Mecanismos moleculares de los glucocorticoides en el esqueleto

Los glucocorticoides (GC) son las principales hormonas del estrés liberadas por un eje hormonal jerárquico, el eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA). El ritmo circadiano y el estrés psicológico y fisiológico disparan en el hipotálamo la liberación de hormona liberadora de corticotropina (CRH), la cual a su vez actúa en la hipófisis anterior, estimulando la liberación de hormona adrenocorticotrópica (ACTH). La ACTH actúa en la zona fasciculada de la corteza adrenal para la liberación de GC, los cuales pertenecen a la clase de hormonas esteroides. El cortisol, el principal GC en humanos (corticosterona en roedores), virtualmente actúa en todas las células del cuerpo vía receptor glucocorticoide (GR) y en menor extensión a través del receptor mineralocorticoide (MR), el cual tiene un patrón de distribución restringido. Los GC actúan en el cerebro y órganos metabólicos, incluyendo hígado, tejido adiposo y músculo esquelético, contribuyendo sustancialmente al metabolismo energético y la integridad tisular a través de efectos sobre la diferenciación y proliferación celular, la autofagia y la apoptosis. Los GC también tienen un sustancial impacto sobre el sistema inmune. Ellos pertenecen a los agentes antiinflamatorios más potentes. Por otra parte, las altas dosis de GC inducen numeroso efectos colaterales, incluyendo efectos sobre los sistemas muscular y óseo. Esto provoca la supresión del crecimiento en niños y la osteoporosis inducida por GC (GIO) en adultos, lo cual eleva el riesgo de fracturas óseas.

   Los GC endógenos y sintéticos ejercen sus efectos vía receptores nucleares como el GR (NR3C1) y el MR (NR3C2). Ambos receptores son factores de transcripción inducidos por ligando. Solamente en ciertos tejidos que expresan MR, en los cuales los GC no son metabólicamente inactivados, el MR sirve como un receptor de alta afinidad  para mediar las respuestas de los GC en baja concentración. En ausencia de ligando, el GR es retenido en el citoplasma secuestrado en un complejo multi-proteico que incluye inmunofilinas y proteínas de shock térmico/chaperonas. La biodisponibilidad y actividad de los GC son controladas por las enzimas 11β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (11β-HSD 1) y 11β-HSD 2), las cuales actúan de manera opuesta, y regulan los niveles relativos de cortisona y cortisol. La unión de la hormona induce un cambio conformacional del GR, permitiendo su translocación al núcleo. El GR unido al ligando puede dimerizarse y unirse directamente a secuencias específicas en el genoma (elementos de respuesta a GR (GRE)) o sitios de unión del receptor glucocorticoide (GBS) y en la vecindad a sitios de unión de factores de transcripción tejido-específicos. Las moléculas GR unidas a GRE reclutan proteínas co-reguladoras y complejos remodeladores de cromatina para incrementar o reprimir la transcripción de genes.

   El GR, además de su acción como una molécula dimérica, en la forma  monomérica puede unirse directamente al ADN o atarse a factores de transcripción  unidos al ADN involucrados en la inflamación. Por ejemplo, la interacción con el factor nuclear kappa B (NF-κB), la proteína activadora 1 (AP-1) y el factor de respuesta al interferón 3 (IRF3), provocan represión de la expresión de genes. Adicionalmente, el GR monomérico puede unirse a GRE localizados en los elementos de respuesta a AP-1. Esta interacción directa es importante para la represión transcripcional y el GR monomérico parece ser favorecido en estos sitios.

   Los GC, además de su actividad transcripcional, pueden ejercer efectos no genómicos. Estos efectos son rápidos y solamente se observan en tratamientos con altas dosis de GC. En estas condiciones, los GC interactúan con receptores en la membrana plasmática y la membrana mitocondrial y afectan sus propiedades fisicoquímicas y, por tanto, alteran su función.  Los GC también pueden unirse a GR citoplasmáticos (cGR) y a GR unidos a membrana (mGR) y modular la actividad de la proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK), provocando la regulación de otras rutas de señalización no GR. El impacto de las acciones no genómicas de los GC en las células óseas y la contribución a los efectos de los GC sobre el hueso se mantienen elusivos.

