Ukr.Biochem.J. 2023; Том 95, № 2, березень-квітень, c. 33-47

doi: https://doi.org/10.15407/ubj95.02.033

Вітамін D(3) та метиленбісфосфонова кислота у корекції порушень мінерального обміну та ремоделювання кісткової тканини, пов’язаних із глюкокортикоїд-індукованим остеопорозом

14.07.2023   Uncategorized   No comments

О. О. Лісаковська1*, І. О. Шиманський1, В. М. Василевська1,
Е. П. Пасічна1, М. М. Великий1, С. В. Комісаренко2

1Відділ біохімії вітамінів і коензимів,
Інститут біохімії ім. О. В. Палладіна НАН України, Київ;
2Відділ молекулярної імунології,
Інститут біохімії ім. О. В. Палладіна НАН України, Київ;
*e-mail: o.lisakovskaya@gmail.com

Отримано: 03 квітня 2022; Виправлено: 27 квітня 2023;
Затверджено: 05 червня 2023; Доступно онлайн: 20 червня 2023

Метою дослідження було оцінити терапевтичну ефективність вітаміну D3 (1000 МО/кг маси тіла, 30 днів) та натрієвої солі метиленбісфосфонової кислоти (МБФК, 17 мг/кг маси тіла, 30 днів) у запобіганні порушень мінерального обміну та ремоделювання кісткової тканини, пов’язаних із розвитком остеопорозу, індукованого введення глюкокортикоїдів (ГК). Остеопороз у щурів спричиняли тривалим (30 днів) введенням синтетичного глюкокортикоїдного препарату преднізолону (5 мг/кг маси тіла). З допомогою спектрофотометричних методів визначали вміст кальцію та неорганічного фосфату, активність лужної фосфатази (ЛФ) у сироватці крові, кістковій тканині та кістковому мозку. Методом вестерн-блот аналізу в кістковій тканині визначали рівень наступних протеїнів: рецептора вітаміну D3 (VDR), рецептора активатора ядерного фактора каппа-В (RANK), його ліганду (RANKL) і остео­протегерину (OPG). Вміст 25-гідроксивітаміну D3 (25OHD3) у сироватці аналізували за допомогою імуноензимного аналізу. Показано, що преднізолон спричинював гіпокальціємію та гіпофосфатемію, підвищував активність ЛФ у сироватці крові, одночасно знижуючи її активність в кістковій тканині та кістковому мозку. ГК-індукований остеопороз супроводжувався глибоким дефіцитом вітаміну D3 і зниженням вмісту VDR. Оцінка стану NF-κB-асоційованого цитокінового шляху RANK/RANKL/OPG, який регулює баланс між остеобластами та остеокластами, показала одночасне зниження вмісту RANK і співвідношення OPG/RANKL за дії преднізолону. Вітамін D3 відновлював вміст основних показників мінерального обміну і рівень 25OHD3, що призводило до нормалізації VDR-опосередкованих сигнальних шляхів та цитокінової системи RANK/RANKL/OPG у кістковій тканині. Показано, що застосування МБФК мало коригувальний вплив на вміст мінеральних компонентів у сироватці крові та кістковій тканині, а також на активність лужної фосфатази лише у поєднанні з вітаміном D3, що свідчить про низьку ефективність монотерапії бісфосфонатами у разі дефіциту вітаміну D3, пов’язаного із розвитком ГК-індукованого остео­порозу.

Ключові слова: , , , ,

Посилання:

