La lactoferricina bovina (LfcinB) es un péptido multifuncional derivado de la lactoferrina bovina que demuestra actividades antibacterianas, antifúngicas, antivirales, antitumorales e inmunomoduladoras. Recientemente, los estudios se han centrado en el potencial anticatabólico y antiinflamatorio del LfcinB. La LfcinB es capaz de modular los efectos de citoquinas como la IL-1 y el factor de crecimiento de fibroblastos 2, así como de promover factores anabólicos específicos del cartílago. Estas propiedades son particularmente importantes para mantener la homeostasis del cartílago y prevenir un estado catabólico, que conduce a la patología clínica. Esta revisión se centra en la literatura reciente que dilucida el papel de LfcinB en la prevención de la degradación del cartílago.
Introducción
Las enfermedades degenerativas del cartílago como la osteoartritis (OA) en las articulaciones y la enfermedad degenerativa del disco (DDD) en la columna vertebral son enfermedades prevalentes que imparten un impacto significativo en la sociedad actual. La OA es la principal causa de discapacidad entre la población de edad avanzada (1), y la DDD contribuye a la naturaleza debilitante del dolor de espalda crónico (2-4). En la actualidad, se desconoce en gran medida la patogénesis de estas dos afecciones, pero ambas implican el deterioro y la degradación progresivos del tejido cartilaginoso. La literatura reciente se ha centrado en la comprensión de muchos de los procesos fisiopatológicos implicados en la degradación del cartílago, con la intención de desarrollar nuevas terapias dirigidas a frenar y/o revertir estas enfermedades.
En condiciones normales, tanto los condrocitos articulares como las células del disco intervertebral (DIV) mantienen un equilibrio dinámico entre la síntesis y la descomposición de los componentes de la matriz extracelular (MEC) (5, 6). En los estados degenerativos, se produce una alteración del equilibrio de la matriz, lo que conduce a la pérdida progresiva de tejido cartilaginoso, a la supresión de la producción de proteoglicanos (PG) y a la expansión clonal de las células en las regiones agotadas. El metabolismo de los condrocitos está desequilibrado debido a la producción excesiva de mediadores catabólicos, entre los que se encuentran las metaloproteasas de la matriz (MMP), las aggrecanasas (ADAMTS) y otras citocinas y factores de crecimiento liberados por los condrocitos que contribuyen a la destrucción de la MEC (7-9). Por lo tanto, la identificación de nuevos factores de crecimiento o mediadores que supriman bioquímicamente las vías catabólicas y/o antianabólicas implicadas en la degradación del cartílago puede cambiar la homeostasis hacia un estado proanabólico, sirviendo potencialmente como una estrategia terapéutica para frenar tanto la OA como la DDD.
Es interesante que varios estudios recientes hayan revelado el potencial de la glicoproteína lactoferricina bovina (LfcinB), y su precursor lactoferrina bovina (bLf), para inducir efectos anticatabólicos, proanabólicos y antiinflamatorios en el cartílago. Identificada por primera vez en la leche bovina en 1939 (10), la bLf es una glicoproteína de 80 kDa que se encuentra en las secreciones de las mucosas, los fluidos sinoviales, el plasma y los gránulos de los neutrófilos (11) y desempeña un papel clave en diversas vías antibacterianas, antivirales, anticancerígenas y antiinflamatorias (12). Recientemente, se ha descubierto que el bLF tiene valor terapéutico en las etiologías musculoesqueléticas. Por ejemplo, la administración oral de bLF en un modelo de artritis adyuvante en ratas suprimió el desarrollo de artritis e hiperalgesia (13), sugiriendo sus propiedades anticatabólicas y antiinflamatorias en las articulaciones sinoviales. Estos resultados se ven corroborados por otros en los que las inyecciones periarticulares de LF humano suprimieron la inflamación local en un modelo de artritis séptica murina (14).
La LfcinB se forma por escisión mediada por pepsina de la glicoproteína bLf, un miembro clave de la familia de la transferrina. La LfcinB se ha extraído del contenido gástrico ácido de los seres humanos tras la digestión de la bLf (15). Al igual que la bLF, la LfcinB ejerce una variedad de efectos en varios tejidos y organismos diferentes. Los efectos antibacterianos de LfcinB ya han sido bien documentados. Cuando se libera de su proteína madre, LfcinB se transforma de una estructura α-hélica a una estructura β-pinza anfipática, permitiendo que el péptido se una a las membranas bacterianas con alta afinidad (16). Una vez unido, el LfcinB aumenta la permeabilidad de la membrana celular, provocando así un efecto bactericida (17). Los estudios en otros sistemas biológicos también revelan efectos antifúngicos, antiparasitarios, antivirales, antitumorales e inmunomoduladores mediados por la LfcinB (17-19), de forma muy similar a la bLf. Dadas sus similitudes estructurales, estos hallazgos sugieren que lo más probable es que el N-terminal hidrofóbico básico de bLf (que contiene los residuos de LfcinB) sea el responsable de estos efectos compartidos (20).
