Bedeutung des RANK/RANKL/OPG

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© Schattauer 2010
Original- und Übersichtsarbeiten
Bedeutung des RANK/RANKL/OPGSignalwegs für den Knochenstoffwechsel
L. C. Hofbauer
Bereich Endokrinologie/Diabetes/metabolische Knochenerkrankungen, Medizinische Klinik III, Universitätsklinikum
der Technischen Universität Dresden
Schlüsselwörter
Knochenresorption,
RANK
Keywords
Osteoklast,
RANKL,
Bone resorption, osteoclasts, RANKL, RANK
Zusammenfassung
Summary
Die meisten Knochenstoffwechselkrankheiten sind nach heutigem Kenntnisstand Folge
einer gesteigerten Knochenresorption durch
Osteoklasten. In den letzten 15 Jahren wurden die entscheidenden molekularen und zellulären Regulatoren der Zellbiologie von
Osteoklasten entschlüsselt. Receptor activator of NF-κB-Ligand (RANKL) und sein Rezeptor RANK sind essenziell für die Differenzierung und Aktivierung von Osteoklasten
und für eine normale Knochenresorption absolut erforderlich. Die Wirkungen von RANKL
werden durch den endogenen löslichen Rezeptorantagonisten Osteoprotegerin (OPG)
neutralisiert. Die Balance zwischen RANKL
und OPG ist im Östrogenmangel oder bei systemischer Glukokortikoidtherapie gestört und
dadurch wird der RANKL/OPG-Quotient erhöht, was zum beschleunigten Knochenverlust führt. Angesichts der fundamentalen Rolle des RANKL/RANK/OPG-Signalwegs im Knochenstoffwechsel ist mittlerweile RANKL zum
therapeutischen Target geworden. Strategien
der RANKL-Blockade wurden in verschiedenen Tiermodellen klinisch relevanter Knochenerkrankungen erfolgreich eingesetzt. Dazu zählen verschiedene Osteoporoseformen
sowie Knochenverlust infolge systemischer
Entzündung und Tumoren.
The majority of metabolic bone diseases is
due to an enhanced bone resorption by osteoclasts. Over the last 15 years, the critical molecular and cellular pathways of osteoclast biology have been unravelled. Receptor activator of NF-κB ligand (RANKL) and its receptor RANK have been identified as the key
mechanisms required for osteoclast differentiation and activation and to be undispensible for bone resorption. The effects of RANKL
are counteracted by the endogenous decoy
receptor osteoprotegerin (OPG). The critical
balance between RANKL and OPG is disturbed in situations of estrogen deficiency or
systemic glucocorticoid therapy, where the
RANKL/OPG ratio is enhanced and associated
with exaggerated bone loss. In light of the
fundamental role of the RANKL/RANK/OPG
pathway in bone remodelling, RANKL has become a therapeutic target. Strategies of
RANKL blockade have been sucessfully employed in several animal models of bone loss
conditions, including osteoporosis, bone loss
associated with systemic inflammation, and
cancer-related bone loss.
Korrespondenzadresse
Prof. Dr. med. Lorenz C. Hofbauer
Bereich Endokrinologie/Diabetes/metabolische
Knochenerkrankungen
Medizinische Klinik III, Universitätsklinikum der
Technischen Universität Dresden
Fetscherstraße 74, 01307 Dresden
Tel.: 03 51/458-31 73, Fax: 03 51/458-43 09
Role of the RANK/RANKL/OPG signaling pathway
in the regulation of bone metabolism
Osteologie 2010; 19: 354–357
eingereicht: 14. Dezember 2009
angenommen: 12. Januar 2010
Das Skelett ist ein metabolisch hoch aktives
Organ, das während der gesamten Lebensdauer einem kontinuierlichen Umbauprozess unterliegt. In einem dynamischen
Gleichgewicht sind die osteoklastäre Resorption und die osteoblastäre Produktion
der Knochensubstanz aneinander gekoppelt. Der Knochenumbau erfolgt in einer
komplexen, streng regulierten Abfolge von
Resorptions- und Formationsschritten,
wobei die zellulären Akteure durch verschiedene hormonelle und zentrale Regulationssysteme koordiniert werden.
Das RANKL/RANK/OPGSystem – RANKL als
Stammzellfaktor für
Osteoklasten
Das RANKL/RANK/OPG-Zytokinsystem
besteht aus dem Mitglied der Tumor necrosis factor (TNF)-Ligandenfamilie Receptor
activator of nuclear factor-κB ligand
(RANKL) (1), seinem Rezeptor Receptor
activator of nuclear factor-κB (RANK) und
seinem löslichen Rezeptorantagonisten
Osteoprotegerin (OPG) (2). Der RANKL/
RANK/OPG-Signalweg gilt als zentrales
System der Knochenresorption.
