Pathophysiologische Einheit bei der Entstehung von Osteoporose und vaskulärer Atherosklerose

In der Sterblichkeitsstruktur der Bevölkerung der Industrieländer nehmen Erkrankungen des Kreislaufsystems den Spitzenplatz ein. Herz-Kreislauf-Erkrankungen (arterielle Hypertonie, ischämische Herzkrankheit, Myokardinfarkt), die auf Arteriosklerose beruhen, werden zu Recht als Epidemie des 21. Jahrhunderts bezeichnet.

Laut WHO sterben weltweit jährlich über 17 Millionen Menschen an Herz-Kreislauf-Erkrankungen, und bis 2015 wird diese Zahl auf 20 Millionen steigen. Eine der Hauptursachen für Funktionsstörungen und den Verlust der Arbeitsfähigkeit bei Erwachsenen ist Osteoporose (OP) – die weltweit bekannteste und am weitesten verbreitete Erkrankung des Skelettsystems mit altersbedingter Prävalenz. Osteoporose ist eine multifaktorielle polygene Skeletterkrankung und die häufigste Form der metabolischen Osteopathie. Die Erkrankung ist durch Knochenschwund, Störung der Mikroarchitektur (Zerstörung der Knochenbälkchen) und Kraftverlust gekennzeichnet und geht mit einem hohen Frakturrisiko einher.

Es sind Frakturen, insbesondere Frakturen des Schenkelhalses und des Radius im unteren Drittel des Unterarms, die die medizinische und medizinisch-soziale Bedeutung der Erkrankung bestimmen, einschließlich der damit verbundenen erhöhten Sterblichkeit und erheblichen wirtschaftlichen Verluste. Die Besonderheit der Osteoporose besteht darin, dass sie vor allem ältere und alte Menschen betrifft. Der seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts deutliche Anstieg der Osteoporose-Inzidenz spiegelt natürlich den demografischen Wandel in der Bevölkerung wider, der sich in der Alterung der Bevölkerung in allen Industrieländern der Welt manifestiert. Zahlreiche kürzlich weltweit und in Europa durchgeführte epidemiologische Studien weisen auf einen positiven Zusammenhang zwischen Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Erkrankungen des Skelettsystems hin. Gleichzeitig assoziieren viele Autoren Osteoporose mit dem Fortschreiten der Arteriosklerose, einschließlich der Verkalkung der Gefäßwände. Bei Frauen mit osteoporotischen Frakturen wurde eine erhöhte Inzidenz von Aorten- und Koronararterienverkalkungen beobachtet, deren Schweregrad mit einer Abnahme der Knochenmineraldichte (BMD) korrelierte.

Die Studien von SO Song et al. enthüllten einen Zusammenhang zwischen einer Abnahme der Knochendichte (BMD) der Wirbelsäule und des proximalen Femurs und einem Anstieg des Kalziumgehalts in den Koronararterien laut Elektronenstrahl-Computertomographie. M. Naves et al. stellten fest, dass bei Frauen mit postmenopausaler Osteoporose eine Abnahme der Knochendichte (BMD) um eine Standardabweichung von der maximalen Knochenmasse mit einem um 43 % erhöhten Risiko einer Gesamtmortalität sowie eines vorzeitigen Todes durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen verbunden ist. Andere Studien zeigten auch, dass Patienten mit einer Abnahme der Knochendichte häufiger einen Anstieg der Blutfettwerte aufweisen, eine schwerere Koronararterienverkalkung entwickeln und ein deutlich erhöhtes Risiko für Schlaganfall und Herzinfarkt haben. Die präsentierten Daten weisen darauf hin, dass eine Zunahme der Inzidenz von Osteoporose, ektopischer Verkalkung und Arteriosklerose bei denselben Patienten eine gemeinsame pathogenetische Grundlage hat. Die Vorstellung, dass Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Osteoporose über Marker verknüpft sind, die gleichzeitig Gefäß- und Knochenzellen betreffen, wird durch umfangreiche experimentelle Studien gestützt.

