La relación entre la patogénesis de la osteoporosis y la autofagia
La manifestación del desequilibrio del metabolismo óseo en la osteoporosis: la osteoporosis (OP) puede dividirse en dos tipos principales según sus características etiológicas: primaria y secundaria. La OP primaria está asociada a una variedad de factores, incluyendo envejecimiento, antecedentes genéticos e influencias ambientales, mientras que la OP secundaria tiene causas más claras, principalmente derivadas de enfermedades específicas o el uso de ciertosmedicamentos 7. Actualmente, es ampliamente aceptado en el campo de la medicina moderna que el mecanismo regulador del desequilibrio del metabolismo óseo es el factor clave para inducir la OP, que implica esencialmente la alteración del equilibrio dinámico del metabolismo óseo, conduciendo a una serie de cambios patológicos8. Desde la perspectiva del metabolismo óseo, el equilibrio entre la formación ósea y la reabsorción ósea es crucial para mantener la salud ósea. En pacientes con OP, este equilibrio se altera, ya que la reabsorción ósea supera la formación ósea, lo que resulta en una disminución gradual de la masa ósea y destrucción de la microestructuraósea 9. En condiciones fisiológicas normales, los niveles de marcadores de formación ósea y marcadores de reabsorción ósea son relativamente estables, manteniendo un equilibrio dinámico. Sin embargo, en el OP, los niveles de marcadores de formación ósea como la fosfatasa alcalina ósea (BALP) y el procolágeno tipo I N-terminal propeptido (PINP) disminuyen, mientras que los niveles de marcadores de resorción ósea como la fosfatasa ácida resistente al tartrato 5b (Tracp-5b) y el peptídeo C-terminal de colágeno tipo I (CTX-1) aumentan. Estos cambios conducen directamente a la pérdida ósea y dañoestructural 10. A nivel celular, las células T reguladoras (Treg) y las células T auxiliares 17 (Th17) desempeñan un papel central en la regulación del metabolismo óseo. En comparación con individuos sanos, los pacientes con OP presentan una menor proporción de células Treg y una mayor proporción de células Th17, lo que altera el equilibrio Treg/Th17. Específicamente, los niveles de citocinas secretadas por las células Treg, como la interleucina-4 (IL-4), la interleucina-10 (IL-10) y el factor de crecimiento transformante β (TGF-β), disminuyen, mientras que aumentan los niveles de citocinas secretadas por las células Th17, como la interleucina-17 (IL-17) y el factor de necrosis tumoral α (TNF-α). Estos cambios en los niveles de citocinas afectan al eje de señalización OPG/RANKL/RANK, promoviendo la diferenciación de osteoclastos e inhibiendo la secreción de osteoblastos en OPG, agravando así la gravedad de laosteoporosis 11,12.
El papel fisiológico normal de la autofagia en el metabolismo óseo
Mantenimiento de la homeostasis y función de las células óseas
La autofagia desempeña un papel fundamental en los procesos fisiológicos de las células óseas y es crucial para mantener su homeostasis. Durante la formación ósea, los precursores de los osteoblastos experimentan una disminución en la actividad autofágica durante aproximadamente 12 horas, lo que indica el papel significativo de la autofagia en las primeras etapas de los osteoblastos. Los autofagosomas acumulados en células madre mesenquimales no diferenciadas pueden degradarse rápidamente para proporcionar energía y precursores metabólicos para la diferenciación celular. Además, la autofagia puede proteger a los osteoblastos de los efectos tóxicos del cloruro de plomo y otros estímulos dañinos, manteniendo así su funciónnormal 1,7.
Regulación del equilibrio entre formación ósea y reabsorción
La autofagia desempeña un papel vital en la regulación del equilibrio del metabolismo óseo. Un nivel adecuado de autofagia puede mantener la supervivencia y función de las células óseas, asegurando el equilibrio dinámico entre la formación ósea y la reabsorción. Por ejemplo, en condiciones bajas en estrógeno, la autofagia puede proteger a los osteoblastos, promoviendo su proliferación y diferenciación, mientras que inhibir la autofagia induce la apoptosis de los osteoblastos, afectando la formaciónósea 13. Mientras tanto, la autofagia también está implicada en la regulación de la formación y función de los osteoclastos, afectando así la reabsorción ósea. En los osteoclastos, la deficiencia del gen relacionado con la autofagia BECN1 conduce a una disminución en la diferenciación de osteoclastos y la capacidad de reabsorción ósea, lo que indica el impacto significativo de la autofagia en el mantenimiento de la función de los osteoclastos y en el proceso de reabsorciónósea 14.
