כיצד משפיעות מולקולות בלתי צפויות על בריאות העצם: על גישות חדשות לטיפול או מניעת אוסטיאופורוזיס, חלק א`.

פרופ' בן-עמי סלע, מנהל המכון לכימיה פתולוגית, מרכז רפואי שיבא, תל-השומר; החוג לגנטיקה מולקולארית וביוכימיה, פקולטה לרפואה, אוניברסיטת תל-אביב.

גופנו ממשיך לספק הפתעות לטוב או לרע, ואם לשפוט מתוצאותיהם של מחקרים קליניים בשני הדורות האחרונים, אנו עדיין רחוקים מהבנת רוב סודותיו.

אולי כדאי הפעם להתעכב דווקא על רקמת העצם, שתמיד הצטיירה כרקמה גרוּמה, כמעט מאובנת, כאשר התחושה הבלתי מושכלת בדיעבד, הייתה שעצמות השלד מהוות רקמה עם פעילות ביוכימית מצומצמת, שכן תהליך ההתחדשות (turn-over) מוגבל יחסית לכאורה לרקמות "רכות" בגוף.

דברים אלה הוכחו כלא נכונים כלל ועיקר: עצמות השלד, נמצאות בשווי משקל דינאמי בלתי פוסק בין פעילותם של תאים בוני עצם-אוסטיאובלסטים, ותאים זוללי עצם-אוסטיאוקלסטים. זאת ועוד, מינראלים כמו סידן וזרחן, ויטמין D, והורמון פארא-תירואידי- PTH, ויחסי הגומלין בין כל אלה, קובעים לא מעט את חוזק העצם, או התרופפותה, בתהליך ספיגת העצם או האוסטיאופורוזיס.

בתהליך הידוע כ-remodeling, גופנו מפרק באופן בלתי-פוסק את רקמת העצם, סופג אותה ובונה אותה מחדש.

בשלושים השנים הראשונות לחיים, יותר רקמת עצם חדשה נבנית מאשר נספגת, אך בערך בגיל 30, תהליך ספיגת העצם מתחיל להיות משמעותי יותר מאשר תהליך בנייתו, כך שתהליך האוסטיאופורוזיס מתחיל כבר מתחילת העשור הרביעי.

כיוון שעצמות השלד "נושׂאות" על עצמן את מלוא משקל הגוף ותנועותיו, והן נחשפות לאורך כל חיינו לשחיקה בלתי פוסקת, הן נזקקות למנגנוני תיקון בלתי פוסקים.

לכן העצם מכילה מערכות רישוּת (networks) המגשרות בין תאים יוצרי עצם (אוסטיאוציטים), תאים דמויי כוכב (stellate) הנמצאים בתוך לקוּנוֹת במח העצם, שכל אחד מהם מכיל 50 עד 70 שלוחות או הסתעפויות הקושרים אותם עם תאים אחרים, ליצירת רשת שתפקידה לגלות שינויים במבנה המכני של העצם כתוצאה מעקה או הזדקנות העצם.

שינויים כאלה אחראיים לתהליך ה-remodeling, החיוני כל כך לבריאות העצם ופועל כשורה בגיל הצעיר, כאשר אוסטיאוקלסטים סופגים חומר של עצם שניזוקה, ואוסטיאובלסטים מחליפים חומר "אובד" זה ברקמת עצם חדשה במיקום ובכמות הנכונים. עם התקדמות הגיל, חלה התמעטות בתהליכי יצירת העצם, בפרט ביצירה חדשה של עצם קומפקטית בהיקף של עצמות, המתמעטת משמעותית.

עם השנים העצם הקורטיקאלית (היקפית) אכן הולכת ונעשית דקה ומחוררת יותר, וגם העצם הטרבקולארית (ספוגית) שבימים צעירים יותר היא בעלת מבנה המזכיר חלת-דבש, הופכת דקה יותר, החללים הפנימיים שלה (לקונות) גדלים, מה שמגדיל את הסיכון לשברי נפילה ב-40 עד 50% בנשים וב-30% בגברים.

על פי הערכות, אוסטיאופורוזיס היה אחראי ליותר מאשר 2 מיליון מקרי שבר בארה"ב בשנת 2005, והיא פוגעת היום ב-10 מיליוני אמריקנים מעל גיל 50 שנה, ומספר זה הולך וגדל בהדרגה ככל שתוחלת חיינו עולה.

