Endokanabinoidný systém a kosť

Download PDF English version

Authors: Mikuláš Pura ^1,2,3; Peter Vaňuga ¹
Authors‘ workplace: Národný endokrinologický a diabetologický ústav, Ľubochňa, Slovenská republika ¹; Endokrinologická ambulancia, Ružomberok, Slovenská republika ²; Endokrinologická ambulancia, Poliklinika Novamed, Banská Bystrica, Slovenská republika ³
Published in: Vnitř Lék 2016; 62(Suppl 3): 99-102
Category: Reviews

Overview

Pribúdajú dôkazy o tom, že kostný endokanabinoidný systém zohráva dôležitú úlohu v regulácii kostnej hmoty za fyziologických aj patologických podmienok. Oba hlavné endokanabinoidné ligandy (anandamid aj 2-arachidonoylglycerol), receptory endokanabinoidného systému – CB₁-receptor (CB₁R) a CB₂-receptor (CB₂R) a kľúčové enzýmy ich syntézy a degradácie sa nachádzajú, resp. sú exprimované v osteoblastoch aj osteoklastoch. Doterajšie štúdie génu CNR2 identifikovali viaceré rizikové a protektívne varianty sekvencie génu vo vzťahu ku kostnej hustote, resp. k osteoporóze. Selektívne CB₁R-inverzní agonisti/antagonisti, resp. CB₂R-inverzní agonisti/antagonisti sú kandidáti na prevenciu straty kostnej hmoty a kombinovanú antirezorpčnú a osteoformačnú liečbu osteoporózy.

Kľúčové slová:
endokanabinoidy – kanabinoidné receptory – marihuana – osteoporóza

Úvod

V odbornej literatúre z posledného obdobia je možné nájsť množstvo excelentných prehľadových článkov týkajúcich sa histórie, biochémie, farmakológie a liečebného potenciálu endokanabinoidného systému [1–5]. V skratke, tento tvoria:

receptory endokanabinoidného systému (CB-receptory) – CB₁-receptor (CB₁R) kódovaný génom CNR1 (lokus 6q15) a CB₂-receptor (CB₂R) kódovaný génom CNR2 (lokus 1p36)
ligandy – endokanabinoidy (týmito sú najmä N-arachidonoyletanolamín – AEA, syn. anandamid a 2-arachidonylglycerol – 2-AG)
syntetizujúce a degradačné enzýmy

Anandamid (zo sanskritského slova ananda – vnútorná blaženosť) vzniká jednak N-acyl-fosfatidyl-etanolamín-fosfolipáza D (NAPE-PLD)-dependentnou a independentnou cestou, jeho hlavným degradačným enzýmom je amidohydroláza mastných kyselín (FAAH). 2-AG vzniká z inozitol-fosfolipidov pod vplyvom fosfolipázy C a diacylglycerolipáz (DAGLα a DAGLβ), degraduje sa monoacylglycerol-lipázou (MAGL) [6].

Hlavná aktívna zložka konope siatej (Cannabis sativa var. indica, syn. marihuana) (obr. 1) [7] – ∆⁹-tetrahydrokanabinol (THC) sa viaže na oba receptory endokanabinoidného systému. Všadeprítomnosť CB₁R a CB₂R je dôvodom, prečo psychoaktívne účinky, pre ktoré je marihuana najčastejšou zneužívanou látkou, nie sú jedinými účinkami, a už tisíce rokov sa marihuana pestuje a liečebne využíva (okrem množstva ďalších účinkov) napr. na utíšenie bolesti, utlmenie zápalu a ako sedatívum [6]. Prvá písomná zmienka pochádza z Číny, z najstaršieho dochovaného čínskeho liekopisu Šennong Bĕn Căo Jing (Materia Medica Božského sedliaka), z rokov 200–250 nášho letopočtu [6].

**Image 1. Konopa siata (Cannabis sativa) vo vyobrazení Franza Eugena Köhlera z roku 1887**

V nasledujúcom prehľade sa venujeme kostnému endokanabinoidnému systému ako potencionálnemu terapeutickému cieľu u pacientov s osteoporózou, resp. inými kostnými poruchami.

