Mecanismos moleculares implicados en la mecanotransducción osteocítica. Alteraciones en la osteopatía diabética y efecto compensador de la proteína relacionada con la parathormona (PTHrP)

Resumen

El esqueleto es capaz de adaptar su masa, estructura y microarquitectura a la estimulación mecánica recibida. Así, el aumento de actividad física conlleva un incremento de la formación ósea, mientras que la inmovilización aumenta la resorción. Los osteocitos son las principales células mecanorreceptoras del hueso; sin embargo, los mecanismos subyacentes a esta función no están suficientemente esclarecidos. La proteína relacionada con la parathormona (PTHrP) es un importante regulador del remodelado óseo y de la formación ósea. Debido a su acción osteogénica, se ha propuesto como posible agente terapéutico para paliar la pérdida de masa ósea en diferentes tipos de osteoporosis, incluyendo la asociada a la diabetes mellitus (DM). En la presente Tesis Doctoral, hemos explorado, in vitro, nuevos mecanismos involucrados en la mecanotransducción osteocítica como dianas para posibles alternativas terapéuticas en la osteopenia. Además, in vivo, en un modelo de ratón con osteopatía asociada a DM tipo 1 (DM1), hemos estudiado la respuesta osteoinductora de dos péptidos derivados de la PTHrP correspondientes a sus dominios N-terminal [PTHrP (1-37)] y C-terminal [PTHrP (107-111)], administrados solos o combinados con estimulación mecánica, una estrategia que podría ser interesante en esta patología. En primer lugar, hemos caracterizado dos sistemas de estimulación mecánica in vitro en células osteocíticas MLOY4: mediante la exposición a un medio hipotónico o a un flujo de fluido (FF). Hemos identificado el papel del receptor tipo 2 de VEGF (VEGFR2) y del receptor de PTH/PTHrP tipo 1 (PTH1R) como mecanorreceptores, así como los mecanismos moleculares implicados en la activación de ambos tras la estimulación mecánica. Además, hemos evaluado la acción citoprotectora de ambos péptidos, PTHrP (1-36) y PTHrP (107-111), en las células osteocíticas. Posteriormente, hemos estudiado el efecto deletéreo de un ambiente de alta glucosa (AG, 25 mM), simulando in vitro la situación de hiperglucemia, sobre la protección osteocítica inducida por la estimulación mecánica; este efecto fue revertido por ambos péptidos de PTHrP. Nuestros hallazgos también indican que tanto la estimulación mecánica como la AG alteran la comunicación osteocito-osteoclasto, aunque de manera diferente: la estimulación mecánica de los osteocitos impide la formación de osteoclastos, mientras la AG en el entorno osteocítico induce la formación de osteoclastos inactivos. In vivo, en el modelo de ratón con osteopatía asociada a la DM1, demostramos que un tratamiento agudo (3 días) con ambos péptidos de la PTHrP fue eficaz para contrarrestar la pérdida de masa y la fragilidad ósea inducidas por la DM1, a través de sus acciones anabólicas y anti-resortivas. Además, nuestros resultados demuestran que la DM1 interfiere con la capacidad osteoformadora de la estimulación mecánica y que el tratamiento combinado con los péptidos de la PTHrP y la estimulación mecánica ejerce un efecto aditivo sobre la formación ósea perióstica en esta situación. En conclusión, los hallazgos de esta Tesis Doctoral demuestran el papel crucial de los osteocitos en la osteopatía diabética y plantean la utilización de agentes anabólicos como estos péptidos de la PTHrP actuando estas células como un nuevo enfoque terapéutico en esta patología. Summary Mechanical loading is an important regulator of bone mass. The skeleton can adapt to inputs represented by mechanical forces by changing its mass, shape and microarchitecture. Increased physical activity leads to increased bone formation, whereas immobilization increases bone resorption. Osteocytes are the main bone mechanosensitive cells, although the underlying mechanisms of their function are ill-defined. Parathyroid hormone related protein (PTHrP) is an important regulator of bone remodeling and bone formation. Due to its osteogenic actions, it has been proposed as a possible therapeutic agent in bone loss-related conditions such as diabetes mellitus (DM). In this Doctoral Thesis, using in vitro approaches, we explored new mechanisms involved in osteocytic mechanotransduction, which might be possible targets for osteoporosis treatment. Moreover, in vivo in a murine model of type 1 DM (DM1) with osteopathy, we evaluated the relative efficacy of two PTHrP-derived peptides –corresponding to its N-terminal [PTHrP (1- 37)] and C-terminal [PTHrP (107-111)] domains-, alone or in combination with mechanical loading, as potential therapies in DM-related osteopathy. First, we characterized two in vitro mechanical stimulation aproaches in MLO-Y4 osteocytic cells: exposure to either a hypotonic medium or fluid flow (FF). We then identified the role of vascular endothelial growth factor type 2 receptor (VEGFR2) and PTH type 1 receptor (PTH1R) as bone mechanoreceptors, and the underlying molecular mechanisms for their activation after mechanical stimulation. Moreover, we assessed the protective action of PTHrP (1-36) and PTHrP (107-111) in these osteocytic cells. Afterwards, we characterized the deleterious effect of a high glucose (HG; 25 mM) environment - which mimics hyperglucemia in vivo- on cell viability protection conferred by mechanical stimulation of MLO-Y4 osteocytes; an effect that was reversed by each PTHrP peptide. Our studies also show that both mechanical stimulation and HG affect osteocyte-osteoclast communication in a different manner: whereas mechanically stimulated osteocytes impaired osteoclast differentiation, HG promoted formation of inactive osteoclast-like cells. In vivo, in the diabetic mouse model with osteopathy, we demonstrated that a short treatment (3 days) with either PTHrP (1-37) or PTHrP (107-111) similarly restored in part bone loss and strength by targeting both bone formation and bone resorption. Moreover, our results showed that DM negatively affected the bone anabolic effect of mechanical stimulation, and treatment with the PTHrP peptides together with mechanical loading induced an additive effect to enhance periosteal bone formation in this diabetic scenario. In conclusion, the findings in this Thesis demonstrate the crucial role of osteocytes in diabetic osteopathy, and point to osteocyte targeting agents like these PTHrP peptides as a novel therapeutic approach in this pathology.