2011/02
Ovplyvnenie kostnej resorpcie inhibíciou rank ligandu denosumabom
prof. MUDr. Jozef Rovenský, DrSc., FRCP, MUDr. Pavol Masaryk, CSc., doc. Ing. Stanislava Blažíčková, PhD.
Súč Klin Pr 2011; 2: 19–22
Súhrn
V práci je uvedený prehľad o cielenej liečbe postmenopauzálnej osteoporózy inhibíciou RANKL. Objav troch signálnych proteínov RANK/RANKL/OPG napomohol aj k odhaleniu patogenézy nielen postmenopauzálnej osteoporózy, ale aj pri takých chorobných stavoch, ako je osteoporóza vyvolaná glukokortikoidmi, hyperparatyreóza, infekcie parodontu a malígne choroby (napríklad pri myelóme, osteolytických metastázach a vrodených ochoreniach skeletu). Nové liečivo denosumab sa viaže na RANKL a inhibuje resorpciu kosti. Preparát pôsobí v celom tele a má význam na zníženie redukcie výskytu vertebrálnych fraktúr, redukuje výskyt nonvertebrálnych fraktúr, redukuje riziko fraktúr proximálneho femuru. Je efektívnejší voči referenčnému bisfosfonátu a má rýchlu odpoveď na liečbu. Výhodou je aj bezpečnosť dlhodobej liečby.
Kľúčové slová
RANK/RANKL/OPG – denosumab – liečba postmenopauzálnej osteoporózy
The effect of rank ligand inhibition by denosumab on bone resorption
Summary
This paper provides an overview of targeted treatment of postmenopausal osteoporosis by RANKL inhibition. Identification of the three signal proteins, RANK/RANKL/OPG, helped to elucidate the pathogenesis not only of postmenopausal osteoporosis, but also other pathological conditions, such as glucocorticoid-induced osteoporosis, hyperparathyreosis, periodontium infections and malignant diseases (e.g. myeloma, osteolytic metastases and congenital skeletal diseases). Denosumab is a novel agent that binds to RANKL and inhibits bone resorption. This formulation acts in the entire body and plays an important role in decreasing occurrence of vertebral fractures, reduces occurrence of non-vertebral fractures and reduces a risk of proximal femur fractures. Compared to reference bisphosphonate, denosumab is more effective and provides a rapid treatment response. The safety of long-term administration is also convenient.
Keywords
RANK/RANKL/OPG – denosumab – postmenopausal osteoporosis treatment
Od polovice 90. rokov minulého storočia prebiehal intenzívny výskum lokálnej tkanivovej regulácie kostného obratu. Ako prelomovým sa ukázal objav troch signálnych proteínov:
1. Jednalo sa o RANKL (Receptor Activator Nuclear faktor KappaB Ligand), ktorý sa syntetizuje v osteoblastoch. RANKL je členom superrodiny tumor nekrotizujúceho faktora. RANKL sa skladá z 317 aminokyselín a je produkovaný v periférnych lymfatických uzlinách a bunkami kostnej drene, týmusu, sleziny, Payerských plakoch, mozgu, srdca, kože, kostrových svalov, obličiek, pečene, pľúc a tkaniva mliečnej žľazy [1,2]. Bunky, ktoré produkujú RANKL, zahrňujú bunky osteoblastickej línie, stromálne bunky kostnej drene, synoviálne bunky, aktivované T-lymfocyty, B-lymfocyty, fibroblasty, endoteliálne bunky, chondrocyty a epiteliálne bunky prsnej žľazy [2–4]. Na expresiu RANKL vplývajú hormóny, rastové faktory, peptidy a cytokíny [5].
RANKL má rozhodujúcu úlohu v osteoklastogenéze, v diferenciácii a aktivácii osteoklastov, tiež apoptózy osteoklastov [1]. Aktivita RANKL sa odohráva prostredníctvom jeho väzby na RANK. Skutočne je známe, že väzbou RANKL na RANK sa odohráva prvý krok vo vývoji osteoklastogenézy. OPG súťaží o väzbu na RANK s RANKL. Inhibícia väzby RANKL na RANK pomocou OPG môže potom spôsobiť potlačenie kostnej resorpcie a správnu kostnú formáciu. Porušenie RANKL a OPG rovnováhy je základným bodom v patogenéze niekoľkých chorôb kostí spojených so vzostupom kostnej resorpcie.
