Rol de la vitamina K2 en huesos y vasos sanguíneos

La osteoporosis (OP) es la enfermedad ósea más común que afecta hombres y mujeres de edad avanzada. Es un desorden metabólico del esqueleto causado por un desbalance entre la formación de hueso y la resorción ósea, provocando pérdida de masa y calidad ósea, deterioro de la estructura del esqueleto e incremento del riesgo de fracturas. La OP se clasifica en primaria y secundaria con distintos fondos etiológicos. La OP tipo 1 (primaria) es típica de mujeres postmenopáusicas en quienes la disminución de los niveles de estrógenos está asociada con un estado inflamatorio relacionado con un incremento en la actividad de los osteoclastos y un consecuente desbalance en el metabolismo óseo, mientras la OP tipo 2 (secundaria) ocurre en hombres y mujeres, pero su mecanismo patológico solo ha sido parcialmente clarificado.

   La calcificación vascular (CV) es definida como la deposición ectópica de matriz mineral en la pared vascular. La CV ocurre prevalentemente en el envejecimiento y en condiciones crónicas primarias (hipertensión arterial, diabetes mellitus y enfermedad renal crónica), representando un importante factor de riesgo de morbilidad y mortalidad cardiovascular. La calcificación de la pared vascular era conocida como un proceso pasivo, degenerativo y descontrolado causado solamente por la precipitación anormal de cristales de calcio en los vasos sanguíneos. Actualmente, la evidencia es que se trata de un evento activo, regulado  que exhibe características similares con la formación de hueso y el metabolismo óseo. En particular, el descubrimiento en los vasos calcificados de proteínas relacionadas con el hueso, estructuras similares al hueso y células similares a osteoblastos derivadas de células de músculo liso vascular (CMLV) ha proporcionado soporte a la naturaleza activa y mediada por células de este proceso vascular.

   Aunque la OP y la CV producen efectos fisiopatológicos diferentes, sus inicios frecuentemente coexisten en el envejecimiento, representando uno de los principales problemas de salud pública con significativa morbilidad y mortalidad. Por muchos años, su existencia fue considerada independiente y solamente relacionada a la edad, pero varios estudios han proporcionado soporte para una íntima relación entre  hueso y salud vascular. En este sentido, muchos hallazgos sugieren que la pérdida de hueso en la OP puede promover e incrementar el riesgo de eventos cardiovasculares y ateroesclerosis vascular. En varios estudios con mujeres, la pérdida de densidad mineral ósea (DMO) está asociada con el desarrollo y progresión de calcificación aórtica y mayor riesgo de mortalidad por enfermedad cardiovascular. Adicionalmente, se reporta una correlación directa  entre CV y riesgo de fractura ósea. En otro estudio se enfatiza que los hombres con calcificación aórtica presentan mayor riesgo de fractura ósea.

   Diferentes hipótesis han sido propuestas para explicar la relación entre hueso y sistema vascular, referida en inglés como “bone-vascular crosstalk”.  La pérdida de hueso y la CV exhiben factores de riesgo comunes, incluyendo tabaquismo, actividad física, ingesta de alcohol, diabetes tipo 2, menopausia e hipertensión arterial. Adicionalmente, ambos procesos están caracterizados por inflamación crónica de bajo grado y estrés oxidativo y por el involucramiento de proteínas morfogenéticas del hueso (BMP), osteoprotegerina (OPG) y hormona paratiroidea (PTH), lo cual sugiere mecanismos fisiopatológicos comunes. En este contexto, es importante mencionar el rol de la familia vitamina K2, compuestos solubles en lípidos que juegan un rol clave en el mantenimiento de la homeostasis del calcio. Específicamente, están  involucrados en la “paradoja del calcio”, un fenómeno en el cual una baja deposición de calcio en el hueso tiende a estar asociada con un incremento paralelo en la deposición de calcio en la pared vascular como una consecuencia de alteración del metabolismo del calcio.