Kostný endokanabinoidný systém

Oba endokanabinoidné ligandy a kľúčové enzýmy ich syntézy a degradácie sa nachádzajú, resp. sú exprimované v osteoblastoch aj osteoklastoch, z čoho vyplýva, že anandamid aj 2-AG sa tvoria lokálne v kostiach. 2-AG nemá priamym pôsobením cez CB₁R na osteoblasty žiadny vplyv, resp. účinkuje ako inverzný agonista. Cez CB₁R kontroluje funkciu osteoblastov inhibíciou uvoľňovania noradrenalínu zo sympatikových zakončení v okolí osteoblastov (obr. 2). Noradrenalín potláča osteoformáciu väzbou na β₂-adrenergný receptor [8]. V kostiach CB₂R-selektívne agonisticky pôsobiaci anandamid in vitro stimuluje proliferáciu osteoblastov a zvyšuje aj počet osteoklastov. Pri štúdiách so zvieracími modelmi sa zistilo, že kostné fenotypy CB₁R aj CB₂R „knockoutovaných“ myší závisia od konkrétnej kmeňovej línie pokusných zvierat alebo vytvorenej z mutácie. Odstránenie 233 terminálnych kodónov z N-konca má pohlavne-dependentný efekt – samičky majú normálnu trabekulárnu kosť s mierne rozšírenou kortikálnou kosťou, kým samčekovia línie CD1 (CD1^CB1-/-) majú kostnú hustotu zvýšenú [9,10]. Normálne parametre osteoformácie a osteorezorpcie svedčia o tom, že u oboch pohlaví vzniká samčí kostný fenotyp. Rovnaké výsledky s identickou mutáciou sa dosiahli aj pri kmeňovej línii ABH [11,12]. Naopak, odstránenie takmer celej proteín-kódujúcej sekvencie u myší línie C57BL6J (C57^CB1-/-) viedlo u oboch pohlaví k zníženej kostnej hustote, zvýšeniu počtu osteoklastov a zníženej osteoformácii [10]. Kostný fenotyp u C57^CB2-/- myší je nezávislý od pohlavia. Počas prvých 2–3 mesiacov života dosahuje trabekulárna kosť normálne prírastky, ale s narastajúcim vekom dochádza k výraznej strate kostnej hmoty. Vo veku jeden rok je kostná hustota v porovnaní s kontrolami polovičná [13]. C57^CB2-/- myši majú veľký kostný obrat so zvýšenou osteorezorpciou aj osteoformáciou s negatívnou bilanciou [13], čím sa zmeny podobajú postmenopauzálnej osteoporóze [14].

**Image 2. Model regulácie osteoformácie interakciou interakciou sympatikových zakončení a CB1-receptorov. Upravené podľa [31]**

Dôležitým zistením je, že znížená kostná hustota je u týchto myší jediným doteraz zisteným fenotypovým prejavom. Keďže C57^CB2-/- myši sú inak zdravé, zdá sa, že hlavnou fyziologickou úlohou CB₂R je udržiavanie rovnováhy kostného obratu. Mladé samičky CD1^CB2^-/-majú s porovnaní s wt-myšami naopak nízky kostný obrat a nadštandardnú trabekulárnu kostnú hmotu. S narastajúcim vekom osteoformácia klesá a vo veku jedného roka nie je oproti wt-myšiam rozdiel v hustote trabekulárnej kosti. Týmto sa líšia oproti fenotypu myší C57^CB2^-/-. U samčekov je kostný fenotyp trabekulárnej kosti nezmenený. Kortikálna kosť u myší oboch pohlaví sa nelíši od wt-myší. Sumárne možno povedať, že:

CB₁R regulujú osteorezorpciu u dospelých myší
v podmienkach zvýšeného kostného obratu môžu CB₁R regulovať stratu kostnej hmoty
deficit CB₁/CB₂ má špecifický dopad v závislosti od typu kosti (trabekulárna vs kortikálna) a pohlavia, zmeny kostnej hustoty postihujú najviac trabekulárnu kosť a sú ovplyvnené genetickými rozdielmi medzi kmeňovými líniami študovaných myší [15]

Zvýšenú kostnú hustotu vďaka poruche osteoklastogenézy pri nepostihnutom množstve osteoblastov majú aj dospelé myši bez receptorov GPR55 [16]. Tieto sa pokladajú za možný 3. typ endokanabinoidných receptorov [17,18]. Kostné abnormality GPR55^-/- myší sa veľmi podobajú zmenám u CB₁^-/- myší [11], na základe čoho sa predpokladá, že receptor GPR55 je súčasťou regulácie účinku endokanabinoidov pri osteorezorpcii [19].