Participación en la diferenciación y maduración de células óseas
La autofagia está estrechamente relacionada con la diferenciación y maduración de las células óseas. En la fase inicial de diferenciación de las células madre mesenquimales de la médula ósea en osteoblastos, el nivel de autofagia cambia y la expresión de genes relacionados con la autofagia se coordina con el proceso de diferenciación celular. La autofagia proporciona una base energética y material para la diferenciación celular al degradar proteínas y orgánulos dañados dentro de la célula, promoviendo la diferenciación y maduración de los osteoblastos. Al mismo tiempo, la autofagia también participa en la regulación de la diferenciación y maduración de los precursores osteoclastos, afectando la función y el número de osteoclastos. Como mecanismo de respuesta al estrés celular, la autofagia puede ayudar a las células óseas a afrontar diversas condiciones de estrés, como el estrés oxidativo, la hipoxia y la deficiencia de nutrientes. Bajo condiciones de estrés oxidativo, la autofagia puede eliminar las especies reactivas de oxígeno (ROS) acumuladas dentro de la célula, reduciendo el daño oxidativo y protegiendo la integridad y función de las células óseas. Por ejemplo, en osteoblastos estimulados por H₂O₂, la activación de la autofagia ayuda a eliminar ROS, aliviar el daño oxidativo y mantener la supervivencia y actividad celular15. Además, la autofagia también está implicada en la respuesta adaptativa de las células bajo condiciones hipóxicas, ayudando a las células óseas a sobrevivir en un entorno hipóxico al regular el metabolismo energético y la estabilidad del entorno intracelular16.
Promoción de la regeneración y reparación ósea
La autofagia desempeña un papel clave en el proceso de regeneración y reparación ósea. Durante la cicatrización de fracturas, la autofagia participa en la regulación de la formación y maduración del callo, promoviendo la regeneración y reparación del tejido óseo. Los estudios han demostrado que algunas hormonas y factores de crecimiento afectan la regeneración y reparación ósea al regular la autofagia. Por ejemplo, la hormona paratiroidea (PTH) puede promover la autofagia en osteoblastos y condrocitos, lo que es beneficioso para el alivio de la osteoartritis y la reparación del tejidoóseo 17,18.
Mantenimiento del equilibrio energético del metabolismo de las células óseas
La autofagia proporciona energía y productos metabólicos para las células óseas degradando y reciclando sustancias dentro de la célula, manteniendo así el equilibrio del metabolismo energético de la célula. En condiciones de deficiencia de nutrientes o aumento de la demanda energética, la autofagia puede descomponer grandes moléculas dentro de la célula, como proteínas, lípidos y glucógeno, convirtiéndolas en energía y intermediarios metabólicos para satisfacer las necesidades energéticas de la célula y asegurar el funcionamiento fisiológico normal de las célulasóseas 19,20.
Cambios anormales y mecanismos clave de la autofagia en la patogénesis de la osteoporosis, disminución de la función de la autofagia y desequilibrio del metabolismo óseo
En la osteoporosis, la función de la autofagia celular es anormal, caracterizada principalmente por niveles disminuidos de autofagia o una expresión aberrante de proteínas relacionadas con la autofagia. Este descenso en la función de la autofagia altera el equilibrio del metabolismo óseo, lo que provoca un desequilibrio entre la formación ósea y la reabsorción. Por ejemplo, estudios han encontrado que los niveles de expresión de proteínas relacionadas con la autofagia se reducen en las células madre mesenquimatoses de la médula ósea de pacientes con osteoporosis, afectando su capacidad para diferenciarse en osteoblastos y, en consecuencia, reduciendo la formaciónósea 21,22,23.
