Osteoprotegerin, receptor activator of nuclear factor kB and receptor activator of nuclear factor κB ligand and bone mineralization in children with inflammatory bowel diseases

W ostatnich latach odnotowuje się zwiększenie zachorowalności na nieswoiste zapalenia jelit (NZJ) w populacji pediatrycznej. Choroby te rozpoznaje się już u dzieci w wieku przedszkolnym, a nawet u niemowląt [1, 2]. Szacuje się, że ok. 2% stanowią dzieci poniżej 10. roku życia, natomiast 30% to dzieci i młodzież w wieku 10–19 lat [3]. Badania epidemiologiczne z ostatnich lat wykazują znaczny wzrost zachorowań na chorobę Leśniowskiego-Crohna (ChLC) przy stosunkowo stałej częstości występowania wrzodziejącego zapalenia jelita grubego (WZJG) [4].

Etiopatogeneza NZJ nadal nie jest w pełni poznana. U osób predysponowanych genetycznie w powstawaniu zmian zapalnych w jelitach bierze się pod uwagę udział m.in. procesów immunologicznych, środowiskowych i bakteryjnych [5, 6].

Na podstawie badań genetycznych stwierdzono, że do wystąpienia WZJG szczególnie predysponowane są osoby z obecnością mutacji w genach chromosomów 2 i 6, natomiast do ChLC – w obrębie chromosomu 16. Liczne badania dowodzą, że w przebiegu NZJ dochodzi do zaburzeń regulacji procesów immunologicznych, z przewagą aktywacji limfocytów T o fenotypie CD4+. W zależności od czynnika wywołującego następuje polaryzacja odpowiedzi w kierunku Th1 bądź Th2. W ChLC przeważają cytokiny związane z Th1 – interferon γ (IFN-g) i interleukina 12 (IL-12). W WZJG natomiast profil cytokin nie jest tak wyraźny, wydaje się jednak, że przeważa reakcja Th2-zależna z udziałem IL-10 oraz IL-5. Obok wyżej wymienionych cytokin duże znaczenie mają mediatory reakcji zapalnej, takie jak: IL-1b, czynnik martwicy nowotworu a (tumour necrosis factor a – TNF-α) oraz IL-6 [7].

Zmiany zachodzące w bakteryjnej florze jelitowej mają duże znaczenie w inicjacji oraz podtrzymywaniu stanu zapalnego w błonie śluzowej jelita. Szczególną rolę przypisuje się bakteriom redukującym siarkę (sulphur reducing bacteria – SRB) [8]. Nie bez znaczenia jest wpływ diety, zwłaszcza obecność dodatków funkcjonalnych do żywności i nadmierne spożycie kwasów tłuszczowych omega-6. Pierwotne uszkodzenie błony śluzowej jelita prowadzi w efekcie do zmiany jej funkcji i rozwoju procesu zapalnego.

Z uwagi na złożoną i nieznaną etiopatogenezę leczenie NZJ ma nadal głównie charakter objawowy i zależy od stopnia nasilenia zmian. W terapii stosuje się przede wszystkim leczenie przeciwzapalne oparte na stosowaniu pochodnych kwasu 5-aminosalicylowego (5-ASA), glikokortykosteroidów (GKS), a także innych leków immunomodulujących, najczęściej azatiopryny i cyklosporyny.

Najnowsze metody terapeutyczne wykorzystują osiągnięcia biologii molekularnej, co daje szansę leczenia przyczynowego. Obecnie mają zastosowanie monoklonalne przeciwciała klasy G1 wiążące TNF-α: chimeryczne mysio-ludzkie – infliksymab, oraz całkowicie humanizowane – adalimumab. Rzadziej w leczeniu stosuje się etanercept oraz certolizumab [9].

Przebieg NZJ wiąże się z licznymi powikłaniami. Wśród nich występują m.in. zmiany w obrębie układu pokarmowego (ropnie, przetoki, szczeliny, niedrożności jelit, choroby wątroby i dróg żółciowych), a także: choroby nerek (szczególnie przewlekła choroba nerek), zaburzenia rozwoju fizycznego (niedobór masy ciała i wzrostu), zaburzenia hematologiczne (niedokrwistość), zmiany skórne i stawowe (zapalenia stawów) oraz zmiany onkologiczne (rak jelita grubego) [10].

