Osteocitos y metástasis óseas

El hueso es un tejido mineralizado altamente regulado para adaptarse a las diversas necesidades del huésped relativas a demanda física, hormonas, estado metabólico y estimulación ambiental. La remodelación ósea involucra tres tipos de células; osteoblastos (células formadoras de hueso) y osteoclastos (células que resorben hueso) que funcionan en el mantenimiento del balance estructural, y los osteocitos que funcionan en la remodelación ósea en respuesta a señales y estímulos  mecánicos y ambientales. El osteocito, el cual es el tipo de célula más abundante (~95%) en el hueso, es la célula primaria responsable de la remodelación y la homeostasis óseas. Embebidos dentro de la matriz mineral ósea, los osteocitos están conectados y son capaces de sentir y responder  coordinadamente a factores ambientales, como hormonas, estrés físico y carga mecánica. Estas propiedades permiten a los osteocitos modular el microambiente óseo para promover la liberación de factores que regulan la formación y resorción óseas de acuerdo con las demandas. Las enfermedades y el envejecimiento pueden alterar la homeostasis ósea, provocando defectos estructurales y alterar el macro- y el microambiente óseos. El hueso, como el hígado y el pulmón, es uno de los sitios más frecuentes de metástasis del cáncer. La metástasis ósea es una complicación de muchos tumores sólidos, principalmente mama, pulmón, próstata, tiroides, carcinoma renal, melanoma, tumores gastrointestinales y cáncer de cabeza y cuello. Los tumores que se originan en el hueso representan una pequeña fracción de los canceres diagnosticados. Con origen en células que se encuentran en tejido óseo de osteosarcomas, estos canceres son transformaciones del linaje osteoblástico y ocurren más a menudo en adolescentes. Otros canceres,  como el mieloma múltiple, provienen de la médula ósea, pero no del linaje mesenquimal. El mieloma múltiple representa aproximadamente 80% de las lesiones óseas y tumores que se originan en la médula ósea. Las metástasis óseas generalmente afectan la calidad de vida de los pacientes, causando complicaciones como dolor, compresión de la raíz de los nervios, fracturas vertebrales o periféricas, hipercalcemia e infiltración de la médula ósea que provoca citopenia.

   El tejido óseo proporciona un microambiente ideal para las células tumorales metastásicas. El endotelio de la médula ósea, los adipocitos y la respuesta inmune participan en la homeostasis ósea. Los huesos altamente vascularizados que contienen médula ósea roja y (por ejemplo, pelvis y huesos largos) son sitios comunes de metástasis (raramente huesos de la mano y el pie). Está demostrado que los tumores primarios de las regiones distales del cuerpo organizan y hacen rápidamente nichos pre-metástasis. Por ejemplo, las células mieloides pueden ser reclutadas de la médula ósea por exosomas derivados de tumor que liberan factores solubles, incluyendo  proteínas, enzimas y ácidos nucleicos, los cuales son capaces de llevar las células tumorales al nicho de metástasis. 

   Las células cancerosas metastaticas son atraídas y retenidas en la médula ósea a través de la señal de quimioquinas, las cuales son expresadas en las células del estroma de la médula ósea. La lisil oxidasa (LOX) juega un rol clave en la preparación del nicho metastático óseo. La LOX induce osteoclastogénesis independiente de RANKL, altera la homeostasis ósea y provoca la formación de lesiones óseas metastáticas. La LOX, secretada por células tumorales primarias, es responsable de catalizar  la interacción entre colágeno y elastina, lo cual incrementa la rigidez de la matriz ósea y el volumen total de la matriz extracelular (MEC). El incremento de la rigidez de la MEC facilita la activación de integrinas y aumenta la tensión del citoesqueleto generada por Rho, promoviendo la formación de adhesión focal y la motilidad celular.

   Las células de la inmunidad adaptativa también juegan un rol en el nicho metastático óseo. El ambiente tumoral primario promueve la diferenciación de células T ayudadores (CD4+) y células Th17 específicas de tumor que expresan RANKL, el cual estimula la activación de los osteoclastos, induce lesiones óseas osteolíticas y promueve la colonización de cáncer de mama en el hueso.