   La mayoría de los mecanismos moleculares de la acción de  los GC sobre el esqueleto derivan de estudios en ratones, especialmente en la investigación de la osteoporosis. En común con los humanos, los ratones tienen la fuerte disminución en la formación de hueso  y algunas cepas de ratones también exhiben el temprano inicio de la resorción. Sin embargo, hay algunas limitaciones con el uso de ratones. Primero, los ratones no tienen osteonas (sistema Haversiano) en el hueso cortical y, por consiguiente, los efectos de los GC sobre el hueso cortical pueden diferir de los efectos en humanos.  Segundo, hay una fuerte variedad en los efectos de los GC sobre el hueso con la relación a las diferentes cepas de ratones. Tercero, la aplicación de GC para causar osteoporosis varía grandemente con relación a los ligandos (dexametasona, prednisolona y otros), la ruta de aplicación (intraperitoneal, parches de liberación lenta, oral) así como la dosis y la duración.

   La terapia con GC de larga duración provoca efectos complejos en el hueso. Una rápida pérdida inicial de hueso es seguida por una lenta pero constante disminución de masa ósea. En particular, esto incrementa el riesgo de fractura en el cuello femoral y  las vértebras. Las acciones sistémicas de los GC, incluyendo disturbios en la absorción y reabsorción de Ca²⁺, los niveles de esteroides sexuales  y  hormona  de crecimiento y el incremento en la atrofia muscular, pueden contribuir a los efectos adversos de los GC sobre el hueso. Sin embargo, las acciones directas de los GC sobre las células óseas son más decisivas en el desarrollo de la GIO. Estas células son: los osteoblastos, derivados de células mesenquimales,   formadores de hueso; los osteocitos, descendientes de los osteoblastos, embebidos en la matriz, y los osteoclastos, descendientes de células hematopoyéticas, que reabsorben hueso. Osteoblastos, osteocitos y osteoclastos trabajan conjuntamente en las unidades de remodelación ósea para mantener la masa ósea. La resorción ósea es iniciada por la fusión de células precursoras de monocitos para formar osteoclastos en respuesta al ligando del receptor activador de NFκB (RANKL) y otros factores solubles y unidos a membrana. Además de los osteoblastos, los osteocitos también son fuente de factores inductores de osteoclastos, incluyendo RANKL y otros. Los osteoclastos generan una zona fruncida en lado basolateral y crean un compartimento ácido que permite la degradación de la matriz mineralizada. En condiciones normales, este proceso es finalizado por un mecanismo de acoplamiento pobremente entendido que termina con la actividad de los osteoclastos y activa a los osteoblastos para la formación de nuevo hueso seguido por la mineralización de la matriz ósea. Los disturbios de estos procesos provocan pérdida de hueso porque aumentan la resorción y/o disminuyen la formación de hueso.

   La actividad de los osteoclastos aumenta considerablemente en el inicio del exceso de GC, pero disminuye cuando se prolonga el exceso de GC. Esta actividad dual resulta de mecanismos complejos, y en parte opuestos, de los GC sobre la función y maduración de los osteoclastos. En particular, en sistemas de células, se observa la inducción de RANKL por la reducción simultánea de osteoprotegrina (OPG), inhibidor de la diferenciación de osteoclastos.  La expresión de RANKL está, al menos en parte, involucrada en la pérdida ósea mediada por GC. El desarrollo de osteoclastos a partir de precursores monocíticos es suprimido por GC, lo cual explica la disminución tardía de la resorción ósea durante el exceso de GC. Esto parece ser en parte debido a la alteración de la reorganización del citoesqueleto que influye en la actividad de Rac y la expresión de calpaína 6. El incremento en la longevidad de los osteoclastos podría explicar el aumento inicial de la resorción ósea.  Un estudio reciente en ratones reporta que el efecto inhibidor de los GC sobre la osteoclastogénesis es compensado por un incremento directo de la actividad de resorción ósea   de los restantes osteoclastos de una manera dependiente de la dimerización de GR, presumiblemente por un aumento de los niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS). Entonces, los GC actúan directamente sobre los osteoclastos, incrementando su actividad de resorción, y también provocan una disminución del recambio óseo en el largo plazo.

