MicroARN circulantes y su potencialidad como futuros biomarcadores óseos / Circulating microRNAs and their potential use as future bone biomarkers / MicroRNAs circulantes e a sua potencialidade como futuros biomarcadores ósseos

Resumen El remodelamiento óseo es ejercido por la actividad de osteoblastos y osteoclastos y puede evaluarse por marcadores bioquímicos de formación y resorción ósea. Sin embargo, el nivel de los marcadores óseos está sometido a una enorme cantidad de variables y, además, carece o presenta escaso valor pronóstico. Los microARN (miARN) fueron recientemente estudiados como una alternativa potencial para ser utilizados como nuevos marcadores óseos. Los miARN son pequeñas moléculas de ARN no codificantes (15-25 nucleótidos) que, a través de la inhibición o degradación de ARN mensajeros, modifican una serie de funciones biológicas. Los miARN específicos de hueso ejercen funciones reguladoras sobre factores transcripcionales involucrados en la osteoblastogénesis y osteoclastogénesis, modificando el remodelamiento óseo. La mayoría de los miARN permanecen dentro de la célula, pero algunos son liberados a la circulación donde pueden ser dosados. Los miARN circulantes presentan gran estabilidad en fluidos biológicos, lo que los hace potenciales candidatos a ser utilizados como nuevos biomarcadores óseos. Cambios en el patrón normal de miARN circulantes específicos de hueso reflejarán modificaciones en el metabolismo óseo y señalan el posible inicio o progresión de enfermedades óseas, como la osteoporosis. Si bien es promisorio, el uso en la práctica clínica de los miARN específicos circulantes como nuevos biomarcadores óseos, ello implica primeramente cumplir con una serie de requisitos que permitan estandarizar las condiciones preanalíticas, analíticas y posanalíticas de estas moléculas. La presente revisión brinda información reciente sobre los estudios clínicos tendientes a determinar el posible uso de los miARN circulantes como nuevos biomarcadores óseos, ya que cuentan con elevada sensibilidad y especificidad diagnósticas, valor predictivo positivo y valor predictivo negativo.

Abstract Osteoblasts and osteoclasts activity determines the level of the bone remodelling process which can be assessed by biochemical markers of bone formation and resorption. However, bone marker levels are subject to a series of variables resand, furthermore, they lack or have little prognostic values. MicroRNAs (miRNAs) were recently studied as a potential alternative to be used as new bone biomarkers. The miRNAs are endogenous small noncoding RNA molecules (15-25 nucleotides) that regulate many biological functions by inhibiting or degrading specific messenger RNAs. Bone-specific miRNAs exert regulatory functions on key transcriptional factors involved in osteoblastogenesis and osteoclastogenesis, modifying the bone remodelling process. Most miRNAs remain within the cell, but some of them are released into circulation. Circulating miRNAs show great stability in biological fluids, which makes them excellent candidates to be used as new bone biomarkers. Modifications in the normal pattern of bone-specific circulating miRNA might reflect changes in bone metabolism, signalling the possible onset or progression of bone diseases, such as osteoporosis. Although promising, the use of specific circulating miRNAs as new bone biomarkers in clinical practice implies fulfilling a series of requirements that lead to standardising the pre-analytical, analytical and post-analytical conditions of these molecules. The present review gives an overview on the clinical studies related to the possible use of specific circulating miRNAs as new bone biomarkers.

