Paratormônio para tratar a acondroplasia? Parte 2: uso médico e experimental do PTH

No último artigo, aprendemos que o hormônio da paratireóide (PTH, paratormônio) e a proteína relacionada ao PTH (PTHrP) têm estruturas bastante parecidas ​​(embora o PTHrP seja maior) e atuam através do mesmo receptor, produzindo basicamente os mesmos efeitos em suas células- e tecidos-alvo do corpo. Observamos também que, enquanto o PTH é um hormônio circulante, o PTHrP funciona localmente, no local onde é liberado. É interessante notar que ambas as proteínas, dadas sistemicamente, causam efeitos semelhantes na saúde dos ossos e interferem com o metabolismo do cálcio e do fósforo de forma semelhante (1).

Agora, vamos explorar um pouco mais as funções naturais do PTH e também checar o uso atual médico do PTH em doenças ósseas. Mas, primeiro, quero dizer que não vamos entrar em muitos detalhes aqui, quero somente dar ao leitor uma idéia sobre a pesquisa feita com o PTH e o que podemos aprender com ela, novamente para nos ajudar a entender se a terapia com PTH poderia ser uma opção para a acondroplasia.

Antes de começar, vamos falar um pouco sobre os análogos do PTH. Isso é relevante porque, se queremos decidir se o PTH poderia ser usado para tratar a acondroplasia, teremos de escolher o melhor análogo candidato. Atualmente, existem dois deles  sendo comercializados, para o tratamento da osteoporose. Um deles é uma cópia do hormônio natural, que compreende os 84 aminoácidos originais (PTH 1-84). O outro é chamado teriparatide (Forteo™ ou Forsteo™, Ely Lilly), um análogo formado pelos primeiros 34 aminoácidos da parte N-terminal do hormônio (lembra-se que revimos esses terminais de proteína também no último artigo?). O PTHrP também tem sido alvo de pesquisa e existe pelo menos um análogo em desenvolvimento, também para a osteoporose (2). Os cientistas descobriram que tanto o PTH e PTHrP têm nas suas respectivas cadeias vários segmentos de aminoácidos, quase todos com funções distintas. Por exemplo, o teriparatide foi concebido após a demonstração de que este segmento na parte N-terminal da molécula tem uma função potente como anabólico no osso. Além disso, as propriedades dos outros segmentos têm sido entendidas como a razão pela qual existem algumas diferenças nos efeitos observados em estudos de PTH 1-84 e PTH 1-34 no metabolismo do cálcio e nas taxas de proliferação celular. Como um exemplo, parece que a falta do C-terminal da PTH 1-34 seria responsável pelo forte efeito pró-proliferativo deste composto em comparação com o PTH completo (3). Guarde esta informação, pode ser importante em nosso contexto.

PTH controla o metabolismo do cálcio e do fósforo

O PTH é produzido pelas glândulas paratireóides. A sua ação metabólica principal está relacionada com o controle dos níveis sistêmicos (quantidade no sangue) de cálcio e fósforo. Ele exerce esse controle através da mobilização do cálcio de seus depósitos naturais, os ossos ou pelo controle de sua excreção (eliminação) pelos rins. Quando a quantidade de cálcio em circulação cai abaixo de um ponto de corte fisiológico (o qual é controlado por meio de sensores químicos), o PTH é liberado pela paratireóide e induz a mobilização das reservas de cálcio nos ossos, enquanto regula a sua excreção pelos rins. Quando a liberação de PTH é equilibrada, o cálcio é mantido sob controle no sangue. No entanto, quando a paratireóide não está funcionando corretamente, seja produzindo muito ou pouco PTH, há consequências para o corpo. No hiperparatireoidismo, os ossos tornam-se frágeis, devido à diminuição excessiva dos depósitos de cálcio, o que leva à osteoporose. Cálculos renais também são um achado comum em pacientes afetados. No hipoparatireoidismo, a falta de cálcio suficiente no sangue também produz consequências clínicas, tais como espasmos musculares e tetania.

