Tratando a acondroplasia: desvendando o mecanismo de ação das estatinas no crescimento ósseo

Introdução

O texto abaixo pode parecer muito técnico, mas você pode ler mais sobre o básico em outros artigos deste blog. Você só precisa ir até a página de índice no seu idioma preferido (inglês, espanhol ou português; veja a barra no topo desta página) para encontrar mais informações sobre tudo o que é discutido aqui, como a placa de crescimento e as estatinas. Também adicionei vários links para esses artigos ao longo do texto.

Qual o papel do FGFR3 no crescimento ósseo?

O crescimento ósseo é um processo rigidamente controlado que ocorre dentro de estreitas camadas de cartilagem localizadas nas extremidades dos ossos longos das crianças, as placas de crescimento. As células responsáveis ​​pelo crescimento ósseo nas placas de crescimento são chamadas de condrócitos (Figura 1) (1).

Figura 1. Estrutura da placa de crescimento cartilaginosa.

Como sabemos, o receptor de fator de crescimento de fibroblastos 3 (FGFR3) ajuda a modular o ciclo celular dos condrócitos na placa de crescimento por duas vias químicas principais, uma definida por um grupo de enzimas chamadas MAPK e a outra por sua principal enzima, a STAT1. Enquanto a STAT1 controla o ritmo de multiplicação (proliferação) da célula, a via MAPK é um controlador-chave do ritmo de diferenciação de condrócitos (hipertrofia) (Figura 2) (1). O FGFR3, trabalhando por essas vias, inibe o crescimento ósseo.

Figura 2. Vias do FGFR3.

Vias de sinalização ativadas pelo FGF/FGFR. FGFs induzem dimerização, ativação de quinase e transfosforilação de resíduos de tirosina de FGFRs, levando à ativação de vias de sinalização a jusante. Várias vias são estimuladas pela sinalização de FGF/FGFR, como as vias Ras-MAP quinase (MAPK), PI3K/AKT e PLC-γ. Além disso, a sinalização do FGF também pode estimular a via STAT1/p21. A sinalização do FGF/FGFR também fosforila a proteína Shc e Src. FGF/FGFR desempenham papéis cruciais na regulação da proliferação, diferenciação e apoptose de condrócitos por vias de sinalização a jusante. De Su N et al., Bone Res. 2014 (2). Reproduzido aqui apenas para fins educacionais.

Não se preocupe com a complexidade aqui, visite o glossário do blog para obter uma breve descrição da placa de crescimento e de suas camadas. Outros artigos do blog também contêm descrições mais detalhadas da placa de crescimento (você pode tentar este).

Estatinas para a acondroplasia? 

As estatinas estão sob os holofotes desde 2014, quando um grupo japonês publicou um elegante estudo explorando o uso de estatinas para a acondroplasia: eles descobriram que as estatinas eram capazes de resgatar o crescimento ósseo em um modelo de acondroplasia (você pode ler mais aqui) (3 ). No entanto, eles não conseguiram elucidar como esses medicamentos teriam funcionado (seu mecanismo de ação). Posteriormente, o grupo tcheco liderado pelo Dr. Pavel Krejci publicou um estudo em que descartou qualquer efeito direto das estatinas no FGFR3 (4), mantendo a questão de como as estatinas poderiam ter resgatado o crescimento ósseo naquele estudo original sem uma resposta apropriada.

Pensando em soluções terapêuticas para acondroplasia as estatinas podem se tornar uma solução útil: são baratas, têm um perfil de segurança conhecido e têm sido amplamente utilizadas em várias indicações clínicas, inclusive em crianças e mulheres grávidas. Leia mais sobre as estatinas aqui.

Se as estatinas não bloqueiam o FGFR3, como elas resgatam o crescimento ósseo?

• As estatinas restauram a proliferação de condrócitos

Um estudo muito recente publicado por outro grupo japonês parece finalmente ter revelado o mecanismo de ação desses medicamentos, explicando como as estatinas podem induzir o crescimento ósseo na acondroplasia.

Ishikawa et al. (5) descobriram que a fluvastatina, uma das estatinas, foi capaz de aumentar a expressão de um dos principais reguladores do crescimento ósseo, uma proteína chamada Indian Hedgehog (IHH). A IHH, por sua vez, induz a liberação local de um peptídeo na placa de crescimento chamado peptídeo relacionado ao hormônio da paratireóide (PTHrP). Quando o PTHrP é liberado na placa de crescimento, estimula os condrócitos a permanecerem em um estado proliferativo (1), retardando sua transição para o estado hipertrófico. Este artigo do blog tem mais informações sobre as atividades do eixo IHH-PTHrP na placa de crescimento.

Portanto, tanto o IHH quanto o PTHrP são promotores de crescimento ósseo, em contraste com o FGFR3, que funciona naturalmente como um freio de crescimento na placa de crescimento.

Existe alguma correlação entre o FGFR3 e a IHH?