Jednym z częstszych objawów towarzyszących NZJ zarówno u dorosłych, jak i dzieci są zaburzenia mineralizacji kości o złożonym i nadal nie do końca wyjaśnionym mechanizmie powstawania [11]. U podłoża tego zjawiska leży z pewnością wiele przyczyn wynikających z samej choroby (złe odżywienie, zaburzenia wchłaniania jelitowego i związane z tym niedobory wapnia i witaminy D3, przewlekły stan zapalny, ograniczona aktywność fizyczna, nierzadko opóźnione dojrzewanie płciowe) oraz ze stosowanego leczenia [12]. Osteopenia oraz osteoporoza zajmują znaczące miejsce wśród wielu działań niepożądanych długotrwałej steroidoterapii [13]. Należy zaznaczyć, że nie potwierdzono jednoznacznie związku pomiędzy występowaniem zaburzeń mineralizacji kości a dawką kumulacyjną i okresem podawania steroidów czy charakterem i czasem trwania choroby zasadniczej.

Poznanie mechanizmów przyspieszonego niszczenia tkanki kostnej, które towarzyszy niektórym przewlekłym chorobom zapalnym o podłożu autoimmunologicznym, takim jak NZJ, chorobom nowotworowym i wielu innym patologiom, przyczyniło się do narodzin nowej gałęzi medycyny, jaką jest osteoimmunologia. Po raz pierwszy termin ten został użyty w 2000 r. przez Arrona i wsp., którzy podkreślili istnienie związku między układem odpornościowym i kostnym [14]. Od tego czasu obserwuje się bardzo dynamiczny rozwój tej dziedziny nauki, dzięki czemu coraz więcej wiadomo na temat biologii tkanki kostnej.

Tkanka kostna jest zróżnicowaną tkanką łączną charakteryzującą się dużą wytrzymałością i wysoką aktywnością metaboliczną. Dzięki tym właściwościom pełni ona funkcję mechaniczną – stanowi „rusztowanie” ciała, funkcję ochronną dla narządów wewnętrznych, a także krwiotwórczą. Jest ponadto rezerwuarem związków mineralnych, przede wszystkim wapnia i fosforanów. Wyróżnia się dwa typy tkanki kostnej – korową (zbitą) oraz beleczkowatą (gąbczastą). Kość korowa charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną, kość beleczkowatą natomiast cechuje blisko 8-krotnie większa od kości korowej aktywność metaboliczna. W związku z tym w jej obrębie najwcześniej będą widoczne zarówno zmiany patologiczne dotyczące metabolizmu kostnego, jak i efekty prowadzonego leczenia.

Przebudowa kości odbywa się przez całe życie osobnicze i opiera się na dwóch przeciwstawnych procesach – tworzeniu i resorpcji kości. Pierwszy z nich zależy od aktywności osteoblastów – komórek wywodzących się z mezenchymalnych komórek szpiku kostnego. Za niszczenie kości odpowiedzialne są natomiast osteoklasty – wielojądrowe komórki wywodzące się z macierzystej komórki hematopoetycznej. W okresie wzrostu organizmu lub podczas procesów adaptacyjnych (np. po urazach) przeważa synteza tkanki kostnej, dzięki czemu możliwy jest właściwy wzrost i kształtowanie kości. Proces ten nazywa się modelacją (modeling), natomiast trwająca całe życie przebudowa wewnętrzna kości – remodelacja (remodelling) ma charakter ciągły, odbywa się w ściśle określonych miejscach kości i zapewnia utrzymanie masy kostnej szkieletu i homeostazy wapniowo-fosforanowej [15].

Dzięki sprzężeniu procesów resorpcji i tworzenia dochodzi do usuwania starej i tworzenia w jej miejsce nowej kości. W okresie rozwojowym umożliwia to osiągnięcie szczytowej masy kostnej (peak bone mass – PBM), a także zapewnia odbudowę i utrzymanie funkcji tkanki kostnej na właściwym poziomie. Zaburzenie równowagi między tymi dwoma procesami może doprowadzić do nadmiaru masy kostnej – osteopetrozy, lub jej ubytku – osteopenii czy osteoporozy.

