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Mecanotransducción y efecto de los
corticoides sobre el osteocito
Dra. Carola BozalCátedra de Histología y EmbriologíaFacultad de Odontología, UBA
Osteoporosis inducida por glucocorticoides (GIO)
“The greatly compressed bodies of the vertebrae . . .were so soft they could easily be cut with a knife.”—Harvey Cushing, 1932
-Asociada al Hipercortisolismo endógeno (Sindrome de Cushing)
- Secundaria al tratamiento de enfermedades crónicas
3º causa de osteoporosis (luego de la postmenopáusica y por edad avanzada)
1º causa de osteoporosis secundaria
Características histológicas de la Osteoporosis inducida por glucocorticoides (GIO)
Hueso trabecularDisminución del VO con disminución del ancho trabecular
Disminución del área de osteoide
Disminución en el nº de osteoblastos
Incremento de apoptosis en osteoblastos y osteocitos
Normal o levemente aumentado nº de osteoclastos
Fase reversal mas prolongada
Disminución de la formación ósea
Disminución de la vascularización
Weinstein. Endocrinol Metab Clin N Am 41 (2012) 595–611
Características histológicas de la Osteoporosis inducida por glucocorticoides (GIO)
Hueso trabecularDisminución del VO con disminución del ancho trabecular
Disminución del área de osteoide
Disminución en el nº de osteoblastos
Incremento de apoptosis en osteoblastos y osteocitos
Normal o levemente aumentado nº de osteoclastos
Fase reversal mas prolongada
Disminución de la formación ósea
Disminución de la vascularización
Weinstein. Endocrinol Metab Clin N Am 41 (2012) 595–611
•Disminución de la diferenciación de nuevos osteoblastos•Prematura apoptosis de los osteoblastos maduros
Características histológicas de la Osteoporosis inducida por glucocorticoides (GIO)
Hueso trabecularDisminución del VO con disminución del ancho trabecular
Disminución del área de osteoide
Disminución en el nº de osteoblastos
Incremento de apoptosis en osteoblastos y osteocitos
Normal o levemente aumentado nº de osteoclastos
Fase reversal mas prolongada
Disminución de la formación ósea
Disminución de la vascularización
Weinstein. Endocrinol Metab Clin N Am 41 (2012) 595–611
Asociado a:•Disminución del factor de crecimiento vascular endotelial (VEGF)•Disminución de la angiogénesis esqueletal•Disminución del fluido óseo intersticial
Características histológicas de la Osteoporosis inducida por glucocorticoides (GIO)
Hueso trabecularDisminución del VO con disminución del ancho trabecular
Disminución del área de osteoide
Disminución en el nº de osteoblastos
Incremento de apoptosis en osteoblastos y osteocitos
Normal o levemente aumentado nº de osteoclastos
Fase reversal mas prolongada
Disminución de la formación ósea
Disminución de la vascularización
Weinstein. Endocrinol Metab Clin N Am 41 (2012) 595–611
Incremento de la sobrevida de osteoclastos, pero sin incremento de la RO
Osteoporosis inducida por GC
↓ masa ósea
↓ BMD
↑ riesgo de fracturas
Osteoporosis post‐menopáusica
↓ masa ósea
↓ BMD>
↑ “fragilidad ósea”
MANOLAGAS AND WEINSTEINJOURNAL OF BONE AND MINERAL RESEARCHVolume 14, Number 7, 1999
Weinstein. Bone. 2010 March ; 46(3): 564–570
Características histológicas de la Osteoporosis inducida por glucocorticoides (GIO)
Luego del tratamiento crónico con prednisolona las biopsias de hueso esponjoso muestran un incremento de adipocitos con trabéculas óseas atróficas, sin conexión y sin osteoblastos, con áreas erosivas desprovistas de osteoclastos.
Bipsia en la cuál se muestra que prácticamente todos los osteocitos y lining cells son apoptóticos (tinción marrón +) (inmunohistoquímica para ISEL)
Debby den Uyl & Irene E. M. Bultink & Willem F. LemsCurr Rheumatol Rep (2011) 13:233–240
El exceso de glucocorticoides causa osteoporosis y osteonecrosis por efecto directo sobre las células óseas
Robert S. Weinstein, M.D.N Engl J Med 2011; 365:62-70, 2011
Klein Nulend J, Bacabac RG, Mullender MG.Pathologie Biologie, 2004
El Osteocito
• “La célula ósea”: 90-95%• forma estrellada. Tamaño: 5-20 µm • prolongaciones citoplasmáticas (procesos) (40-60 x célula)• laguna o cavidad osteocítica• canalículos(diam. 100-300 nm)
LCS (sistema lacunocanalicular)
OSTEOCITOS: Función mecanosensora
El osteocito: su rol mecanotransductor
Cargas mecánicas aplicadas sobre el hueso
FLUJO DEL FLUIDO CANALICULAR
Stress de deslizamiento sobre los osteocitos (sensado)
Klein Nulend J, Bacabac RG, Mullender MG.Pathologie Biologie, 2004
Comunicación a células efectoras
Activación de la remodelación
Participación del SLC en la mecanotransducción
Bozal CB et al. Cells Tissues Organs. 2013;197(6):474-83.