2. RANK (Receptor Aktivator Nuclear Faktor KappaB), ktorý je vlastným receptorom RANKL, je prítomný na osteoklastoch a tiež ich prekurzoroch, pričom má schopnosť aktivovať intracelulárny nukleárny faktor kappaB, ktorý stimuluje transkripciu proteínov génov, ktoré majú schopnosť regulovať diferenciáciu a dozrievanie buniek (obr. 1).
3. Osteoprotegerín (OPG) je členom receptorovej veľkorodiny tumor nekrotizujúceho faktora (TNF). Molekulu tvorí glykoproteín skladajúci sa zo 401 aminokyselín. OPG sa viaže na RANKL a zablokovaním RANKL inhibuje diferenciáciu osteoklastových prekurzorov na zrelé osteoklasty, aktivitu osteoklastov a zvyšuje ich apoptózu. Tvorbu OPG stimulujú estrogény, 1, 25 (OH)2 D3, TNF-α, IL-1 a TGF-β a inhibujú glukokortikoidy, parathormón a PGE2. S postupujúcim vekom sa znižuje pool osteoprogenitorov, zatiaľ čo pool progenitorov osteoklastov narastá, a tým sa rovnováha medzi osteoformáciou a resorpciou, potrebná na udržanie kostnej hmoty, stráca. Osteoblasty regulujú aktivitu osteoklastov prostredníctvom expresie RANKL a cez OPG. Ukázalo sa, že osteoblasty starších zvierat majú väčší sklon indukovať osteoklastogenézu ako osteoblasty mladých zvierat a že tieto zmeny sú spojené so zvýšenou expresiou RANKL a zníženou expresiou OPG. OPG je teda prirodzený receptor pre RANKL a silný inhibítor osteoklastogenézy. Kostná remodelácia je vlastne regulovaná pomerom medzi RANKL a OPG, pričom pri prevahe RANKL prevláda aktivácia osteoklastov – osteoresorpcia, pri prevahe OPG znížením aktivácie osteoklastov je resorpcia kosti inhibovaná.
Objav troch signálnych proteínov RANK/RANKL/OPG pomohol odhaleniu patogenézy niektorých metabolických ochorení kostí:
1. postmenopauzálna osteoporóza – pri ktorej dochádza k zvýšenej expresii RANKL v stromálnych bunkách a T-lymfocytoch a k zvýšenej citlivosti RANK v osteoklastoch,
2. osteoporóza vyvolaná glukokortikoidmi – pri ktorej býva zvýšená expresia RANKL a inhibícia sekrécie OPG v osteoblastoch,
3. hyperparatyreóza – zvýšená expresia RANKL a inhibícia sekrécie OPG v osteoblastoch.
Pri reumatoidnej artritíde býva tiež zvýšená expresia RANKL v aktivovaných T-lymfocytoch a synoviálnych bunkách. Vznikajú erózie v marginálnej kosti a dochádza k vzniku juxtaartikulárnej osteoporózy. Ďalej sa ukázala aj pri iných nozologických jednotkách zvýšená expresia RANKL v aktivovaných T-lymfocytoch, alebo v iných bunkách, jedná sa o:
1. infekcie periodontu (zvýšená expresia RANKL v aktivovaných T-lymfocytoch),
2. malígne choroby (kostné ochorenie pri myelóme – zvýšená expresia RANKL a inhibícia sekrécie OPG v preosteoblastoch, produkcia RANKL myelómovými bunkami a degradácia OPG v lyzozómoch),
3. osteolytické kostné metastázy a humorálna hyperkalciémia pri malignite – aj v týchto prípadoch dochádza k zvýšenej expresii RANKL nádorovými bunkami.
4. vrodené ochorenia skeletu (juvenilná forma Pagetovej choroby – idopatická hyperfosfatázia – kde hrá úlohu inaktivačná mutácia OPG génu), napokon je familiárna Pagetova choroba a skeletálna hyperfosfatázia, kde dochádza k aktivačnej mutácii RANK génu [6].