Już w 1981 r. Rodan i Martin wysunęli hipotezę, że w procesie osteoklastogenezy istotną rolę odgrywają osteoblasty. Potwierdzono następnie, że do zainicjowania różnicowania komórek hematopoetycznych w kierunku osteoklastów niezbędny jest ich bezpośredni kontakt z innymi komórkami tkanki kostnej – komórkami zrębu lub osteoblastami [16].

Wyniki badań przeprowadzonych w następnych latach wykazały, że w procesie właściwego dojrzewania i funkcjonowania osteoklastów ogromną rolę odgrywa szlak, którego głównymi elementami są: osteoprotegeryna (osteoprotegerin – OPG), receptor aktywujący jądrowy czynnik kB (receptor activator of nuclear factor kB – RANK) oraz ligand dla RANK (receptor activator of nuclear factor kB ligand – RANKL) [17, 18].

Jest to jedno z najistotniejszych odkryć końca ubiegłego wieku, które nie tylko doprowadziło do poznania istotnych mechanizmów metabolizmu tkanki kostnej, lecz także otworzyło nowe możliwości przyczynowego leczenia wielu dotąd niewyleczalnych chorób układu kostnego (leczenie biologiczne). Szczegółowe poznanie zaburzeń funkcjonowania nowo odkrytych związków i ich wzajemnej zależności ma ogromne znaczenie dla wyjaśnienia etiopatogenezy wielu chorób tkanki kostnej [19].

Osteoprotegeryna została odkryta w 1997 r. przez trzy niezależne grupy badawcze. Simonet i wsp. zidentyfikowali białko o nieznanej wówczas funkcji, wykazujące wysoką homologię z rodziną receptorów dla czynnika martwicy nowotworów (tumour necrosis factor receptor – TNFR). Wkrótce okazało się, że jest ono identyczne z białkiem hamującym aktywność osteoklastów [20].

Niezależnie od grupy Simoneta, Tsuda i Wong wykazali, że biologiczna funkcja OPG może się wiązać ze zwiększeniem tworzenia kości lub z hamowaniem jej resorpcji. Ochronna rola wobec kości była podstawą do nadania temu białku nazwy osteoprotegeryna [21, 22]. Badacze ci potwierdzili, że należy ono do nadrodziny TNFR i jest jedynym znanym dotychczas pierwotnie rozpuszczalnym receptorem dla TNF.

Osteoprotegeryna zbudowana jest z 401 aminokwasów o łącznej masie cząsteczkowej 55 kDa, a geny ją kodujące znajdują się w regionie 8q24 chromosomu ludzkiego. Syntezę OPG reguluje wiele czynników. Jej stężenie zwiększa się pod wpływem m.in.: witaminy D3, estradiolu, transformującego czynnika wzrostu β (transforming growth factor  – TGF-b), TNF-α oraz IL-1. Przeciwny efekt wywołują natomiast parathormon (PTH), GKS, prostaglandyna E (PGE 2) i inne.

Prowadzone ponad 20 lat temu badania nad dojrzewaniem, różnicowaniem i aktywacją osteoklastów wskazywały na istnienie czynnika związanego z powierzchnią komórek podścieliska lub osteoblastów, niezbędnego do prawidłowego przebiegu osteoklastogenezy. W ostatnich lat zidentyfikowano ten czynnik i nazwano ligandem dla OPG (osteoprotegerin ligand – OPGL) [21, 23]. Okazał się on identyczny z naturalnym ligandem dla receptora aktywującego czynnik jądrowy kB. W celu ujednolicenia nomenklatury powszechnie używana jest nazwa RANKL.

Ligand dla RANK , będący glikoproteiną, należy do rodziny białek TNF. Gen dla RANKL zlokalizowano w genomie ludzkim na chromosomie 13q14. Białko zbudowane jest z 317 aminokwasów i ma masę cząsteczkową 45 kDa. Ekspresję RANKL stwierdzono na osteoblastach, w obwodowych węzłach chłonnych, wątrobie płodu, komórkach mięsaka kościopochodnego oraz w innych narządach i tkankach. Ekspresja genów jest regulowana m.in. przez 1,25-dihydroksywitaminę D3, czynniki wzrostu i peptydy, np.: TGF-b1, czynnik wzrostu fibroblastów 2 (fibroblast growth factor 2 – FGF2), PTH, IL-1b i IL-11 [25]. RANKL wraz z M-CSF (macrophage colony-stimulating factor) inicjują powstawanie osteoklastów z komórek śledziony, nawet bez współudziału osteoblastów. Proces ten jest całkowicie hamowany przez OPG [19]. Kong i wsp. potwierdzili, że RANKL jest czynnikiem niezbędnym w procesie dojrzewania osteoklastów i jednocześnie wykazali jego udział w dojrzewaniu tymocytów [26]. Ujawniono w ten sposób nową aktywność RANKL w różnicowaniu limfocytów T.

