TZDs Induce Bone Loss by Activating Bone Resorption and Inhibiting Bone Formation
Die synthetischen PPARγ-Agonisten, Thiazolidindione (TZD), auch als Glitazone bekannt, werden häufig zur Behandlung von Diabetes mellitus Typ 2 eingesetzt (Tabelle 10.1). Die Aktivierung von PPARγ durch TZDs verbessert die Insulinsensitivität bei Nagetieren und Menschen durch eine Kombination von Stoffwechselvorgängen, einschließlich der Verteilung von Lipidspeichern und der Regulierung von Stoffwechsel- und Entzündungsmediatoren, den so genannten Adipokinen. TZDs wurden auch mit der Kontrolle der Zellproliferation, der Atherosklerose, der Makrophagenfunktion und der Immunität in Verbindung gebracht. Die erste prototypische Verbindung der TZDs war Ciglitazon, das nie als Medikament verwendet wurde, aber das Interesse an der Funktion der TZDs weckte. Als antidiabetisches und entzündungshemmendes Medikament war Troglitazon das erste orale TZD, das für die Behandlung von nicht insulinabhängigem Diabetes mellitus (NIDDM) zugelassen wurde. Aufgrund des potenziellen Risikos einer medikamenteninduzierten Hepatitis wurde Troglitazon jedoch im März 2000 in den USA vom Markt genommen. Anhand von isolierten Rattenherzmuskelzellen wurde festgestellt, dass Netoglitazon (MCC-555) eine PPARγ-Agonistenaktivität besitzt und präklinische Vorteile aufweist, so dass es für die weitere klinische Entwicklung zur Behandlung von Diabetes ausgewählt wurde. Da viele mit Netoglitazon behandelte Patienten nicht in der Lage waren, den Blutzuckerspiegel angemessen zu kontrollieren, und anfällig für schwerwiegende Komplikationen wie Retinopathie, Neuropathie und Nephropathie waren, setzte Mitsubishi Pharma die japanischen Phase-II-Studien 2006 aus. Derzeit sind Rosiglitazon (Avandia, Avandamet, Avandaryl) und Pioglitazon (Actos, Glustin) auf dem Markt, und Balaglitazon (DRF 2593) befindet sich in klinischen Phase-III-Studien (Tabelle 10.1).
Medikamente sind oft mit Nebenwirkungen verbunden, und die TZDs bilden da keine Ausnahme. Zu den Nebenwirkungen von TZDs gehören Gewichtszunahme, Flüssigkeitsretention, kongestives Herzversagen und Knochenfrakturen. Immer mehr Berichte deuten darauf hin, dass sowohl Rosiglitazon als auch Pioglitazon mit einem höheren Frakturrisiko verbunden sind: Bei 4360 Typ-2-Diabetikern in der ADOPT-Studie (A Diabetes Outcome Progression Trial) wurde nach vierjähriger Rosiglitazon-Behandlung ein erhöhtes Frakturrisiko bei Frauen festgestellt; in ähnlicher Weise wurde auch für Pioglitazon über dieselben Nebenwirkungen berichtet. Eine gepoolte Sicherheitsbewertung von 19 Studien mit 8100 mit Pioglitazon behandelten Patienten im Vergleich zu 7400 Patienten, die mit einem Vergleichsmedikament behandelt wurden, zeigt, dass 2,6 % der mit Pioglitazon behandelten Frauen eine Fraktur erlitten, verglichen mit 1,7 % der Frauen, die das Vergleichsmedikament erhielten; bei den mit Pioglitazon behandelten Männern (1,3 %) und den mit dem Vergleichsmedikament behandelten Männern (1,5 %) gab es keine Unterschiede bei den Frakturen. Interessanterweise berichtet eine andere klinische Studie, dass in der Kohorte von 84.339 Patienten (Durchschnittsalter 59 Jahre, 43 % Frauen) die mit TZD behandelten Patienten mit einem um 28 % erhöhten Risiko für periphere Frakturen im Vergleich zu den mit einem Sulfonylharnstoff behandelten Patienten assoziiert waren; Pioglitazon war sowohl bei Männern als auch bei Frauen mit mehr Frakturen assoziiert, während Rosiglitazon nur bei Frauen mit mehr Frakturen verbunden war; Darüber hinaus wurde Pioglitazon mit einer höheren Frakturrate in Verbindung gebracht als Rosiglitazon. