Osteoklastfunktionen reguleres af naboosteoblaster

Modningen af makrofager til osteoklaster kræver, at der er marvstromaceller eller osteoblaster til stede. De fleste calcitrope hormoner virker indirekte på osteoklasterne ved at påvirke receptorer på osteoblasterne. De sidste fire år har opdagelsen af osteoprotegerin (OPG), receptor activator of nuclear factor - κβ ligand (RANKL) og dens receptor (RANK) medvirket til opklaringen af disse forhold. Det har vist sig, at osteoklastdifferentiering, -funktion og -overlevelse styres af forholdet mellem det hæmmende osteoprotegerin og RANKL, der virker aktiverende. Osteoprotegerin og RANKL dannes af osteoblasterne, medens RANK er lokaliseret til osteoklasterne. Behandling med osteoprotegerin hæmmer knogleresorptionen hos postmenopausale kvinder. Muta- tioner inden for systemet kan spille en rolle for fokale knoglesygdomme. Opdagelsen af systemet åbner for nye be- handlingsmæssige muligheder ved fx postmenopausal og steroidudløst osteoporose, mb. Paget, hypercalcæmi og reumatoid artrit.

Knoglevævet udskiftes gennem hele livet. Denne remodelleringsproces foregår ved, at små områder af knoglevævet fjernes gennem osteoklastisk knogleresorption for derefter at gendannes gennem en efterfølgende osteoblastisk knogleformation (1). De strukturelle enheder, der herved dannes, udgøres i kortikal knogle af osteoner og i trabekulær knogle af » packets « eller »trabekulære osteoner« (1, 2). Knogleresorption og knogleformation er således indbyrdes koblet i tid og rum (1). En ubalance mellem de to processer kan medføre osteoporose, hvis der resorberes mere knogle, end der dannes, eller osteosklerose, hvis der gendannes mere knogle, end der resorberes (3). Den tætte kobling mellem resorption og formation har ført til den antagelse, at der eksisterer en egentlig »koblingsfaktor«, der sikrer, at knogleresorption tidsmæssigt efterfølges af knogleformation. Histologiske undersøgelser har desuden vist, at hele remodelleringsprocessen i trabekulær knogle foregår i et afgrænset vaskulært rum, der i et givet remodelleringsfokus strukturelt set omfatter både osteoklaster og osteoblaster (4, 5). Rummet er en sinusoidelignende struktur, der på den ene side støder op mod den osteoklast- eller osteoblastdækkede knogleoverflade og på den anden side grænser mod knoglemarven gennem et lag af knoglederiverede celler. I sinusoidens hulrum forekommer erytrocytter og andre af blodets formede elementer foruden de egentlige knogleceller. Sinusoiden anastomoserer tilsyneladende med de omliggende egentlige marvsinusoider og udgør således en velegnet anatomisk struktur til at sikre den regionale aktivering af osteoklaster og interaktionen mellem osteoblaster og osteoklaster under remodelleringen (Boks 1).

For mere end 25 år siden iagttog man for første gang, at celler fra immunsystemet kunne påvirke funktionen af knogleceller. Siden da er der afdækket et integreret og komplekst system af hormoner, vækstfaktorer og cytokiner, der regulerer balancen mellem knogleresorption og knogleformation (Boks 2).

På baggrund af celledyrkningseksperimenter blev det i begyndelsen af 1990'erne klart, at in vitro-modningen af makrofager til osteoklaster kræver, at der var marvstromaceller eller osteoblaster til stede i kulturen (6, 7). Andre kendte faktorer var ikke i stand til isoleret at understøtte dannelsen af osteoklaster eller disses funktion. Det blev desuden klart, at calcitrope hormoner, der påvirkede knogleresorptionen, virker indirekte ved at påvirke receptorer på osteoblasterne, og at osteoblasterne må danne en eller flere ukendte faktorer, der fuldender osteoklasternes differentiering og aktivering (6, 7).

Osteoprotegerin og RANK-systemets opdagelse

I 1997 blev et secerneret glykoprotein ved navn osteoprotegerin (OPG) isoleret og klonet (8). Det viste sig at være et nyt medlem af tumor necrosis factor (TNF) receptor -superfamilien, der som det eneste ikke har et transmembrant domæne. Efter parenteral indgift eller overekspression hæmmer det knogleresorptionen hos mus. Tilsvarende har dyr, der mangler OPG, en uhæmmet dannelse af osteoklaster med stærkt øget knogleresorption og svær osteoporose. Det udtrykkes af mange celler og væv, i knogle især af differentierende osteoblaster.

