Knochenresorption: Osteoklastenwirkung und proteolytische Enzyme
Die Knochenresorption umfasst sowohl die Auflösung von Knochenmineral als auch den Abbau von organischer Knochenmatrix. Osteoklasten sind hochspezialisiert, um diese beiden Funktionen zu erfüllen.130 Nach der Aktivierung reifer mehrkerniger Osteoklasten heften sich die Zellen mit Hilfe spezialisierter aktinreicher Podosomen (Aktinring) durch Reorganisation des Zytoskeletts und zelluläre Polarisierung fest an die Knochenoberfläche.149-151 Innerhalb dieser fest verschlossenen Zonen der Adhäsion an die mineralisierte Matrix bilden die Osteoklasten gewundene, zottenartige Membranen, die „ruffled borders“ genannt werden und die Oberfläche der Zellmembran gegenüber der Resorptionslücke (Howship-Lakune) erheblich vergrößern. Über diese gekräuselten Membranen sezernieren die Osteoklasten reichlich Salzsäure (unter Beteiligung der vakuolären H+-ATPase-Protonenpumpe), die die Ansäuerung des Kompartiments zwischen der Zelle und der Knochenoberfläche vermittelt, sowie eine Vielzahl von Enzymen wie lysosomale Kathepsine, die Phosphatase TRAP (tartrat-resistente saure Phosphatase) und proteolytische MMPs (Matrix-Metalloproteinasen) (siehe später). Die Säure des Milieus führt zur Auflösung der mineralischen Phase (kristalliner Hydroxylapatit), zur Aktivierung lytischer Enzyme und zur Verdauung organischer Matrixverbindungen (siehe Abb. 60-5). Der Versiegelungsmechanismus ermöglicht die lokale Auflösung und den Abbau der mineralisierten Knochenmatrix und schützt gleichzeitig die benachbarten Zellen vor Schäden.152,153 Während des Resorptionsprozesses setzt die Auflösung von Hydroxylapatit große Mengen an löslichem Kalzium, Phosphat und Bikarbonat frei. Der Abtransport dieser Ionen ist notwendig (z. B. um den sauren pH-Wert in der Resorptionslücke aufrechtzuerhalten) und erfolgt über vesikuläre Pfade und direkten Ionentransport über verschiedene Ionenaustauscher, Kanäle und Pumpen. Die Abbauprodukte der organischen Matrix nach enzymatischer Verdauung werden durch die Zelle zur Sekretion an der basolateralen Membran transzytiert.152,153
Diese komplexen Prozesse der Osteoklastenrekrutierung, der Polarisierung auf der Knochenoberfläche und des Exports von Säure und Enzymen werden durch viele Faktoren, einschließlich RANKL,154-156 sowie durch Integrin-vermittelte Signalisierung aus der Knochenmatrix selbst orchestriert.157,158 Letzteres, das vor allem durch das αvβ3-Integrin in Osteoklasten repräsentiert wird, wurde als wichtig für die Funktion der Osteoklasten angesehen, da festgestellt wurde, dass die Hemmung der Signalübertragung durch dieses αvβ3-Integrin die Osteoklasten-vermittelte Knochenresorption in vitro und in Tiermodellen für Osteoporose und maligne Osteolyse hemmt.158 Integrine sind heterodimere Zelloberflächenrezeptoren, die aus einer α- und einer β-Untereinheit bestehen und Zell-Matrix-Interaktionen und damit Adhäsion vermitteln. Das αvβ3-Integrin, unter verschiedenen Integrinen das am stärksten in Osteoklasten exprimierte, erkennt RGD(Arg-Gly-Asp)-haltige Matrixproteine wie Vitronectin, Osteopontin und Knochensialoprotein. Mehrere Komponenten des αvβ3-Integrin-Signalwegs lokalisieren sich in der Dichtungszone aktiv resorbierender Osteoklasten und spielen eine Rolle bei der Verknüpfung der Matrixadhäsion von Osteoklasten mit der Organisation des Zytoskeletts, der Zellpolarisation und der Aktivierung für die Knochenresorption. Bei seiner Aktivierung stimuliert das αvβ3-Integrin einen intrazellulären Signalkomplex, an dem die Tyrosinkinasen c-Src und Syk beteiligt sind. Die Bedeutung von αvβ3, c-Src und Syk für die Osteoklastenaktivität wird durch die Entwicklung von Osteopetrose in Mäusen unterstrichen, denen es an jedem dieser Gene mangelt, was auf einen Mangel an Knochenresorption