   La vitamina K es una familia de compuestos solubles en grasa identificada por primera vez en los años de la década de 1930 por el bioquímico danés Hendrick Dam durante su investigación sobre el metabolismo del colesterol. El investigador observó que los pollos alimentados con una dieta baja en grasas y libre de esteroles presentaban sangramiento que no desaparecía cuando se reemplazaba el colesterol en la dieta. Dam identificó el “factor anti-hemorrágico”  en un compuesto soluble en grasa que llamó “Koagulation vitamin” (abreviado vitamina K) para indicar su capacidad de coagular la sangre. La vitamina K existe naturalmente  en dos formas principales: vitamina K1 (VitK1) y vitamina K2 (VitK2). Estructuralmente, ambas formas de vitamina K exhiben el anillo central 2-metil-1,4 naftoquinona, llamado “menadiona” con una cadena lateral en el carbono de la posición  3 menadiona. La VitK1, o filoquinona, contiene una cadena fitil de cuatro residuos isoprenoides. Por su parte, la VitK2, también conocida como menaquinona (MK), presenta una cadena lateral basada en la repetición de 4 a 13 unidades isoprenoides no saturadas.

   Las dos formas de vitamina K ejercen su función biológica como cofactores  para la gamma-glutamil carboxilasa (GGCX),   una enzima que cataliza la modificación post-translacional conocida como la reacción “ciclo de vitamina K”. Más específicamente,  la GGCX permite la conversión del aminoácido glutamato (Glu) en residuos γ-carboxiglutamato (Gla) en al menos 14 proteínas específicas conocidas como “proteínas dependientes de vitamina K” (VKDP), las cuales, una vez activadas, son capaces de unir  calcio a través de sus residuos Gla. Las vitaminas K1 y K2 actúan como cofactores de la GGCX en el ciclo de la vitamina K. Sin embargo, la VitK1 dispara la activación de VKDP hepáticas implicadas en el proceso de coagulación sanguínea (factores II, VII, IX y X), mientras la VitK2 activa las VKDP de origen extra-hepático, como osteocalcina (OC) y proteína Gla de la matriz (MGP).

   El término vitamina K2 indica una familia de isoprenologos bioactivos, también llamados menaquinonas, los cuales difieren uno de otro con respecto al número de unidades isoprenoides en la cadena lateral. Esto generalmente es denotado como MK-n, donde n (1-15) es el número de residuos isoprenoides en la cadena lateral. Por ejemplo, las isoformas menaquinona-4 (MK-4) y menaquinona-7 (MK-7) presenta cuatro y siete unidades isoprenoides, respectivamente. La mayor parte de la producción de VitK2 en el cuerpo humano tiene lugar a nivel intestinal, donde es sintetizada por bacterias intestinales del género Bacteroides, Lactococcus y Escherichia coli. Sin embargo, la cantidad de VitK2 derivada de bacterias intestinales es pobremente absorbida y no es capaz de alcanzar la concentración  óptima requerida para ejercer las funciones fisiológicas. Por tanto, esta vitamina debe ser suplementada diariamente con fuentes dietéticas como alimentos de origen animal (carne y huevos), queso fermentado bacterialmente y un producto tradicional japonés llamado nato que consiste en una soya fermentada en la cual la presencia de Bacillus subtilis alcanza hasta 1100 µg/100 g de VitK2. Con relación a su metabolismo, las diversas formas de VitK2 muestran diferente biodisponibilidad y hay una correlación directa entre longitud de la cadena lateral, lipofilicidad, captación intestinal y biodisponibilidad en el cuerpo humano.