Čiastočnou odpoveďou na otázku, či rozdiely vo výsledkoch štúdií medzi kmeňovými líniami študovaných myší s modelmi deficitov CB₁/CB₂ možno analogicky očakávať aj u ľudí, sú štúdie polymorfizmov génov kódujúcich CB₁R (gén CNR1, lokus 6q15) a najmä CB₂R (gén CNR2, lokus 1p36). Práve lokus 1p36 vo viacerých nezávislých starších štúdiách preukázal spojitosť s rizikom zníženej kostnej hustoty a osteoporózy [20,22–25]. Na krátkom ramienku sa nachádzajú viaceré gény, ktorých zmeny sa spájajú s rizikom zníženej kostnej hustoty – gén ALPL pre tkanivovo-nešpecifický izoenzým alkalickej fosfatázy podmieňujúci adultnú a detskú formu hypofosfatázy, gén MTHFR pre metyltetrahydrofolátreduktázu podmieňujúci homocysteinémie, gén PLOD1 pre prokolagén-lyzín, 2-oxoglutarát 5-dioxygenázu 1 podmieňujúci Ehlersov-Danlosov syndróm typ VI a gén HSPG2 pre špecifický heparansulfát proteoglykán jadrový proteín bazálnej membrány podmieňujúci Schwartov-Jampelov syndróm typ 1 [25]. Ani v jednej zo štúdií však nebol ako kandidátny gén identifikovaný gén CNR2. Doterajšie asociačné štúdie jediného kódujúceho exónu génu CNR2 realizované v kaukazoidnej/evropoidnej [26] aj mongoloidnej [27–29] populácii zhodne identifikovali viaceré rizikové a protektívne varianty sekvencie génu vo vzťahu ku kostnej hustote/k etiológii osteoporózy u ľudí [26–29].

Endokanabinoidné receptory regulujú osteoklastogenézu aj nepriamo – ovplyvňovaním spriahnutia procesov osteoformácie a osteorezorpcie (tzv. coupling phenomenon). Tvorba osteoklastov je výrazne nižšia v kultúrach kostnej drene, v ktorých boli osteoblasty pripravené z CB₁^-/- myší [20,21]. Dôvodom je nižšia expresia RANKL na osteoblastoch, v dôsledku čoho sú osteoblasty menej schopné stimulovať aktiváciu a novotvorbu osteoklastov [20]. Špecifickí CB₂R-agonisti HU-308, HU-433 a JWH133 zmierňujú stratu kostnej hmoty u ovarektomovaných zvierat [12,13,30]. CB₁R/CB₂R-špecifické ligandy (selektívne CB₁R-inverzní agonisti/antagonisti, resp. CB₂R-inverzní agonisti/antagonisti) bez výskytu vedľajších psychických účinkov sú preto kandidáti na prevenciu straty kostnej hmoty a kombinovanú antirezorpčnú a osteoformačnú liečbu osteoporózy (schéma) [19,31].

**Schéma. Model prevencie a liečby osteoporózy s použitím kanabinoidných ligandov. Upravené podľa [19]**

Záver

Množstvo otázok týkajúcich sa pôsobenia „endokanabinoidómu“, tj. systému aktuálne s >100 metabolitmi a > 25 proteínmi, ostáva otvorených. Pribúdajú dôkazy o tom, že kostný endokanabinoidný systém zohráva dôležitú úlohu v reguláciu kostnej hmoty za fyziologických aj patologických podmienok. Trestnosť prechovávania a užívania marihuany vo väčšine krajín limituje údaje z klinických štúdií a údaje týkajúce sa THC sú tak vo veľkej miere založené na retrospektívnych dátach, kazuistických popisoch a zvieracích modeloch. Rozchádzajú sa názory laickej, ako aj odbornej verejnosti na postavenie marihuany v rebríčku drôg. Treba podotknúť, že v porovnaní s marihuanou je dopad iných spoločensky široko rozšírených drôg (alkohol, nikotín) hodnotený sumárom ujmy užívateľa a spoločnosti omnoho väčší [32–35], nehovoriac o tom, že ich liečebný potenciál je nulový.

Objavy nových látok ako napr. fluorofor-konjugovanej CB₂R-selektívnej zlúčeniny CM-157 (3-[[4-[2-tert-butyl-1-(tetrahydropyran-4-ylmetyl)benzimidazol-5-yl]sulfonyl-2-pyridyl]oxy]propán-1-amín) čoskoro umožnia farmakologickú charakteristiku CB₂R [36] a uľahčia vývoj selektívnych agonistov CB-receptorov so sľubným potenciálom v liečbe osteoporózy.