Esta revisión se centrará en los potentes efectos anticatabólicos y antiinflamatorios de la LfcinB tanto en el cartílago articular como en el DIV, que destacan su potencial como agente terapéutico para la OA y la DDD en el futuro.
La lactoferricina en el cartílago articular
La homeostasis del cartílago se mantiene gracias a un delicado equilibrio entre las vías catabólicas y anabólicas. Cuando este equilibrio se interrumpe, las vías catabólicas suelen predominar e inducir la degeneración del cartílago, manifestada clínicamente como OA. El efecto de la LfcinB en las vías catabólicas asociadas a la degradación del cartílago fue investigado por primera vez por Yan et al. (21). En su estudio, el cartílago articular humano y la membrana sinovial se cultivaron con IL-1β y el factor de crecimiento de fibroblastos 2 (FGF-2) (dos moléculas conocidas por impulsar el catabolismo en el cartílago articular), con o sin LfcinB. Demostraron que la LfcinB inhibe potentemente los efectos catabólicos tanto de la IL-1β como del FGF-2. En particular, en los condrocitos articulares humanos y en los fibroblastos sinoviales tratados con IL-1β y FGF-2, la expresión de las enzimas que degradan la matriz (es decir, MMP-1, MMP-3 y MMP-13) y de las ADAMTS (es decir, ADAMTS4 y ADAMTS5) se redujo tanto a nivel de ARNm como de proteínas en presencia de LfcinB. Este hallazgo es significativo, ya que se ha demostrado que las MMP y las ADAMTS contribuyen a la degradación del cartílago (22), y la búsqueda de formas de disminuir sus actividades ha sido el objetivo de múltiples estudios (23, 24).
Yan y sus colegas también dilucidaron que la LfcinB puede interferir con las actividades catabólicas del FGF-2 (también conocido como FGF básico) al unirse potencialmente a proteoglicanos de heparán sulfato (HSPG) como el sindecán 4 (21). El syndecan 4 facilitó la unión del FGF-2 al receptor del FGF en la superficie celular. La capacidad de LfcinB de unirse a syndecan se ha descrito anteriormente. Mader et al. (25) descubrieron que la LfcinB se une al sindecán, impidiendo la unión del FGF-2 y del factor de crecimiento endotelial vascular (VGEF) en células endoteliales de la vena umbilical de humanos y ratones. Se ha propuesto un mecanismo similar en las células del cartílago articular (21). La LfcinB se une de forma competitiva al syndecan e impide que el FGF-2 se una a su receptor celular articular, impidiendo así sus cascadas de señalización catabólica y/o antianabólica descendentes (21).
Además de la supresión de los mediadores catabólicos, la LfcinB también inhibe los mediadores inflamatorios en el cartílago articular (21). En el cartílago articular, LfcinB disminuyó la expresión de varios genes proinflamatorios, como la IL-6 y el receptor tipo Toll 2 (TLR-2). La IL-6 puede incitar la degeneración del cartílago a través de mecanismos autocrinos y paracrinos, y el TLR-2 incita una respuesta inmunitaria innata y la inflamación en las articulaciones con OA (26, 27). Además, la LfcinB también reguló al alza las citoquinas antiinflamatorias, incluidas la IL-4 y la IL-10 (21). Al modular simultáneamente las actividades proinflamatorias y antiinflamatorias, la LfcinB causó una reducción general de la inflamación en la OA.
En un estudio de seguimiento, Yan et al. (28) caracterizaron aún más las vías de señalización utilizadas por la LfcinB y descubrieron otro mediador anticatabólico regulado al alza en presencia de la LfcinB (28), el inhibidor tisular de la metaloproteinasa 3 (TIMP-3). Este hallazgo es significativo, ya que TIMP-3, a diferencia de los otros miembros de la familia TIMP (TIMP-1-4), es un potente inhibidor con un espectro de sustratos relevante en la biología del cartílago, incluyendo MT-MMPs, ADAMTS4, ADAMTS5 y la convertasa del factor de necrosis tumoral (29, 30). Dado que TIMP-3 es el único inhibidor endógeno de ADAMTSs (31), esto puede explicar por qué LfcinB fue capaz de bloquear el agotamiento de PG por IL-1β y FGF-2 ex vivo (19).