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass sowohl Männer als auch Frauen, die TZDs einnehmen, ein erhöhtes Frakturrisiko haben könnten, und dass Pioglitazon möglicherweise stärker mit Frakturen in Verbindung gebracht wird als Rosiglitazon. Bei den mit Pioglitazon behandelten Patienten traten die meisten Frakturen an den distalen oberen oder unteren Gliedmaßen auf, und es wurde auch eine Verringerung der Knochenmineraldichte an der Lendenwirbelsäule und der Hüfte festgestellt. Darüber hinaus zeigte eine andere neuere Studie, bei der gepaarte Serumproben von 1605 Teilnehmern (689 Frauen, 916 Männer) an der ADOPT-Studie zu Beginn und nach 12 Monaten aufbewahrt wurden, dass CTX-1 (C-terminales Telopeptid für Typ-1-Kollagen), ein Marker für die Knochenresorption, in der Rosiglitazon-Gruppe bei Frauen, nicht aber bei Männern, um 6,1 % erhöht war; P1NP (Prokollagen-Typ-1-N-Propeptid) und alkalische Knochenphosphatase, zwei Marker für die Knochenbildung, waren sowohl bei Frauen als auch bei Männern verringert. Daher wurde der Schluss gezogen, dass eine übermäßige Knochenresorption ein wichtiger Mechanismus sein könnte, der zusätzlich zur verminderten Knochenbildung zu dem höheren Frakturrisiko bei Frauen beiträgt, die TZDs einnehmen.
Neuere Studien mit Mausmodellen haben mechanistische Erkenntnisse darüber geliefert, wie TZDs die Knochenresorption erhöhen – Rosiglitazon fördert die Osteoklastogenese und induziert den Knochenverlust über ein Transkriptionsnetzwerk, das aus PPARγ, c-fos, PGC1β und ERRα besteht. Während der Osteoklastendifferenzierung im Knochenmark in vitro fördert die Behandlung mit Rosiglitazon die Osteoklastogenese, indem sie die mRNA-Expression des RANKL-induzierten Transkriptionsfaktors c-fos direkt steigert, was zu einer beschleunigten Induktion osteoklastenspezifischer Gene führt, darunter TRAP (Tartrat-resistente saure Phosphatase Typ 5, Acp5), Calcitonin-Rezeptor, Karbonatanhydrase 2, Cathepsin K, Matrix-Metallopeptidase-9 und NFATc1. Diese pro-osteoklastogene Wirkung von Rosiglitazon wurde in PPARγ-/–Knochenmarkzellen vollständig aufgehoben, was zeigt, dass sie PPARγ-abhängig ist. Darüber hinaus reguliert Rosiglitazon auch die mRNA-Expression von PGC1β und ERRα, was Gene induziert, die an der mitochondrialen Biogenese und der Fettsäureoxidation beteiligt sind, was zur Osteoklastenaktivierung führt. Um die In-vivo-Wirkungen einer Langzeitbehandlung mit Rosiglitazon zu untersuchen, wurde Mäusen 6 Wochen lang täglich oral Rosiglitazon (10 mg/kg/Tag) oder eine Vehikelkontrolle verabreicht. Die Ergebnisse zeigen, dass Rosiglitazon einen signifikanten Anstieg sowohl der Knochenresorptionsmarker als auch der Osteoklastenanzahl bei Mäusen mit normaler Körpergröße verursachte, nicht jedoch bei hämatopoetischen PPARγ-Knockout-Mäusen, was darauf hindeutet, dass die Rosiglitazon-vermittelte Osteoklastenaktivierung weitgehend hämatopoetische Zellen autonom ist.