Et år senere blev bindingsproteinet (liganden) isoleret og klonet, idet OPG blev anvendt som sonde (9). Liganden, der fik navnet receptor activator of nuclear factor -κβligand (RANKL), viste sig at være et nyt medlem af TNF-superfamilien. Den eksisterer i to biologisk aktive former. En cellemembranbunden form (RANKL) på 319 aminosy- rer kunne spaltes af en TNF-α -konverterende, enzymlignende protease til en kortere, opløselig ektodomæne-variant med samme biologiske aktivitet (RANKLs). In vitro-eksperimenter viste, at RANKL stimulerer osteoklastdifferentieringen, fremmer fusionen til multinukleære osteoklaster, aktiverer modne osteoklaster og hæmmer osteoklasternes apoptose (6, 10). Den udtrykkes i marvstromaceller, pro-B-celler og T-celler. RANKL-genets promotordel indeholder responselementer for glukokortikoider og D-vitamin. In vivo-undersøgelser viste, at parenteral administration af RANKL til mus medførte øget osteoklastaktivitet ledsaget af et hurtigt knogletab, svær osteoporose og hypercalcæmi (9), hvorimod målrettet fjernelse af RANKL medførte svær osteopetrose, defekt tanderuption, mangel på modne osteoklaster og defekte T- og B-celler (11).

Det viste sig faktisk, at ved tilstedeværelse af macrophage colony stimulating factor (M-CSF), der bindes til receptoren c-fms på de multipotente stamceller, var RANKL både en nødvendig og tilstrækkelig faktor for dannelsen af knogleresorberende osteoklaster (10). Den afsluttende brik i systemet er receptoren for RANKL, der tidligere var fundet i immunceller og her benævnt RANK (12). Den udtrykkes i osteoklaster og deres forstadier, T- og B-celler, myeloide dendritiske celler og fibroblaster og kan ved binding til RANKL aktivere flere signalveje, der medfører biologisk aktivitet. Rank synes at være kontrollør af knogleresorptionen, idet RANK-knockout medfører osteopetrose. Ekspressionen af RANK i osteoklaster er imidlertid stabil og ikke underkastet væsentlig regulering (10).

Det er kun fire år siden, den første komponent i dette styresystem blev fundet, og fremdriften i den forskningsproces, der har medført vores nuværende forståelse af komponenternes ekspression, regulering og effekter, såvel in vitro som in vivo, har været bemærkelsesværdig (6). Terminologien har imidlertid til tider været noget forvirrende. Fig. 1 giver en oversigt over den terminologi, der har været anvendt i litteraturen.

Hvorledes virker systemet?

De tre essentielle regulerende elementer, OPG, RANK og RANKL, udgør de afsluttende mekanismer, der styrer osteoklasternes dannelse og funktion og medierer således effekten af mange overordnede cytokiner og hormoner. Sammenfattet (Fig. 2 ) udtrykker osteoblastiske celler såvel opløselig som membranbundet RANKL samt OPG, der fungerer som en aflednings- eller lokke-receptor for RANK. RANKL/OPG-ratio synes at variere afhængigt af osteoblasternes differentiering, således at udifferentierede marvstromaceller har den højeste RANKL/OPG-ratio (13). In vitro kan disse celler alene initiere og vedligeholde osteoklastdannelsen, mens modne osteoblaster ikke har denne evne, medmindre der tilsættes overskud af RANKL. Multipotente celler fra makrofaglinien binder M-CFS til c-fms, og ved kontakt til osteoblastiske celler aktiveres deres RANK-receptor ved binding til RANKL (A). Herved prolifererer cellerne til præosteoklaster og differentierer til mononukleære osteoklaster (B). OPG blokerer effekten af RANKL ved at binde sig til RANK og neutralisere denne receptor. Ved fortsat kontakt til osteoblastiske celler stimulerer disse cellers RANKL herefter fusionen af mononukleære osteoklaster til multinukleære osteoklaster ved binding til RANK (C) og aktiverer cellernes evne til at resorbere knogle (D). OPG blokerer også disse effekter. Endelig inducerer OPG apoptose af modne osteoklaster, medens RANKL forebygger denne proces (E). Osteoklastdannelsen og -aktiviteten bestemmes således af forholdet mellem OPG og RANKL i knoglemarvens mikromiljø.