   La inhibición de la formación de hueso es la principal característica de la GIO. Esto resulta principalmente de la alteración de la función de los osteoblastos. El impacto de los GC sobre la abundancia y función de los osteoblastos también contribuye a su efecto sobre los osteocitos. Más aún, los efectos directos de los GC sobre los osteocitos frecuentemente provocan la muerte de estas células óseas, lo cual puede tener un impacto directo sobre la calidad del hueso. Las células progenitoras de osteoblastos son stem cells mesenquimales (MSC) con un potencial de diferenciación en al menos tres líneas celulares: adipocitos, osteoblastos o condrocitos. Estas MSC se localizan principalmente cercanas a los vasos sanguíneos y células perivasculares. Otros precursores de osteoblastos se localizan en el periostio. Numerosos estudios demuestran el rol decisivo de los GC en promover la diferenciación de las MSC. Algunos estudios sugieren que los GC contribuyen a la diferenciación de adipocitos y que esto podría ser a expensas de la diferenciación de osteoblastos, proporcionando un atractivo modelo para explicar dos efectos colaterales del exceso de GC, esto es, la redistribución de grasa y la GIO. La inhibición de la proliferación de osteoblastos por GC depende en parte de la regulación directa por el GR de activadores del ciclo celular, por ejemplo, CDK2, 4, 6, ciclina D, c-Myc y E2F-1 e inhibidores, incluyendo p21 y 27. La interferencia en las rutas de señalización de la MAPK por la inducción de la fosfatasa dual específica DUSP-1, un blanco directo del GR, mejora la proliferación de osteoblastos. 

   Uno de los mayores mecanismos de alteración de la formación de hueso es la inhibición de la proliferación de osteoblastos. El GR monomérico tiene un mecanismo que parece ser suficiente para suprimir la diferenciación de osteoblastos in vitro y la formación de hueso in vivo.  Las dosis farmacológicas de GC  reducen la expresión de factores de  transcripción claves para la osteoblastogénesis, incluyendo al factor de transcripción relacionado con runt 2 (RUNX2) y osterix (OSX). Por otra parte, los ligandos Wnt, los cuales son decisivos para la proliferación y diferenciación de osteoblastos, son reducidos, en particular WNT7B y WNT10. Por el contrario, la señal dependiente de proteína morfogénica de hueso 2 (BMP2) contrarresta fuertemente los efectos negativos de los GC sobre los osteoblastos. Los estudios recientes sugieren que, además de las proteínas reguladas por GC, los miARN podrían servir como efectores de la acción de los GC. La reducción de osteoblastos y la disminución de la formación de hueso también han sido atribuidas a la apoptosis inducida por GC. El tratamiento con GC aumenta la tasa de apoptosis de osteoblastos en humanos y ratones.  La apoptosis de osteoblastos es iniciada por la inducción de proteínas pro-apoptosis Bim y Bax, en parte a través de la inducción del factor de transcripción E4bp4. Simultáneamente, ocurre  una disminución de la proteína anti-apoptosis BcXL. Los GC activan la quinasa Pyk2 por inducción del flujo de Ca²⁺ provocando la activación de la quinasa Jun-N-terminal (JNK). Adicionalmente, al inducir la acumulación de ROS, los GC inclinan el balance hacia la muerte celular. Los GC, además de estimular la apoptosis, inducen la macro-autofagia en los osteoblastos y también en los osteocitos.

