DOI: http://dx.doi.org/10.19137/cienvet-201921101

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ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN

 

 

El rol de osterix en la diferenciación osteoblástica: potencial en el tratamiento de afecciones osteoarticulares

The role of osterix in osteoblastic differentiation: Potential in the treatment of osteoarticular affections

 

 

Audisio, S.A.1; Vaquero, P.G.1; Verna, E.C.1

1 Cátedra Técnica y Patología Quirúrgica - FCV - UNLPam. Calle 5 y 116, (6360) General Pico, La Pampa, Argentina.

Correo Electrónico: saudisio@vet.unlpam.edu.ar

 

“En la memoria de nuestro compañero M.V. Edgardo Verna”

 

 

Resumen: El presente artículo hace revisión de la proteína Osterix y el rol que cumple en la esqueletogénesis, la osificación endocondral y en diversas patologías del sistema osteoarticular de los animales. Osterix es transcriptora de la familia de las proteínas morfogénicas ósea que inducen la formación de hueso. En la esqueletogénesis posibilita la diferenciación de los preosteoblastos en osteoblastos y la maduración y diferenciación de osteoblastos en osteocitos. En la osificación endocondral se expresa en los condrocitos maduros e hipermaduros y contribuye a degradar la matriz del cartílago. En la vida extrauterina colabora en la regulación de la homeostasis ósea e interviene en patologías osteoarticulares, oncología ósea y en la reparación de las fracturas. Conocer la acción de Osterix sobre las células óseas y condrocitos es un punto de partida atractivo para futuras investigaciones con el fin de contribuir con el diagnóstico y tratamiento de afecciones del sistema osteoarticular de los animales.

Palabras claves: Osterix ; Preosteoblasto ; Osteoblasto ; Diferenciación celular ; Hueso

Sumary: This paper revises the Osterix protein and its role in the skeletongenesis, the endochondral ossification and in various pathological processes of the osteoarticular systems in animals. Osterix is a transcription factor of the family of bone morphogenic proteins, which prompts bone formation. In the skeletogenesis Osterix allows the differentiation of the preosteoblasts into osteoblasts and the maturity and differentiation of osteoblasts into osteocytes. In the endochondral ossification, Osterix expresses in the mature and hypermature chondrocytes and contributes to degrade the cartilage matrix. In the extrauterine life, it collaborates in the regulation of the bone homeostasis and it is involved in osteoarticular pathologies, in bone oncology and in the repair of fractures. Learning about the action of Osterix on the bone cells and chondrocytes is an attractive starting point for further research aiming at contributing to the diagnosis and treatment of diseases of the osteoarticular system in animals.

Key words: Osterix ; Preosteoblast ; Osteoblast ; Cell differentiation ; Bone

 

