Le rôle du mécanisme RANK/RANKL/OPG dans la perte osseuse : nouvelles perspectives

La biologie de l’os et le rôle du mécanisme RANK/RANKL/OPG

Conférencier : Robert G. Josse, M.D., Division d’endocrinologie et du métabolisme, Hôpital St. Michael’s; professeur de médecine, Université de Toronto, Toronto, ON.

Des progrès dans les connaissances de la biologie de l’os et du rôle du mécanisme RANK/RANKL/OPG, ont ouvert de nouvelles possibilités de traitement de l’ostéoporose. Afin de faciliter la compréhension de la « nouvelle biologie », le D^r Robert Josse a premièrement passé en revue les déterminants de la résistance des os.

L’os trabéculaire, un réseau spongieux de délicats feuillets d’os appelés travées constitue 20 % du squelette, mais représente ~80 % du renouvellement des cellules osseuses. Par contraste, l’os cortical constitue 80 % du squelette, mais ~20 % du renouvellement. La surface interne de l’os cortical, l’endoste, est le site primaire du remodelage osseux et des activités métaboliques, tandis que la surface externe, le périoste, est le site de la formation osseuse.

Le remodelage osseux, a noté le D^r Josse se produit de façon continue : de minuscules paquets d’os trouvés à travers le squelette entreprennent ce processus pour la durée de la vie. Le remodelage optimise la structure osseuse pour la fonction mécanique et répare le micro-dommage, donnant de la force où requise. Les cellules osseuses se déposent et sont résorbées d’après les stress exercés sur l’os. L’os est aussi une source de facteurs de croissance en circulation, ce qui est important dans la compréhension de la biologie de l’os. Enfin, l’os agit comme réservoir pour le calcium et les phosphates. Un mécanisme de rétrocontrôle permet à l’hormone parathyroïdienne (PTH) de stimuler la libération de calcium du squelette quand nécessaire, ainsi que d’accentuer la résorption osseuse pour augmenter la disponibilité du calcium aux tissus vitaux et pour les fonctions métaboliques.

Un remodelage excessif contribue à l’ostéoporose puisqu’un remodelage osseux accéléré occasionne une altération structurale et une perte nette de tissu osseux. La résistance des os et la capacité de résister aux fractures dépendent de l’intégrité structurale de la masse osseuse; toutes deux ont tendance à se détériorer avec l’âge, et chez les femmes, avec la ménopause.

Pour comprendre la biologie de l’os, il faut comprendre la fonction des cellules osseuses impliquées dans le remodelage. Le D^r Josse a passé en revue la séquence du remodelage osseux. La première étape du remodelage est l’activation des ostéoclastes responsables de la résorption. Les cellules qui tapissent les surfaces des os se rétractent, permettant aux ostéoclastes de résorber le tissu osseux exposé, formant de petites dépressions. À la suite du renversement, les ostéoblastes déposent une nouvelle matrice ostéoïde qui se minéralise par la suite. Les ostéoclastes sont dérivés de la série de macrophages/monocytes. Ils se fixent à l’os formant un lien solide, et commencent à résorber l’os. Les ostéoclastes creusent des tranchées dans l’os. Les ostéoblastes sont dérivés de précurseurs mésenchymateux dans la moelle osseuse ultimement responsables de leur différenciation en ostéoblastes. Ces cellules souches mésenchymateuses sont les mêmes cellules qui se différencient en myoblastes et adipoblastes. Par conséquent, les cellules souches qui forment l’os forment aussi les muscles et le gras. Le processus biologique lié à l’âge détermine le changement de ces cellules souches vers le gras. Ceci explique en partie pourquoi on observe une sarcopénie chez les aînés et que leur moelle osseuse est riche en gras.

Une fois que les ostéoclastes ont creusé une section d’os, les ostéoblastes remplissent les dépressions formées par la résorption de l’os avec une matrice non minéralisée. Celle-ci se solidifie quand les minéraux tels que le calcium y sont déposés. Chez les jeunes individus en santé, le montant de résorption est contrebalancé avec le montant de formation. Un déséquilibre du remodelage osseux qui favorise la résorption, tel qui se produit avec l’ostéoporose, entraîne une baisse de la densité minérale osseuse et une détérioration de la micro-architecture, ce qui augmente la fragilité et la prédisposition aux fractures. Bien que nous possédions moins d’os trabéculaire que cortical, les effets d’un déséquilibre du remodelage osseux se manifesteront en premier dans l’os trabéculaire qui est plus aisément perturbé par une résorption osseuse excessive. Lorsqu’il y a un déséquilibre et que l’os trabéculaire est affaibli, les structures en feuillets de l’os se convertissent en structures en bâtonnets qui sont mécaniquement plus faibles.