O PTH é uma faca de dois gumes no metabolismo ósseo

Acabamos de ver que o PTH, em excesso, pode causar osteoporose. Assim, por que este hormônio tem sido utilizado no tratamento da osteoporose? Há mais de uma década, alguns análogos do PTH estão disponíveis para o tratamento desta condição. O PTH tem um duplo modo de ação no metabolismo ósseo, estimulando tanto as células que produzem quanto as reabsorvem osso (osteoblastos e osteoclastos, respectivamente), ao mesmo tempo. Se dado continuamente, o PTH causa reabsorção óssea (catabolismo), aumentando a atividade dos osteoclastos sobre a dos osteoblastos, o que leva à osteoporose, assim como vemos em casos de hiperparatireoidismo, enquanto que a sua utilização intermitente induz a produção de osso (anabolismo). É por isso que o atual regime aprovado de PTH no tratamento da osteoporose é uma dose única diária, descrita como intermitente.

Terapia de reposição hormonal é uma realidade, mas não para o PTH

Para pessoas com hipotireoidismo, a melhor terapia é a reposição do hormônio da tireóide. Para os pacientes com diabetes tipo 1, onde não há produção de insulina pelo pâncreas, a atual terapia padrão ouro é a reposição de insulina. Para as pessoas com insuficiência de hormônio de crescimento (GH), devido à deficiência da hipófise, a utilização de GH é plenamente justificada. É notável que a única deficiência glandular em que a terapia não inclui a reposição do hormônio falta é exatamente o hipoparatireoidismo.

Terapia com PTH no hipoparatireoidismo

Embora o PTH tenha sido licenciado oficialmente somente para tratar a osteoporose, tem sido também testado no hipoparatireoidismo. Em resumo, o hipoparatireoidismo pode ser causado por dois tipos de distúrbios, classificados como primários ou secundários. Se a doença está sendo causada por um problema da glândula, então a causa é primária; quando a causa da deficiência hormonal ocorre por fatores externos, por exemplo, cirurgia da tireóide, então é secundária. É natural pensar que a substituição do PTH poderia ser uma opção para o hipoparatireoidismo. De fato, há estudos que trabalham com isso. Vamos olhar aqueles que estão sendo realizados pelo grupo de Karen Winer. Este grupo tem trabalhado com crianças com hipoparatireoidismo por muitos anos e publicou alguns estudos relevantes (3-5). O primeiro, publicado em 2003, descreveu os resultados de três anos de tratamento de adultos com hipoparatireoidismo, mostrando que ele era pelo menos tão bom - e seguro - como a terapia padrão com calcitriol (um análogo da vitamina D) e cálcio. Em dois outros trabalhos mais recentes, eles testaram tanto a curto e longo prazo o tratamento com PTH 1-34 em crianças com hipoparatireoidismo (4,5). Mais uma vez, o PTH mostrou ser tão eficaz e seguro quanto a terapia padrão. Com base nestes e em outros estudos publicados, poderíamos dizer que já há evidência para o uso de reposição de PTH em indivíduos com hipoparatireoidismo.

Utilização experimental da terapia com PTH

O PTH foi testado não só no osso, mas também na cartilagem em modelos animais, com base no efeito estabelecido deste hormônio sobre a proliferação (multiplicação) de condrócitos. Um destes estudos explorarou o efeito do PTH em um modelo de lesão da cartilagem articular (6). Neste caso, o PTH foi dado sistemicamente, atingiu a cartilagem e induziu a regeneração do tecido danificado.

Por que este estudo é importante? Porque mostra que, em um tecido muito semelhante ao da cartilagem da placa de crescimento o PTH, administrado à distância (sistemicamente), foi capaz de alcançar a área de interesse e exerceu a ação esperada. Mesmo tendo em conta que os condrócitos articulares não são exatamente iguais aos dos da placa de crescimento, o mecanismo básico por trás do efeito é bastante semelhante, ou seja, os condrócitos começam a proliferar sob o estímulo produzido pela ligação do PTH com o seu receptor.