Während der in vitro Osteoklasten-Differenzierung im Knochenmark potenziert die Rosiglitazon-Behandlung auch die Induktion von PGC1β durch RANKL, was auf eine wichtige Rolle von PGC1β bei der Rosiglitazon-Stimulation der Osteoklastenbildung hindeutet. Obwohl Rosiglitazon die Bildung von mehrkernigen TRAP-positiven reifen Osteoklasten in der wt-Differenzierungskultur stark stimuliert, ist dieser Effekt in der PGC1β-/- Kultur stark abgeschwächt. Folgerichtig verhindert die PGC1β-Deletion, dass Rosiglitazon die Expression von RANKL-induzierten Transkriptionsfaktoren (c-fos und NFATc1) und Osteoklastenfunktionsgenen (TRAP, Karbonanhydrase 2 und Calcitonin-Rezeptor) verstärkt. Darüber hinaus fördert Rosiglitazon in Verbindung mit RANKL die mRNA-Expression von ERRα und induziert dadurch die Expression von ERRα-Zielgenen, die an der mitochondrialen Biogenese und Fettsäureoxidation beteiligt sind. Diese Wirkungen von Rosiglitazon sind von PGC1β und ERRα abhängig, da sie in PGC1β-/- oder ERRα-/- Differenzierungskulturen aufgehoben wurden. Wie PPARγ ist auch PGC1β für die Rosiglitazon-induzierte Knochenresorption und den Knochenverlust in Mäusen erforderlich, da diese Effekte in hämatopoetischen PGC1β-Knockout-Mäusen vollständig aufgehoben wurden.
Da die TZDs durch Nebenwirkungen wie Knochenverlust, Gewichtszunahme und Flüssigkeitsretention eingeschränkt sind, wurde eine Reihe von PPARγ-Agonisten entwickelt, die keine TZDs sind (Tabelle 10.1). Im Gegensatz zu den vollständig PPARγ-agonistischen TZDs ist INT131 ein hochwirksamer, selektiver PPARγ-Modulator, der nicht zu den TZDs gehört und sich derzeit in klinischen Studien der Phase II zur Behandlung von Diabetes mellitus Typ 2 befindet. Als selektiver PPARγ-Modulator aktiviert INT131 PPARγ mit einer maximalen Aktivität von etwa 10 % derjenigen von Rosiglitazon und rekrutiert ausgewählte Koaktivatoren mit einer maximalen Aktivität von etwa 20-25 % derjenigen von Rosiglitazon, Pioglitazon und Troglitazon; INT131 induziert in vitro keine Adipozytendifferenzierung oder Triglyceridakkumulation in Präadipozyten von Mensch und Maus, was darauf hindeutet, dass INT131 eine erwünschte, nicht-adipogene Wirkung hat. Wie INT131 ist auch MBX-102 ein neuartiger selektiver partieller PPARγ-Agonist, der sich von Rosiglitazon unterscheidet, das in Diabetikermodellen mit Nagetieren antidiabetische und insulinsensibilisierende Eigenschaften aufweist; noch wichtiger ist, dass eine Langzeitbehandlung mit MBX-102 zu einer vergleichbaren Wirksamkeit wie Rosiglitazon führte, ohne dass die typischen PPARγ-Nebenwirkungen auftraten; MBX-102 induziert im Vergleich zu Rosiglitazon eine geringere Differenzierung menschlicher Adipozyten; in mesenchymalen Zellen hemmt MBX-102 nicht die Expression von Osteoblastogenese-Markern, und eine hohe Dosis von MBX-102 kann die Wirkung von Rosiglitazon auf die Osteoblastendifferenzierung teilweise aufheben. Interessanterweise wird berichtet, dass SR1664, ein nicht-agonistischer PPARγ-Ligand, dem der klassische PPARγ-Transkriptionsagonismus fehlt, der aber dennoch