Péptidos calcitonina y fisiología ósea

El aumento en el nivel sanguíneo  de calcio provoca la secreción de calcitonina por las células C de la glándula tiroides. Varias hormonas peptídicas muestran analogía estructural con la calcitonina y transducen señales a través de diversos receptores. Además de tener estructura similar con la calcitonina, algunos de estos péptidos tienen actividades biológicas similares, mientras otros muestran funciones diferentes. Los péptidos relacionados con el gen calcitonina y otros péptidos como amilina, adrenomedulina e intermedina son incluidos en la familia calcitonina. El nivel sanguíneo de calcio es mantenido en un rango estrecho de 8,5  mg/dl a 10,5 mg/dl por las acciones coordinadas del esqueleto, el intestino y los riñones. La regulación del nivel de calcio es necesaria porque juega un rol crítico en muchos procesos fisiológicos esenciales como coagulación sanguínea, contracción muscular y glucogenolisis. La calcitonina inhibe la resorción ósea y suprime la liberación de calcio por el hueso. La calcitonina humana (hCT) contiene 32 aminoácidos y un puente disulfuro cerca del amino terminal. La hCTes codificada por el gen CALCA (calcitonin-related polypeptide alpha) en el brazo corto del cromosoma 11. Las células C de la glándula tiroides son consideradas como el origen primario de la calcitonina circulante en el cuerpo humano. Sin embargo, otros órganos como el sistema nervioso central (SNC), los pulmones y el timo también producen calcitonina, aunque en pequeñas cantidades.

   El gen CALCA tiene dos mARN alternativos conocidos como (i) calcitonina  y (ii) péptido relacionado con el gen calcitonina (CGRP). El procesamiento del gen CALCA involucra especificidad de tejido en condiciones fisiológicas normales. El proceso de “splicing” ocurre en el tejido neuronal resultando en la generación de mARN que codifica al neuropéptido CGRP. Sin embargo, el mARN presente en las células C de la glándula tiroides puede ser transcripto a partir del gen calcitonina, el cual también es un precursor del péptido calcitonina. Humanos y roedores también poseen otro gen diferente conocido por codificar CGRP, llamado β-CGRP (calcitonin gene-related peptide beta). El β-CGRP es considerado como el transcripto maduro del gen CALCB. Un precursor de calcitonina de 116 aminoácidos, procalcitonina, es un constituyente adicional del gen CALCA. El proceso fisiológico normal comienza  bajo condiciones específicas, las cuales involucran la expresión del mARN de CALCA y convertirlo en una forma que codifique a la procalcitonina. Este proceso está restringido principalmente a las células C de la glándula tiroides donde el clivaje del precursor produce la calcitonina madura. En estas condiciones, el nivel de procalcitonina disminuye en el cuerpo.  Los niveles circulantes de procalcitonina incrementan rápidamente durante la infección bacteriana y clínicamente es usada como biomarcador.

   La amilina (o polipéptido amiloide del islote, IAPP) es un péptido de 37 aminoácidos con estructura idéntica a la de CGRP. En los pacientes con diabetes tipo 2 (DT2), la amilina puede formar agregados que resultan en amiloide o fibras de amilina. El rol de los agregados de amilina en los pacientes con DT2 aún no está claro, pero  hay evidencia de su contribución a la necrosis y el daño de las células β de los islotes pancreáticos. El páncreas sano contiene amilina en los mismos gránulos celulares que almacenan insulina (~1-2% de la concentración de insulina). La hiperglucemia estimula la co-secreción de insulina y amilina. La amilina estimula la degradación de glucógeno en músculo esquelético. Además de las células β pancreáticas, varios órganos del cuerpo como tracto gastrointestinal (TGI) y SNC producen amilina. El nivel promedio de amilina es 5-10 pmol/l en una persona normal y aumenta a 10-20 pmol/l después de una comida. Los estudios en humanos y modelos animales reportan que el nivel de amilina es muy alto en la obesidad y la DT2.

   La adrenomedulina (ADM) es un péptido altamente expresado en la médula adrenal normal que participa en la regulación de la presión sanguínea produciendo un efecto hipotensor de larga duración. Los resultados de varios estudios reflejan el rol central de la ADM como un vasodilatador debido a su efecto sobre el sistema cardiovascular. Otros estudios también reportan que la ADM induce varios procesos patológicos como estrés oxidativo e insuficiencia renal. El embarazo incrementa el nivel de ADM. Los mamíferos contienen el gen ADM2 que codifica un péptido, intermedina o ADM2, con alta similitud con la ADM. La intermedina ha sido identificada en humanos, rata y ratón. Los estudios en ratas reportan que la intermedina es expresada en TGI e hipófisis. La administración intraperitoneal de intermedina reduce la presión sanguínea en ratas hipertensas.