Outros estudos exploraram o PTH na reparação de danos em tendão e no reparo de fraturas ósseas. Todos eles se baseiam nos efeitos proliferativos/anabólicos do PTH no osso e na cartilagem.

Em resumo

Revimos algumas propriedades do PTH para saber se ele pode ser utilizado como uma opção terapêutica para a acondroplasia. Até agora vimos que:

• O PTH tem uma molécula muito parecida, chamada de PTHrP, a qual difere da hormônio porque não circula no sangue em circunstâncias normais. Pelo contrário, é uma proteína localmente liberada;
• O PTH e o PTHrP funcionam na ativação de funções celulares ligando-se ao mesmo receptor na membrana celular dos condrócitos, o receptor de PTH;
• Na placa de crescimento da cartilagem, o papel fundamental do PTHrP é manter os condrócitos em um estado proliferativo (multiplicativo);
• Mutações no receptor de PTH, quer reduzindo ou aumentando a atividade do receptor causam alterações na placa de crescimento;
• As mutações do FGFR3 com ganho em função, como visto na acondroplasia, parecem reduzir a disponibilidade local de PTHrP na placa de crescimento;
• Usado clinicamente na osteoporose em adultos ou em estudos experimentais para o hipoparatireoidismo em adultos e crianças, o PTH vem demostrando um perfil razoavelmente seguro;
• Há evidências de que a PTH, dado sistemicamente, atinge o tecido da cartilagem, e exerce a ação esperada.
• Existem vários análogos de PTH em uso clínico ou em desenvolvimento agora. Eles podem ter propriedades distintas de acordo com o tamanho ou estrutura.

Agora, é hora de rever os dados específicos sobre PTH e PTHrP na acondroplasia, o que faremos no próximo artigo.

Referências

1. McCauley LK and Martin TJ. Twenty-Five Years of PTHrP Progress: From Cancer Hormone to Multifunctional Cytokine. J Bone Mineral Res 2012; 27 (6):1–9.

2. Hattersley G et al. BA058, a Novel hPTHrP Analog, Reverses Bone Loss and Improves Bone Strength in Ovariectomized Rats. Osteoporos Int 2012; 23 (Suppl 2):S77-8.

3. Divieti P et al. Receptors specific for the carboxyl-terminal region of parathyroid hormone on bone-derived cells: determinants of ligand binding and bioactivity. Endocrinology  2005;146(4): 1863–70.

4. Winer KK et al. Long-term treatment of hypoparathyroidism: a randomized controlled study comparing parathyroid hormone-(1–34) versus calcitriol and calcium. J Clin Endocrinol Metab 2003;88: 4214–20.

5. Winer KK et al. Effects of once versus twice-daily parathyroid hormone 1–34 therapy in children with hypoparathyroidism. J Clin Endocrinol Metab 2008;93: 3389–95.

6. Winer KK et al. Long-term treatment of 12 children with chronic hypoparathyroidism: a randomized trial comparing synthetic human parathyroid hormone 1-34 versus calcitriol and calcium. J Clin Endocrinol Metab 2010;95(6):2680-8.

7. Sampson ER et al. Teriparatide as a Chondroregenerative Therapy for Injury-Induced Osteoarthritis. Sci Transl Med 2011; 3:101ra93

Parathyroid hormone to treat achondroplasia? Part 3: exploring the boundaries

What we have learned so far

In this series of articles we have been reviewing the available information regarding the parathyroid hormone (PTH) actions in the bone and cartilage to understand if PTH could turn to be an appropriate therapeutic option for achondroplasia. We have briefly visited this hormone’s metabolic properties and learned that it is part of a small family, as there is a very close correlate protein produced by the body, called PTH-related protein (PTHrP). Both molecules produce quite similar effects acting through the same cell membrane receptor, the PTHR.

We also learned that while PTH circulates in the blood, released by the parathyroid glands, PTHrP is found within the tissues which produce it; in other words, in normal situations, PTHrP is a local agent, it doesn’t circulate. PTHrP is important for us (and by extension PTH) in the context of achondroplasia, because this protein exerts a crucial role in bone growth.