RANKL fördert die Knochenresorption
durch Steigerung der Anzahl und Aktivität
funktionsfähiger Osteoklasten über die Aktivierung seines osteoklastären Rezeptors
RANK (3) und Induktion der Osteoklastogenese durch Interaktion mit RANK auf
monozytären Osteoklastenvorläuferzellen.
Dieser Prozess kann durch den löslichen
Antagonisten OPG gehemmt werden, wodurch die Knochenresorption feinreguliert
wird. Somit stellen RANKL und OPG essenzielle Faktoren der Regulation von Differenzierung, Fusion, Aktivierung und
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Apoptose von Osteoklasten dar, den Effektorzellen des Knochenumbaus (4).
RANKL wird vor allem im Knochen und
Knochenmark von verschiedenen skelettalen Zellen wie mesenchymalen Stammzellen, Stromazellen, Osteoblasten, Periostzellen und Chondrozyten exprimiert. Eine
sehr hohe RANKL-Expression findet sich
auch im lymphatischen Gewebe und bei
verschiedenen Malignomen. Andere nichtskelettale Zellen mit nachgewiesener
RANKL-Expression sind Endothelzellen,
T-Lymphozyten, Zellen des Zahnhalteapparates, synoviale Fibroblasten, monozytäre Zellen und verschiedene Tumorzellen. Die Konzentration an zirkulierendem
RANKL wird jedoch hauptsächlich durch
die aus dem Knochen freigesetzte Fraktion
bestimmt (5).
Der zellständige Rezeptor RANK wird
am stärksten im Knochengewebe und im
lymphatischen System exprimiert und findet sich in funktionell aktiver Form vor allem auf Osteoklasten, dendritischen Zellen
und B- und T-Lymphozyten sowie auf Endothelzellen, Muskelzellen und malignen
Zellen. Ebenso wie der M-CSF-Rezeptor
c-fms und der Kalzitoninrezeptor ist
RANK mittlerweile gut als Oberflächenmarker zur Phänotypisierung von Osteoklasten etabliert.
Die intrazelluläre Signaltransduktion
nach der Bindung von RANKL an seinen
Rezeptor RANK ist komplex. Die durch die
RANKL-Bindung initiierte Rezeptortrimerisierung führt zur Rekrutierung von
Adaptermolekülen wie c-src und TNF-receptor-associated factor 6 (TRAF6). Die
Signaltransduktion besitzt vier definierte
Signalwege. Die Aktivierung von NFAT2
über Calcineurin, die JNK/c-fos/c-junKaskade und die Aktivierung von NF-κB
erwiesen sich als essenziell für die Osteoklastendifferenzierung und -aktivierung.
Über eine gemeinsame Rekrutierung von
TRAF6 und c-src wird die PI3K/Akt/PKBSignaltransduktionskaskade aktiviert, die
vor allem antiapoptotische und zytoskelettale Effekte auf Osteoklasten vermittelt (6).
OPG antagonisiert die RANKL-RANKvermittelten Wirkungen durch kompetitive Bindung sämtlicher RANKL-Formen als
dessen löslicher Rezeptorantagonist. Die
hochaffine Bindung eines OPG-Homodimers an einen RANKL-Homotrimer
führt zur Bildung eines stabilen DimerTrimer-Komplexes. Das OPG-Dimer bindet dabei an zwei RANKL-Moleküle. Neben RANKL bindet und neutralisiert OPG
einen weiteren TNF-Liganden, TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL),
wobei jedoch die Affinität im Vergleich zu
RANKL deutlich geringer ist. Die OPGmRNA-Expression und -Proteinsekretion
konnte für viele verschiedene normale und
maligne Zelltypen nachgewiesen werden,
wobei einige dieser Zellen zusätzlich auch
RANKL exprimieren.
Innerhalb des Knochensystems wird
OPG vor allem von osteoblastären Zellreihen, Stromazellen und Chondrozyten produziert. Im Immunsystem findet sich eine
starke OPG-Expression im lymphatischen
Gewebe, u. a. in Lymphknoten und in der
Milz, mit einer OPG-Produktion durch
dendritische Zellen und B-Lymphozyten.
Eine ausgeprägte OPG-Expression wurde
auch im Gewebe des Zahnhalteapparates,
der Wand großer Arterien und im Schilddrüsengewebe gefunden. Da die extraskelettale OPG-Expression sehr vielfältig
ist, eignet sich die OPG-Serumkonzentration nur bedingt für die Einschätzung des
Status der Knochenresorption (7).