Mecanismos que afectan a los osteoblastos
La deficiencia de estrógenos es uno de los factores más importantes que contribuyen a la osteoporosis. Reduce notablemente los niveles de expresión de proteínas relacionadas con la autofagia en osteoblastos, como ATG5 y ATG7, inhibiendo así la diferenciación y mineralización de osteoblastos y aumentando la apoptosis de los osteoblastos. Además, el aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS) es un factor clave que afecta la autofagia de los osteoblastos en la osteoporosis. En un entorno de estrés oxidativo, un exceso de ROS puede dañar proteínas intracelulares y orgánulos. El descenso en la función de la autofagia no elimina estas sustancias dañadas a tiempo, agravando aún más el daño oxidativo a los osteoblastos. Esto conduce finalmente a la apoptosis de los osteoblastos y a un deterioro funcional, afectando la formaciónósea 24.
Mecanismos que afectan a los osteoclastos
En la osteoporosis, las anomalías de la autofagia también afectan a la función del osteoclasto. Por un lado, los cambios en la expresión de proteínas relacionadas con la autofagia pueden favorecer la formación y activación de osteoclastos. Por ejemplo, Zhan19 encontró que la regulación a la baja de ciertas proteínas relacionadas con la autofagia aumenta la secreción del activador receptor del ligando del factor nuclear κB (RANKL), un factor clave para promover la diferenciación y activación del osteoclasto, acelerando así la reabsorción ósea. Por otro lado, la disfunción de la autofagia puede provocar disfunción mitocondrial y acumulación de ROS en osteoclastos, mejorando aún más su capacidad de reabsorción ósea y agravando la pérdida ósea.
Relación con la senescencia celular
La senescencia celular es uno de los mecanismos importantes en la patogénesis de la osteoporosis y está estrechamente relacionada con el declive de la función de la autofagia. En las células madre mesenquimales de la médula ósea senescentes, la disminución de los niveles de autofagia conduce a la acumulación de mitocondrias y proteínas dañadas, desencadenando el fenotipo secretor asociado a la senescencia (SASP). Esto provoca la secreción de grandes cantidades de factores inflamatorios y metaloproteinasas de la matriz, que no solo inhiben la diferenciación y función de los osteoblastos, sino que también promueven la activación de los osteoclastos y la reabsorción ósea, acelerando así la progresión de laosteoporosis 25,26.
Asociación con la respuesta inflamatoria La osteoporosis suele ir acompañada de un estado inflamatorio crónico de bajo grado, y existe una compleja interacción entre las respuestas inflamatorias y la autofagia. Las citocinas inflamatorias como el TNF-α e IL-1β pueden afectar la iniciación y regulación de la autofagia a través de diversas vías de señalización. Por el contrario, la disfunción de la autofagia también puede regular la producción y liberación de citocinas inflamatorias. En la osteoporosis, el aumento de la liberación de citocinas inflamatorias inhibe aún más la autofagia y función de los osteoblastos, al tiempo que promueve la formación y activación de osteoclastos, agravando el desequilibrio del metabolismoóseo 27,28.
Intervenciones de la Medicina Tradicional China (MTC) en vías relacionadas con la autofagia para el tratamiento de la osteoporosis
La vía de señalización PI3K/AKT/mTOR
PI3K puede fosforilar lípidos en la membrana celular para producir fosfatidilinositol-3,4,5-trifosfato (PIP3). AKT, como molécula efectora aguas abajo, sufre cambios conformacionales y se activa al detectar señales PIP3. El AKT activado fosforila aún más el mTOR aguas abajo, que, como regulador clave del crecimiento y metabolismo celular, promueve la síntesis de proteínas relacionadas con el ciclo celular como la ciclina D1, impulsando la transición del ciclo celular de la fase G1 a la S y acelerando la proliferación deosteoblastos 29,30. Además, mTOR promueve la fosforilación de factores clave para la síntesis de proteínas, como 4E-BP1 y S6K1, mejorando la síntesis de proteínas y proporcionando una base material para la diferenciación de osteoblastos, mejorando finalmente su función y promoviendo la formación de tejido óseo. Por ejemplo, Mi et al. descubrieron que una fórmula tonificadora de riñones y activación sanguínea activa esta vía, regulando al alza la expresión proteica de PI3K, p-AKT y mTOR, promoviendo significativamente la expresión de genes y proteínas relacionados con la formación ósea, y acelerando la reparación de defectosóseos 31,32.