   Los vasos sanguíneos tienen un rol decisivo en la integridad y fuerza de los huesos. Un subtipo vascular especifico, llamado endotelio H, está acoplado con el crecimiento óseo, facilita un microambiente para células osteoprogenitoras y se pierde durante el envejecimiento. El aumento en la actividad del factor inducible por hipoxia 1 (HIF1) y la posterior expresión del factor decrecimiento del endotelio vascular (VEGF) incrementan la masa ósea y la expresión de genes marcadores de osteoblastos en ratones viejos. El exceso de GC parece disminuir la expresión de HIF1 y VEGF, afectando el volumen y la superficie vascular.

   Un problema clínico notable es el efecto negativo del exceso de GC sobre el crecimiento de los niños pro reducción del crecimiento óseo. El crecimiento longitudinal del hueso es controlado por el eje hormona de crecimiento (GH)-factor de crecimiento similar a insulina (IGF1), ambas hormonas actúan en la placa de crecimiento cartilaginosa en los huesos en crecimiento. El exceso de GC es acompañado por una disminución en los niveles y la acción de GH e IGF1.  Los GC exógenos inhiben la proliferación de condrocitos e incrementan la apoptosis de condrocitos hipertróficos en la placa de crecimiento, lo cual resulta en alteración del crecimiento óseo.

   El exceso de GC endógenos o concentraciones  farmacológicas de GC exógenos también activan al MR. Por tanto, se ha propuesto el concepto balance GR/MR para los tejidos que expresan ambos receptores, como el cerebro. Esto ha dado lugar a un nuevo concepto: en bajas concentraciones de GC, se activa primariamente el MR, mientras en altas concentraciones de GC se activa el GR y eventualmente ambos receptores ejercen funciones distintas. Más aún, se ha postulado la presencia de heterodímeros GR/MR. La presencia de ambos receptores ha sido reportada en osteoblastos, osteocitos y osteoclastos.  Por lo tanto, el concepto de balance GR/MR también podría ser válido para el hueso. El MR contribuye a la pérdida de hueso mediada por el exceso de GC eventualmente a través de su acción sobre los osteocitos, pero el rol del MR en los tipos de células óseas es menos importante que el del GR.

   Los GC endógenos son necesarios para el metabolismo del hueso. Los efectos de los GC endógenos pueden ser ejercidos por MR y GR. Debido a la mayor afinidad del MR hacia los GC, los efectos de las bajas concentraciones de GC podrían ser mediados por MR más que por GR. El MR impacta negativamente sobre la integridad ósea basal. Sin embargo, los tipos de células óseas involucrados se mantienen elusivos. En contraste con el bloqueo de MR, pero similar a la inhibición de la señal GC, la eliminación de GR en los osteoblastos disminuye el volumen óseo en los compartimentos trabeculares de los huesos. Entonces, los GC y el GR son ligeramente anabólicos en sitios óseos muy distintos (fémur, vertebras, tibia). Por el contrario, el MR es predominantemente catabólico. Los GC podrían participar en la resolución de la inflamación durante la cicatrización de las fracturas. Sin embargo, ellos tienen roles adversos y beneficiosos sobre las células óseas dependiendo del tipo de  exposición y el tiempo de exposición. El GR tiene un rol protector en la cicatrización de las fracturas determinando la respuesta inflamatoria y promoviendo la transición cartílago-hueso. Los GC, debido a que afectan la cicatrización de las fracturas y regulan la proliferación/apoptosis y la diferenciación de precursores óseos y células óseas maduras,  también están involucrados en la regeneración ósea. 

   En conclusión, los GC y su receptor GR afectan sustancialmente el metabolismo óseo. Los GC, vía GR, actúan localmente en las células óseas y modulan su proliferación, diferenciación y muerte. Los niveles elevados de GC, como ocurre durante la terapia con GC o en el estrés, alteran el crecimiento y la integridad del hueso, provocando retardo en el crecimiento y osteoporosis inducida por glucocorticoides, respectivamente. Los GC, debido a su profundo impacto sobre el sistema inmune y la diferenciación de las células óseas, afectan la regeneración ósea y la cicatrización de fracturas.

Fuente: Hachemi Y et al (2018). Molecular mechanisms of glucocorticoids on skeleton and bone regeneration after fracture. Journal of Molecular Endocrinology 61: R75-R90.