Resumo A remodelação óssea é exercida pela atividade dos osteoblastos e osteoclastos e pode ser avaliada para a medição dos marcadores bioquímicos de formação e reabsorção óssea. No entanto, o nível dos marcadores ósseos está sujeito a grande quantidade de variáveis e, além disso, carece ou tem pouco valor prognóstico. Os microARN (miARN) foram estudados recentemente como uma alternativa potencial para serem utilizados como novos marcadores ósseos. Os MicroRNAs (miRNAs) são pequenas moléculas de RNA não codificantes (15-25 nucleotídeos) que, através da inibição ou degradação de RNA mensageiros modificam uma série de funções biológicas. Os miRNAs específicos de osso exercem funções reguladoras sobre fatores transcricionais envolvidos na osteoblastogênese e na osteoclastogênese, modificando o processo de remodelação óssea. A maioria dos miRNAs permanece dentro da célula, mas de RNA mensageiros alguns são liberados na circulação, onde podem ser determinados bioquimicamente. Os miRNAs circulantes apresentam grande estabilidade em fluidos biológicos, o que os torna excelentes candidatos para serem usados como novos biomarcadores ósseos. Mudanças no padrão normal de miRNA circulantes específicos do osso mostrarão mudanças no metabolismo ósseo, sinalizando o possível início ou progressão de doenças ósseas, como osteoporose. Embora promissor, o uso de miRNAs específicas circulantes na prática clínica como novos biomarcadores ósseos, implica primeiramente, atender uma série de requisitos que permitem padronizar as condições pré-analíticas, analíticas e pós-analíticas dessas moléculas. A presente revisão fornece informações recentes sobre estudos clínicos destinados a determinar o possível uso dos miRNAs circulantes como novos biomarcadores ósseos, visto que contam com elevada sensibilidade e especificidade diagnósticas, valor preditivo positivo e valor preditivo negativo.

Micro-ARNs y células óseas / Micro RNAs and bone cells

Los micro-ARNs (miARNs) son pequeñas moléculas de ARN no codificante (de aproximadamente 15-25 nucleótidos), que regulan la expresión de genes involucrados en numerosas funciones biológicas, a través de la inhibición o degradación de un ARN mensajero diana. La homeostasis ósea se mantiene por el balance entre la formación osteoblástica y la resorción osteoclástica. La sobreexpresión o inhibición de miARNs específicos afecta la proliferación, diferenciación y actividad de osteoblastos, osteocitos y osteoclastos. Estas acciones son llevadas a cabo modulando la expresión de distintos factores transcripcionales y moléculas de señalización de las vías esenciales para la osteoblastogénesis u osteoclastogénesis. Estos efectos modifican el balance entre la formación y la resorción, determinando cambios en la homeostasis ósea. Esta revisión enumera una serie de miARNs que participan en la homeostasis ósea. Profundizando en el conocimiento de los mecanismos por medio de los cuales los miARNs actúan sobre el hueso, podrían revelarse nuevos usos potenciales futuros, entre los que se encuentran su utilidad como nuevos biomarcadores óseos o como agentes terapéuticos para el tratamiento de trastornos metabólicos óseos, pérdida de masa ósea o enfermedades óseas. (AU)

MicroRNAs (miRNAs) are endogenous small noncoding RNA molecules (of approximately 15­25 nucleotides), which regulate the expression of genes controlling numerous biological functions, through the inhibition or degradation of the target messenger RNA. Bone homeostasis is maintained by a balance between osteoblastic bone formation and osteoclastic bone resorption. The overexpression or inhibition of specific miRNAs affects cell proliferation, differentiation and activity of osteoblast, osteocytes and osteoclast. This action is done by modulating the expression of different transcription factors and signaling molecules of the most relevant pathways of osteoblastogenesis or osteoclastogenesis. This effect is able to modify the balance between bone formation and resorption, determining changes in bone homeostasis. The present review is an overview of a series of miRNAs involved in bone homeostasis. An in depth knowledge of the mechanisms by which miRNAs act on bone may reveal potential uses in the future as new bone biomarkers or therapeutic agents for treating metabolic bone disorders, bone loss and bone diseases. (AU)

Conexiones entre tejido óseo y tejido graso: efecto de la obesidad sobre la salud ósea / Bone and fat connection: obesity effect on bone health / Conexões entre tecido ósseo e tecido gorduroso: efeito da obesidade na saúde óssea