   El crecimiento metastático en el hueso ha sido descrito como un “círculo vicioso”. En un intrincado proceso dentro del hueso, las células tumorales secretan factores osteoclastogénicos (por ejemplo, IL-1, IL-6, IL-11, PDGF, MIP1α, TNF, M-CFS, RANKL y PTHrP) que ayudan a estimular el reclutamiento y actividad de los osteoclastos, factores claves en la formación de lesiones osteolíticas. Este proceso altera la homeostasis ósea e induce la liberación a partir de la matriz mineral ósea de factores de crecimiento, incluyendo activina, factor de crecimiento transformante-β  (TGFβ), factor de crecimiento fibroblástico (FGF) y factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF). A su vez, estos factores liberados promueven el crecimiento de las células tumorales e incrementan la resorción ósea. Esta asa de retroalimentación incrementa la incidencia de lesiones metastáticas en el hueso y eventualmente causan otros daños relacionados como fracturas óseas y altos niveles sanguíneos de calcio (hipercalcemia). Los factores claves en la diferenciación de osteoclastos incluyen nucleótidos de adenosina, ligando activador del receptor  del factor nuclear κB (RANKL), factor estimulante de colonias de macrófagos (M-CSF) y otras moléculas, las cuales son generadas principalmente por los osteoblastos cercanos, los osteocitos y la células inmunes. Los osteoclastos activados se adhieren a la superficie ósea formando un anillo que cubre un espacio en el cual son liberadas enzimas desmineralizantes y proteasas. Estas actividades eventualmente son usadas por las células derivadas del tumor para crear un nicho óseo para osteoclastogénesis y resorción ósea. Otros factores involucrados en la resorción ósea incluyen a IL-6, IL-11, péptido relacionado con hormona paratiroidea (PTHrP), molécula soluble de adhesión intercelular 1 (ICAM-1), moléculas Wnt, proteína estimulante de macrófagos (MSP) y adenosina extracelular. 

   Los osteoclastos, aunque cruciales para la metástasis ósea y la creación del nicho metastático, no son las únicas células que participan en la metástasis ósea. Los osteoblastos, derivados de las células del estroma de la médula ósea, participan en la mineralización de la matriz, la cual proporciona la dureza del hueso, y secretan numerosos factores, incluyendo RANKL. Los preosteoblastos y los osteoblastos expresan osteoprotegerina (OPG), factor de crecimiento de hepatocitos (HGF) y secretan factor de crecimiento de tejido conectivo (CTGF) y TGFβ. Los osteoblastos también expresan IL-6, la cual incrementa la osteoclastogénesis y la  proliferación de células plasmáticas de mieloma múltiple. Las interacciones tumor-osteoblastos han sido demostradas en múltiples estudios. Por ejemplo, las células metastáticas circulantes de cáncer de próstata tienen afinidad por la superficie endosteal del hueso donde interactúan con los osteoblastos a través del complejo anexina2/receptor de anexina 2. Estas micrometástasis son formadas en regiones de formación de hueso nuevo donde se localizan los osteoblastos diferenciados y activos. Por otra parte, la interacción entre osteoblastos y cáncer  de mama requiere la formación de uniones adherentes para la proliferación de las células tumorales, apoyando la noción que factores producidos durante la osteogénesis promueven la proliferación de células cancerosas. 

   La homeostasis ósea es afectada directa o indirectamente por muchas condiciones patológicas, incluyendo diabetes, enfermedades gastrointestinales, estrés físico, etc. Un ejemplo es el incremento en el riesgo de cáncer y crecimiento tumoral bajo condiciones inflamatorias o la propensión de las células metastáticas a ubicarse en sitios de fracturas. Correlaciones similares han sido asociadas con procedimientos quirúrgicos, los cuales intrínsecamente inducen trauma, inflamación y un incremento en el número de células de la inmunidad innata necesarias para la reparación tisular. Estas respuestas promueven las condiciones que conducen al crecimiento de metástasis en sitios no quirúrgicos. 

   El hueso, como otros órganos, cambia con la edad, lo cual incluye la acumulación de células senescentes, incluyendo osteoblastos. Adicionalmente, la acumulación de células dañadas o genéticamente alteradas por toxinas ambientales y productos de la respiración celular, puede resultar en un ambiente adecuado para el crecimiento tumoral y las metástasis. Los osteoblastos senescentes pueden promover la osteoclastogénesis, lo cual provoca un incremento en el crecimiento metastático del cáncer en el hueso. Una posible razón subyacente es que las células cancerosas pueden alojarse en el hueso  gracias a la contribución  de las  células  senescentes acumuladas con el tiempo. 