W 1998 r. zidentyfikowano kolejne białko należące do rodziny receptorów dla TNF – RANK, będący funkcjonalnym receptorem dla RANKL [24].

RANK jest również glikoproteiną, zbudowaną z 616 aminokwasów o masie cząsteczkowej 90 kDa. Geny dla białka ludzkiego zlokalizowano na chromosomie 18q22.1. Receptor ten wykazuje swoistość do łączenia się z RANKL [18, 27].

Ekspresję RANK stwierdzono na powierzchni wielu komórek: linii makrocytarno-makrofagowej, preosteoklastach i osteoblastach, limfocytach B i T, komórkach dendrytycznych, fibroblastach, tymocytach, chondrocytach, komórkach śródbłonka naczyniowego, wątroby, śledziony, a także w innych tkankach. Liczne badania, prowadzone głównie na myszach pozbawionych genów dla RANK i/lub RANKL, potwierdziły kluczową rolę, jaką układ RANKL/RANK odgrywa w różnicowaniu i dojrzewaniu osteoklastów. Wykazano ponadto, że glikoproteiny te mają wpływ na apoptozę już dojrzałych osteoklastów [28].

Spostrzeżenia wielu autorów wskazują, że białka te pełnią istotną funkcję nie tylko w chorobach metabolicznych kości, lecz także w innych procesach patologicznych. Najwięcej badań nad triadą omawianych glikoprotein dotyczy osób dorosłych. Udowodniono ich udział w chorobach zapalnych, o podłożu immunologicznym, w nowotworach i schorzeniach układu sercowo-naczyniowego [29–31]. W piśmiennictwie niewiele jest danych określających wartości referencyjne stężeń omawianych glikoprotein w surowicy osób dorosłych. Nie ma ich również dla grupy w wieku rozwojowym.

Chociaż w ostatnich latach prowadzone są badania nad OPG i RANKL w populacji dziecięcej, nadal jednak dostępne są pojedyncze doniesienia na ten temat, a otrzymywane wyniki są dyskusyjne. W kręgu zainteresowań badaczy znalazły się takie schorzenia, jak: młodzieńcze idiopatyczne zapalenie stawów, cukrzyca typu 1, przewlekła choroba nerek, nerczak zarodkowy, histiocytoza, choroba Kawasaki, a ostatnio NZJ [32–34].

Szczególnie interesujące wydaje się powiązanie układu OPG/RANK/RANKL z zaburzeniami mineralizacji kości u dzieci z NZJ. Udowodniona rola tych białek w funkcjonowaniu układu immunologicznego była podstawą hipotezy (dotąd jeszcze nieudowodnionej) o ich udziale w patogenezie NZJ [35]. Korzystając z metody reakcji łańcuchowej polimerazy poprzedzonej reakcją odwrotnej transkrypcji (reverse transcription ploymerase chain reaction – RT-PCR), wykazano, że w bioptatach błony śluzowej okrężnicy obecne były produkty transkrypcji RANK, RANKL i OPG, a stężenie OPG korelowało ze stężeniami cytokin pro- i przeciwzapalnych. Na komórkach błony śluzowej jelita i – w mniejszym stopniu – komórkach warstwy podśluzowej stwierdzono ekspresję OPG, RANKL i RANK [35].