Fokale knoglesygdomme

Det er for nylig vist, at mutationer i RANK-genet kan forårsage den sjældne fokale knoglesygdom familiær ekspansiv osteolyse (14), der på mange måder minder om mb. Paget, der er langt hyppigere (15). Pagets sygdom er karakteriseret ved anatomisk afgrænsede områder i skelettet med en stærkt øget forekomst af aktive osteoklaster og en øget knogleomsætning. Disse forandringer kan udløse smerter, deformitet og patologiske frakturer samt trykpåvirkning af omgivende væv, fx nerver eller CNS (15). Sygdommen viser en familiær ophobning forenelig med autosomal dominant arvegang (16). Et muligt kandidat-gen for sygdommen kan være kromosom 18q (17). Der er imidlertid i de aktive osteoklaster fundet intranukleære strukturer forenelige med virale nucleocapsider, hvilket har medført teorier om, at sygdommen skyldes sløve infektioner med hundesygevirus, muterede mæslingevirus eller RSV (15). Disse patogenetiske mekanismer forklarer imidlertid ikke sygdommens karakteristiske fokale udbredelse, der antyder, at mikromiljøet i Paget-områderne i høj grad stimulerer til dannelse af osteoklaster, eller at osteoklastforstadierne i disse områder har en øget følsomhed for osteoklaststimulerende faktorer. Mutationsanalyser af RANK- og OPG-gener hos patienter med Pagets sygdom har været negative (18). Der er imidlertid fundet adskillige polymorfismer, hvoraf en enkelt har vist en øget forekomst hos patienter med mb. Paget (18). Dette kunne tyde på, at individer med denne allel har en øget risiko for at udvikle mb. Paget, og måske forklare en del af den arvelige komponent. Der er ikke holdepunkter for, at den øgede forekomst af osteoklaster skyldes et øget antal af cirkulerende forstadier (19). In vitro-undersøgelser af mononukleære cirkulerende celler fra patienter med Pagets sygdom og normale kontrolpersoner dyrket sammen med osteoblastlignende celler tyder imidlertid på, at de eksisterende forstadier til osteoklaster udviser en øget følsomhed for RANKL og calcitriol (19). Andre undersøgelser har vist, at RANKL-mRNA er øget i marvstromaceller fra Paget-områder. Desuden synes marvceller fra Paget- områder at stimulere dannelsen af osteoklaster ved meget lavere RANKL-koncentrationer end normale marvceller (20). Resultaterne tyder således på, at det øgede antal osteoklaster i Paget-områder skyldes en kombination af en øget ekspression af RANKL i marvstromacellerne i områderne kombineret med en øget følsomhed i osteoklastforstadierne for bl.a. RANKL. Lokalisationen af en væsentlig del af den sygdomsfremkaldende proces til stromacellerne kan medvirke til at forklare sygdommens fokale udbredelse samt den manglende progression fra en del af skelettet til andre områder (15). Teorien synes således mere plausibel end de tidligere teorier om virusinfektion. Den fokale udbredelse af sygdommen minder om fibrøs dysplasi, der skyldes en mosaik med en regionalt øget adenylcykleaseaktivitet. En tilsvarende mosaicisme kunne evt. være medvirkende til udvikling af Pagets sygdom.

Effekten af overordnede hormoner og cytokiner

Det har vist sig, at de fleste calcitrope hormoner, cytokiner og vækstfaktorer, der stimulerer eller hæmmer knogleresorptionen, virker ved at modulere OPG, RANKL eller begge faktorer (10). For eksempel opregulerer proinflammatoriske cytokiner (interleukin [IL]-1β , IL-6 og IL-11, TNFα ) PGE2 , dexamethason, calcitriol og PTH alle RANKL in vitro og enten nedregulerer (PGE2 , dexamethason, calcitriol og PTH) eller opregulerer (interleukin-1β , TNFα , 17β -østradiol) OPG (6, 10, 21, 22) (Fig. 3 ). Gennem disse mekanismer åbnes der mulighed for elektivt at påvirke balancen mellem knogleresorption og -formation og således udløse osteopeni, fx ved postmenopausal eller steroidinduceret osteoporose, eller osteosklerose. At balancen mellem to osteoblastderiverede faktorer, OPG og RANKL, medierer effekten af mange overordnede hormoner og cytokiner, tyder på et meget robust og effektivt kontrolsystem for den osteoklastiske knogleresorption (Fig. 3).