Legendárny Šen Nung – Božský sedliak, praotec Číňanov a Vietnamcov, žil údajne v rokoch 2 838–2 698 p. n. l. (tj. úctyhodných 140 rokov!), podľa inej legendy dokonca až božských 5 000 rokov. Ani jeden z uvedených číselných údajov dlhovekosti nedosiahne ani jeden z nás, či už s alebo bez ovplyvnenia svojho endokrinného a endokanabinoidného systému endo- či exo(fyto)kanabinoidmi. Veríme však tomu, že jubilujúci 80ročný prof. Zamrazil, legenda českej a slovenskej endokrinológie, bude ešte dlho Šen Nungovi šliapať na päty.

Venované prof. MUDr. Václavovi Zamrazilovi, DrSc., pre ktorého sú hormóny drogou.

prim. MUDr. Peter Vaňuga, CSc.

peter.vanuga@nedu.sk

Endokrinologické oddelenie, Národný endokrinologický a diabetologický ústav, Ľubochňa, Slovenská republika

www.nedu.sk

Doručeno do redakce 6. 9. 2016

Přijato po recenzi 17. 9. 2016

Sources

1. Bab I, Zimmer A, Melamed E. Cannabinoids and skeleton: from marijuana to reversal of bone loss. Ann Med 2009; 41(8): 560–567. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1080/07853890903121025>.

2. Lambert DM, Fowler CJ. The endocannabinoid system: drug targets, lead compounds, and potential therapeutic applications. J Med Chem 2005; 48(16): 5059–5087.

3. Pertwee RG. Cannabinoid pharmacology: the first 66 years. Br J Pharmacol 2006; 147(Suppl 1): S163-S171.

4. Kogan NM, Mechoulam R. Cannabinoids in health and disease. Dialogues Clin Neurosci 2007; 9(4): 413–430.

5. Marx J. Drug development. Drugs inspired by a drug. Science 2006; 311(5759): 322–325.

6. Fattore L (ed). Canabinoids in neurologic and mental disease. Elsevier: San Diego 2015. ISBN 978–0124170414

7. Köhler FE. Medizinal-Pflanzen in naturgetreuen Abbildungen mit kurz erläuterndem Texte. Gera-Untermhaus: 1887. Dostupné z WWW: Dostupné z DOI: http://www.botanicus.org/item/31753002839139.

8. Raphael B, Gabet Y. The skeletal endocannabinoid system: clinical and experimental insights. J Basic Clin Physiol Pharmacol 2016; 27(3): 237–245. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1515/jbcpp-2015–0073>.

9. Ledent C, Valverde O, Cossu G et al. Unresponsiveness to cannabinoids and reduced addictive effects of opiates in CB1 receptor knockout mice. Science 1999; 283(5400): 401–404.

10. Tam J, Ofek O, Fride E et al. Involvement of neuronal cannabinoid receptor CB1 in regulation of bone mass and bone remodeling. Mol Pharmacol 2006; 70(3): 786–792.

11. Idris AI, van’t Hof RJ, Greig IR et al. Regulation of bone mass, bone loss and osteoclast activity by cannabinoid receptors. Nat Med 2005; 11(7): 774–779.

12. Bab I, Ofek O, Tam J et al. Endocannabinoids and the regulation of bone metabolism. J Neuroendocrinol 2008; 20(Suppl 1): S69-S74. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1111/j.1365–2826.2008.01675.x>.

13. Ofek O, Karsak M, Leclerc N et al. Peripheral cannabinoid receptor, CB2, regulates bone mass. Proc Natl Acad Sci 2006; 103(3): 696–701.

14. Brown JP, Delmas PD, Malaval L et al. Serum bone Gla-protein: a specific marker for bone formation in postmenopausal osteoporosis. Lancet 1984; 1(8386): 1091–1093.

15. Sophocleous A, Idris AI, Ralston SH. Genetic background modifies the effects of type 2 cannabinoid receptor deficiency on bone mass and bone turnover. Calcif Tissue Int 2014; 94(3): 259–268. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1007/s00223–013–9793–8>.

16. Whyte LS, Rynerg E, Sims NA et al. The putative cannabinoid receptor GPR55 affects osteclast function in vitro and bone mass in vivo. Proc Natl Acad Sci 2009; 106(38): 16511–16516. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0902743106>.

17. Ryberg E, Larsson N, Sjogren S et al. The orphan receptor GPR55 is a novel cannabinoid receptor. Br J Pharmacol 2007; 152(7): 1092–1101.

