Piroptosis en osteoblastos

La osteoporosis en una enfermedad del metabolismo óseo con características de deterioro del tejido óseo y disminución de la densidad ósea. El riesgo de fractura incrementa considerablemente porque aumenta la fragilidad ósea, especialmente en cadera, vertebras y antebrazo distal. El hueso es un tejido activo que continuamente es resorbido y formado en un proceso conocido como remodelado óseo, el cual es llevado a cabo por dos tipos principales de células: osteoclastos y osteoblastos. La osteoporosis se desarrolla cuando la tasa de resorción ósea excede a la de formación de hueso, y es causada por envejecimiento natural o por condiciones patológicas. Tales condiciones incluyen baja ingesta de calcio, deficiencia de estrógenos en mujeres postmenopáusicas, enfermedades autoinmunes como artritis reumatoidea y reacciones adversas de algunas drogas.

   En el proceso de osteoporosis está involucrado un gran número de factores inflamatorios y rutas de señalización inflamatoria, lo cual indica que hay  mecanismos entre la ocurrencia de inflamación y la osteoporosis que aún no han sido explorados. La piroptosis, una clase de muerte celular programada, se correlaciona altamente con la inflamación. Comparada con la apoptosis, la piroptosis media el desarrollo de muchas enfermedades inflamatorias. Los estudios demuestran que los fenotipos celulares de piroptosis son manifiestos en la osteoporosis, aunque la conexión entre osteoporosis y piroptosis no ha sido definitivamente reportada hasta ahora.

   La piroptosis fue descrita por primera vez en 1992 por Zychlinsky y sus colaboradores y es definida por el Nomenclature Committee on Cell Death (NCCD) como una muerte programada mediada por gasdermin, la cual causa hinchazón de la célula hasta que se rompe la membrana celular, causando la liberación del contenido celular y activando una fuerte respuesta inflamatoria. La piroptosis puede ser iniciada por la caspasa-1 o la caspasa-11,  la caspasa-1 puede ser activada por una variedad de inflamasomas, los cuales son complejos  de señalización multi-proteínas. Una vez activados, los inflamasomas se ensamblan para formar un complejo macromolecular intracelular y convertir al precursor de la caspasa-1 en su forma activa. La caspasa-1 divide a la gasdermin-D en un dominio GSDMD-C terminal hidrofílico y un dominio GSDMD-N terminal lipofílico. El dominio N-terminal es anclado en la membrana celular y polimeriza compuestos oligómeros de 10-20 nm de diámetro, los cuales alteran la barrera de permeabilidad regular de la membrana plasmática a través  un gradiente de concentración de sodio y potasio, provocando un cambio de presión osmótica. Cuando el número de poros excede la capacidad compensadora de la célula, el agua fluye vía gradiente osmótico y la célula se hincha, se rompe y muere. Más aún, durante este proceso, los precursores de IL-1β e IL-18 también son atacados en su forma madura por la caspasa-1 y liberados a través de los poros de gasdermin D o más tarde durante la ruptura de la membrana. Po otra parte, células inmunes adicionales pueden ser reclutadas durante este proceso para  disparar una respuesta inflamatoria, la cual a su vez induce la piroptosis.

   La caspasa-11 también puede mediar la piroptosis vía una ruta no canónica, puede reconocer y unirse directamente con lipopolisacáridos (LPS) citoplasmáticos con la intervención de IFN-γ para iniciar la piroptosis. La caspasa-11 también actúa sobre la gasdermin D independientemente y produce un fragmento N-terminal que se oligomeriza y combina con la membrana celular para formar poros piroptóticos. La caspasa-11, a diferencia de la caspasa-1,  es incapaz de actuar directamente sobre los precursores de IL-1β e IL-18 aunque es un efector esencial de la activación no canónica de la caspasa-1 y la secreción de la forma madura IL-1β e IL-18.

   La piroptosis es una reacción inflamatoria clásica que induce la activación de linfocitos T y macrófagos. La excesiva piroptosis puede provocar altos niveles de muerte celular, lesión tisular e insuficiencia de los órganos, y causar inflamación autoinmune o shock séptico resultando en daño irreversible en el cuerpo. Numerosas investigaciones indican que la piroptosis está conectada con otras enfermedades que atacan casi todos los órganos o tejidos del cuerpo. Por ejemplo, la piroptosis está estrechamente relacionada con varias infecciones bacterianas, virales y por hongos. La piroptosis es de gran importancia en la patogénesis de muchas enfermedades cardiovasculares, como la ateroesclerosis con la activación del NLRP3. Más aún, algunos estudios reportan altos niveles de NLRP1 cerebral, in vitro e in vivo, en la enfermedad de Alzheimer, indicando el importante rol de la ruta NLRP1/caspasa-1 en la progresión de esta enfermedad. Adicionalmente, la evidencia sugiere que la piroptosis interviene en el desarrollo de la mayor parte de enfermedades metabólicas y enfermedades  inflamatorias espontáneas. La piroptosis participa en la patogénesis de la osteoporosis principalmente activando al NLRP3 y secretando la forma madura de IL-1β e IL-18. Por tanto, IL-1β e IL-18 son nodos importantes de la piroptosis mientras el NLRP3 es un efector clave de la piroptosis.