V rámci terapeutického využitia systému RANK/RANKL/OPG sú tieto možnosti: blokáda ligandu RANKL, ovplyvnenie receptora RANK, ďalej je tu možnosť stimulácie endogénnej produkcie OPG, podávanie OPG [6].
Vyššie uvedené poznatky umožnili objaviť nové liečivo – denosumab (Prolia®), ktorý sa viaže na RANKL a inhibuje resorpciu kosti. Osteoblast je ústredná bunka nielen pre novotvorbu kosti, ale aj pre jej resorpciu, pretožeosteoblasty tvoria RANKL, ktorý prostred níctvom osteoklastov resorpciu zvyšuje. Cenný je poznatok, že OPG naviazaním na RANKL tiež resorpciu redukuje. Denosumab sa viaže na RANKL podobným spôsobom ako OPG. Jedná sa o monoklonálnu protilátku IgG2 izotypu s vysokou afinitou a špecificitou pre ľudský RANKL, pričom nebola zistená väzba na TNF-α, TNF-β, TRAIL a CD40 ligand. U preparátu denosumab sa v klinických štúdiách nezistili neutralizujúce protilátky (obr. 2).
Bezpečnosť a antiresorpčný účinok denosumabu sa sledoval v 1. fáze klinického skúšania u skupiny 49 žien, ktoré boli rozdelené do 5 skupín po 6 osobách a dostávali dávky 0,01; 0,03; 0,1; 0,3 a 1 mg/kg v jednotlivej dávke. 7 pacientkám sa podávala dávka 3 mg/kg a 12 ženám placebo. Výsledky ukázali, že jednorazová aplikácia denosumabu má za následok rýchly pokles markerov kostnej resorpcie (močové NTx) – v priebehu 12 hodín sa zistil pokles až o 84 % podľa výšky aplikovanej dávky a po šiestich mesiacoch sa tento pokles udržal na 81% hladine oproti placebu, kde sa zistil pokles o 10 %. Sérové NTx pokleslo o 56 % v skupine liečenej denosuma bom, naproti tomu u placeba sa zvýšilo o 2 %. Alkalická fosfatáza sa nemenila a parathormón sa zo začiatku zvýšil troj násobne po 4 dňoch u skupiny liečenej 3 mg/kg, po mesiaci začal klesať, ale oproti východiskovej hodnote zostal mierne zvýšený.
V medzinárodnej randomizovanej, placebom kontrolovanej klinickej štúdii fázy 2 sa denosumab podával 412 postmenopauzálnym ženám v trojmesačných intervaloch v dávkach 6, 14 alebo 30 mg, alebo v šesťmesačných intervaloch v dávkach 14, 60, 100, alebo 210 mg subkutánne po dobu 24 mesiacov. Pri denosumabe sa dokázalo zvýšenie kostného minerálu v chrbtici od 3,0 do 6,75 % oproti 4,6 % u ALN a stratou 0,8 % u placeba. Najzaujímavejším výsledkom terapie denosumabom bol nárast kostnej
denzity v distálnej tretine predlaktia, kde nárast bol 0,4 až 1,3 % pri porovnaní s poklesom 0,5 % u alendronátu a 2,0 % u placeba.
Maximálna redukcia markerov kostnej resorpcie sa zistila po treťom dni podávania denosumabu, pričom je potrebné zdôrazniť, že dĺžka supresie bola závislá na podanej dávke.
Výsledky ukázali preukazný vplyv na zníženie kostnej resorpcie a zvýšenie denzity kostného minerálu.
Ďalej sa vykonala multicentrická, placebom kontrolovaná štúdia FREEDOM u 7 808 žien po menopauze s T-skóre < –2,5 v oblasti driekovej chrbtice alebo proximálneho femuru a nie < –4,0 v ktorejkoľvek oblasti, ktorej primárnym cieľom bol výskyt nových vertebrálnych zlomenín počas 36 mesiacov. Výsledkom štúdie bolo zníženie relatívneho rizika vzniku novej vertebrálnej fraktúry o 68 %, nevertebrálnej fraktúry o 20 % a fraktúry femuru o 40 %. O kvalite preparátu svedčí skutočnosť, že denosumab má schopnosť zvýšiť kostnú denzitu i v miestach s prevahou kortikálnej kosti.
