Control de las propiedades de la matriz ósea por los osteocitos

Los osteocitos, embebidos en la matriz mineralizada del hueso, constituyente una población celular de importancia en la biología del hueso y la medicina. En esta localización, los osteocitos encuentran mayor longevidad a pesar de estar aparentemente aislados. Los osteocitos son reconocidos como las células que gobiernan la formación de hueso por los osteoblastos y la resorción ósea por los osteoclastos. Los osteocitos representan al menos 90% del contenido celular del hueso y forman una rica red de dendritas que permite la  comunicación entre aproximadamente 50 osteocitos vecinos, resultando en un área de superficie total que excede grandemente a la de osteoblastos y osteoclastos combinados. Por tanto, un estímulo que dispara la interacción directa de los osteocitos con la matriz ósea podría tener un gran impacto positivo o negativo sobre la integridad del hueso.

   Al final de su período de formación de hueso, los osteoblastos son dirigidos, vía desconocida, a la apoptosis o la diferenciación terminal. Una opción es la diferenciación en células quiescentes que cubren la superficie ósea y median la remodelación  en áreas localizadas del hueso. Algunos osteoblastos se diferencian en osteocitos que forman dendritas vía regulación al alza del gen E11/gp38 o podoplanina. La regulación al alza de MT1-MMP, una metaloproteinasa que degrada colágeno, también es requerida para la formación de dendritas y para mantener la viabilidad de las células a través de la diferenciación. Estos hallazgos permiten sugerir que el osteocito embebido en la matriz ósea es un proceso proteolítico activo en contraste con los estudios iniciales que sugerían un proceso pasivo en la matriz ósea. Estudios recientes sugieren  múltiples mecanismos que involucran diversos procesos. Una vez embebido, el osteocito comienza su rol en la coordinación de las acciones de osteoblastos y osteoclastos como parte de la rica red de osteocitos.

   Las actividades de osteoblastos y osteoclastos son reguladas por señales que se originan en los osteocitos, aunque los mecanismos por los cuales las señales alcanzan estas células son pobremente entendidos. Los osteoblastos son responsables de la formación de hueso nuevo, lo cual ocurre primariamente en la superficie de hueso trabecular y cortical. La formación de hueso es notablemente inducida por la ruta de señalización Wnt. La ruta canónica involucra la unión con la proteína relacionada con el receptor de lipoproteína de baja densidad 5/6 (Lrp5/6) y su correceptor frizzled. Esta unión inhibe la actividad intracelular de la glucógeno sintetasa quinasa 3 (GSK3) y su complejo formado por axin y poliposis adenomatosa coli (APC), lo cual resulta en hipofosforilación del factor de transcripción β-catenina. La translocación de β-catenina intacta al núcleo resulta en la expresión de genes que aumentan la supervivencia de los osteoblastos y su actividad en la formación de hueso. Los osteocitos son un importante regulador de este proceso a través de la secreción de esclerostina (Sost), un potente supresor de la señal Wnt mediante la unión a Lrp5/6, inhibiendo competitivamente la unión de Wnt. Esto resulta en la no inhibición de la fosforilación de β-catenina y su posterior degradación por el proteasoma. La Sost también inhibe la formación de  hueso relacionada con proteína morfogénica de hueso (BMP). En humanos, las mutaciones en Sost resultan en esclerosteosis, una condición que se caracteriza por incremento en la formación de hueso que resulta en alta masa ósea y neuropatía craneal debida a compresión del nervio. Por tanto, los osteocitos tienen el potencial para controlar cuando y donde ocurre  la formación de hueso e interferir con este proceso puede tener efectos dramáticos sobre la salud humana.

   Los osteocitos también median el proceso de resorción ósea por los osteoclastos. Un método de regulación de los osteocitos es mediante la secreción de ligando activador del receptor de factor nuclear kappa B (RANKL) a través de sus dendritas, el cual se une al receptor RANK en los precursores de osteoclastos y maneja su diferenciación en osteoclastos maduros. La expresión de RANKL por los osteocitos es esencial para la remodelación de hueso trabecular y es secretado en regiones de apoptosis de osteocitos. Adicionalmente, los osteocitos secretan osteoprotegerina (OPG), una molécula que compite con el RANKL por el receptor RANK. Esta interacción suprime la actividad de los osteoclastos y es la base de la droga anti-resorción denosumab. Por tanto, los osteocitos pueden modificar el contenido total y la actividad de osteoblastos y osteoclastos maduros, demostrando su potente rol regulador en el proceso de remodelado óseo.

