PTH-verwandtes Peptid (PTHrP) bei Hyperkalzämie

Faktoren, die dem Parathormon (PTH) ähnlich sind und für das Syndrom der malignen Hyperkalzämie verantwortlich sind, wurden erstmals von Albright1 in den 1940er Jahren vorgeschlagen, und zwar auf der Grundlage klinischer Beobachtungen bei einem einzigen Patienten mit Hyperkalzämie infolge eines Nierenzellkarzinoms. Albright vermutete, dass das klinische Syndrom bei seinem Patienten dem des primären Hyperparathyreoidismus ähnelte und die wahrscheinlichste Erklärung darin bestand, dass ein vom Tumor produzierter PTH-ähnlicher Faktor dafür verantwortlich war. Dieser Gedanke hielt sich für die nächsten 40 Jahre, und mit der Identifizierung von PTH und der Entwicklung von Antiseren und Immunoassays für seine Messung in den 1960er und 1970er Jahren suchten viele Forscher nach PTH in Verbindung mit soliden Tumoren. Diese Suche war im Großen und Ganzen negativ, abgesehen von einer gewissen Verwirrung, die durch die ursprünglichen Antiseren verursacht wurde, die für die Identifizierung von PTH durch RIA verwendet wurden, und einige Forscher berichteten, dass PTH – oder zumindest PTH-ähnliche Moleküle – von Tumoren in Verbindung mit Malignität produziert wurden.2-4 Rückblickend kann es sein, dass diese Assays das PTH-verwandte Peptid (PTHrP), das an seinem N-terminalen Ende eng mit dem nativen PTH verwandt ist, nur schwach erkannt haben.

Die Situation wurde in den 1980er Jahren weiter geklärt, als festgestellt wurde, dass Patienten mit maligner Hyperkalzämie häufig einen erhöhten nephrogenen cAMP-Spiegel aufwiesen und darüber hinaus einen zirkulierenden Faktor hatten, der die Adenylatzyklase-Aktivität in kultivierten Knochenzellen oder Nierenmembranen in ähnlicher Weise wie PTH erhöhte, aber eindeutig kein PTH war.5,6 Daraus wurde gefolgert, dass ein PTH-ähnlicher Faktor und nicht natives PTH von Tumoren produziert wird, die mit Hyperkalzämie einhergehen. In den späten 1980er Jahren wurde der für dieses Syndrom verantwortliche Wirkstoff als PTHrP identifiziert, ein von Tumoren produziertes Peptid, das in der N-terminalen Sequenz eine enge Homologie zu PTH selbst aufweist. Tatsächlich wurde festgestellt, dass PTHrP nach einer Genduplikation von PTH entstanden ist, woraufhin sich beide Genprodukte unabhängig voneinander als zwei Moleküle mit unterschiedlicher struktureller Komplexität und unterschiedlichen Kontrollmechanismen entwickelt haben. Trotz dieser Unterschiede übt PTHrP zelluläre Wirkungen durch die Bindung und Aktivierung des Rezeptors aus, den es mit PTH teilt, nämlich des PTH-Rezeptors vom Typ 1.5,710

In den 1990er Jahren zeigten weitere Beobachtungen zu PTHrP, dass es nicht nur von Plattenepithelkarzinomen und anderen Tumoren, die mit dem Syndrom der malignen humoralen Hyperkalzämie assoziiert sind, produziert wird, sondern auch von nicht-hyperkalzämischen Tumoren, die eine lokale Osteolyse verursachen, wie z. B. Brustkrebs,11,12 und in einigen Modellen sogar für die mit Brustkrebs assoziierte Osteolyse verantwortlich ist.13

Nach seiner Identifizierung und molekularen Klonierung in den späten 1980er Jahren richtete sich die Aufmerksamkeit auf die physiologische Rolle von PTHrP. Genetische Studien an Mäusen, die Mitte der 1990er Jahre allgemein zur Charakterisierung der physiologischen Rolle von Molekülen in der Knochenbiologie eingesetzt wurden, zeigten, dass PTHrP für die normale endochondrale Knochenbildung verantwortlich ist und die Knorpelproliferation an der Wachstumsplatte kontrolliert. Perichondrale Zellen und Chondrozyten synthetisieren PTHrP an den Enden der Knorpelform in der Wachstumsplatte.14-16 PTHrP verhindert die Differenzierung der Chondrozyten und verzögert so das Auftreten postmitotischer hypertropher Chondrozyten. Die PTHrP-Expression in der Wachstumsplatte wird durch Indian Hedgehog und seine nachgeschalteten Mediatoren der Gli-Familie über eine negative Rückkopplung gesteuert. Die Gs und Gg-Familie heterotrimerer G-Proteine vermittelt die Wirkungen von PTHrP auf Chondrozyten, um deren Differenzierung durch den nachgeschalteten Cyclin-cdk-Inhibitor p57 zu begrenzen, der unterdrückt wird, um die Proliferation der Chondrozyten aufrechtzuerhalten, sowie durch den Transkriptionsfaktor Sox9.17-19 Diese Wirkungen von PTHrP an der Wachstumsplatte scheinen seiner wichtigsten physiologischen Rolle zu dienen.