   La VitK2 regula la paradoja de calcio, reduciendo la deposición de calcio en las paredes de los vasos sanguíneos e incrementándola en el tejido óseo, a través de la activación de MGP y OC, respectivamente. Esto  resulta en la promoción del proceso de mineralización ósea  y una inhibición paralela de CV ectópica. La OC, también conocida como proteína γ-carboxiglutamato del hueso o proteína Gla del hueso (BGLP), fue la primera VKDP extra-hepática identificada y representa la proteína no colágena más abundante en la matriz ósea mineralizada. La OC es un pequeño péptido de 49 aminoácidos y 5,6 kDa sintetizado por los osteoblastos y liberado en el microambiente óseo en dos formas circulantes: carboxilada (cOC) y no carboxilada (ucOC). La cOC juega un rol  importante en la unión y precipitación de calcio-hidroxiapatita (Ca-HA), permitiendo la mineralización de la matriz ósea. Una vez que el proceso de mineralización ha sido inducido, la cOC permanece atrapada en la matriz ósea y es liberada a la circulación sanguínea como ucOC cuando ocurre la  degradación ósea. Por tanto, los niveles en suero de cOC, ucOC y su relación son considerados biomarcadores importantes del estatus de recambio óseo en sujetos sanos y con OP. Adicionalmente, la ucOC juega una función importante como hormona derivada del hueso con capacidad para aumentar la secreción de insulina,  la sensibilidad a la insulina, el gasto de energía y la homeostasis de la glucosa.

   La MGP pertenece a la familia de VKDP y juega un significativo rol en la prevención de la calcificación ectópica  en el sistema vascular. Es una proteína de 14 kDa, 84 aminoácidos y 5 residuos Glu en las posiciones 2, 37, 41, 47 y 52. Una vez sintetizada por las CMLV, la MGP experimenta dos modificaciones post-traslacionales: la carboxilación de γ-glutamato y la fosforilación de serina. La fosforilación de serina en las posiciones 3, 6 y 9 es catalizada por la enzima caseína quinasa localizada en el aparato de Golgi cuya función precisa no está clara, aunque estudios recientes sugieren que puede estar implicada en la secreción de MGP en el microambiente extracelular. Por el contrario, la γ-carboxilación es necesaria para la activación biológica de la MGP como inhibidor de la mineralización ectópica en la pared vascular. El rol central de la MGP en la salud vascular fue demostrado por primera vez en 1997 a través del desarrollo de ratones MGP knockout (-/-). Los ratones con carencia de MGP murieron 8 semanas después del nacimiento debido a calcificación arterial  masiva. Posteriormente, en humanos, se encontró que la pérdida de la función MGP por mutación en el gen MGP resulta en síndrome de Keutel, una rara enfermedad autosómica recesiva caracterizada por calcificación ectópica de tejidos blandos.

   Varios mecanismos han sido propuestos para explicar el rol inhibidor de la GMP carboxilada (cGMP) sobre la mineralización vascular ectópica. La capacidad de la cGMP para inhibir directamente la precipitación  de cristales calcio-fosfato fue demostrada en 2011 y su rol en la inhibición de la trans-diferenciación de VSMC en células similares a osteoblastos a través de la proteína morfogenética de hueso-2 (BMP-2) había sido demostrada en 2001. La BMP-2 es uno de los principales factores de transcripción y ha sido encontrada en placas ateroescleróticas calcificada y en lesiones calcificadas en la capa media de las arterias, donde ejerce su función como activador de la trans-diferenciación osteogénica de VSMC. En este sentido, la cGMP activada inhibe la expresión de BMP-2 y sus propiedades osteo-inductivas en células vasculares calcificadas. Estos hallazgos sugieren que solamente la GMP activa ejerce el rol inhibidor sobre la mineralización ectópica, mientras la ucGMP circulante es actualmente reconocida como un marcador diagnóstico específico de CV y patologías como disfunción renal y rigidez arterial.

