Acciones paracrinas y endocrinas de las proteínas óseas

El esqueleto es uno de los sistemas más grandes del cuerpo humano (aproximadamente 15% del peso corporal total). Tradicionalmente, considerado como un órgano estructural, el esqueleto proporciona soporte mecánico para la estatura y la locomoción, además de brindar protección a los órganos vitales. Para facilitar estas funciones y para mantener la integridad del esqueleto, constantemente ocurre la remodelación de la arquitectura y la composición de los huesos. El remodelado óseo involucra dos procesos distintos: la remoción del hueso viejo o dañado por los osteoclastos y su reemplazo por hueso nuevo por los osteoblastos. Los osteoblastos se originan a partir de “stem cell” mesenquimales (MSC), comprenden 5% de todas las células óseas y son responsables de la síntesis de colágeno tipo I y la formación de la matriz mineralizada para facilitar la formación de hueso. Los osteoblastos dan origen a los osteocitos, las células óseas más abundantes (90% del total de células óseas),  embebidos en la matriz ósea. Los osteocitos regulan la composición del hueso a través de la transducción de estímulos mecánicos  en señales bioquímicas. Los osteoclastos se originan a partir de stem cells hematopoyéticas (HSC) y pueden expresar ATPasas vacuolares en el borde fruncido de la membrana en la superficie del hueso, donde bombean protones en la laguna de resorción para disolver la hidroxiapatita. El bajo pH en la laguna de resorción, inducido por las bombas de protones, activa metaloproteinasas de la matriz (MMP) y cisteína proteinasas para degradar el colágeno de la matriz ósea. Adicionalmente, los vasos sanguíneos en el hueso pueden influir en la formación de hueso  y proporcionar un nicho para las HSC que residen en la médula ósea.

   En el microambiente óseo, osteoblastos, osteocitos y osteoclastos sintetizan y secretan moléculas de señalización, incluyendo factores de crecimiento, citoquinas y quimioquinas para mantener el remodelado y la arquitectura del esqueleto.  Las moléculas secretadas por osteoblastos y osteocitos que afectan la osteoclastogénesis  incluyen al factor estimulante de colonias  de monocitos/macrófagos (M-CSF), el ligando del receptor de activación de NF-κB (RANKL), factores anti-osteoclastogénesis como osteoprotegerina (OPG), un receptor señuelo de RANKL,  semaforina 3A (SEMA3A), Wnt5A y Wnt16A. Los osteocitos secretan esclerostina (SOST) que inhibe la diferenciación de osteoblastos y la formación de hueso de una manera paracrina. Los factores derivados de los osteoclastos, incluyendo a la proteína morfogenética del hueso 6 (BMP6), colágeno triple hélice 1 (CTHRC1), efrina B2 (EFNB2), esfingosina 1-fosfato (S1P), Wnt10B, semaforina 4D (SEMA4D) y cardiotrofina-1 (CT-1), afectan la diferenciación y función de osteoblastos y osteocitos.

   Las acciones paracrinas de los factores secretados por osteoblastos, osteocitos y osteoclastos permiten el balance de la formación de hueso con la resorción ósea, procesos que también están acoplados con la angiogénesis. El factor de crecimiento endotelial vascular A  (VEGFA), derivado de pre-osteoblastos y condrocitos, es un factor pro-angiogénesis  que promueve la proliferación, supervivencia y migración de células endoteliales (CE), una población de células que expresan el receptor de VEGF 2 (VEGFR2). El factor de crecimiento derivado de plaquetas BB (PDGFBB), factor pro-angiogénesis secretado por pre-osteoclastos, puede inducir la formación de vasos tipo H y estimular la formación de hueso. Estos factores paracrinos producidos por las células óseas son liberados en el ambiente extracelular y actúan sobre células cercanas para mantener  la homeostasis ósea.