Em 2001, Chen et al. (6) demonstraram que o FGFR3 causava um efeito inibitório direto no eixo IHH-PTHrP na placa de crescimento (Figura 3). O mecanismo exato pelo qual o FGFR3 inibe a IHH e a PTHrP ainda não está claro, embora pareça que uma das vias químicas ativadas através do FGFR3 (a via STAT1 - Figura 2) induz inibidores do ciclo celular (agentes que bloqueiam a multiplicação celular), levando à inibição da IHH (que é, como dito acima, um promotor de proliferação celular).

Figura 3. Correlação entre o FGFR3 e a IHH na placa de crescimento. 

Modelo das relações entre FGF-FGFR3 e a sinalização IHH-PTHrP-PTHrP-R na formação óssea endocondral. Os sinais FGF-FGFR3 e IHH-PTHrP-PTHrP-R são transmitidos por duas vias paralelas integradas que mediam funções sobrepostas e distintas durante o crescimento de ossos longos. Tanto o FGFR3 quanto o IHH afetam a proliferação de condrócitos. No entanto, o FGFR3 é um regulador negativo do crescimento ósseo, enquanto o IHH regula positivamente o crescimento ósseo. As evidências sugerem que a sinalização de FGF-FGFR3 induz a ativação de proteínas STAT, a regulação positiva da expressão de inibidores do ciclo celular e a regulação negativa da expressão de IHH. Os sinais FGF-FGFR3 e PTHrP-PTHrP-R inibem a diferenciação de condrócitos, e ambos os sinais parecem atuar de maneira dominante e independente. De Chen L et al. Hum Mol Gen 2001; 10 (5): 457-65 (6). Reproduzido aqui apenas para fins educacionais.

Então, em resumo, Ishikawa et al. descobriram que as estatinas parecem restaurar o eixo IHH-PTHrP nos condrócitos afetados pela sinalização do FGFR3, melhorando a capacidade de proliferação dessas células.

Por que esse achado é importante?

Como vimos acima, o FGFR3 inibe o crescimento ósseo, reduzindo a taxa de proliferação de condrócitos e sua capacidade de diferenciar e crescer (amadurecer, um processo chamado hipertrofia). Esses dois estágios dos condrócitos representam o núcleo do processo de crescimento ósseo.

Para colocar essas informações em contexto e ajudar os leitores a entender sua relevância, é importante saber que a atual terapia potencial mais avançada para a acondroplasia, o vosoritide, que é um análogo do peptídeo natriurético do tipo C (CNP), funciona especificamente sobre a via MAPK, portanto, resgata apenas um dos principais processos regulados pelo FGFR3 (7).

Nesse contexto, é possível que estratégias que visem inibir diretamente a atividade do FGFR3 possam proporcionar melhores resultados em termos de resgate do crescimento ósseo, pois afetariam as duas principais vias desencadeadas por esse receptor (Figura 2). Este é o caso do recifercept (TA-46) e do infigratinib (BGJ-398) (confira os artigos no blog que revisam essas moléculas).

Em conclusão, os dados fornecidos por Ishikawa et al. podem servir como base para os pesquisadores explorarem a combinação de terapias direcionadas à via MAPK - todas as terapias baseadas no CNP, inibidores anti-MAPK quinase e meclizina - com estatinas, aproveitando seus mecanismos exclusivos de ação. Essas combinações poderiam funcionar em sinergia para resgatar o crescimento ósseo na acondroplasia e em outras displasias esqueléticas nas quais a atividade excessiva do FGFR3 desempenha um papel relevante.

Referências

1. Long F, Ornitz DM. Development of the endochondral skeleton. Cold Spring Harb Perspect Biol 2013;5(1):a008334. Acesso gratuito.

2. Su N et al. Role of FGF/FGFR signaling in skeletal development and homeostasis: learning from mouse models. Bone Res. 2014;2:14003. Acesso gratuito.

3. Yamashita A et al. Statin treatment rescues FGFR3 skeletal dysplasia phenotypes. Nature 2014 ;513(7519):507-11.

4. Fafilek B et al. Statins do not inhibit the FGFR signaling in chondrocytes. Osteoarthritis Cartilage. 2017 Sep;25(9):1522-1530. Acesso gratuito.
 
5. Ishikawa M et al. The effects of fluvastatin on indian hedgehog pathway in endochondral ossification. Cartilage. 2019 Jul 22:1947603519862318.

6. Chen L et al. A Ser(365)-->Cys mutation of fibroblast growth factor receptor 3 in mouse downregulates Ihh/PTHrP signals and causes severe achondroplasia. Hum Mol Genet 2001; 10(5):457-65. Acesso gratuito.

7. Lorget F et al. Evaluation of the therapeutic potential of a CNP analog in a Fgfr3 mouse model recapitulating achondroplasia. Am J Hum Genet. 2012 ;91(6):1108-14. Acesso gratuito.