If you have been following this blog, you might have already read about the complexities of the cartilage growth plate and know that PTHrP is part of a very intricate symphony where many different agents control bone growth in children. While PTHrP is a growth promoter, fibroblast growth factor receptor type 3 (FGFR3), the protein which is mutated (altered) in achondroplasia, works like a growth brake. As in achondroplasia FGFR3 is working too much, bone growth is severely impaired. We saw that there is evidence that the growth arrest caused by the mutated FGFR3 may cause reduction of the availability of PTHrP within the growth plate, and this in turn may account for part of the FGFR3 effects in the cartilage (a vicious cycle).

We have also seen that PTH is not like a simple on/off button, with just one single activity. Its molecule contains segments that when cleaved (sliced) may have distinct metabolic functions. The two examples given in the last article are worth to repeat here because they may help us to choose the right PTH form for potential tests in achondroplasia:

• The N-terminal part of PTH, constituted by the last 34 amino acids of the hormone chain seems to be responsible for the strong anabolic action of this hormone in bone (and is called PTH 1-34);
• The C-terminal part of PTH seems to be responsible for a modulation of this anabolic activity, and probably is responsible for the differences of the anabolic effects of PTH 1-34 compared to the integral hormone, which is also called PTH 1-84 (1).

Furthermore, we saw that PTH as a medicine has been used for the treatment of osteoporosis in two different forms, PTH 1-84 and as a PTH 1-34 analogue called teriparatide. Meanwhile, it is also being tested in other conditions, with clinical studies already carried on in adults and children with hypoparathyroidism. The evidence obtained in those studies about using PTH in a hormone replacement therapy for hypoparathyroidism is compelling. Then, why PTH is still not part of the treatment of hypoparathyroidism? And why this topic may affect the decision to use PTH in achondroplasia?

To answer these questions we will need to examine the results of the toxicity studies performed with PTH when it was being evaluated as an experimental drug for osteoporosis.

 Is PTH risky?

For any experimental drug to become a medicine it not only need to prove it works (efficacy) but also must pass a series of exhaustive studies both in vitro (in the lab) and in vivo (in animal and human) to test if it is safe. So, let’s check what happened with one of the PTH analogues, teriparatide, during the obligatory tests made to assess its safety. The findings of those tests, which we will be reviewing below brought concern about its long term use in osteoporosis. You see, osteoporosis is a chronic, slow evolving bone disorder and therapies for this condition must be also long term. In summary, tests made in animals, looking for a carcinogen effect (capability of causing cancer), showed that mice submitted to lifelong high dose exposure to teriparatide developed osteosarcomas and other kinds of bone cancer (2).

What does explain those findings? PTH has a physiological pro-proliferative role (it stimulates the multiplication of cells) so the results of those tests were interpreted as the cancer observed in the animals being a consequence of the continuous pro-proliferative stimulation of PTH (2).

These findings caused the Food and Drug Administration (FDA) to impose a black box warning in the teriparatide label with two main restrictions to its use in the clinic (3):

1. Prohibition of its administration in patients with open epiphyses (a synonym of growth plates; growing children and adolescents);

2. Continuous use up to 2 years only.

FDA determined that children and adolescents could not use teriparatide because they are under a natural growing pace and cells are multiplying in great speed, so there is a fear about the risk of having a booster (PTH) working in these fast developing organisms that could cause a cancer transformation in the exposed cells and tissues.

These restrictions reflect concerns over risks not certainties and currently there is no clear evidence that long term use of PTH analogues in fact induce osteosarcoma or other kinds of cancer in man. On the contrary, the subsequent studies made in animals (mice and monkeys) to confirm the cancer increase failed to demonstrate so. These subsequent studies concluded that the oncogenic potential (property of causing cancer) of PTH is linked to the dose used, several times higher than the approved dose in humans (4-6).