Dotychczasowa terapia chorób tkanki kostnej (głównie osteoporozy) opierała się na dwóch grupach leków – o działaniu antykatabolicznym oraz anabolicznym. Skuteczność takiego leczenia jest jednak niezadowalająca i różne są efekty u poszczególnych pacjentów. Efektem badań i doświadczeń nad skuteczniejszą terapią okazały się: rekombinowane OPG i RANK w połączeniu z fragmentami Fc immunoglobuliny IgG (Fc-OPG) oraz przeciwciało anty-RANKL, czyli denosumab [36, 37]. Denosumab jest całkowicie ludzkim monoklonalnym przeciwciałem, należącym do immunoglobulin klasy IgG2. Charakteryzuje się wysokim powinowactwem i specyficznością wobec RANKL. Denosumab działa podobnie jak natywna osteoprotegeryna. Poprzez związanie RANKL uniemożliwia interakcję liganda z receptorem komórkowym (RANK). Tym samym zmniejsza się różnicowanie, aktywacja i przeżycie osteoklastów, a więc i resorpcja kości [37]. Dane kliniczne o skuteczności i bezpieczeństwie stosowania denosumabu w leczeniu osteoporozy są niezwykle obiecujące [36–38].

Być może kolejne lata badań nad OPG, RANK i RANKL w patologii układu kostnego u dzieci z NZJ przyczynią się do opracowania nowych możliwości diagnostycznych i zweryfikują stosowane obecnie, jeszcze nie w pełni doskonałe, metody terapeutyczne dotyczące NZJ u dzieci.

Piśmiennictwo

 1. Mamula P, Telega GW, Markowitz JE, et al. Inflammatory bowel disease in children 5 years of age and younger. Am J Gastroenterol 2002; 97: 2005-10.

 2. Ruemmele FM, El Khoury MG, Talbotec C, et al. Characteristics of inflammatorybowel disease with onset during the first year of life. J Pediatr Gastroenterol Nutr 2006; 43: 603-9.

 3. Büller HA. Problems in diagnosis of IBD in children. Neth J Med 1997; 50: S8-11.

 4. Cosgrove M, Al-Atia RF, Jenkins HR. The epidemiology of paediatric inflammatory bowel disease. Arch Dis Child 1996; 74 (3 Suppl): 460-1.

 5. Bartnik W. Inflammatory bowel disease. J Physiol Pharmacol 2003; 54: 205-10.

 6. Blumberg RS. Prospects for research in inflammatory bowel disease. JAMA 2001; 285: 643-7.

 7. Kmieć Z, Kartanowicz D, Wierzbicki P. Rola odpowiedzi immunologicznej w patogenezie chorób przewodu pokarmowego. Pediatr Współ Gastroenterol Hepatol Żyw Dziecka 2004; 6: 417-22.  

8. Kamińska B, Landowski P, Korzon M i wsp. Zależność pomiędzy składem beztlenowej flory bakteryjnej jelita grubego a stopniem aktywności nieswoistych zapaleń jelit u dzieci. Pediatr Współ Gastroenterol Hepatol Żyw Dziecka 2003; 5: 113-6.

 9. Sandborn WJ, Hanauer SB, Katz S, et al. Etanercept for active Crohn's disease: a randomized, double-blind, placebo-controlled trial. Gastroenterology 2001; 121: 1088-94.

10. Loftus Jr EV. Epidemiology and risk factors for colorectal dysplasia and cancer in ulcerative colitis. Gastroenterol Clin North Am 2006; 35: 517-31.

11. Pigot F, Roux C, Chaussade S, et al. Low bone mineral density in patients with inflammatory bowel disease. Dig Dis Sci 1992; 37: 1396-403.

12. Issenman RM. Bone mineral metabolism in pediatric inflammatory bowel disease. Inflamm Bowel Dis 1999; 5: 192-9.

13. Schäcke H, Döcke WD, Asadullah K. Mechanisms involved in the side effects of glucocorticoids. Pharmacol Ther 2002; 96: 23-43.

14. Arron JR, Choi Y. Bone versus immune system. Nature 2000; 408: 535-6.

15. Frost HM. Skeletal structural adaptions to mechanical usage (SATMU): 2. Redefining Wolff's law: the remodeling problem. Anatom Rec 1990; 226: 414-22.

16. Takahashi N, Akatsu T, Udagawa N, et al. Osteoblastic cells are involved in osteoclast formation. Endocrinology 1988; 123: 2600-2.

