PTH-Related Peptide (PTHrP) in Hypercalcemia

Podobne do hormonu przytarczyc (PTH) czynniki odpowiedzialne za zespół hiperkalcemii w przebiegu nowotworów złośliwych zostały po raz pierwszy zaproponowane przez Albrighta1 w latach 40. ubiegłego wieku na podstawie obserwacji klinicznych u jednego pacjenta z hiperkalcemią w wyniku raka nerkowokomórkowego. Albright zasugerował, że zespół kliniczny u jego pacjenta przypominał pierwotną nadczynność przytarczyc, a najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem był czynnik podobny do PTH produkowany przez nowotwór. Ten sposób myślenia utrzymywał się przez następne 40 lat, a po zidentyfikowaniu PTH i opracowaniu antysurowic i testów immunologicznych do jego pomiaru w latach 60. i 70. wielu badaczy poszukiwało PTH w powiązaniu z guzami litymi. Poszukiwania te były w większości negatywne, poza pewnym zamieszaniem spowodowanym przez oryginalne surowice używane do identyfikacji PTH metodą RIA, a niektórzy badacze donosili, że PTH – lub przynajmniej cząsteczki podobne do PTH – były produkowane przez guzy związane z nowotworami złośliwymi.2-4 Z perspektywy czasu, testy te mogły słabo rozpoznawać peptyd związany z PTH (PTHrP), który jest blisko spokrewniony na swoim N-końcowym końcu z natywnym PTH.

Sytuacja uległa dalszemu wyjaśnieniu w latach 80-tych XX wieku, kiedy stwierdzono, że u pacjentów z hiperkalcemią spowodowaną nowotworem złośliwym często występuje zwiększone stężenie nefrogennego cAMP, a ponadto krążący czynnik zwiększał aktywność cyklazy adenylanowej w hodowanych komórkach kostnych lub błonach nerkowych w sposób podobny do PTH, ale wyraźnie nie był PTH.5,6 Stwierdzono, że guzy związane z hiperkalcemią wytwarzają raczej czynnik podobny do PTH niż natywny PTH. W późnych latach 80-tych XX wieku zidentyfikowano aktywną zasadę odpowiedzialną za ten zespół jako PTHrP, peptyd produkowany przez guzy o bliskiej homologii w sekwencji N-końcowej do samego PTH. W rzeczywistości stwierdzono, że PTHrP powstał po duplikacji genu PTH, po której oba produkty genowe rozwinęły się niezależnie jako dwie cząsteczki o różnej złożoności strukturalnej i mechanizmach kontroli. Pomimo tych różnic, PTHrP wywiera wpływ na komórki poprzez wiązanie i aktywację receptora, który dzieli z PTH, receptora PTH typu 1.5,7W latach 90-tych XX wieku dalsze obserwacje nad PTHrP wykazały, że jest on produkowany nie tylko przez raki płaskonabłonkowe i inne guzy związane z zespołem humoralnej hiperkalcemii złośliwej, ale także przez guzy niehiperkalcemiczne, które powodowały miejscową osteolizę, takie jak rak piersi,11,12 i w rzeczywistości był odpowiedzialny za osteolizę związaną z rakiem piersi w niektórych modelach.13

Po zidentyfikowaniu i sklonowaniu molekularnym PTHrP w późnych latach 80-tych, uwaga zwróciła się na fizjologiczną rolę PTHrP. Badania genetyczne na myszach, do połowy lat 90-tych szeroko stosowane w celu scharakteryzowania fizjologicznej roli cząsteczek w biologii kości, wykazały, że PTHrP jest odpowiedzialny za prawidłowe tworzenie kości śródchrzęstnej i kontroluje proliferację chrząstki w płytce wzrostowej. Komórki perichondralne i chondrocyty syntetyzują PTHrP na końcach formy chrzęstnej w płytce wzrostowej.14-16 PTHrP zapobiega różnicowaniu się chondrocytów, opóźniając w ten sposób pojawienie się postmitotycznych chondrocytów hipertroficznych. Ekspresja PTHrP w płytce wzrostowej jest kontrolowana przez Hedgehog indyjski i jego mediatory z rodziny Gli, poprzez ujemne sprzężenie zwrotne. Rodzina Gs i Gg heterotrimerycznych białek G pośredniczy w oddziaływaniu PTHrP na chondrocyty w celu ograniczenia ich różnicowania poprzez inhibitor cykliny-cdk p57, który jest tłumiony w celu utrzymania proliferacji chondrocytów oraz przez czynnik transkrypcyjny Sox9.17-19 Te efekty PTHrP w płytce wzrostowej wydają się służyć jego głównej roli fizjologicznej.