   En humanos, cinco genes homólogos codifican péptidos calcitonina. El cromosoma 11 contiene los genes CALCA, CALCAB y ADM; el cromosoma 12 contiene el gen ADM y el cromosoma 22 contiene el gen ADM2. El gen CALCA  tiene seis exones, de los cuales los exones I-III están situados en mARN de calcitonina y αCGRP, mientras los exones IV y V codifican calcitonina y αCGRP maduro, respectivamente. En las células C de la glándula tiroides, 99% del transcripto ARN principal genera mARN de calcitonina. Los genes CALCAB y CALCA son similares en estructura. Sin embargo, debido a la variación en la secuencia, el βCGRP es el único péptido que es codificado por este gen que muestra una variación con el αCGRP de tres aminoácidos en humanos. El gen ADM tiene cuatro exones que pueden codificar ADM. Los genes IAPP y ADM2 contienen tres exones y codifican  amilina y ADM2, respectivamente.

   La familia de péptidos calcitonina tiene la propiedad de producir los péptidos maduros a través de splicing de proteínas y cambios  post-transcripcionales. Varias características estructurales de los péptidos de la familia calcitonina son similares: dos residuos cisteína conectados con puente disulfuro en el extremo NH₂ para presentar una estructura como anillo donde hay una región media α-hélice, y un extremo carboxilo que contiene un aminoácido amidado. El terminal NH₂ juega la parte más crucial de la estimulación de receptores. La remoción del NH₂ terminal produce péptidos lineales como αCGRP_8-37, amilina_8-37 y adrenomedulina_22-52 que existen como antagonistas de las moléculas precursoras y se une a los receptores, pero no tienen efecto sobre su activación.

   El receptor de calcitonina (CTR) es acoplado a proteína G con siete dominios transmembrana. La expresión de  CTR ha sido observada en riñón, sistema nervioso y osteoclastos maduros. El cromosoma 7 contiene los genes CTR y CALCR y 14 exones. Por splicing alternativo se producen varias formas de receptores de calcitonina. En humanos y roedores, las isoformas producidas por splicing alternativo muestran especificidad celular y pueden responden a ligandos de la familia calcitonina. Dos grupos de investigadores clonaron por separado receptores similares a CTR (CRLR) que tienen secuencia de aminoácidos similar a la del CTR. En humanos, el CRLR es codificado por un gen que tiene 15 exones y está localizado en el cromosoma 2.

   Los osteoclastos maduros derivan de células precursoras hematopoyéticas y juegan un rol vital en la resorción ósea. Un alto número de variables locales y sistémicas regulan la diferenciación y actividad de los osteoclastos. La interacción del factor estimulante de colonias de macrófagos (M-CSF) con su receptor induce la diferenciación de los osteoclastos, lo cual resulta en estimulación de la expresión del receptor de factor nuclear kappa β (RANK). La interacción RANK-ligando RANK (RANKL) estimula la diferenciación y activación de osteoclastos. La osteoprotegerina (OPG) es secretada por células del linaje osteoblasto e interactúa con el RANKL inhibiendo competitivamente la interacción RANK/RANKL. El principal factor que controla la activación de osteoclastos y la resorción ósea es la relación entre los niveles de OPG y RANKL. Los osteoclastos maduros degradan la matriz extracelular del hueso. Cuando la matriz ósea mineralizada interactúa con los osteoclastos completamente di9ferenciados se produce una región de relleno que cubre el área encerada en la laguna de resorción. La membrana del osteoclasto presente en el área de relleno forma un borde fruncido que es usado para el transporte de protones y enzimas que degradan la matriz y son liberadas durante la resorción ósea. La resorción ósea es el factor vital para la disminución rápida de la concentración de calcio en la circulación bajo el efecto de la calcitonina. Los osteoclastos exhiben la expresión de CTR, RAMP1-3 y CRLR.

   La unión de CT a su receptor en los osteoclastos resulta en la pérdida del borde fruncido en pocos minutos. Varios mecanismos pueden estimular la actividad de la CT en los osteoclastos, como el cAMP. Al  mismo tiempo, la señal intracelular de calcio media la disrupción del  proceso de resorción en el área de relleno. El CGRP también  inactiva osteoclastos, pero la eficacia es baja en comparación con la CT. Por otra parte, la amilina aumenta la concentración de cAMP y disminuye la resorción ósea estimulada por hormona paratiroidea (PTH). La amilina disminuye la pérdida de hueso trabecular, pero no afecta los índices de hueso cortical. Con relación a la  ADM, a pesar de la presencia de  receptores en los osteoclastos y la capacidad para causar la formación de cAMP en estas células, los estudios han demostrado que la diferenciación de osteoclastos no es afectada por la ADM. Sin embargo, en algunas circunstancias patológicas que causan disrupción ósea, la ADM actúa modulando el ambiente inflamatorio. En los osteoclastos, la intermedina es un potencial inhibidor del desarrollo de osteoclastos multinucleados, el cual es regulado por M-CSF y RANKL.