Preparát denosumab však bude mať význam aj v onkologických indikáciách a v liečbe osteoporózy pri zápalových reumatických chorobách [8].
Strata kostnej hmoty je typickým znakom pre zápalové reumatické choroby, ako je reumatoidná artritída (RA) a psoriatická artritída (PsA), na druhej strane charakteristickým znakom pre spondyloartropatie najmä ankylozujúcu spondylitídu (u AS je nadmerná tvorba kostnej hmoty). Strata kostnej hmoty pri RA je dôsledok chronického zápalu a môže
sa prezentovať systémovou osteoporózou alebo lokalizovanou osteoporózou v podobe tvorby kostných erózií. Osteoklasty sú zodpovedné za vývoj erózií marginálnej kosti, je známe, že funkcia osteoklastov sa aktivuje už v priebehu niekoľkých dní zápalového procesu [9]. Ukázalo sa, že RANKL hrá v etiológii vývoja kostných erózii významnú úlohu. V prácach Redlicha et al, Pettita et al, ako aj Li et al [10–12] sa zistilo u zvieracích modelov experimentálnych artritíd, že ak sa genetickou modifikáciou u týchto modelov nachádzal RANKL, nedošlo k vývoju erózií, napriek tomu, že zápalové zmeny v kĺboch boli prítomné. Ďalšie práce u ľudí ukázali, že pomer RANKL/OPG signalizuje významnú úlohu pri vývoji zápalu v synoviálnom kĺbe a periartikulárnej kostnej deštrukcii pri RA [13]. Ďalšie štúdie potom ukázali, že v zapálenej synoviálnej membráne sa syntetizuje RANKL hlavne v synoviálnych fibroblastoch a aktivovaných T-bunkách synoviálneho tkaniva [14,15].
Ďalej sa ukázalo, že pri aktívnej forme RA sa nachádzajú vysoké hladiny RANKL v synoviálnom tkanive pri porovnaní s nízkou aktivitou RA. Crotti et al a Haynes et al [16,17] poukázali na vzťah medzi expresiou RANKL a kostnou resorpciou. V ďalších prácach sa postupne potvrdilo, že u pacientov s RA sérová hladina RANKL pozitívne korelovala s cirkulujúcimi markermi kostnej resorpcie a zistila sa inverzná korelácia s poklesom BMD v bedrovom kĺbe. Pomer RANKL : OPG poukazoval na mož nosť vývoja deštruktívneho procesu v synoviálnom kĺbe pri RA [18].
Nádorové choroby sú skupinou chorôb, kde sa predpokladá zvýšená účasť RANKL v patogenéze zvýšenej resorpcie kosti spojenej s osteolytickými léziami, ktoré sa klinicky manifestujú silnými bolesťami kostí, hyperkalciémiou, kompresiou alebo patologickými fraktúrami (napr. karcinóm prostaty, prsnej žľazy, pľúc, menej často obličiek, štítnej žľazy a malígny melanóm). V týchto prípadoch sa tiež zistila zvýšená osteoklastická aktivita. Zvýšenie osteoklastogenézy je sekundárne spojené s uvoľnením početných cytokínov a rastových faktorov včítane PTH-rP, IL-1, IL-6 , IL-11 a TNF-α, čo je spojené s opätovne zvýšenou expresiou RANKL [19]. Ďalej sa zistilo, že niektoré nádorové bunky priamo majú schopnosť sekrécie RANKL [20]. U solídnych nádorov (rakoviny prsníka, pľúc a prostaty) sa zistila vysoká hladina RANKL a OPG u pacientov s metastázami do kostí, tieto výsledky naznačili významnú úlohu RANKL/OPG pri malígnych kostných chorobách [21].