18. Begg M, Pacher P, Batkai S et al. Evidence for novel cannabinoid receptors. Pharmacol Ther 2005; 106(2): 133–145.

19. Idris AI. Cannabinoid receptors as target for treatment of osteoporosis: a tale of two therapies. Curr Neuropharmacol 2010; 8(3): 243–253. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.2174/157015910792246173>.

20. Idris AI, Sophocleous A, Landao-Bassonga E et al. Cannabinoid receptor type 1 protects against age-related osteoporosis by regulating osteoblast and adipocyte differentiation in marrow stromal cells. Cell Metab 2009; 10(2): 139–147. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2009.07.006>.

21. Idris AI, Sophocleous A, Landao-Bassonga E et al. Regulation of bone mass, osteoclast function, and ovariectomy-induced bone loss by the type 2 cannabinoid receptor. Endocrinology 2008; 149(11): 5619–5626. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1210/en.2008–0150>.

22. Devoto M, Shimoya K, Caminis J et al. First-stage autosomal genome screen in extended pedigrees suggests genes predisposing to low bone mineral density on chromosomes 1p, 2p and 4q. Eur J Hum Genet 1998; 6(2): 151–157.

23. Devoto M, Specchia C, Li HH et al. Variance component linkage analysis indicates a QTL for femoral neck bone mineral density on chromosome 1p36. Hum Mol Genet 2001; 10(21): 2447–2452.

24. Devoto M, Spotila LD, Stabley DL et al. Univariate and bivariate variance component linkage analysis of a whole-genome scan for loci contributing to bone mineral density. Eur J Hum Genet 2005; 13(6): 781–788.

25. Valdéz-Flores M, Casas-Avila L, Ponce de León-Suárez V. Genetic diseases related wih osteoporosis. In: Valdéz-Flores M (ed). Topics in osteoporosis. In Tech. Dostupné z WWW: http://www.intechopen.com/books/howtoreference/topics-in-osteoporosis/genetic-diseases-related-with-osteoporosis.

26. Karsak M, Cohen-Solal M, Freudenberg J et al. Cannabinoid receptor type 2 gene is associated with human osteoporosis. Hum Mol Genet 2005; 14(22): 3389–3396.

27. Yamada Y, Ando F, Shimokata H. Association of candidate gene polymorphisms with bone mineral density in community-dwelling Japanese women and men. Int J Mol Med 2007; 19(5): 791–801.

28. Zhang C, Ma J, Chen G et al. Evaluation of common variants in CNR2 gene for bone mineral density and osteoporosis susceptibility in postmenopausal women of Han Chinese. Osteoporosis Int 2015; 26(12): 2803–2810. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1007/s00198–015–3195-x>.

29. Woo JH, Kim H, Kim JH et al. Cannabinoid receptor genepolymorphisms and bone mineral density in Korean postmeonpausal women. Menopause 2015; 22(5): 512–519. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1097/GME.0000000000000339>.

30. Smoum R, Baraghithy S, Chourasia M et al. CB2 cannabinoid receptor agonist enantiomers HU-433 and HU-308: an inverse relationship between binding affinity and biological potency. Proc Natl Acad Sci USA 2015; 112(28): 8774–8779. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1503395112>.

31. Raphael B, Gabet Y. The skeletal endocannabinoid system: clinical and experimental insights. J Basic Clin Physiol Pharmacol 2016; 27(3): 237–245. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1515/jbcpp-2015–0073>.

32. Nutt D, King LA, Saulsbury W et al. Development of a rational scale to assess the harm of drugs of potential misuse. Lancet 2007; 369(9566): 1047–1053.

33. Nutt DJ, King LA, Phillips LD et al. Independent Scientific Committee on Drugs. Drug harms in the UK: a multicriteria decision analysis. Lancet 2010; 376 (9752): 1558–1565. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1016/S0140–6736(10)61462–6>.

34. Hanuš LO, Kotrba Š. Nad léčivými jointy s Lumírem Hanušem. Britské listy [18–09–2008]. Dostupné z WWW: http://blisty.cz/art/42801.html.

35. Holland J (ed). Tráva. Kompletní průvodce světem marihuany v medicíně, vědě, kultuře a politice. Pragma: Praha 2014. ISBN 978–80–7349–408–7

36. Martínez-Pinilla E, Rabal O, Reyes-Resina I et al. Two affinity sites of the cannabinoid subtype 2 receptor identified by a novel homogeneous binding assay. J Pharmacol Exp Ther 2016; 358(3): 580–587. Dostupné z DOI: <http://dx.doi.org/10.1124/jpet.116.234948>.