Le D^r Josse a expliqué que pendant plusieurs années les biologistes ignoraient le mécanisme de résorption de l’os par les ostéoclastes. Les ostéoclastes ne possèdent pas de récepteurs pour les substances (cytokines, hormones, etc.) qui activent la résorption.
Cette énigme s’est résolue quand le système du ligand RANK fut découvert. Le ligand du récepteur activateur du facteur nucléaire -B (RANKL), une protéine qui se lie au récepteur activateur du facteur nucléaire -B (RANK), est le médiateur principal de la différenciation, l’activation et la survie des ostéoclastes (Figure 1). Le ligand RANK est le médiateur principal de la résorption de l’os. L’ostéoprotégérine (OPG) offre un site additionnel de liaison pour RANKL et agit comme un récepteur leurre qui empêche le ligand RANK de se lier à son récepteur cellulaire, RANK. La liaison du ligand active le signalement cellulaire. Un ligand lié à un récepteur leurre ne peut activer le signalement cellulaire.^1-6 L’ostéoprotégérine est le régulateur endogène clé naturel du mécanisme RANKL–RANK. Quand le ligand RANK est lié et neutralisé par l’OPG, les ostéoclastes ne peuvent se former,^2,5 fonctionner,² ou survivre.³ L’ostéoprotégérine agit comme un récepteur leurre en se liant à RANKL, inhibant par ce moyen l’ostéoclastogenèse et la survie des ostéoclastes préexistants.^1,4,7,8 En se liant à, et en neutralisant les effets de RANKL, elle inhibe la résorption osseuse.^1,4,7,8 Une plus grande quantité de RANKL signifie une augmentation de la perte osseuse.

 

Le dénosumab est un traitement contre l’ostéoporose, conçu pour viser RANKL. Il est un anticorps monoclonal (IgG2) entièrement humain qui se lie à RANKL avec haute affinité et spécificité. Il bloque l’interaction de RANKL avec RANK, imitant l’ostéoprotégérine.

Puisque l’utilisation clinique de l’OPG est non-pratique, comme l’a observé le D^r Josse, les chercheurs ont ressenti le besoin de créer d’autres agents pour neutraliser RANKL, qui augmente la résorption osseuse et réduit l’os trabéculaire et cortical. Il est associé à l’ostéoporose et son inhibition augmente la densité minérale osseuse et maintient l’architecture de l’os. Le dénosumab fait actuellement l’objet de recherches pour des traitements autres que l’ostéoporose, dont la destruction de l’os liée au cancer et l’érosion de l’os dû à l’arthrite rhumatoïde.

Le D^r Josse a réitéré qu’un squelette en santé dépend de l’équilibre entre la résorption et la formation osseuse; les traitements qui parviennent à inhiber le ligand RANK et donc à supprimer la résorption osseuse pourraient être d’une valeur clinique considérable pour les patients atteints d’une perte osseuse.^1,6

Références :

1. Boyle WJ, Simonet WS, Lacey DL. Osteoclast differentiation and activation. Nature 2003;423:337–42.
2. Fuller K, Wong B, Fox S, et al. TRANCE is necessary and sufficient for osteoblast-mediated activation of bone resorption in osteoclasts. J Exp Med 1998;188:997–1001.
3. Lacey DL, Tan HL, Lu J, et al. Osteoprotegerin ligand modulates murine osteoclast survival in vitro and in vivo. Am J Pathol 2000;158:435–48.
4. Lacey DL, Timms E, Tan HL, et al. Osteoprotegerin ligand is a cytokine that regulates osteoclast differentiation and activation. Cell 1998;93:165–76.
5. Yasuda H, Shima N, Nakagawa N, et al. Osteoclast differentiation factor is a ligand for osteoprotegerin/osteoclastogenesis-inhibitory factor and is identical to TRANCE/RANKL. Proc Natl Acad Sci USA 1998;95:3597–602.
6. Hofbauer LC, Schoppet M. Clinical implications of the osteoprotegerin/RANKL/RANK system for bone and vascular diseases. JAMA 2004;292:490–5.
7. Simonet WS, Lacey DL, Dunstan CR, et al. Osteoprotegerin: a novel secreted protein involved in the regulation of bone density. Cell 1997;89:309–19.
8. Bekker PJ, Holloway D, Nakanishi A, et al. The effect of a single dose of osteoprotegerin in postmenopausal women. J Bone Miner Res 2001;16:348–60.