אין תרופה למניעת אוסטיאופורוזיס, ורוב התרופות המשמשות כיום בתחום זה כגון ביפוספונאטים, נועדות להאט את התהליך, על ידי הפחתת ספיגת עצם ופחות על ידי הגברת בנייתה.

הצורך לפתח תרופות בעלות אופי אנאבולי, כלומר כאלה שתעזורנה לבניית עצם יותר מאשר תמנענה ספיגתה, הביא את חברת Eli Lilly  כבר בשנת 2002 לייצר את התרופה teriparatide, (שם מותג Forteo). זה למעשה פפטיד ריקומביננטי בן 34 חומצות אמיניות המהווה את הקצה האמיני של הורמון הפארא-תירואיד האנושי, PTH, ואכן התרופה מכונה גם PTH 1-34.  
 

הורמון הפארא-תירואיד, או הורמון יותרת-בלוטת- התריס, משמש כתווך מרכזי בתהליכי פרוק ובנייה של העצם. הורמון זה, הוא פּפּטיד המורכב מ-84 חומצות אמיניות, המופרש מבלוטת הפארא-תירואיד בתגובה לרמות מופחתות של סידן בדם, והשפעתו להחזיר את רמות הסידן לנורמה בהגברת הספיגה מחדש של סידן באבוביות הכליה ומניעת הפרשתו בשתן.

בנוסף, מגביר ההורמון PTH את הסינתזה של נגזרת הדוּ-הידרוקסידית של ויטמין D, וזה מגביר את ספיגת הסידן מהמזון במעי.

כאן יש להתעכב לרגע על מה שידוע כ"פאראדוקס של PTH": חשיפה מתמדת לרמה מוגברת של ההורמון PTH מביאה לאובדן רקמת עצם, ואילו חשיפה לסירוגין, לדוגמה על ידי מספר הזרקות יומיות של PTH בחיות מעבדה מגבירה את בנית העצם.

הבסיס הפיסיולוגי לתצפיות אלה אינו ברור עדיין, ויש מעלים מספר אפשרויות: PTH מעכב את תהליך האפּוֹפּטוֹזיס (מות התאים המתוכנן) של התאים בוני העצם-האוסטאובלסטים, וכן PTH מעודד מספר גורמי גדילה (growth factors).

למרות שההשפעה האנאבּולית של PTH בעצם הייתה ידועה עוד משנות ה-30, רק לאחרונה החלו חוקרים במרץ את הפוטנציאל הטמון בחלק הקצה האמיני של PTH, ומדובר ב-34 חומצות אמיניות, לטיפול אנאבולי באוסטאופורוזיס.

אך בשנים מאז יציאת תרופה זו לשוק, הניסיון שהצטבר איתה הוכיח שהיא יעילה בהשלמת החסר ברקמת העצם הקורטיקאלית, ואינה יעילה במיוחד ב"סתימת החללים" בעצם הספוגית באוכלוסייה המזדקנת.      

אך הנה תגלית "מקרית" עשויה לפתוח אפיק חדש של טיפולים באוסטיאופורוזיס. מי שתרם הרבה לתגלית זו הוא Gerard Karsenty, ראש המחלקה לגנטיקה והתפתחות באוניברסיטת קולומביה בניו-יורק, שפרסם בשנת 2008 בכתב העת Cell מאמר מרשים, פרי מחקר רב-מוסדי של מספר מעבדות בארה"ב, קנדה, יפאן, אוסטרליה וגרמניה.

שיתוף פעולה מחקרי זה עסק בבדיקת הקשר בין חלבון הידוע כ-LRP5 או LDL-receptor related protein 5 לבין מחלה נדירה הידועה כ-OPPG או osteoporosis pseudoglioma.

הבה נתעכב קמעה על שני המושגים האחרונים: LRP5 הוא חלבון הקשור לקולטן של כולסטרול LDL, אותו קולטן האחראי בכבד אך גם ברקמות אחרות לקליטה והפנמה של צורה זו של כולסטרול מהדם.

