Reguladores de la mineralización ósea

El hueso tiene numerosas funciones incluyendo protección de órganos, homeostasis de calcio y fosforo y facilitación del movimiento. La composición del hueso comprende: (1) constituyentes orgánicos incluyendo proteínas colágenas (principalmente colágeno tipo 1) y proteínas no colágenas (osteocalcina, osteonectina, osteopontina (OPN) y sialoproteína del hueso (BSP)); (2) constituyentes no orgánicos incluyendo hidroxiapatita (HA), minerales y agua. En el hueso, una gran población de células (osteocitos) está en la matriz mineralizada. Las propiedades del hueso son una función de las proporciones relativas de estos constituyentes y de su estructura. El mantenimiento de la calidad del hueso es crítica para facilitar su función. Para asegurar esto, hay remodelación de la matriz ósea a lo largo de la vida  que involucra la función coordinada de dos tipos de células, los osteoblastos que forman hueso y los osteoclastos que resorben hueso. Durante la formación de hueso, los osteoblastos secretan una matriz extracelular (MEC) que contiene una variedad de proteínas colágenas y no colágenas que posteriormente se mineralizan. La mineralización controlada de este osteoide es crítica en las funciones especializadas del hueso.

   La formación de hueso y la resorción ósea son energéticamente costosas. Esto ha dado lugar a una hipótesis donde el metabolismo energético y la formación de hueso se regulan entre sí en un asa de retroalimentación. Un estudio reciente reporta el descubrimiento de la osteocalcina, una hormona secretada  específicamente por los osteoblastos para promover la sensibilidad a la insulina como evidencia del rol metabólico del hueso. Otros estudios reportan varios roles de los reguladores claves de la mineralización de la  MEC en procesos fisiológicos y patológicos.

   La mineralización del hueso depende de las concentraciones óptimas de calcio (Ca²⁺) y fosfato inorgánico (P_i), y los mecanismos precisos por los cuales el mineral que es embebido en las fibras de colágeno de la MEC es finamente regulado. Las sustancias reguladoras incluyen iones magnesio, carbonato, proteoglucanos, polifosfatos, moléculas polifosforadas, ligandos unidos a integrinas, glucoproteínas y proteínas no colágenas (incluyendo OPN, BSP, dentina sialofosfoproteínas y fosfoglucoproteínas de la matriz extracelular. Los mecanismos responsables del inicio de la mineralización de la matriz no son entendidos completamente. Algunos investigadores proponen que el templete de colágeno I extracelular preformado media la nucleación mineral. Otros investigadores proponen que las vesículas de la matriz (VM) controlan la acumulación localizada de Ca²⁺ y P_i. Las VM son pequeñas partículas (100-300 nm de diámetro) unidas a la membrana celular liberadas por osteoblastos y condrocitos que proporcionan un ambiente protegido localmente en el cual se acumula Ca²⁺ y P_i en un estado amorfo, un proceso que es regulado por una compleja red de rutas.

   Los reguladores hormonales sistémicos de la mineralización de la MEC incluyen 1,25-dihidroxivitamina D3, factor de crecimiento fibroblástico 23 (FGF23) y hormona paratiroidea (PTH). Estos reguladores controlan el balance de Ca²⁺ y P_i a través de acciones en intestino y riñón para asegurar la disponibilidad de Ca²⁺ y P_i  para la formación de HA en el hueso. El proceso de mineralización también es mediado por varios inhibidores, particularmente pirofosfato inorgánico (PP_i). El PP_i inhibe el crecimiento, la disolución y la formación de cristales de HA que contienen P_i y Ca²⁺. Por tanto, no es sorprendente que existan muchas proteínas en el hueso para asegurar el mantenimiento de una relación P_i/PP_i favorable para la mineralización. Esto puede ser entendido como una serie de rutas altamente reguladas para mantener la homeostasis mineral y evitar patologías.

   La ectonucleótido pirofosfatasa fosfodiesterasa-1 (ENPP1: EC 3.6.1.9) inhibe la mineralización mediante la generación extracelular de PP_i vía hidrólisis de ATP. La ANK, codificada por el gen anquilosis (Ank en ratones), facilita el transporte de PP_i intracelular al medio extracelular. La deficiencia de ENPP1 o ANK provoca una disrupción de la relación PP_i/P_i que resulta en mineralización patológica en humanos. Los ratones con una mutación en el locus Ank y por consiguiente con ANK no funcional, muestran un fenotipo reflexivo de los ratones Enpp1^-/- con anquilosis en las articulaciones y concomitantemente niveles disminuidos de PP_i. Por el contrario, la fosfatasa alcalina tejido-no específica (TNAP: EC 3.1.3.1), la cual está anclada en la membrana celular de  osteoblastos, condrocitos y VM hidroliza PP_i para remover este inhibidor y generar P_i  y así promover la formación de HA. La importancia de la TNAP para la mineralización  del esqueleto es demostrada en condiciones donde mutaciones inactivantes están presentes en el gen que codifica a la TNAP. La hipofosfatasia está asociada con disminución de la función enzimática y niveles aumentados que PPi, lo cual resulta en raquitismo, osteomalacia y dientes hipomineralizados. Los ratones Apk2 knockout presentan elevados niveles de PPi urinario y las anormalidades de la mineralización ósea que se observan en los pacientes con hipofosfatasia. La TNAP también regula la calcificación ectópica. El incremento en la actividad TNAP en los vasos sanguíneos está asociada con calcificación vascular medial, rigidez vascular e insuficiencia cardiaca.