Treating achondroplasia: unveiling the mechanism of action of statins on bone growth

Introduction

The text below could look very technical, but you can read more about the basics in other articles of this blog. You just need to go to the index page in your preferred language (English, Spanish or Portuguese; see the bar on top of this page) to find out more information about everything discussed here, such as the growth plate and statins. I have also added several links to those articles throughout the text. 

What's the role of FGFR3 in bone growth?

Bone growth is a tightly controlled process that takes place within thin layers of cartilage located in the extremities of children's long bones, the growth plates. The cells responsible for the bone growth in the growth plates are called chondrocytes (Figure 1) (1).


Figure 1. Cartilage growth plate structure.

 
As we know, fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) helps modulating the chondrocyte cell cycle within the growth plate through two main chemical pathways, one managed by a group of enzymes called MAPK and the other defined by its main enzyme STAT1. While STAT1 controls the cell's multiplication (proliferation) pace, the MAPK pathway is a key controller of the chondrocyte differentiation (hypertrophy) pace (Figure 2) (1). FGFR3, working through these pathways, inhibits bone growth.

Figure 2. FGFR3 pathways.

Signaling pathways activated by FGF/FGFR. FGFs induce dimerization, kinase activation and transphosphorylation of tyrosine residues of FGFRs, leading to activation of downstream signaling pathways. Multiple pathways are stimulated by FGF/FGFR signaling such as Ras-MAP kinase, PI-3 kinase/AKT and PLC-γ pathways. Furthermore, FGF signaling can also stimulate STAT1/p21 pathway. FGF/FGFR signaling also phosphorylates the Shc and Src protein. FGF/FGFR play crucial roles in the regulation of proliferation, differentiation and apoptosis of chondrocytes via downstream signaling pathways. From Su N et al., Bone Res. 2014 (2). Reproduced here for educational purposes only.

Don't worry about the complexity here, visit the blog's glossary for a brief description of the growth plate and its layers. Other articles of the blog also contain more detailed descriptions of the growth plate (you could try this one).

Statins for achondroplasia?  

Statins have been under the spotlight since 2014, when a Japanese group published an elegant study exploring the use of statins for achondroplasia: they found out that statins were able to rescue bone growth in a model of achondroplasia (you can read more here) (3). However, they could not elucidate how those drugs were working (their mechanism of action). Later on, the Czech group lead by Dr. Pavel Krejci published a study in which they ruled out any direct effect of statins on FGFR3 (4), keeping the question of how statins could have rescued bone growth in that original study without an appropriate answer. 

Thinking about therapeutic solutions for achondroplasia statins could turn to be a handy solution: they are inexpensive, have a known safety profile and have been largely used for several clinical indications, including in children and pregnant women. Read more about statins here. 

If statins don't block FGFR3, how do they rescue bone growth?

• Statins restore chondrocyte proliferation

A very recent study published by another Japanese group seems to have finally unveiled the mechanism of action of these drugs, explaining how statins could induce bone growth in achondroplasia.

Ishikawa et al. (5) found out that fluvastatin, one of the statins, was able to increase the expression of one of the key regulators of bone growth, a protein called Indian Hedgehog (IHH). IHH, in turn, induces the release of a local growth plate peptide called Peptide related to Parathyroid Hormone (PTHrP). When PTHrP is released in the growth plate, it stimulates chondrocytes to stay in a proliferative state (1), delaying their transition to the hypertrophic state. This article of the blog has more information about the IHH-PTHrP activities in the growth plate.

Therefore, both IHH and PTHrP are bone growth promoters, in contrast with FGFR3, which works naturally as a growth brake in the growth plate.

Is there any correlation between FGFR3 and IHH ? 

Back in 2001, Chen et al. (6) demonstrated that FGFR3 had a direct inhibitory effect in the IHH-PTHrP axis in the growth plate (Figure 3). The exact mechanism by which FGFR3 inhibits IHH and PTHrP remains elusive although it seems that one of the chemical pathways activated through FGFR3 (the STAT1 pathway - Figure 2) induces cell cycle inhibitors (agents that block cell multiplication) leading to inhibition of IHH (which is, as said above, a cell proliferation promoter).

Figure 3. Crosstalk between FGFR3 and IHH in the growth plate.

Model of the relations between FGF-FGFR3 and IHH-PTHrP–PTHrP-R signaling in endochondral bone formation. FGF-FGFR3 and IHH-PTHrP–PTHrP-R signals are transmitted by two integrated parallel pathways that mediate both overlapping and distinct functions during the growth of long bones. Both FGFR3 and IHH affect chondrocyte proliferation. However, FGFR3 is a negative regulator of bone growth, whereas IHH positively regulates bone growth. Evidence suggests that FGF-FGFR3 signaling induces activation of STAT proteins, upregulation of the expression of cell cycle inhibitors and downregulation of IHH expression. Both FGF-FGFR3 and PTHrP–PTHrP-R signals inhibit chondrocyte differentiation, and both signals appear to act in a dominant and independent manner. From Chen L et al. Hum Mol Gen 2001;10(5):457-65 (6). Reproduced here for educational purposes only.

