Mechanizm działania bisfosfonianów na poziomie molekularnym
2. Mechanizmy molekularne działania bisfosfonianów w leczeniu osteoporozy
Mechanizmy molekularne działania związków bisfosfonowych zależą od budowy chemicznej cząsteczki, która ma bezpośredni wpływ na metabolizm osteoklastów. Ten rodzaj komórek kościogubnych odpowiada za proces niszczenia kości. Resorpcja i rozpuszczanie tkanki kostnej polega na wydzielaniu enzymów hydrolitycznych oraz fagocytozie produktów rozkładu.
Badania dowiodły, że związki bisfosfonowe potrafią zahamować proces resorpcji kości poprzez indukcję osteogenezy, dzięki zaprogramowanej śmierci osteoklastów.
Rys. 3. Osteoklasty – widok pod mikroskopem [4]
2.1. Mechanizm molekularny działania prostych bisfosfonianów nieazotowych
Proste bisfosfoniany posiadają zdolność indukcji apoptozy komórek kościugubnych (Rys. 4). W osteoklastach i makrofagach przekształcane są one w toksyczny, stabilny i nieaktywny metabolicznie analog ATP (AppCp), zawierający metylen. Związane jest z to ze strukturalnym podobieństwem do nieorganicznego pirofosforanu.
Rys. 4. Mechanizm molekularny działania prostych bisfosfonianów nieazotowych
Nagromadzenie AppCp w cytozolu osteoklastów powoduje inhibicję translokazy nukleotydów adeninowych (ANT) [5,6]. Enzym ten wchodzi w skład porów mitochondrialnych i odpowiada za transport ADP do wnętrza i ATP na zewnątrz komórki. Prowadzi to do zahamowania funkcji życiowych zależnych od adenozynotrifosforanu. Proces ten przyczynia się bezpośrednio do zaburzenia potencjału błonowego w mitochondriach, następnie wypływu cytochromu C i aktywacji kaspazy-3, enzymu odpowiadającego za apoptozę komórek [7].
W wyniku działania prostych bisfosfonianów bezazotowych dochodzi do bezpośredniego hamowania rekrutacji i dojrzewania osteoklastów, zmniejszenia ich liczby, indukcji apoptozy oraz obniżenia resorpcji i degeneracji kości [5,6].
117
2.2. Mechanizm molekularny działania aminobisfosfonianów
Mechanizm działania bisfosfonianów posiadających atom azotu w swojej strukturze obejmuje więcej procesów metabolicznych niż w przypadku prostych cząsteczek. Ze względu na swoją wielkość również nie są one wchłaniane do środka osteoklastu. Związki te aktywnie inhibują syntazę pirofosforanu farnezylu – kluczowy enzym szlaku mewalonowego (Rys. 5). Przemiany metaboliczne tego kwasu odpowiadają za produkcję cholesterolu oraz lipidów izoprenoidowych:
difosforanu farnezylu (FPP) i difosforanu geranylogeranylu (GGPP) [8]. Z kolei związki te stanowią funkcję donorów grup izoprenoidowych, umożliwiając prenylację białek, w tym GTPaz.
Jest to duża grupa enzymów hydrolitycznych (Ras, Cdc42, Rab), która pełni funkcję przekaźników w szlaku przekazywania sygnałów wewnątrz komórki [9].
Rys. 5. Mechanizm molekularny działania aminobisfosfonianów
Po wpływem aminobisfosfonianów w osteoklaście dochodzi również do zaburzeń fałdowania błony komórkowej i procesu endocytozy (białko Rac), a także do zahamowania transportu pęcherzykowego (Rab). Z kolei brak procesu prenylacji proteiny Rho powoduje dezorganizacje cytoszkieletu oraz integryn odpowiedzialnych za przyleganie komórek kościogubnych do kości. Również farnezylowane białko Ras, w wyniku działania leku, traci zdolność regulacji cyklu komórkowego oraz procesu rozmnażania komórek. Zablokowanie
118
geranylogeranylacji Rho aktywuje kaspazę-3, skutkiem czego dochodzi do indukcji apoptozy osteoklastu [10].
W przypadku aminobisfosfonianów proces inhibicji syntazy FPP prowadzi również do nagromadzenia się w difosforanu izopentylu. Związek ten wiąże z adenozynotrifosforanem,
a w wyniku reakcji powstaje stabilny analog ATP, tj. Apppl. Produkt reakcji pełni rolę inhibitora translokazy nukleotydów adeninowych (ANT), co skutkuje rozpoczęciem procesu apoptozy
w osteoklaście [11].
2.3. Inne mechanizmy molekularne działania związków bisfosfonowych
W błonie komórkowej wchodzącej w skład rąbka pofałdowanego osteoklastu znajduje się pompa protonowa V H+ ATPaza. Jej podstawową funkcją jest zakwaszanie jamy resorpcyjnej.
Obecność kwaśnego środowiska jest niezbędna do degradacji macierzy kostnej. Bisfosfoniany hamują działanie pompy, co powoduje zmianę pH jamy resorpcyjnej i zatrzymanie rozkładu [12].