La prevalencia de dos desórdenes crónicos como la osteoporosis y la obesidad se encuentra en aumento. La fisiopatología de ambas alteraciones metabólicas es multifactorial e incluye factores genéticos, factores ambientales y hormonales. Diversos estudios clínicos y experimentales demuestran la existencia de una interacción entre el tejido adiposo y el esqueleto, similar a la que ocurre entre las patologías mencionadas. Si bien se pensaba que la obesidad protegía al hueso, actualmente se postula que un exceso de tejido graso, fundamentalmente grasa abdominal, sería un factor de riesgo para el desarrollo de osteoporosis y fracturas por fragilidad. Diversos factores secretados por el tejido graso incrementados por efecto de la obesidad jugarían un rol clave en la salud ósea. Las adipoquinas, citokinas y ácidos grasos libres regulan el remodelamiento óseo, disminuyendo la formación e incrementando la resorción, al mismo tiempo que inducen estrés oxidativo e hiperglucemia, que exacerba el efecto negativo sobre la masa ósea. Esta revisión trata de profundizar el conocimiento de las interacciones entre hueso y tejido adiposo y de las implicancias clínicas que surgen de la interrelación entre obesidad y osteoporosis.

Osteoporosis and obesity are chronic disorders that are increasing in prevalence. The pathophysiology of these diseases is multifactorial and it includes genetic, environmental and hormonal determinants. Basic and clinical studies support an important interaction between adipose tissue and the skeleton similar to that found in osteoporosis and obesity. The belief that obesity is protective for bone has recently been revised. In fact, excess of fat mass might be a risk factor for osteoporosis and fragility fractures. Increasing evidence seems to indicate that different factors released by the fat tissue could play a key role in skeletal health. Adipokines, cytokines and free-fatty acids secreted by the obese fat mass can regulate bone remodelling decreasing bone formation and increasing bone resorption. Moreover they increase oxidative stress, increasing even more the negative effect on bone mass. This review considers literature data to understand bone-fat interactions and the clinical implications of linking obesity to osteoporosis.

A prevalência de duas doenças crônicas, como a osteoporose e a obesidade estão aumentando. A fisiopatologia de ambas as doenças metabólicas é multifatorial e inclui fatores genéticos, fatores ambientais e hormonais. Estudos clínicos e experimentais demonstram a existência de interação entre o tecido adiposo e o esqueleto, semelhante ao encontrado nas patologias mencionadas. Embora exista a crença de que a obesidade protegia o osso, atualmente se postula que um excesso de tecido gorduroso, fundamentalmente gordura abdominal seria um fator de risco para desenvolver osteoporose e fraturas por fragilidade. Diversos fatores secretados pelo tecido gorduroso aumentado por efeito da obesidade teria um papel chave na saúde óssea. As adipocinas, citocinas e ácidos graxos livres regulam a remodelação óssea, diminuindo a formação e aumentando a reabsorção, ao mesmo tempo que eles induzem estresse oxidativo e hiperglicemia, aumentando ainda mais o efeito negativo sobre a massa óssea. Esta revisão visa aprofundar o conhecimento das interações entre o osso e o tecido adiposo e nas implicações clínicas que surgem da interação entre obesidade a osteoporose.

Osteocitos y la regulación de la formación ósea / Osteocytes and regulation of bone formation / Osteócitos e a regulação da formação óssea

Por muchos años los osteocitos han sido las células óseas "olvidadas" y consideradas espectadores inactivos enterrados en la matriz ósea. Hoy en día se sabe que los osteocitos detectan y responden a estímulos mecánicos y hormonales para coordinar tanto la resorción como la formación ósea. Actualmente se considera que los osteocitos proveen la mayoría de las moléculas que regulan la actividad de los osteoclastos y de los osteoblastos, como RANKL y esclerostina, ya que manipulaciones genéticas y famacológicas de cualquiera de estas dos moléculas afectan marcadamente la homeostasis ósea. Este artículo resume hallazgos recientes que delinean los mecanismos por los cuales los osteocitos regulan el número y actividad de los osteoblastos afectando de esta manera la formación ósea.