Aunque muchas de las vías de señalización descendentes mediadas por LfcinB siguen siendo en gran parte desconocidas, estudios recientes han comenzado a descubrir cascadas específicas estimuladas por LfcinB en el cartílago articular humano. Mediante la inhibición farmacológica de las vías ERK, Akt y p38, Yan et al. (28) determinaron que la vía ERK-1/2 mediaba la mayor parte de los efectos de LfcinB en los condrocitos articulares. Además, los estudios mecanísticos sobre la transcripción de TIMP-3 inducida por LfcinB descubrieron un papel esencial del factor de transcripción Sp1 (32, 33). Sp1 pertenece al núcleo de la maquinaria transcripcional durante la inducción de TIMP-3, ya que la anulación de Sp1 anula la expresión de TIMP-3 inducida por LfcinB (32). Curiosamente, Sp1 también fue fundamental para la producción de TIMP-3 mediada por TGF-β (33), lo que sugiere que este programa transcripcional puede ser activado por diferentes entradas de señalización.
En un estudio aún no publicado, Yan et al. demuestran además que la citocina antiinflamatoria IL-11 fue dramáticamente regulada por LfcinB. Este aumento de la IL-11 fue el resultado de la activación de la vía ERK-1/2, que posteriormente activó el heterodímero c-Fos/JunD para iniciar la transcripción. La IL-11 inducida estimuló entonces cascadas antiinflamatorias y anticatabólicas a través de la inducción de TIMP-1 de forma dependiente de Stat3.
En base a estos estudios, planteamos la hipótesis de que LfcinB promueve actividades antiinflamatorias y anticatabólicas a través de tres mecanismos (Figura 1): (i) la unión competitiva de LfcinB a los HSPGs, impidiendo así la señalización eficiente de IL-1 y FGF-2; (ii) la inducción de TIMP-3 para limitar las actividades proteolíticas endógenas; y (iii) la inducción de citoquinas protectoras, particularmente IL-11, que promueven la antiinflamación y el anticatabolismo. Aunque estos estudios han proporcionado la base para entender el papel de LfcinB en el cartílago articular, se necesitan más estudios para diseccionar las vías exactas y los genes diana regulados por LfcinB.
Figura 1
LfcinB utiliza múltiples mecanismos para promover procesos celulares anticatabólicos y antiinflamatorios. (i) LfcinB compite con IL-1β y FGF-2 por la unión a HSPG. Si no se une a sus correceptores, la IL-1β y el FGF-2 no pueden desencadenar la señalización posterior. (ii) La HSPG unida a la LfcinB activa las vías ERK-1/2 MAPK y Akt. La ERK-1/2 activa posteriormente el factor de transcripción Sp1 y se coordina con la Akt activa en la regulación del TIMP-3. A continuación, TIMP-3 se dirige a las proteasas para reducir las actividades colagenolíticas y agrancanolíticas. (iii) Paralelamente, la ERK-1/2 activa promueve la dimerización de c-Fos y JunD, y el heterodímero resultante transactiviza la IL-11. La proteína IL-11 segregada puede unirse a su complejo de receptores afines (IL-11Rα y gp130) y activar la vía Stat3. Tras translocarse al núcleo, Stat3 regula la expresión de TIMP-1, que limita aún más las actividades proteolíticas extracelulares.
Lactoferricina en las células del DIV
Otra área en la que la LfcinB se ha mostrado muy prometedora como opción terapéutica potencial ha sido en la degeneración del núcleo pulposo (NP) del DIV. Al igual que el cartílago articular, el mantenimiento de la homeostasis del tejido del NP depende de un equilibrio entre los procesos anabólicos y catabólicos. Cuando este equilibrio se altera, se inicia la degeneración del DIV, que puede culminar en un dolor de espalda crónico para el paciente.
Kim et al. (34) examinaron los efectos de la LfcinB en el DIV de tejido bovino y humano. Demostraron que la adición de LfcinB a un cultivo de células NP provocaba un aumento de la síntesis de PG. Uno de los mecanismos por los que LfcinB aumentó la síntesis de PG fue a través de la regulación al alza de SOX-9. SOX-9 es un factor de transcripción clave que ha demostrado aumentar la expresión de aggrecan y colágeno tipo II en las células NP bovinas (35, 36). Las células cultivadas con LfcinB tienen concentraciones de SOX-9 casi 2,5-3,0 veces mayores, dependiendo de la dosis de LfcinB, en comparación con las que no tienen LfcinB, lo que demuestra su capacidad para promover las vías anabólicas en el tejido del PN bovino (34). Además de la promoción de SOX-9, hay pruebas de la supresión de enzimas clave que degradan el cartílago, como MMP-1, MMP-13 y ADAMTS5. Esta supresión se complementó con la promoción de múltiples TIMPs, incluyendo TIMP-1, TIMP-2 y TIMP-3, consolidando aún más el papel anticatabólico de la LfcinB (34). Por último, se dilucidaron las vías de señalización por las que la LfcinB ejerce sus efectos anabólicos. Se evaluó la activación de los subgrupos de la proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK) (ERK, p38 y JNK), y sólo las vías ERK y p38 se activan con la presencia de LfcinB, mientras que la vía JNK no se activó en ningún momento (34). El grado de implicación de cada vía activada se evaluó utilizando inhibidores farmacológicos específicos. La inhibición de la vía p38 condujo a una disminución significativa de la inducción del gen aggrecan por debajo del nivel del grupo de control. La inhibición de la vía ERK también condujo a una disminución de la inducción de agrecano, pero no en la medida de la inhibición de p38 (34).