   La activación de células T y macrófagos por la piroptosis puede inducir la liberación de citoquinas, incluyendo IL-1β, IL-18, interferón-γ (IFN-γ). TNF-α, etc. Más aún, la IL-1β es secretada fuera de la célula durante la piroptosis. Por tanto, durante la piroptosis, ocurre una considerable elevación de IL-1β que regula al alza la formación de osteoclastos de varias maneras. Por ejemplo, en ratones, la Il-1β puede estimular la formación de hueso y la reabsorción ósea sistemáticamente y tiene un efecto de larga duración sobre el remodelado óseo. Por otra parte, la IL-1β induce la expresión  de RANKL en stem cells  mesenquimales (MSC) y afecta directamente a los osteoclastos aumentando la expresión de RANK. Más aún, un estudio reciente demuestra que la sobre expresión del gen IL-1α puede causar osteopenia en ratones hIL-1α Tg.

   Hay 11 miembros en la familia de citoquinas IL-1 y la IL-1β es el principal blanco terapéutico para una variedad de condiciones inflamatorias. La IL-1β se une a su receptor e inicia la transducción de la señal IL-1, la cual incluye la cascada de la proteína quinasa activada por mitogeno (AMPK) y la ruta NF-κB. Estas rutas de señalización causan la activación de algunos factores de transcripción como la c-Jun N-terminal quinasa (JNK), Ap-1, NF-κB y p38 AMPK. La IL-1 estimula la osteoclastogénesis indirectamente a través de la regulación al alza de la producción de RANKL a partir de células T. La unión de la IL-1β a su receptor en linfocitos T, linfocitos B y macrófagos promueve la producción de RANKL, el cual se combina con el RANK de las células precursoras de osteoclastos y contribuye a la diferenciación y activación de osteoclastos. La IL-1 endógena aumenta el RANKL de células de médula ósea y este efecto es mediado por mecanismos asociados con el aumento de actividad de JNK. Más aún, la IL-1β puede activar osteoclastos incrementando la producción de factor estimulante de colonias de macrófagos (M-CSF) y también inhibe la apoptosis de osteoclastos. La IL-1 también tiene un impacto sobre los osteoblastos. La IL-1α inhibe la diferenciación de osteoblastos a través de las rutas JNK y p38 MAPK. Los osteoblastos pierden sus capacidades en un ambiente inflamatorio.

   La IL-1 es también un mediador crucial de la osteogénesis mediada por TNF, El TNF y la IL-1 están involucrados inicialmente en diferentes rutas de señalización, las cuales se fusionan con la activación de NF-κB y la estimulación del sistema MAPK. La IL-1 puede ser un mediador indispensable de la formación de osteoclastos inducida por TNF.  Por tanto, el efecto de las dos citoquinas proporciona una señal efectiva para la osteoclastogénesis, inhibir la función osteoblástica y regular el curso de la vida de las células esqueléticas. La prolongación del tiempo de vida de los osteoclastos puede representar una contribución crucial hacia la aceleración de la resorción ósea. La IL-1 regula el efecto osteoclastogénico del TNF-α estimulando directamente la diferenciación de los precursores de osteoclastos y aumentando la expresión de RANKL en las células del estroma.

   Las células dendríticas (CD) son reconocidas células presentadoras de antígenos capaces de activar eficientemente a los linfocitos T y también son capaces de diferenciarse en osteoclastos in vitro en un estadio temprano de desarrollo. Las CD inmaduras pueden ser inducidas en osteoclastos con la asistencia de M-CSF y RANKL. Las CD contribuyen indirectamente con la osteoclastogénesis y su principal capacidad es activar células T, las cuales pueden producir RANKL y estimular la diferenciación de osteoclastos. La formación de osteoclastos derivada de CD es más rápida y más eficiente en términos de tasa de fusión que la clásica ruta de formación de osteoclastos derivada de monocitos. IL-1β y TNF-α pueden incrementar la resorción ósea y la fusión de CD en osteoclastos cuando M-CSF y RANKL están presentes con mayor eficiencia que cuando solo están presentes la IL-1βy el TNF-α. La IL-1β puede inducir la transdiferenciación de CD en osteoclastos.