  1. Cheng CH, Chen LR, Chen KH. Osteoporosis Due to Hormone Imbalance: An Overview of the Effects of Estrogen Deficiency and Glucocorticoid Overuse on Bone Turnover. Int J Mol Sci. 2022;23(3):1376. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  2. Ledford H. Coronavirus breakthrough: dexamethasone is first drug shown to save lives. Nature. 2020;582(7813):469. PubMed, CrossRef
  3. Oray M, Abu Samra K, Ebrahimiadib N, Meese H, Foster CS. Long-term side effects of glucocorticoids. Expert Opin Drug Saf. 2016;15(4):457-465. PubMed, CrossRef
  4. Hu K, Adachi JD. Glucocorticoid induced osteoporosis. Expert Rev Endocrinol Metab. 2019;14(4):259-266. PubMed, CrossRef
  5. Xi L, Song Y, Wu W, Qu Z, Wen J, Liao B, Tao R, Ge J, Fang D. Investigation of bone matrix composition, architecture and mechanical properties reflect structure-function relationship of cortical bone in glucocorticoid induced osteoporosis. Bone. 2020;136:115334. PubMed, CrossRef
  6. Komori T. Glucocorticoid Signaling and Bone Biology. Horm Metab Res. 2016;48(11):755-763. PubMed, CrossRef
  7. Lisakovska O, Shymanskyi I, Labudzynskyi D, Mazanova A, Veliky M. Vitamin D Auto-/Paracrine System Is Involved in Modulation of Glucocorticoid-Induced Changes in Angiogenesis/Bone Remodeling Coupling. Int J Endocrinol. 2020;2020:8237610. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  8. Beier EE, Sheu TJ, Resseguie EA, Takahata M, Awad HA, Cory-Slechta DA, Puzas JE. Sclerostin activity plays a key role in the negative effect of glucocorticoid signaling on osteoblast function in mice. Bone Res. 2017;5:17013. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  9. Tripathi AK, Rai D, Kothari P, Kushwaha P, Sashidhara KV, Trivedi R. Benzofuran pyran hybrid prevents glucocorticoid induced osteoporosis in mice via modulation of canonical Wnt/β-catenin signaling. Apoptosis. 2022;27(1-2):90-111. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  10. Shymanskyi I, Lisakovska O, Mazanova A, Labudzynskyi D, Veliky M. Vitamin D3 Modulates Impaired Crosstalk Between RANK and Glucocorticoid Receptor Signaling in Bone Marrow Cells After Chronic Prednisolone. Front Endocrinol (Lausanne). 2018;9:303. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  11. Zhou X, Zhang Z, Jiang W, Hu M, Meng Y, Li W, Zhou X, Wang C. Naringenin is a Potential Anabolic Treatment for Bone Loss by Modulating Osteogenesis, Osteoclastogenesis, and Macrophage Polarization. Front Pharmacol. 2022;13:872188. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  12. Hsu E, Nanes M. Advances in treatment of glucocorticoid-induced osteoporosis. Curr Opin Endocrinol Diabetes Obes. 2017;24(6):411-417. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  13. Russell RG. Bisphosphonates: the first 40 years. Bone. 2011;49(1):2-19. PubMed, CrossRef
  14. Rogers MJ, Crockett JC, Coxon FP, Mönkkönen J. Biochemical and molecular mechanisms of action of bisphosphonates. Bone. 2011;49(1):34-41.
    PubMed, CrossRef
  15. Ebetino FH, Sun S, Cherian P, Roshandel S, Neighbors JD, Hu E, Dunford JE, Sedghizadeh PP, McKenna CE, Srinivasan V, Boeckman RK, Russell RG.
    Bisphosphonates: The role of chemistry in understanding their biological actions and structure-activity relationships, and new directions for their therapeutic use. Bone. 2022;156:116289. PubMed, CrossRef
  16. McKenna CE, Haratipour P, Duro MV, Ebetino FH. Chemistry of Bisphosphonates. In: Encyclopedia of Bone Biology. Ed. Mone Zaidi. Academic Press, 2020. P. 551-564. CrossRef
  17. Borojević A, Jauković A, Kukolj T, Mojsilović S, Obradović H, Trivanović D, Živanović M, Zečević Ž, Simić M, Gobeljić B, Vujić D, Bugarski D. Vitamin D3 Stimulates Proliferation Capacity, Expression of Pluripotency Markers, and Osteogenesis of Human Bone Marrow Mesenchymal Stromal/Stem Cells, Partly through SIRT1 Signaling. Biomolecules. 2022;12(2):323. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  18. Bikle DD. Vitamin D: Newer Concepts of Its Metabolism and Function at the Basic and Clinical Level. J Endocr Soc. 2020;4(2):bvz038. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  19. Young K, Beggs MR, Grimbly C, Alexander RT. Regulation of 1 and 24 hydroxylation of vitamin D metabolites in the proximal tubule. Exp Biol Med (Maywood). 2022;247(13):1103-1111. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  20. Bouillon R, Schuit F, Antonio L, Rastinejad F. Vitamin D Binding Protein: A Historic Overview. Front Endocrinol (Lausanne). 2020;10:910. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  21. Christakos S, Dhawan P, Verstuyf A, Verlinden L, Carmeliet G. Vitamin D: Metabolism, Molecular Mechanism of Action, and Pleiotropic Effects. Physiol Rev. 2016;96(1):365-408. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  22. Dyce BJ, Bessman SP. A rapid nonenzymatic assay for 2,3-DPG in multiple specimens of blood. Arch Environ Health. 1973;27(2):112-115. PubMed, CrossRef