For many years, osteocytes have been the forgotten bone cells and considered as inactive spectators buried in the bone matrix. We now know that osteocytes detect and respond to mechanical and hormonal stimuli to coordinate bone resorption and bone formation. Osteocytes are currently considered a major source of molecules that regulate the activity of osteoclasts and osteoblasts, such as RANKL and sclerostin; and genetic and pharmacological manipulations of either molecule markedly affect bone homeostasis. This article summarizes recent findings demonstrating the mechanisms by which osteocytes regulate the number and activity of osteoblasts and thus affect bone formation.

Durante muitos anos, os osteócitos têm sido células ósseas "esquecidas" e consideradas como espectadores inativos enterrados na matriz óssea. Hoje sabemos que os osteócitos são capazes de detectar e responder a estímulos mecânicos e hormonais para coordenar tanto a reabsorção quanto a formação óssea. Os osteócitos são considerados atualmente como aquelesque fornecema maioria das moléculas que regulam a atividade dos osteoclastos e dos osteoblastos, tais como RANKL e a esclerostina,visto que manipulações genéticas e farmacológicas de qualquer uma destas moléculas afetam consideravelmente a homeostase óssea. Este artigo resume as recentes descobertas que demarcam os mecanismos pelos quais os osteócitos regulam o número e atividade dos osteoblastos, afetando assim a formação óssea.

Especies reactivas de oxígeno y su efecto sobre la actividad de las células óseas / Reactive oxygen species on bone cells activity / Espécies reativas de oxigênio e seu efeito na atividade das células ósseas

Las mitocondrias generan especies reactivas de oxígeno (ERO) que cumplen con una multiplicidad de procesos celulares; cuando se producen en exceso son responsables del estrés oxidativo y de múltiples procesos patológicos, incluyendo osteoporosis. Los factores de transcripción FoxO 1, 3 y 4 actúan como moléculas sensoras de ERO convirtiendo la señal de estrés oxidativo en la inducción de mecanismos de protección o señales apoptóticas. La insulina y los factores de crecimiento insulínicos (IGFs) regulan negativamente a FoxOs en mamíferos. Las ERO están involucradas en el remodelamiento óseo a través del efecto que ejercen sobre osteoblastos y osteoclastos. Los FoxOs controlan la acción de ERO sobre la osteoblastogénesis y la osteoclastogénesis. Con la edad, el aumento del estrés oxidativo acelera la adipogénesis a expensas de la osteoblastogénesis, al mismo tiempo que aumenta la oxidación de ácidos grasos generando compuestos pro-oxidantes que incrementan el estrés oxidativo. Asimismo, la caída estrogénica acelera la osteoclastogénesis por vía genómica o no genómica. Dada la importancia de FoxOs y ERO en la fisiología ósea y durante el envejecimiento, clarificar los eventos celulares y pasos moleculares involucrados en el control del estrés oxidativo sería vital para entender la regulación de la osteoporosis relacionada a la edad.

Reactive oxygen species (ROS) are key players in oxidative stress, and they are generated as by-products of cellular metabolism, primarily in the mitochondria. ROS are well recognised for playing a dual role as both deleterious and beneficial species. FoxOs transcription factors are activated in oxidative stress responses and participate in the regulation of cellular functions, including cell cycle arrest, cell death, and protection from stress stimuli. FoxO activity is inhibited by growth factors and the insulin signaling pathways. They play a fundamental role in skeletal homeostasis by exerting both ROS céludependent and independent effects on bone cells. FoxOs modulate osteoblastogenesis and attenuate osteoclastogenesis through both cell autonomous and indirect mechanisms. With aging there is an inevitable increment in oxidative stress that accelerates adipogenesis at the expense of osteoblastogenesis. There is also an increment in lipid oxidation to form pro-oxidant products that enhance oxidative stress generation. In addition, the estrogen withdrawal accelerates osteoclastogenesis. Given the importance of both FoxOs and ROS in aging and bone biology, understanding the cellular events and molecular pathways that are controlled by FoxOs during aging may be vital to our understanding of the regulation of age-related osteoporosis.