   El esqueleto, además de su rol estructural, es reconocido como un órgano endocrino para la modulación hormonal de la homeostasis energética.  Los factores derivados del hueso constituyen un importante sistema endocrino que está finamente organizado con otros órganos para asegurar el balance homeostático y la salud. En este contexto, el factor de crecimiento fibroblástico 23 (FGF23) es secretado principalmente por ostoblastos y osteocitos y juega un rol importante en la modulación de la homeostasis de fosfato  a través de la inhibición de la reabsorción de fosfato y la producción de 1,25 dihidroxivitamina D3 [1,25(OH)₂D₃] en el riñón, y la supresión de la síntesis de hormona paratiroidea (PTH) en las glándulas paratiroides, lo cual reduce los niveles circulantes de fosfato. El FGF23 suprime la producción de 1,25(OH)₂D₃ a través de la inhibición de la 1α-hidroxilasa y regula la reabsorción de fosfato a través de la unión con un complejo formado por el FGFR1 y el co-receptor kloto, el cual es esencial para la función endógena del FGF23. La proteína kloto aumenta significativamente la capacidad del FGF23 para inducir la fosforilación de sustratos del FGFGR1 y la activación de la señal FGF. El FGF23 también suprime la síntesis y secreción de PTH de una manera dependiente de kloto. Sin embargo, el FGF23 actúa sinérgicamente  con la PTH para aumentar la excreción renal de fosfato reduciendo la reabsorción de sodio-fosfato en el túbulo proximal. La síntesis y secreción de FGF23 por los osteocitos son reguladas positivamente  por la 1,25(OH)₂D₃ y el fósforo circulante. A su vez, el FGF23 inhibe la síntesis de 1,25(OH)₂D₃ y regula negativamente la secreción de PTH por las glándulas  paratiroides. La secreción de 1,25(OH)₂D₃ es regulada al alza por la PTH y a la baja por el incremento en los niveles circulantes de fosfato y FGF23. La 1,25(OH)₂D₃ actúa a través de dímeros VDR/RXR para estimular la síntesis y secreción de FGF23 por los osteocitos. La PTH, a través de la unión con su receptor PTHR, incrementa la actividad de los osteoblastos, inhibe la reabsorción renal de fosfato y estimula la síntesis de 1,25(OH)₂D₃.

   La osteocalcina (OCN), también conocida como BGLAP, es la más abundante proteína no colágena derivada de los osteoblastos. La OCN  regula los procesos biológicos de múltiples órganos incluyendo hueso, tejido adiposo, hígado, músculo esquelético, páncreas, testículo y cerebro. La OCN es sintetizada como una pro-hormona (proOCN) previamente a su clivaje por una convertasa intracelular llamada furina en los osteoblastos. Antes de la secreción, la OCN es C-carboxilada en sus residuos glutamato en el retículo endoplásmico por la c-glutamil carboxilasa con vitamina k como co-factor. Estas modificaciones post-translacionales incrementan la afinidad de la OCN por Ca²⁺ y cristales de hidroxiapatita, el principal componente mineral de la matriz extracelular (MEC) ósea, lo que facilita el atrapamiento de la mayoría de la osteocalcina c-carboxilada (GlaOCN) secretada en la MEC. El ambiente ácido generado por los osteoclastos durante el proceso de resorción ósea promueve la descarboxilación de la GlaOCN para formar osteocalcina pobremente carboxilada (GluOCN) disminuyendo su afinidad por la matriz ósea y por lo tanto promover su liberación en la circulación. El pH ácido (4,5) es el único mecanismo conocido que activa la descarboxilación de proteínas. Aunque tanto la GlaOCN como la GluOCN son detectables en la circulación, solamente la GluOCN funciona como hormona en la regulación del metabolismo energético. En el tejido adiposo, la OCN regula al alza la expresión de adiponectina, una hormona que mejora la captación de glucosa y la sensibilidad a la insulina y suprime la secreción de citoquinas pro-inflamatorias. Sin embargo, la OCN apoya la función muscular durante el ejercicio en parte a través de la liberación de IL-6 y aumenta la captación de glucosa y ácidos grasos en las miofibrillas. El incremento en los niveles de IL-6 promueve la producción de OCN bioactiva  a través de la regulación de la expresión de RANKL en los osteoblastos. Los efectos de la OCN sobre la obesidad y la resistencia a la insulina resultan en parte de su capacidad para promover la sensibilidad a la insulina en hígado y tejido adiposo, el gasto de energía en músculo esquelético y la producción de insulina en el páncreas. Por otra parte, la OCN derivada de los osteoblastos promueve la síntesis de testosterona en las células de Leydig del testículo. Adicionalmente, la OCN tiene una significativa influencia en la síntesis de neurotransmisores, el desarrollo del hipocampo y las funciones cognitivas en el cerebro. El mediador de la actividad de la GluOCN en la mayoría de tejidos es un receptor acoplado a proteína G (GPRC6A), generalmente descrito como receptor sensor de cationes y aminoácidos. El receptor de OCN en cerebro, hígado y tejido adiposo aún no ha sido identificado.

