L'impatto della disfunzione mitocondriale sul metabolismo e sul rimodellamento delle cellule ossee umane

L'attività mitocondriale intatta, compreso un adeguato apporto energetico, è vitale per i tessuti metabolici attivi, vale a dire il muscolo scheletrico, il cuore e il cervello. Lo scheletro umano rappresenta un ulteriore tessuto altamente metabolicamente attivo; tuttavia il significato del ruolo mitocondriale nella salute delle ossa scheletriche umane può essere ulteriormente studiato.

Il rimodellamento osseo costituisce il processo rigenerativo accoppiato e continuo della degradazione ossea da parte degli osteoclasti delle cellule che riassorbono l'osso (OC) seguito dalla formazione della matrice ossea da parte degli osteoblasti che formano l'osso (OB). Lo squilibrio quantitativo tra riassorbimento e formazione si traduce in disturbi scheletrici con bassa massa ossea inclusa l'osteoporosi e il suo aumentato rischio di fratture da fragilità.

I mitocondri generano energia cellulare adenosina trifosfato (ATP) attraverso il processo di fosforilazione ossidativa (OXPHOS) nella catena respiratoria (RC) con una produzione secondaria dei sottoprodotti deleteri radicali liberi, cioè specie reattive dell'ossigeno (ROS). In particolare, i mitocondri contengono il proprio DNA (m.DNA) e le subunità RC sono codificate rispettivamente dai geni m.DNA e DNA nucleare (n.DNA). Con l'invecchiamento, le mutazioni somatiche deleterie del m.DNA si accumulano nel muscolo scheletrico e nel cuore, e le mutazioni somatiche del m.DNA così come le mutazioni ereditarie del m.DNA o del n.DNA possono causare disfunzione mitocondriale con alterata produzione di ATP e accumulo di ROS. Le mutazioni m.DNA possono compromettere la funzione cerebrale, scheletrica e dei muscoli cardiaci, ma gli effetti sul metabolismo e sul rimodellamento delle cellule ossee umane sono sconosciuti. Un recente studio su una coorte di giovani individui indica che le malattie mitocondriali rappresentano un rischio di fratture da fragilità ossea.

Studi preclinici suggeriscono che ATP e ROS regolano il metabolismo osseo. Il numero di m.DNA e l'attività mitocondriale aumentano per supportare la differenziazione dalle cellule staminali scheletriche umane (mesenchimali) (hMSC) agli OB che formano l'osso maturo. L'inibizione dell'attività mitocondriale o l'aumento dei livelli di ROS sopprimono la differenziazione OB. Allo stesso modo, gli OC sono ricchi di mitocondri. Le colture umane di OC dimostrano che l'approvvigionamento energetico per la differenziazione di OC dai loro progenitori si basa su OXPHOS mentre l'attività di riassorbimento di OC si basa sulla glicolisi.

Inoltre, prove emergenti suggeriscono che la plasticità metabolica, ovvero la regolazione dei livelli di glicolisi, OXPHOS e piruvato, contribuisce alla regolazione della differenziazione di OB e OC.

L'attivatore del recettore del fattore nucleare kappa-Beta ligando (RANKL) secreto dagli OB attiva il riassorbimento di OC. Nei topi, la stimolazione RANKL dei progenitori OC del midollo osseo aumenta i livelli intracellulari di ROS, che stimola la differenziazione OC e il riassorbimento osseo in vitro. Inoltre, i ROS inibiscono la via di segnalazione di tipo senza ali (Wnt) con attenuazione dell'osteoblastogenesi e diminuzione della formazione ossea.

Inoltre, i topi con mutazioni nel dominio di lettura delle prove codificato n.DNA della m.DNA polimerasi POLG (PolgA-/-) accumulano mutazioni m.DNA e presentano un fenotipo di invecchiamento precoce che include una bassa massa ossea. Inoltre, la carenza del fattore di trascrizione mitocondriale (TFAM) codificato da n.DNA causa la deplezione di ATP e i topi con OC carenti di TFAM hanno una maggiore attività OC e un aumento del riassorbimento osseo. Al contrario, la perdita globale di NADH (nicotinamide-adenina dinucleotide) ubiquinone ossidoreduttasi Fe-S proteina 4 (NDUFS4) una subunità nel complesso RC 1 compromette il riassorbimento osseo e i topi (ndufs4-/-) presentano una maggiore densità minerale ossea (BMD) e un apparente fenotipo osseo osteopetrosi.

L'obiettivo è studiare il fenotipo delle cellule ossee in pazienti con malattia mitocondriale rara Portatori di MT-TL1 m.3243A>G (MIM: 590050). Il gene codifica per il fattore di trascrizione tRNALeu(UUA/UUG) e m.3243A>G indebolisce il assemblaggio del complesso RC con una produzione di ATP compromessa secondaria. Il fenotipo è, in parte, associato al carico di mutazione m.3243A>G, cioè al livello di eteroplasmia (percentuale di m.3243A>G/m.DNA di tipo selvatico). Il gruppo di studio comprende anche portatori di mutazioni nel codificato nucleare POLG (MIM: 174763) e TWNK (MIM: 606075).

Ipotesi: la compromissione della funzione mitocondriale influisce sulla differenziazione, sul metabolismo e sull'attività delle cellule ossee umane, portando a una compromissione della formazione ossea e alla fragilità ossea.

Obiettivo: determinare se i portatori di mutazioni mitocondriali ereditarie, ad esempio disfunzione mitocondriale, deplezione di ATP e aumento secondario di ROS, portino a cambiamenti in:

1. Tasso di differenziazione dell'OB in vitro, attività dell'OB e formazione ossea.
2. Differenziazione OC in vitro, attività OC e maggiore riassorbimento osseo complessivo.
3. Cambiamenti in vivo nelle dinamiche a livello dei tessuti della formazione ossea e del riassorbimento come esaminato nelle biopsie ossee della cresta iliaca.

Disegno, partecipanti e metodi: studio caso-controllo trasversale che include soggetti (>18 anni) portatori di una delle seguenti mutazioni:

1. MT-TL1m.3243A>G
2. Mutazione POLG
3. TWNK

N=10 casi con ciascuna variante genetica patogena e uguale numero di controlli (n=30) appaiati per sesso, età e BMI.