So, in summary Ishikawa et al. found out that statins seem to restore the IHH-PTHrP axis in chondrocytes affected by FGFR3 signaling, improving these cells' ability to proliferate.

Why is this finding important?

 
As we saw above, FGFR3 inhibits bone growth by reducing both the chondrocyte proliferation rate and its ability to differentiate and enlarge (to become mature, a process called hypertrophy). These two chondrocyte's stages represent the core of the bone growth process.

To put this information in context and help readers to understand its relevance it is important to know that the current most advanced potential therapy for achondroplasia, vosoritide, which is a C-type natriuretic peptide (CNP) analogue, works specifically over the MAPK pathway, so it rescues only one of the key processes regulated by FGFR3 (7).

In this context, it is possible that strategies that aim to inhibit the activity of FGFR3 directly might provide better outcomes in terms of bone growth rescue because they would be affecting both main pathways triggered by this receptor (Figure 2). This is the case of recifercept (TA-46) and infigratinib (BGJ-398) (check out the articles in the blog reviewing these molecules).

In conclusion, the data provided by Ishikawa et al. may provide grounds for investigators to explore the combination of therapies targeting the MAPK pathway - all CNP-based therapies, anti-MAPK kinase inhibitors and meclizine - with statins, taking advantage of their unique mechanisms of action. These combinations might work in sinergy to rescue bone growth in achondroplasia and in other skeletal dysplasias in which FGFR3's excessive activity plays a relevant role.

References

1. Long F, Ornitz DM. Development of the endochondral skeleton. Cold Spring Harb Perspect Biol 2013;5(1):a008334. Free access.

2. Su N et al. Role of FGF/FGFR signaling in skeletal development and homeostasis: learning from mouse models. Bone Res. 2014;2:14003. Free access.

3. Yamashita A et al. Statin treatment rescues FGFR3 skeletal dysplasia phenotypes. Nature 2014 ;513(7519):507-11.

4. Fafilek B et al. Statins do not inhibit the FGFR signaling in chondrocytes. Osteoarthritis Cartilage. 2017 Sep;25(9):1522-1530. Free access.

5. Ishikawa M et al. The effects of fluvastatin on indian hedgehog pathway in endochondral ossification. Cartilage. 2019 Jul 22:1947603519862318.

6. Chen L et al. A Ser(365)-->Cys mutation of fibroblast growth factor receptor 3 in mouse downregulates Ihh/PTHrP signals and causes severe achondroplasia. Hum Mol Genet 2001; 10(5):457-65. Free access.

7. Lorget F et al. Evaluation of the therapeutic potential of a CNP analog in a Fgfr3 mouse model recapitulating achondroplasia. Am J Hum Genet. 2012 ;91(6):1108-14. Free access.

Tratando la acondroplasia: BMN-111 y el fenómeno del crecimiento de recuperación

Traducción: Maria Cristina Terceros

Huesos en crecimiento

En las últimas cuatro reuniones públicas, al hablar sobre el programa del BMN-111 para acondroplasia, Biomarin mencionó frecuentemente dos temas importantes: la velocidad del crecimiento y el fenómeno del crecimiento de recuperación (catch up growth). Para el estudio de la fase 2, el cambio en la velocidad de crecimiento ha sido considerado como el principal desenlace de eficacia, aunque ellos también estén acompañando otros parámetros diferentes, como ser cambios en la desproporcionalidad. Biomarín refiere que la velocidad media de crecimiento en niños pre-púberes es de 6 cm/año, y que en niños con acondroplasia, esta media es de 4 cm/año. La expectativa es que, como un efecto de la terapia con el BMN-111, la velocidad de crecimiento en los niños que participaron en el estudio alcance la media "normal" o, en otras palabras, que la velocidad de crecimiento podría aumentar en aproximadamente 50%. Una tasa de crecimiento más elevada que estos 50% sería considerada crecimiento de recuperación, ya que superaría la tasa de velocidad del crecimiento normal.

Teóricamente, el crecimiento de recuperación se da como una respuesta del programa de crecimiento natural, cuando la razón para la restricción del crecimiento es corregida (1,2).

La razón más común de atraso de crecimiento es la desnutrición, y el crecimiento de recuperación se da en niños y animales desnutridos que reciben nutrición adecuada (Figura 1) (1). Él es traducido en una fase de crecimiento acelerado, hasta que el niño alcance el umbral individual dictado por su programa de crecimiento genético y edad. En seguida, el ritmo de crecimiento vuelve a lo normal.

Figura 1. El fenómeno del crecimiento de recuperación en ratas

Efecto de la restricción alimentar y realimentación en la EGP. Ratones SD machos de veinticuatro días de edad fueron liberadas para comer ad libitum (AL), sometidos a la restricción alimentar de 40% durante 11 días (RES) o sometidos a 10 días de restricción alimentar, seguido por un día de realimentación ad libitum (CU). Las flechas indican la altura del EGP. Ampliación 40 ×. EGP = placa de crecimiento de la epífisis. Ref. 1. Copyright © 2015 de los autores; con autorización de MDPI, Basilea, Suiza. Reproducido aquí apenas para fines educativos.