Ein Kandidat für die Rolle eines solchen Markers ist das kürzlich identifizierte Protein Osteoprotegerin (OPG), das zur Familie der Tumornekrosefaktor-Rezeptoren gehört und Teil des RANKL-RANK-OPG-Zytokinsystems ist.

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Knochenumbau und die Rolle des Rankl-Rank-OPG-Systems

Osteoporose ist eine Erkrankung, die auf Störungen des Knochenumbaus mit erhöhter Knochenresorption und verminderter Knochensynthese beruht. Beide Prozesse der Knochenbildung sind eng miteinander verbunden und sind das Ergebnis der zellulären Interaktion von Osteoblasten (OB) und Osteoklasten (OC), die aus Vorläufern verschiedener Zelllinien stammen: Osteoblasten – aus mesenchymalen Stammzellen, Osteoklasten – aus Makrophagen-Monozytären Zellen des Knochenmarks. Osteoblasten sind mononukleäre Zellen, die am Prozess der Knochenbildung und Mineralisierung von Knochenmatrixzellen beteiligt sind. Osteoblasten spielen eine grundlegende Rolle bei der Modulation des Knochenumbaus und der Regulierung der Stoffwechselaktivität anderer Knochengewebezellen. Sie sezernieren eine Reihe biologisch aktiver Substanzen, durch die sie den Reifungsprozess der Osteoklasten-Vorläuferzelle beeinflussen und diese in eine große mehrkernige Zelle umwandeln, die an der Resorption, d. h. der Absorption von Knochengewebe, teilnehmen kann. Sie wirken nur auf mineralisierten Knochen, ohne die eigentliche Matrix des Knochengewebes zu verändern.

Reifung und Differenzierung von Osteoblasten erfolgen unter dem Einfluss verschiedener spezifischer Faktoren, die den Transkriptionsprozess beeinflussen. Der wichtigste davon ist das Protein Cbfal (Core-Binding Factor Oil; auch bekannt als Runt-Related Transcription Factor 2; RUNX2). Bei Mäusen mit Cbfal/RUNX2-Mangel ist eine deutliche Verlangsamung des Knochenbildungsprozesses zu beobachten, und es kommt nicht zur Reifung von OB-Zellen. Im Gegensatz dazu führt die Verabreichung von rekombinantem Cbfal an Tiere zur Expression von Genen, die den Osteoblasten innewohnen, in nicht-osteogenen Zellen. Die bedeutende Rolle von Cbfal/RUNX2 bei der Differenzierung und Reifung von Osteoblasten zeigt sich auch in der Fähigkeit des Proteins, die Funktion zahlreicher Gene zu regulieren, die an der Synthese von Knochengewebeproteinen beteiligt sind: Kollagen Typ 1, Osteopontin (OPN), Osteocalcin und Sialoprotein. Wachstum und Funktionsfähigkeit des OB werden auch durch parakrine und/oder autokrine Faktoren beeinflusst, die die Aktivität intranukleärer Transkriptionsprozesse sowie die Synthese von OPN und Osteocalcin regulieren. Hierzu zählen eine Reihe von Zellwachstumsfaktoren, Zytokinmodulatoren und hormonell aktiven Substanzen. Die Annahme, dass Aktivierung und Regulierung des Knochengewebsumbaus eine Folge der Interaktion zwischen Osteoblasten und Osteoklasten sind, wurde in zahlreichen Forschungsstudien bestätigt. Ein bedeutender Fortschritt im Verständnis der Prozesse des Knochenumbaus wurde mit der Entdeckung des Zytokin-RANKL-RANK-OPG-Systems erzielt, das eine Schlüsselrolle bei der Bildung, Differenzierung und Aktivität von Osteoklasten spielt. Die Entdeckung dieses Systems wurde zum Grundstein für das Verständnis der Pathogenese der Osteoporose, der Osteoklastogenese und der Regulierung der Knochenresorption sowie anderer Prozesse, die am lokalen Knochenumbau beteiligt sind. Die Regulierung der Osteoklastenbildung erfolgt hauptsächlich durch zwei Zytokine: den Rezeptoraktivator des nukleären Faktors Kappa-B-Liganden (RANKL) und OPG vor dem Hintergrund der permissiven Wirkung des Makrophagen-Kolonie-stimulierenden Faktors (M-CSF).