17. Khosla S. Mini-review: the OPG/RANKL/RANK system. Endocrinology 2001; 142: 5050-5.

18. Kearns AE, Khosla S, Kostenuik PJ. Receptor activator of nuclear factor kappa B ligand and osteoprotegerin regulation of bone remodeling in health and disease. Endocr Rev 2008; 29: 155-92.

19. 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 U S A 1998; 95: 3597-602.

20. Kwon BS, Wang S, Udagawa N, et al. TR1, a new member of the tumor necrosis factor receptor superfamily, induces fibroblast proliferation and inhibits osteoclastogenesis and bone resorption. FASEB J 1998; 12: 845-54.

21. Tsuda E, Goto M, Mochizuki S, et al. Isolation of a novel cytokine from human fibroblasts that specifically inhibits osteoclastogenesis. Biochem Biophys Res Commun 1997; 234: 137-42.

22. Wong BR, Rho J, Arron J, et al. TRANCE is a novel ligand of the tumor necrosis factor receptor family that activates c-Jun N-terminal kinase in T cells. J Biol Chem 1997; 272: 25190.

23. Yasuda H. Osteoclastogenesis inhibitory factor (OCIF). Seikagaku 1998; 70: 386-90.

24. Anderson DM, Maraskovsky E, Billingsley WL, et al. A homologue of the TNF receptor and its ligand enhance T-cell growth and dendritic-cell function. Nature 1997; 390: 175-9.

25. Jones DH, Kong Y, Penninger JM. Role of RANKL and RANK in bone loss and arthritis. Ann Rheum Dis 2002; 61 (Suppl. 2): ii32-9.

26. Kong Y, Yoshida H, Sarosi I, et al. OPGL is a key regulator of osteoclastogenesis, lymphocyte development and lymph-node organogenesis. Nature 1999; 397: 315-23.

27. Schneeweis LA, Willard D, Milla ME. Functional dissection of osteoprotegerin and its interaction with receptor activator of NF-kappa B ligand. J Biol Chem 2005; 280: 41155-64.

28. Lacey DL, Tan HL, Lu J, et al. Osteoprotegerin ligand modulates murine osteoclast survival in vitro and in vivo. Am J Pathol 2000; 157: 435-48.

29. Skoumal M, Kolarz G, Haberhauer G, et al. Osteoprotegerin and the receptor activator of NF-kappa B ligand in the serum and synovial fluid. A comparison of patients with longstanding rheumatoid arthritis and osteoarthritis. Rheumatol Int 2005; 26: 63-9.

30. Moschen AR, Kaser A, Enrich B, et al. The RANKL/OPG system is activated in inflammatory bowel diseases and relates to the state or bone loss. Gut 2005; 54: 479-87.

31. Mori K, Le Goff B, Berreur M, et al. Human osteosarcoma cells express functional receptor activator of nuclear factor-kappa B. J Pathol 2007; 211: 555-62.

32. Rouster-Stevens KA, Klein-Gitelman MS. Bone health in pediatric rheumatic disease. Curr Opin Pediatr 2005; 17: 703-8.

33. Galluzzi F, Stagi S, Salti R, et al. Osteoprotegerin serum levels in children with type 1 diabetes: a potential modulating role in bone status. Eur J Endocrinol 2005; 153: 879-85.

34. Franchimont N, Reenaers C, Lambert C, et al. Increased expression of receptor activator of NF-kappa B ligand (RANKL), its receptor RANK and its decoy receptor osteoprotegerin in the colon of Crohn's disease patients. Clin Exp Immunol 2004; 138: 491-8.

35. Bucay N, Sarosi I, Dunstan CR, et al. Osteoprotegerin-deficient mice develop early onset osteoporosis and arterial calcification. Genes Dev 1998; 12: 1260-8.

36. Bekker PJ, Holloway DL, Rasmussen AS, et al. A single-dose placebo-controlled study of AMG 162, a fully human monoclonal antibody to RANKL, in postmenopausal women. J Bone Miner Res 2004; 19: 1059-66.

37. Lewiecki EM. RANK ligand inhibition with denosumab for the management of osteoporosis. Expert Opin Biol Ther 2006; 6: 1041-50.

38. Schwarz EM, Ritchlin CT. Clinical development of anti RANKL therapy. Arthritis Res Ther 2007; 9 (Suppl. 1). art. No S7.