El impacto de la disfunción mitocondrial en el metabolismo y la remodelación de las células óseas humanas

La actividad mitocondrial intacta, incluidos los suministros de energía adecuados, es vital para los tejidos metabólicos activos, es decir, el músculo esquelético, el corazón y el cerebro. El esqueleto humano representa un tejido metabólicamente muy activo adicional; sin embargo, la importancia del papel mitocondrial en la salud ósea del esqueleto humano puede investigarse más a fondo.

La remodelación ósea constituye el proceso regenerativo acoplado y continuo de degradación ósea por parte de los osteoclastos (OC) de las células de reabsorción ósea, seguido de la formación de matriz ósea por parte de los osteoblastos formadores de hueso (OB). El desequilibrio cuantitativo entre la reabsorción y la formación da como resultado trastornos esqueléticos con baja masa ósea, incluida la osteoporosis, y su mayor riesgo de fracturas por fragilidad.

Las mitocondrias generan energía celular trifosfato de adenosina (ATP) a través del proceso de fosforilación oxidativa (OXPHOS) en la cadena respiratoria (RC) con una producción secundaria de los subproductos nocivos radicales libres, es decir, especies reactivas de oxígeno (ROS). En particular, las mitocondrias contienen su propio ADN (m.DNA), y las subunidades RC están codificadas por genes m.DNA y nuclear DNA (n.DNA), respectivamente. Con el envejecimiento, se acumulan mutaciones nocivas de m.DNA somáticas en el músculo esquelético y el corazón, y las mutaciones somáticas de m.DNA, así como las mutaciones heredadas de m.DNA o n.DNA, pueden dar lugar a una disfunción mitocondrial con producción de ATP deteriorada y acumulación de ROS. Las mutaciones del m.DNA pueden afectar la función del músculo cardíaco, esquelético y cerebral, pero se desconocen los efectos sobre el metabolismo y la remodelación de las células óseas humanas. Un estudio reciente de una cohorte de individuos jóvenes indica que las enfermedades mitocondriales presentan un riesgo de fracturas por fragilidad ósea.

Los estudios preclínicos sugieren que ATP y ROS regulan el metabolismo óseo. El número de m.DNA y la actividad mitocondrial aumentan para apoyar la diferenciación de células madre esqueléticas (mesenquimales) humanas (hMSC) a OB maduras formadoras de hueso. La inhibición de la actividad mitocondrial o el aumento de los niveles de ROS suprimen la diferenciación de OB. Del mismo modo, los OC son ricos en mitocondrias. Los cultivos humanos de OC demuestran que los suministros de energía para la diferenciación de OC de sus progenitores se basan en OXPHOS, mientras que la actividad de reabsorción de OC se basa en la glucólisis.

Además, la evidencia emergente sugiere que la plasticidad metabólica, es decir, la regulación de los niveles de glucólisis, OXPHOS y piruvato, contribuye a la regulación de la diferenciación de OB y ​​OC.

El activador del receptor del ligando kappa-beta del factor nuclear (RANKL) secretado por los OB activa la reabsorción de OC. En ratones, la estimulación de RANKL de los progenitores de OC de la médula ósea aumenta los niveles intracelulares de ROS, lo que estimula la diferenciación de OC y la resorción ósea in vitro. Además, ROS inhibe la vía de señalización de tipo sin alas (Wnt) con atenuación de la osteoblastogénesis y disminución de la formación ósea.

Además, los ratones con mutaciones en el dominio de lectura de prueba codificado por n.DNA de m.DNA polimerasa POLG (PolgA-/-) acumulan mutaciones de m.DNA y presentan un fenotipo de envejecimiento prematuro que incluye baja masa ósea. Además, la deficiencia del factor de transcripción mitocondrial (TFAM) codificado por n.DNA provoca el agotamiento de ATP, y los ratones con OC deficientes en TFAM tienen una mayor actividad de OC y una mayor resorción ósea. Por el contrario, la pérdida global de NADH (nicotinamida-adenina dinucleótido) ubiquinona oxidorreductasa Fe-S proteína 4 (NDUFS4), una subunidad en el complejo RC 1, altera la resorción ósea y (ndufs4-/-) los ratones presentan un aumento de la densidad mineral ósea (DMO) y fenotipo óseo de osteopetrosis aparente.

El objetivo es estudiar el fenotipo de las células óseas en pacientes con enfermedad mitocondrial rara Portadores de MT-TL1 m.3243A>G (MIM: 590050). El gen codifica el factor de transcripción tRNALeu(UUA/UUG) y m.3243A>G debilita el ensamblaje del complejo RC con una producción secundaria de ATP alterada. El fenotipo está, en parte, asociado con la carga de mutación m.3243A>G, es decir, el nivel de heteroplasmia (porcentaje de m.3243A>G/m.DNA de tipo salvaje). El grupo de estudio también incluye portadores de mutaciones en el codificado nuclear POLG (MIM: 174763) y TWNK (MIM: 606075).

Hipótesis: La función mitocondrial deteriorada afecta la diferenciación, el metabolismo y la actividad de las células óseas humanas, lo que conduce a una formación ósea deteriorada y fragilidad ósea.

Objetivo: determinar si los portadores de mutaciones mitocondriales heredadas, es decir, disfunción mitocondrial, agotamiento de ATP y aumento secundario de ROS conducen a cambios en:

1. Tasa de diferenciación de OB in vitro, actividad de OB y ​​formación ósea.
2. Diferenciación in vitro de OC, actividad de OC y mayor resorción ósea global.
3. Cambios in vivo en la dinámica del nivel de tejido de la formación y reabsorción ósea examinadas en biopsias óseas de la cresta ilíaca.

Diseño, Participantes y Métodos: Estudio transversal de casos y controles que incluye sujetos (>18 años) portadores de una de las siguientes mutaciones:

1. MT-TL1 m.3243A>G
2. mutación POLG
3. JÓVENES

N=10 casos con cada variante genética patógena e igual número de controles (n=30) pareados por sexo, edad e IMC.