Introducción

La esqueletogénesis embrionaria al igual que la homeostasis ósea post natal se halla controlada por varias vías de señalización genética(1). Las principales vías incluyen a los miembros del factor de crecimiento de fibroblastos (FGF), la familia de la proteína morfogénica del hueso (BMP) y la vía de señalización de Wingless int (Wnt)(2 ,1). En correspondencia con esas vías intervienen los factores de transcripción Runx2 y osterix (Osx)(3,4,5).
El rol de Osx en la esqueletogénesis quedó demostrado cuando se bloqueó su expresión en ratones recién nacidos, los que no registraron diferenciación osteoblástica y consecuente formación de hueso nuevo(6,5). Así se estableció que Osx diferencia a los preosteoblastos en osteoblastos para que los continúen con su función en la formación y mineralización ósea.(7,8).
En la columna vertebral la deficiencia de Osx provoca deformaciones severas de las vértebras entre las que se mencionan vértebras en cuña, estenosis espinal y escoliosis congénita. La desactivación de Osx también genera vértebras acortadas con volumen óseo excesivo y actividad osteoclástica disminuida(9).
Para que se lleve a cabo la esqueletogénesis embrionaria se requiere que las células mesenquimáticas (CM) se diferencien en distintas líneas celulares a través del accionar coordinado de un conjunto de moléculas. Este proceso posee características similares a la regeneraciónósea que acontece durante la reparación de las fracturas(10). Por ese motivo resulta de interés conocer esos acontecimientos bioquímicos y celulares que tienen como resultado la curación de las fracturas y defectos óseos.
La proteína morfogénica del hueso –2 (BMP-2) es una poderosa citoquina que induce la formación de hueso. Actúa reclutando CM estimulándolas a que `proliferen y diferencien para generar hueso. BMP-2 regula la expresión de varios transcriptores específicos sin los cuales no se llevaría a cabo la osteogénesis, entre los que se encuentran Osx y Runx2(17).
Osterix es un factor de transcripción que pertenece a la familia de las proteínas de especificidad (Sp) y dentro de esta familia también se la conoce como Sp7. Contiene dedos de zinc que le confieren la función esencial de diferenciar osteoblastos y así intervenir en el desarrollo esquelético embrionario. Los ratones deficientes en Osx acumulan preosteoblastos detenidos en su diferenciación incapaces de expresar genes osteoblásticos como osteocalcina (OC), sialoproteína ósea (BSP) y osteopontina (OP)(3). En ausencia de Osx el esqueleto cartilaginoso prenatal de ratones en los que se realizaron los estudios no mostraron evidencias de mineralización y murieron al nacer(3). En la osificación Osx se expresa en osteoblastos y osteocitos y en menor grado en condrocitos hiper y prehipertróficos(5).
El objetivo de la presente revisión es examinar el rol que desempeña la proteína Osx en la esqueletogénesis embrionaria y en la etapa de desarrollo del individuo en el desarrollo del esqueleto de los animales pues constituye una vía atractiva en la reparación de fracturas y lesionesóseas.

Rol de Osterix en la esqueletogénesis

La proteína OSX pertenece a la familia de las proteínas transcriptoras tipo KRUpel que se caracterizan por poseer dedos de zinc para unirse al ADN celular y ejercer su efecto.(11) De esta forma Osx media la expresión de los genes osteoblásticos como osteocalcina (OC), osteonectina, osteopontina (OP), sialoproteína ósea (BSP) y la metilación del colágeno tipo I(12). Durante la diferenciación de los osteoblastos la región promotora de Osx se hipometila, lo que altera directamente la expresión de los genes de los osteoblastos, que luego ejercen efecto sobre la diferenciación celular(13).
Osx posee una activa participación en la osteogénesis junto a los transcriptores Runx2 y Sox9. Runx2 es necesaria para la diferenciación de las CM en osteoblastos e inhibe su diferenciación en adipocitos y condrocitos. Es el primer transcriptor que interviene en la diferenciación de las CM. Así lo demostraron estudios realizados en ratones Runx2 -/- en los que no se registró osificación intramembranosa como así tampoco endocondral debido a la ausencia de la diferenciación de las CM en osteoblastos.(14,15)
En estudios in vitro realizados en CM procedentes de los huesos parietales de ratones Runx2-/- éstas se diferenciaron espontáneamente en adipocitos y en condrocitos en presencia de BMP-2 pero no en osteoblastos. Por ese motivo las CM de animales Runx2 -/- tienen el potencial de diferenciarse en adipocitos y condrocitos(16). Los ratones Osx-/- también muestran ausencia completa de osificación intramembranosa y endocondral debido a que no se lleva a cabo la diferenciación de osteoblastos. Runx2 se expresa en las células mesenquimales de ratones Osx-/-, aunque Osx no se expresa en ratones Runx2-/-.
Por lo tanto, Osx es un gen que interviene en el proceso de diferenciación con posterioridad a Runx2. En ratones Osx-/- las CM pericondrales se condensan y diferencian en condrocitos, ello indica que las CM Osx-/- mantienen el potencial para diferenciarse en condrocitos.(3)
Runx2 intervendría en los primeros estadios de diferenciación de las CM hasta la aparición de células osteocondroprogenitoras, mientras que Osx tendría un papel en la segregación de las células osteoprogenitoras(17). Estas vías diferenciales reguladoras sugieren que Osx promueve la proliferación de células progenitoras, mientras que Runx2 tiene un efecto antiproliferativo pues actuaría a nivel del ciclo celular en la fase de transición a G1 relacionada al crecimiento celular de los osteoblastos.(18)
Osx posee actividad condrogénica y de osificación post natal de la mandíbula de ratones para lo cual induce la síntesis de metaloproteinasa- 13 (MMP13) durante la osificación endocondral para degradar matrices condrogénicas(19).
Estudios de migración de osteoblastos en el desarrollo del hueso establecieron que interviene una población de células precursoras de osteoblastos que se localizan en el pericondrio y que son Osx positivas. Esas células migran al sitio de osificación primaria junto con los vasos sanguíneos pues esas células precursoras que expresan Osx están íntimamente asociados con células endoteliales de los vasos sanguíneos.(20)
Si bien la familia de BMP es la única capaz de inducir la generación de hueso, ésta requiere la intervención cooperativa de Wnt(21,22). La inactivación de la β-catenina citosólica en las CM, vía canónica de activación de Wnt, bloquea por completo la diferenciación de los osteoblastos y CM mesenquimales del pericondrio y se diferencian en condrocitos(6,23,24). Por lo tanto, β-catenina es esencial para la diferenciación de los osteoblastos donde las CM β-catenina -/- mantienen su potencial para diferenciarse en condrocitos. Como Runx2, pero no Osterix, se expresa en las CM β-catenina -/- (23,24). β-catenina es necesaria para la diferenciación de osteoblastos en la etapa de preosteoblastos. Por lo tanto, Runx2 dirige a las CM progenitoras a preosteoblastos, inhibiendo su diferenciación en adipocitos y condrocitos, y β-catenina y Osx dirigen aún más a los preosteoblastos a osteoblastos inmaduros, eliminando por completo el potencial de los preosteoblastos para diferenciar los condrocitos. Las células que expresan Osx co-expresan sus propias Wnts, que a su vez inducen la respuesta de señalización de Wnt, regulando así su proliferación y diferenciación celular.(25)