Aspekt významnej úlohy zvýšenej hladiny RANKL sa ukázal tiež pri mnohopočetnom myelóme, deštruktívny účinok ochorenia na kosť je všeobecne známy a je spojený s nadmernou kostnou resorpciou, poklesom osteoformácie – tento proces je riadený vysokou aktivitou osteoklastov. V práci Farrugia et al [22] sa jednoznačne potvrdila zvýšená aktivita myelómových buniek spojená so zvýšenou expresivitou RANKL a ich deštrukčnou aktivitou na kosť. Vyššie uvedené práce jednoznačne potvrdzujú ústrednú úlohu RANKL, ktorá je spojená s prehnanou aktivitou osteoklastov v kostnej resorpcii, a tak sa dotvára patogenéza myelómovej kostnej choroby.
VÝZNAM RANKL PRI ĎALŠÍCH CHOROBÁCH
Úloha RANKL nie je zďaleka vyčerpaná, ďalšie práce poukazujú na skutočnosť, že RANKL/OPG systém môže sa po dieľať na kostnej remodelácii napríklad pri hojení zlomenín, aseptickom uvoľnení totálnej náhrady kĺbov – aj v týchto prípadoch môže hrať významnú úlohu aktivácia RANK/RANKL systému. Makrofágy a fibroblasty v periprostetickom tkanive môžu mať na povrchu RANKL [23], napokon je tu možnosť úlohy RANKL pri vývoji cievnych kalcifikácií a tiež kalcifikácií aortálnych chlopní, defektoch
mliečnej žľazy a vzácnych genetických chorôb [24,25].
VÝZNAM INHIBÍCIE RANKL
Preparát denosumab pôsobí v celom skelete a má významný vplyv na redukciu výskytu vertebrálnych fraktúr, redukuje výskyt non-vertebrálnych fraktúr, redukuje riziko fraktúr proximálneho femuru, je efektívnejší voči referenčnému bisfosfonátu, má rýchlu odpoveď na liečbu (markery o 1 mesiac BMD v priebehu 6 – 12 mesiacov). Dávkovací režim je vynikajúci raz za 6 mesiacov. Výhodou je aj bezpečnosť dlhodobej liečby [26].
Literatúra
1. Lacey DL, Timms E, Tan HL et al. Osteoprotegerin ligand is a cytokine that regulates osteoclast differentiation and activation. Cell 1998; 93(2): 165–176.
2. Kartsogiannis V, Zhou H, Horwood NJ e al. Localization of RANKL (receptor activator of NFkB ligand) mRNA and protein in skeletal and extraskeletal tissues. Bone 1999; 25(5): 525–534.
3. Eghbali-Fatourechi G, Khosla S, Sanyal A et al. Role of RANK ligand in mediating increased bone resorption in early postmenopausal women. J Clin Invest 2003; 111(8): 1221–1230.
4. Hofbauer LC, Shui C, Riggs BL et al. Effects of immunosuppressants on receptor activator of NB-kappaB ligand and osteoprotegerin production by human osteoblastic and coronary artery smooth muscle cells. Biochem Biophys Res Commun 2001; 280(1): 334–339.
5. Theoleyre S, Wittrant Y, Tat SK et al. The molecular triad OPG/RANK/RANKL: involvement in the orchestration of pathophysiological bone remodeling. Cytokine Growth Factor Rev 2004; 15(6): 457–476.
6. Spustová V. RANK/RANKL/OPG – regulácia kostného obratu. Lek Listy 2010; 20: 4–5.
7. Bekker PJ, Holloway DL, Rasmussen AS et al. A single-dose placebo-controlled study of AMG-162, a fully human monoclonal antibody to RANKL, in postmenopausal women. J Bone Miner Res 2004; 19(7): 1059–1066.
8. Anandarajah AP, Schwarz EM, Totterman S et al. The effect of etanercept on osteoclast precursor frequency and enhancing bone marrow oedema in patients with psoriatic arthritis. Ann Rheum Dis 2008; 67(3): 296–301.
9. Schett G, Stolina M, Bolon B et al. Analysis of the kinetics of osteoclastogenesis in arthritic rats. Arthritis Rheum 2005; 52(10): 3192–3201.