RANKL ist ein von osteoblastischen Zellen, aktivierten T-Lymphozyten, produziertes Glykoprotein, das zur Tumornekrosefaktor (TNF)-Liganden-Superfamilie gehört und den Hauptstimulus für die Osteoklastenreifung darstellt. Die molekulare Grundlage der interzellulären Interaktionen des RANKL-RANK-OPG-Systems lässt sich wie folgt darstellen: Auf der Oberfläche von Osteoblasten exprimiertes RANKL bindet an den RANK-Rezeptor auf den Membranen von OC-Vorläuferzellen und induziert die Differenzierung und Aktivierung der Osteoklasten. Gleichzeitig setzen Knochenmarks- und OB-Stammzellen M-CSF frei. Dieser Polypeptid-Wachstumsfaktor interagiert mit seinem hochaffinen Transmembranrezeptor (c-fms), aktiviert die intrazelluläre Tyrosinkinase und stimuliert so die Proliferation und Differenzierung der Osteoklasten-Vorläuferzellen. Die proliferative Aktivität von M-CSF nimmt signifikant zu, wenn OB Parathormon, Vitamin D3, Interleukin 1 (IL-1) und TNF ausgesetzt ist, und nimmt umgekehrt unter dem Einfluss von Östrogenen und OPG ab. Östrogene interagieren mit intrazellulären OB-Rezeptoren und erhöhen die proliferative und funktionelle Aktivität der Zelle, verringern gleichzeitig die Funktion der Osteoklasten und stimulieren die OPG-Produktion durch Osteoblasten. OPG ist ein löslicher Rezeptor für RANKL, der von osteoblastischen Zellen sowie Stromazellen, vaskulären Endothelzellen und B-Lymphozyten synthetisiert und freigesetzt wird. OPG fungiert als endogener Köderrezeptor für RANKL, blockiert dessen Interaktion mit seinem eigenen Rezeptor (RANK) und hemmt so die Bildung reifer mehrkerniger Osteoklastenzellen, stört den Prozess der Osteoklastogenese und reduziert die Aktivität der Knochenresorption. RANKL wird von OB-Zellen synthetisiert und freigesetzt und ist ein spezifischer Faktor, der für die Entwicklung und Funktion von OC notwendig ist. RANKL interagiert mit seinem tropischen Rezeptor RANK auf der Membran der OC-Vorläuferzelle (einem gemeinsamen Vorläufer von Osteoklasten und Monozyten/Makrophagen) und führt zu einer Kaskade intrazellulärer genomischer Transformationen. RANK beeinflusst den nukleären Faktor kappa-B (NF-kB) über das rezeptorassoziierte Protein TRAF6, das NF-kB aktiviert und vom Zytoplasma in den Zellkern transloziert.