   El hueso impacta a las metástasis de varias maneras insospechadas y algunas veces complejas. La carga mecánica inhibe el crecimiento secundario y la capacidad osteolítica de las metástasis tumorales modulando las actividades osteoblástica/osteoclástica y la comunicación entre los osteocitos y las células tumorales. La liberación por los osteocitos de osteopontina (OPN), una fosfoproteína  con alta avidez por la matriz mineral ósea, induce activadores del proceso de transición de epitelio a mesénquima (EMT). Los bajos niveles de carga inducen la expresión y secreción de OPN. El incremento de OPN a su vez inhibe la expresión de TGF-β en los osteocitos, aumenta la adhesión de células tumorales y posiblemente inhibe la migración de las células tumorales al mantener las células tumorales en el sitio primario. Este microambiente óseo favorece la transición de mesénquima a epitelio (MET) reduciendo la agresividad del tumor.

   La red de lagunas y canalículos del hueso permite a los osteocitos comunicarse directamente uno con otro y también responder a las señales locales y distantes, incluyendo señales mecánicas (estrés óseo) o biológicas (paracrina o endocrinas). Los osteocitos controlan la remodelación ósea a través de la regulación de las células formadoras de hueso (osteoblastos) y las células que resorben hueso (osteoclastos). Durante la desmineralización ósea, los osteocitos disminuyen la diferenciación y función de los osteoblastos a través de factores secretados, incluyendo a la esclerostina, antagonista de la señal Wnt, y Dickkopf-1 (DKK1), inhibidor de la señal Wnt. Los osteocitos son los principales productores de esclerostina en hueso, y esta proteína inhibe la asociación de ligandos Wnt con su receptor en osteocitos y osteoblastos. El RANKL, producido primariamente por los osteocitos, promueve la diferenciación de monocitos en osteoclastos. La apoptosis de osteocitos es un estímulo clave que dispara la resorción ósea. La disminución de la producción de hormonas sexuales que ocurre en el envejecimiento promueve la actividad de los osteoclastos, la apoptosis de osteocitos, aumenta el estrés oxidativo y disminuye la función de los osteoblastos. Adicionalmente, la reducción de la producción de hormonas sexuales resulta en fragilidad ósea y pérdida de hueso. Este ambiente destructivo en el hueso es aumentado por una disminución de la función inmune y un aumento en la formación de grasa, lo cual inclina el balance de las proteínas osteoclastogénicas críticas, RANKL y OPG, hacia la destrucción ósea. 

   Los estudios emergentes indican como los osteocitos podrían tener un impacto positivo sobre el crecimiento, la motilidad y la supervivencia del tumor. La interacción entre células de cáncer de próstata y osteocitos induce en los osteocitos la producción y liberación del factor derivado del crecimiento 15 (GDF15), el cual promueve la proliferación celular, la migración y la invasión  de células prostáticas en el hueso. Durante la progresión del mieloma múltiple, los osteocitos interactúan directamente con células de mieloma múltiple, lo cual estimula a los osteocitos para producir esclerostina y RANKL. Esto resulta en el reclutamiento de precursores de osteoclastos y una reducción de la señal Wnt, causando la inhibición de la diferenciación de osteoblastos. Concomitantemente, las interacciones célula-célula reducen la viabilidad de los osteocitos debido a la apoptosis disparada por la señal Notch y sostenida por el TGFα derivado de las células de mieloma múltiple. Más aún, la señal Notch incrementa la proliferación de células de mieloma múltiple incrementando el nivel de ARN de ciclina D1 y acelerando la proliferación celular. 

   El esqueleto es un órgano dinámico que responde al estrés físico promoviendo la remodelación ósea, la cual incluye la adición y remoción de hueso. Aunque varias células óseas están involucradas en la mecano-sensación, los osteocitos son reconocidos como las principales células mecano-sensores en el hueso. Los largos procesos dendríticos de los osteocitos forman uniones gap compuestas primariamente por conexinas. Estas redes de uniones gap se conectan no solo con los osteocitos cercanos, sino también con células de la superficie ósea, incluyendo osteoblastos y osteoclastos. Los osteocitos también forman hemicanales (la mitad de un canal de una unión gap) de conexina 43 (Cx43) que permiten la comunicación entre el ambiente interno de la célula y su ambiente extracelular. Los canales de uniones gap están involucrados en la regulación de la formación y resorción de hueso. Los hemicanales de los osteocitos, por su parte, juegan un rol predominante en la respuesta a la estimulación mecánica como resultado del movimiento físico, la gravedad y la circulación sanguínea. Esto es evidente por el impacto que tienen los hemicanales Cx43 sobre la expresión de OPG y RANKL y la viabilidad de los osteocitos, los cuales son esenciales para la integridad y longevidad del hueso.

