Microbiota intestinal y respuesta del hueso a la PTH

El término “microbioma” se refiere a la colección de microorganismos, sus genomas y sus interacciones en un determinado ambiente. Las superficies expuestas del cuerpo están colonizadas con 100 trillones de bacterias, hongos y virus, creando un ecosistema diverso conocido como el microbioma humano. El tracto gastrointestinal presenta el mayor número de estos microorganismos, los cuales regulan la nutrición, el metabolismo y la función del sistema inmune en los humanos. La colonización microbiana del tracto gastrointestinal comienza en el nacimiento hasta alcanzar una comunidad taxonómica diversa en la adultez. Los microbios intestinales florecen en un ambiente que es rico en nutrientes y confieren efectos beneficiosos al huésped mejorando la extracción de energía de los alimentos, la exclusión de bacterias patógenas y la estimulación del desarrollo de los tejidos. Las bacterias de la luz intestinal también tienen una influencia beneficiosa en la homeostasis tisular en el intestino aumentando la proliferación y supervivencia tisular y reforzando la función de barrera. Estas observaciones demuestran que hay una asociación activa y dinámica entre los microbios que residen en el intestino y las células del huésped.

   La transmisión materna es el determinante clave de la composición de la microbiota intestinal en recién nacidos. En los niños, la microbiota intestinal alcanza una composición similar a la del adulto aproximadamente a los tres años de edad, a través de la transmisión materna y la cohabitación cercana. Este fenómeno es conocido como herencia microbiana. A los tres años de edad, la microbiota intestinal se vuelve resistente a la colonización por nuevos microorganismos. Una vez adquirida, la mayoría de las cepas son retenidas en un individuo por décadas. En adultos, las modificaciones de larga duración de la microbiota intestinal requieren cambios significativos en la dieta, cambios en el estatus de salud del huésped,  manipulaciones extensas como el tratamiento de larga duración con antibióticos o trasplantes de heces. La composición de la microbiota intestinal tiene profundos efectos sobre el estatus inmune del huésped e impacta el desarrollo y/o progresión de enfermedades inflamatorias. En este contexto, numerosos estudios han demostrado diferencias en la microbiota intestinal de pacientes con o sin una condición inflamatoria determinada, aunque no está claro si la disbiosis observada es una causa o una consecuencia de la enfermedad subyacente.

   La microbiota intestinal modula respuestas inmunes sistémicas. Por ejemplo, los microbios residentes en el intestino tienen una robusta influencia sobre la emergencia y/o el mantenimiento de células T CD4+. Otros ejemplos son los efectos de bacterias específicas sobre la emergencia de células  Th17 y el impacto de los Bacteroides fragilis en la diferenciación de células Treg. Las anormalidades en la composición de la microbiota intestinal (disbiosis) son suficientes para agravar patologías intestinales relacionadas con el sistema inmune como la enfermedad inflamatoria intestinal.

   Otra actividad clave de la microbiota intestinal es la producción de metabolitos que son capaces de viajar a órganos distantes y ejercer importantes efectos biológicos. Los derivados indol están entre los primeros metabolitos bacterianos descritos que influyen en la inmunidad intestinal. Por ejemplo, el 4-etilfenol sulfato, un metabolito producido por saprófitos intestinales, regula conductas humanas y ha sido implicado en el autismo. El factor de crecimiento  similar a insulina 1 (IGF-1), producido predominantemente en el hígado en respuesta a la ingesta de alimentos y regulado por microbios y productos microbianos, fue el primer metabolito identificado como un vínculo en el eje intestino-hueso. Otra molécula reguladora del hueso es el sulfuro de hidrogeno (H₂S), un transmisor gaseoso generado por células gastrointestinales y por bacterias residentes en el intestino. La microbiota intestinal aporta una porción sustancial de los niveles sanguíneos de H₂S. El H₂S, a su vez, puede modificar la composición de la microbiota intestinal. El H₂S ha sido implicado en la enfermedad intestinal inflamatoria y otras condiciones gastrointestinales patológicas. El H₂S estimula la formación de hueso y el desarrollo postnatal del esqueleto. Sin embargo, la familia de metabolitos producidos por las bacterias intestinales que ha recibido la mayor atención por su capacidad para llegar a órganos distantes e inducir potentes efectos reguladores son los ácidos grasos de cadena corta (AGCC). Estos metabolitos emergieron como poderosos  controladores de células inmunes y, más recientemente, son reconocidos como reguladores de la resorción ósea y la formación de hueso.

