Introducción

El hierro ejerce un papel decisivo en diversos procesos fisiológicos, de modo que los niveles adecuados de este elemento son indispensables para la salud. La deficiencia de hierro se asocia con anemia, debilidad y dificultad para respirar, mientras que su sobrecarga, en ausencia de tratamiento, provoca daños graves de órganos. La homeostasis del hierro corporal se controla principalmente mediante la absorción de este de la dieta en la parte superior del intestino delgado. La hepcidina, una hormona producida en el hígado, es el principal regulador de la homeostasis sistémica del hierro, y su expresión está regulada por una serie de factores, entre ellos las concentraciones de hierro en el hígado. La hepcidina inhibe la liberación de este elemento de los enterocitos y los macrófagos al unirse al exportador de hierro ferroportina y provocar su degradación. El hierro libre genera radicales libres de oxígeno y daño a ciertas moléculas biológicas, como ADN y lípidos. El hueso es particularmente sensible a las fluctuaciones en la concentración sistémica de hierro. A nivel celular, tanto los osteoblastos como los osteoclastos necesitan hierro para diferenciarse y funcionar correctamente. Los estudios in vitro con agentes quelantes del hierro demostraron que la deficiencia de este elemento atenúa la diferenciación de los osteoclastos y promueve la función y diferenciación de los osteoblastos. La sobrecarga de hierro, en cambio, se asocia con producción de especies reactivas de oxígeno, y mayor generación y actividad de osteoclastos; el resultado final es la pérdida ósea. Los osteoblastos, por el contrario, no toleran bien los niveles excesivos de hierro. Los niveles elevados de este inhiben la diferenciación y mineralización de los osteoblastos in vitro y en modelos murinos de sobrecarga genética de hierro. Los pacientes con sobrecarga de hierro de origen genético o con ciertas enfermedades hematológicas, como la talasemia, la anemia de células falciformes o los síndromes mielodisplásicos presentan, con mayor frecuencia, osteoporosis. La ferritina sérica se relaciona positivamente con las reservas de hierro en el cuerpo, y se correlaciona de manera negativa con la densidad mineral ósea (DMO); en dos estudios, los niveles más altos de ferritina sérica se asociaron con osteoporosis y fracturas en mujeres mayores de 45 años. A pesar de la gran cantidad de investigaciones en las que se analizaron los efectos perjudiciales de la sobrecarga de hierro en los huesos, los mecanismos fisiopatogénicos aún no se conocen con precisión. Se han utilizado varios modelos con animales de sobrecarga de hierro para obtener más información en este sentido. Sin embargo, la pérdida ósea no siempre se observa en modelos murinos de hemocromatosis genética, o en ratones que reciben inyecciones de hierro o que tienen sobrecarga de este elemento por la dieta. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue evaluar los efectos de la sobrecarga y la deficiencia de hierro en la dieta sobre la microarquitectura ósea, en ratones machos y hembras de seis cepas endogámicas diferentes. Además, se compararon los resultados óseos de niveles altos y bajos de hierro en el contexto de la alimentación con dos dietas diferentes, es decir más ricas o más deficientes en minerales y vitaminas, en ratones macho C57BL/6J.

Métodos

Los estudios con ratones se realizaron en dos cohortes: la cohorte “UCLA” de la Universidad de California, Los Ángeles, y la cohorte “TUD” de la Universidad Técnica de Dresde, Alemania. Los ratones fueron asignados aleatoriamente a grupos de tratamiento, y los análisis posteriores se realizaron de forma enmascarada.

Para la cohorte TUD se compraron 18 ratones macho C57BL/6JRj, de 4 semanas de edad, alimentados con una de tres dietas: dieta sin hierro, dieta estándar o dieta rica en hierro, durante 8 semanas. A las 12 semanas de edad, los ratones fueron sacrificados para realizar análisis de sangre y de los huesos.

