Evaluation of the effects of smoking on bone metabolism in an experimental model of chronic obstructive pulmonary disease

Introdução: O tabagismo é o principal fator de risco para o desenvolvimento da doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC), além de ser reconhecido por sua ação deletéria sobre o metabolismo ósseo, promovendo redução da densidade mineral óssea, o estímulo à osteoclastogênese e a inibição da osteoblastogênese. Entretanto, os mecanismos fisiológicos envolvidos nestes processos ainda não estão totalmente esclarecidos. Objetivo: Avaliar o efeito temporal da exposição à fumaça de cigarro sobre o remodelamento ósseo durante o desenvolvimento da DPOC em modelo experimental. Materiais e Métodos: Foram utilizados 66 camundongos C57BL/6 machos jovens adultos (6-8 semanas). Os animais foram alocados em três grupos: Controle (C), 30 animais expostos a ar filtrado durante 1 mês (C1=10), 3 meses (C3=10) e 6 meses (C6=10); Fumo (F), 30 animais expostos à fumaça de cigarro durante 1 mês (F1=10), 3 meses (F3=10) e 6 meses (F6=10); Fumo Provisório (FP), 6 animais expostos à fumaça de cigarro durante 3 meses, seguido de mais 3 meses expostos à ar filtrado até a eutanásia. Todos os animais foram submetidos a avaliação da mecânica respiratória (Raw, Gtis e Htis) e análise do intercepto linear médio pulmonar (Lm) para caracterização da presença da DPOC. Também foi feita extração femoral e tibial bilateral para avaliação da: composição celular e da matriz mineral óssea (histomorfometria); matriz fibrilar óssea (imunofluorescência para colágenos tipo I e V); expressão de citocinas e fatores de crescimento (ELISA pra BMP-2, RANKL e OPG) e avaliação da expressão gênica de COL1A1 (RT-qPCR). Resultados: A exposição à fumaça de cigarro gerou: redução da resistência (Gtis) e elastância (Htis) do tecido pulmonar a partir do 3o mês, progressiva ao longo do tempo, sem melhora no grupo FP; destruição do parênquima pulmonar com aumento do Lm a partir do 1o mês, sem efeito progressivo ao longo do tempo e sem melhora no grupo FP; piora dos parâmetros estruturais ósseos pela histomorfometria com 6 meses de seguimento; redução de colágeno tipo I e aumento de colágeno tipo V a partir do 1o mês, com efeito progressivo ao longo do tempo quanto a redução de colágeno tipo I e ainda com redução de colágeno tipo V no grupo FP; redução da relação OPG/RANKL a partir do 3o mês, sem efeito progressivo ao longo do tempo e sem melhora no grupo FP; redução na expressão gênica de COL1A1 a partir do 3o mês, sem efeito progressivo ao longo do tempo, mas com uma melhora evidenciada no grupo FP, porém sem retomada efetiva da composição trabecular óssea de colágeno tipo I. Conclusão: A exposição a fumaça de cigarro gera uma piora progressiva de parâmetros arquiteturais ósseos ao longo do desenvolvimento da DPOC, sendo que alguns deles ocorrem antes mesmo da piora dos parâmetros respiratórios. A pausa da exposição a fumaça de cigarro gerou um aumento da expressão gênica de COL1A1, porém sem retomada da composição trabecular óssea de colágeno tipo I.Introduction: Smoking is the main risk factor for the development of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and is recognized for its deleterious action on bone metabolism, promoting reduction of bone mineral density, stimulation of osteoclastogenesis and inhibition of osteoblastogenesis. However, the physiological mechanisms involved in these processes are not yet fully understood. Objective: To evaluate the temporal effect of cigarette smoke exposure on bone remodeling during the development of COPD in an experimental model. Materials and Methods: Sixty-six young adult C57BL / 6 mice (6-8 weeks) were required. The animals were allocated to three groups: Control (C), 30 animals exposed to filtered air for 1 month (C1 = 10), 3 months (C3 = 10) and 6 months (C6 = 10); Smoke (F), 30 animals exposed to cigarette smoke for 1 month (F1 = 10), 3 months (F3 = 10) and 6 months (F6 = 10); Provisional smoking (FP), 6 animals exposed to cigarette smoke for 3 months, followed by another 3 months exposed to filtered air until euthanasia. All animals underwent respiratory mechanics evaluation (Raw, Gtis and Htis) and analysis of the pulmonary mean linear intercept (Lm) to characterize the presence of COPD. Bilateral femoral and tibial extraction was also performed to evaluate: cellular composition and bone mineral matrix (histomorphometry); bone fibrillar matrix (immunofluorescence for type I and V collagen); expression of cytokines and growth factors (ELISA for BMP-2, RANKL and OPG); evaluation of COL1A1 (RT-qPCR) gene expression. Results: Exposure to cigarette smoke led to a progressive reduction in lung tissue resistance (Gtis) and elastance (Htis) from the 3rd month, with no improvement in the FP group; destruction of the pulmonary parenchyma with Lm increase from the 1st month, with no progressive effect over time and no improvement in the FP group; worsening of bone structural parameters by histomorphometry with 6 months of follow-up; reduction of type I collagen and increase of type V collagen from the 1st month, with a progressive effect over time regarding the reduction of type I collagen and also with reduction of type V collagen in the FP group; reduced OPG / RANKL ratio from the 3rd month, with no progressive effect over time and no improvement in the FP group; reduction in COL1A1 gene expression from the 3rd month, with no progressive effect, but with an improvement in the FP group due to increased gene expression, without effective resumption of trabecular bone composition of type I collagen. Conclusion: Exposure to cigarette smoke generates a progressive worsening of bone architectural parameters throughout the development of COPD, with some of them occurring even before the worsening of respiratory parameters. Pausing exposure to cigarette smoke caused an increase in COL1A1 gene expression, but without resuming the trabecular bone composition of type I collagen