Ellman et al. (37) investigaron además la vía de señalización a través de la cual actúa LfcinB e identificaron una relación sinérgica entre LfcinB y otro mediador anabólico: la proteína morfogenética ósea 7 (BMP-7). En su estudio, el tratamiento de las células del DIV bovino con la combinación de LfcinB y BMP-7 condujo a un mayor aumento de la acumulación y la síntesis de PG, así como a la inducción del gen aggrecan. Propusieron que el mecanismo sinérgico era el resultado de la activación compartida de SMAD-1/5/8 por la BMP-7 y la LfcinB (38, 39). Además, la LfcinB reguló a la baja el SMAD-6 (un potente inhibidor del SMAD-1/5/8), así como el Noggin (un inhibidor de la BMP-7) (37). La disminución de estos factores inhibidores permite que la LfcinB elimine la retroalimentación negativa sobre la BMP-7 y permita la máxima contribución anabólica de la BMP-7. Los autores concluyeron que esta combinación podría utilizarse clínicamente en la prevención y el tratamiento de la degeneración del DIV (37).
Un estudio de seguimiento realizado por Kim et al. (40) proporciona más información sobre la naturaleza antiinflamatoria de la LfcinB en el DIV. Este estudio se centró principalmente en la interacción de LfcinB con los mediadores inflamatorios IL-1 y la endotoxina lipopolisacárido (LPS). Se ha demostrado que tanto la IL-1 como el LPS son potentes mediadores inflamatorios que provocan la degeneración de las células del DIV (41, 42). Mediante sus experimentos, Kim et al. (40) demostraron que el LfcinB induce un aumento de la formación de matriz pericelular cuando se añade a cultivos de DIV bovino. Este efecto anabólico fue tan potente que la adición de LfcinB rescató la formación de matriz pericelular suprimida en presencia de IL-1 y LPS. La adición de LfcinB también suprimió la producción mediada por IL-1 y LPS de MMP-1, MMP-3, MMP-13 y ADAMTS-5, que han demostrado estar implicadas en la degeneración del disco. Por último, la adición de LfcinB a los cultivos del DIV que contenían IL-1 y LPS condujo a la atenuación de la regulación al alza de TLR-2 y TLR-4. TLR-2 y TLR-4 tienen importantes funciones reguladoras en las vías inflamatorias y oxidativas que conducen a la degeneración del DIV (27, 43). La capacidad de suprimir la expresión de los TLR, así como de otros mediadores catabólicos, demuestra el potente potencial anticatabólico de LfcinB en el DIV.
Kim et al. (40) también investigaron el potencial terapéutico de LfcinB examinando cultivos de órganos ex vivo de DIV de conejos blancos de Nueva Zelanda y ratones. Antes del cultivo, los discos se inyectaron en bloque con LfcinB (200 μg por disco de conejo y 100 μg por disco de ratón). Los discos con LfcinB y los discos de control sin inyecciones de LfcinB se cultivaron en un medio que contenía IL-1, LPS o ninguno de los dos. Los discos sin la inyección de LfcinB presentaban una depleción significativa de PG en presencia de IL-1 y LPS, así como una disminución de la celularidad en la matriz pericelular. Los discos inyectados con LfcinB demostraron una atenuación del efecto de la IL-1 y el LPS. Este hallazgo es significativo para demostrar el potencial de LfcinB como agente terapéutico contra las activaciones catabólicas de IL-1 y LPS en el DIV.
Conclusión
La lactoferricina es una molécula que ha demostrado tener múltiples funciones en varios sistemas biológicos. Su papel en el sistema musculoesquelético está empezando a dilucidarse. En particular, las propiedades antiinflamatorias y anticatabólicas de la LfcinB la convierten en una opción atractiva para el tratamiento de la DDD y la degeneración del DIV. Ambos procesos patológicos son el resultado de potentes mediadores inflamatorios y catabólicos que desplazan el equilibrio homeostático hacia el catabolismo. Se necesitan más estudios para dilucidar los mecanismos exactos y las vías activadas por el LfcinB; sin embargo, el potencial del LfcinB como opción terapéutica en la OA y la DDD es muy prometedor.
Este trabajo fue apoyado por las subvenciones R01 del NIH NIAMS de AR053220 (a H.-J.I.) y AR062136 (a H.-J.I.).
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