Biologi Molekuler Remodeling Tulang

Abstrak

Remodeling tulang merupakan satu proses aktif dan dinamik yang mengandalkan pada keseimbangan yang benar antara penyerapan tulang oleh osteoklas dan deposisi tulang oleh osteoblas. Lebih jauh, dua buah fungsi ini haruslah secara ketat berdampingan tidak saja secara kuantitatif namun juga dalam waktu dan ruang. Ketika keberdampingan hilang, massa tulang yang benar dapat menjadi terganggu, mengawali ke pada banyak jenis patologi skelet. Memang tentu saja hilangnya tulang dan osteoporosis merupakan hasil dari satu meningkatnya fungsi osteoklas dan/atau satu penurunan aktifitas osteoblas. Sebaliknya, berbagai patologi lainnya adalah dihubungkan dengan kegagalan osteoklas menyerap tulang, seperti misalnya osteopetrosis, merupakan satu gangguan genetik jarang yang ditandai oleh satu peningkatan massa tulang dan juga dikaitkan dengan satu gangguan fungsi-fungsi sumsum tulang. Berawal dari berbagai asumsi ini, adalah perlu untuk lebih dalam memahami berbagai mekanisme molekuler yang mengatur berbagai fungsi sel tulang. Memang, berbagai studi akhir-akhir ini membuktikan suatu kompleks saling memengaruhi di antara sistim imun dengan sistim skelet, yang berbagi banyak molekul pengatur termasuk sitokin, reseptor dan faktor-faktor transkripsi. Semua data ini memungkinkan untuk lebih dalam lagi memahami berbagai mekanisme yang mendasari pengaturan massa tulang dan dapat membuka jalur-jalur besar baru dalam mengidentifikasi molekul-molekul target bagi terapi-terapi alternatif untuk lebih berefikasi melawan penyakit-penyakit tulang.

Kata-kata kunci: osteoklas, osteoblas, remodeling tulang, osteoimunologi

Proses Remodeling Tulang

Tulang merupakan satu jaringan dinamik, menjadi subjek dari satu pembaharuan kontinyu sepanjang hidup setiap individu melalui proses remodelling tulang (1, 2). Proses fisiologi ini adalah perlu:

· - untuk memungkinkannya penggantian tulang primer, tulang infantil, dengan tulang sekunder yang secara mekanik lebih kompeten;

· - untuk membuang tulang iskemik atau yang mengalami fraktur mikro;

· - untuk menjamin suatu homeostasis kalsium yang benar.

Remodeling tulang mengandalkan fungsi yang benar dari dua jenis sel utama jaringan tulang: osteoklas, sel-sel berinti banyak yang menghancurkan matriks tulang, dan osteoblas, yang memiliki fungsi-fungsi osteogenik. Sel-sel osteosit, tipe sel penting lainnya yang berasal dari osteoblas, adalah juga terlibat dalam proses remodeling sebagaimana mereka memiliki satu fungsi mekano-sensor (3).

Satu keseimbangan yang benar antara penyerapan tulang dengan fungsi-fungsi osteogenik adalah wajib guna memertahankan suatu massa tulang yang konstan (1, 2).

Sebagaimana yang digambarkan dalam Gambar 1, remodeling tulang diselesaikan karena adanya fase-fase berikut:

Gambar 1

Representasi skematik proses remodeling tulang. Remodeling tulang diawali ketika beraneka input mengomandani aktifasi lining cells, yang meningkatkan pengekspresian permukaan dari RANKL. RANKL berinteraksi dengan reseptornya RANK (receptor activator of nuclear κB) dus memicu diferensiasi osteoklas (fase aktifasi). Sel-sel osteoklas menyerap tulang (fase resorpsi) dus memungkinkannya pelepasan faktor-faktor yang biasanya tersimpan dalam matriks tulang (BMPs, TGFβ, FGFs) yang merekrut sel-sel osteoblas pada daerah yang direabsorpsi. Sekalinya direkrut, sel-sel osteoblas memroduksi matriks tulang baru, dan mendorong mineralisasinya (fase pembentukan), dus menyelesaikan proses remodeling tulang (Pre-OCLs = pre-osteoclasts; OCL = osteoclast; OBLs = osteoblasts).