   La reparación del microdaño óseo depende de la acción coordinada de osteocitos y osteoclastos. El microdaño o pequeños “cracks” en el hueso dispara la apoptosis de osteocitos e induce el remodelado intracortical, un proceso que es atípico en el hueso cortical de roedores.  Las regiones de remodelado óseo se colocalizan con regiones de apoptosis de osteocitos en el contexto de microdaño o deficiencia de estrógenos. Los estudios in vitro demuestran que los osteocitos apoptósicos de ratones estimulan a sus vecinos para liberar RANKL, el cual actúa como una señal quimiotáctica  para que los osteoclastos migren a la regiones de apoptosis y remodelen el hueso. Entonces, los osteocitos utilizan los osteoclastos para reparar regiones de microdaño a través de la liberación controlada de RANKL mientras preservan las regiones no dañadas del hueso.

   Los osteocitos están embebidos en la matriz mineralizada protegidos en lagunas que rodean el cuerpo celular. Las células están conectadas una con otra por procesos dendríticos que residen en canalículos. Juntos forman la red lacunar-canalicular (LCN). Esta red interconectada de células puede ser relevante para la estimulación mecánica y la señal y el transporte de solutos.  Como el líquido extracelular fluye a través de LCN, los osteocitos liberan compuestos como óxido nítrico, prostaglandinas y otros factores. Adicionalmente, el nivel de estimulación mecánica está relacionado con la apoptosis de osteocitos lo cual promueve la osteoclastogénesis y es un mecanismo por el cual los osteocitos regulan la reparación y la forma del hueso. La carga aumenta el flujo de líquido y la forma de la LCN puede afectar el flujo de líquido a través del sistema. Después que un osteocito muere, la laguna se mantendrá vacía hasta que gradualmente es llenada con restos mineralizados.

   La LCN puede tener un efecto directo sobre la calidad del hueso. Por ejemplo, cuando el volumen lacunar disminuye y la laguna se hace más esférica se produce una disminución de la dureza y rigidez de la matriz. La matriz pericelular (PCM) rodea los osteocitos y  separa la célula de las paredes de lagunas y canalículos. Esta matriz contiene proteoglucanos y ácido hialurónico y puede amplificar el impacto de la carga mecánica para permitir a los osteocitos mayor sensibilidad a la carga. Las integrinas forman parte de la PCM y afectan la respuesta de los osteocitos a la estimulación mecánica. La PMC también se puede alterar con la edad. In vitro, los osteocitos aislados de ratones envejecidos producen menos PCM que los osteocitos de ratones jóvenes. Las células envejecidas también tienen menos disrupciones de la membrana plasmática que las células jóvenes en respuesta al fluido, indicando que la respuesta mecánica puede ser dependiente de la PCM.

   Mientras los osteoblastos y los osteoclastos son los tipos de células clásicos involucrados en la formación y resorción de hueso, la investigación emergente ha demostrado que muchos de los factores que manejan estas células también pueden disparar la participación  de los osteocitos en estas funciones. El proceso de alteración de la matriz ósea por los osteocitos es conocido actualmente como remodelado perilacunar (PLR), un concepto que está ganando aceptación en la comunidad científica.

   Una de las señales más importante que recibe el hueso es la hormona paratiroidea (PTH), una hormona peptídica secretada por la glándula paratiroides en respuesta a la disminución de calcio en la circulación sanguínea. La PTH, además de aumentar la absorción de calcio en el intestino, la elevación sostenida de PTH causa liberación de mineral del hueso. La PTH regula al alza la ATPasa H+ transportador V0 subunidad D2 (ATP6V0D2), una bomba de protones en la membrana celular que acidifica el ambiente extracelular, indicando que los osteocitos pueden acidificar su ambiente extracelular para degradar mineral. El péptido relacionado con PTH (PTHrP) también estimula la acidificación del ambiente extracelular de los osteocitos regulando al alza a la ATP6VD2 durante la lactancia, y este proceso depende de la señal PTH intacta en los osteocitos. Mientras la acidificación de la matriz es requerida para remover mineral, también promueve la actividad colagenolítica  de la catepsina K (CTSK), indicando que los osteocitos pueden degradar mineral y colágeno. Los osteocitos pueden incrementar la actividad para la resorción  de los osteocitos vecinos además de reducir la actividad de los osteoblastos vía señal Sost.