PTHrP odgrywa lokalną rolę w prawidłowej funkcji osteoblastów.20 Swoista dla osteoblastów ablacja PTHrP u myszy skutkuje osteoporozą i upośledzeniem tworzenia kości, co sugeruje funkcję parakrynną. PTHrP może zatem regulować prawidłowe różnicowanie i aktywność osteoblastów (i prawdopodobnie osteoklastów) w mikrośrodowisku kostnym,21 a PTHrP jest opracowywany jako potencjalny środek anaboliczny w osteoporozie o działaniu stymulującym kości podobnym do działania PTH.22,23 Pełni również inne lokalne funkcje cytokinowe o niepewnym znaczeniu, w tym w piersi, pęcherzu moczowym, macicy, mięśniach gładkich naczyń, mieszkach włosowych i skórze. Przenosi on również wapń przez łożysko od matki do płodu.24-Opisano wiele fragmentów PTHrP wykazujących aktywność biologiczną, ale nie potwierdzono znaczenia żadnego z nich ani fizjologicznie, ani in vivo i nadal pozostają one przedmiotem kontrowersji i badań.

Wraz z obserwacjami, że PTHrP odgrywa ważną rolę zarówno w humoralnej hiperkalcemii w przebiegu nowotworów złośliwych, jak i w zlokalizowanej osteolizie związanej z nowotworami przerzutowymi, nasze koncepcje zespołu hiperkalcemii w przebiegu nowotworów złośliwych uległy znacznej zmianie. Do połowy lat 90. uważano, że humoralna hiperkalcemia w przebiegu nowotworów złośliwych jest spowodowana krążącym czynnikiem (mianowicie PTHrP), a zlokalizowana osteoliza jest wynikiem działania miejscowych cytokin lub bezpośredniego wpływu komórek nowotworowych powodujących miejscową destrukcję kości.27 Wraz z obserwacją, że PTHrP może być odpowiedzialny za oba zespoły, przynajmniej u wielu pacjentów, stało się jasne, że hiperkalcemia nowotworowa stanowi spektrum, w którym PTHrP działa jako czynnik krążący, gdy jest produkowany w nadmiernych ilościach przez niektóre guzy (i w ten sposób powoduje humoralną hiperkalcemię), ale w innych okolicznościach działa jako czynnik miejscowy, gdy jest produkowany przez przerzutowe komórki nowotworowe w mikrośrodowisku kostnym i powoduje osteolityczne przerzuty do kości (tabela 1).

Mimo że PTHrP i PTH mają ten sam receptor, istnieją różnice między zespołami humoralnej hiperkalcemii nowotworowej i pierwotnej nadczynności przytarczyc. W humoralnej hiperkalcemii złośliwej dochodzi do zahamowania tworzenia kości, a u pacjentów występuje raczej zasadowica metaboliczna niż kwasica hiperchloremiczna. Ponadto, stężenie 1,25 dihydroksywitaminy D3 w surowicy jest zwiększone w pierwotnej nadczynności przytarczyc i zmniejszone w chorobie nowotworowej. Przyczyny tych różnic nie są znane, ale mogą wynikać z innych czynników wytwarzanych w połączeniu z PTHrP w humoralnej hiperkalcemii nowotworowej.27,28

Inne zespoły nowotworowe wiążą się z nadmiarem PTHrP. Prawdopodobnie najważniejszym z nich jest wyniszczenie, na które zwrócili uwagę Ogata i współpracownicy.29 Humoralna hiperkalcemia w przebiegu choroby nowotworowej indukuje akumulację peptydów orixegenowych, takich jak neuropeptyd Y w jądrze łukowatym podwzgórza, a zarówno wyniszczenie, jak i mRNA dla tych peptydów są zmniejszane przez terapie anty-PTHrP. Nadal nie jest jasne, czy wyniszczenie jest w rzeczywistości spowodowane bezpośrednio przez PTHrP, czy jest konsekwencją zwiększonego obciążenia guza w szpiku kostnym.