¿Cómo podría ser explicado el crecimiento de recuperación en la acondroplasia?

La causa de la acondroplasia es una mutación en una enzima llamada receptor del factor de crecimiento del fibroblasto 3 (FGFR3), que hace con que sea más activa de lo normal. El FGFR3 desempeña un papel muy importante en el programa de crecimiento natural, actuando como un freno para los condrocitos en la placa de crecimiento. Debido a la mutación, el freno funciona excesivamente, perjudicando el crecimiento normal del hueso. El FGFR3 ejerce sus acciones a través de varias cadenas de reacciones químicas, producidas por otras enzimas clientes dentro del condrocito, y una de ellas, llamada MAPK, parece ser la principal de esas cadenas súper activas en la acondroplasia.

El BMN-111 es análogo de un péptido humano natural llamado péptido natriurético tipo C (CNP). El CNP tiene su propia vía química celular, y funciona reduciendo la actividad de la MAPK (Figura 2) en los condrocitos. Los estudios han mostrado que el BMN-111 funciona de la misma forma (ver este artículo en el blog) (3). Está complemente justificado el decir que el FGFR3 y el CNP tienen papeles antagónicos en los condrocitos de la placa de crecimiento.

A fin de cuentas, ¿cómo sería este crecimiento de recuperación? 

En este ejercicio, vamos a dar al FGFR3 normal un valor para su nivel de actividad. Digamos que, en condiciones normales, el FGFR3 tendría un nivel 5 de actividad y que, en la acondroplasia, su nivel de actividad es de 7 (recuerde, él está trabajando más que lo esperado). En este escenario, si el CNP o su análogo fuese capaz de llevar al FGFR3 de vuelta al nivel 5, entonces podríamos normalizar la velocidad de crecimiento. Ya que el FGFR3 mutante es el único motivo para el retraso del crecimiento en la acondroplasia, la normalización de su actividad podría proporcionar las condiciones para el crecimiento de recuperación.

El BMN-111 fue estudiado en dos modelos animales diferentes de mutaciones del FGFR3. El primero fue un modelo liviano, en el cual el uso del BMN-111 rescató el crecimiento óseo virtualmente a lo normal (3). El segundo modelo era mucho más afectado, con una mutación semejante a aquélla que es la que causa la displasia tanatofórica (TD) en humanos (4). En este modelo semejante a la TD, la terapia con el BMN-111 produjo una mejora significativa en el crecimiento óseo, pero no pudo rescatar el defecto completamente. En una analogía, podríamos decir que el nivel de actividad del FGFR3, fue de 7 en el primer estudio, y de 9 en el segundo. Con el BMN-111, el FGFR3 del primer modelo pudo haber sido llevado a un nivel normal de actividad, y en el segundo modelo, aún habría súper actividad del FGFR3, a pesar de la terapia.

Figura 2. Interacción del CNP y del FGFR3.

Con base en el escenario arriba representado, se puede especular con que el crecimiento de recuperación podría darse en los participantes del estudio de la fase 2 si el BMN-111 estuviese funcionando con una intensidad suficiente para reducir el exceso de actividad de la MAPK, restaurándola a niveles normales.

El FGFR3 influye en una serie de otros agentes que actúan dentro del programa de crecimiento óseo y varios de ellos por medio de la acción de la MAPK. Sin embargo, el defecto en la acondroplasia es único: ningún otro agente tiene problemas. Reforzando lo que acabé de mencionar anteriormente, creo que, en la acondroplasia, el programa de crecimiento (que abarca decenas de esos agentes) está funcionando normalmente, y el FGFR3 sería la única razón para la restricción del crecimiento. Bien, si la actividad del FGFR3 se encontrase bajo control, el programa podría retomar su ritmo natural. Esto podría incluir una fase de rescate para recuperar el atraso en el crecimiento.

La empresa Biomarin viene anunciando que los resultados del estudio de fase 2 serán divulgados el mes de junio. Unos pocos días más, y veremos…

Sugerencias

Para saber más sobre el CNP y el BMN-111, se puede visitar una de las páginas del índice (elija su idioma) en lo alto de esta página. Allí se pueden encontrar otros varios artículos de revisión relacionados con el CNP y con sus análogos. Se pueden ver también referencias valiosas en la página de Referencias.

Finalmente, ayer (27 de mayo), el grupo japonés liderado por Kazua Nakao publicó un nuevo estudio convincente disecando la relevancia del CNP para el crecimiento óseo. El artículo es de acceso libre (5).



Referencias

1. Gat-Yablonski G and Phillip M. Nutritionally-Induced Catch-Up rowth. Nutrients 2015; 7(1):517-51; doi:10.3390/nu7010517. Free access.

2. Lui JC et al. Growth plate senescence and catch-up growth. in Cartilage and bone development and its disorders. Camacho- Hübner C, Nilsson O, Sävendahl L (eds):
Endocr Dev. Basel, Karger, 2011, vol 21, pp 23–29. Free access.