   Los estudios en humanos y animales han implicado a la microbiota intestinal como regulador de la densidad mineral ósea en salud y enfermedad. Por ejemplo, un estudio con humanos describe una correlación entre diversidad de la microbiota intestinal y osteoporosis, mientras otro estudio demuestra que los sujetos con alta densidad mineral  ósea tienen pocos Bacteroidetes y  abundantes Firmicutes. La microbiota intestinal también es relevante para la respuesta del esqueleto a condiciones patológicas. Por ejemplo, la presencia de microbiota intestinal es requerida por la deficiencia de estrógenos y glucocorticoides para causar pérdida de hueso. Es también conocido que el tratamiento con antibióticos incrementa la densidad mineral ósea en ratones, mientras la  recolonización bacteriana después del tratamiento con antibióticos causa pérdida de hueso. El mecanismo por el cual los antibióticos incrementan la densidad mineral ósea incluye una disminución de IGF-1 en suero que reduce la formación de hueso e incrementa la resorción ósea debido a la activación de células inmunes por la microbiota intestinal y su posterior migración a la médula ósea.

   La hormona paratiroidea (PTH) juega un rol regulador clave en el metabolismo del calcio, defendiendo al organismo contra la hipocalcemia. La PTH actúa a través de la movilización de los depósitos de calcio del esqueleto por estimulación de la diferenciación de osteoclastos y, por consiguiente, promoviendo la resorción ósea. La excesiva producción crónica de PTH es causa de enfermedades del esqueleto y extra-esqueléticas. El hiperparatiroidismo primario y secundario es minimizado por la infusión continua de PTH (cPTH). Por el contrario, cuando la PTH es administrada diariamente, un régimen conocido PTH intermitente (iPTH), la hormona estimula marcadamente la formación de hueso trabecular y cortical. Aunque esta actividad formadora de hueso es antagonizada, en parte, por la estimulación de la resorción ósea, el efecto neto de la iPTH es el mejoramiento de la microarquitectura ósea y un incremento en la fuerza del hueso. Como resultado, inyecciones diarias de un fragmento activo de la PTH humana, conocido como teriparatide, disminuye el riesgo de fracturas en humanos y es una modalidad de tratamiento aprobada por la FDA para la osteoporosis postmenopáusica.

   La PTH actúa por unión al receptor PTH-PTHrP (PPR), el cual es expresado en células del estroma, osteoblastos, osteocitos y células T. Un mecanismo clave por el cual la PTH estimula la resorción ósea es la inducción de RANKL por los osteocitos. La PTH promueve la formación de hueso incrementando el número de osteoblastos. Esto se lleva a cabo a través de activación de células del linaje osteoblástico, el incremento en la proliferación y diferenciación de osteoblastos, la atenuación de la apoptosis de osteoblastos y el incremento de la señal del PPR en osteocitos. Las contribuciones relativas de cada uno de estos mecanismos en la actividad anabólica  de la PTH aún son controversiales.

   En años recientes emergió una conexión entre el sistema inmune y la actividad de la PTH en el esqueleto, revelando que las células T son requeridas para el mecanismo de acción de la cPTH en el hueso. Estudios adicionales revelaron que el hiperparatiroidismo primario en humanos y la infusión de cPTH en ratones promueven la diferenciación de células T CD4+ en células Th17 a través de una ruta dependiente de TNF, expandiendo el tamaño del pool de células Th17 en la médula ósea. Las células Th17 son un linaje de células pro-osteoclastogénicas de células CD4+  definidas por su capacidad para producir interleuquina (IL)-17. Las células TH17 inducen la osteoclastogénesis secretando IL-17, RANKL, TNF, IL-1 e IL-6. La IL-17 se une al receptor IL-17R y estimula la liberación de RANKL por osteoblastos y osteocitos. La IL-17 tiene un rol crítico en la pérdida de hueso inducida por la cPTH y actúa sobre los osteocitos para que liberen RANKL cuando son estimulados por PTH. Esta hipótesis concuerda con los reportes que indican que la cPTH induce la producción de RANKL por los osteocitos y la pérdida de hueso.

