Bone Resorption: Osteoclast Action and Proteolytic Enzymes
Bone resorption involves both dissolution of bone mineral and degradation of organic bone matrix. Osteoclasten zijn sterk gespecialiseerd om beide functies uit te voeren.130 Na activering van rijpe, meercellige osteoclasten hechten de cellen zich stevig aan het botoppervlak, met behulp van gespecialiseerde actinerijke podosomen (actinering), door reorganisatie van het cytoskelet en cellulaire polarisatie.149-151 Binnen deze stevig afgesloten zones van aanhechting aan de gemineraliseerde matrix, vormen de osteoclasten kronkelige, villus-achtige membranen die “ruffled borders” worden genoemd, die het oppervlak van het celmembraan tegenover de resorptielacune (Howship’s lacuna) aanzienlijk vergroten. Via deze geruwde membranen scheiden de osteoclasten overvloedig zoutzuur af (met behulp van de vacuolaire H+-ATPase protonpomp), waardoor het compartiment tussen de cel en het botoppervlak wordt verzuurd, alsmede een groot aantal enzymen zoals lysosomale kathepsines, het fosfatase TRAP (tartraatresistent zuurfosfatase), en proteolytische MMP’s (matrixmetalloproteïnasen) (zie later). De zuurgraad van het milieu leidt tot ontbinding van de minerale fase (kristallijn hydroxyapatiet), activering van lytische enzymen, en vertering van organische matrixverbindingen (zie fig. 60-5). Het afdichtingsmechanisme maakt plaatselijk oplossen en afbreken van de gemineraliseerde botmatrix mogelijk, en beschermt tegelijkertijd naburige cellen tegen schade.152,153 Tijdens het resorptieproces komen bij het oplossen van hydroxyapatiet grote hoeveelheden oplosbaar calcium, fosfaat, en bicarbonaat vrij. Verwijdering van deze ionen is nodig (bijv. om de zure pH in de resorptielacune te handhaven) en gebeurt via vesiculaire paden en direct ionentransport via verschillende ionenwisselaars, kanalen, en pompen. De afbraakproducten van de organische matrix na enzymatische vertering worden door de cel getransporteerd voor secretie aan het basolaterale membraan.152,153
Deze complexe processen van rekrutering van osteoclasten, polarisatie aan het botoppervlak, en export van zuur en enzymen worden georkestreerd door vele factoren, waaronder RANKL,154-156 maar ook door integrine-gemedieerde signalering vanuit de botmatrix zelf.157,158 Het laatste, dat vooral vertegenwoordigd wordt door de αvβ3 integrine in osteoclasten, werd belangrijk geacht voor het functioneren van osteoclasten op basis van de bevinding dat remming van signalering via deze αvβ3 integrine de botresorptie door osteoclasten in vitro en in diermodellen van osteoporose en kwaadaardige osteolyse remde.158 Integrines zijn heterodimereceptoren voor het celoppervlak, bestaande uit een α en een β subeenheid, die cel-matrix interacties en dus adhesie mediëren. Het αvβ3 integrine, van de verschillende integrines het meest tot expressie gebracht in osteoclasten, herkent RGD(Arg-Gly-Asp)-bevattende matrixeiwitten zoals vitronectine, osteopontine en botsialoproteïne. Verschillende componenten van de αvβ3 integrine signaalweg lokaliseren naar de afsluitende zone van actief resorberende osteoclasten en spelen een rol in het linken van de matrixadhesie van osteoclasten aan cytoskeletorganisatie, celpolarisatie, en activering voor botresorptie. Bij activering stimuleert αvβ3 integrine een intracellulair signaleringscomplex waarbij de tyrosinekinasen c-Src en Syk betrokken zijn. Het belang van αvβ3, c-Src, en Syk in de activiteit van osteoclasten wordt onderstreept door de ontwikkeling van osteopetrosis in muizen die deficiënt zijn in elk van deze genen, als gevolg van een gebrek aan botresorptie. Deze bevindingen maken elk van deze moleculen