3. Wendt DJ et al. Neutral endopeptidase-resistant C-type natriuretic Peptide variant represents a new therapeutic approach for treatment of fibroblast growth factor receptor 3-related dwarfism. J Pharmacol Exp Ther 2015;353(1):132-49. Free access.

4.  Lorget F et al. Evaluation of the therapeutic potential of a CNP analog in a Fgfr3 mouse model recapitulating achondroplasia. Am J Hum Genet 2012;91(6):1108-14. Free access.

5. Nakao K et al. The local CNP/GC-B system in growth plate is responsible for physiological endochondral bone growth. Sci Rep 2015 May 27;5:10554. doi: 10.1038/srep10554. Free access.

Tratando a acondroplasia: BMN-111 e o fenômeno do crescimento de recuperação

Ossos em crescimento

Nas últimas quatro reuniões públicas, ao falar sobre o programa do BMN-111 para a acondroplasia, a Biomarin mencionou frequentemente dois temas importantes: velocidade de crescimento e o fenômeno do crescimento de recuperação (catch up growth). Para o estudo de fase 2, a mudança na velocidade de crescimento tem sido considerada o principal desfecho de eficácia, embora eles também estejam acompanhando vários outros parâmetros, tais como mudanças na desproporcionalidade. A Biomarin refere que a velocidade média de crescimento em crianças pré-púberes é de 6cm/ano e que em crianças com acondroplasia esta média é de 4 cm/ano. A expectativa é que, como um efeito da terapia com o BMN-111, a velocidade de crescimento nas crianças que participaram no estudo atinja o "normal" médio ou, em outras palavras, que a velocidade de crescimento poderia aumentar em cerca de 50%. Uma taxa de crescimento mais elevada do que estes 50% seria considerada crescimento de recuperação porque iria superar a taxa de velocidade de crescimento normal.

Teoricamente, o crescimento de recuperação ocorre como uma resposta do programa de crescimento natural quando a razão para a restrição do crescimento é corrigida(1,2).

A causa mais comum de retardo do crescimento é a desnutrição e crescimento de recuperação ocorre em crianças e animais desnutridos que recebem nutrição adequada (Figura 1) (1). Ele é traduzido em uma fase de crescimento acelerado até que a criança atinja o limiar individual ditado por seu programa de crescimento genético e idade. Em seguida, o ritmo de crescimento retorna ao normal.

Figura 1. O fenômeno do crescimento de recuperação em ratos

Efeito da restrição alimentar e re-alimentação na EGP. Ratos SD machos de vinte e quatro dias de idade, foram liberados para comer ad libitum (AL), submetidos à restrição alimentar de 40% durante 11 dias (RES) ou submetidos a 10 dias de restrição alimentar, seguido por um dia de re-alimentação ad libitum (CU). As setas indicam a altura do EGP. Ampliação, 40 ×. EGP = placa de crescimento da epífise. Ref 1. Copyright © 2015 dos autores; licenciado por MDPI, Basileia, Suíça. Reproduzido aqui apenas para fins educacionais.

Como poderia ser explicado o crescimento de recuperação na acondroplasia?

A causa da acondroplasia é uma mutação em uma enzima chamada receptor de fator de crescimento de fibroblastos 3 (FGFR3), que faz com que seja mais ativa do que o normal. O FGFR3 desempenha um papel muito importante no programa de crescimento natural, agindo como um freio para os condrócitos na placa de crescimento. Devido à mutação, o freio funciona excessivamente, prejudicando o crescimento normal do osso. O FGFR3 exerce as suas ações através de várias cadeias de reações químicas produzidas por outras enzimas clientes dentro do condrócito e uma delas, chamada MAPK, parece ser a principal dessas cadeias super ativas na acondroplasia.

O BMN-111 é um análogo de um peptídeo humano natural chamado de peptídeo natriurético tipo C (CNP). O CNP tem a sua própria via química celular e funciona reduzindo a atividade da MAPK (Figura 2) nos condrócitos. Estudos têm mostrado que o BMN-111 funciona da mesma forma (veja este artigo do blog) (3). É justo dizer que o FGFR3 e o CNP têm papéis antagônicos nos condrócitos da placa de crescimento.

Afinal de contas, como seria este crescimento de recuperação? 

Neste exercício, vamos dar ao FGFR3 normal um valor para o seu nível de atividade. Digamos que, em condições normais, o FGFR3 teria um nível 5 de atividade e que, na acondroplasia, seu nível de atividade é de 7 (lembre-se, ele está trabalhando mais do que o esperado). Neste cenário, se o CNP ou seu análogo fosse capaz de levar o FGFR3 de volta ao nível 5, então poderíamos normalizar a velocidade de crescimento. Já que o FGFR3 mutante é o único motivo para o retardo do crescimento na acondroplasia, a normalização da sua atividade poderia proporcionar as condições para o crescimento de recuperação.