Die Ansammlung von aktiviertem NF-kB erhöht die Expression des NFATcl-Proteins, welches ein spezifischer Auslöser ist, der den Transkriptionsprozess intrazellulärer Gene startet, die den Prozess der Osteoklastenbildung bilden. Der differenzierte Osteoklast nimmt eine bestimmte Position auf der Knochenoberfläche ein und entwickelt ein spezialisiertes Zytoskelett, das es ihm ermöglicht, eine isolierte Resorptionshöhle zu bilden, ein Mikroumfeld zwischen Osteoklasten und Knochen. Die OC-Membran, die der von der Zelle gebildeten Höhle zugewandt ist, bildet viele Falten und erhält ein gewelltes Aussehen, was die Resorptionsoberfläche deutlich vergrößert. Das Mikroumfeld der gebildeten Resorptionshöhle wird durch elektrogenes Pumpen von Protonen angesäuert. Der intrazelluläre pH-Wert der OC wird unter Beteiligung von Carboanhydrase II durch den Austausch von HCO3/Cl-Ionen durch die antiresorptive Membran der Zelle aufrechterhalten. Ionisiertes Chlor dringt durch die Anionenkanäle der gewellten Resorptionsmembran in die Resorptionsmikrohöhle ein, wodurch der pH-Wert in der Höhle 4,2–4,5 erreicht. Das saure Milieu schafft Bedingungen für die Mobilisierung der Knochenmineralphase und bildet optimale Bedingungen für den Abbau der organischen Matrix des Knochengewebes unter Beteiligung von Cathepsin K, einem Enzym, das von den „sauren Vesikeln“ des OK synthetisiert und in die Resorptionshöhle freigesetzt wird. Eine erhöhte RANKL-Expression führt direkt zur Aktivierung der Knochenresorption und einer Abnahme der Knochenmineraldichte des Skeletts. Die Einführung von rekombinantem RANKL führte am Ende des ersten Tages zur Entwicklung einer Hyperkalzämie und am Ende des dritten Tages zu einem erheblichen Verlust an Knochenmasse und einer Abnahme der Knochenmineraldichte. Das Gleichgewicht zwischen RANKL und OPG bestimmt tatsächlich die Menge des resorbierten Knochens und das Ausmaß der Veränderung der Knochenmineraldichte. Tierversuche haben gezeigt, dass eine erhöhte Expression von OPG bei Mäusen zu einer Zunahme der Knochenmasse und Osteopetrose führt und durch eine Abnahme der Anzahl und Aktivität der Osteoklasten gekennzeichnet ist. Im Gegensatz dazu werden bei der Abschaltung des OPG-Gens eine Abnahme der Knochenmineraldichte, eine signifikante Zunahme der Anzahl reifer, mehrkerniger Osteoklasten, eine Abnahme der Knochendichte und das Auftreten spontaner Wirbelfrakturen beobachtet.

Die subkutane Verabreichung von rekombinantem OPG an Mäuse in einer Dosis von 4 mg/kg/Tag über eine Woche stellte die BMD-Indizes wieder her. Im Modell der adjuvanten Arthritis bei Ratten blockierte die Verabreichung von OPG (2,5 und 10 mg/kg/Tag) über 9 Tage im Anfangsstadium des pathologischen Prozesses die RANKL-Funktion und verhinderte den Verlust von Knochen- und Knorpelgewebemasse. Die Experimente deuten darauf hin, dass die Funktion von OPG hauptsächlich darin besteht, die durch RANKL verursachten Wirkungen zu verringern oder deutlich „abzuschalten“. Inzwischen ist klar geworden, dass die Aufrechterhaltung der Beziehung zwischen RANKL und OPG eine wichtige Voraussetzung für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Knochenresorption und -bildung ist. Die Konjugation dieser beiden Prozesse sowie die relativen Konzentrationen von RANKL und OPG im Knochengewebe sind die Hauptdeterminanten der Knochenmasse und -stärke. Seit der Entdeckung des RANKL-RAMK-OPG-Systems als letzter Weg für die Bildung und Differenzierung von Osteoklasten haben viele Forscher die führende Rolle dieses zellulären und molekularen Mechanismus bei der Pathogenese der Osteoporose bestätigt.

Die Rolle des Rankl-Rank-OPG-Zytokinsystems im Prozess der Gefäßverkalkung

Die Annahme eines gemeinsamen pathogenetischen Grundes für Osteoporose und Arteriosklerose, einer gewissen Ähnlichkeit zwischen den Mechanismen der Osteoporoseentstehung und der Gefäßverkalkung, wird durch zahlreiche experimentelle und klinische Beobachtungen bestätigt. Es konnte nachgewiesen werden, dass Knochen- und Gefäßgewebe sowohl auf zellulärer als auch auf molekularer Ebene viele identische Eigenschaften aufweisen. Knochengewebe und Knochenmark enthalten Endothelzellen, Präosteoblasten und Osteoklasten – Abkömmlinge der Monozyten, die alle auch normale Bestandteile der Zellpopulationen der Gefäßwand sind. Sowohl Knochengewebe als auch die Wand arterieller Gefäße enthalten unter den Bedingungen eines arteriosklerotischen Prozesses OPN, Osteocalcin, morphogenetisches Knochenprotein, Matrix-Gla-Protein, Kollagen Typ I und Matrixvesikel. An der Pathogenese von Arteriosklerose und OP sind Monozyten beteiligt, die sich in der Gefäßwand zu Makrophagen mit schaumigem Zytoplasma und im Knochengewebe zu Osteoklasten differenzieren. In der Gefäßwand befinden sich zelluläre Elemente, die sich entsprechend den Stadien der Knochenbildung OB in Osteoblasten differenzieren und so den mineralischen Bestandteil des Knochens produzieren.