zurückzuführen ist. Diese Befunde machen jedes dieser Moleküle zu möglichen therapeutischen Zielen, um die osteoklastische Knochenresorption zu blockieren. Präklinische Hinweise deuten darauf hin, dass αvβ3-Integrin-gerichtete Medikamente (Peptide und nicht-peptidische kleine Moleküle) in der Lage sind, die Osteolyse und das Tumorwachstum in Tiermodellen der Knochenmetastasierung erfolgreich zu blockieren, wahrscheinlich durch Hemmung sowohl der Osteoklasten-vermittelten Knochenresorption als auch durch direkten Angriff auf Krebszellen.159 Klinische Studien mit Integrin-Antagonisten und c-Src-Kinase-Hemmung zur Behandlung von Osteoporose sind im Gange.115,147,157,159
Viele der Moleküle, die für die Osteoklastenfunktion in vitro wichtig sind, wie β3-Integrin, c-Src, Cathepsin K, Karbonische Anhydrase II, TRAP und verschiedene Ionenkanalproteine, verursachen einen osteopetrotischen Phänotyp, wenn sie in Mäusen deletiert oder beim Menschen verändert werden. Das Fehlen dieser Gene hat keinen Einfluss auf die Differenzierung in morphologisch normale Osteoklasten; die Osteoklasten sind jedoch nicht funktionsfähig, und sie können Knochen nicht effektiv resorbieren.81,147 So wird z. B. Cathepsin K, das Schlüsselenzym bei der Verdauung der Knochenmatrix durch seine Aktivität beim Abbau von Typ-I-Kollagen, von aktivierten Osteoklasten stark exprimiert und in die Resorptionslücke sezerniert.152,153 Seine Deletion in Mäusen führte zu Osteopetrose,160,161 und Mutationen im menschlichen Cathepsin-K-Gen verursachen Pyknodysostose.162 Hochselektive und potente Cathepsin-K-Inhibitoren (wie Odanacatib und ONO-5334) wurden entwickelt und werden derzeit in großen klinischen Phase-III-Studien getestet, da vielversprechende frühere Befunde auf ihre Nützlichkeit als antiresorptive Wirkstoffe zur Behandlung von Osteoporose hinweisen sowie auf ihren potenziellen therapeutischen Einsatz zur Verringerung der durch Brustkrebs induzierten Osteolyse und der Skelett-Tumorlast.115,147,159,163-165
Neben Cathepsin K sind mehrere proteolytische Enzymgruppen am Abbau organischer Bestandteile (Kollagene und Proteoglykane) der Knochen- und Knorpelmatrix nach Auflösung des Minerals beteiligt.166-168 Eine davon ist die MMP-Familie, die über 25 Mitglieder umfasst, darunter sekretierte Kollagenasen, Stromelysine, Gelatinasen und Membran-Typ (MT)-MMPs.167-169 MMPs werden als latente Proenzyme synthetisiert, die nach proteolytischer Aktivierung zahlreiche extrazelluläre Matrixkomponenten abbauen können. Als solche sind sie an der Entwicklung, dem Wachstum und der Reparatur von Geweben beteiligt, aber auch an pathologischen Zuständen, die mit übermäßigem Matrixabbau einhergehen, wie z. B. rheumatoide Arthritis, Osteoarthritis und Tumormetastasen.166,169,170 Mehrere MMPs, darunter MMP9 und MMP14 (auch als MT1-MMP bekannt), werden in hohem Maße in Osteoklasten/Chondrozyten exprimiert, aber auch von vielen anderen Zelltypen produziert. Beide Moleküle spielen eine Rolle im Knorpelresorptionsprozess, der mit der Invasion durch Osteoklasten während der endochondralen Ossifikation verbunden ist.109,111,171-173 MMPs und proteolytische Enzyme, die eine Disintegrin- und Metalloprotease-Domäne (ADAMs) enthalten, beeinflussen möglicherweise auch die Osteoklastogenese an sich, indem sie die Bioverfügbarkeit und Präsentation von RANKL durch die proteolytische Spaltung seiner Transmembranform zu löslichem RANKL modulieren.174,175
Schließlich wird angenommen, dass der Osteoklast nach einer begrenzten Zeit der resorbierenden Aktivität durch Apoptose stirbt (siehe weiter unten),176 und der resorbierte Bereich des Knorpels oder Knochens wird unter den Bedingungen der Entwicklung, des Wachstums und der Knochengesundheit effizient durch neu gebildeten Knochen durch die Wirkung von Osteoblasten ersetzt.