die PPARγ-Phosphorylierung an Serin 273 durch Cdk5 (Cyclin-abhängige Kinase 5) blockiert, im Gegensatz zu den traditionellen PPARγ-Agonisten eine starke antidiabetische Wirkung aufweist, ohne Flüssigkeitsretention und Gewichtszunahme zu verursachen; Im Gegensatz zu Rosiglitazon stimuliert SR1664 nicht die Differenzierung von Adipozyten oder die Lipidakkumulation und beeinflusst nicht das Ausmaß der Verkalkung oder die Expression von Osteoblastenmarkern in MC3T3-E1-Zellen, was darauf hindeutet, dass es auch die mit Rosiglitazon beobachtete Hemmung der Knochenbildung aufheben könnte. Es ist jedoch unklar, ob die Behandlung mit INT131, MBX-102 oder SR1664 in vivo in Human- oder Tiermodellen einen Knochenverlust verursacht und die Knochenresorption erhöht. Daher sind diese Nicht-TZD-PPARγ-Agonisten vielversprechende neue Diabetesmedikamente mit weniger Nebenwirkungen, aber es sind umfassende präklinische und klinische Studien erforderlich, um ihre Auswirkungen auf die Skeletthomöostase vollständig zu untersuchen.
Im Gegensatz zu PPARγ-Agonisten, die Knochenverlust über eine erhöhte Knochenresorption induzieren, hemmen PPARα-Agonisten wie Fenofibrat und Wyeth 14643 die Osteoklastendifferenzierung direkt über die Blockierung des NFκB-Signalwegs. Fenofibrat wird derzeit zur Behandlung von Hypercholesterinämie und Hypertriglyceridämie eingesetzt. Eine kürzlich durchgeführte Studie an ovarektomierten Ratten deutet darauf hin, dass Fenofibrat für das Skelett von Vorteil sein könnte. In Anbetracht dieser Erkenntnisse stellen duale PPARα/γ-Agonisten eine vielversprechende Kombinationsstrategie für die Behandlung des Typ-2-Diabetes mellitus dar, um eine Reihe von Nebenwirkungen zu vermeiden. Von den verschiedenen dualen PPARα/γ-Agonisten hatten Muraglitazar und Tesaglitazar die klinischen Studien der Phase III abgeschlossen, wurden aber beide 2006 aufgrund von Sicherheitsbedenken ausgesetzt. Es wurde berichtet, dass Aleglitazar ein neuer, ausgewogener dualer PPARα/γ-Agonist ist, der die PPARγ-bedingten Nebenwirkungen bei der Behandlung von Diabetes mellitus Typ 2 minimieren soll. In ähnlicher Weise ist Indeglitazar ein weiteres in der Erprobung befindliches Arzneimittel, das eine strukturelle Grundlage für eine PPAR-Panaktivität und eine partielle agonistische Reaktion auf PPARγ aufweist; Indeglitazar ist weniger wirksam bei der Förderung der Adipozytendifferenzierung und nur teilweise wirksam bei der Stimulierung der Adiponektin-Genexpression im Vergleich zum vollen PPARγ-Agonisten Rosiglitazon; In-vivo-Bewertungen bestätigten die reduzierte Adiponektin-Antwort in Tiermodellen von Fettleibigkeit und Diabetes, zeigten jedoch starke positive Auswirkungen auf Glukose, Triglyceride, Cholesterin, Körpergewicht und andere Stoffwechselparameter. Dennoch sind präklinische Bewertungen der pharmakologischen Wirkungen dieser neuen Verbindungen auf die Knochenmasse, die Knochenresorption und die Knochenbildung erforderlich, um besser vorhersagen zu können, wie sie sich auf die Knochensicherheit in einem klinischen Umfeld auswirken.