Fase Aktifasi

Masukan-masukan berbeda, seperti misalnya semacam fraktur mikro, adanya semacam perubahan dalam pembebanan mekanik yang terasakan oleh sel-sel osteosit atau beberapa faktor yang dilepaskan dalam lingkungan mikro tulang, termasuk insulin growth factor-I(IGF-I), tumor necrosis factor- α (TNF- α), hormon paratiroid (PTH) dan interleukin-6 (IL-6), mengaktifasi the lining cells yang merupakan sel-sel osteblas yang tenang. Sebagai konsekuensinya, lining cells, meningkatkan pengekspresian RANKL (receptor activator of nuclear κB ligand) pada permukaan selnya, yang pada gilirannya berinteraksi dengan reseptornya yaitu RANK (receptor activator of nuclear κB), yang diekspres oleh sel-sel pra-osteoklas. Interaksi RANKL/RANK memicu fusi sel-sel pra-osteoklas dan diferensiasinya mengarah ke sel-sel osteoklas berinti banyak.

Fase Resorpsi

Sekali berdiferensiasi, sel-sel osteoklas berpolarisasi, menempel ke permukaan tulang dan mulai menyerap (dissolve) tulang. Fungsi ini membutuhkan dua langkah: i) asidifikasi matriks tulang untuk dissolve komponen anorganik, dan ii) melepaskan enzim-enzim lizosom seperti misalnya kathepsin K, dan MMP9, keduanya bertugas untuk pendegradasian komponen organik tulang. Sekali mereka menyelesaikan fungsinya, sel-sel osteoklas menjalani apoptosis. Hal ini merupakan konsekuensi fisiologis yang diperlukan guna mencegah suatu penyerapan tulang berlebih.

Fase Membalik (reverse)

Sel-sel yang membalik proses (the reverse cells), yang perannya belum sepenuhnya jelas, menjalankan fase ini. Memang sesungguhnyalah bahwa mereka dikenal sebagai sel-sel mirip makrofag (macrophage-like cells) yang kemungkinan fungsinya adalah membuang produksi debris selama degradasi matriks.

Fase Formasi

Penyerapan matriks tulang mengawali lepasnya banyak faktor pertumbuhan herein tersimpan, meliputi bone morphogenetic proteins (BMPs), fibroblast growth factors (FGFs) dan transforming growth factor β (TGF β), yang kemungkinan bertanggung jawab untuk perekrutan sel-sel osteoblas dalam daerah yang di-reabsorb. Sekali direkrut, sel-sel osteoblas menghasilkan matriks tulang baru, yang awalnya tidak terkalsifikasi (osteoid) dan kemudian mereka mendorong mineralisasinya, sehingga menyempurnakan proses remodeling. Ketidakseimbangan antara fase-fase penyerapan dengan fase pembentukan mencerminkan suatu remodeling tulang yang tidak benar, yang pada gilirannya memengaruhi massa tulang, alhasil mengawali ke pada kondisi patologis.

Para Pemain dalam Remodeling Tulang

Guna memahami lebih mendalam berbagai penyebab dari suatu perubahan remodelling tulang, adalah perlu mengetahui berbagai mekanisme mendasari biologi dan fungsi sel-sel tulang. Sebagaimana yang telah dijelaskan, dua sel-sel tulang utama secara aktif mengurusi remodeling tulang, yaitu sel osteoblas dan osteoklas, dan sebuah tinjauan tentang pengaturan dan fungsi mereka akan dilakukan berikut ini.

Pengaturan dan Fungsi Sel-sel Osteoblas

Osteoblastogenesis

Sel-sel osteoblas muncul dari sel-sel tunas mesenkim (MSCs), yang berkemampuan ganda (multipoten) yang dalam mengikuti satu program spesifik dari pengekspresian gen dapat memunculkan sel-sel spesifik jaringan berbeda termasuk osteoblas, khondrosit, fibroblast, myosit dan adiposit (4, 5).