O BMN-111 foi estudado em dois modelos animais diferentes de mutações do FGFR3. O primeiro foi um modelo leve, em que o uso de BMN-111 resgatou o crescimento ósseo virtualmente ao normal (3). O segundo modelo era bem mais afetado, com uma mutação semelhante a da que causa a displasia tanatofórica (TD) em humanos (4). Neste modelo semelhante a TD a terapia com o BMN-111 produziu uma melhoria significativa no crescimento ósseo, mas não pôde resgatar o defeito completamente. Em uma analogia, poderíamos dizer que o nível de atividade do FGFR3 foi de 7 no primeiro estudo e 9 no segundo. Com o BMN-111 o FGFR3 do primeiro modelo pode ter sido levado a um nível normal de atividade e no segundo modelo ainda haveria super atividade do FGFR3, apesar da terapia.

Figura 2. Interação do CNP e do FGFR3.

Com base no cenário acima, pode-se especular que o crescimento de recuperação poderia ocorrer nos participantes do estudo de fase 2 se o BMN-111 estivesse funcionando em uma intensidade suficiente para reduzir o excesso de atividade da MAPK, restaurando-a a níveis normais.

O FGFR3 influencia uma série de outros agentes que atuam no programa de crescimento ósseo e vários deles através da ação da MAPK. No entanto, o defeito na acondroplasia é único: nenhum outro agente tem problemas. Reforçando o que acabei de mencionar acima, creio que na acondroplasia o programa de crescimento (que engloba dezenas desses agentes) está funcionando normalmente e o FGFR3 seria a única razão para a restrição de crescimento. Bem, se a atividade do FGFR3 estiver sob controle, o programa poderia retomar o seu ritmo natural. Isto poderia incluir uma fase de resgate para recuperar o retardo do crescimento.

A Biomarin vem anunciando que os resultados do estudo de fase 2 serão divulgados em junho. Mais alguns dias apenas, e vamos ver ...

Sugestões

Neste artigo, abordei muito rapidamente a biologia da acondroplasia. No blog há outros artigos em que os aspectos técnicos são abordados de forma mais completa e com mais explicações, para facilitar a compreensão da acondroplasia. Para saber mais sobre o CNP e o BMN-111 você pode visitar uma das páginas de índice (escolha sua língua) no topo desta página. Você vai encontrar vários outros artigos de revisão sobre o CNP e seus análogos. Há também referências valiosas na página de Referências.

Finalmente, ontem (27 de Maio), o grupo japonês liderado por Kazua Nakao publicou um novo estudo convincente dissecando a relevância do CNP para o crescimento ósseo. O artigo é de acesso livre (5).

References

1. Gat-Yablonski G and Phillip M. Nutritionally-Induced Catch-Up rowth. Nutrients 2015; 7(1):517-51; doi:10.3390/nu7010517. Free access.

2. Lui JC et al. Growth plate senescence and catch-up growth. in Cartilage and bone development and its disorders. Camacho- Hübner C, Nilsson O, Sävendahl L (eds):
Endocr Dev. Basel, Karger, 2011, vol 21, pp 23–29. Free access.

3. Wendt DJ et al. Neutral endopeptidase-resistant C-type natriuretic Peptide variant represents a new therapeutic approach for treatment of fibroblast growth factor receptor 3-related dwarfism. J Pharmacol Exp Ther 2015;353(1):132-49. Free access.

4.  Lorget F et al. Evaluation of the therapeutic potential of a CNP analog in a Fgfr3 mouse modelrecapitulating achondroplasia. Am J Hum Genet 2012;91(6):1108-14. Free access.

5. Nakao K et al. The local CNP/GC-B system in growth plate is responsible for physiological endochondral bone growth. Sci Rep 2015 May 27;5:10554. doi: 10.1038/srep10554. Free access.

Treating achondroplasia: BMN-111 and the catch up growth phenomenon

Growing bones

In the last four public meetings, when speaking about the BMN-111 program for achondroplasia, Biomarin frequently mentioned two topics: growth velocity and the catch up growth phenomenon. For the phase 2 study, change in growth velocity has been considered the main efficacy outcome, although they are also looking at several other parameters, such as changes in disproportionality. Biomarin refers that the average growth velocity in pre-pubertal children is ~6 cm/year and that in children with achondroplasia this average is 4cm/year. Their expectation is that as an effect of the therapy with BMN-111, the growth velocity in the children participating in the study would reach the "normal" average or, in other words, that the growth velocity would increase in about 50%. Growth rate higher than these 50% would be considered catch up growth because it would surpass the normal growth velocity rate.

Theoretically, catch up growth may occur as a response of the natural growth program when the reason for growth restriction is solved (1,2).

The most common cause of growth restriction is malnutrition and catch up growth occurs in malnourished children and animals receiving appropriate nutrition (Figure 1) (1). It is translated in a phase of accelerated growth till the child reaches the individual threshold dictated by his/her genetic growth program and age. Then the growth pace returns to normal.

