I microRNA (miRNA) sono RNA a singolo filamento e non codificanti che regolano l’espressione dell’mRNA e la quantità di prodotti genici. I miRNA regolano l’espressione dell’mRNA attraverso il legame diretto e influenzano varie vie di segnalazione nell’organismo.

È stato scoperto che i miRNA svolgono ruoli chiave nella proliferazione cellulare, nella differenziazione, nello sviluppo di organi e tessuti e nella regolazione dell’omeostasi ossea. Contribuiscono alla formazione e al riassorbimento osseo, al rimodellamento osseo e alla differenziazione delle cellule ossee.

L’espressione alterata di miRNA distinti può influenzare l’insorgenza di patologie ossee, come l’osteoporosi, l’osteodistrofia renale e i tumori ossei maligni.

I miRNA vengono rilasciati nel flusso sanguigno, in parte attraverso la secrezione attiva, e sono legati a strutture, come proteine ​​ed esosomi, che proteggono i miRNA dalla degradazione. Pertanto, i miRNA sono facili da campionare e sono stabili con un grande potenziale come biomarcatori per diverse malattie, inclusa l’osteoporosi.

Un gruppo di ricercatrici della Medical University of Graz ha realizzato una review, tracciando una panoramica ed evidenziando esempi della rilevanza dei miRNA nelle malattie ossee e sintetizzando le conoscenze sui miRNA come biomarcatori per l’osteoporosi.

 Trascrizione e maturazione dei miRNA
Trascrizione e maturazione dei miRNA

Rimandando all’articolo originale per quanto riguarda l’interessante dissertazione sulla storia dei miRNA, l’origine della loro nomenclatura, la loro biogenesi e le tecnologie di dosaggio miRNA, sintetizziamo gli aspetti della review maggiormente legati all’utilizzo di miRNA come biomarcatori per l’osteoporosi.

miRNA come nuovi biomarcatori

Nel 2008, due gruppi di ricerca indipendenti hanno identificato la presenza di miRNA nel flusso sanguigno. Da allora, sono state trovate molte sequenze diverse nel plasma e nel siero di origine umana e animale. Ad oggi, questi miRNA circolanti sono stati associati a molte malattie, portando alla conclusione che i miRNA sono “impronte digitali” per malattie specifiche. Poiché i miRNA sono stati annotati con successo a specifiche funzioni e malattie biologiche, sono presto diventati una nuova classe di biomarcatori e persino potenziali obiettivi per terapie in future.

miRNA circolanti

Chim et al. nel 2008 sono stati i primi a descrivere gli acidi nucleici fetali circolanti nel flusso sanguigno della madre che sono stati identificati come miRNA. Quasi contemporaneamente, in pazienti con linfoma a cellule B diffuso sono stati rilevati miRNA associati al tumore, il che ha suggerito per la prima volta il loro potenziale utilizzo come biomarcatori. I miRNA circolanti possono essere trovati in diverse forme nel flusso sanguigno: il 90% dei miRNA extracellulari è legato alle proteine ​​AGO come complessi proteici liberi nel flusso sanguigno. Il restante 10% è impacchettato in esosomi, in corpi apoptotici o legati a HDL (lipoproteine ​​ad alta densità). L’origine dei miRNA in circolazione è difficile da rintracciare. Da un lato, i miRNA circolanti derivano da cellule del sangue morto, specialmente nel caso di miRNA legati a corpi apoptotici, ma possono anche essere secreti attivamente dalle cellule viventi. È interessante notare che la stabilità di questi miRNA circolanti è elevata perché gli esosomi sono impermeabili per le RNasi e le proteine ​​AGO proteggono i miRNA dalla distruzione enzimatica. Mantenuti a -70 °C, i miRNA rimangono stabili per almeno un anno.

Poiché i miRNA circolanti sono stabili per un certo periodo e facilmente accessibili dai fluidi corporei, sono candidati ideali per il loro uso come nuovi biomarcatori.