   La lipocalina-2 (LCN2), también conocida como lipocalina asociada a la gelatinasa de neutrófilos (NGAL), es una proteína  pequeña derivada de los osteoblastos que inhibe la ingesta de alimentos uniéndose al receptor melanocortina 4 (MC4R) en el hipotálamo y también regula la tolerancia a la glucosa, la sensibilidad a la insulina y la secreción de insulina para mantener la homeostasis de la glucosa. La LCN2 actúa directamente sobre la proliferación de células β y la secreción de insulina en el páncreas. La LCN2 cruza la barrera hemato-encefálica y activa directamente la señal AMPc en el hipotálamo. En el hipotálamo, la LCN2 se une a neuronas de los núcleos paraventricular y ventromedial que expresan MC4R para activar la señal anorexigénica. Los estudios sobre la LCN identifican un novedoso modo de regulación endocrina de la homeostasis energética por el hueso, lo cual ocurre a través del control del apetito.

   El M-CSF, definido originalmente como un factor de crecimiento de células hematopoyéticas que promueve macrófagos a partir de progenitores de la médula ósea para formar colonias, es producido constitutivamente por una variedad de células incluyendo macrófagos, CE, fibroblastos, osteoblastos, etc. El M-CSF no solo es indispensable para la proliferación y diferenciación de los progenitores de osteoclastos sino que también es requerido para la supervivencia y motilidad de los osteoclastos.  Los osteoblastos y las células del estroma de la médula ósea son las principales fuentes de M-CSF, tanto de la forma soluble como de la forma unida a la membrana, en el microambiente óseo. Entonces, el M-CSF derivado de osteoblastos es crítico para la formación de osteoclastos.

   El RANKL, también conocido como TNFSF11, TRANCE, OPGL y ODF, es  expresado en hueso, tejido linfoide, células del estroma y linfocitos T activados. El RANKL inicialmente fue identificado como una citoquina producida por las células  T con un rol esencial en la regulación de la respuesta inmune dependiente de células T y de la interacción entre células T y células dendríticas. Los estudios recientes demuestran que el RANKL es indispensable para la formación, fusión,  activación y supervivencia de los osteoclastos uniéndose al receptor activador del NFκB (RANK) en los osteoclastos y sus precursores. Los ratones con alteración del gen Opgl que codifica al RANKL exhiben severa osteopetrosis y carecen de osteoclastos. Por el contrario, los ratones con excesiva producción de RANKL exhiben un fenotipo osteoporótico.

   La OPG (también conocida como factor inhibidor de la osteoclastogénesis),  es un miembro de la familia  del receptor de TNF y una glucoproteína sintetizada por varias clases de células incluyendo osteoblastos, linfocitos B y condrocitos articulares. La OPG inhibe la diferenciación de osteoclastos a partir de sus precursores y actúa como un receptor señuelo soluble de RANKL y su principal función es antagonizar los efectos del RANKL e interrumpir la  interacción entre osteoblastos y osteoclastos.

   La SEMA3A también conocida como C-collapsina-1,  es la primera semaforina vertebral identificada y caracterizada originalmente como un quimiorepelente axonal difusible que previene el crecimiento y las ramificaciones de axones en áreas inapropiadas. La SEMA3 ha sido extensamente estudiada en el sistema nervioso y ahora también es conocido que interviene en el remodelado óseo. Adicionalmente, la SEMA3 regula la diferenciación de osteoclastos a través de la unión a neuropilina 1 (NRP1).