Furthermore, as part of an agreement with the manufacturer, FDA requested also a long term follow up of teriparatide use after is approval. The epidemiological surveillance about the risk of osteosarcoma in patients treated with teriparatide showed that it is similar to what is found in the general population. For instance, in 2007 there were already about 300,000 patients treated with teriparatide and there was no clear evidence that in the recommended doses it increased the rate of bone cancer compared to the unexposed population (7). In summary, pre-clinical and surveillance studies with PTH (the full form) and teriparatide have not been showing any tendency of increased risk of cancer in treated patients in defined therapeutic doses. Furthermore, as we have already reviewed, PTH analogues have been tested in adults and children with hypoparathyroidism and have been showing to be safe.

Is there a place for PTH therapy in achondroplasia?

This is the key question. Now it’s time to address it.

First thing we need to know is that PTH and/or PTHrP are not FGFR3 antagonists. They work quite independently one from each other, although we already know that FGFR3 could reduce PTHrP availability in the growth plate (8).

And then, could these two proteins be used to treat achondroplasia? You see, as PTH or PTHrP could not block FGFR3, they would theoretically only overcome one of the main consequences of the FGFR3 actions in the growth plate, which is the chondrocyte proliferation arrest.

This is an interesting concept, treating a disorder without working directly in the causative agent. However, this is exactly the idea being applied in the CNP (BMN-111) development. The goal here would be to rescue the proliferation of chondrocytes, which is impaired because of the FGFR3 excessive activity.

The idea of using PTH in achondroplasia is not new. Back on 2004, the group of Amizuka published an interesting work, where they tested mouse models to study the consequences of switching off FGFR3 or PTHrP or both at the same time. You should look at the published Figures 1 and 2 in their paper, which I don’t reproduce here to respect the copyright (access should be free, after registering at the editor’s website).

Figure 1 shows the differences among the animal models they created. Pay attention to the size of the long bones in the figures 1A (normal mouse, called wild type), 1B (no FGFR3, PTHrP positive) and 1C (FGFR3 positive, no PTHrP). Figure 1C resembles figures published in other studies showing mice models of achondroplasia. Figure 1B highlights the proliferative effect of PTHrP: the long bones are longer than those of the wild type mouse.

Figure 2 shows microscopic cuts of the growth plates corresponding to those of the Figure 1. Pay attention to the same sequence of figures 1A, 1B and 1C. Figure 2B shows a larger proliferative chondrocyte layer compared to the wild type in 2A, while Figure 2C highlights the reduction of the thickness of this layer.

The study by Amizuka et al. is important because it shows the natural effects of both FGFR3 and PTHrP. And then, is there anything done with PTH? The answer is yes.

In 2007, Koso Ueda and cols. (10) published a study where they tested the use of a recombinant (synthetic) form of PTH in bone explants of an achondroplasia mouse model (these were mouse long bones excised from the animal and kept in a culture medium). The administration of PTH rescued the proliferative layer of chondrocytes despite the presence of the mutant, overactive FGFR3. PTH works. Look at the figures showing the differences perceived among the different chondrocyte layers. Ueda’s group also published a small work in a medical meeting in 2009, showing further experiments with the use of PTH in a mouse model of achondroplasia, again with positive results (Ueda K et al. 2009).

Recently, the group of Chen, who has also been very interested in the growth plate cartilage and achondroplasia, published a large study where they tested long term therapy of achondroplastic mice with an intermittent injection of a PTH analogue (12). Results are striking in terms of chondrocyte proliferation and in the growth plate proliferative layer, although authors pointed out that the rescue was not complete. Importantly, they also found that FGFR3 was downregulated (had its production inhibited or reduced) in PTH-treated animals. You see, the cycle is closing, isn’t it? Excessive FGFR3 inhibits PTHrP production; introduction of PTH in achondroplasia reduces FGFR3 production.

Let’s see a bit more about the study by the Chen group (12), which brings several very interesting insights in terms of design, findings and conclusions. The authors used an intermittent scheme of PTH administration, resembling the strategy used for the treatment of osteoporosis in humans with the commercial available PTH analogues. Intermittent use of PTH has been showed to build bone in osteoporosis. When used continuously, PTH causes osteoporosis among other metabolic disturbances and we surely wouldn´t want it to happen if we were treating a child with achondroplasia. So, by using intermittent administration the authors very likely simulated the way PTH could be used in humans to treat the bone growth arrest in achondroplasia.