Störungen des RANKL/
RANK/OPG-Systems
bei Knochenerkrankungen
des Menschen
Die Dysregulation des RANKL/RANK/
OPG-Systems spielt eine Rolle in der Pathophysiologie von Knochenumbauvorgängen im Rahmen verschiedener Erkrankungen, wie z. B. bei der postmenopausalen
und glukokortikoidinduzierten Osteoporose, der rheumatoiden Arthritis und auch
bei malignen Erkrankungen, wie dem multiplen Myelom (8). Sowohl hormonelle
Veränderungen wie z. B. der Abfall körpereigener Sexualhormone oder ein Glukokortikoidüberschuss, aber auch Milieuveränderungen chronischer Entzündungen
wie bei der rheumatoiden Arthritis oder
maligner Erkrankungen wie beim multiplen Myelom ziehen eine Veränderung des
RANKL/OPG-Gleichgewichts und Umbauvorgänge im Knochen nach sich.
Während die kontrollierte Knochenresorption für physiologische Prozesse wie
Knochenwachstum, Zahneruption und für
die Knochenheilung nach Frakturen notwendig ist, führt eine inadäquat hohe Knochenresorption durch eine übermäßige
Osteoklastenaktivität zu einem Verlust von
Knochenmasse. Dies ist bei verschiedenen
Osteoporoseformen, beim Morbus Paget,
bei der rheumatoiden Arthritis und der
Peridontitis der Fall. Ein Mangel an funktionsfähigen Osteoklasten führt dagegen zu
einer erhöhten Knochenmasse im Sinne einer Osteopetrose (6).
Bei der postmenopausalen Osteoporose
geht der Östrogenmangel mit einer Verminderung der Knochendichte einher. In
vitro- und Tier-Modelle der postmenopausalen Osteoporose belegen sehr deutlich,
dass Östrogene regulativ in die Expression
sämtlicher Komponenten des RANKL/
RANK/OPG-Systems eingreifen und die
OPG-Expression stimulieren (9). Die Bedeutung einer Verschiebung des RANKL/
OPG-Quotienten als Ursache und Mechanismus der postmenopausalen Osteoporose ist mittlerweile gut belegt. So weisen
postmenopausale Frauen im Vergleich zu
prämenopausalen und unter Östrogentherapie stehenden Frauen eine deutlich gesteigerte RANKL-Expression durch Knochenmark-Stromazellen und Lymphozyten auf. Die RANKL-Expression korreliert
dabei positiv mit der Serumkonzentration
von Knochenresorptionsmarkern und negativ mit der Östradiol-Serum-Konzentration (10). Auch wenn die klinische Signifikanz der Serumkonzentrationen von OPG
und RANKL kontrovers diskutiert wird,
lässt sich doch einheitlich beobachten, dass
die OPG-Serumkonzentration mit dem
Alter ansteigt und postmenopausal bei
Osteoporosepatientinnen höher ist als bei
postmenopausalen Frauen mit normaler
Knochendichte. Die OPG-Serumkonzentration korreliert dabei negativ mit der
Knochendichte. Es wird angenommen,
dass die erhöhte OPG-Serumkonzentration möglicherweise einen Gegenregulationsprozess gegen den gesteigerten Knochenmetabolismus darstellt (11).
Präklinische und klinische Studien zur
Osteoporose bei Männern lassen ebenfalls
eine hormonell gesteuerte Steigerung des
skelettalen RANKL/OPG-Quotienten in
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der Entstehung der Osteoporose vermuten.
Epidemiologisch ist eine Korrelation der
altersbedingten Abnahme der Serum-Testosteron-Konzentration mit gesteigerter
Inzidenz von Osteoporose und Knochenfrakturen belegt. Mit zunehmendem Alter
wird eine Abnahme der OPG-Produktion
im Knochen beobachtet (12). Der Androgenmangel kastrierter Mäuse geht mit einer Zunahme der Konzentration des von
Knochenmarkzellen exprimierten löslichen RANKL einher (13).
Neben der sexualhormonabhängigen
Osteoporose spielt vor allem die durch
Glukokortikoide induzierte Osteoporose
eine wichtige Rolle im klinischen Alltag.
Vor allem bei Glukokortikoideinnahme
von mehr als 7,5 mg Prednisolon pro Tag
wird eine Verminderung der Knochendichte beobachtet. In-vitro-Analysen lassen eine Begünstigung des katabolen Knochenmetabolismus über eine vermehrte Expression von RANKL und eine Reduktion der
OPG-Produktion durch Glukokortikoide
vermuten. Bei Patienten mit Morbus
Crohn beobachtete man unter langfristiger
Glukokortikoidtherapie einen Anstieg des
RANKL/OPG-Quotienten im Serum (14).