Langkah awal osteoblastogenesis adalah komitmen MSCs menuju satu osteo/khondro-progenitor (Gambar 2). Sebagaimana dijelaskan lebih rinci nantinya, jalur Wingless-int (Wnt) dan BMPs memainkan satu peran kunci dalam kejadian-kejadian awal ini. Memang, sebuah laporan terkini (6) memerlihatkan bahwa Wnt10b tidak hanya menggeser komitmen menuju satu osteo/khondro progenitor, namun juga menghambat komitmen praadiposit (Gambar 2). Hal ini disebabkan oleh penekanan faktor-faktor transkripsi adipogenik CCCAT enhancer binding protein α (C/EBPα) dan peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) sejalan dengan suatu penginduksian faktor-faktor pentranskripsian Runt-related transcription factor 2 (Runx2), distal-less homeobox 5 (Dlx5), dan Osterix (Osx), yang disebut belakangan mengatur ke hilir Runx2 (7). Sebaliknya, level-level tinggi pensinyalan Wnt dengan keberadaan Runx2 mendorong osteoblastogenesis dengan mengorbankan diferensiasi khondrosit (8). Pra-osteoblas yang berkomitmen dapat diidentifikasi saat mereka mengekspres Alkaline Phosphatase (ALP), satu di antara penanda fenotip osteoblas yang paling awal. Sebagaimana pra-osteoblas berkurang dalam berproliferasi, suatu kejadian pensinyalan kunci berikutnya terjadi guna mengembangkan sel-sel osteoblas terdiferensiasi yang berbentuk kuboid besar. Osteoblas aktif adalah sangat kaya dengan ALP dan menyekresi protein matriks tulang seperti kolagen I dan banyak protein non-kolagen meliputi osteokalsin, osteopontin, osteonektin dan bone sialoprotein II (BSPII). Biasanya, ALP dan type 1 parathyroid receptor (PTH1R) merupakan penanda awal progenitor osteoblas yang meningkat saat osteoblas mendewasa dan mendeposit matriks, namun menurun kembali saat osteoblas menjadi osteosit, sedangkan osteokalsin merupakan penanda belakangan yang terregulasi ke hulu hanya pada sel-sel osteoblas dewasa pasca proliferatif terkait dengan osteoid termineralisasi (9).

Gambar 2

Gambar skematik proses osteoblastogenesis. Sel-sel osteoblas (OBL) muncul dari sel-sel stem mesenkhim (MSC) yang di bawah rangsangan tepat berketetapan mengarah kesuatu osteo/chondro-progenitor (osteo/chondro-prog.), diikuti oleh sel osteoprogenitor (osteo-prog.), pre-osteoblast (pre-OBL) yang mengekspresikan fosfatase alkali (ALP) dan osteoblas dewasa aktif yang menyekresikan protein-protein matriks tulang.

a) Pengaturan Osteoblas

Satu osteoblastogenesis yang benar mengandalkan pada pengaktifasian dari sebuah jaringan kompleks jalur-jalur yang bila berubah dapat menyebabkan banyak jenis patologi skelet. Paragraf berikut akan memusatkan pada beberapa dari mekanisme utama pengaturan osteoblas.

Runt-realted transcription factor 2 (Runx2)

Faktor pentranskripsian ini memainkan sebuah peran kunci dalam perkembangan skelet sebagaimana ia adalah sebuah gen induk (master gene) bagi diferensiasi osteoblas, mengarahkan langkah awal komitmen mesenkhim menuju ke fenotip pra-osteoblas (10-12). Memang, pada Runx2 null mice rendahnya diferensiasi osteoblas menghasilkan ketidakhadiran pembentukan tulang, dan khondrosit dari templates kartilago gagal menjalani hipertrofi, sementara pengekspresian berlebih dari satu bentuk negatif-dominan Runx2 dalam osteoblas menghambat pembentukan tulang (13). Menariknya, pengekspresian berlebih Runx2 juga mengawali ke pada osteopenia, sehingga mengindikasikan bahwa fakor ini pada level-level yang tidak tepat dapat menghambat proses pendewasaan osteoblas (14). Pada manusia, haploinsufisiensi dari Runx2 menyebabkan displasia kleidokranial (CCD), suatu penyakit dominan-otosom dengan berbagai ketidaknormalan dalam tulang yang terbentuk melalui osifikasi intramembran (15, 16).

Di antara molekul-molekul yang mampu untuk meregulasi Runx2, BMPs, TGF β, PTH dan FGFs mendorong aktifasinya, sementara faktor pentranskripsian Twist merupakan regulator negatif (17).

Osterix (Osx)

Faktor ini merupakan downstream dari Runx2, dan seperti halnya yang disebut belakangan, ia diperlukan bagi pembentukan tulang (18). Guna menyelesaikan fungsi ini, Osx membutuhkan berinteraksi dengan NFAT2 teraktifasi (19).