15‐20%Noble 1997
Weinstein 1998Plotkin 1999
Weinstein 2000O´Brian 2004Lane 2006Plotkin 2007
Weinstein 2011Jähn 2012
Efecto de los GC sobre los osteocitos
↑ apoptosis
Disrupción de la red de interconexión
fragilidad ósea
Disrupción de la red de interconexión osteocitaria
En distintas patologías óseas se hace evidente histológicamente laalteración de la integridad de la red osteocítica y del LCS :
Imposibilidad de detectar y reparar microfracturas
FRAGILIDAD ÓSEA
Knothe Tate M. Int J Biochem Cell Biol 36(1):1–8, 2004
Alteración de la capacidad de sensado de las fuerzas
Fatiga ósea y generación de microdaños en la matriz
Fatiga mecánica Microdaños
• ruptura del sincicio celular• ruptura del pasaje del
fluído óseo del LCS
APOPTOSIS Ot
Se desencadena una señal remodelativa local
Los estímulos mecánicos disminuyen la apoptosis de los osteocitos
Noble et al. Am J Physiol Cell Physiol 284: C934–C943, 2003.
ApoptosisControl Experimental
10 µm 10 µm
TUNEL EXPRESSION
0306090
120
Control 1 h 2 h%of
oste
ocyt
es
TUNEL ++ TUNEL --
0306090
120
Control 1 h 2 h%of
oste
ocyt
es
TUNEL ++ TUNEL --
0306090
120
Control 1 h 2 h%of
oste
ocyt
es
TUNEL ++ TUNEL --
0306090
120
Control 1 h 2 h%of
oste
ocyt
es
TUNEL ++ TUNEL --
* * * * **
BOZAL CB, SANCHEZ L, LACAVE M, MANDALUNIS PM y UBIOS AMJ Dent Res 86 (Spec Iss A): 2532, 2007
Se puede inhibir‐suprimir o prevenir la apoptosis de Ot inducida por GC ?
• Los estímulos mecánicos bloquean la apoptosis inducida por GC a través de la liberación de PGE2
Kitase et al. Journal of Bone and Mineral Research, 25(12), 2010: 2657–2668
• Los BF y PTH previenen la apoptosis inducida por GC
Plotkin et al. Bone 49(1):122‐127, 2011
Weinstein et al. Endocrinology145:1980‐1987, 2011
Efecto de los GC sobre los osteocitos
↑ tamaño lacunar
Osteólisis osteocítica
↑ expresión de MMP, catepsinas , proteinasas y DMP‐1
↓ mineralización de la matriz perilacunar
Efecto de los GC sobre los osteocitos
↑ tamaño lacunar
Osteólisis osteocítica
Bélanger 1969Lane 2006
↑ expresión de MMP, catepsinas , proteinasas y DMP‐1
↓ mineralización de la matriz perilacunar
A bajas dosis de GC en ratonesLane 2010Yao 2013
Modificaciones del entorno mineral perilacunar(desmineralización)
Efecto de los GC sobre los osteocitos
cambios en los niveles de esclerostina (SOST)
Inhibidor de FO y de la osteoblastogénesis por inhibición de la viaWnt/β catenina en osteoblastos
Efecto de los GC sobre los osteocitos
cambios en los niveles de esclerostina (SOST)
Inhibidor de FO y de la osteoblastogénesis por inhibición de la viaWnt/β catenina en osteoblastos
La administración de GC en ratones produjo incremento de la expresión de SOST en los osteocitos (Yao 2008)
En humanos se encontró que el hipercortisolismo crónico provoca
disminución de los niveles séricos de esclerostina, que aumentan luego del
tratamiento (van Lierop 2012)
Esclerostina participa de la inducción del cuadro osteoporótico
por GC?
En ratones, la administración simultánea de GC y de anticuerpo anti‐esclerostina , previno la aparición de
un cuadro de osteoporosis inducida por GCMarenza et al. (2011)Arthritis Rheum, 63:2385-2395
El tratamiento con GC en un paciente con enfermedad de Van Buchem (no expresa esclerostina) produjo
disminución de la formación óseavan Lierop et al. (2010)Arthritis Rheum, 63:2385-2395
Esclerostina participa de la inducción del cuadro osteoporótico
por GC?
↓ escleros na↑ apoptosis de osteocitos
La disminución en los niveles de Scl con GC crónicos no sería un efecto inhibitorio directo en la síntesis, sino la consecuencia de una disminución en la función o una
menor cantidad de osteocitosvan Lierop et al. Sclerostin in Endogenous Hypercortisolism J Clin Endocrinol Metab, October 2012, 97(10):E1953–E1957
Esclerostina participa de la inducción del cuadro osteoporótico por GC?
• inhibiendo la FO por bloqueo de la vía Wnt‐βcatenina en osteoblastos ?