Ponieważ PTHrP jest tak ważnym czynnikiem w wywoływaniu tych powszechnych zespołów związanych z nowotworami złośliwymi, podjęto różne próby zablokowania jego aktywności biologicznej. Jednym z podejść było opracowanie przeciwciał neutralizujących PTHrP, na podstawie badań przedklinicznych wykazujących, że przeciwciała neutralizujące zmniejszają stężenie wapnia w surowicy i zmniejszają przerzuty do kości w modelach przedklinicznych.13,30 Drugim podejściem było zastosowanie małych cząsteczek hamujących transkrypcję PTHrP. Zidentyfikowaliśmy specyficzne małe cząsteczki, które hamują transkrypcję PTHrP przez komórki nowotworowe.31 Cząsteczki te, które są antymetabolitami i zawierają 6-tioguaninę, zostały zidentyfikowane w teście przesiewowym opartym na komórkach i stwierdzono, że zmniejszają osteolizę i obniżają poziom wapnia w surowicy w przedklinicznych modelach przerzutów kostnych i hiperkalcemii. Trzecią możliwością było opracowanie antagonistów PTHrP wiążących się z receptorem PTH, ale jak dotąd nie doprowadziło to do skutecznych terapii. Inną możliwością jest hamowanie transdukcji sygnału PTHrP w komórkach nowotworowych za pomocą małych cząsteczek.32

Regulacja produkcji PTHrP przez komórki nowotworowe jest niezwykle interesującym zagadnieniem. Dlaczego niektóre komórki nowotworowe wykazują ekspresję peptydu, który jest fizjologicznie ważny dla komórek chrząstki płytki wzrostowej? W płytce wzrostowej PTHrP jest regulowany przez szlak Hedgehog i rodzinę mediatorów transkrypcyjnych Gli. Uważamy, że podobne mechanizmy, choć nieco bardziej złożone, są również zaangażowane w proces nowotworzenia. W guzach litych związanych z ekspresją PTHrP stwierdzono, że transkrypcja PTHrP jest napędzana przez członków rodziny Gli, podobnie jak dzieje się to w rozwijającej się płytce wzrostowej.33,34 Komórka nowotworowa wykorzystuje ten zwykle uśpiony rozwojowy szlak Hedgehog, który jest ważny w życiu embrionalnym, aby zwiększyć ekspresję PTHrP, zapoczątkować resorpcję kości i utworzyć nidus dla przerzutów kostnych. Proces ten jest napędzany przez TGF-β, który jest uwalniany do mikrośrodowiska kostnego podczas resorpcji kości, ponieważ jest on najobficiej występującym czynnikiem wzrostu w macierzy kostnej.35,36 To dodaje kolejny poziom zrozumienia błędnego koła pomiędzy komórkami nowotworowymi i osteoklastami w mikrośrodowisku kostnym w raku przerzutowym (Rycina 1).27,37 Tak więc TGF-β uwalniany w wyniku resorpcji kości w mikrośrodowisku kostnym stymuluje ekspresję członków rodziny Gli w szlaku Hedgehog, co z kolei prowadzi do zwiększonej ekspresji PTHrP i resorpcji kości. Resorpcja kości sprzyja wzrostowi komórek nowotworowych i dalszemu uwalnianiu aktywnego TGF-β z macierzy kostnej.

PTHrP jest zatem niezwykle interesującą cząsteczką. Pochodzi z tego samego genu przodka co PTH, ma ograniczoną rolę fizjologiczną w życiu embrionalnym i wczesnym postnatalnym, aby regulować wzrost chrząstki w rozwijających się kościach długich. W życiu dorosłym nie odgrywa on żadnej istotnej roli fizjologicznej, jednak pełni istotną rolę patologiczną, pośrednicząc w niszczeniu kości i hiperkalcemii przez niektóre nowotwory, które nauczyły się aktywować rozwojową ścieżkę Hedgehog i wyrażać PTHrP, co pozwala komórkom nowotworowym stworzyć „bezpieczną przystań” w postaci przerzutów do kości. Wraz ze wzrostem naszej wiedzy na temat tego interesującego procesu, w którym nowotwór niszczy kości, wydaje się pewne, że skuteczne próby farmakologicznego ograniczenia ekspresji PTHrP lub jego działania mogą przynieść potencjalne korzyści dla rzeszy pacjentów z zaawansowaną chorobą nowotworową.

• © 2008 American Society of Nephrology