TZDs Induce Bone Loss by Activating Bone Resorption and Inhibiting Bone Formation
The synthetic PPARγ agonists, tiazolidinedioni (TZDs), noti anche come glitazoni, sono ampiamente utilizzati per la gestione del diabete mellito di tipo 2 (Tabella 10.1). L’attivazione di PPARγ da parte dei TZD migliora la sensibilità all’insulina nei roditori e negli esseri umani attraverso una combinazione di azioni metaboliche, tra cui il partizionamento delle riserve di lipidi e la regolazione dei mediatori metabolici e infiammatori chiamati adipochine. Le TZD sono state anche implicate nel controllo della proliferazione cellulare, dell’aterosclerosi, della funzione dei macrofagi e dell’immunità. Il primo composto prototipico dei TZD è stato il ciglitazone, che non è mai stato usato come farmaco ma ha suscitato interesse nella funzione dei TZD. Come farmaco antidiabetico e antinfiammatorio, il troglitazone è stato il primo TZD orale approvato per l’uso nel trattamento del diabete mellito non insulino-dipendente (NIDDM). Tuttavia, a causa del potenziale rischio di epatite indotta dal farmaco, il troglitazone è stato ritirato dal mercato statunitense nel marzo 2000. Utilizzando cardiomiociti di ratto isolati, il netoglitazone (MCC-555) è stato identificato per possedere attività agonista PPARγ e visualizzare beneficio preclinico, e quindi è stato selezionato per un ulteriore sviluppo clinico come trattamento del diabete. Poiché molti pazienti trattati con netoglitazone non erano in grado di controllare adeguatamente i livelli di zucchero nel sangue ed erano suscettibili di gravi complicazioni come la retinopatia, la neuropatia e la nefropatia, Mitsubishi Pharma lo ha sospeso negli studi giapponesi di fase II nel 2006. Attualmente, rosiglitazone (Avandia, Avandamet, Avandaryl) e pioglitazone (Actos, Glustin) sono commercializzati, e il balaglitazone (DRF 2593) è in fase III di sperimentazione clinica (Tabella 10.1).
I farmaci sono spesso accompagnati da effetti collaterali, e le TZD non fanno eccezione. Gli effetti collaterali delle TZD includono aumento di peso, ritenzione di liquidi, insufficienza cardiaca congestizia e fratture ossee. Sempre più rapporti indicano che sia il rosiglitazone che il pioglitazone sono associati a un rischio di frattura più elevato: con 4 anni di trattamenti con rosiglitazone, 4360 pazienti diabetici di tipo 2 in ADOPT (A Diabetes Outcome Progression Trial) hanno mostrato un aumento del rischio di frattura nelle donne; analogamente, anche il pioglitazone è stato segnalato per gli stessi effetti collaterali. Una valutazione della sicurezza di 19 studi su 8100 pazienti trattati con pioglitazone rispetto a 7400 pazienti trattati con un farmaco di confronto indica che il 2,6% delle donne che hanno ricevuto il pioglitazone hanno subito una frattura rispetto all’1,7% delle donne che hanno ricevuto il comparatore; non ci sono state differenze nelle fratture tra gli uomini trattati con pioglitazone (1,3%) rispetto agli uomini trattati con il comparatore (1,5%). È interessante notare che un altro studio clinico riporta che nella coorte di 84.339 pazienti (età media 59 anni, 43% donne), i pazienti trattati con TZD erano associati a un rischio aumentato del 28% di fratture periferiche rispetto ai pazienti trattati con una sulfonilurea di controllo; il pioglitazone era associato a più fratture sia negli uomini che nelle donne, mentre il rosiglitazone era associato a più fratture solo nelle donne; Inoltre, il pioglitazone è stato associato a un tasso più elevato di fratture rispetto al rosiglitazone – quindi, si è concluso che sia gli uomini che le donne che assumono TZD potrebbero essere a maggior rischio di fratture, e il pioglitazone può essere più fortemente associato alle fratture rispetto al rosiglitazone. Nei pazienti trattati con pioglitazone, la maggior parte delle fratture erano localizzate all’arto superiore o inferiore distale; e sono state riportate anche riduzioni della densità minerale ossea alla colonna lombare e all’anca. Inoltre, prelevando campioni di siero accoppiati conservati al basale e a 12 mesi da 1605 partecipanti (689 donne, 916 uomini) in ADOPT, un altro studio recente ha dimostrato che CTX-1 (telopeptide C-terminale del collagene di tipo 1), un marcatore del riassorbimento osseo, era aumentato del 6,1% nel gruppo rosiglitazone nelle donne ma non negli uomini; P1NP (procollagene di tipo 1 N-propeptide) e fosfatasi alcalina ossea, due marcatori della formazione ossea, erano diminuiti sia nelle donne che negli uomini. Pertanto, è stato concluso che il riassorbimento osseo eccessivo può essere un meccanismo importante che contribuisce al rischio di frattura più elevato nelle donne che assumono TZDs, oltre alla formazione ossea diminuita.
