Introduzione

Il diabete mellito (DM) è una malattia cronica il cui impatto epidemiologico cresce a un ritmo allarmante in tutto il mondo [1]. Le complicanze ad esso correlate (come malattia renale cronica, retinopatia, eventi cardiovascolari, neuropatia) concorrono a ridurre la qualità e l’aspettativa di vita delle persone affette da diabete. Tra i diversi aspetti patologici, la perdita di massa ossea e la fragilità ossea rappresentano uno degli aspetti più importanti tra le comorbidità correlate al diabete, anche in considerazione della maggiore aspettativa di vita dei soggetti diabetici e della terapia antidiabetica in costante e continuo aggiornamento [2, 3]. Il DM è una condizione fortemente predisponente lo sviluppo e il peggioramento dell’osteoporosi, interessando sia la popolazione giovane che adulta. Sia il diabete tipo 1 che quello di tipo 2, infatti, sono associati ad anomalie della massa ossea e ad aumentato rischio di fratture [3, 4]. Nel panorama del trattamento del diabete mellito di tipo 2 (DM2), gli agonisti recettoriali del GLP1 (GLP1-RA) rappresentano ormai una delle opzioni maggiormente efficaci, in quanto in grado, tra gli altri effetti, di stimolare la secrezione di insulina in modo glucosio-dipendente, proteggere la funzione delle cellule \(\beta \) e sopprimere la secrezione di glucagone [5].

Tra gli effetti extra-glicemici che hanno suscitato maggiore interesse scientifico [6], i GLP1-RA hanno potenziale influenza sul metabolismo osseo [7]. È stato riportato che i GLP-1RA possono aumentare la densità minerale ossea (BMD), migliorare la qualità ossea e prevenire le fratture nelle persone con diabete, agendo favorevolmente nei quadri di osteoporosi post-menopausale, glucocorticoide-indotta e senile [8].

Diabete e salute dell’osso

La maggior parte dei pazienti con DM2 ha una densità ossea normale, ma con un rischio di fratture aumentato, quadro noto come bone fragility diabetes paradox, indicando che altri fattori, oltre alla densità minerale ossea, possono influenzare il rischio di fratture. Diversamente, nel DM1 il meccanismo di riduzione della densità minerale ossea potrebbe essere ricondotto all’insufficiente tono anabolico dell’insulina. Oltre a riconoscere un possibile primum movens (carenza di insulina nel DM1), la relazione tra diabete e osteoporosi è molto complessa. Tra i fattori coinvolti vi sono l’accumulo di prodotti finali della glicazione avanzata (AGE), l’infiammazione cronica dovuta all’aumento delle citochine pro-infiammatorie e le lesioni microvascolari ossee con diminuzione del flusso vascolare e conseguente aumento della fragilità ossea.

Gli AGE in eccesso potrebbero portare alla reticolazione non enzimatica del collagene, rompere l’adesione degli osteoblasti dalla matrice extracellulare e indurre maggiore fragilità ossea [9]. Questi cambiamenti nella matrice extracellulare inducono una riduzione dell’attività della fosfatasi alcalina (alkaline phosphatase level, ALP) negli osteoblasti maturi, impattando sulla mineralizzazione ossea. Il recettore per gli AGE è espresso negli osteoclasti umani e il loro legame stimola l’attivazione del fattore nucleare Kappa-B negli osteoclasti, inducendo un aumento della produzione di citochine e di specie reattive dell’ossigeno (reactive oxygen species, ROS). Il continuo accumulo di citochine pro-infiammatorie e ROS altera l’equilibrio tra osteoclasti e osteoblasti, aumenta la differenziazione degli osteoclasti, con complessivo effetto di perdita ossea, alterazioni microstrutturali e conseguente alterazione delle proprietà meccaniche [10].

L’eventuale influenza dei farmaci ipoglicemizzanti sulla salute dell’osso, però, non dipende esclusivamente dal miglioramento del quadro glicemico, cioè dalla riduzione netta della glicemia. Per esempio, i GLP1-RA proteggono l’osso dalle alterazioni strutturali provocate dagli AGE, come dimostrato in topi ApoE −/−, in primo luogo riducendo l’esposizione ad alti livelli di glicemia e, conseguentemente, rimodulando la secrezione di marker di turnover osseo [11].