 Panoramica schematica dei complessi circolanti di miRNA
Panoramica schematica dei complessi circolanti di miRNA

Esosomi: miRNA carrier nella malattia ossea

Gli esosomi sono particelle di dimensioni nanometriche attivamente prodotte da un gran numero di cellule e partecipano a vari processi di segnalazione, trasportando, tra le altre molecole, anche i miRNA. Gli esosomi sono prodotti da tutti i tipi di cellule ossee e sembrano svolgere un ruolo importante nel processo di differenziazione di osteoclasti e osteoblasti e, negli ultimi anni, sono stati identificati come importanti mediatori del segnale nel metabolismo osseo.

Poiché gli esosomi e i miRNA associati agli esosomi svolgono ruoli chiave in diversi aspetti del turnover osseo e delle patologie associate, rappresentano strumenti promettenti e versatili per l’identificazione dei biomarcatori. Dal momento che gli esosomi trasmettono una varietà di molecole segnale diverse dalle cellule donatrici alle cellule riceventi e agiscono come i cosiddetti “segnalosomi”, potrebbero essere utili per identificare un gruppo di biomarcatori. Inoltre, gli esosomi si trovano in quasi tutti i fluidi corporei, inclusi sangue, saliva e urina e consentirebbero la raccolta di biopsie liquide non invasive. Sebbene molti studi siano stati in grado di identificare il carico esosomiale che è coinvolto nella formazione ossea e che potrebbe essere in grado di fungere da biomarcatore per la perdita ossea, esistono solo pochi studi che hanno cercato di identificare i marcatori esosomiali nell’osteoporosi.

miRNA come biomarcatori sistemici per l’osteoporosi

È evidente che i miRNA influenzano il metabolismo osseo influenzando la formazione e il riassorbimento osseo prendendo di mira i processi anabolici o catabolici.

Negli ultimi anni, prove crescenti hanno suggerito i miRNA come biomarcatori per l’osteoporosi, poiché sono stati identificati per svolgere un ruolo cruciale nell’interazione tra osteoblasti e osteoclasti.

Monociti circolanti in vivo, una fonte di precursori degli osteoclasti, hanno mostrato un’associazione di miR-133a con l’osteoporosi.

MiR-133a e miR-21 sono stati suggeriti anche come biomarcatori del plasma per l’osteoporosi.

I lisati di sangue intero di donne cinesi in postmenopausa hanno rivelato diversi miRNA regolati in modo differenziato, ovvero miR-130b-3p, miR-151a-3p, miR-151b, miR-194-5p, miR-590-5p e miR-660-5p. Tra questi, miR-194-5p era il più altamente sovraregolato con una variazione di oltre 5 volte. MiR-194-5p è stato identificato come discriminare tra osteoporosi e osteopenia, uno stadio precursore dell’osteoporosi.

In un’altra coorte di pazienti cinesi, miR-125b, miR-30 e miR-5914 circolanti erano sovraregolati e associati all’osteoporosi postmenopausale.

Un altro studio ha analizzato il tessuto osseo di pazienti sani e osteoporotici e ha trovato potenziali miRNA predittivi, vale a dire miR-365, miR-10b e miR-129-3p up-regolati e miRNA-671-5p, miR-141 e miR-25 down-regolato.

Un gruppo di ricerca tedesco ha mostrato che miR-21-5p, miR-93-5p, miR-100-5p e miR-125b-5p erano significativamente sovraregolati in siero, tessuto e cellule ossee di pazienti osteoporotici, indipendentemente dal sesso ma direttamente correlati con BMD.

Tra 790 miRNA che potevano essere rilevati, 82 (~ 10%) sono stati espressi in modo differenziato in uno studio che ha confrontato campioni di ossa di donne fratturate all’anca con un gruppo di controllo di pazienti osteoartritici femminili. Tra gli otto miRNA con i p-values più bassi, due potrebbero essere confermati: miR-320a e miR-483-5p colpiscono entrambi i geni coinvolti nel metabolismo osseo.