In summary

In summary, PTH and its analogues represent a true potential therapy for achondroplasia. There are several steps to be performed in terms of understanding its mechanism of action and the effects in the animal model and also to decide which analogue should be safer and to explore the potential undesired effects before it could be used in clinic. For instance, in children with hypoparathyroidism, PTH has been showed to be safe in long term, with few and manageable side effects. However, they have low PTH from the beginning, which would not be true about a child with achondroplasia. PTH use could cause renal stones, an issue we would not like to cause in the patient. How can we manage these effects? What we need are diligent tests, focused researchers and resources.

A final note

In this series of articles about PTH we approached a true boundary. To decide to work on a known molecule in a new indication, especially if it is a rare condition affecting children is not an easy step to do. There is a lot of risks involved, from the affected child’s health to the money to be invested. However, if we just sit down and wait for the lower hanging fruit – as this is the common behavior within the industry – little will be achieved. In the last two years I have made contact with four different pharma industries or biotechs which are developing PTH or PTHrP analogues. I received polite answers explaining that it would be difficult to address the indication at that time or simply received no answer at all. Well, I don’t think achondroplasia is untreatable, but it is the kind of condition that won’t have true attention from major health sponsors easily. It is up to those directly or indirectly affected to change the future.

I realize I have extended a lot this article series. The goal is always to inform, to share knowledge while trying not to be excessively technical. It is the scientific language which prevents many interested people to understand what is really going on with achondroplasia. The lack of scientific background could be a kind of barrier which makes people in front of the inevitable to just sit and wait. I wish these articles I am publishing help the achondroplasia community to get more conscience about the science ongoing and become stronger. It will be this strength that can make the difference for our children. We can do more.

Well, this is far from the end. There are other potential therapeutic solutions waiting for review. I will be bringing a new one in the next article. Not really new since I have already addressed it in one of the first reviews in this blog.

References

1. Divieti P et al. Receptors specific for the carboxyl-terminal region of parathyroid hormone on bone-derived cells: determinants of ligand binding and bioactivity. Endocrinology 2005;146(4): 1863–70.

2. Vahle JL et al. Skeletal Changes in Rats Given Daily Subcutaneous Injections of Recombinant Human Parathyroid Hormone (1-34) for 2 Years and Relevance to Human Safety. Toxicol Pathol 2002; 30: 3312-21.

3. Teriparatide label.

4. Vahle JL et al. Bone neoplasms in F344 rats given teriparatide [rhPTH(1-34)] are dependent on duration of treatment and dose. Toxicol Pathol 2004;32(4):426-38.

5. Vahle JL et al. Lack of bone neoplasms and persistence of bone efficacy in cynomolgus macaques after long-term treatment with teriparatide [rhPTH(1-34)]. J Bone Miner Res 2008; 23:2033–9.

6. Jolette J. et al. Defining a noncarcinogenic dose of recombinant human parathyroid hormone 1–84 in a 2-year study in Fischer 344 rats.Toxicol Pathol 2006; 34: 929-40.

7. Harper KD et al. Osteosarcoma and teriparatide? (letter) J Bone Miner Res 2007; 22:334.

8. 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. 

9. Amizuka et al. Signalling by fibroblast growth factor receptor 3 and parathyroid hormone-related peptide coordinate cartilage and bone development. Bone 2004; 34(1): 13-25.

10. Ueda et al. PTH has the potential to rescue disturbed bone growth in achondroplasia. Bone 2007; 41: 13–18.  

11. Ueda K et al. Effect of rhPTH on bone growth disturbance in achondroplastic mouse. Bone 2009; 45 (Suppl 2): S57-8. doi:10.1016/j.bone.2009.04.041. 

12. Xie et al. Intermittent PTH (1-34) injection rescues the retarded skeletal development and postnatal lethality of mice mimicking human achondroplasia and thanatophoric dysplasia. Hum Mol Genet 2012; 21(18): 3941-55.