   La señal Wnt juega un rol crucial en la regulación de la homeostasis ósea. Los ligandos Wnt intervienen en eventos críticos para la actividad de las células óseas y al  unirse a receptores de Wnt inducen diferentes cascadas de señalización. El Wnt5 secretado por los osteoblastos aumenta la osteoclastogénesis a través del receptor orfan similar a tirosina quinasa 2 (Ror2) que es expresado por los precursores de osteoclastos. La señal Wnt5-Ror2 estimula la expresión de RANK en los precursores de osteoclastos mediante la promoción de  la fosforilación de JNK y el  reclutamiento de c-Jun hacia el promotor del gen Rank, aumentando de esta manera la osteoclastogenesis inducida por RANKL. Por el contrario, el Wnt16 derivado de osteoblastos inhibe la formación de osteoclastos interfiriendo directamente con la diferenciación de osteoclastos vía señal RANK e indirectamente incrementando la expresión de OPG en los osteoblastos.

   La SOST es altamente expresada en los osteocitos e inhibe significativamente la actividad de los osteoblastos y la formación de hueso. La SOST inhibe la diferenciación de osteoblastos a través del antagonismo con la ruta Wnt canónica. El ligando Wnt se une a su complejo receptor de membrana, el cual comprende la proteína frizzled y la proteína relacionada con el receptor de lipoproteína de baja densidad 5/6 (LRP5/6) para activar la señal canónica dependiente de β-catenina. La SOST se une al dominio extracelular de LRP5/6 de los osteoblastos y altera la activación inducida por Wnt de genes relacionados con la formación de hueso.  Los osteocitos también expresan Dikkopf-1 (DKK1), otro antagonista de LRP5/6, pero no tan selectivo como la SOST, La SOST también estimula la osteoclastogénesis de una manera dependiente de RANKL e induce la liberación de mineral óseo a través de la mediación de la acidificación de la matriz extracelular mediante la regulación al alza la expresión de anhidrasa carbónica 2 (CA2), catepsina K (CTSK) y fosfatasa ácida resistente a tartrato (TRAP) en los osteoclastos.

   El VEGFA juega un rol mayor en la angiogénesis y es secretado por condrocitos hipertróficos y pre-osteoblastos en el hueso. En los osteoblastos, la sobre expresión de VEGFA puede aumentar la angiogénesis ósea y la osteogénesis a través de la activación de la señal Wnt/β-catenina. El VEGFA puede unirse al VEGFR2 en las CE y estimular la proliferación y migración de CE. Hay varios reguladores de la angiogénesis que funcionan a través del VEGFA. Por ejemplo, el factor inducible por hipoxia 1α (HIF1α) puede regular la expresión de VEGFA en condrocitos hipertróficos y pre-osteoblastos y por consiguiente promover la angiogénesis ósea. La remodelación de la MEC mediada por MMP es esencial para la angiogénesis y la osteogénesis. La MMP9 juega un rol importante en la liberación de VEGF en la MEC.

   Las BMP juegan roles importantes en la promoción del reclutamiento, la proliferación y la diferenciación de osteoblastos en los sitios de resorción ósea. Las BMP 2,4, 6 y 7 son expresadas en osteoclastos. La BMP6 recluta osteoprogenitores a los sitios de remodelación ósea y estimula la formación de hueso.

   La CTHRC1, originalmente aislada de arterias dañadas, es altamente expresada en osteoclastos activos como un regulador positivo de la formación de hueso por los osteoblastos. Las investigaciones recientes demuestran que  la CTHRC1es un factor de acoplamiento secretado por los osteoclastos que regula el remodelado óseo.

   La EFNB2, codificada por un gen blanco del factor nuclear de células T citoplasmáticas activadas 1 (NAFTc1), es expresada en osteoclastos, mientras su receptor EphB4 es expresado en osteoblastos. La señal EFNB2-EphB4 está relacionada con la supresión de la diferenciación de osteoclastos y la estimulación de la formación de hueso, lo cual puede regular la transición de un patrón de resorción ósea a un patrón de formación de hueso.