Osterix interviene en la homeostasis ósea

Existe variada evidencia que Osx contribuye a mantener la homeostasis de los huesos en animales adultos. Cuando Osx es anulada en ratones adultos éstos registran microfracturas, disminución de la población de osteoblastos e interfiere en la maduración y función de osteocitos(7,5).
Estudios realizados en animales a los que se les impidió que cargaran peso sobre uno de los fémures, mostraron que los osteocitos del hueso disminuyeron la expresión de Osx y a su vez en húmero, mostraron incremento de los niveles de Osx . La experiencia sugiere que la sobrecarga de peso compensatoria aumentó los niveles de Osx en osteoblastos en respuesta a la adaptación mecánica(26). La paratohormona (PTH), que es tanto catabólica como anabólica en el tejido óseo, tiene receptores en los osteoblastos para regular tanto la actividad metabólica de los osteoblastos como la diferenciación. La estimulación prolongada con PTH inhibe la expresión de ARNm de la proteína Osx en células osteoblásticas in vitro que provoca una represión transcripcional(27).
El gen que expresa al receptor de la vitamina D (RVD) en la membrana de los osteoblastos es un objetivo de Osxt. Estudios en ratas mutantes que no expresan osterix (Osx -/-) mostraron expresión defectuosa de RVD cuando se los comparó con animales tipo salvaje. En cultivos primarios de osteoblastos tipo salvaje también tuvieron una expresión del gen RVD marcadamente alterada cuando se anuló la expresión de Osx. La utilidad terapéutica de estos resultados se puede sumar a una lista creciente de factores y vías osteoblastogénicas regulados por Osx en el osteoblasto no solo en el mantenimieto de la homeostasis del hueso, sino también para tratar enfermedades óseas(28).