Von grundlegender Bedeutung ist die Tatsache, dass das RANKL-RANK-OPG-Zytokinsystem, das die Osteoblastogenese und Osteoklastogenese im Knochengewebe initiiert, unter anderem die Differenzierung von Osteoblasten und OC sowie den Prozess der Gefäßwandmineralisierung induziert. Unter den Komponenten dieses Systems, die direkt auf eine Beziehung zwischen Osteoporose und Arteriosklerose hinweisen, zieht OPG die größte Aufmerksamkeit der Forscher auf sich. Es ist bekannt, dass OPG nicht nur von Knochengewebezellen, sondern auch von Herz-Kreislauf-Zellen exprimiert wird: Myokardiozyten, glatten Muskelzellen von Arterien und Venen sowie vaskulären Endothelzellen. OPG ist ein Modulator der Gefäßverkalkung, was in der experimentellen Arbeit von S. Moropu et al. an intakten Mäusen und Tieren mit einer Störung/Fehlen des Gens, das die OPG-Expression ermöglicht, bestätigt wurde. Es zeigte sich, dass Mäuse mit eingeschränkter Fähigkeit zur OPG-Synthese (OPG-/-) im Gegensatz zur Kontrollgruppe eine Aktivierung der Arterienverkalkung in Verbindung mit der Entwicklung von Osteoporose und multiplen Knochenbrüchen zeigten. Im Gegensatz dazu trug die Einführung des synthetisierenden Gens bei Tieren mit unzureichender OPG-Expression zur Unterdrückung sowohl des Knochenabbaus als auch der Gefäßverkalkung bei.

Entzündungen spielen in allen Stadien der Arterioskleroseentwicklung eine Schlüsselrolle. Sie gehen mit einem deutlichen Anstieg der Konzentration von Entzündungsmarkern im Blutplasma – Zytokinen (Interleukin-1, α-TNF) – einher, die wiederum den Knochenabbau induzieren. Aufgrund des entzündlichen Charakters der Arterioskleroseentwicklung erfolgen Expression und Freisetzung von OPG in die Blutbahn und das umliegende Gewebe durch Endothelzellen und glatte Gefäßmuskelzellen unter dem Einfluss der oben genannten entzündungsfördernden Faktoren. Im Gegensatz zu Stromazellen reagieren Endothelzellen und glatte Gefäßmuskulatur nicht auf Veränderungen des Vitamin-D3- oder Parathormongehalts (PTH) im Blutplasma mit einer erhöhten Synthese und Freisetzung von OPG. OPG verhindert die durch Vitamin D3 induzierte ektopische Gefäßverkalkung und erhöht gleichzeitig den OPN-Gehalt, das wichtigste nicht-kollagene Matrixprotein der Knochen, das die Gefäßmineralisierung hemmt und die Synthese und Freisetzung von OPG durch Endothel- und glatte Muskelzellen auslöst. OPN hemmt die Bildung der Hydroxylapatitmatrix (in vitro) und die Gefäßverkalkung (in vivo) und wird von glatten Muskelzellen der Media der Gefäßwand und von Makrophagen der Intima in ausreichend hohen Konzentrationen synthetisiert und freigesetzt. Die OPN-Synthese erfolgt in Bereichen mit vorherrschender Mineralisierung der Gefäßwand und wird durch entzündungsfördernde und osteogene Faktoren reguliert. Zusammen mit avb3-Integrin, das von Endothelzellen an Orten der Atherogenese synthetisiert wird, verursacht OPN den NF-kB-abhängigen Effekt von OPG auf die Aufrechterhaltung der Integrität von Endothelzellen. Daher können die erhöhten Plasma- und Gefäß-OPG-Konzentrationen, die bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen beobachtet werden, eine Folge der Endothelzellaktivität sowohl unter dem Einfluss von Entzündungsmarkern als auch als Folge des OPN/avb3-HHTerpnHOBoro-Mechanismus sein.