Gli effetti sull’osso possono essere mediati anche in maniera diretta: ne è esempio il GLP1. Il legame al suo recettore attiva dapprima cAMP e, successivamente, le vie di trasduzione del segnale-calcio dipendente. Dato che il GLP1 naturale ha una breve emivita ed è facilmente degradato dall’enzima dipeptidil peptidasi-4 (DPP4), i GLP1-RA imitano l’attività biologica e la funzione del GLP1, superandone i limiti di emivita e, pertanto, sono ampiamente utilizzati nel trattamento delle persone con diabete mellito di tipo 2 [12]. L’effetto sull’osso, invece, sembrerebbe mediato direttamente anche dalla presenza del recettore del GLP1 sulla membrana cellulare degli osteoblasti [13].

I dati di letteratura, però, non sono univoci.

GLP1-RA e salute dell’osso: dati clinici

Uno studio controllato di 52 settimane in cui è stata valutata l’efficacia di liraglutide (1,2 e 1,8 mg/die) rispetto a glimepiride nel DM2 non ha evidenziato differenze significative nella variazione media della massa ossea totale rispetto al basale (Tabella 1) [14]. Una meta-analisi di 38 studi randomizzati controllati con 39.795 pazienti con DM2 ha suggerito come l’uso di GLP1-RA potrebbe ridurre significativamente il rischio di fratture nei pazienti, con un beneficio direttamente correlato alla durata del trattamento [15]. Inoltre, una network meta-analisi comprendente 54 studi con GLP1-RA ha evidenziato che il trattamento con exenatide era in grado di prevenire le fratture nei pazienti con DM2 rispetto a placebo e/o altri farmaci ipoglicemizzanti [16].

Tabella 1 Effetti clinici e molecolari di GLP1-RAs sull’osso. BMD, Bone Mineral Density; Lir, Liraglutide; GLP1-Ras, Glucagon-like Peptide 1 Receptor Agonists; \(OR\), Odds Ratio; \(CI\), Confidence Interval; \(RR\), Relative Risk; \(HR\), Hazard Ratio; DPP4-I, Dipeptidyl Peptidase 4 Inhibitors; MOF, Major Osteoporotic Fracture; OPG, osteoprotegerina; PTH, paratormone; IGF-1, Insulin-like Growth Factor; CTX, telopeptide C-terminale del collagene di tipo 1; AUC, Area Under the Curve; \(SD\), Standard Deviation; ALP, fosfatasi alcalina; IGF-1R, Insulin-like Growth Factor Receptor; RANKL, Receptor activator of nuclear factor kappa-\(B\) ligand; OPN, Osteopontina; Runx2, Runt-related transcription factor 2; Osx, Osterix; GIOP, Glucocorticoid-Induced Osteoporosis; TRACP, Tartrate-Resistant Acid Phosphatase; CTX-I, cross-linked carboxy-terminal telopeptide of type I collagen; \(OC\), osteocalcin; Col-1, collagen \(\alpha \)1; \(\mathit{PPAR}\gamma \), peroxisome proliferator-activated receptor \(\gamma \); GIP, Glucose-dependent insulinotropic polypeptide; N-AcGIP, N-terminally modified GIP agonist; P1NP, procollagen type 1 N-terminal propeptide; T1D, Type 1 Diabetes
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La non univocità della letteratura potrebbe essere determinata dalla necessità di studi o osservazioni a medio-lungo termine che, però, porterebbero ad analizzare soltanto alcune delle opzioni terapeutiche disponibili in un preciso contesto temporale (alla luce della velocità di ricerca-studio-commercializzazione di nuovi farmaci). Per esempio, un’analisi di coorte tra il 2007 e il 2012 non ha evidenziato alcuna riduzione del rischio di fratture ossee in corso di terapia con GLP1-RA [17]. Tuttavia, in tale lasso temporale le uniche molecole analizzate erano state exenatide e liraglutide. Diversamente, un altro studio danese ha analizzato i dati su una coorte di soggetti diabetici (poco più di 30.000, seguiti tra il 2007 e il 2018) in merito alla relazione tra fratture osteoporotiche maggiori (major osteoporotic fractures, MOF) e trattamento con GLP1-RA (comprendendo nell’analisi liraglutide, semaglutide, exenatide, dulaglutide e lixisenatide) \(vs\) DPP4 inibitori (DPP4-i) come add-on therapy a metformina. Il rischio di MOF era leggermente inferiore, anche se non statisticamente significativo, nei pazienti trattati con GLP1-RA rispetto a quelli trattati con DPP4-i, con un rischio di fratture inferiore del 10–15% con GLP1-RA. L’esame di specifici siti di frattura ha rivelato un rischio ridotto, sebbene non significativo, di fratture dell’omero e della colonna vertebrale con GLP-1RA rispetto a DPP4-i. È interessante notare, tuttavia, che nel caso delle fratture dell’anca, gli autori hanno riscontrato un effetto statisticamente significativo di GLP1-RA rispetto a DPP-4i con riduzione del rischio fino al 30–35% [18].