Studi recenti utilizzando modelli murini hanno fornito intuizioni meccanicistiche per come TZDs aumentare il riassorbimento osseo-rosiglitazone promuove osteoclastogenesi e induce la perdita ossea attraverso una rete di trascrizione composto da PPARγ, c-fos, PGC1β, e ERRα. Durante la differenziazione degli osteoclasti del midollo osseo in vitro, il trattamento con rosiglitazone promuove l’osteoclastogenesi aumentando direttamente l’espressione dell’mRNA del fattore di trascrizione c-fos indotto da RANKL, portando ad un’induzione accelerata dei geni specifici degli osteoclasti, tra cui TRAP (fosfatasi acida tartrato-resistente tipo 5, Acp5), recettore della calcitonina, anidrasi carbonica 2, catepsina K, metallopeptidasi-9, e NFATc1. Questo effetto pro-osteoclastogenico del rosiglitazone è stato completamente abolito nelle cellule del midollo osseo PPARγ-/-, dimostrando che sono PPARγ dipendenti. Inoltre, il rosiglitazone upregola anche l’espressione dell’mRNA di PGC1β e ERRα, che induce i geni coinvolti nella biogenesi mitocondriale e nell’ossidazione degli acidi grassi, portando all’attivazione degli osteoclasti. Per valutare gli effetti in vivo del trattamento a lungo termine con rosiglitazone, i topi sono stati sottoposti a somministrazione giornaliera di rosiglitazone (10 mg/kg/giorno) o di un veicolo di controllo per 6 settimane. I risultati mostrano che il rosiglitazone ha causato un aumento significativo di entrambi i marcatori di riassorbimento osseo e del numero di osteoclasti nei topi wt ma non nei topi ematopoietici PPARγ knockout, indicando che l’attivazione degli osteoclasti mediata dal rosiglitazone è in gran parte autonoma dalle cellule ematopoietiche.
Durante la differenziazione degli osteoclasti del midollo osseo in vitro, il trattamento con rosiglitazone potenzia anche l’induzione di PGC1β da parte di RANKL, implicando un ruolo importante di PGC1β nella stimolazione di rosiglitazone dell’osteoclastogenesi. Infatti, anche se il rosiglitazone stimola altamente la formazione di osteoclasti maturi multinucleati TRAP-positivi nella cultura di differenziazione wt, questo effetto è gravemente attenuato nella cultura PGC1β-/-. Coerentemente, la delezione PGC1β impedisce al rosiglitazone di potenziare l’espressione dei fattori di trascrizione indotti da RANKL (c-fos e NFATc1) e i geni di funzione degli osteoclasti (TRAP, anidrasi carbonica 2, e recettore della calcitonina). Inoltre, il rosiglitazone in combinazione con RANKL promuove l’espressione dell’mRNA di ERRα, inducendo così l’espressione dei geni target di ERRα coinvolti nella biogenesi mitocondriale e nell’ossidazione degli acidi grassi. Questi effetti del rosiglitazone sono PGC1β e ERRα dipendenti, perché sono stati aboliti nelle culture di differenziazione PGC1β-/- o ERRα-/-. Come PPARγ, PGC1β è anche richiesto per il riassorbimento osseo indotto dal rosiglitazone e la perdita ossea nei topi, perché questi effetti sono stati completamente aboliti nei topi ematopoietici PGC1β knockout.