Cette présentation a été appuyée par une subvention éducationnelle sans restrictions accordée par Amgen Canada.

The Role of RANK/RANKL/OPG Pathway in Bone Loss: New Insights

Bone Biology and the Role of RANK/RANKL/OPG Pathway

Speaker: Robert G. Josse, MD, Division of Endocrinology & Metabolism, St. Michael’s Hospital; Professor of Medicine, University of Toronto, Toronto, ON.

Advances in the understanding of bone biology and the role of the RANK/RANKL/OPG pathway have opened new treatment avenues for osteoporosis. To facilitate understanding of the “new biology,” Dr. Robert Josse first reviewed determinants of bone strength.

Trabecular bone, a spongy network of delicate plates of bone known as trabeculae, constitutes 20% of skeletal mass but accounts for ~80% of bone turnover. In contrast, cortical bone constitutes 80% of mass but ~20% of turnover. The interior surface of cortical bone, the endosteum, is the primary site of remodeling and metabolic activities while the exterior surface, the periosteum, is the site of new bone formation.

Remodeling, Dr. Josse noted, takes place continuously: tiny packets of bone throughout the skeleton constantly undergo this process during the life-span. Remodeling optimizes bone structure for mechanical function and repairs microdamage, adding strength where it is needed. Bone is deposited and resorbed in accordance with the stresses placed upon it. Bone is also a source of circulating growth factors, which is important in our understanding of bone biology. Finally, bone acts as a reservoir for calcium and phosphate. A feedback mechanism enables parathyroid hormone (PTH) to stimulate the release of calcium from the skeleton when needed as well as enhance bone resorption to increase the availability of calcium for vital tissues and metabolic functions.

Excessive remodeling contributes to osteoporosis as accelerated bone remodeling results in structural decay and net bone loss. Bone strength and ability to resist fracture depend on both structural integrity and mass, and both tend to deteriorate with age and with menopause in women.

Understanding bone biology involves comprehending the function of the bone cells involved in remodeling. Dr. Josse went on to review the bone remodeling sequence. The first step in remodeling is activation of osteoclasts responsible for resorption. Cells that line bone surfaces retract, allowing the osteoclasts to resorb exposed bone tissue, creating “pits.” Following the reversal stage, osteoblasts lay down new osteoid matrix, which subsequently mineralizes. Osteoclasts are derived from the monocyte macrophage series. They attach to bone, form a tight seal, and start resorbing the bone. Osteoclasts excavate trenches in bone. Osteoblasts are derived from mesenchymal precursors in the marrow responsible finally for differentiating into osteoblasts. These mesenchymal stem cells are the same cells that differentiate into myoblasts and adipoblasts. Thus those stem cells that make bone also make muscle and fat. Age-associated biological processes determine a shift of these stem cells toward fat. This is in part why in older adults there is sarcopenia and the marrow is fat-laden.

Once osteoclasts excavate an area of bone, osteoblasts fill up the bone resorption pit with unmineralised matrix. This hardens when minerals, e.g., calcium, are deposited in it. In healthy young individuals, the amount of resorption is balanced with formation. An imbalance in bone remodeling that favours resorption, such as occurs in osteoporosis, leads to decreased mineral density and microarchitectural deterioration, increasing fragility and fracture susceptibility. Although we have less trabecular versus cortical bone, the effects of an imbalance in bone remodeling will first become apparent in trabecular bone, which is more readily disrupted by excess bone resorption. In states of imbalance and weakened trabecular bone, the bone’s platelike structures convert to rod-like structures, which are mechanically weaker.

Biologists were perplexed for years, Dr. Josse explained, by how osteoclasts resorbed bone. The osteoclast does not possess receptors for the substances (cytokines, hormones, etc.) that activate resorption.