   La S1P es una esfingosina fosforilada catalizada por la esfingosina quinasa 1 (SPHK1), una enzima expresada en osteoclastos. El incremento de la expresión de SPHK1 y de la producción y secreción de S1P ha sido observado en modelos de macrófagos derivados de la médula ósea sometidos a estimulación con RANKL. SPHK1 y S1P juegan roles importantes en la regulación de la osteoclastogénesis y en la comunicación entre osteoclastos y osteoblastos como factores de acoplamiento derivados de los osteoclastos.

   El Wnt10 ha sido identificado como un factor de acoplamiento derivado de los osteoclastos a través del cual los osteoclastos reclutan progenitores de osteoblastos al sitio del remodelado óseo. El hecho que el TGFβ1 incremente la producción de Wnt10, pero no la de BPM6 y S1P, en los osteoclastos para promover la mineralización de células osteoblásticas  sugiere que el Wnt10 contribuye a aumentar el acoplamiento entre osteoclastos y osteoblastos.

   La SEMA4D, una molécula perteneciente a la familia semaforina, es expresada exclusivamente por los osteoclastos. La SEMA4D inhibe la formación de hueso modulando la motilidad de osteoblastos y suprimiendo la señal del factor de crecimiento similar a insulina 1   (IGF-1)  a través de la unión a su receptor plexin-B1en los osteoblastos y la activación de la GTPasa RhoA.

   La CT-1 es un miembro de la familia de la interleuquina 6 (IL-6) y actúa a través de los receptores GP130 y LIF (LIFR). La CT-1 es expresada por los osteoclastos y es esencial para la resorción ósea normal. La CT-1 secretada por los osteoclastos tiene un rol paracrino y como factor de acoplamiento actúa sobre osteocitos, osteoblastos y sus precursores para estimular la formación de hueso durante el remodelado óseo. La CT-1 incrementa la expresión de C/EBP, la cual actúa sinérgicamente con Runx2 para activar la transcripción de OCN.

   El factor de crecimiento derivado de plaquetas BB (PDGF-BB) induce la migración de CE progenitoras y por consiguiente la angiogénesis. Más aún, el PDGF-BB secretado por los osteoclastos estimula la migración y diferenciación de MSC. El PDGF-BB también puede inducir  la formación de capilares tipo H acoplando la osteogénesis durante el modelado y el remodelado óseos. En el hueso, hay dos subtipos de capilares según la expresión del marcador y las características funcionales: H y L. Los capilares tipo H expresan altos niveles de endomucina (EMCN) y CD31 y están localizados en la metafísis y el endosteum rodeados por células osteoprogenitoras. Los capilares tipo L están presentes principalmente en la región medular con bajos niveles de EMCN y CD31. Los capilares tipo H pueden acoplar la angiogénesis con la osteogénesis durante el desarrollo óseo.

   En conclusión, las proteínas secretadas por las células óseas ejercen regulación sobre la osteoblastogénesis, la osteoclastogénesis y la angiogénesis de una manera paracrina. Los osteoblastos secretan diferentes moléculas incluyendo RANKL/OPG, M-CSF, SEMA3A, Wnt5A y Wnt16 que regulan la osteoclastogénesis. Los osteoblastos también producen VEGFA que estimula la osteoblastogénesis y la angiogénesis. Los osteocitos producen SOST que inhibe la diferenciación de osteoblastos y promueve la diferenciación de osteoclastos. Los osteoclastos secretan factores que incluyen BMP6, CTHRC1, EFNB2, S1P, Wnt10B, SEMA4D y CT-1 que actúan sobre osteoblastos y osteocitos y, por tanto, influyen en la osteogénesis. Los precursores de osteoclastos producen el factor angiogénico PDGF-BB que promueve la formación de vasos tipo H, lo cual estimula la osteoblastogénesis. Al menos tres hormonas u “osteoquinas” de las células óseas tienen funciones endocrinas.  El FGF23 producido por osteoblastos y osteocitos y puede regular la homeostasis de fosfato. La OCN secretada por osteoblastos regula la glucosa sistémica, el metabolismo energético, la reproducción y la cognición. La LCN2 es secretada por osteoblastos y puede influir en el metabolismo energético suprimiendo el apetito.

Fuente: Han Y et al (2018). Paracrine and endocrine actions of bone- the functions of  secretory proteins from osteoblasts, osteocytes, and osteoclasts. Bone Research 6:16.