Behandlingsmæssige muligheder

Mange metaboliske knoglesygdomme er karakteriseret ved øget osteoklastdannelse eller -aktivitet pga. ændringer i overordnede faktorer, der modulerer forekomsten af RANKL og/eller OPG. Disse sygdomme kunne muligvis have gavn af behandlingsmæssige tiltag, der tilstræber at reducere forholdet mellem RANKL og OPG. Det første humane studie over effekten af OPG på knogleresorptionen hos postmenopausale kvinder er således publiceret for nylig (23). I et randomiseret, dobbeltblindt, placebokontrolleret design fandt man, at en enkelt subkutan dosis af OPG hurtigt og effektivt reducerede knogleresorptionen vurderet ved to biokemiske markører for knogleresorption, urin-N-telopeptid (NTx) og urin-deoxypyridinolin (DPD). Ved den højeste dosering (3,0 mg/kg) faldt urin-NTx 80% inden for de f ørste fire dage og var fortsat nedsat med 14% efter uger. Knogleformationen bedømt ved knoglespecifik basisk fosfatase (BSAP) var uændret de første tre uger, hvorefter den faldt med 30% efter seks uger. Den tidsmæssige adskillelse mellem effekten på resorptive og formative knoglemarkører viser, at eksogent OPG primært hæmmer knoglenedbrydningen, medens effekten på formationen må tilskrives koblingen mellem de to processer.

Andre mulige terapeutiske mål inden for RANK/RANKL/OPG-systemet kunne omfatte den lokale regulering af dannelsen af OPG og RANKL og modulation af de intracellulære mekanismer, der aktiveres ved ligandbinding til RANK. Det er i denne forbindelse interessant, at disse mekanismer ikke er begrænset til knoglevæv, men også spiller en vigtig rolle ved fx reguleringen mellem T-celler og dendritiske celler.

Konklusion

Den nylige opdagelse af OPG, RANKL og RANK har på afgørende vis ændret vores forståelse af osteoklasternes biologi. De danner tilsammen tre essentielle regulerende komponenter for osteoklastdannelse, -fusion, -overlevelse, -aktivering og -apoptose. Opdagelsen af dette system åbner op for adskillige nye behandlingsmæssige muligheder for at hæmme osteoklastaktiviteten ved fx postmenopausal og steroidudløst osteoporose, mb. Paget, hyperparatyreoidisme, malign hypercalcæmi, reumatoid artrit, periodontitis etc.

Leif Mosekilde, medicinsk endokrinologisk afdeling, Århus Universitetshospital, Århus Amtssygehus, Tage Hansensgade 2, DK-8000 Århus C. E-mail: leif.mosekilde@aas.auh.dk

Antaget den 3. december 2001.

Rikshospitalet, Oslo, endokrinologisk seksjon, medisinsk avdeling,

Århus Universitetshospital, Århus Amtssygehus, medicinsk endokrinologisk afdeling, og

Aarhus Universitet, Sundhedsvidenskabeligt Fakultet.

