Resorpcja kości: Działanie osteoklastów i enzymów proteolitycznych
Resorpcja kości obejmuje zarówno rozpuszczanie minerałów kostnych, jak i degradację organicznej macierzy kostnej. Osteoklasty są wysoce wyspecjalizowane do pełnienia obu tych funkcji.130 Po aktywacji dojrzałych, wielojądrzastych osteoklastów, komórki mocno przyczepiają się do powierzchni kości, wykorzystując wyspecjalizowane, bogate w aktynę podosomy (pierścień aktynowy), poprzez reorganizację cytoszkieletu i polaryzację komórkową.149-151 W obrębie tych szczelnie zamkniętych stref przylegania do zmineralizowanej macierzy osteoklasty tworzą zawiłe, podobne do wili błony zwane „potarganymi granicami”, które znacznie zwiększają powierzchnię błony komórkowej zwróconej ku lukom resorpcyjnym (lukom Howshipa). Przez te pofałdowane błony osteoklasty wydzielają obfite ilości kwasu solnego (przy udziale wakuolarnej pompy protonowej H+-ATPazy), pośrednicząc w zakwaszeniu przedziału między komórką a powierzchnią kości, a także niezliczoną ilość enzymów, takich jak katepsyny lizosomalne, fosfataza TRAP (fosfataza kwaśna oporna na działanie kwasu winowego) i proteolityczne MMP (metaloproteinazy macierzy) (patrz dalej). Kwasowość środowiska prowadzi do rozpuszczenia fazy mineralnej (krystalicznego hydroksyapatytu), aktywacji enzymów litycznych i trawienia organicznych związków macierzy (zob. ryc. 60-5). Mechanizm uszczelniający umożliwia miejscowe rozpuszczanie i degradację zmineralizowanej macierzy kostnej, chroniąc jednocześnie sąsiednie komórki przed uszkodzeniem.152,153 Podczas procesu resorpcji rozpuszczanie hydroksyapatytu uwalnia duże ilości rozpuszczalnego wapnia, fosforanu i wodorowęglanu. Usuwanie tych jonów jest konieczne (np. w celu utrzymania kwaśnego pH w laku resorpcyjnym) i obejmuje drogi pęcherzykowe oraz bezpośredni transport jonów przez różne wymieniacze jonowe, kanały i pompy. Produkty degradacji macierzy organicznej po trawieniu enzymatycznym są transcytowane przez komórkę w celu wydzielenia przez błonę podstawną.152,153
Te złożone procesy rekrutacji osteoklastów, polaryzacji na powierzchni kości oraz eksportu kwasu i enzymów są regulowane przez wiele czynników, w tym RANKL,154-156 jak również przez sygnalizację z samej macierzy kostnej za pośrednictwem integryn.157,158 Ta ostatnia, która jest szczególnie reprezentowana przez integrynę αvβ3 w osteoklastach, została uznana za ważną dla funkcjonowania osteoklastów na podstawie odkrycia, że zahamowanie sygnalizacji przez tę integrynę αvβ3 hamowało resorpcję kości indukowaną przez osteoklasty in vitro oraz w zwierzęcych modelach osteoporozy i osteolizy złośliwej.158 Integryny są heterodimerycznymi receptorami powierzchni komórki, składającymi się z podjednostki α i β, które pośredniczą w interakcjach komórka-matryca, a tym samym w adhezji. Integryna αvβ3, spośród różnych integryn wykazująca największą ekspresję w osteoklastach, rozpoznaje białka macierzy zawierające RGD(Arg-Gly-Asp), takie jak witronektyna, osteopontyna i sialoproteina kości. Kilka elementów szlaku sygnałowego integryny αvβ3 lokalizuje się w strefie uszczelniającej aktywnie resorbujących osteoklastów i odgrywa rolę w łączeniu adhezji macierzy osteoklastów z organizacją cytoszkieletu, polaryzacją komórek i aktywacją do resorpcji kości. Po aktywacji, integryna αvβ3 stymuluje wewnątrzkomórkowy kompleks sygnalizacyjny z udziałem kinaz tyrozynowych c-Src i Syk. Znaczenie αvβ3, c-Src i Syk w aktywności osteoklastów jest podkreślone przez rozwój osteopetrozy u myszy z niedoborem każdego z tych genów, spowodowanym