   Los osteocitos pueden alterar la porosidad del hueso removiendo o agregando mineral a sus lagunas. La red de osteocitos también influye en la calidad del mineral. En áreas con alta densidad de osteocitos, el engrosamiento mineral y la orientación de partículas es mayor que en las áreas menos organizadas. Por otra parte, se ha observado un efecto sobre las propiedades mecánicas debido a la disminución de masa ósea durante la lactancia. Entonces, los cambios en el mineral de la matriz extracelular producidos por los osteocitos pueden afectar la calidad del hueso.

   El colágeno tipo I es el componente orgánico más prevalente en la matriz extracelular del hueso y proporciona ductibilidad al tejido. El colágeno es producido primariamente por los osteoblastos durante  la formación de hueso. La estructura en hélice del colágeno está compuesta por secuencias Gli-X-Y repetidas donde X e Y son típicamente prolina e hidroxiprolina, respectivamente. El colágeno consiste de dos cadenas peptídicas pro-α1 y pro-α2 sometidas a modificaciones post-translacionales en el retículo endoplásmico incluyendo hidroxilación de los residuos prolina y lisina y glucosilación de algunos residuos de prolina. Las cadenas forman una triple hélice y son almacenadas en el complejo de Golgi como procolágeno. En la secreción por osteoblastos, los dominios N- y C- terminal son procesados para formar tropocolágeno. Finalmente, las bandas de tropocolágeno se auto-ensamblan en fibrillas y son entrecruzadas con las moléculas de tropocolágeno vecinas en sus residuos hidroxilisina por la lisil oxidasa, estabilizando la estructura fibrilar.

   La calidad de colágeno depende del nivel correcto de modificaciones post-translacionales. El alineamiento de las fibrillas de colágeno  está relacionado con el tipo de carga que cada  hueso experimenta. Por ejemplo, durante la carga fisiológica de las extremidades inferiores, la porción anterior del fémur y la tibia experimentan tensión mientras la porción posterior está bajo compresión. De acuerdo con los estudios, las fibras de colágeno tienden a alinearse perpendicularmente a la sección transversal del hueso bajo tensión, mientras son alineadas en paralelo a la sección transversal en las regiones bajo compresión.  Está demostrado que inicialmente los osteoblastos secretan colágeno desorganizado, el cual eventualmente será alineado con el eje mayor de osteoblastos o el eje bajo el mayor estímulo mecánico. Los osteocitos pueden ser responsables de alinear el colágeno en la región perilacunar. Por otra parte, los osteocitos  tienen la capacidad para degradar colágeno en respuesta a estímulos catabólicos, incluyendo la PTH. La degradación de colágeno es una etapa esencial en el remodelado perilacunar. Adicionalmente, la expresión  de metaloproteínasa de matriz-13 (MMP13) por los osteocitos es crítica para la capacidad del hueso de resistir la formación y propagación de cracks, una propiedad que es altamente dependiente de la incorporación y entrecruzamiento de colágeno.  Algunos estudios sugieren que el TGF-β también puede estar involucrado.

   En conclusión, los osteocitos representan 90-95% del contenido celular del hueso y forman una rica red dendrítica con una amplia área de superficie. Los osteocitos están bien posicionados para jugar un rol en la homeostasis del hueso y tienen un profundo efecto sobre la matriz ósea con señales a osteoblastos y osteoclastos y por modificación directa de su ambiente. Hay evidencia in vitro e in vivo indicando que los osteocitos pueden modificar directamente mineral y colágeno a su alrededor.

Fuente: Creecy A (2021). Control of bone matrix properties by osteocytes. Frontiers in Endocrinology 11:578477.