• activando la RO a través de un mecanismo dependiente de la secreción de RANKL?
Sclerostin stimulates osteocytesupport of osteoclast activity by a
RANKL dependent pathway.Wijenayaka et alPLoSOne, 2011
15‐20%Noble 1997
Weinstein 1998Plotkin 1999
Weinstein 2000O´Brian 2004Lane 2006Plotkin 2007
Weinstein 2011Jähn 2012
Efecto de los GC sobre los osteocitos
↑ apoptosis
↑ autofagiaXia 2010 (in vitro e in vivo)
Jia 2011Yao 2013
Atenuación de los efectos de los GC
W. Yao et al. / Bone 54 (2013) 279–284
La dosis y el tiempo de administración de los GC determinan la respuesta osteocitaria:
APOPTOSIS o AUTOFAGIA
(<2,8 mg/kg/d en ratones)
(>5,6 mg/kg/d en ratones)o administraciones crónicas de GC
AutofagiaEs uno de los procesos biológicos más importantes que permite a una célula sobrevivir al estrés y permite mantener la homeostasis celular mediante la degradación de organelas celulares envejecidas y/o dañadas.
En la autofagia la célula digiere sus propias estructuras (“self-eating”), mediante autofagolisosomas en respuesta a la ausencia de nutrientes esenciales
Nat Cell Biol 1999; 1: 461
La autodigestión parcial que ocurre durante la
autofagia prolonga la
supervivencia de una célula ante la ausencia de nutrientes esenciales
Cell Death and Differentiation (2005) 12, 1528–1534
Nature. 2008 February 28; 451(7182): 1069–1075. doi:10.1038/nature06639.
MACROAUTOFAGIA
MICROAUTOFAGIA
La autofagia es “un cuchillo de doble filo” (Yao et al 2013) en tanto está involucrada tanto como mecanismo protector de una célula como en la
muerte celular.
La autofagia es “un cuchillo de doble filo” (Yao et al 2013) en tanto está involucrada tanto como mecanismo protector de una célula como en la
muerte celular.‐Ocurre bajo situaciones de estrés moderado o de baja duración‐Las células están en un estado de mayor actividad metabólica‐Las células reparan sus organelas y membranas dañadas
Durante la fase inicial de los tratamientos con GC
La autofagia es “un cuchillo de doble filo” (Yao et al 2013) en tanto está involucrada tanto como mecanismo protector de una célula como en la
muerte celular.
‐Acumulación intracitoplasmática de autofagosomas
Cuando los tratamientos con GC se prolongan en el tiempo
Muerte celular programada (PCD) no es sinónimo de apoptosis.
La muerte autofágica como otra forma de PCD: “autophagic programmed cell
death” Cell Death and Differentiation (2005) 12, 1528–1534
Gerontology 2008;54:92–99
Muerte celular programadaApoptosis: (muerte celular tipo I) conjunto de
procesos celulares, genéticamente programados, por el que las células inducen su propia muerte, en respuesta a diferentes estímulos, sin alterar a las células vecinas. Caspasas
Autofagia (muerte celular tipo II)Catástrofe mitóticaParaptosisEnvejecimiento (muerte celular muy lenta)
Necrosis
No caspasas
Definición
Autofagia vs Muerte autofágica
Cell Death and Differentiation (2005) 12, 1528–1534
Animales que no experimentan apoptosisSeñal que activa la muerte autofágica (PCD) sin involucrar el mecanismo apoptótico
Gerontology 2008;54:92–99
W. Yao et al. / Bone 54 (2013) 279–284
La dosis y el tiempo de administración de los GC determinan la respuesta osteocitaria:
APOPTOSIS o AUTOFAGIA
“Los osteocitos recurrirían a la autofagia en un intento por sobrevivir a los efectos de los GC”
Conclusiones
Los incrementos séricos de esclerostina observados luego del tratamiento de pacientes con hipercortisolismo indicarían el reestablecimiento de la función osteocitaria y/o de la cantidad de osteocitos viables
El incremento del tamaño lacunar alteraría la capacidad de sensado de las fuerzas por parte de los osteocitos , modificando también la forma en la que se disipan las fuerzas, posiblemente generando mayor cantidad de microfracturas en la matriz que podrían contribuir a incrementar la fragilidad ósea
ConclusionesLa dosis y el tiempo de administración de los GC es lo que determina que los osteocitos entren en autofagia o en apoptosis
La aparición de un posible tratamiento que apunte como target a la supresión‐prevención o aumento de la autofagia en Ot surge como terapia prometedora para prevenir o inhibir la fragilidad ósea que provocan los GC
Si bajas dosis de administración de GC inducen autofagia de Ot en lugar de apoptosis, sin afectar la viabilidad y función osteocitaria, aparece un nuevo paradigma en el tratamiento con GC
Conclusiones
La liberación de PGE2 en los osteocitos luego de la estimulación mecánica ejerce un efecto antiapoptótico paracrino previniendo la apoptosis inducida por GC, a través de la activación de la vía de señalización de β‐catenina
Dra. Carola [email protected]