Pensinyalan Wnt/ β-catenin

Banyak laporan akhir-akhir ini membuktikan satu peranan sangat penting dari jalur ini dalam biologi tulang (20, 21). Memang, ketertarikan kuat pada wilayah pensinyalan Wnt pada tulang datang setelah penemuan bahwa loss and gain-of-function mutations pada the low-density lipoprotein receptor-related protein 5 (LRP5), suatu putative Wnt co-receptor, mengawali ke pada osteoporosis-pseudoglioma syndrome (22) dan ke pada massa tulang tinggi (HBM) (23, 24) berturut-turut pada manusia. LRP5 merupakan sebuah reseptor transmembran, yang berinteraksi dengan the frizzled receptor. Berikatannya Wnt dengan kompleks reseptor frizzled dan LRP5/6 memicu satu sinyal yang meliputkan the protein Disheveled (Dvl), Axin dan Frat-1, sehingga menghambat aktifitas dari glycogen synthase kinase 3 β (GSK3β) (25). Penghambatan ini mencegah fosforilasi β-catenin. Memang, β-catenin yang terhipofosforilasi adalah lebih stabil, sehingga berakumulasi dalam sitoplasma. Atas pencapaiannya pada satu level konsentrasi tertentu, β-catenin bertranslokasi ke nukleus di mana ia berinteraksi dengan keluarga Tcf/Lef dari faktor-faktor pentranskripsian untuk meregulasi pengekspresian gen-gen target Wnt. Sebaliknya, pada ketidakhadiran Wnt, GSK3 β memfosforilasi β-catenin, sehingga menargetkan protein ini untuk ubikuitinasi proteasom (26, 27).

Pensinyalan Wnt disubjekkan bagi satu pengaturan halus (a fine tune regulation) oleh banyak faktor. Di antara faktor-faktor tersebut adalah anggota-anggota dari secreted frizzled-related protein (sFRP) dan Wnt inhibitor factor 1 (Wif-1). Semua molekul ini merupakan reseptor frizzled pemancing yang dapat larut yang mencegah interaksi-interaksi di antara Wnt dan frizzled. Kelompok inhibitor kedua meliputi protein-protein dickkoff (Dkk) dan sklerostin (Sost), yang berikatan dengan reseptor-reseptor LRP5/6. Lebih lanjut, interaksi dari kompleks Dkk/LRP dengan kremen menginternalisasikan kompleks ini untuk berdegradasi, sehingga mengurangi ketersediaan reseptor-reseptor Wnt (28).

Bone Morphogenetic Proteins (BMPs)

Terkecuali BMP-1, semua protein ini adalah anggota superfamili TGF-β. Identifikasi ketidaknormalan skelet pada khewan dan pasien dengan berbagai mutasi dalam gen-gen BMP telah memberi penekanan akan peran dari protein-protein ini dalam metabolisme tulang (29-31). Studi-studi in vitro mengunjukkan bahwa, pengobatan dengan BMPs menguatkan pengekspresian ALP, reseptor tipe I parathyroid hormone related peptide (PTHrP), kolagen I dan osteokalsin (32) dan merangsang pembentukan nodul-nodul mirip tulang yang termineralisasi (33).

b) Fungsi Osteoblas

Sebagaimana telah dijelaskan, fungsi utama sel-sel osteoblas adalah menyintesa protein-protein matriks tulang dan untuk melayani proses kalsifikasi. Memang, banyak bukti yang melaporkan sebuah peran penting osteoblas dalam biologi osteoklas melaljui mengekspresikannya dan/atau menyekresikan molekul-molekul kunci yang sebaliknya mengatur osteoklastogenesis dan penyerapan tulang (1). Isu yang disebut belakangan ini akan ditunjukkan rinciannya dalam paragraf berikut.

Pengaturan dan Fungsi Osteoklas

Osteoklastogenesis

Osteoklas, sel-sel yang devoted untuk menyerap matriks tulang, muncul dari garis turunan monosit/makrofag (34). Mereka merupakan sel-sel berinti ganda (dari berinti empat hingga sampai dua puluh) dibentuk melalui penyatuan prekursor-prekursor sel berinti tunggal (mononuclear) (35). Bermula dari totipotent haematopoietic stem cells, faktor pentranskripsian PU.1, sejalan dengan macrophag colony stimulating factor (M-CSF) mengarahkan komitmen dari sejenis progenitor yang biasa bagi makrofag dan osteoklas. Secara khusus, M-CSF menstimulasi proliferasi prekursor-prekursor osteoklas dan meregulasi ke hulu pengekspresian RANK, sementara PU.1 secara positif mengatur pentranskripsian c-Fms, merupakan reseptor M-CSF (36). Dengan kepenampakan reseptor-reseptor c-Fms dan RANK, prekursor-prekursor menjadi mejalankan sepenuhnya mengarah ke pada garis turunan osteoklas. Jalur RANKL adalah wajib bagi diferensiasi dan fungsi osteoklas, meskipun ia bukanlah satu-satunya pemain bagi suatu osteoklastogenesis yang benar, sebagaimana akan dijelaskan di bawah ini.