Związki te posiadają zdolność inhibicji wielu enzymów hydrolitycznych, odpowiadających za degradację macierzy kostnej: metaloproteinaz, fosfohydrolaz, fosfataz.
Związki bisfosfonowe aktywnie inhibują również białkowe fosfatazy tyrozynowe [13], których podstawową funkcją jest kontrola procesów fizjologicznych osteoklastu: prawidłowego tworzenia, dojrzewania i funkcjonowania komórki kościogubnej.
3. Podsumowanie
Związki bisfosfonowe znalazły szerokie zastosowanie w leczeniu schorzeń związanych z upośledzonym metabolizmem wapnia, w tym w osteoporozie. Choroba ta dotyka coraz większą liczbę populacji i wiąże się z ryzykiem wielu powikłań: licznych złamań kości przedramienia, udowej, a także kręgów kręgosłupa. W wielu przypadkach powoduje trwałe inwalidztwo lub zgon.
Skuteczność działania leków bisfosfonowych zostaje potwierdzona coraz większą ilością badań klinicznych, dlatego też można je śmiało stosować w zapobieganiu chorobom układu kostnego.
Mechanizmy molekularne działania tych związków nie są jeszcze do końca poznane. Proste bisfosfoniany akumolowane w osteoklastach, przekształcane są w trwałe AppCp, których obecność przyczynia się do inhibicji ANT oraz indukcji apoptozy. Z kolei aminobisfosfoniany aktywnie oddziałują na szlak przemian kwasu mewalonowego, w wyniku czego dochodzi do zmian biochemicznych w osteoklaście prowadzących do śmierci komórki.
W celu polepszenia jakości leczenia osteoporozy należałoby zsyntezować nowe struktury związków, które będą posiadać więcej właściwości fizykochemicznych oraz biologicznych. Lepsze właściwości farmakologiczne nowych bisfosfonianów z pewnością wzbudziłyby zainteresowanie przemysłu farmaceutycznego.
Literatura
[1] R.G.G.Russel; H.Fleisch: Pyrophosphate and disphosphonates. The biochemistry and Physiology of Bone. Red. Bourn, G. H.; Acad. Presss, Inc., New York, 1976, 4
[2] http://www.plus50.pl/index.php/component/content/article/45-ekspert-wyjania/618-zdrowie-osteoporoza-cichy-złodziej-koc.html aktualizowano 16.11.2010r
[3] H. Fleisch: Bisphosphonates: mechanism of action. Endocr. Rev., 1998, 19, 80 [4] http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Osteoclast.jpg aktualizowano 26.06.2010r
[5] M.J. Rogers: New insights into the molecular mechanisms of action of bisphosphonates. Cur.
Pharm. Des., 2003, 9, 2643
[6] M.J. Rogers; J.C. Frith, S.P. Luckman: Molecular mechanisms of action of bisphosphonates.
Bone, 1999, 24, 73
119
[7] Z. Rupniewska; A. Bojarska-Junak: Apoptosis: Mitochondrial membrane permeabilization and the role played by Bcl-2 family proteins.Postępy Hig. Med. Dosw., 2004, 58, 538
[8] J. Mönkkönen: Mechanism of action of bisphosphonates (abstract). Bone, 2006, 39, 10
[9] J.E. Fisher: Alendronate mechanism of action: geranylgeraniol, an intermediate in the mevalonate pathway, prevents inhibition of osteoclast formation, bone resorption, and kinase activation in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1999, 96, 133
[10] H.L. Benford: Visualization of bisphosphonate-induced caspase-3 activity in apoptotic osteoclasts in vivo. Bone, 2001, 28, 465
[11] J. Mönkkönen: Mechanism of action of bisphosphonates (abstract). Bone, 2006, 39, 10 [12] P. David: The bisphosphonate tiludronate is a potent inhibitor of the osteoclast vacuolar H+-ATPase. J. Bone Miner. Res.,1996, 11, 1498
[13] J.S. Ross; Y. Saunders; P.M.Edmonds: A systematic review of the role of bisphosphonates in metastatic disease. Health Technol. Ases., 2004, 8, 1
RESEARCH FOR MOLECULAR MECHANISMS OF ACTION OF BISPHOSPHONATES IN THE TREATMENT OF OSTEOPOROSIS
Bisphosphonic compounds are one of the most widespreadly used agents in the treatment of metabolic bone diseases such as osteoporosis and other diseases associated with impaired calcium metabolism. The simple bisphosphonates induce of osteoclasts apoptosis by their conversion into methylene-containing analogues of ATP (APPCp). Accumulation of APPCp in the cytosol of osteoclasts causes inhibition of adenine nucleotides translocase (ANT). This process contributes to the disorder of mitochondrial membrane potential, release of cytochrome C and activation of caspase-3, which is responsible for cell apoptosis.
In the case of aminobisphosphonates, the inhibition of FPP synthase lead to blocking biosynthesis of cholesterol and to apoptosis of osteoclasts. These compounds are also a good inhibitors of farnesyl pyrophosphate synthase, which belongs to important enzymes of mevalonic pathway.
A clear understanding of the mechanisms of action bisphosnophates allows to improve the quality of treatment of osteoporosis.
120