Die Aktivierung von NF-kB in Makrophagen der Arterienwand und in der Gefäßwand ist auch einer der wichtigen Mechanismen, die Osteoporose und Arteriosklerose miteinander verbinden. Eine erhöhte NF-kB-Aktivität entsteht durch die Wirkung von Zytokinen, die von aktivierten T-Zellen in der Gefäßintima freigesetzt werden. Dies trägt zu einer erhöhten Aktivität der Serin-Threonin-Kinase (Akt, Proteinkinase B) bei, einem wichtigen Faktor für die Funktion vor allem der Gefäßendothelzellen.

Es wurde festgestellt, dass infolge einer erhöhten Proteinkinase-B-Aktivität eine Stimulation von eNOS und eine erhöhte Synthese von Stickstoffmonoxid (NO) beobachtet werden, das am Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Integrität von Endothelzellen beteiligt ist. Ähnlich wie bei OPG erfolgt die Synthese und Freisetzung von RANKL durch Endothelzellen unter dem Einfluss entzündlicher Zytokine, jedoch nicht infolge der Wirkung von Vitamin D3 oder PTH, die die RANKL-Konzentration in OB- oder Stromazellen erhöhen können.

Die Erhöhung der RANKL-Konzentration in arteriellen und venösen Gefäßen wird auch durch die hemmende Wirkung des transformierenden Wachstumsfaktors (TGF-Pj) auf den Prozess der OPG-Expression erreicht, dessen Gehalt unter dem Einfluss dieses Faktors signifikant reduziert wird. Es hat eine multidirektionale Wirkung auf den RANKL-Gehalt in Knochen und Gefäßen: Im Knochengewebe fördert TGF-Pj die Expression von OPG OB und infolgedessen reduziert OPG durch die Bindung an RANKL dessen Konzentration und Osteoklastenbildungsaktivität. In den Wänden der Blutgefäße erhöht TGF-Pj das RANKL/OPG-Verhältnis und infolgedessen den RANKL-Gehalt. Indem es mit seinem RANK-Rezeptor auf der Oberfläche der Endothelzellmembranen unter Beteiligung intrazellulärer Signalsysteme interagiert, stimuliert es die Osteogenese von Gefäßzellen und aktiviert die Prozesse der Verkalkung, Proliferation und Zellmigration sowie die Matrixumgestaltung. Das Ergebnis des neuen Konzepts, das auf dem aktuellen Verständnis der zellulären und molekularen Mechanismen des Knochenumbaus bei Osteoporose und Arteriosklerose sowie der Aufklärung der führenden Rolle des Zytokins RANKL-RANK-OPG-Systems bei der Entstehung dieser Erkrankungen beruht, war die Synthese eines Medikaments der neuen Generation – Denosumab. Denosumab (Prolia; Amgen Incorporation) ist ein spezifischer humaner monoklonaler Antikörper mit hohem Tropismus für RANKL, der die Funktion dieses Proteins blockiert. Zahlreiche Labor- und klinische Studien haben gezeigt, dass Denosumab die RANKL-Aktivität stark verringert und den Knochenabbau deutlich verlangsamt und abschwächt. Derzeit wird Denosumab zusammen mit Bisphosphonaten als Medikament der ersten Wahl bei Patienten mit systemischer Osteoporose eingesetzt, um Knochenbrüchen vorzubeugen. Gleichzeitig haben S. Helas et al. die hemmende Wirkung von Denosumab auf die Fähigkeit von RANKL zur Gefäßverkalkung nachgewiesen. Somit eröffnen die gewonnenen Daten neue Möglichkeiten, das Fortschreiten von Osteoporose und vaskulärer Arteriosklerose zu verlangsamen, die Entwicklung kardiovaskulärer Komplikationen bei Osteoporose zu verhindern und die Gesundheit und das Leben der Patienten zu erhalten.

S. Sagalovsky, Richter. Pathophysiologische Einheit der Entwicklung von Osteoporose und Gefäßarteriosklerose // International Medical Journal - Nr. 4 - 2012