המחלה הנדירה ביותר OPPG מתאפיינת על ידי יצירה מועטה של רקמת עצם מה שמוביל למסת עצם נמוכה במיוחד ונטייה לשברים מרובים, ובמקביל גם גורמת המחלה לעיוורון בשל יצירה של עודף כלי דם בעין בשלב העוברי.

למרות נדירותה הרבה של מחלה גנטית זו, החליטו לבחון מה הקשר בין המוטציה בחלבון LRP5, לבין האוסטיאופורוזיס החריף במיוחד בלוקים במחלה זו.  

העניין בחלבון LRP5 התעורר כבר בשנת 2002 במחקרו של Lifton וקבוצתו שהתפרסם ב-New England Journal of Medicine, ואשר גילה שמוטציה מסוג אחר בגן המקודד לחלבון LRP5 גורמת במספר מועט ביותר של משפחות דווקא להיפוכו של מצב, דהיינו מסת עצם דחוסה מדי, לכאורה יצירת "עודף" עצם שבאה לביטוי חיצוני במבנה לסת מאוד בולטת ונוקשה.

כלומר, שתי מוטציות שונות בגן הקשור לקולטן ל-LDL, אחת הגורמת לאוסטיאופורוזיס או חסר עצם, והאחרת גורמת דווקא לעודף יצירת עצם.

מה אם הקשר בין גן זה לרקמת העצם? במאמר שהוזכר של Karsenty משנת 2008 פוענחה לכאורה החידה, והמולקולה המקשרת ועומדת בציר הדברים היא דווקא ההורמון המונו-אמיני סרוטונין.

הורמון זה הידוע גם כ-5-HT או5-hydroxytryptamine , ידוע בעיקר בשל היותו מוליך עצבי (נוירו-טרנסמיטור) הפועל במערכת העצבים המרכזית ויש לו תפקיד מרכזי בתחושות וברגשות הקשורים ל"מצב רוח", כגון התרוממות רוח והנאה, דיכאון, תוקפנות, התנהגות אימפולסיבית וכדומה, כמו גם תפקיד גם בוויסות טמפרטורת הגוף.

כמו מוליכים עצביים אחרים, גם סרוטונין חשוב במניעת מצבי דיכאון.

רוב האזורים הסרוטוניניים הם מחוץ למערכת העצבים המרכזית, אך בגרעין "רָפֶה" (Raphe) שבמוח יש מרכז סרוטוניני חשוב, הקשור גם לשינה ולשובע.

אך למרות שרוב הידע והעניין שהיה לנו עד כה בהקשר של סרוטונין היה בשל היותו נוירו-טרנסמיטור מוחי, מתברר שרק 5% מכלל הסרוטונין בגוף מיוצר על ידי הנוירונים בגזע מוח, בעוד 95% מהסרוטונין מיוצר דווקא במעי הדק בתאים האֶנטֶרוֹ-כרוֹמאפיניים.

אך לא רק זאת: הסרוטונין המיוצר במעי שונה מזה המיוצר במוח והוא מסומן כ-GDS או gut-derived serotonin, והוא אינו מסוגל לחדור מהדם למוח בגלל המחסום דם-מוח, וזמן רב לא היה ידוע מה תפקידו.

החוקרים בראשות Karsenty עלו על הקשר בין סרוטונין לבין צפיפות העצם בעת שחקרו את תפקיד הגן LRP5 באחת מצורות האוסטיאופורוזיס.

הם עבדו עם עכברים טרנסגניים בהם הם ייצרו במכוון מוטציות שהביאו להפחתת יצירת הגן LRP5 במעי. פעולה זו גרמה ליצירת רמות גבוהות מן הרגיל של סרוטונין מהמעי (GDS) ומסת עצם נמוכה יותר.

בהמשך, הם הִשרוּ בעכברים מוטציות שהגדילו דווקא את פעילות LRP5,  מה שגרם לרמות נמוכות יותר של סרוטונין ממקור מעי, ויצירת עצמות בעכברים עם צפיפות גדולה יותר.

החוקרים הופתעו להיווכח שהגן LRP5 מווסת את ייצור הסרוטונין במעי, ועל המשמעות המפתיעה של הציר מעי-עצם.