Assumendo maggior capacità esplicativa e riassuntiva da parte delle meta-analisi, Mabilleau e colleghi hanno analizzato il trattamento con GLP1-RA (della durata di almeno 24 settimane), confrontandolo con gli altri farmaci ipoglicemizzanti. Gli autori non hanno riscontrato una possibile riduzione del rischio di fratture da parte dei GLP1-RA, con un OR di 0,75 (intervallo di confidenza 0,28–2,02); tuttavia, in questo lavoro non erano stati registrati dati in merito alla BMD, microarchitettura ossea e altri aspetti come il metabolismo fosfo-calcico. Inoltre, è facilmente ipotizzabile una scarsa capacità di osservare modifiche a livello di prevenzione di fratture ossee o di miglioramento della salute ossea dopo un trattamento con GLP1-RA protratto per soli 24 mesi [19].

Oltre all’azione di miglioramento del profilo glicemico (e, di conseguenza, riduzione della glicazione, degli AGE, migliore qualità di vita, quindi tutti aspetti che correlano la terapia farmacologica in modo indiretto alla salute dell’osso), c’è la dimostrazione di un’effettiva azione diretta sui markers di turnover osseo. In acuto, per esempio, la somministrazione di GLP1 induce una riduzione del telopeptide C-terminale del collagene di tipo 1 (CTX) in soggetti sani e in soggetti obesi non diabetici [20].

Alla luce di evidenze cliniche non conclusive, i dati di laboratorio mostrano una reale azione, spesso diretta, da parte dei GLP1-RA sull’osso (osso senile, osso in corso di terapia steroidea, in menopausa), sfruttando diversi pathway di segnale.

GLP1-RA e varie forme di osteoporosi

Limitatamente all’osteoporosi senile (cosiddetta primaria) è stato ampiamente dimostrato, e successivamente confermato, l’effetto anti-osteoporotico dell’exendin-4 in un modello di ratto con osteoblasti senescenti. Lo studio ha rilevato che exendin-4 ha migliorato la proliferazione degli osteoblasti senescenti e l’attività dell’ALP, con una down-regolazione dell’espressione dei geni associati alla senescenza (p16, p21, p53) e up-regolazione dell’espressione di geni coinvolti nell’apposizione di nuova matrice ossea [21].

In merito alla forma secondaria più frequente di osteoporosi, ovvero quella indotta da terapia con glucocorticoidi (glucocorticoid-induced osteoporosis, GIOP), dati di laboratorio hanno dimostrato l’effetto protettivo dei GLP1-RA (geniposide) nell’inibizione osteogenica indotta dal desametasone. I risultati mostrano che il geniposide è in grado di promuovere l’attività e la mineralizzazione dell’ALP. Inoltre, è stato anche osservato un aumento significativo dell’espressione dei geni osteogenici quali OPN, Runx2 e Osterix (Osx) nelle cellule MC3T3-E1 trattate con desametasone [22]. Similarmente, è stato dimostrato come liraglutide induca un significativo miglioramento di bone mineral density (BMD), microstruttura ossea, marcatori biomeccanici ossei, ALP, OC e ridurre CTX, rispetto al gruppo di controllo; l’azione favorevole sulla GIOP, quindi, è principalmente dovuta a un rallentamento del riassorbimento osseo e alla promozione della differenziazione osteogenica [23].

