The influence of pyrophosphate, condensed phosphates, phosphonates and other phosphate compounds on the dissolution of hydroxyapatitein vitro and on bone resorption induced by parathyroid hormone in tissue culture and in thyroparathyroidectomised rats

Abstract

Earlier studies have shown that inorganic pyrophosphate (PP_i) inhibits the dissolution of hydroxyapatite crystalsin vitro and it has been suggested that PP_i might be a physiological regulator of bone resorption. In this study PP₁ and other phosphate compounds have been tested for their ability to inhibit bone resorption induced by parathyroid hormone in mouse calvaria and to inhibit the rise in plasma calcium induced by parathyroid hormone in thyroparathyroidectomised rats on a low calcium diet. Orthophosphate, pyrophosphate, polyphosphate and two polymeric phosphate inhibitors of phosphatases did not inhibit the resorption of calvaria or the rise in plasma calcium. In contrast, several phosphonates containing P-C-P bonds retarded the dissolution of hydroxyapatite crystalsin vitro, and, at concentrations down to 1.6×10⁻⁶M, inhibited bone resorption in tissue culture. Some diphosphonates also inhibited the rise in plasma calcium in thyroparathyroidectomised rats. One reason for the difference between the effects of compounds containing P-O-P and P-C-P bonds may be related to the greater resistance of the latter to chemical and enzymic hydrolysis. Phosphonates may provide a model for the effect of endogenous PP₁ in bone, and might be of use in elucidating provide a model for the effect of endogenous PP₁ in bone, and might be of use in elucidating mechanisms of bone formation and resorption and in the therapy of diseases that involve increased resorption of bone.

Résumé

Lors d'essais précédents, nous avons montré que le pyrophosphate minéral (PP_i) inhibe in vitro la dissolution de cristaux d'hydroxyapatite et nous avons suggéré que le PP_i pourrait être un régulateur physiologique de la résorption osseuse. Dans ce travail, nous avons cherché si le PP_i ainsi que d'autres produits phosphorés ont une action inhibitrice sur la résorption osseuse induite par l'hormone parathyroïdienne dans des calottes craniennes de souris et sur l'augmentation du calcium plasmatique induite par l'hormone parathyroïdienne chez des rats thyroparathyroïdectomisés maintenus en régime déficient en calcium. Ni l'orthophosphate, ni le pyrophosphate, ni les polyphosphates, ni deux phosphates polymérisés, inhibiteurs des phosphatases, n'ont inhibé la résorption des calottes craniennes, ni l'augmentation du calcium plasmatique. Par contre, certains phosphonates, contenant la liaison P-C-P, ont réduit la dissolution in vitro de cristaux d'hydroxyapatite et inhibé la résorption osseuse en culture de tissus à une concentration aussi faible que 1,6×10⁻⁶ molaire. Certains diphosphonates ont inhibé également l'augmentation du calcium plasmatique chez des rats thyroparathyroïdectomisés. La différence d'activité des produits contenant la liaison P-O-P ou P-C-P peut être attribuée à une plus grande résistance des derniers à une hydrolyse chimique ou enzymatique. Les phosphonates peuvent servier de modèle pour étudier l'action du PP_i endogène de l'os. Ils peuvent également être utiles pour éclaircir le mécanisme de la formation et de la destruction osseuse et pourraient jouer un rôle dans la thérapie des maladies présentant une résorption osseuse accrue.

Zusammenfassung

Frühere Untersuchungen zeigten, daß anorganisches Pyrophosphat (PP_i) die Auflösung von Hydroxyapatit-Kristallenin vitro hemmt; es wurde vorgeschlagen, daß PP_i physiologisch die Knochenresorption regulieren könnte. Bei diesem Versuch wurden PP_i und andere Phosphatderivate auf ihre Eignung geprüft, die Knochenresorption zu hemmen, welche an Mäusecalvarien durch Parathormon hervorgerufen wurde; ebenso wurde abgeklärt, ob diese Substanzen in thyroparathyreoidektomierten, auf calciumarmer Diät gehaltenen Ratten in der Lage waren, den durch Parathormongaben verursachten Blutcalciumanstieg zu hemmen. Weder Orthophosphat, noch Pyrophosphat, Polyphosphat und zwei polymere Phosphatinhibitoren der Phosphatasen konnten die Resorption von Calvarien oder den Anstieg des Plasmacalciums hemmen. Dagegen verzögerten verschiedene Phosphonate mit P-C-P-Bindungen die Auflösung von Hydroxyapatitin vitro und hemmten dazu in so tiefen Konzentrationen wie 1,6×10⁻⁶M die Knochenresorption in der Gewebezucht. Einige Diphosphonate hemmten auch den Plasmacalciumanstieg bei thyroparathyreoidektomierten Ratten. Eine Ursache der unterschiedlichen Wirksamkeit von Substanzen, welche P-O-P- oder P-C-P-Bindungen enthalten, kann darin liegen, daß die letztgenannten einen größeren Widerstand gegenüber chemischer und enzymatischer Hydrolyse entgegenbringen. Phosphonate könnten als Model für die Wirkung des endogenen PP_i im Knochen dienen und zudem zur Erläuterung der Mechanismen von Knochenbildung und-resorption nützlich sein; sie könnten auch zur Therapie jener Krankheiten, die eine erhöhte Knochenresorption zur Folge haben, herangezogen werden.