Figure 1. The catch up growth phenomenon in rats

Effect of food restriction and re-feeding on the height of the EGP. Twenty-four-day-old male SD rats were allowed to eat ad libitum (AL), subjected to 40% food restriction for 11 days (RES) or subjected to 10 days of food restriction followed by one day of re-feeding ad libitum (CU). The arrows indicate the height of the EGP. Magnification, 40×. EGP = epiphyseal growth plate. Ref 1. Copyright © 2015 by the authors; licensee MDPI, Basel, Switzerland. Reproduced here for educational purposes only. 

How would catch up growth be explained in achondroplasia? 

The cause of achondroplasia is a mutation in an enzyme called fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) that makes it more active than normal. FGFR3 plays a very important role in the natural growth program, acting as a brake for the chondrocytes within the growth plate. Because of the mutation the brake works excessively, impairing normal bone growth. FGFR3 exerts its actions through several chemical chain reactions produced by other client enzymes inside the chondrocyte and one of them, called MAPK, is thought to be the main of these chains working too much in achondroplasia. 

BMN-111 is an analogue of a natural human peptide called c-type natriuretic peptide (CNP). CNP has its own cell chemical pathway and works reducing the activity of MAPK (Figure 2) in chondrocytes. Studies have showed that BMN-111 works in the same way (see this article in the blog) (3). It is fair to say that FGFR3 and CNP have antagonistic roles in the growth plate chondrocyte.

So, how would be this catch up growth after all?

In this exercise, let's give normal FGFR3 a grade for its level of activity. Let's say that in normal conditions, FGFR3 would have a level 5 of activity and that in achondroplasia its activity level is 7 (remember, it is working more than expected). In this scenario, if CNP or its analogue was capable to push FGFR3 back to level 5, then we could be normalizing the growth velocity. Since the mutated FGFR3 is the only reason for growth impairment in achondroplasia, the normalization of its activity could provide the conditions for the growth rescue.

BMN-111 was studied in two different animal models of FGFR3-related mutations. The first one was a mild model, in which the use of BMN-111 rescued bone growth virtually to normal (3). The second model was much more severe, resembling the human FGFR3 mutation that causes tanatophoric dysplasia (TD)(4). In this TD-like model the therapy with BMN-111 produced significant improvement in bone growth, but couldn't rescue the defect completely. In an analogy, we could say that the activity level of FGFR3 was 7 in the first study and 9 in the second one. With BMN-111 the first model could have FGFR3 brought to a normal activity level and in the second model there would be still FGFR3 over activity in spite of the therapy.

Figure 2. CNP and FGFR3 crosstalk.

Based on the above scenario, one could speculate that catch up growth could take place in the phase 2 participants if BMN-111 was working in an intensity enough to downgrade MAPK over-activity, restoring it to normal levels. 

FGFR3 influences a number of other agents that are active in the bone growth program and several of them through the action of MAPK. However, the defect in achondroplasia is a single one: no other agent has problems. Reinforcing what I have just mentioned above, my opinion is that in achondroplasia the growth program (which encompasses dozens of those agents) is working normally and FGFR3 would be the sole reason for growth restriction. Well, if FGFR3 activity was under control, then the program could resume its natural pace. This could include a rescuing phase of catch up growth.

Biomarin has been announcing that the results of the phase 2 study will be released in June. Just a few more days and we will see...

Suggestions

In this article I have just briefly written about the biology of achondroplasia and it might seem complex to first time readers to understand part of the text. There are other articles of the blog where the science is explained in more detail.  For instace, to learn more about CNP and BMN-111 you could visit one of the index pages (choose your language) on the top of this page. You will find several other articles reviewing CNP and its analogue. There are also valuable references in the Reference page.

Finally, just yesterday (May 27th), the Japanese group leaded by Kazua Nakao has published a new compelling study dissecting the relevance of CNP for bone growth. The article is open access (5).

References

1. Gat-Yablonski G and Phillip M. Nutritionally-Induced Catch-Up rowth. Nutrients 2015; 7(1):517-51; doi:10.3390/nu7010517. Free access.

2. Lui JC et al. Growth plate senescence and catch-up growth. in Cartilage and bone development and its disorders. Camacho- Hübner C, Nilsson O, Sävendahl L (eds):
Endocr Dev. Basel, Karger, 2011, vol 21, pp 23–29. Free access.

3. Wendt DJ et al. Neutral endopeptidase-resistant C-type natriuretic Peptide variant represents a new therapeutic approach for treatment of fibroblast growth factor receptor 3-related dwarfism. J Pharmacol Exp Ther 2015;353(1):132-49. Free access.

4.  Lorget F et al. Evaluation of the therapeutic potential of a CNP analog in a Fgfr3 mouse modelrecapitulating achondroplasia. Am J Hum Genet 2012;91(6):1108-14. Free access.

5. Nakao K et al. The local CNP/GC-B system in growth plate is responsible for physiological endochondral bone growth. Sci Rep 2015 May 27;5:10554. doi: 10.1038/srep10554. Free access.