Per quanto concerne la forma di osteoporosi post-menopausale, i GLP1-RA sono stati studiati in modelli murini di diabete streptozotocina-indotto (STZ) e menopausa chirurgicamente indotta (ovariectomia bilaterale, OVX). Alcuni autori hanno trattato gli animali con liraglutide per 8 settimane, determinando una riduzione dei livelli sierici di CTX-1 e del numero di osteoclasti nei ratti OVX e STZ+OVX, rallentando il decremento della BMD femorale e la distruzione della microarchitettura ossea nel gruppo STZ e OVX. Tale azione è sinonimo di inibizione della differenziazione degli osteoclasti e, di conseguenza, di minore perdita ossea [24]. Questi dati sono stati confermati anche da altri autori, che hanno dimostrato l’incremento dell’espressione dell’mRNA di ALP e Runx2 e la riduzione dell’espressione del recettore PPAR\(\gamma \) da parte di liraglutide in ratti non diabetici, sottoposti a OVX, pertanto confermando l’effetto protettivo osseo tramite azione sulla differenziazione adipogenica e osteogenica delle cellule staminali del midollo osseo (bone marrow-derived mesenchymal stem/stromal cells, BMSC) [25]. Allo stesso modo, l’effetto protettivo in animali sottoposti a OVX è stato dimostrato anche per altre molecole del gruppo GLP1-RA [26].

Quanto dimostrato in modelli in vivo trova conferma anche nell’uomo: Monte Castillo e collaboratori hanno documentato come i livelli fisiologici postprandiali di GLP1 sono correlati a un minor riscontro di alterazioni architetturali dell’osso (\(p = 0\),031) in donne non diabetiche in post-menopausa [27]. Meta-analisi di studi clinici pubblicati e il monitoraggio real-world confermano che il trattamento con GLP1-RA non incrementa il rischio di fratture [28, 29].

GLP1-RA e salute dell’osso: meccanismi molecolari

Per quanto concerne il meccanismo di azione, diversi sono i pathway individuati (Fig. 1).

Fig. 1
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Fisiopatologia del metabolismo osseo nel diabete mellito e attivazione dei pathway di GLP1 e GIP sull’osso. In verde, i meccanismi che favoriscono il corretto metabolismo osseo, in rosso le vie patologiche. Le frecce indicano una attivazione del pathway, quelle a punta piatta indicano un’inibizione della via. IGF-1, insulin-like growth factor-1; ALP, alkaline phosphatase; PINP, pro-collagen type 1 N-propeptide; CTX, C-terminal cross-linked telopeptide; RANKL, receptor activator of nuclear factor kB; TRAP, tartrate-resistant acid phosphatase; NF-kB, nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells; AGE, advanced glycation end products; OPG, osteoprotegerin; WNT, wingless-related integration site; MAPK, mitogen-activated protein kinase; PKC, protein kinase C; PPAR\(\gamma\), peroxisome proliferative activated receptor gamma; \(\mathit{TGF}-\beta \), transforming growth factor beta; MSC, mesenchymal stem cell; cAMP, cyclic adenosine monophosphate; GLP1, glucagon-like peptide-1; GIP, glucose-dependent insulinotropic polypeptide.

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Quello mediato da PI3K/AKT svolge fisiologicamente un ruolo importante nella regolazione di proliferazione, differenziazione degli osteoblasti e differenziazione degli osteoclasti [30]. Su tale pathway sembrano agire i GLP1-RA, modulando l’apoptosi cellulare [31] e promuovendo la differenziazione osteogenica e la formazione ossea [32]. Tramite l’attivazione del recettore per il GLP1, inoltre, l’exendin-4 sembra promuovere la differenziazione osteogenica, aumentando il numero di osteoblasti, e inibire la differenziazione adipogenica delle BMSC. A conferma del pathway attivato da GLP1-RA, l’utilizzo di wortmannin (inibitore della PI3K) blocca l’attivazione di PI3K/AKT e attenua l’effetto dell’exendin-4 nei BMSC [33].

Un altro pathway attraverso il quale si esplica l’azione dei GLP1-RA sull’osso è quello di MAPK-Erk1/2. È stato dimostrato, infatti, che i GLP1-RA up-regolano la fosforilazione di ERK1/2, p38 e JNK, determinando un incremento dell’espressione di mRNA di ALP, COL1, OC e Runx2 e promuovendo, pertanto, la proliferazione e la differenziazione di pre-osteoblasti. Tali azioni sono inibite dalla somministrazione in vitro dell’inibitore selettivo di MAPK [34]. Similmente, geniposide induce un significativo incremento dell’espressione di mRNA e proteine di OPN, Runx2 e Osterix nelle cellule MC3T3-E1 trattate con desametasone, attivando la via di segnalazione ERK-MAPK. Tale azione viene contrastata e parzialmente inibita dall’utilizzo contemporaneo di un antagonista del recettore del GLP-1 exendin 9-39 e dall’inibitore dell’attivazione di ERK, U0126 [22].