a) Pengaturan Osteoklas

Jalur RANKL

RANKL merupakan suatu protein membran tipe II anggota dari superfamili TNF, sementara reseptornya, RANK, adalah suatu protein membran tipe I. Faktor-faktor dan hormon-hormon osteotrofik seperti 1,25-dihidroksivitamin D3 (1,25[OH]2D3), PTH, prostaglandin E2 (PGE2) dan IL-11 meregulasi ke hulu pengekspresian RANKL pada permukaan membran osteoblas/sel-sel stroma. RANKL berinteraksi dengan reseptor RANK nya, berlokasi pada permukaan pra-osteoklas, yang sebaliknya mengaktifasi pensinyalan melalui perekrutan molekul-molekul adaptor anggota dari famili TNF-receptor associated factor (TRAF) (Gambar 3A). Memang, ekor sitoplasmik RANK mengandung tiga lokasi pengikatan untuk TRAF6 (37-39). Interaksi ini adalah wajib bagi diferensiasi osteoklas, sebagaimana tikus kecil dengan kondisi knock out TRAF6 mengembangkan osteopetrosis (40, 41). Pengikatan TRAF6 dengan RANK menginduksi trimerisasi TRAF6, mengawali ke pada pengaktifan dari faktor pentranskripsian nuclear factor kappaB (NF-κB) dan mitogen-activated kinases (MAPKs) (42) (Gambar 3A). NF-κB meliputi sekeluarga dari faktor-faktor pentranskripsian dimerik, yang berada dalam sitoplasma pada kondisi takterstimulasi. Bagaimanapun, mereka memasuki nukleus atas penstimulasian sel oleh berbagai faktor, meliputi RANKL (43, 44) dan mengatur pentranskripsian banyak gen. Di antara mereka, telah diunjukkan bahwa NF-kB meregulasi ke hulu pengekspresian molekul kunci lain dari diferensiasi osteoklas, yaitu the nuclear factor of activated T cells, faktor pentranskripsian sitoplasmik 1 (NFATc1) (45, 46). Penginduksian awal ini memerlukan interaksi NF-kB dengan NFATc2, yang direkrut ke promoter NFATc1 secara terbebas dari penstimulasian RANKL (47) (Gambar 3A).

Gambar 3

Skematisasi jalur RANKL/RANK. (A) RANKL diekspres pada permukaan membran sel osteoblas (OBL) berinteraksi dengan RANK, diekspres oleh pre-osteoklas (OCL). Interaksi ini merekrut TRAF6 yang mengaktifasi NFκB dan c-Fos, yang disebut belakangan berdimerisasi dengan c-Jun dan membentuk kompleks AP-1. Kedua faktor transkripsi bekerjasama untuk memicu pentranskripsian NFATc1, yang sebaliknya mendorong otoamplifikasinya. (B) NFATc1, AP-1, PU.1 dan MITF bekerjasama untuk menginduksi pentranskripsian gen-gen osteoklas.

Langkah penting lain bagi diferensiasi osteoklas adalah rekrutmen dari faktor pentranskripsian AP-1 kompleks, yang berkomposisi c-Fos, c-Jun dan protein-protein ATF. Istimewanya, c-Fos adalah secara spesifik diinduksi oleh RANK dan sangat penting bagi osteoklastogenesis, sebagaimana tikus kecil yang dikondisikan knock out c-Fos mengembangkan osteopetrosis akibat dari kurangnya sel-sel osteoklas (48). Pengaktifasian AP-1 sejalan dengan sebuah sinyal kalsium selanjutnya menginduksi pentranskripsian NFATc1, sehingga memungkinkan pengamplifikasiannya sendiri (autoamplification) berlangsung (47). Bersama-sama dengan AP-1, PU.1, NF-κB dan MITF, NFATc1 meregulasi pentranskripsian banyak gen-gen target yang terlibat dalam diferensiasi dan fungsi osteoklas. Di antara mereka, kathepsin K, reseptor kalsitonin, tartrate resistant acid phosphates (TRAcP) (49, 50), β3 integrin dan osteoclast-associated receptor (OSCAR) (51) (Gambar 3B)

Pengaturan Osteoklas oleh Osteoblas

Regulator utama osteoklastogenesis adalah osteoblas. Memang, pensinyalan RANKL/RANK mengandalkan pada interaksi sel – sel di antara osteoblas dan prekursor osteoklas. Molekul kunci yang lain yang disekresikan oleh osteoblas yang mencampuri jalur RANKL adalah osteoprotegerin (OPG), suatu reseptor pemancing bagi RANKL (52), yang memiliki peran osteoprotektif. Memang, OPG adalah protein tersekresikan yang memiliki struktur sama dengan RANK sehingga ia berikatan dengan RANKL yang menghindarkannya berinteraksi dengan RANK, dengan sebuah konsekuensi terjadinya penghambatan osteoklastogenesis (Gambar 3A).