   Los osteoblastos, células mononucleares formadoras de hueso, derivan de stem cells mesenquimales de la médula ósea. Bajo el efecto de una ruta de señalización organizada, los preosteoblastos se convierten en osteoblastos maduros que generan la matriz ósea y posteriormente la mineralizan. Después de la formación de hueso, los osteoblastos experimentan apoptosis o se adhieren a la matriz ósea para su  diferenciación en osteocitos. Los datos experimentales señalan la ausencia de CTR en los osteoblastos. Sin embargo, los estudios en modelos animales reportan que la calcitonina regula la formación de hueso, pero la acción es generada por osteoclastos y osteocitos más que por una acción directa de la CT sobre los osteoblastos. En contraste con la calcitonina, el CGRP tiene un impacto beneficiosos sobre los osteoblastos in vitro pero no in vivo. Por otra parte, de acuerdo con varios estudios sobre la función de la amilina, el fragmento NH2 terminal (amilin_1-8) activa la proliferación de osteoblastos en la rata. La ADM juega un rol significativo en la proliferación de osteoblastos en ratas y humanos.  La ADM es expresada en los osteoblastos y muestra actividad  a través de  un mecanismo autocrino/paracrino. A diferencia de otros péptidos de la familia calcitonina, la ADM activa la ruta de señalización  ERK1/2 y los canales de calcio dependientes de voltaje en los osteoblastos. La ADM es considerada un factor de supervivencia, suprime el proceso de apoptosis en osteoblastos, probablemente a través de la ruta ERK1/2, la activación de CREB y la ruta Wnt. En términos de sus efectos sobre los osteoblastos y la formación de hueso, la intermedina es el menos estudiado de los péptidos de la familia calcitonina. La investigación in vitro demuestra que la intermedina no influye en la proliferación o diferenciación de osteoblastos.

   Los osteocitos están presentes en el tejido óseo mineralizado. Los osteocitos interactúan unos con otros a través  de procesos dendríticos y tienen una significativa contribución en la regulación del recambio óseo y el metabolismo mineral. Los osteocitos expresan los genes catepsina K y TRAP, conocidos como marcadores osteoclásticos. Los osteocitos también produce esclerostina, una glucoproteína codificada por el gen SOST, que interactúa con los co-receptores LRP4 y LRP5/6 y suprime la ruta de señalización Wnt/catenina. La esclerostina promueve la resorción ósea  afectando los precursores de osteoclastos y la ruta RANKL/OPG.

   La potencia de la calcitonina de salmón (sCT) es mayor que la de hCT por lo que ha sido ampliamente usada en clínica. La sCT fue presentada en el mercado en 1974 y posteriormente aprobada por la FDA para su uso contra la osteoporosis postmenopáusica y la enfermedad de Paget. Inicialmente, la sCT estaba disponible comercialmente como una preparación para uso intramuscular o subcutáneo. Posteriormente, se incorporó la presentación en spray nasal. Un efecto adverso del spray nasal  de sCT es su pobre biodisponibilidad en comparación con la administración parenteral. Recientemente, surgió una formulación oral que contiene  sCT acoplada a agentes que aumentan su capacidad para pasar a través del epitelio gastrointestinal y la protegen contra la degradación  enzimática. Varios estudios reportan aumento de la densidad ósea y disminución de fracturas de vertebras y cadera con la aplicación subcutánea o intranasal de sCT. Otros estudios clínicos demuestran que el riesgo de fracturas vertebrales disminuye significativamente con una dosis  de 200 UI /día de sCT. Inicialmente, la osteoporosis postmenopáusica fue tratada usando sCT. Sin embargo, actualmente la sCT no es usada porque varios estudios han demostrado la asociación de sCT con el desarrollo de cáncer y también porque nuevas drogas como los bifosfonatos son usados para el tratamiento de la osteoporosis. Los bifosfonatos también han probado ser una mejor alternativa para el manejo de la enfermedad de Paget.

   En conclusión, los péptidos de la familia calcitonina tienen un impacto sobre la fisiología ósea. Los osteoclastos son el blanco básico de los péptidos calcitonina en el hueso.  Los péptidos calcitonina  actúan como reguladores del proceso de  resorción ósea. Los estudios in vitro e in vivo documentan los efectos post-tratamiento de los péptidos calcitonina con un efecto positivo sobre la formación de  osteoblastos y un efecto negativo sobre la actividad de los  osteoclastos en el proceso de resorción ósea. La CT ha sido ampliamente usada en la clínica para el tratamiento de desórdenes óseos como osteoporosis, hipercalcemia y enfermedad de Paget. Sin embrago, el uso de CT ha disminuido actualmente debido al desarrollo de nuevas drogas como los bifosfonatos. 

Fuente: Xie J et al (2020). Calcitonin and bone physiology: in vitro, in vivo and clinical investigations. International Journal of Endocrinology Article ID 3236828.