Para la cohorte de UCLA se analizaron 6 cepas endogámicas clásicas; en total se utilizaron 180 ratones machos y hembras, asignados a una de 3 dietas desde la semana 4 de vida: una dieta baja en hierro, una dieta rica en hierro o una dieta estándar con suficiente hierro. Sin embargo, solo los ratones machos recibieron la dieta baja en hierro. A las 10 semanas de edad, los ratones fueron sacrificados para los análisis de huesos y sangre. Se analizaron los parámetros sanguíneos, y el contenido de hierro no hemo en el hígado. La microarquitectura ósea se analizó en los fémures ex vivo. Se determinaron los parámetros óseos trabeculares, incluidos el volumen óseo y el volumen total, el número trabecular, la separación trabecular y el espesor trabecular. Se midieron las concentraciones séricas de propéptido aminoterminal de procolágeno tipo I (P1NP) y telopéptido C-terminal (CTX). Se utilizó una prueba de la t de Student bilateral para comparar dos grupos y análisis de varianza unidireccional (ANOVA) para comparar más de dos grupos. Los valores de p < 0.05 se consideraron estadísticamente significativos.

Resultados

Resultados del estudio UCLA. Hierro y parámetros hemáticos

Para investigar el impacto de la sobrecarga o deficiencia de hierro en la dieta sobre la homeostasis ósea en 6 cepas endogámicas de ratones diferentes, se utilizaron muestras de hueso de un estudio publicado anteriormente. En dicho trabajo, ratones macho y hembra de las cepas C57BL/6J, A/J, BALB/cJ, AKR/J, C3H/HeJ y DBA/2J recibieron dietas con distinta cantidad de hierro, a partir del destete y durante 6 semanas. Los ratones alimentados con una dieta baja en hierro mostraron concentraciones reducidas de este en el hígado, mientras que los ratones que recibieron una dieta alta en hierro tuvieron concentraciones elevadas de este elemento en el hígado, en comparación con los ratones alimentados con una dieta estándar con suficiente hierro. Además, la dieta baja en hierro en los machos provocó una caída de la hemoglobina, el hematocrito y el volumen corpuscular medio en la mayoría de las cepas, pero en general tuvo poco efecto sobre el recuento de glóbulos rojos. Por el contrario, en ratones macho y hembra AKR/J, C57BL/6J y DBA/2J, la dieta rica en hierro provocó una caída significativa del recuento de glóbulos rojos, hemoglobina y hematocrito, y un aumento del volumen corpuscular medio.

Efectos de la sobrecarga de hierro sobre los huesos

Con una dieta estándar, los ratones macho C57BL/6J tuvieron el mayor volumen de hueso trabecular femoral (15%), seguido de los ratones C3H/HeJ (12%), DBA/2J (10%), BALB/cJ (6.5%), A/J (5.3%) y AKR/J (4.3%). Después de 6 semanas con una dieta rica en hierro, los ratones macho y hembra de casi todas las cepas endogámicas de la cohorte UCLA mostraron una reducción significativa del volumen óseo trabecular en el fémur, con disminución de la masa ósea del 65% al 88%. El grado de pérdida ósea fue similar en machos y hembras en la mayoría de las cepas. Los machos de la cepa AKR/J fueron los únicos que no perdieron hueso trabecular con la dieta rica en hierro, mientras que las hembras perdieron alrededor del 30% de la masa ósea. Los ratones C57BL/6J mostraron la mayor pérdida ósea trabecular (88%). Al considerar los ratones C57BL/6J como una cepa representativa, los fémures tuvieron un número trabecular y un grosor más bajos, mientras que la separación trabecular aumentó. Además, el volumen del hueso cortical y el espesor cortical disminuyeron uniformemente con la dieta rica en hierro en machos y hembras de todas las cepas.

La dieta rica en hierro no cambió los niveles de P1NP (un marcador de formación ósea), pero resultó en niveles más altos del marcador de resorción ósea CTX en todas las cepas, excepto la A/J. Los ratones macho AKR/J alimentados con una dieta rica en hierro tuvieron aumento de los niveles de CTX, pero no mostraron pérdida ósea. A diferencia de otras cepas que recibieron una dieta rica en hierro, esta cepa también tuvo niveles elevados de P1NP en el contexto de este mismo tipo de dieta. Se observó mayor acumulación de hierro en el hígado, y los ratones macho mostraron aumentos más pronunciados de los niveles séricos de CTX que las hembras, lo que sugiere que los machos serían más sensibles a la dieta rica en hierro.