כאשר החוקרים השוו את הטרנסקריפּטוֹם (transcriptome), דהיינו את הרצף ודפוס הביטוי של כל הגנים שעוברים שעתוק, של עכברי בר (wildtype) לבין זה בעכברים עם מוטציית חסר של הגן LRP5,  הם מצאו שהגן שפעולתו היא הנבדלת ביותר בין שני סוגי העכברים, הוא הגן TPH1, המקודד לאנזים המפתח בביו-סינתזה של סרוטונין GDS במעיים מחומצת האמינו טריפטופאן, שהוא האנזים tryptophan hydroxylase-1.

אחרי הממצא הזה, ניסו החוקרים להדגים שהיה זה אמנם הגן LRP5 המבוטא בתאי המעי, ולא הגן LRP5  המבוטא בתאי העצם, שהיה אחראי לפיקוח על מסת העצם, ושאכן אחד מתפקידי גן זה הוא לווסת את דרגת הביטוי של האנזים TPH-1, וממילא את רמת הסינתזה של סרוטונין במעי.

תוצאות מחקרים הראו שהקטנת רמת סרוטונין בדם הביאה לנרמול של יצירת העצם בעכברים הנחקרים עם פעילות מופחתת של הגן LRP5, וכן שהאינאקטיבציה של פעילות LRP5 הביאה להפחתת יצירת העצם בעכברים האלה, ולעומת זאת שפעול של LRP5, או אינאקטיבציה של הגן TPH-1, דווקא הגדילה בהם את מסת העצם.  

מחקר זה שאמנם התבצע בעכברים, חשף מנגנון מולקולארי בלתי צפוי המצביע על תפקיד רגולטורי (מווסת) של הגן LRP5, על תהליך יצירת העצם, באופן שמסיט את הדגש מהשפעה הורמונאלית פּארא-קרינית-מקומית של תאי עצם על גידול העצם, להשפעה  אנדוקרינית-מרוחקת בה תאים אנטרו-כרומפיניים במעי משפיעים על יצירת העצם.

לפתע התגלה שדרגת הפעילות של הגן LRP5 או ליתר דיוק מידת היצירה של האנזים טריפטופאן הידרוקסילאזה המוסיף שייר הידרוקסילי לטריפטופאן  במסלול לסינתזת ההורמון סרוטונין במעי, קריטי בתהליך יצירת העצם.

ממצאים אלה על תפקיד הסרוטונין ממקור מעי בבניית עצם, מעלה את האפשרות לפתח מעכבים ספציפיים לסינתזת הורמון זה במעי, בגישה אנאבולית לבניית עצם בטיפול באוסטיאופורוזיס.

ממצאים חלוציים אלה של  Karsentyהובילו לשלב המתבקש הבא, סינתזה של חומר המעכב את פעולת האנזים טריפטופאן הידרוקסילאזה, וממילא מפחית את יצירת סרוטונין הגורם להפחתת מסת העצם. החומר שסונתז הוא מולקולה קטנה המכונה LP533401, שהוסף למזונם של שני סוגי עכברים ממין נקבה למשך 28 ימים בהשוואה למטופלי פלצבו: סוג אחד של עכברים הם אלה שהוסרו מהן השחלות המייצרות אסטרוגן וממילא היו בעלי צפיפות עצם מופחתת, ולעומתן עכברות נורמאליות.

באופן מובהק הסתבר שהטיפול בחומר המעכב יצירת סרוטונין, מנע תופעה של חסר עצם בעכברות ללא שחלות, ששמשו מעין מודל לנשים בתקופת חידלון הווסת שלהן, שהן מוּעדוֹת כידוע לפגעי אוסטיאופורוזיס.  

בשלב השני של הניסוי, הִשוו החוקרים את פעולת התכשיר LP533401 לפעולת ההורמון PTH, שהוא כיום הטיפול היחיד הקיים המסוגל לעודד סינתזת עצם והאטת אוסטיאופורוזיס.

אלא שהטיפול ב-PTH אמור להינתן בהזרקות יום-יומיות, והטיפול בו מוגבל ללא יותר משנתיים.

חולדות ללא שחלה הורשו לפתח חסר עצם חמור משך תקופה של 3 עד 12 שבועות לאחר הסרת השחלה, ואז הן טופלו או על ידי מתן פומי של LP533401, או על ידי הזרקות במינון גבוה של PTH 1-34, כל אלה משך 4 שבועות.