   La fosfatasa orfan 1 (PHOSPHO1; EC: 3.1.3.7.5) es responsable de la generación de P_i para facilitar la mineralización del esqueleto a través de su actividad fosfatasa altamente específica. La PHOSPHO1, presente en la luz de las VM, exhibe alta especificidad por fosfocolina (PCho) y fosfoetanolamina (PEA), la cual  es degradada para generar P_i intravesicular. Adicionalmente, el co-transportador sodio/fosfato tipo III (Pit₁) es responsable del transporte de P_i en la VM, mientras la anexina 5 es responsable del transporte de Ca²⁺ en la VM.

   La enzima ENPP1 es reconocida como un factor patogénico de resistencia a la insulina (RI), una característica de los pacientes con diabetes mellitus tipo 2 (DMT2).  Los niveles de expresión de ENPP1 son elevados en músculo esquelético y tejido adiposo de humanos con RI. Más aún, la sobre expresión de ENPP1 afecta negativamente la acción del receptor de insulina en tejidos periféricos como hígado, músculo esquelético y tejido adiposo, lo cual resulta en disminución de la respuesta a la insulina. Por otra parte, la ablación de Enpp1 en ratones (Enpp1^-/-) resulta en pronunciada resistencia a la obesidad y la RI cuando los animales son alimentados con dieta rica en grasas. Como el hígado es la fuente primaria del PP_i circulante es posible que tenga un rol crítico en el efecto de la ENPP1 sobre la RI, aunque hasta el presente se conoce poco sobre los mecanismos precisos involucrados.

   La ANK (codificada por el gen ANKH (Ank en ratones)), es una proteína que facilita el movimiento de PPi a través de la membrana plasmática desde el citoplasma a la MEC. Una vez que ENPP1 ha sido establecido como gen candidato para fenotipos de obesidad, la comunidad científica ha dirigido su atención hacia los “socios funcionales” de  ENPP1, lo cual incluye a la ANK. En este contexto, un estudio reciente ha demostrado que ANKH está asociado con el peso corporal y el índice de masa corporal (IMC). El análisis genético reveló que los polimorfismos en ANKH  están asociados con el IMC y los niveles plasmáticos de leptina, lo cual sugiere que ANKH puede tener un efecto generalizado sobre la fisiología del tejido adiposo. Estos datos apoyan el concepto que la ANK tiene un rol crítico en la compleja red que conecta hueso, tejido adiposo y metabolismo de P_i.

   La PHOSPHO1, además de su rol en la biomineralización de cartílagos, dientes y huesos, tiene roles fisiológicos como una PCho/PEA fosfatasa en otros sistemas del cuerpo. Por ejemplo, durante la eritropoyesis, los eritroblastos inmaduros terminan su diferenciación mediante adaptaciones fenotípicas y transcriptómicas y la PHOSPHO1 es regulada al alza durante este proceso. La PHOSPHO1 es crítica para la diferenciación apropiada de eritroblastos a través de su rol en el metabolismo de PCho. Otros estudios han encontrado asociaciones entre PHOSPHO1 y desórdenes del metabolismo de lípidos.  El incremento en la metilación de locus en el gen PHOSPHO1 está asociada con riesgo de DMT2, un fenómeno que puede ser usado como biomarcador de la enfermedad. Más aún, el incremento en la metilación de PHOSPHO1 está relacionado con un aumento de lipoproteínas de alta densidad en suero. Aunque los mecanismos específicos son aún desconocidos, mucha evidencia sugiere que la PHOSPHO1 es crítica para el metabolismo de lípidos en la salud y la enfermedad. 

