Rassorbimento dell’osso: Azione degli osteoclasti ed enzimi proteolitici
Il riassorbimento osseo comporta sia la dissoluzione del minerale osseo che la degradazione della matrice organica dell’osso. Gli osteoclasti sono altamente specializzati per svolgere entrambe queste funzioni.130 All’attivazione degli osteoclasti maturi multinucleati, le cellule si attaccano saldamente alla superficie ossea, utilizzando podosomi specializzati ricchi di actina (anello di actina), attraverso la riorganizzazione del citoscheletro e la polarizzazione cellulare.149-151 All’interno di queste zone strettamente sigillate di adesione alla matrice mineralizzata, gli osteoclasti formano membrane convolute, simili a villi, chiamate “bordi arruffati”, che aumentano sostanzialmente la superficie della membrana cellulare rivolta verso la lacuna di riassorbimento (lacuna di Howship). Attraverso queste membrane arruffate, gli osteoclasti secernono abbondante acido cloridrico (coinvolgendo la pompa protonica vacuolare H+-ATPase), mediando l’acidificazione del compartimento tra la cellula e la superficie ossea, così come una miriade di enzimi come le catepsine lisosomiali, la fosfatasi TRAP (fosfatasi acida tartrato-resistente), e le MMP proteolitiche (metalloproteinasi di matrice) (vedi dopo). L’acidità dell’ambiente porta alla dissoluzione della fase minerale (idrossiapatite cristallina), all’attivazione degli enzimi litici e alla digestione dei composti organici della matrice (vedi Fig. 60-5). Il meccanismo di sigillatura permette la dissoluzione localizzata e la degradazione della matrice ossea mineralizzata, proteggendo contemporaneamente le cellule vicine dal danno.152,153 Durante il processo di riassorbimento, la dissoluzione dell’idrossiapatite rilascia grandi quantità di calcio solubile, fosfato e bicarbonato. La rimozione di questi ioni è necessaria (ad esempio, per mantenere il pH acido nella lacuna di riassorbimento) e coinvolge vie vescicolari e il trasporto diretto di ioni attraverso diversi scambiatori di ioni, canali e pompe. I prodotti di degradazione della matrice organica dopo la digestione enzimatica sono trasportati attraverso la cellula per la secrezione sulla membrana basolaterale.152,153
Questi complessi processi di reclutamento degli osteoclasti, polarizzazione sulla superficie ossea ed esportazione di acido ed enzimi sono orchestrati da molti fattori, tra cui RANKL,154-156 così come dalla segnalazione mediata dall’integrina della matrice ossea stessa.157,158 Quest’ultima, che è particolarmente rappresentata dall’integrina αvβ3 negli osteoclasti, è stata suggerita come importante per il funzionamento degli osteoclasti sulla base della scoperta che l’inibizione della segnalazione attraverso questa integrina αvβ3 ha inibito il riassorbimento osseo mediato dagli osteoclasti in vitro e in modelli animali di osteoporosi e osteolisi maligna.158 Le integrine sono recettori eterodimerizzati sulla superficie cellulare, composti da una subunità α e una subunità β, che mediano le interazioni cellula-matrice e quindi l’adesione. L’integrina αvβ3, tra le varie integrine la più altamente espressa negli osteoclasti, riconosce le proteine della matrice contenenti RGD (Arg-Gly-Asp) come la vitronectina, l’osteopontina e la sialoproteina ossea. Diversi componenti della via di segnalazione dell’integrina αvβ3 si localizzano nella zona di sigillatura degli osteoclasti in attivo riassorbimento e svolgono un ruolo nel collegare l’adesione alla matrice degli osteoclasti all’organizzazione citoscheletrica, alla polarizzazione cellulare e all’attivazione per il riassorbimento osseo. Alla sua attivazione, l’integrina αvβ3 stimola un complesso di segnalazione intracellulare che coinvolge le tirosin-chinasi c-Src e Syk. L’importanza di αvβ3, c-Src e Syk nell’attività degli osteoclasti è sottolineata dallo sviluppo di osteopetrosi