   En el ratón, las células TH17 son producidas predominantemente en la lámina  propia intestinal, donde su desarrollo es influenciado por la presencia de bacterias segmentadas filamentosas (BSF), las cuales forman esporas e inducen la diferenciación de células Th17. Varios patógenos que causan infección como Candida albicans y Citrobacter rodentium también expanden las células TH17 en intestino de ratón. En ratones sanos, los cuales tienen saprófitos pero carecen de una carga significativa de patógenos, las BSF son requeridas para la expansión intestinal de células Th17.  En humanos, aproximadamente 20 especies de bacterias saprófitas similares a BSF causan la expansión intestinal de células Th17. Entre ellas están: Bifidobacterium adolescentis, Staphylococcus saprophyticus, Klebsiella, Enterococcus faecalis y Acinetobacter baumanii.

   La PTH causa la expansión de células TH17 en el intestino delgado, estimulando su diferenciación de una manera dependiente de la presencia de BSF. Sin embargo, las BSF requieren la estimulación concomitante de elementos adicionales de la microbiota intestinal. Un mecanismo clave por el cual la PTH expande las células Th17 intestinales está relacionado con su capacidad para estimular la producción del factor de crecimiento transformante-β (TGFβ) y para expandir las células T que producen TNF (TNF⁺ TCells) a través de un mecanismo mediado por componentes bacterianos como lipopolisacáridos (LPS) y flagelina. Las células Th17 expresan el receptor de esfingosina 1 fosfato (S1PR) y salen del tejido linfoide intestinal cuando son atraídas por la S1P circulante. Una vez en la circulación, las células TH17 actúan en sitios periféricos distantes (pulmones, riñones, articulaciones) con inflamación. La cPTH provoca la migración de células Th17 intestinales a la médula ósea, donde liberan IL-17 y causan pérdida de hueso. Los mecanismos responsables de la migración de células Th17 a la médula ósea son complejos e involucran al TNF. La primera etapa crítica es la capacidad de la cPTH para expandir las células TNF⁺T. Las células TNF⁺T también residen en el tejido linfoide intestinal y expresan S1PR1 y entran en la circulación sistémica atraídas por la S1P circulante. Las células TNF⁺T también expresan el receptor de quimioquinas CXCR3 que se une a CXCL9, CXCL10 y CXCL11, las cuales son ligandos expresados por varias células de la médula ósea, incluyendo células del estroma y monocitos. Una vez en la  circulación sistémica, las células TNF⁺T de origen intestinal alcanzan la médula ósea gracias al gradiente CXCR3/CXCL9/10/11, causando la expansión del pool de células TNF⁺T de la médula ósea y un  incremento en los niveles de TNF en la médula ósea. El TNF regula al alza la expresión de CCL20 por las células del estroma de la médula ósea. La CCL20 es el ligando para el receptor de quimioquina CCR6, el cual es expresado por las células Th17. Entonces, la regulación al alza de CCL20 manejada por el TNF causa la entrada de células Th17 en la médula ósea.  