   Un estudio reciente reporta que la TNAP regula la neurogénesis en adultos, lo cual sugiere un rol crítico para función neuronal. Este hallazgo, demuestra que los pacientes con enfermedad de Alzheimer tienen un incremento en la actividad de la TNAP en el hipocampo asociado con un aumento de muerte neuronal. Más aún, la TNAP es aceptada como un regulador de la señal purinérgica, hidrolizando ATP y ADP para generar AMP. El rol de la señal purinérgica en el hueso fue identificado en 1991 siguiendo la observación que el ATP extracelular es importante para la función de los osteoblastos y puede incrementar el calcio intracelular. La señal purinérgica también es importante en la regulación de la inflamación, donde la conversión enzimática a AMP ayuda en la inducción de la respuesta anti-inflamatoria vía receptor de adenina. Dado que la ENPP1, otro regulador crítico de la señal purinérgica, exhibe roles notables en el hueso y el metabolismo energético, es posible especular que la TNAP también juega un rol regulador en el metabolismo energético global. Sin embargo, el soporte de la literatura en esto es escaso. Un estudio en pacientes no diabéticos con hiperinsulinemia y RI asociada reporta niveles aumentados de actividad TNAP en suero.

   Las características morfológicas y bioquímicas de la obesidad han sido asociadas con polimorfismos en el gen TNAP. Las investigaciones in vitro reflejan estas asociaciones, donde la expresión de TNAP es alta en cultivos de células similares a osteoblastos en presencia de niveles elevados de glucosa e insulina. Los modelos ratas con diabetes muestran disminución de la actividad TNAP en el cerebro, indicando un rol neurológico de la TNAP. Esto apoya la noción que la TNAP es importante para la funcionalidad del cerebro (neuronal) y que la TNAP juega roles multi-factoriales en el cuerpo.

   El ligando del receptor activador de NF-κB (RANKL) es responsable de la activación y formación de osteoclastos a través de su unión al receptor RANK, mientras la osteoprotegrina (OPS) inhibe la osteoclastogénesis. La administración de anticuerpos neutralizantes contra RANKL (Denosumab) resulta en una mejoría de la fuerza muscular en mujeres postmenopáusicas con osteoporosis debido a la inhibición de la actividad y formación de osteoclastos. El RANK regula la homeostasis de la glucosa. En ratones, la inhibición de la actividad de RANK específicamente en el hígado previene la intolerancia a la glucosa inducida por dieta. Por otra parte, la estimulación de la ruta NFκB en células hepáticas expuestas a RANKL resulta en un incremento en la expresión de genes pro-inflamatorios, un fenómeno asociado con RI en el hígado y alteraciones de la homeostasis la glucosa. Las investigaciones recientes revelan que el RANKL puede ser usado como un predictor de riesgo de DMT2. Estos estudios revelan que el incremento en la expresión de RANK aumenta la activación de NFκB y por tanto aumenta las rutas de señalización de inflamación tanto hepática como sistémica.

   La hormona FGF23 es uno de los tres FGF endocrinos, que también incluye a FGF19 y FGF21. El FGF23 es secretado por osteoblastos y osteocitos y juega un rol crítico en la homeostasis mineral. El FGF23 es una fosfotonina y su rol clásico es promover fosfaturia incrementando la excreción de P_i vía renal. La señal FGF23 se lleva a cabo a través de la unión al complejo formado por  el receptor FGFR1 y la proteína kloto, la cual  puede estar unida a la membrana celular o circulante en la forma soluble. Esta acción promueve la señal Ras/proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK) y los cambios subsiguientes en la expresión de genes tejido-específica, incluyendo la regulación a la baja de PTH y la expresión del transportador de fosfato dependiente de sodio (NaPi2a). El aumento de la señal en varios tipos de células incluyendo hepatocitos, células inmunes (macrófagos y neutrófilos) y células cardíacas (miocitos y fibroblastos) ha sido asociado con patologías como hipertrofia ventricular izquierda, insuficiencia cardiaca, DMT2 y enfermedad renal crónica. En estos escenarios patológicos, la señal FGF23 a través del complejo FGFR1 de una manera dependiente de kloto es una ruta menor. La señal independiente de kloto ocurre primariamente a través del FGFR4 e induce la cascada de señalización calcineurina/factor nuclear de células T activadas (NFAT). Esta señal patológica es debida a un aumento de FGF23 plasmático y la concomitante disminución de kloto.

   En conclusión, los reguladores de la mineralización de la MEC son claves para la formación y el mantenimiento del esqueleto, y sus roles se extienden a funciones cruciales de otros sistemas. Varios estudios reportan que los reguladores de la mineralización están asociados con una variedad de condiciones incluyendo regulación del metabolismo, RI, salud cardiovascular y DMT2. Estos hallazgos sugieren que los mecanismos a través de los cuales los reguladores de la mineralización ósea ejercen sus efectos sistémicos y en tejidos específicos, son más complicados y variados que lo que se pensaba inicialmente. Es evidente que los reguladores de la mineralización ósea (factores endocrinos, fosfatasas y fosfodiesterasas) ejercen efectos sistémicos y están involucrados en una variedad de condiciones fisiológicas y patológicas.

Fuente: Roberts F et al (2020). Beyond mineralisation: metabolic functions for matrix mineralisation regulators. Journal of Endocrinology 245: R11-R22.