This conundrum was settled when the RANK ligand system was discovered. Receptor activator of nuclear factor-kB ligand (RANKL), a protein that binds to receptor activator of nuclear factor-kB (RANK), is the primary mediator of osteoclast differentiation, activation, and survival (Figure 1). RANK ligand is the primary mediator of bone resorption. Osteoprotegerin (OPG) provides an alternative binding site for RANKL and acts as a decoy receptor by blocking RANK ligand binding to its cellular receptor RANK. Ligand binding activates cellular signalling. Ligand that is bound to a decoy receptor cannot activate cellular signalling.^1-6

 

Osteoprotegerin is the natural key endogenous regulator of the RANKL–RANK pathway. When RANK ligand is bound and neutralized by OPG, osteoclasts cannot form,^2,5 function,² or survive.³ Osteoprotegerin acts as a decoy receptor by binding with RANKL, thereby inhibiting osteoclastogenesis and the survival of pre-existing osteoclasts.^1,4,7,8 By binding to and neutralizing the effects of RANKL, it thereby inhibits bone resorption.^1,4,7,8 More RANKL equates with more bone loss.

Denosumab is an osteoporosis treatment designed to target RANKL. It is a fully human monoclonal antibody (IgG2) that binds to RANKL with high affinity and specificity. It blocks the interaction of RANKL with RANK, mimicking osteoprotegerin.
The clinical use of OPG is impractical, Dr. Josse observed, and researchers saw the need to create other agents to neutralize RANKL, which increases bone resorption and reduces trabecular and cortical bone. It is implicated in osteoporosis and its inhibition increases bone mineral density and maintains bone architecture. Denosumab is now being investigated in treatments other than osteoporosis, including cancer-related bone destruction and bone erosion in the setting of rheumatoid arthritis.

Dr. Josse reiterated that a healthy skeleton depends on a balance between bone resorption and formation; treatments that are able to achieve RANK ligand inhibition and therefore appropriate suppression of bone resorption could offer significant clinical value to patients with bone loss.^1,6

References:

1. Boyle WJ, Simonet WS, Lacey DL. Osteoclast differentiation and activation. Nature 2003;423:337–42.
2. Fuller K, Wong B, Fox S, et al. TRANCE is necessary and sufficient for osteoblast-mediated activation of bone resorption in osteoclasts. J Exp Med 1998;188:997–1001.
3. Lacey DL, Tan HL, Lu J, et al. Osteoprotegerin ligand modulates murine osteoclast survival in vitro and in vivo. Am J Pathol 2000;158:435–48.
4. Lacey DL, Timms E, Tan HL, et al. Osteoprotegerin ligand is a cytokine that regulates osteoclast differentiation and activation. Cell 1998;93:165–76.
5. Yasuda H, Shima N, Nakagawa N, et al. Osteoclast differentiation factor is a ligand for osteoprotegerin/osteoclastogenesis-inhibitory factor and is identical to TRANCE/RANKL. Proc Natl Acad Sci USA 1998;95:3597–602.
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7. Simonet WS, Lacey DL, Dunstan CR, et al. Osteoprotegerin: a novel secreted protein involved in the regulation of bone density. Cell 1997;89:309–19.
8. Bekker PJ, Holloway D, Nakanishi A, et al. The effect of a single dose of osteoprotegerin in postmenopausal women. J Bone Miner Res 2001;16:348–60.

Sponsored by an unrestricted educational grant from Amgen Canada Inc.

A study in the September 23rd issue of Nature by Drs Roman C Muhlbauer and Feng Li of the University of Bern in Switzerland showed that a variety of salads, herbs and cooked vegetables can alter bone metabolism in rats. In particular, a mixture of 500 mg each of onion and Italian parsley, and a mixture of lettuce, tomato, cucumber, arrugula, onion, garlic, wild garlic, common parsley, Italian parsley and dill significantly inhibited bone resorption indicating that the effect was additive. Furthermore, when male rats were fed one gram of dry onion per day, bone resorption was inhibited by 20 percent. That was slightly higher than the effect of calcitonin, at doses comparable to what is used to treat postmenopausal women. If these results could be duplicated in humans, then consuming some of these vegetables on a daily basis could be an "effective and inexpensive way to decrease the incidence of osteoporosis."

Further Reading: Nature 1999;401:343-4.