PTHrP spielt nachweislich eine lokale Rolle bei der normalen Osteoblastenfunktion.20 Die osteoblastenspezifische Ablation von PTHrP bei Mäusen führt zu Osteoporose und einer Beeinträchtigung der Knochenbildung, was auf eine parakrine Funktion schließen lässt. Somit kann PTHrP die normale Differenzierung und Aktivität der Osteoblasten (und möglicherweise der Osteoklasten) in der Mikroumgebung des Knochens regulieren21 , und PTHrP wird als potenzielles Anabolikum zur Behandlung von Osteoporose mit ähnlichen knochenstimulierenden Wirkungen wie PTH entwickelt.22,23 Es hat auch andere lokale zytokinartige Funktionen von unklarer Bedeutung, u. a. in der Brust, der Harnblase, der Gebärmutter, der glatten Gefäßmuskulatur, den Haarfollikeln und der Haut. Außerdem überträgt es Kalzium über die Plazenta von der Mutter auf den Fötus.24

Mehrere Fragmente von PTHrP, die biologische Aktivitäten haben, wurden beschrieben, aber keines von ihnen wurde als physiologisch oder in vivo wichtig bestätigt, und sie bleiben weiterhin umstritten und Gegenstand von Untersuchungen.

Mit den Beobachtungen, dass PTHrP eine wichtige Rolle sowohl bei der humoralen Hyperkalzämie von Malignomen als auch bei der lokalisierten Osteolyse im Zusammenhang mit metastasierendem Krebs spielt, haben sich unsere Vorstellungen vom Syndrom der Hyperkalzämie von Malignomen erheblich verändert. Bis Mitte der 1990er Jahre ging man davon aus, dass die humorale Hyperkalzämie bei malignen Erkrankungen auf einen zirkulierenden Faktor (nämlich PTHrP) zurückzuführen ist und dass die lokalisierte Osteolyse entweder auf lokale Zytokine oder auf direkte Wirkungen der Tumorzellen zurückzuführen ist, die eine lokalisierte Knochenzerstörung verursachen.27 Mit der Beobachtung, dass PTHrP zumindest bei vielen Patienten für beide Syndrome verantwortlich sein kann, ist klar geworden, dass die maligne Hyperkalzämie ein Spektrum darstellt, wobei PTHrP als zirkulierender Faktor fungiert, wenn es von einigen Tumoren in übermäßigen Mengen produziert wird (und dadurch eine humorale Hyperkalzämie verursacht), unter anderen Umständen aber als lokaler Faktor wirkt, wenn es von metastatischen Tumorzellen in der Knochenmikroumgebung produziert wird und osteolytische Knochenmetastasen verursacht (Tabelle 1).

Obwohl PTHrP und PTH den gleichen Rezeptor haben, gibt es Unterschiede zwischen den Syndromen der humoralen Hyperkalzämie bei Malignität und des primären Hyperparathyreoidismus. Bei der malignen humoralen Hyperkalzämie wird die Knochenbildung unterdrückt, und die Patienten haben eher eine metabolische Alkalose als eine hyperchlorämische Azidose. Außerdem sind die 1,25-Dihydroxyvitamin-D3-Konzentrationen im Serum bei primärem Hyperparathyreoidismus erhöht und bei Krebserkrankungen erniedrigt. Die Gründe für diese Unterschiede sind nicht bekannt, könnten aber auf andere Faktoren zurückzuführen sein, die in Verbindung mit PTHrP bei der humoralen Hyperkalzämie maligner Erkrankungen gebildet werden.27,28

Auch andere Krebssyndrome sind mit einem PTHrP-Überschuss verbunden. Das wahrscheinlich wichtigste davon ist die Kachexie, die von Ogata und Kollegen hervorgehoben wurde.29 Die humorale Hyperkalzämie bei Malignität führt zu einer Anhäufung von orixegenen Peptiden wie Neuropeptid Y im Nucleus arcuatus des Hypothalamus, und sowohl die Kachexie als auch die mRNA für diese Peptide werden durch Anti-PTHrP-Therapien reduziert. Es ist noch unklar, ob die Kachexie tatsächlich direkt auf PTHrP zurückzuführen ist oder eine Folge der erhöhten Tumorlast im Knochenmark ist.