nei topi carenti di ognuno di questi geni, a causa della mancanza di riassorbimento osseo. Questi risultati rendono ciascuna di queste molecole candidati obiettivi terapeutici per bloccare il riassorbimento osseo osteoclastico. Prove precliniche hanno indicato che i farmaci che mirano all’integrina αvβ3 (peptidi e piccole molecole non peptidiche) sono stati in grado di bloccare con successo l’osteolisi e la crescita tumorale in modelli animali di metastasi ossee, probabilmente inibendo sia il riassorbimento osseo mediato dagli osteoclasti che colpendo direttamente le cellule tumorali.159 Sono in corso studi clinici con antagonisti dell’integrina e inibizione della chinasi c-Src per il trattamento dell’osteoporosi.115,147,157,159
Molte delle molecole che sono importanti per la funzione degli osteoclasti in vitro come l’integrina β3, c-Src, catepsina K, anidrasi carbonica II, TRAP, e diverse proteine di canali ionici, causano un fenotipo osteopetrotico quando vengono eliminate nei topi o alterate negli esseri umani. L’assenza di questi geni non influisce sulla differenziazione in osteoclasti morfologicamente normali; tuttavia, gli osteoclasti non sono funzionali e non riescono a riassorbire efficacemente l’osso.81,147 Per esempio, la catepsina K, l’enzima chiave nella digestione della matrice ossea grazie alla sua attività nel degradare il collagene di tipo I, è altamente espressa dagli osteoclasti attivati e secreta nella lacuna di riassorbimento.152,153 La sua delezione nei topi ha portato all’osteopetrosi,160,161 e mutazioni nel gene della catepsina K umana causano picnodisostosi.162 Inibitori altamente selettivi e potenti della catepsina K (come Odanacatib e ONO-5334) sono stati sviluppati e sono attualmente testati in ampi studi clinici di fase III, dati i promettenti risultati precedenti che indicano la loro utilità come agenti antiriassorbitivi per trattare l’osteoporosi, nonché il loro potenziale uso terapeutico per ridurre l’osteolisi indotta dal cancro al seno e il carico tumorale scheletrico.115,147,159,163-165
Oltre alla catepsina K, diversi gruppi di enzimi proteolitici sono coinvolti nella degradazione dei componenti organici (collageni e proteoglicani) delle matrici ossee e cartilaginee dopo lo scioglimento del minerale.166-168 Uno di questi è la famiglia delle MMP, che costituisce oltre 25 membri, tra cui le collagenasi secrete, le stromelisine, le gelatinasi e le MMP di tipo membrana (MT).167-169 Le MMP sono sintetizzate come proenzimi latenti che, dopo l’attivazione proteolitica, possono degradare numerosi componenti della matrice extracellulare. Come tali, sono coinvolte nello sviluppo, nella crescita e nella riparazione dei tessuti, ma anche in condizioni patologiche associate a un’eccessiva degradazione della matrice, come l’artrite reumatoide, l’osteoartrite e le metastasi tumorali.166,169,170 Diverse MMP, comprese MMP9 e MMP14 (note anche come MT1-MMP), sono altamente espresse negli osteoclasti/condroclasti, ma sono prodotte anche da molti altri tipi di cellule. Entrambe queste molecole svolgono un ruolo nel processo di riassorbimento della cartilagine associato all’invasione degli osteoclasti durante l’ossificazione endocondrale.109,111,171-173 Le MMP e gli enzimi proteolitici contenenti un dominio disintegrinico e metalloproteasico (ADAM) possono anche influenzare l’osteoclastogenesi in sé, modulando la biodisponibilità e la presentazione di RANKL attraverso la scissione proteolitica della sua forma transmembrana in RANKL solubile.174,175
Infine, dopo un periodo limitato di attività di riassorbimento, si pensa che l’osteoclasta muoia per apoptosi (vedi più avanti),176 e l’area riassorbita di cartilagine o di osso viene, in condizioni di sviluppo, crescita e salute dell’osso, sostituita in modo efficiente da osso di nuova formazione attraverso l’azione degli osteoblasti.