   El mecanismo primario por el cual la VitK2 ejerce sus efectos sobre la salud ósea es a través  de la γ-carboxilación de la OC. Esto ha sido apoyado por diferentes evidencias. Por ejemplo, en un estudio con 55 adolescentes, el tratamiento diario con VitK2 (45 µg; MK-7) indujo una reducción significativa de ucOC con un significativo incremento paralelo de cOC, resultando en mejoría del proceso de mineralización ósea. Otro estudio reporta un incremento en la concentración de cOC en suero en personas sanas (hombres y mujeres) con administración diaria de VitK2. Esto fue confirmado en mujeres postmenopáusicas con fracturas osteoporóticas, con niveles de uOC comparables con jóvenes y adultos sanos con suplementación de MK-4. Además de la evidencia clínica, los efectos de la VitK2 sobre el metabolismo óseo han sido investigados en modelos a través de estudios pre-clínicos en animales. En un modelo de ratones hembras ovarectomizadas con OP se demostró que la VitK2 es capaz de mejorar la densidad mineral ósea y los marcadores de formación de hueso, mientras disminuye los marcadores de resorción ósea. Resultados similares se han obtenido en un modelo de ratas osteopénicas, las cuales mostraron incremento en la formación de hueso y los niveles de cOC en suero con el tratamiento con MK-4. Actualmente, está bien establecido que la  VitK2 actúa principalmente sobre células osteoblásticas, mejorando su proliferación y diferenciación y la función de deposición de  matriz ósea a través de la ruta de γ-carboxilacion de OC.

   La VitK2 también aumenta la mineralización ósea y disminuye la resorción ósea de una manera independiente de la γ-carboxilación de OC. Un estudio reciente demuestra el involucramiento de MGP en la promoción de la diferenciación y actividades de los osteoblastos a través de la ruta de señalización Wnt/β-catenina. Por otra parte, es conocido que el estrés oxidativo juega un rol clave en la alteración del metabolismo óseo y el desarrollo de enfermedades óseas. En particular, el desbalance redox podría disparar la apoptosis de osteoblastos y osteocitos y por tanto, inhibir la formación de hueso y la mineralización ósea. Esto puede inducir un desvío del proceso anabólico hacia la actividad de osteoclastos provocando un incremento en la pérdida de hueso. En este sentido, recientemente se ha demostrado que la VitK2 ejerce un efecto protector sobre el patrón de proteínas involucrado en la formación de hueso y la mineralización ósea en un modelo de células osteoblásticas en el cual el estrés oxidativo fue inducido por peróxido de hidrógeno (H₂O₂). Adicionalmente, la regulación de la homeostasis ósea por VitK2 es mediada por el receptor de esteroides y xenobióticos SXR, un receptor nuclear que regula al alza la expresión de los genes involucrados en la diferenciación de osteoblastos y la deposición de matriz ósea. Por otra parte, los efectos anabólicos de la VitK2 en el hueso también son ejercidos a través de la regulación de diferentes rutas implicadas en la diferenciación y actividad de los osteoblastos como la inhibición del factor de transcripción  NF-κB.

   El rol de la VitK2 en la salud vascular ha sido demostrado por varios estudios, los cuales reportan una relación inversa entre su consumo y el desarrollo de CV o riesgo de eventos cardiovasculares. La primera pieza de evidencia fue proporcionad por estudios con antagonistas de vitamina K (VKA) como las warfarinas, anticoagulantes administrados para evitar el inicio de la trombosis. Sin embargo, su uso no solo previene la activación de factores de coagulación, sino también la activación de VKDP extra-hepáticas (MGP y OC). El uso de VKA está significativamente asociado con estrés oxidativo en CMLV,  desarrollo de calcificación arterial, pérdida de densidad mineral y mayor riesgo de fracturas en los huesos. En estudios clínicos, la suplementación diaria (25 µg) de VitK2 está asociada con una disminución significativa en el riesgo de CV, desarrollo de enfermedad cardiaca coronaria y enfermedad arterial periférica. En mujeres postmenopáusicas, el uso de MK se correlaciona con reducción de calcificación coronaria. El consumo de VitK2 también está asociado con reducción del riesgo de mortalidad en una población mediterránea caracterizada por alto riesgo de enfermedad cardiovascular. A pesar de estos resultados, ninguna asociación ha sido encontrada entre ingesta de VitK2 y calcificación arterial en pacientes con diabetes tipo 2.