Osterix en la osteoartritis

Como ya se mencionó, MMP13 es esencial para la condrogénesis en la placa de crecimiento(29). Sin embargo, MMP13 se encuentra íntimamente ligada a la patogénesis de la osteoartritis. No obstante, contar con mayor conocimiento de esta condición resultará de utilidad en el desarrollo de terapias de la osteoartritis y otros desórdenes del cartílago.(30)

Oncología

Las anormalidades en Osx contribuye el desarrollo de osteosarcoma en ratas. La restitución de la expresión de Osx en células provenientes de osteosarcoma tiende a reducir la destrucción del hueso y a disminuir la metástasis pulmonar. Por este motivo esta información sugiere que Osx puede ser un objetivo en el tratamiento de estas neoplasias(31). No obstante, en osteosarcomas extra esqueléticos espontáneos que se producen en conejos los estudios inmunohistoquímicos indicaron expresión de Osx y Ki67 indicativo de la naturaleza proliferativa osteoblástica del tumor.(32)
Las observaciones de Ma et al., 2010(33) señalan que los glucocorticoides inhiben la actividad de ARN mensajero y la expresión de Runx2 y Osx, decrece la actividad osteoblástica y promueve la resorción ósea, la osteoporosis y la necrosis de la cabeza femoral en ratas.

El rol de Osterix en la reparación de la fractura

La reparación de las fracturas es un proceso complejo que incluye la expresión e interacción espacial y temporal de múltiples moléculas que intervienen en la formación de hueso nuevo durante la curación. Los estudios realizados en lesiones óseas controladas seguidas de curación demostraron que Osx se expresa durante la regeneración de células óseas. La implantación de células de la médula ósea que expresan Osx en defectos óseos de huesos temporales en ratas aceleró la cicatrización de las lesiones respecto a los controles(34). En ratones con fracturas controladas el callo de fractura y el cartílago comenzaron a formarse hacia el séptimo día post fractura y continuó hacia el día 10 de la curación. Osx se expresó en los osteoblastos del callo óseo en el día 10, pero no lo hizo en el hueso cortical, condrocitos hipertróficos y vasos sanguíneos. Hacia el día 14 posterior a la fractura Osx se expresó principalmente en los osteoblastos que rodeaban los sitios de curación mientras que el cartílago del callo se osificó(35). En el mismo estudio la sobre expresión de Osx en las células progenitoras disminuyó el nivel de Sox9, lo que sugiere que Osx podría inhibir la diferenciación de los condrocitos mientras promueve la diferenciación de los osteoblastos.
El rastreo de las células precursoras de osteoblastos que eran Osx positivas estaban presentes en el periostio del hueso cortical, lo que permitió establecer que cuando se produce la fractura éstas se encontraban masivamente en el callo óseo(20).

Terapias con Osx

Como se mencionó, Osx expresa las proteínas BSP y OC que intervienen en la biomineralización de la matriz ósea. Esta actividad permitió establecer que las CM de la médula ósea poseen mayor capacidad de diferenciación osteogénica que las CM del tejido adiposo en perros. No obstante, las CM obtenidas del tejido adiposo poseen mayor potencial osteogénico(36, 37).
El ácido zolendrónico es un bifosfonato que contiene nitrógeno(38) y un potente inhibidor de la resorción ósea. El ácido zoledrónico muestra gran afinidad en el sitio del recambio óseo y mineral. El tratamiento con ácido zoledrónico con osteoblastos puede mejorar la diferenciación(39). El ácido zolendrónico provoca la hipometilación de Osx durante la diferenciación osteoblástica y promueve la expresión genética de los osteoblastos(38).

Conclusión

La revisión establece que Osx es cumple funciones clave en la diferenciación de los preosteoblastos y osteoblastos como así también para que se realice osificación endocondral. La presente puede constituir un punto de partida para futuras investigaciones que conduzcan a aplicaciones clínica a los fines de resolver afecciones óseas como y contribuir en el diagnóstico y estrategias terapéuticas de la enfermedades como osteoartritis.

 

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Fecha de recepción artículo original: 10-03-2018
Fecha de aceptación para su publicación:
01-06-2018