Da PTHrP ein so wichtiger Faktor bei der Entstehung dieser häufigen Syndrome im Zusammenhang mit Malignität ist, wurden verschiedene Versuche unternommen, seine biologische Aktivität zu blockieren. Ein Ansatz war die Entwicklung neutralisierender Antikörper gegen PTHrP, basierend auf präklinischen Studien, die zeigten, dass neutralisierende Antikörper den Serumkalziumspiegel senkten und die Knochenmetastasen in präklinischen Modellen verringerten.13,30 Ein zweiter Ansatz war die Verwendung kleiner Moleküle, die die PTHrP-Transkription hemmen. Wir haben spezifische kleine Moleküle identifiziert, die die PTHrP-Transkription durch Tumorzellen hemmen.31 Diese Moleküle, bei denen es sich um Antimetaboliten handelt und zu denen auch 6-Thioguanin gehört, wurden in einem zellbasierten Screening-Assay identifiziert und es wurde festgestellt, dass sie in präklinischen Modellen von Knochenmetastasen und Hyperkalzämie die Osteolyse reduzieren und den Serumkalziumspiegel senken. Eine dritte Möglichkeit war die Entwicklung von Antagonisten von PTHrP, die an den PTH-Rezeptor binden, was jedoch bisher nicht zu erfolgreichen Therapeutika geführt hat. Andere Möglichkeiten sind Ansätze mit kleinen Molekülen, um die PTHrP-Signaltransduktion in Tumorzellen zu hemmen.32

Die Regulierung der PTHrP-Produktion durch bösartige Zellen ist ein Thema von großem Interesse. Warum exprimieren bestimmte Krebszellen ein Peptid, das für die Knorpelzellen der Wachstumsplatte physiologisch wichtig ist? In der Wachstumsplatte wird PTHrP durch den Hedgehog-Signalweg und die Gli-Familie von Transkriptionsmediatoren reguliert. Wir glauben, dass ähnliche Mechanismen auch bei Krebs eine Rolle spielen, wenn auch etwas komplexer. Bei soliden Tumoren, die mit einer PTHrP-Expression einhergehen, wurde festgestellt, dass die PTHrP-Transkription durch Mitglieder der Gli-Familie gesteuert wird, ähnlich wie in der sich entwickelnden Wachstumsplatte.33,34 Die Krebszelle nutzt diesen normalerweise ruhenden Entwicklungs-Hedgehog-Weg, der in der Embryonalzeit wichtig ist, um ihre PTHrP-Expression zu steigern, die Knochenresorption einzuleiten und einen Nidus für eine Knochenmetastase zu bilden. Der Prozess wird durch TGF-β angetrieben, das bei der Knochenresorption in die Knochenmikroumgebung freigesetzt wird, da es der am häufigsten vorkommende Wachstumsfaktor in der Knochenmatrix ist.35,36 Dies erweitert das Verständnis des Teufelskreises zwischen Tumorzellen und Osteoklasten in der Knochenmikroumgebung bei metastasierendem Krebs um eine weitere Ebene (Abbildung 1).27,37 So stimuliert TGF-β, das infolge der Knochenresorption in der Knochenmikroumgebung freigesetzt wird, die Expression von Mitgliedern der Gli-Familie im Hedgehog-Signalweg, was wiederum zu einer erhöhten PTHrP-Expression und Knochenresorption führt. Die Knochenresorption begünstigt das Wachstum von Tumorzellen und die weitere Freisetzung von aktivem TGF-β aus der Knochenmatrix.

PTHrP ist also ein äußerst interessantes Molekül. Es stammt von demselben Stammgen wie PTH ab und hat im embryonalen und frühen postnatalen Leben eine begrenzte physiologische Rolle bei der Regulierung des Knorpelwachstums in den sich entwickelnden Röhrenknochen. Im Erwachsenenalter spielt es unseres Wissens nach keine wichtige physiologische Rolle; es spielt jedoch eine wichtige pathologische Rolle, indem es die Knochenzerstörung und Hyperkalzämie durch bestimmte Tumore vermittelt, die gelernt haben, den Hedgehog-Entwicklungsweg zu aktivieren und PTHrP zu exprimieren, was es den Tumorzellen ermöglicht, einen „sicheren Hafen“ in Form einer Knochenmetastase zu schaffen. In dem Maße, wie unser Wissen über diesen interessanten Prozess, durch den Krebs Knochen zerstört, wächst, scheint es sicher, dass erfolgreiche pharmakologische Versuche, die Expression von PTHrP oder seine Auswirkungen zu begrenzen, potenzielle Vorteile für die Vielzahl von Patienten mit fortgeschrittenem Krebs bieten.

• © 2008 American Society of Nephrology