   Con relación al mecanismo molecular por el cual la VitK2 puede estar involucrada en la regulación de la salud vascular, los estudios enfatizan la estrecha relación entre estatus de VitK2, MGP y el desarrollo de eventos cardiovasculares. En este contexto, varios estudios demuestran que los sujetos con altos niveles de ucMGP inactiva se caracterizan por incremento en CV, rigidez arterial y mayor riesgo de enfermedad cardiovascular. El tratamiento con VitK2 reduce significativamente los niveles de ucMGP en estos individuos. El rol inhibidor de la VitK2 también ha sido investigado en estudios pre-clínicos in vivo. En un modelo de ratones con enfermedad renal crónica y calcificación extra-ósea, la suplementación con MK-7 (100µg/g de la dieta) inhibió el desarrollo de calcificación cardiovascular a través de la ruta MGP. En estudios in vitro, el tratamiento con MK-4 es capaz de disminuir el proceso de CV a través de la inhibición de la trans-diferenciación  de CMLV vía carboxilación de MGP, lo cual dispara la inhibición de BMP-2. Adicionalmente, es importante mencionar el involucramiento de VDKP  llamada proteína específica de detención  del crecimiento-6  (Gas6), expresada principalmente en el cerebro. En este contexto, dado que la apoptosis de CMVL representa otro evento clave requerido para el desarrollo y progresión de CV, el  rol anti-apoptosis de la Gas-6 puede jugar un rol en este escenario. En ratas in vivo y en CMLV derivado de rata in vitro, el tratamiento con VitK2 es capaz de inhibir la calcificación de CMLV, inhibiendo su apoptosis a través de la ruta Gas6/AxL/AKT.

   En conclusión, aunque en la literatura actual aún se pueden encontrar resultados controversiales, la evidencia creciente apoya la idea que la VitK2 puede ejercer un rol relevante en  el mantenimiento de la salud ósea y vascular. En los desórdenes óseos, la VitK2 ha demostrado tener la capacidad para reducir la pérdida de DMO y el riesgo de fracturas así como también  mejorar la calidad ósea en varios estudios clínicos, los cuales han confirmado que la γ-carboxilación de OC es el principal mecanismo de acción  a través del cual la VitK2 es capaz de mejorar la salud ósea. Por otra parte, la evidencia clínica sugiere un rol protector  análogo de la VitK2 a nivel vascular, enfatizando una estricta asociación entre el nivel de la vitamina en suero, los niveles de γ-carboxilación de MGP, la reducción de la trans-diferenciación osteogénica de las CMLV y posiblemente el riesgo de eventos cardiovasculares. Estos efectos de la VitK2 ocurren a través de varios mecanismos moleculares. Específicamente, a nivel vascular, la VitK2 actúa como cofactor  para la GGCX, permitiendo la activación de MGP a través de su carboxilación. A su vez, la forma MGP carboxilada activa puede inhibir directamente la precipitación ectópica de Ca²⁺ en la pared vascular y en paralelo, la trans-diferenciación osteoblástica de CMLV  a través de la inhibición de BMP-2. Más aún, la VitK2 puede inhibir la calcificación de CMVL, evitando su apoptosis a través de la ruta anti-apoptosis Gas6/AxL/AKT. Simultáneamente, en el tejido óseo, la VitK2 es capaz de modular varias rutas moleculares. En efecto, en los osteoblastos, puede promover la deposición de matriz ósea a través  de la activación del receptor SXR vía GGCX y OC, así como también la proliferación y actividad de los osteoblastos a través del control del estrés oxidativo y el involucramiento de MGP y la ruta de señalización Wnt/β-catenina. La VitK2 también puede regular la función de los osteoclastos en la resorción ósea a través de la inhibición del NF-κB. Estos efectos moleculares ejercidos por la VitK2 apoyan los resultados de estudios pre-clínicos  y clínicos que sugieren que la VitK2 promueve significativamente la salud ósea y vascular.

Fuente: Mandatori D et al (2021). The dual role of vitamin K2 in “bone-vascular crosstalk”: opposite effects on bone loss and vascular calcification. Nutrients 13: 1222.