tot kandidaat therapeutische doelwitten om osteoclastische botresorptie te blokkeren. Preklinisch bewijs toonde aan dat geneesmiddelen gericht tegen αvβ3 integrine (peptiden en niet-peptidische kleine moleculen) in staat waren om met succes osteolyse en tumorgroei te blokkeren in diermodellen van botmetastase, waarschijnlijk door zowel osteoclast-gemedieerde botresorptie te remmen als door zich rechtstreeks te richten tegen kankercellen.159 Klinische studies met integrine antagonisten en c-Src kinase inhibitie voor de behandeling van osteoporose zijn aan de gang.115,147,157,159
Vele van de moleculen die belangrijk zijn voor de functie van osteoclasten in vitro, zoals β3 integrine, c-Src, cathepsine K, koolzuuranhydrase II, TRAP, en verschillende ionkanaal-eiwitten, veroorzaken een osteopetrotisch fenotype wanneer ze bij muizen worden verwijderd of bij mensen worden gewijzigd. De afwezigheid van deze genen heeft geen invloed op de differentiatie in morfologisch normale osteoclasten; de osteoclasten zijn echter niet functioneel, en zij falen in het effectief resorberen van bot.81,147 Bijvoorbeeld, cathepsine K, het sleutelenzym in de vertering van botmatrix door zijn activiteit in het afbreken van type I collageen, komt in hoge mate tot expressie door geactiveerde osteoclasten en wordt gesecreteerd in de resorptielacune.152,153 De deletie ervan in muizen leidde tot osteopetrosis,160,161 en mutaties in het menselijke cathepsine K gen veroorzaken pycnodysostose.162 Zeer selectieve en krachtige cathepsine K remmers (zoals Odanacatib en ONO-5334) zijn ontwikkeld en worden momenteel getest in grote fase III klinische studies, gezien de veelbelovende eerdere bevindingen die wijzen op hun nut als antiresorptieve middelen voor de behandeling van osteoporose, alsmede hun potentieel therapeutisch gebruik om borstkanker-geïnduceerde osteolyse en skelet tumorlast te verminderen.115,147,159,163-165
Na het oplossen van het mineraal zijn, naast cathepsine K, verschillende groepen proteolytische enzymen betrokken bij de afbraak van organische componenten (collagenen en proteoglycanen) van bot- en kraakbeenmatrices.166-168 Eén daarvan is de MMP-familie, die meer dan 25 leden telt, waaronder gesecreteerde collagenasen, stromelysinen, gelatinasen, en membraantype (MT)-MMP’s.167-169 MMP’s worden gesynthetiseerd als latente pro-enzymen die, na proteolytische activering, talrijke extracellulaire matrixcomponenten kunnen afbreken. Als zodanig zijn ze betrokken bij de ontwikkeling, groei en herstel van weefsels, maar ook bij pathologische aandoeningen die gepaard gaan met overmatige matrixafbraak, zoals reumatoïde artritis, osteoartritis en tumormetastase.166,169,170 Verschillende MMP’s, waaronder MMP9 en MMP14 (ook bekend als MT1-MMP), komen tot expressie in osteoclasten/chondroclasten, maar ze worden ook door veel andere celtypen geproduceerd. Beide moleculen spelen een rol in het kraakbeenresorptieproces dat gepaard gaat met invasie door osteoclasten tijdens endochondrale ossificatie.109,111,171-173 MMP’s en proteolytische enzymen die een desintegrine en metalloprotease domein (ADAM’s) bevatten, hebben mogelijk ook invloed op de osteoclastogenese als zodanig, door de biologische beschikbaarheid en presentatie van RANKL te moduleren via de proteolytische splitsing van zijn transmembraan vorm tot oplosbare RANKL.174,175
Ten slotte, na een beperkte periode van resorptieve activiteit, wordt gedacht dat de osteoclast sterft via apoptose (zie later),176 en het geresorbeerde gebied van kraakbeen of bot wordt, in omstandigheden van ontwikkeling, groei, en botgezondheid, efficiënt vervangen door nieuw gevormd bot door de actie van osteoblasten.