Anche la somministrazione di siRNA \(\beta \)-catenina, inibente il pathway Wnt/\(\beta \)-catenina, neutralizza l’incrementata differenziazione osteogenica e l’inibizione della differenziazione adipogenica indotta da exendin-4 [33] e liraglutide [32], dimostrando come anche tramite questa via metabolica potrebbe essere esplicata l’azione anti-osteoporotica dei GLP1-RA.

Di non minore importanza, anche il sistema di segnalazione OPG/RANKL è fondamentale nella patogenesi delle malattie ossee causate dall’aumento del riassorbimento osseo [35]. Valutando i marcatori del metabolismo osseo in modello murino di diabete indotto da streptozotocina, alcuni autori hanno osservato che il rapporto OPG/RANKL saliva da 0,81 a 1,25 dopo il trattamento con GLP-1, testimoniando un’azione antiosteclastica [36]. In modo simile, exendin-4 sarebbe in grado di inibire il riassorbimento osseo regolando il rapporto OPG/RANKL e aumentando l’espressione dei geni OC, COL1, Runx2 e ALP correlati all’osteogenesi, promuovendo pertanto la formazione ossea [37].

Coagonista GLP1/GIP e osso

Tra le recenti approvazioni delle principali agenzie regolatorie (FDA [38] e EMA [39]), il coagonista GIP/GLP1 rappresenta una delle più promettenti opzioni farmacologiche per il trattamento del diabete mellito di tipo 2 e dell’obesità [40]. L’agonismo recettoriale del GIP ha aperto anche la discussione sulle conseguenze determinate sull’osso, alla luce dei dati contrastanti attualmente disponibili e, soprattutto, della presenza del recettore di GIP a livello delle cellule ossee. Nel dettaglio, il recettore del GIP sull’osteoblasta sembra essere responsabile dell’attivazione del recettore, determinando un incremento della sintesi del collagene tipo 1 e dell’attività di ALP (traducendosi in un sinergico effetto anabolico). Diversamente, il recettore del GIP sull’osteoclasta sembra inibire l’attività di riassorbimento mediante la ridotta espressione dei markers di differenziazione osteoclastica [41]. In modelli murini, l’agonismo recettoriale del GIP ha dimostrato un miglioramento della qualità dell’osso, quasi anticipando quanto dimostrato nell’uomo in termini di riduzione del riassorbimento osseo [42].

L’infusione di GIP durante clamp euglicemico iperinsulinemico, inoltre, ha portato a un incremento dei markers di turnover osseo in 10 volontari sani, in termini di soppressione dei livelli di CTX [43]. Tale effetto è stato anche dimostrato sia in condizioni di iperglicemia, con un’ulteriore riduzione del 34% di CTX dopo infusione di GIP successivo al carico orale di glucosio [44] che in condizioni di ipoglicemia [45], potendo quindi affermare che l’azione del GIP sul turnover osseo è indipendente dalla presenza di diabete e dalle condizioni di ipo- o iper-glicemia.

Conclusioni e aspettative

L’impatto dei GLP1-RA e, ormai imminente, dei coagonisti GLP1/GIP sul diabete e sull’obesità è stato di notevole importanza. Tra gli aspetti clinici cruciali da osservare nel corso della sperimentazione e della successiva commercializzazione dei nuovi farmaci non può mancare anche la caratterizzazione della salute dell’osso. Questo richiede un periodo di osservazione/studio di medio-lunga durata, l’inclusione di parametri qualitativi e quantitativi dell’effetto di queste molecole sull’osso, come la modifica della composizione corporea, anche considerando la sicurezza e quindi la prescrivibilità di questi farmaci in fasce di pazienti con età avanzata (>65–70 anni), quindi a maggior rischio di MOF. Con la speranza di poter caratterizzare, in un immediato futuro, i farmaci per il diabete non soltanto per i classici parametri metabolici e cardio-renali (rischio di ipoglicemia, azione sul peso, prevenzione CV, impatto su funzione renale, ecc.) ma anche per il loro impatto sull’osso.