10. Redlich K, Hayer S, Ricci R et al. Osteoclasts are essential for TNF-alpha-medicated joint destruction. J Clin Invest 2002; 110(10): 1419–1427.
11. Pettit AR, Ji H, von Stechow D et al. TRANCE/RANKL knockout mice are protected from bone erosion in a serum transfer model of arthritis. Am J Pathol 2001; 159(5): 1689–1699.
12. Li P, Schwarz EM, O’Keefe RJ et al. RANKL signalling is not required for TNF-alpha-mediated increase in CD11 (hi) osteoclast precursors but is essential for mature osteoclast formation in TNF-alpha-mediated inflammatory arthritis. J Bone Miner Res 2004; 19(2): 207–213.
13. Kotake S, Udagawa N, Hakoda M et al. Activated human T cells directly induce osteoclastogenesis from human monocytes: possible role of T cells in bone destruction in rheumatoid arthritis patients.Arthritis Rheum 2001; 44(5): 1003–1012.
14. Gravallese EM, Manning C, Tsay A et al. Synovial tissue in rheumatoid arthritis is a source of osteoclast differentiation factor. Arthritis Rheum 2000; 43(2): 250–258.
15. Shigeyama Y, Pap T, Kunzler P et al. Expression of osteoclast differentiation factor in rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum 2000; 43(11): 2523–2530.
16. Crotti T, Smith MD, Weedon H et al. Receptor activator NF-kappaB ligand (RANKL) expression in synovial tissue from patients with rheumatoid arthritis, spondyloarthropathy, osteoarthritis and from normal patients: semiquantitative and quantitative ana lysis. Ann Rheum Dis 2002; 61(12): 1047–1054.
17. Haynes DR, Crotti TN, Loric M et al. Osteoprotegerin and receptor activator of nuclear factor kappaB ligand (RANKL) regulate osteoclast formation by cells in the human rheumatoid arthritic joint. Rheumatology 2001; 40(6): 623–630.
18. Geusens PP, Landewé RB, Garnero P et al. The ratio of circulating osteoprotegerin to RANKL in early rheumatoid arthritis predicts later joint destruction. Arthritis Rheum 2006; 54(6): 1772–1777.
19. Kearns AE, Khosla S, Kostenuik PJ. Receptor activator of nuclear factor kappaB ligand and osteoprotegerin regulation of bone remodelling in health nd disease. Endocr Rev 2008; 29(2): 155–192.
20. Guise TA, Kozlow WM, Heras-Herzig A et al. Molecular mechanisms of breast cancer metastases to bone. Clin Breast Cancer 2005; 5 (Suppl 2): S46–S53.
21. Mountzios G et al. Abnormal bone remodeling process is due to an imbalance in the receptor activator nuclear factor-kappaB ligand (RANKL)/osteoprotegerin (OPG) axis in patients with solid tumors metastatic to the skeleton. Acta Oncol 2007; 45(2): 221–229.
22. Farrugia AN, Atkins GJ, To LB et al. Receptor activator of nuclear factor-kappaB ligand expression by human myeloma cells mediates osteoclast formation in vitro and correlates with bone destruction in vivo. Cancer Res 2003; 63(17): 5438–5445.
23. Looney RJ, Schwarz EM, Boyd A et al. Periprosthetic osteolysis: an immunologist’s update. Curr Opin Rheumatol 2006; 18(1): 80–87.
24. Min H, Morony S, Sarosi I et al. Osteoprotegerin reverses osteoporosis by inhibiting endosteal osteoclasts and prevents vascular calcification by blocking a process resembling osteoclastogenesis. J Exp Med 2000; 192(4): 463–474.
25. Vega D, Maalouf NM, Sakhaee K. CLINICAL Review: the role of receptor activator of nuclear factor-kappaB (RANK)/RANK ligand/osteoprotegerin: clinical implications. J Clin Endocrinol Metab 2007; 92(12): 4514–4521.
26. Anandarajah AP, Schwarz EM. Anti-RANKL therapy for inflammatory bone disorders: mechanisms and potential clinical applications. J Cell Biochem 2006; 97(2): 226–232.