Osteoblas memicu osteoklastogenesis juga melalui pengekspresian M-CSF pada permukaan membrannya, yang berinteraksi dengan reseptornya, c-Fms, yang terdapat pada prekursor osteoklas sehingga merangsang proliferasi prekursor itu sendiri dan diferensiasi osteoklas (Gambar 3A).

Pengaturan Osteoklas Melalui Sistim Imun

Banyak bukti mengindikasikan suatu hubungan yang erat di antara sistim imun dengan tulang, mengawali ke pada suatu wilayah interdisiplin baru, disebut osteoimunologi, yang berfokus pada penyelidikan berbagai mekanisme molekuler yang ditimbulkan dari kedua jenis jaringan ini (53-55). Berbagai temuan ini juga menunjuk bahwa jalur RANKL adalah perlu namun tidak cukup untuk memicu diferensiasi osteoklas. Sebagaimana dijelaskan dalam Gambar 4, sel-sel osteoblas dapat meregulasi diferensiasi osteoklas melalui penginteraksiannya dengan immunoglobulin (Ig)-like receptors, seperti misalnya osteoclast-associated receptor (OSCAR), yang ligand-nya masih belum teridentifikasi jelas. Reseptor-reseptor ini dikaitkan dengan immunoreceptor tyrosine-based activation motif (ITAM)-melabuhkan molekul-molekul adaptor DAP12 dan Fc-receptor common γ-sub-unit (FcRg). Peran dari molekul-molekul yang disebut belakangan dalam pengaturan osteoklas telah diperjelas melalui adanya bukti bahwa tikus-tikus kecil berkeadaan defisiensi DAP12 dan FcRg adalah memiliki suatu fenotip osteotropik (56, 57). Fosforilasi rangkaian ITAM dalam DAP12 atau FcRg, yang terjadi setelah pengaktifasian RANK, memungkinkan perekrutan splenocyte tyrosine kinases (SYK) dan konsekuensi pengaktifan fosfolipase Cg (PLCg), yang pada gilirannya memicu pensinyalan kalsium. Pensinyalan kalsium mendorong osteoklastogenesis melalui pengaktifan CAMKIV (calcium/calmodulin-dependent protein kinase type IV), yang menyetujui terjadinya pengaktifasian c-Fos, dan kalsineurin, yang keduanya bersama-sama meningkatkan kemampuan pengamplifikasian sendiri (autoamplification) NFATc1 (53).

Gambar 4

Skematisasi saling pengaruh imunologik di antara sel-sel osteoklas dan osteoblas. Osteoblas (OBL) berinteraksi dengan immunoglobulin-like receptor (Ig-like receptor) yang diekspres pada permukaan pre-osteoklas (OCL), dus memperbolehkan fosforilasi Dap12 atau Fcrg dan berlanjut dengan aktifasi pensinyalan kalsium, yang mempotensiasi otoamplifikasi dari NFATc1.

Sitokin Inflamasi dan Osteoklastogenesis

Banyak temuan telah mengunjukkan adanya keterlibatan beberapa sitokin inflamasi yang diproduksi oleh makrofag, seperti interleukin (IL)1, TNFa dan IL-6, dalam diferensiasi dan fungsi osteoklas (58, 44) sehingga lebih mendukung lagi hubungan kuat di antara sistim tulang dan imun.

TNFa berkemampuan untuk secara langsung merangsang osteoklastogenesis dalam keberadaan M-CSF (59, 60) melalui perangsangan pengaktifan NFκB utamanya melalui TRAF2. Lebih lanjut, sejalan dengan TGFb ia menginduksi in vitro osteoklastogenesis bahkan dalam ketiadaan RANK atau TRAF6 (61).

IL-1 tidak mampu sendirian untuk menginduksi diferensiasi osteoklas, namun bersinerginya ia dengan RANKL dapat menginduksi osteoklastogenesis dan penyerapan tulang, kemungkinan melalui perangsangan TRAF6. Lebih lanjut, ia secara tak langsung mendorong osteoklastogenesis melalui penyekresian PGE2 dan RANKL oleh osteoblas (44).