Efectos de la deficiencia de hierro en los huesos

Los efectos de la deficiencia de hierro sobre los huesos solo se analizaron en machos. La dieta baja en hierro no tuvo influencia sobre la masa ósea cortical en ninguna de las 6 cepas. La deficiencia de hierro no alteró la microarquitectura del hueso trabecular ni el recambio óseo en la mayoría de las cepas. Solo los ratones AKR/J tuvieron un aumento significativo de la masa ósea trabecular y mayor respuesta del P1NP. En general, estos datos muestran que la mayoría de las cepas de ratones con una dieta rica en hierro tienen reducción de la masa ósea trabecular y cortical debido a la mayor resorción ósea. Además, la deficiencia de hierro se asoció con una respuesta ósea muy variable.

Resultados del estudio TUD. Hierro y variables hemáticas

Se analizaron ratones macho C57BL/6J que fueron alimentados con una dieta rica en hierro, baja en hierro o estándar durante 8 semanas, con cantidades similares de dicho elemento a las utilizadas en la cohorte UCLA. Sin embargo, a diferencia de esta cohorte, todas las dietas del estudio TUD tenían la misma composición básica de nutrientes y solo diferían en el contenido de hierro.

La dieta rica en hierro provocó un aumento de 25 veces en el contenido de hierro en el hígado, en comparación con el de ratones que recibieron la dieta estándar. Sin embargo, la dieta baja en hierro no redujo significativamente el contenido de este elemento en el hígado, en comparación con la dieta estándar. El recuento de glóbulos blancos y rojos y el número de plaquetas no se vieron afectados por las diferentes dietas con hierro. A diferencia de la cohorte de machos UCLA C57BL/6J, la hemoglobina y el hematocrito no se redujeron significativamente ni con la dieta baja ni con el contenido elevado de hierro. La hemoglobina corpuscular media y el volumen corpuscular medio disminuyeron significativamente en ratones alimentados con una dieta baja en hierro, y aumentaron en ratones alimentados con una dieta rica en hierro.

Parámetros óseos

Se aplicó microtomografíay mediciones de marcadores de recambio óseo. A diferencia de la cohorte UCLA, el volumen óseo trabecular y los parámetros óseos estructurales trabeculares no se vieron afectados por las diferentes dietas. Sin embargo, el volumen y el espesor del hueso cortical se redujeron entre un 2% y un 8% en los ratones alimentados con una dieta rica en hierro, en comparación con aquellos alimentados con una dieta suficiente en hierro. Los marcadores de recambio óseo CTX y P1NP en suero no fueron afectados por las dietas. En conjunto, la deficiencia de hierro en la dieta no afectó ninguno de los parámetros óseos medidos, mientras que la sobrecarga de hierro solo tuvo efectos negativos en el hueso cortical, pero no en el trabecular. Si bien los efectos de la deficiencia de hierro en los huesos estuvieron en línea con los hallazgos del estudio de la UCLA, el impacto en los huesos de las dietas ricas en hierro difirió significativamente entre las dos investigaciones.

Comparación de la composición de la dieta

Ambas dietas ricas en hierro tuvieron una densidad energética comparable. No obstante, la dieta utilizada en el estudio TUD fue más rica en minerales (calcio, fósforo, sodio, potasio, cobre, zinc, magnesio, manganeso) y vitaminas, en particular vitamina A y varias vitaminas B, en comparación con las dietas del ensayo de la UCLA. La composición de la dieta estándar y de las dietas con contenido alto y bajo en hierro fueron diferentes. La composición de la dieta, muy probablemente las mayores cantidades de minerales y vitaminas en las dietas de la cohorte TUD, podría explicar las diferencias observadas entre las cohortes UCLA y TUD en el fenotipo del hueso trabecular.

Conclusión

El hueso es susceptible a las fluctuaciones en la homeostasis del hierro, ya que tanto la deficiencia como la sobrecarga de este elemento están relacionadas con resistencia ósea deficiente en los seres humanos. Sin embargo, en ratones se han informado resultados contradictorios, probablemente debido a diferentes configuraciones de la dieta o a los antecedentes genéticos. Por lo tanto, se analizó el efecto de dietas con contenido alto y bajo en hierro sobre los huesos en 6 cepas de ratones endogámicos (C57BL/6J, A/J, BALB/cJ, AKR/J, C3H/HeJ y DBA/2J). Los hallazgos en conjunto indican que el hueso cortical es más susceptible a la sobrecarga de hierro que el hueso trabecular; además, ponen de manifiesto la importancia de una dieta rica en nutrientes para mitigar potencialmente los efectos negativos de la sobrecarga de hierro en los huesos.