   La IL-18 también es secretada fuera de la célula vía caspasa-1. Después de combinarse con su receptor, la IL-18 exhibe rutas de señalización con receptores IL-1 y receptores similares a toll (TLR) y activa muchos factores de transcripción, como NF-κB, AP-1 y MAPK. La IL-18 también puede estimular la producción de INF-γ, GM-CSF y TNF-α. La IL-18 puede facilitar la diferenciación de osteoclastos a través de varias rutas, incluyendo la producción de INF-γ por células “killer” naturales y actuando sobre células T. In vivo, el IFN-γ tiene efectos pro-osteoclastogénesis indirectos y efectos anti-osteoclastogénesis directos, y el balance neto de las dos fuerzas opuestas se inclina hacia la resorción ósea en condiciones inflamatorias. Por tanto, la IL-18 promueve la osteoclastogénesis a través del incremento de la producción de IFN-γ en la condición inflamatoria causada por la piroptosis. La IL-18 también puede regular al alza la producción de IL-17, la cual puede inducir directamente la diferenciación de monocitos humanos en osteoclastos en presencia de TNF-α y RANKL. La IL-17, como la IL-1β, puede inducir la transdiferenciación de CD en osteoclastos. 

   Hay dos señales requeridas para la activación del inflamasoma NLRP3: la ruta dependiente de NF-κB y agonistas que inducen la oligomerización. La ruta dependiente de NF-κB es de gran significado en la diferenciación de osteoclastos. Por tanto, la excesiva activación de inflamasomas podría jugar un rol en la ocurrencia y desarrollo de enfermedades inflamatorias/autoinmunes. Las especies reactivas de oxígeno (ROS) son producidas por algunos activadores de inflamasomas NLRP3 y son disparadoras claves de la formación y activación de inflamasomas NLRP3. Las ROS también son moléculas efectoras en procesos patológicos. Cuando los inflamasomas NLRP3 son activados, la respuesta inflamatoria local ocurre con producción de ROS y citoquinas. Si las ROS derivadas de la activación de NLRP3 son generadas significativamente ocurre estrés oxidativo intracelular y extracelular, lo cual contribuye a procesos fisiopatológicos y enfermedades. Por ejemplo, estudios recientes indican que las ROS son componentes importantes en la patogénesis de la osteoporosis a través de la regulación al alza de la diferenciación de osteoclastos y la facilitación de la resorción ósea. La excesiva resorción ósea debida a  la sobre activación de osteoclastos por las ROS, eventualmente resulta en osteoporosis.

   El NLRP3 juega un rol clave en la osteoporosis inducida por inflamación porque afecta a los osteoblastos y, por tanto, inhibe la osteogénesis. Los osteoblastos expresan NLRP3, el cual media la muerte celular inducida por bacterias y participa en la pérdida de hueso durante la inflamación. El NLRP3 es considerado esencial en muchas infecciones bacterianas. Cuando aumentan los inflamasomas NLRP3, se activa la ruta caspasa-1 y los niveles de expresión de IL-1 e Il-18 son regulados al alza, resultando en la muerte de osteoblastos. Aunque no está explícitamente establecido, este hallazgo es evidencia de la piroptosis en los osteoblastos. La viabilidad de los osteoblastos aumenta significativamente cuando el NLRP3 es inhibido o inactivado.

   En conclusión, bajo condiciones inflamatorias, una serie de moléculas activan la caspasa-1 que separa de la gasdermin D un fragmento N–terminal con la participación de la caspasa-11. Los fragmentos N-terminal son anclados en la membrana celular y provocan hinchazón de la célula y muerte celular vía formación de poros piroptóticos. Los precursores de IL-1 e IL-18 son procesados por la caspasa-1 durante la piroptosis y secretados en el medio extracelular con restos celulares, lo cual agrava la condición inflamatoria. IL-1β e IL-18 pueden directa o indirectamente facilitar la diferenciación de stem cells hematopoyéticas y preosteoclastos en osteoclastos maduros, lo cual provoca la excesiva formación de osteoclastos. La formación de osteoclastos excede a la de osteoblastos provocando un incremento de la resorción ósea y un desbalance en el remodelo óseo, lo cual resulta en osteoporosis. Más aún, la estimulación de la osteoclastogénesis por la piroptosis puede ser más obvia en la osteoporosis relacionada con la edad debido a la acción dual de las ROS como factor disparador y efector de inflamasomas NLRP3. Por tanto, varios estudios sugieren que la piroptosis es la principal patogénesis de la osteoporosis. Cuando el cuerpo es expuesto a estímulos externos, como infección bacteriana, deficiencia de estrógenos o envejecimiento, son activadas muchas rutas inflamatorias, aumenta la secreción de IL-1β e IL-18 y los inflamasomas NLRP3 amplifican esta señal. La piroptosis ocurre en osteoblastos, lo cual activa los osteoclastos y provoca la agravación de la pérdida de hueso.

Fuente: Tao Z et al (2021). Pyroptosis in osteoblasts: a novel hypothesis underlying the pathogenesis of osteoporosis. Frontiers in Endocrinology 11: 548812.