lipoblastos. Adicionalmente, las stem cells mesenquimales  exhiben un incremento en los niveles de  PPARγ y CEBPa, reguladores de lipoblastos. Sobre la base de estos datos, se propone que la APOA1 puede actuar como modulador de los “pooles” de stem cells mesenquimales.

En conclusión, la HDL está relacionada con la fisiología y patología óseas. Los estudios en ratones indican que la disfunción  de HDL puede afectar la masa ósea a través de diferentes rutas. Específicamente, la disminución de los niveles de HDL está asociada con el desarrollo de un microambiente inflamatorio que afecta la diferenciación y función  de los osteoblastos. Adicionalmente, la perturbación de HDL favorece la diferenciación adipoblástica y restringe la diferenciación osteoblástica  a través, entre otros, de la modificación  de quimioquinas y cascadas de señalización relacionadas con el hueso. El incremento en la adiposidad de la médula ósea también deteriora la función osteoblástica y por consiguiente la síntesis de hueso, lo cual  provoca la reducción de masa ósea.

Fuente: Papachristou NI et al (2017). High-density lipoprotein (HDL) metabolism and bone mass. Journal of Endocrinology 233: R395-R107.