O Impacto da Disfunção Mitocondrial no Metabolismo e Remodelação das Células Ósseas Humanas

A atividade mitocondrial intacta, incluindo suprimentos de energia adequados, é vital para os tecidos metabólicos ativos, como músculo esquelético, coração e cérebro. O esqueleto humano representa um tecido adicional altamente metabolicamente ativo; no entanto, a importância do papel mitocondrial na saúde óssea do esqueleto humano pode ser mais investigada.

A remodelação óssea constitui o processo regenerativo acoplado e contínuo da degradação óssea pelos osteoclastos (OC) das células reabsorvedoras de osso, seguida da formação da matriz óssea pelos osteoblastos formadores de osso (OB). O desequilíbrio quantitativo entre reabsorção e formação resulta em distúrbios esqueléticos com baixa massa óssea, incluindo osteoporose, e seu risco aumentado de fraturas por fragilidade.

As mitocôndrias geram energia celular trifosfato de adenosina (ATP) através do processo de fosforilação oxidativa (OXPHOS) na cadeia respiratória (RC) com uma produção secundária de subprodutos deletérios radicais livres, ou seja, espécies reativas de oxigênio (ROS). Notavelmente, as mitocôndrias possuem seu próprio DNA (m.DNA) e as subunidades RC são codificadas pelos genes m.DNA e DNA nuclear (n.DNA), respectivamente. Com o envelhecimento, mutações somáticas deletérias do m.DNA se acumulam no músculo esquelético e no coração, e mutações somáticas do m.DNA, bem como mutações herdadas do m.DNA ou n.DNA, podem resultar em disfunção mitocondrial com produção de ATP prejudicada e acúmulo de ROS. As mutações do m.DNA podem prejudicar a função cerebral, esquelética e dos músculos cardíacos, mas os efeitos sobre o metabolismo e a remodelação das células ósseas humanas são desconhecidos. Um estudo recente de uma coorte de indivíduos jovens indica que as doenças mitocondriais representam um risco para fraturas por fragilidade óssea.

Estudos pré-clínicos sugerem que ATP e ROS regulam o metabolismo ósseo. O número de m.DNA e a atividade mitocondrial aumentam para apoiar a diferenciação de células-tronco esqueléticas (mesenquimais) humanas (hMSC) para OBs formadores de ossos maduros. A inibição da atividade mitocondrial ou o aumento nos níveis de ROS suprimem a diferenciação OB. Da mesma forma, os OCs são ricos em mitocôndrias. As culturas de OC humanas demonstram que o fornecimento de energia para a diferenciação de OC de seus progenitores é baseado em OXPHOS, enquanto a atividade de reabsorção de OC depende da glicólise.

Além disso, evidências emergentes sugerem que a plasticidade metabólica, ou seja, a regulação da glicólise, OXPHOS e níveis de piruvato, contribuem para a regulação da diferenciação de OB e OC.

O ativador do receptor do ligante do fator nuclear kappa-Beta (RANKL) secretado pelos OBs ativa a reabsorção de OC. Em camundongos, a estimulação RANKL de progenitores OC da medula óssea aumenta os níveis intracelulares de ROS, o que estimula a diferenciação OC e a reabsorção óssea in vitro. Além disso, ROS inibe a via de sinalização do tipo sem asas (Wnt) com atenuação da osteoblastogênese e diminuição da formação óssea.

Além disso, camundongos com mutações no domínio de leitura de prova codificado por n.DNA da polimerase de m.DNA POLG (PolgA-/-) acumulam mutações de m.DNA e apresentam fenótipo de envelhecimento prematuro, incluindo baixa massa óssea. Além disso, a deficiência do fator de transcrição mitocondrial codificado por n.DNA (TFAM) causa depleção de ATP, e camundongos com OCs deficientes em TFAM têm atividade OC aumentada e reabsorção óssea aumentada. Ao contrário, a perda global de NADH (nicotinamida-adenina dinucleotídeo) ubiquinona oxidoredutase Fe-S proteína 4 (NDUFS4), uma subunidade no complexo RC 1, prejudica a reabsorção óssea e camundongos (ndufs4-/-) apresentam aumento da densidade mineral óssea (BMD) e um aparente fenótipo ósseo de osteopetrose.

O objetivo é estudar o fenótipo da célula óssea em pacientes com doença mitocondrial rara Portadores de MT-TL1 m.3243A>G (MIM: 590050). O gene codifica o fator de transcrição tRNALeu(UUA/UUG) e m.3243A>G enfraquece montagem do complexo RC com produção secundária de ATP prejudicada. O fenótipo está, em parte, associado à carga de mutação m.3243A>G, ou seja, nível de heteroplasmia (porcentagem de m.3243A>G/m.DNA de tipo selvagem). O grupo de estudo também inclui portadores de mutações no código nuclear POLG (MIM: 174763) e TWNK (MIM: 606075).

Hipótese: A função mitocondrial prejudicada afeta a diferenciação, o metabolismo e a atividade das células ósseas humanas, levando à formação óssea prejudicada e à fragilidade óssea.

Objetivo: Determinar se os portadores de mutações mitocondriais hereditárias, ou seja, disfunção mitocondrial, depleção de ATP e aumento secundário de ROS levam a alterações em:

1. Taxa de diferenciação de OB in vitro, atividade de OB e formação óssea.
2. Diferenciação de OC in vitro, atividade de OC e maior reabsorção óssea geral.
3. Alterações in vivo na dinâmica do nível dos tecidos de formação e reabsorção óssea, conforme examinado em biópsias ósseas da crista ilíaca.

Desenho, participantes e métodos: Estudo de caso-controle transversal incluindo indivíduos (>18 anos) portadores de uma das seguintes mutações:

1. MT-TL1 m.3243A>G
2. mutação POLG
3. TWNK

N=10 casos com cada variante genética patogênica e igual número de controles (n=30) pareados por sexo, idade e IMC.