brakiem resorpcji kości. Odkrycia te czynią każdą z tych cząsteczek kandydatami na cel terapeutyczny do blokowania osteoklastycznej resorpcji kości. Dowody przedkliniczne wskazują, że leki ukierunkowane na integrynę αvβ3 (peptydy i niepeptydowe małe cząsteczki) były w stanie skutecznie blokować osteolizę i wzrost guza w zwierzęcych modelach przerzutów kostnych, prawdopodobnie poprzez hamowanie resorpcji kości wywołanej przez osteoklasty oraz poprzez bezpośrednie oddziaływanie na komórki nowotworowe.159 Trwają badania kliniczne z antagonistami integryn i inhibicją kinazy c-Src w leczeniu osteoporozy.115,147,157,159
Wiele cząsteczek, które są ważne dla funkcji osteoklastów in vitro, takich jak β3 integryna, c-Src, katepsyna K, anhydraza węglanowa II, TRAP i kilka białek kanałów jonowych, powoduje fenotyp osteopetrotyczny, gdy są usunięte u myszy lub zmienione u ludzi. Brak tych genów nie wpływa na różnicowanie się w morfologicznie normalne osteoklasty, jednak osteoklasty nie są funkcjonalne i nie są w stanie skutecznie resorbować kości.81,147 Na przykład katepsyna K, kluczowy enzym w trawieniu macierzy kostnej poprzez aktywność w degradacji kolagenu typu I, ulega wysokiej ekspresji w aktywowanych osteoklastach i jest wydzielana w laku resorpcyjnym.152,153 Jej delecja u myszy prowadzi do osteopetrozy,160,161 a mutacje w ludzkim genie katepsyny K powodują piknodysostozę.162 Wysoce selektywne i silne inhibitory katepsyny K (takie jak odanakatyb i ONO-5334) zostały opracowane i są obecnie badane w dużych badaniach klinicznych III fazy, biorąc pod uwagę obiecujące wcześniejsze wyniki wskazujące na ich przydatność jako środków antyresorpcyjnych w leczeniu osteoporozy, jak również ich potencjalne zastosowanie terapeutyczne w celu zmniejszenia osteolizy wywołanej rakiem piersi i obciążenia nowotworami szkieletu.115,147,159,163-165
Poza katepsyn± K, kilka grup enzymów proteolitycznych bierze udział w degradacji organicznych składników (kolagenów i proteoglikanów) macierzy ko¶ci i chrz±stek po rozpuszczeniu minerału.166-168 Jedną z nich jest rodzina MMP, która liczy ponad 25 członków, w tym wydzielane kolagenazy, stromelizyny, żelatynazy i membranowe (MT)-MMPs.167-169 MMPs są syntetyzowane jako utajone proenzymy, które po proteolitycznej aktywacji mogą degradować liczne składniki macierzy zewnątrzkomórkowej. W związku z tym biorą udział w rozwoju, wzroście i naprawie tkanek, ale także w stanach patologicznych związanych z nadmierną degradacją macierzy, takich jak reumatoidalne zapalenie stawów, choroba zwyrodnieniowa stawów i przerzuty nowotworowe.166,169,170 Kilka MMP, w tym MMP9 i MMP14 (znane także jako MT1-MMP), wykazuje wysoką ekspresję w osteoklastach/chondroklastach, ale są one produkowane także przez wiele innych typów komórek. Obie te cząsteczki odgrywają rolę w procesie resorpcji chrząstki związanym z inwazją osteoklastów podczas kostnienia endochondralnego.109,111,171-173 MMP i enzymy proteolityczne zawierające domenę dezintegryny i metaloproteazy (ADAMs) mogą również wpływać na osteoklastogenezę per se, modulując biodostępność i prezentację RANKL poprzez proteolityczne rozszczepienie jego formy transmembranowej do rozpuszczalnego RANKL.174,175
Na koniec, po ograniczonym okresie aktywności resorpcyjnej, osteoklast obumiera w wyniku apoptozy (patrz dalej),176 a zresorbowany obszar chrząstki lub kości jest, w warunkach rozwoju, wzrostu i zdrowia kości, skutecznie zastępowany przez nowo utworzoną kość dzięki działaniu osteoblastów.
Osteoklasty są w stanie obumierać w wyniku działania osteoblastów.