  23. Veklich TO, Nikonishyna YuV, Kosterin SO. Pathways and mechanisms of transmembrane calcium ions exchange in the cell nucleus. Ukr Biochem J. 2018; 90(4): 5-24. CrossRef
  24. Yukalo VG, Storozh LA. Isolation of κ-CN-1P and β-CN-5Р fractions from native casein micelles. Ukr Biochem J. 2018; 90(4): 74-79. CrossRef
  25. Chavez-Abiega S, Mos I, Centeno PP, Elajnaf T, Schlattl W, Ward DT, Goedhart J, Kallay E. Sensing Extracellular Calcium – An Insight into the Structure and Function of the Calcium-Sensing Receptor (CaSR). Adv Exp Med Biol. 2020;1131:1031-1063. PubMed, CrossRef
  26. Fleet JC. Vitamin D-Mediated Regulation of Intestinal Calcium Absorption. Nutrients. 2022;14(16):3351. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  27. Vimalraj S. Alkaline phosphatase: Structure, expression and its function in bone mineralization. Gene. 2020;754:144855. PubMed, CrossRef
  28. Zhang Z, Nam HK, Crouch S, Hatch NE. Tissue Nonspecific Alkaline Phosphatase Function in Bone and Muscle Progenitor Cells: Control of Mitochondrial Respiration and ATP Production. Int J Mol Sci. 2021;22(3):1140. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  29. Rauch A, Seitz S, Baschant U, Schilling AF, Illing A, Stride B, Kirilov M, Mandic V, Takacz A, Schmidt-Ullrich R, Ostermay S, Schinke T, Spanbroek R, Zaiss MM, Angel PE, Lerner UH, David J, Reichardt HM, Amling M, Schütz G, Tuckermann JP. Glucocorticoids suppress bone formation by attenuating osteoblast differentiation via the monomeric glucocorticoid receptor. Cell Metab. 2010;11(6):517-531. PubMed, CrossRef
  30. Millán JL, Whyte MP. Alkaline Phosphatase and Hypophosphatasia. Calcif Tissue Int. 2016;98(4):398-416. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  31. Tański W, Kosiorowska J, Szymańska-Chabowska A. Osteoporosis – risk factors, pharmaceutical and non-pharmaceutical treatment. Eur Rev Med Pharmacol Sci. 2021;25(9):3557-3566. PubMed, CrossRef
  32. Povoroznyuk VV, Pekhnyo VI, Grygorieva NV, Kozachkova OM, Tsaryk NV. Effecasy of bisphosphonic acids in female rats with experimental osteoporosis. Fiziol. Zh. 2017;63(4):80-86. CrossRef
  33. Mazanova A, Shymanskyi I, Lisakovska O, Hajiyeva L, Komisarenko Y, Veliky M. Effects of Cholecalciferol on Key Components of Vitamin D-Endo/Para/Autocrine System in Experimental Type 1 Diabetes. Int J Endocrinol. 2018;2018:2494016. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  34. Shymanskyy IO, Khomenko AV, Lisakovska OO, Labudzynskyi DO, Apukhovska LI, Veliky MM. The ROS-generating and antioxidant systems in the liver of rats treated with prednisolone and vitamin D3. Ukr Biochem J. 2014;86(5):111-125. (In Ukrainian). PubMed, CrossRef
  35. Lisakovska OO, Shymanskyy IO, Mazanova AO, Khomenko AV, Veliky MM. Vitamin D3 protects against prednisolone-induced liver injury associated with the impairment of the hepatic NF-κB/iNOS/NO pathway. Biochem Cell Biol. 2017;95(2):213-222. PubMed, CrossRef
  36. Christakos S, Dhawan P, Verstuyf A, Verlinden L, Carmeliet G. Vitamin D: Metabolism, Molecular Mechanism of Action, and Pleiotropic Effects. Physiol Rev. 2016;96(1):365-408. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  37. Zarei A, Morovat A, Javaid K, Brown CP. Vitamin D receptor expression in human bone tissue and dose-dependent activation in resorbing osteoclasts. Bone Res. 2016;4:16030. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
  38. Liu W, Zhang X. Receptor activator of nuclear factor-κB ligand (RANKL)/RANK/osteoprotegerin system in bone and other tissues (review). Mol Med Rep. 2015;11(5):3212-3218. PubMed, CrossRef
  39. Huang XL, Liu C, Shi XM, Cheng YT, Zhou Q, Li JP, Liao J. Zoledronic acid inhibits osteoclastogenesis and bone resorptive function by suppressing RANKL‑mediated NF‑κB and JNK and their downstream signalling pathways. Mol Med Rep. 2022;25(2):59. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
Creative CommonsThis work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.