תגובה של השלמה מלאה של חסר רקמת העצם הושגה בשני סוגי הטיפולים, על ידי שגדל מספר התאים האוסטאובלסטים יוצרי העצם, והתגבר מאוד קצב יצירת העצם. LP533401 הגביר כמו כן את המסה של עצמות הגפיים הארוכות, אם כי ייאמר שיעילות פעילות זו של LP533401 הייתה נמוכה מזו של ההורמון PTH.

יחד עם זאת ראוי לציין שבחינה מיקרוסקופית ותפקודית של העצמות, הצביעה על רמה דומה של שלמות העצם, המבנה הארכיטקטוני שלה  וחוזקה, שהיו דומים בשני סוגי הטיפולים.

אך אולי חשוב מכל, בעיקר בהתייחסות לאפשרות של טיפול עתידי בבני אדם בתכשיר LP533401, שהוא לא השפיע על רמת הסרוטונין במוח באותם ניסויים בחולדות, שכן LP533401 מעכב את האיזואנזים TPH-1 המיוצר במעי, אך אינו מעכב את האיזו-אנזים TPH-2 המיוצר במוח.

מעניין לציין ש-LP533401 אמנם מעכב במידה שווה את שני האיזואנזימים, TPH-1 ו-TPH-2 בניסויים in vitro במבחנה, אך בגוף החיה אינו משפיע על האנזים המוחי, כיוון שאינו מסוגל לחצות את מחסום דם-מוח (blood brain barrier).

כמו כן לא הייתה לתכשיר זה השפעה שלילית על מערכת העיכול שכן ידוע שהורמון זה משפיע על פעולת המעיים, וכן לא הייתה לתכשיר השפעה שלילית על קרישת הדם (hemostasis), שכן בעת דימום הוא גורם לנימי דם להתכווץ, מה שמאפשר יחד עם טסיות דם וגורמי קרישה נוספים את עצירת הדימום.

אך לפני שמיישמים בבני-אדם את הממצאים המבטיחים בחולדות, יש לנקוט מספר פעולות של מחשבה תחילה.

לפני ששוקלים טיפול בבני אדם עם אוסטיאופורוזיס במעכב של סרוטונין מהמעי, יש לבחון גישה זו במיני יונקים אחרים, בהם העצם נוהגת לפי עיקרו דומה לנו של יצירה (modeling) והתחדשות (re-modeling).

במכרסמים כעכברים וחולדות העצם מתפתחת באופן הדרגתי לאורך כל חייהם ולא מתרחש בהם re-modeling של העצם המעטפת הקורטיקאלית הנוקשה. העצם הקורטיקאלית מהווה 80% מעצמות השלד בבני האדם, ותהליך ה-remodeling, בו שיווי המשקל נוטה לתאים זוללי העצם אוסטיאוקלסטים הדומיננטים לתאים יוצרי העצם האוסטאובלסטים בגיל המתקדם, באופן המגביר את "החללים" בסבך העצם הקורטיקאלית, מביא להחלשתה.

לכן, צריך קודם לבחון את סיפור הסרוטונין שהוא מפתיע ומרתק לכל הדעות, אך צריך קודם לבחון אותו ביונקים או פרימאטים הדומים לנו יותר בתהליכי ה-remodeling  בעצמותיהם, כגון קופים.

בביולוגיה וברפואה, יש מדי פעם תגליות שנראות על פניהן בלתי סבירות במשמעותן, מחמת ההפתעה שהן מסבות לנו.

כאשר התפרסם במרס 2010 בכתב העת היוקרתיNature Medicine  המאמר של Gerard Karsenty, Patricia Ducy וחבריהם על התרופה LP533401 שסינתזו, ועל סרוטונין ממקור מעי המדכא יצירת עצם, הדברים נראים מעוררים ומלהיבים, בלי שום קשר לשאלה האם בעוד 3 או 5 שנים תאושר תרופה זו על ידי ה-FDA לטיפול באוסטיאופורוזיס אנושי.

כאן נולד עיקרון ביולוגי חדש, וגם אם אין לו שימוש רפואי מיידי, הוא ראוי לתשואות.

במאמר ההמשך נדון בעוד מולקולות מפתיעות והשפעתן על בריאות העצם.

בברכה, פרופ' בן- עמי סלע