A causa delle limitazioni delle TZD dagli effetti collaterali che includono perdita ossea, aumento di peso, e ritenzione di liquidi, è stata sviluppata una varietà di agonisti PPARγ non-TZD (Tabella 10.1). A differenza dei TZD agonisti PPARγ completi, INT131 è un modulatore PPARγ selettivo non-TZD altamente potente, attualmente in fase II di sperimentazione clinica per il trattamento del diabete mellito di tipo 2. Come modulatore PPARγ selettivo, INT131 attiva PPARγ con un’attività massima di circa il 10% di quella del rosiglitazone e recluta co-attivatori selezionati con un’attività massima di circa il 20-25% di quella del rosiglitazone, pioglitazone e troglitazone; INT131 non induce la differenziazione degli adipociti o l’accumulo di trigliceridi nei preadipociti umani e murini in vitro, suggerendo che INT131 ha un effetto desiderato, non adipogenico. Come INT131, MBX-102 è anche un nuovo agonista PPARγ parziale selettivo distinto dal rosiglitazone, che mostra proprietà antidiabetiche e insulino-sensibilizzanti in modelli diabetici di roditori; più importante, il trattamento a lungo termine di MBX-102 ha portato ad un’efficacia comparabile rispetto al rosiglitazone, senza i tipici effetti collaterali PPARγ; MBX-102 induce meno differenziazione degli adipociti umani rispetto al rosiglitazone; nelle cellule mesenchimali, MBX-102 non inibisce l’espressione del marcatore dell’osteoblastogenesi, e una dose elevata di MBX-102 può in parte antagonizzare l’effetto del rosiglitazone sulla differenziazione degli osteoblasti. È interessante notare che, a differenza del tradizionale agonista PPARγ, SR1664, un ligando PPARγ non-agonista che manca di agonismo trascrizionale classico PPARγ ma blocca ancora la fosforilazione PPARγ alla serina 273 da parte di Cdk5 (chinasi ciclina-dipendente 5), esibisce una potente attività antidiabetica senza causare ritenzione di liquidi e aumento di peso; a differenza del rosiglitazone, SR1664 non stimola la differenziazione degli adipociti o l’accumulo di lipidi, e non influenza il grado di calcificazione o l’espressione dei marcatori degli osteoblasti nelle cellule MC3T3-E1, suggerendo che potrebbe anche eliminare l’inibizione della formazione ossea vista con il rosiglitazone. Tuttavia, non è chiaro se il trattamento con INT131, MBX-102 o SR1664 causi la perdita di osso e aumenti il riassorbimento osseo in vivo, in modelli umani o animali. Pertanto, questi agonisti PPARγ non-TZD sono promettenti nuovi farmaci per il diabete con meno effetti collaterali, ma sono necessari studi preclinici e clinici completi per esaminare pienamente le loro conseguenze sull’omeostasi scheletrica.
Inoltre, a differenza degli agonisti PPARγ che inducono la perdita ossea attraverso l’aumento del riassorbimento osseo, gli agonisti PPARα come fenofibrato e wyeth 14643 inibiscono direttamente la differenziazione degli osteoclasti attraverso il blocco del percorso NFκB . Il fenofibrato è attualmente usato per trattare l’ipercolesterolemia e l’ipertrigliceridemia. Un recente studio in ratti ovariectomizzati indica che il fenofibrato potrebbe essere benefico per lo scheletro. Alla luce di questi risultati, gli agonisti PPARα/γ doppi diventano una strategia di combinazione promettente per il trattamento del diabete mellito di tipo 2 per evitare una serie di effetti collaterali. Tra i vari agonisti PPARα/γ doppi, muraglitazar e tesaglitazar avevano completato studi clinici di fase III, ma erano stati entrambi sospesi nel 2006 a causa di problemi di sicurezza. È stato riferito che aleglitazar è un nuovo, equilibrato, doppio agonista PPARα/γ progettato per ridurre al minimo gli effetti collaterali legati a PPARγ durante il trattamento del diabete mellito di tipo 2. Allo stesso modo, indeglitazar è un altro farmaco in prova che ha una base strutturale per la pan-attività PPAR e una risposta agonistica parziale verso PPARγ; indeglitazar è meno potente nel promuovere la differenziazione degli adipociti e solo parzialmente efficace nello stimolare l’espressione genica dell’adiponectina rispetto al rosiglitazone, agonista PPARγ completo; la valutazione in vivo ha confermato la ridotta risposta dell’adiponectina in modelli animali di obesità e diabete, ma ha rivelato forti effetti benefici su glucosio, trigliceridi, colesterolo, peso corporeo e altri parametri metabolici. Tuttavia, le valutazioni precliniche sugli effetti farmacologici di questi nuovi composti sulla massa ossea, il riassorbimento osseo e la formazione ossea sono ancora necessari per prevedere meglio come influenzano la sicurezza ossea in un contesto clinico.