Nei pazienti con osteoporosi idiopatica, è stato identificato un diverso miRNA-pattern nel siero. Otto miRNA (miR-152-3p, miR-30e-5p, miR-140-5p, miR-324-3p, miR-19b-3p, miR-335-5p, miR-19a-3p, miR-550a-3p) hanno mostrato un’associazione con le fratture osteoporotiche indipendentemente dall’età e dal sesso dei partecipanti allo studio.

L’osteoporosi è una malattia che causa la perdita ossea generale e anche la mascella e le mandibole sono affette dalla malattia. In topi ovariectomizzati, un modello consolidato per l’osteoporosi postmenopausale, mandibole e femori erano affetti dalla malattia e nella mandibola dei topi il panel di miRNA era regolato in modo differente. I ricercatori hanno suggerito miR-17-5p e miR-133a-3p come candidati biomarcatori più promettenti.

Da notare che,oltre ai miRNA, altre specie di RNA non codificanti, come gli RNA circolari (circRNA), sono anche in grado di aggiungere informazioni sullo stato della malattia. Uno studio ha scoperto che Hsa_Circ_0001275 era negativamente correlato con i T-score della densità ossea e aveva un valore diagnostico significativo nell’osteoporosi postmenopausale. Inoltre, una specie di RNA lunghi non codificanti (lncRNA) chiamati DANCR è stata sovraregolata in pazienti in postmenopausa femminile con bassa BMD.

Molti studi mostrano che i miRNA sono espressi in modo differenziato nell’osteoporosi, tuttavia, questi dati suggeriscono che un solo miRNA regolato in modo differenziato non funzione come biomarker. Piuttosto, differenti pattern di numerosi miRNA possono costruire una previsione basata su algoritmo. Inoltre, diversi gruppi di ricerca trovano modelli di miRNA abbastanza diversi in funzione delle coorti che confrontano. L’approccio retrospettivo della maggior parte degli studi limita il potere predittivo dei risultati. Inoltre, mancano ancora meta-analisi. In caso di profili specifici e replica stabile dei risultati, ci sono alcuni tentativi promettenti di utilizzare i profili miRNA a fini diagnostici (Tabella 1).

 MiRNA selezionati con i loro target e funzioni nel metabolismo osseo

miRNA nella terapia ossea

Poiché i miRNA ospitano funzioni diffuse nello sviluppo osseo e nel contesto della progressione della malattia, i miRNA potrebbero essere un possibile bersaglio per nuove terapie.

Soprattutto gli anti-miR (inibitori di miRNA) e i miRNA-mimici (miRNA sintetici) sono interessanti in termini di uso farmacologico e terapeutico.

Tuttavia, i ricercatori devono esaminare attentamente le potenziali applicazioni terapeutiche dei miRNA, soprattutto in termini di somministrazione sistemica, poiché un miRNA può influenzare diversi target e tessuti distinti.

Un uso terapeutico dei miRNA deve essere esaminato criticamente e l’effetto della potenziale applicazione dei miRNA o del knockdown dei miRNA con anti-miR deve essere verificato mediante la loro caratterizzazione in diversi tessuti.

I miRNA sono attori chiave in vari aspetti del metabolismo osseo. Numerosi studi hanno dimostrato l’importanza della regolazione del miRNA per la differenziazione degli osteoblasti e degli osteoclasti. L’espressione disregolata del miRNA in entrambi i tipi di cellule è coinvolta nello sviluppo di patologie ossee come l’osteoporosi. Dal momento che in circolazione si possono trovare quantità significative di miRNA (e altri RNA non codificanti), essi offrono un potenziale unico per i nuovi biomarcatori: mostrano specificità per alcune malattie e sono molecole facilmente accessibili e stabili. Pertanto, lo studio dei modelli di miRNA nelle biopsie liquide rappresenta una nuova promettente strada per la diagnosi precoce dell’osteoporosi e di altre malattie ossee.

Lo studio

Foessl I, Kotzbeck P, Obermayer-Pietsch B miRNAs as novel biomarkers for bone related diseases Journal of Laboratory and Precision Medicine, December 2019 doi:10.21037/jlpm.2018.12.06