   La iPTH incrementa marcadamente el volumen y la fuerza del hueso debido a una estimulación de la formación de hueso. La iPTH induce la proliferación y diferenciación de osteoblastos y atenúa la apoptosis de osteoblastos. Estas acciones de la PTH se deben a la capacidad de las células T para activar la señal Wnt en osteoblastos. La iPTH activa la señal Wnt a través de múltiples mecanismos,  incluyendo el bloqueo de la producción de osteocitos por la esclerostina, inhibidora de WNT, y la disminución de la producción de osteoblastos por el inhibidor de Wnt, Dkk1. Adicionalmente, el tratamiento con teriparatide e iPTH activa la señal Wnt induciendo la producción de Wnt10b, un ligando Wnt osteogénico secretado por las células T. Por otra parte, los efectos anabólicos de la iPTH en el hueso cortical son completamente independientes de  células T, debido al hecho que las células T no tienen contacto con la superficie periosteal y tienen limitada capacidad para comunicarse con los osteocitos. La iPTH causa un incremento en el número de células T reguladoras (Treg) en la médula ósea en humanos y ratones, las cuales son requeridas por la iPTH para ejercer su  actividad anabólica en el hueso. Las células Treg son supresoras de las células T CD4+ que juegan un rol esencial en el mantenimiento de la tolerancia inmune.  Por otra parte, la represión de células T CD8+ por las células Treg promueve la unión del complejo  NFAT1/2 y SMAD3 a la región promotora de Wnt10b que estimula la expresión del gen Wnt10b en las células T CD8+. El efecto regulador de la iPTH sobre la producción de Wnt10b ha sido confirmado en humanos.

   Las células Treg son importantes reguladores del remodelado óseo. Las células Treg residen preferencialmente en la superficie endosteal del hueso donde regulan la formación de osteoclastos, bloquean la resorción ósea y  previenen la pérdida de hueso inducida por ovariectomía. Adicionalmente, las células Treg son reconocidas como mediadoras de la actividad anabólica en el hueso del probiótico Lactobacillus rhamnosus GG (LGG). La diferenciación de células T CD4+ en células Treg es inducida por AGCC. Muchas especies bacterianas de la microbiota intestinal de animales y humanos pueden digerir carbohidratos para generar los AGCC butirato, propionato y acetato. Esto sugiere que la generación de AGCC por la microbiota intestinal puede promover la diferenciación de células Treg en la médula ósea, lo cual es clave para la actividad anabólica de la iPTH en el hueso. Esta hipótesis ha sido validada en un estudio reciente que demuestra que la producción de cantidades permisivas de butirato por la microbiota intestinal es requerida por la iPTH para inducir anabolismo óseo en ratones. Este estudio demuestra claramente que la iPTH no induce  anabolismo óseo en ausencia de la microbiota intestinal. El butirato estimula la diferenciación de células Treg a través de múltiples mecanismos, incluyendo efectos independientes de receptor y activación de células dendríticas mediada por receptor. El receptor de butirato GPR43 juega un rol clave en el mecanismo por el cual el butirato potencia la actividad de la iPTH. Sin embargo, es importante señalar que cuando el butirato circula en concentraciones 2 o 3 veces por arriba del nivel fisiológico, como en el caso de ratones tratados con probióticos, este AGCC puede regular al alza directamente la diferenciación de células Treg, mientras que cuando el butirato circula en dosis fisiológicas, requiere estímulos adicionales como el tratamiento con iPTH para inducir la expansión de células Treg. Entonces, los niveles fisiológicos de butirato ejercen la función permisiva para la inducción de la expansión de células Treg por la iPTH.

   En conclusión, la PTH es una hormona calciotrópica crítica para el desarrollo del esqueleto. La microbiota intestinal juega un rol clave en las actividades de la PTH en el esqueleto. La PTH estimula la formación de hueso e induce anabolismo óseo a través de la ruta de señalización Treg/Wnt10b/Wnt. Las células T CD8+ de la médula ósea responden a la PTH y al AGCC butirato liberando Wnt10b. Más aún, la PTH y el butirato incrementan la producción de Wnt10b por las células T CD8+ a través de la expansión del pool de células Treg. La ingesta de alimentos interrumpe la secreción de PTH, causando que el patrón de liberación de PTH cambie de continuo  a intermitente. Solamente cuando la PTH es producida intermitentemente ejerce una actividad anabólica neta en el hueso. Esta actividad involucra a las células Treg y al Wnt10b. La generación de AGCC por la microbiota intestinal es un evento relacionado con la ingesta de alimentos y los AGCC actúan concertadamente con la liberación intermitente de PTH para la expansión del pool de células Treg y la estimulación de la formación de hueso.

Fuente: Pacifici R (2021). Rol of gut microbiota in the skeletal response to PTH. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism 106: 636-645.