La activación de AKT puede inhibir la expresión de proteínas relacionadas con la apoptosis como Bax. Bax, una proteína proapoptótica en la membrana externa mitocondrial, puede provocar cambios en la permeabilidad mitocondrial cuando su expresión aumenta, liberando citocromo c y activando la familia de enzimas caspasa, induciendo así la apoptosis celular 33,34. La activación de AKT reduce la expresión de Bax, evitando este proceso. Mientras tanto, AKT aumenta la expresión de la proteína antiapoptótica Bcl-2, que puede competir con Bax por unirse a los poros de la membrana externa mitocondrial, impidiendo la liberación de citocromo c y reduciendo así la apoptosis osteoblastica y manteniendo la masaósea 34. MTOR es un regulador negativo clave de la autofagia. En condiciones ricas en nutrientes, mTOR es altamente activo y puede unirse e inhibir la actividad de la proteína relacionada con la autofagia ULK1, previniendola autofagia 35,36. Sin embargo, cuando las células enfrentan condiciones de estrés como deficiencia de nutrientes o hipoxia, la actividad de mTOR se inhibe, se activa ULK1 y se inicia la autofagia. La autofagia puede eliminar mitocondrias y proteínas dañadas dentro de la célula, manteniendo la homeostasis intracelular. La autofagia moderada ayuda a los osteoblastos a sobrellevar condiciones adversas como la insuficiencia nutritiva o el estrés oxidativo, protegiendo así el tejidoóseo 37,38,39. Niu40 encontró que una fórmula para calentar y aliviar el riñón puede modular la vía de señalización AMPK/mTOR, aumentar los niveles de autofagia, mejorar la microestructura ósea y promover la reparación y regeneración del tejido óseo.
Vía de señalización AMPK/mTOR
La AMPK, una proteína quinasa Ser/Thr altamente conservada, es extremadamente sensible a los cambios en el estado energético celular. Cuando las células se enfrentan a una deficiencia de energía, la relación AMP/ATP aumenta, lo que conduce a la activación de la AMPK. La AMPK activada inicia directamente la autofagia al fosforilar proteínas relacionadas con la autofagia como ULK1, proporcionando un apoyo crítico para la eliminación de componentes dañados y el mantenimiento de la homeostasis celular 41,42. Además, la AMPK potencia indirectamente la autofagia al inhibir la actividad de mTOR. Durante la autofagia, el exceso de glucógeno, grasa y proteínas dentro de la célula se degradan ordenadamente para suministrar energía y nutrientes para la función celular, asegurando que las células puedan mantener funciones fisiológicas básicas bajo condicionesadversas 43,44.
En el campo del tratamiento de la osteoporosis, la activación de la vía de señalización AMPK/mTOR muestra un gran potencial. Por un lado, la AMPK puede regular con precisión el metabolismo energético, proporcionando un fuerte impulso para la proliferación y diferenciación de osteoblastos y promoviendo la formación de nuevos huesos. Por otro lado, puede regular hábilmente la expresión de osteopontina, una proteína clave en el metabolismo óseo, acelerando la formación de nódulos mineralizados y contribuyendo al aumento de la densidad ósea y a un metabolismo óseaoptimizado 45,46. Por ejemplo, un estudio de Wei47demostró que las cápsulas de Zanggu Zhitong mejoran la densidad ósea y el metabolismo ósea al modular la vía de señalización AMPK/mTOR, lo que podría estar relacionado con la activación de AMPK y la posterior regulación de las vías de señalización aguas abajo.