Auch Patienten mit Glomerulonephritis
zeigten unter Glukokortikoiddauertherapie einen verminderten OPG-Serumspiegel, der positiv mit dem Knochenumsatz
und negativ mit der Knochendichte korrelierte (15).
Nicht nur bei dem generalisiert gesteigerten Knochenmetabolismus im Rahmen
der Osteoporose, sondern auch bei lokalen
destruktiven Prozessen wird die Verschiebung des RANKL/OPG-Quotienten zugunsten von RANKL als zentrales pathogenetisches Element vermutet. Bei der rheumatoiden Arthritis findet sich eine hohe
RANKL-Expression in der Synovia. Invitro-Studien zeigen eine gesteigerte
RANKL-Expression synovialer Zellen unter TNF-α-Stimulation (16). Auch bei malignen Prozessen mit osteolytischer Skelettmanifestation, wie dem Mammakarzinom
und dem multiplen Myelom, wird dem
RANKL/RANK/OPG-System eine zentrale
Rolle zugesprochen. Maligne Zellen sind in
der Lage, neben der Stimulation der
RANKL-produzierenden
Osteoblasten
und Bindegewebszellen des Knochenmarks
auch selbst RANKL in großen Mengen zu
produzieren und so Osteolysen zu verursachen. Bei Patienten mit Mamma- oder
Prostatakarzinom wurde zudem eine Korrelation von Knochenmetastasen mit erhöhten Serumkonzentrationen an OPG
beobachtet, wobei die gesteigerte OPG-Expression als Gegenregulationsmechanismus zum gesteigerten Knochenumsatz interpretiert wird (7).
Blockade von RANKL in
präklinischen Tiermodellen
Die Bedeutung des RANKL/RANK/OPGSystems für die Pathogenese von Knochenerkrankungen und die Knochenmanifestation chronisch entzündlicher und maligner
Erkrankungen wurde an präklinischen
Tiermodellen nachgewiesen. So entwickeln
OPG-defiziente Mäuse eine Osteoporose
mit ausgeprägter Minderung der gesamten
Knochendichte und häufigen Spontanfrakturen (17). OPG-transgene Mäuse hingegen zeigen von Geburt an einen osteopetrotischen Phänotyp und eine mit dem Alter zunehmende Knochenmasse und Knochendichte, die Folge eines Mangels funktionsfähiger Osteoklasten ist (2). Analog
zum Modell der OPG-Defizienz führt auch
eine RANKL-Injektion zu einem rasant gesteigerten Knochenverlust mit massiver
Abnahme der Masse und Festigkeit des
Knochens (18). Interessanterweise lassen
sich die Veränderungen des Knochenstoffwechsels durch die Injektion eines OPGProteins komplett verhindern. Dies veranschaulicht das Potenzial von OPG und
RANKL in der Regulation des Knochenmetabolismus über die Aktivität und Funktionalität der Osteoklasten (19).
Auch bei Tiermodellen immunologischer Knochenerkrankungen (rheumatoide Arthritis, Spondylarthropathien) ist eine Erhöhung des RANKL/OPG-Quotienten charakteristisch (20). Autoreaktive
T-Zellen exprimieren dabei vermehrt
RANKL und zerstören über die Aktivierung von Osteoklasten die Knochensubstanz (21).
Ferner exprimieren verschiedene Tumorzellen RANKL und können über eine
lokale Stimulation von Osteoklasten den
Knochen zerstören. Dies gilt insbesondere
für osteolytische Metastasen des Mamma-
karzinoms und des multiplen Myeloms.
Ein Mausmodell des ossär metastasierten
Mammakarzinoms zeigt eine deutlich erhöhte RANKL-Konzentration in metastasierten Knochen im Vergleich zum tumorfreien Knochen. Der osteolytische Prozess
ließ sich hingegen durch rekombinantes
OPG-Fusionsprotein hemmen (22). Auch
in einem Mausmodell des Kolonkarzinoms
konnten osteolytische Knochenläsionen
durch exogene OPG-Gabe deutlich reduziert werden (23).
Diese umfangreichen präklinischen Befunde führten zu ersten klinischen Versuchen mit rekombinant hergestelltem
OPG-Fusionsprotein, die das therapeutische Potenzial einer RANK-Ligand-Blockade bestätigten (24). Diese klinischen
Phase 1-Studien stellten einen „Proof of
principle“ für die effektive Hemmung der
Knochenresorption und die Verbesserung
der biomechanischen Eigenschaften des
Knochens durch die Blockade von RANKLigand dar.
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