1. Frost HM. Mathematical elements of lamellar bone remodelling. Springfield, Il: Charles C. Thomas, 1964.
2. Kragstrup J, Melsen F, Mosekilde L. Thickness of bone formed at remodeling sites in normal human iliac trabecular bone: variations with age and sex. Metab Bone Dis Relat Res 1983; 5: 17-21.
3. Parfitt AM. The actions of parathyroid hormone on bone: relation to bone remodeling and turnover, calcium homeostasis, and metabolic bone disease. Part I of IV parts: mechanisms of calcium transfer between blood and bone and their cellular basis: morphological and kinetic approaches to bone turnover. Metabolism 1976; 25: 809-44.
4. Burkhardt R, Bartl R, Frisch B, Jäger K, Mahl C, Hill W et al. The structural relationship of bone forming and endothelial cells of the bone marrow. I: Arlet J, Ficat RP, Hungerford DS, eds. Bone circulation. Baltimore: Williams and Wilkins, 1984: 2-14.
5. Hauge EM, Qvesel D, Eriksen EF, Mosekilde L, Melsen F. Cancellous bone remodeling occurs in specialized compartments lined by cells expressing osteoblastic markers. J Bone Min Res 2001; 16: 1575-82.
6. Hofbauer LC, Khosla S, Dunstan CR, Lacey DL, Boylee WJ, Riggs BL. The roles of osteoprotegerin and osteoprotegerin ligand in the paracrine regulation of bone resorption. J Bone Min Res 2000; 15: 2-12.
7. Aubin JE, Bonnelye E. Osteoprotegerin and its ligand: a new paradigm for regulation of osteoclastgenesis and bone resorption. Osteoporosis Int 2000; 11: 905-13.
8. Simonet WS, Lacey DL, Dunstan CR, Kelley M, Chang MS, Luthy R et al. Osteoprotegerin: a novel secreted protein involved in the regulation of bone density. Cell 1997; 89: 309-19.
9. Lacey DL, Timms E, Tan HL, Kelley MJ, Dunstan CR, Burgess T et al. Osteoprotegerin ligand is a cytokine that regulates osteoclast differentiation and activation. Cell 1998; 93: 165-76.
10. Hofbauer LC, Heufelder AE. The role of receptor activator of nuclear factor-kappaB ligand and osteoprotegerin in the pathogenesis and treatment of metabolic bone diseases. J Clin Endocrinol Metab 2000; 85: 2355-63.
11. Kong YY, Yoshida H, Sarosi I, Tan HL, Timms E, Capparelli C et al. OPGL is a key regulator of osteoclastogenesis, lymphocyte development and lymph-node organogenesis. Nature 1999; 397: 315-23.
12. Nakagawa N, Kinosaki M, Yamaguchi K, Shima N, Yasuda H, Yano K et al. RANK is the essential signaling receptor for osteoclast differentiation factor in osteoclastogenesis. Biochem Biophys Res Commun 1998; 253: 395-400.
13. Gori F, Hofbauer LC, Dunstan CR, Spelsberg TC, Khosla S, Riggs BL. The expression of osteoprotegerin and RANK ligand and the support of osteoclast formation by stromal- osteoblast lineage cells is developmental regulated. Endocrinology 2000; 141: 4768-76.
14. Hughes AE, Ralston SH, Marken J, Bell C, MacPherson H, Wallace RG et al. Mutations in TNFRSF11A, affecting the signal peptide of RANK, cause familial expansile osteolysis. Nat Genet 2000; 24: 45-8.
15. Siris ES. Paget's disease of bone. I: Favus MJ, ed. Primer on the metabolic bone disease and disorders of mineral metabolism, Philadelphia, PA: Lipincott Williams & Wilkins, 1999: 415-25.
16. McKusick VA. Heritable disorders of connective tissue. St. Louis: CV Mosby, 1972: 718-23.
17. Hocking L, Slee F, Haslam SI, Cundy T, Nicholson G, van Hul W et al. Familial Paget's disease of bone: patterns of inheritance and frequency of linkage to chromosome 18q. Bone 2000; 26: 577-80.
18. Wuyts W, Van Wesenbeeck L, Morales-Piga A, Ralston S, Hocking L, Vanhoenacker F et al. Evaluation of the role of Rank and OPG genes in Paget's disease of bone. Bone 2001; 28: 104-7.
19. Neale SD, Smith R, Wass JA, Athanasou NA. Osteoclast differentiation from circulating mononuclear precursor is Paget's disease is hypersensitive to 1,25-dihydroxyvitamin D(3) and RANKL. Bone 2000; 27: 409-16.
20. Menaa C, Reddy SV, Kurihara N, Maeda H, Anderson D, Cundy T et al. Enhanced RANK ligand expression and responsivity of bone marrow cells in Paget's disease of bone. J Clin Invest 2000; 105: 1833-8.
21. Lee SK, Lorenzo JA. Parathyroid hormone stimulates TRANCE and in- hibits osteoprotegerin messenger ribonucleic acid expression in murine bone marrow cultures: correlation with osteoclast-like celle formation. Endocrinology 1999; 140: 3552-61.
22. Tsukii K, Shima N, Mochizuki S, Yamagushi K, Kinosaki M, Yano S et al. Osteoclast differentiation factor mediates an essential for bone resumption induced by 1 alpha-25-dihydroxyvitamin D, Prostaglandin E2, or parathyroid hormone in the