Además, la activación de la AMPK también es muy eficaz para combatir el estrés oxidativo. Puede regular finamente el estado redox celular y promover significativamente la expresión de enzimas antioxidantes como SOD y CAT, reduciendo así la generación de ROS en la fuente. Las ROS, como "moléculas destructivas" dentro de las células, pueden causar daños graves a macromoléculas biológicas como el ADN, proteínas y lípidos cuando no se controlan, alterando así las funciones fisiológicas celulares normales. Al inhibir con precisión la generación de ROS, la activación de AMPK construye una defensa antioxidante robusta para los osteocitos, aliviando eficazmente el daño por estrés oxidativo y manteniendo la salud y vitalidad del tejido óseo. En comparación con otros tratamientos tradicionales, la activación de la vía de señalización AMPK/mTOR no solo regula el metabolismo energético y promueve la formación ósea, sino que también mejora la resistencia al estrés antioxidante. Este mecanismo de acción multiobjetivo y integral lo hace único en el tratamiento de la osteoporosis, proporcionando una estrategia clínica más prometedora.
La vía de señalización PINK1/Parkin
En condiciones fisiológicas, PINK1, una proteína de membrana externa mitocondrial, suele ser translocada en las mitocondrias y degradada por la translocasa de la membrana mitocondrial interna. Sin embargo, cuando la función mitocondrial se ve afectada y el potencial de membrana disminuye, PINK1 no puede entrar en la membrana interna y en su lugar se acumula en la membrana externa. En este punto, PINK1 fosforila Parkin, promoviendo su translocación del citosol a la superficie mitocondrial. Como ligasa E3 de ubiquitina, Parkin está implicada en la ubiquitinación de las mitocondrias, lo que permite que sean reconocidas y degradadas por autofagosomas, eliminando así las mitocondrias dañadas y manteniendo la función normal de las mitocondrias dentro de la célula 48,49,50.
Al promover la mitofagia, la vía de señalización PINK1/Parkin puede reducir la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) a partir de las mitocondrias dañadas dentro de la célula. La ROS no solo daña las biomacromoléculas intracelulares, sino que también induce la apoptosis. Por lo tanto, la activación de la vía de señalización PINK1/Parkin puede disminuir los niveles de estrés oxidativo, proteger a los osteócitos del daño oxidativo y mantener la viabilidad y función celular51,52.
En el tratamiento de la osteoporosis, modular la vía de señalización PINK1/Parkin ayuda a restaurar el equilibrio del metabolismo óseo. Por un lado, al eliminar las mitocondrias dañadas, mantiene la salud de los osteoblastos y mejora su capacidad de formación ósea. Por otro lado, reducir la producción de ROS puede inhibir la actividad de los osteoclastos y disminuir la reabsorción ósea. Xian et al. 53informaron que Zuo Gui Wan y You Gui Wan regulan la vía de señalización PINK1/Parkin, afectan el nivel de mitofagia y, por tanto, modulan el metabolismo óseo, aumentan la densidad ósea, disminuyen los niveles séricos de osteocalcina y mejoran eficazmente los síntomas de la osteoporosis posmenopáusica. En comparación con los métodos de tratamiento tradicionales, esta estrategia basada en la regulación de la vía de señalización se centra más en restaurar el equilibrio del metabolismo óseo a nivel celular y demuestra ventajas únicas.
En resumen, la vía de señalización PI3K/AKT/mTOR mejora principalmente la formación ósea y reduce la reabsorción ósea en el tratamiento de la osteoporosis, promoviendo la proliferación y diferenciación de osteoblastos, inhibiendo la apoptosis de los osteoblastos y regulando la función de la autofagia. La activación de esta vía puede mejorar eficazmente la función de los osteoblastos y mantener la masa ósea. La vía de señalización AMPK/mTOR regula la autofagia detectando cambios en el estado energético celular, lo que mejora el metabolismo óseo y ejerce efectos antioxidantes del estrés para proteger a los osteocitos del daño. En cambio, la vía de señalización PINK1/Parkin se centra más en eliminar mitocondrias dañadas mediante mitofagia, reducir el estrés oxidativo y mantener la salud y función normal de los osteocitos para regular el equilibrio del metabolismo óseo, proporcionando nuevos objetivos y mecanismos para el tratamiento de la osteoporosis.