   Como respuesta al daño tisular y el estrés celular, las células, incluyendo osteocitos, secretan/liberan ATP al espacio extracelular. La concentración intracelular de ATP es ~3-10 mM y el ATP extracelular (eATP) es ~10nM. La gran diferencia entre ATP intracelular y extracelular se debe a la degradación de ATP por ectonucleasas en el compartimento extracelular. La presencia de eATP inhibe el crecimiento de células cancerosas de páncreas, colon, próstata, mama, hígado, ovario, colon, esófago, melanoma y leucemia. La acción anticancerosa del eATP es mediada por receptores purinérgicos P2. El eATP es rápidamente degradado a adenosina, un conocido factor tumorigénico. Adicionalmente, el  eATP o agonistas del receptor P2 disminuyen la actividad de los osteoclastos y la  resorción ósea., reducen el número de linfocitos T reguladores (Treg) y prolongan la actividad de linfocitos T. Sin embargo, los metabolitos de ATP a través del receptor purinérgico P1 también median efectos tumorigénicos  en células de cáncer de mama y próstata. Esto sugiere que el balance ATP y/o metabolitos de ATP juega un rol clave en el microambiente tumoral. El microambiente de un tumor solido usualmente es hipóxico y/o inflamatorio y la concentración extracelular de nucleótidos (ATP/adenosina) es mayor en comparación con el tejido normal.  En este microambiente hipóxico/inflamatorio, la adenosina promueve la migración y quimiotaxis de células de cáncer de mama y melanoma, acompañado con un incremento en la actividad osteoclástica y la resorción ósea. Este microambiente también resulta en pobre supervivencia de células del sistema inmune y alta tolerancia linfocítica. 

   La ruta principal para los altos niveles extracelulares de adenosina es la hidrolisis del eATP por una familia de enzimas conocidas como ectonucleotidasas , como CD39 y CD73, que hidrolizan el ATP a ADP y AMP, del cual posteriormente se obtiene la adenosina. La adenosina generada activa al receptor de adenosina en las células cancerosas, provocando un incremento en la migración, proliferación y metástasis. La adenosina extracelular incrementa la actividad de los osteoclastos y también promueve la actividad Treg  e incrementa la tolerancia inmune.  Por tanto, la función del eATP sobre la tumorigénesis podría depender grandemente de la actividad de las ecto-ATPasas en el tejido. La adenosina y el ATP se unen a receptores purinérgicos específicos en la superficie celular, los cuales se dividen en receptores P1, con la adenosina como ligando principal, y receptores P, con ATP y ADP como los principales agonistas. Hay dos subtipos principales de receptores P2, siete P2X y ocho P2Y. La presencia de los subtipos de receptores P2Y juega un rol importante en la supervivencia bajo condiciones de estrés mecánico. El microambiente tumoral rico en ATP promueve o inhibe la migración celular y el crecimiento tumoral. El efecto inhibidor depende de la activación de receptores P2X7. El eATP activa al receptor P2X7 y reduce la proliferación, la migración  y el potencial metastático de las células cancerosas.  La activación del receptor A2A, por otra parte, resulta en un efecto estimulador de la migración celular y el crecimiento tumoral.

   En conclusión, el hueso es uno de los sitios más frecuentes de metástasis de tumores sólidos. El hueso proporciona a las células cancerosas un microambiente enriquecido con nutrientes, factores de crecimiento y hormonas. Dependiendo del tipo de cáncer, las células cancerosas pueden causar lesiones osteoblásticas (formadoras de hueso) u osteolíticas para promover la resorción ósea y/o liberación de factores de crecimiento a partir de la matriz ósea extracelular. Estos procesos activan un círculo vicioso provocando la disrupción de la integridad ósea y promoviendo el crecimiento y la migración de las  células cancerosas. La homeostasis ósea es mantenida primariamente por los osteocitos.  El osteocito es un jugador clave en la modulación del microambiente del cáncer óseo. Las células cancerosas metastáticas tienen el potencial para  transformar los osteocitos en células pro-tumorigénicas. Más aún, la sobre producción de inhibidores de la señal Wnt por los osteocitos contribuye a la supresión de la formación de hueso. Adicionalmente, las células cancerosas metastáticas colonizadas en el hueso reducen loa viabilidad de los osteocitos, lo cual resulta en una reducida capacidad celular para mantener la homeostasis ósea. Sin embargo, la capacidad de los osteocitos de formar hueso está relacionada con un microambiente anti-resortivo. Esta condición reduce la apoptosis de osteocitos, aumenta la actividad de los hemicanales Cx43, incrementa la fuerza del hueso y reduce el reclutamiento y actividad de los osteoclastos.

Fuente: Riquelme MA et al (2020). Osteocytes and bone metastasis. Frontiers in  Endocrinology 11:567844.