Mitocôndrias geram espécies reativas de oxigênio (ERO) que cumprem uma grande variedade de processos celulares; se produzidas em excesso são responsáveis pelo estresse oxidativo e por múltiplos processos patológicos, incluindo a osteoporose. Os fatores de transcrição FoxO 1.3 e 4 funcionam como moléculas sensoras de ERO transformando o sinal de estresse oxidativo na indução de mecanismos de proteção ou sinais apoptóticos. A insulina e os fatores de crescimento insulínicos (IGFs) regulam em forma negativa Foxos em mamíferos. As ERO estão envolvidos na remodelação óssea através do seu efeito nos osteoblastos e osteoclastos. Os Foxos controlam a ação de ERO na osteoblastogênese e na osteoclastogênese. Com a idade, o aumento do estresse oxidativo acelera a adipogênese à custa de osteoblastogênese; ao mesmo tempo que aumentam a oxidação de ácidos graxos gerando compostos pró-oxidantes que incrementam o estresse oxidativo. Além disso, a queda estrogênica acelera a osteoclastogênese por via genômica ou não genômica. Devido à importância de FoxOs e ERO na fisiologia óssea e durante o envelhecimento, esclarecer os eventos celulares e passos moleculares envolvidos no controle do estresse oxidativo seria vital para a compreensão da regulação da osteoporose relacionada com a idade.

ESTUDIO COMPUTACIONAL DE LAS MICROGRIETAS, LA APOPTOSIS Y EL ENVEJECIMIENTO EN EL REMODELAMIENTO ÓSEO

El proceso biológico de remodelamiento óseo ocurre naturalmente todos los días como un proceso de optimización. El algoritmo de autómatas celulares híbridos fue desarrollado para simular ese proceso funcional adaptativo en el hueso a nivel de tejido. En el algoritmo de autómatas celulares híbridos, los osteocitos se representan por un autómata que detecta estímulo mecánico. Esta metodología se ha utilizado para predecir la adaptación de hueso trabecular a los cambios en su ambiente físico. Adicionalmente a este algoritmo se incorporaron factores a los que se encuentra sometido el hueso, como las microgrietas, apoptosis y envejecimiento celular. Para incorporar estos últimos factores se toman estudios preliminares de otros autores donde las microgrietas se analizan con las leyes de la mecánica de fractura, así como también un análisis del esfuerzo cortante en cada autómata se usó para obtener la simulación de la apoptosis, y para el envejecimiento se empleó una función escalonada de la variación de la densidad promedio. En los resultados obtenidos se encuentran incrementos en la energía de deformación y decrementos en la masa, que son consecuencia directa de la concentración de esfuerzos. Igualmente, se observa que la estructura puede reponerse a los factores mencionados, lo que concuerda con estudios experimentales de algunos autores.

A biological process of bone remodeling happens everyday naturally like an optimization process. Hybrid cellular automaton algorithm was developed to simulate this adaptative functional process at tissue level. In the hybrid cellular automaton algorithm, osteocytes are represented by an automaton that senses the mechanical stimulus. This methodology has been used to predict trabecular bone adaptation according to changes in the physic environment. Natural factors like microcracks, apoptosis, and cell aging are incorporated to the algorithm. To incorporate these last factors, preliminary studies of other authors are taken where microcracks are analyzed by fracture mechanics laws, also shear stress analysis to get apoptosis simulation and for the ageing is used a step function of the media density variation. Results show increments in strain energy and decrements in mass that is direct consequence of the stress concentration. In the same way, is observed that the structure can recover to the effects described, that agrees with the experimental studies of some authors.