Interferon-b (IFN-b) merupakan sitokin penting yang lainnya dalam respon imun yang secara negatif memengaruhi osteoklastogenesis. Memang, pensinyalan RANKL menginduksi IFN-b yang sebaliknya bekerja sebagai pengatur umpan balik negatif melalui penghambatan pengekspresian cFos (62).

b) Fungsi Osteoklas

Sekali berdiferensiasi, sel-sel osteoklas berinti banyak membutuhkan perlekatannya ke matirks tulang dan berpolarisasi dalam rangka menyerap tulang. Sesungguhnya, terdapat dua domain utama yang dapat diidentifikasi pada membran plasma osteoklas: domain basolateral dan domain apikal, yang juga berbeda berdasarkan atas fungsi mereka masing-masing. Pada domain apikal, adalah memungkinkan untuk mengidentifikasi lebih lanjut sebuah membran yang berfungsi khusus, yaitu ruffled border, ditandai oleh banyak lipatan membran yang mewakili organ penyerapan (51).

Satu dari kejadian paling awal aktifitas osteoklas adalah untuk mendegradasi komponen anorganik matriks tulang, yaitu garam-garam alkalin dari hidroksiapatit mineral tulang. Hal ini dapat diperoleh melalui pelepasan propon-propon ke dalam daerah yang akan diserap, disebut sebagai lakuna penyerapan (63, 64). Lebih lanjut, fungsi ini juga membutuhkan penutupan matriks tulang di bawahnya, yang diperoleh melalui suatu penyusunan kembali sitoskelet dan pembentukan berikutnya dari dari cincin aktin. Ini merupakan suatu struktur melingkar yang mengelilingi membran ruffled dan mengisolasi lingkungan mikro resorptif yang terasamkan terhadap ruang ekstrasel. Ia dibentuk oleh banyak struktur dinamik dan mirip bintik (dot-like) yang disebut podosom, yang setiap dari mereka mengandung satu inti aktin dikelilingi oleh αvβ3 integrin dan protein-protein sitoskelet terkait seperti misalnya vinkulin, α-actinin dan talin (65, 66).

Sebagaimana telah diceritakan, langkah pertama penyerapan tulang adalah pelepasan proton-proton di dalam ruang-ruang antara osteoklas dan permukaan tulang melalui suatu pompa proton elektrogenik yang disebut vacuolar type ATPase (67, 68), yang hadir di dalam vesikel-vesikel intrasel juga di dalam ruffled border (67-69). Hal ini merupakan langkah sangat penting, sebagaimana diunjukkan oleh fakta bahwa mutasi-mutasi dalam subunit a3 dari vacuolar ATPase menyebabkan osteopetrosis pada manusia (70, 71).

Produksi proton dijamin oleh aktifitas karbonik anhidrase II (CA II) (72) yang mengkatalisis penghidrasian CO2 sehingga membentuk asam karbonat (H2CO3). H2CO3 pada gilirannya berdisosiasi menjadi proton (H+) dan ion karbonat (HCO3-). H+ kemudian disekresikan dalam lakuna penyerapan , sementara HCO3- didorong ke luar melalui suatu electroneutral chloride/bicarbonate exchanger dalam membran basolateral (73). Lebih lanjut, ion klorida (Cl-) yang memasuki sel dalam pertukaran HCO3- diangkut ke dalam lingkungan mikro resorptif melalui suatu kanal klorida (chloride channel) (74), sehingga membangkitkan HCl (75). Kepentingan fungsional kanal-kanal klorida ini dikonfirmasikan oleh bukti bahwa hilangnya isoform CIC-7 kanal klorida mengawali ke pada osteopetrosis pada manusia dan tikus kecil (76).

Peleburan kristal-kristal mineral memungkinkan pencernaan dari komponen organik matriks tulang yang dilaksanakan oleh metaloproteinase matriks (MMPs) dan kathepsin-kathepsim lisosom. Di antara yang belakangan disebut, kathepsin K memiliki satu peran sangat penting, sebagaimana penghilangannya pada tikus kecil mengawali ke pada osteopetrosis (77, 78), sementara mutasi-mutasi dalam gen kathepsin K mengawali ke pada piknodisostosis (79, 80). Sepanjang pengamatan pada MMPs, sel-sel osteoklas utamanya memroduksi isoform MMP-9 dan sejumlah yang lebih kecil MMP-14 (81, 82).

Penyakit yang terkait dengan Deregulasi Osteoklas

Keseimbangan yang benar antara deposisi dan resorpsi merupakan hal sangat penting bagi memertahankan massa tulang dengan tepat. Lebih lanjut, sebuah jejaring kompleks jalur-jalur yang mengurusi pengaturan aktifitas osteoklas dan osteoblas, sebagaimana diunjukkan dalam paragraph di atas. Di antara berbagai patologi tulang, akan dijelaskan secara singkat dua buah penyakit yang saling berlawanan, keduanya akibat dari satu ketidaknormalan fungsi osteoklas. Kedua penyakit juga mencerminkan kompleksitas berbagai mekanisme yang terlibat dalam pengaturan massa tulang.

Arthritis Rheumatoid

Telah dikenal dengan baik bahwa patologi ini adalah diakibatkan oleh suatu inflamasi dari membran sinovial dengan suatu proses pengerusakan tulang sebagai kelanjutannya yang dimediasikan oleh osteoklas (83). Bagaimanapun, berbagai mekanisme molekuler yang menginduksi ketidaknormalan aktifitas osteoklas baru-baru ini saja terklarifikasikan (53). Sel-sel dalam sinovium meliputi makrofag, fibroblas, sel-sel dendritik, sel-sel plasma dan yang paling penting, infiltrasi sel-sel T CD4, yang merupakan satu pengesahan dari patogenesis arthritis (84, 85). Banyak laporan akhir-akhir ini menunjukkan bahwa di antara sel-sel yang disebut belakangan satu subset spesifik, sel-sel T penolong yang memroduksi interleukin-17 (IL-17) (sel-sel TH17) memiliki sebuah peran sangat penting dalam pengaktifasian osteoklas (55). Sel-sel ini tidaklah memroduksi IFNγ, yang memiliki suatu aktifitas anti osteoklastogenesis, namun mereka menyekresi sejumlah besar IL-17 yang merangsang pengekspresian RANKL oleh sel-sel fibroblas sinovial. IL-17 juga bekerja pada makrofag melalui penstimulasian sekresi berbagai sitokin inflamasi mereka meliputi TNF, IL-1 dan IL-6, yang pada gilirannya memicu osteoklastogenesis dan penyerapan tulang secara langsung atau tak langsung melalui penstimulasian pengekspresian RANKL. Akhirnya, sel-sel TH17 pada hakekatnya mengekspres RANKL (55, 86).

Osteopetrosis

Osteopetrosis merupakan satu penyakit genetik jarang yang ditandai oleh suatu peningkatan massa tulang akibat dari satu ketidakmampuan sel-sel osteoklas menyerap tulang (87). Atas dasar cara pentransmisian dan dari berbagai manifestasi klinik, ia dapat diklasifikasikan menjadi tiga bentuk dengan suatu tingkat keparahan yang berrentang lebar: infantile malignant autosomal recessive osteopetrosis (ARO), intermediete autosomal recessive osteopetrosis (IRO), dan autosomal dominant osteopetrosis (ADO). Dalam kebanyakan bentuknya yang parah, akibat kegagalan osteoklas maka tidak dibiarkannya terjadi perbesaran kavitas-kavitas tulang, sehingga menggagalkan perkembangan sumsum tulang, mengawali ke pada kegagalan hematologis. Penutupan foramina tulang menyebabkan kompresi syaraf kranial, tubuh pendek, berbagai malformasi dan tulang mudah patah. Bentuk ini fatal pada bayi dalam kandungan, dan diobati dengan transplantasi sel tunas hematopoietik, dengan angka laju keberhasilan <50%>

Mutasi-mutasi loss-of-function dari berbagai jenis gen yang terlibat dalam fungsi osteoklas adalah bertanggung jawab untuk timbulnya penyakit ini. Di antara mereka, gen TCIRG1, mengkode bagi subunit a3 dari H+ATPase dan menjadi penyebab bagi & >50% kasus (70, 71), gen-gen CLC7 (76, 88) dan OSTM1, yang memiliki fungsi terkait dekat dan menyebabkan bagi sedikitnya 10% kasus (89-91). Gen-gen berikutnya berimplikasi dalam bentuk-bentuk jarang dengan tingkat keparahan beragam dan diasosiasikan dengan sindrom-sindrom lain dan, akhir-akhir ini, gen RANKL ditemukan menjadi termutasi dalam satu subset pasien-pasien yang dengan osteoklas rendah (92). Autosomal recessive osteopetrosis mungkin juga memiliki tingkat keparahan intermediet, dengan sejumlah kecil kasus akibat dari mutasi-mutasi loss-of-function dari gen-gen CAII (93) atau PLEKHM1 (94). Mutasi-mutasi negatif dominan dari gen CLC7 menyebabkan yang disebut penyakit dari Albers-Schönberg (95), mewakili bentuk yang paling sering dan heterogen dari osteopetrosis, berrentang dari tak bergejala hingga intermediet/parah, sehingga ini menyarankan adanya penetransi pengaruh determinan genetik/lingkungan tambahan (96).