Bisphosphonates are now the most widely used drugs for diseases associated with increased bone resorption, such as osteoporosis. Although bisphosphonates act directly on osteoclasts, and interfere with specific biochemical processes such as protein prenylation, their ability to adsorb to bone mineral also contributes to their potency and duration of action. The aim of the present study was to compare the binding affinities for hydroxyapatite (HAP) of 6 bisphosphonates currently used clinically and to determine the effects of these bisphosphonates on other mineral surface properties including zeta potential and interfacial tension. Affinity constants (K(L)) for the adsorption of bisphosphonates were calculated from kinetic studies on HAP crystal growth using a constant composition method at 37 degrees C and at physiological ionic strength (0.15 M). Under conditions likely to simulate bisphosphonate binding onto bone, there were significant differences in K(L) among the bisphosphonates for HAP growth (pH 7.4) with a rank order of zoledronate > alendronate > ibandronate > risedronate > etidronate > clodronate. The measurements of zeta potential show that the crystal surface is modified by the adsorption of bisphosphonates in a manner best explained by molecular charges related to the protonation of their side-chain moieties, with risedronate showing substantial differences from alendronate, ibandronate, and zoledronate. The studies of the solid/liquid interfacial properties show additional differences among the bisphosphonates that may influence their mechanisms for binding and inhibiting crystal growth and dissolution. The observed differences in kinetic binding affinities, HAP zeta potentials, and interfacial tension are likely to contribute to the biological properties of the various bisphosphonates. In particular, these binding properties may contribute to differences in uptake and persistence in bone and the reversibility of effects. These properties, therefore, have potential clinical implications that may be important in understanding differences among potent bisphosphonates, such as the apparently more prolonged duration of action of alendronate and zoledronate compared with the more readily reversible effects of etidronate and risedronate.

Osteoporosis and low bone mass are currently estimated to be a major public health risk affecting >50% of the female population over the age of 50. Because of their bone-selective pharmacokinetics, nitrogen-containing bisphosphonates (N-BPs), currently used as clinical inhibitors of bone-resorption diseases, target osteoclast farnesyl pyrophosphate synthase (FPPS) and inhibit protein prenylation. FPPS, a key branchpoint of the mevalonate pathway, catalyzes the successive condensation of isopentenyl pyrophosphate with dimethylallyl pyrophosphate and geranyl pyrophosphate. To understand the molecular events involved in inhibition of FPPS by N-BPs, we used protein crystallography, enzyme kinetics, and isothermal titration calorimetry. We report here high-resolution x-ray structures of the human enzyme in complexes with risedronate and zoledronate, two of the leading N-BPs in clinical use. These agents bind to the dimethylallyl/geranyl pyrophosphate ligand pocket and induce a conformational change. The interactions of the N-BP cyclic nitrogen with Thr-201 and Lys-200 suggest that these inhibitors achieve potency by positioning their nitrogen in the proposed carbocation-binding site. Kinetic analyses reveal that inhibition is competitive with geranyl pyrophosphate and is of a slow, tight binding character, indicating that isomerization of an initial enzyme–inhibitor complex occurs with inhibitor binding. Isothermal titration calorimetry indicates that binding of N-BPs to the apoenzyme is entropy-driven, presumably through desolvation entropy effects. These experiments reveal the molecular binding characteristics of an important pharmacological target and provide a route for further optimization of these important drugs.

Osteoclasts are large multinucleated bone-resorbing cells formed by the fusion of monocyte/macrophage-derived precursors that are thought to undergo apoptosis once resorption is complete. Here, by intravital imaging, we reveal that RANKL-stimulated osteoclasts have an alternative cell fate in which they fission into daughter cells called osteomorphs. Inhibiting RANKL blocked this cellular recycling and resulted in osteomorph accumulation. Single-cell RNA sequencing showed that osteomorphs are transcriptionally distinct from osteoclasts and macrophages and express a number of non-canonical osteoclast genes that are associated with structural and functional bone phenotypes when deleted in mice. Furthermore, genetic variation in human orthologs of osteomorph genes causes monogenic skeletal disorders and associates with bone mineral density, a polygenetic skeletal trait. Thus, osteoclasts recycle via osteomorphs, a cell type involved in the regulation of bone resorption that may be targeted for the treatment of skeletal diseases.

Abstract Osteoporosis remains incurable. The most widely used antiresorptive agents, bisphosphonates (BPs), also inhibit bone formation, while the anabolic agent, teriparatide, does not inhibit bone resorption, and thus they have limited efficacy in preventing osteoporotic fractures and cause some side effects. Thus, there is an unmet need to develop dual antiresorptive and anabolic agents to prevent and treat osteoporosis. Hydroxychloroquine (HCQ), which is used to treat rheumatoid arthritis, prevents the lysosomal degradation of TNF receptor-associated factor 3 (TRAF3), an NF-κB adaptor protein that limits bone resorption and maintains bone formation. We attempted to covalently link HCQ to a hydroxyalklyl BP (HABP) with anticipated low antiresorptive activity, to target delivery of HCQ to bone to test if this targeting increases its efficacy to prevent TRAF3 degradation in the bone microenvironment and thus reduce bone resorption and increase bone formation, while reducing its systemic side effects. Unexpectedly, HABP-HCQ was found to exist as a salt in aqueous solution, composed of a protonated HCQ cation and a deprotonated HABP anion. Nevertheless, it inhibited osteoclastogenesis, stimulated osteoblast differentiation, and increased TRAF3 protein levels in vitro. HABP-HCQ significantly inhibited both osteoclast formation and bone marrow fibrosis in mice given multiple daily PTH injections. In contrast, HCQ inhibited marrow fibrosis, but not osteoclast formation, while the HABP alone inhibited osteoclast formation, but not fibrosis, in the mice. HABP-HCQ, but not HCQ, prevented trabecular bone loss following ovariectomy in mice and, importantly, increased bone volume in ovariectomized mice with established bone loss because HABP-HCQ increased bone formation and decreased bone resorption parameters simultaneously. In contrast, HCQ increased bone formation, but did not decrease bone resorption parameters, while HABP also restored the bone lost in ovariectomized mice, but it inhibited parameters of both bone resorption and formation. Our findings suggest that the combination of HABP and HCQ could have dual antiresorptive and anabolic effects to prevent and treat osteoporosis.

ABSTRACT Bisphosphonates drugs target the skeleton and are used globally for the treatment of common bone disorders. Nitrogen-containing bisphosphonates act by inhibiting the mevalonate pathway in bone-resorbing osteoclasts but, surprisingly, also appear to reduce the risk of death from pneumonia. We overturn the long-held belief that these drugs act only in the skeleton and show that a fluorescently-labelled bisphosphonate is internalised by alveolar macrophages and peritoneal macrophages in vivo . Furthermore, a single dose of a nitrogen-containing bisphosphonate (zoledronic acid) in mice was sufficient to inhibit the mevalonate pathway in tissue-resident macrophages, causing the build-up of a mevalonate metabolite and preventing protein prenylation. Importantly, one dose of bisphosphonate enhanced the immune response to bacterial endotoxin in the lung and increased the level of cytokines and chemokines in bronchoalveolar fluid. These studies suggest that bisphosphonates, as well as preventing bone loss, may boost immune responses to infection in the lung and provide a mechanistic basis to fully examine the potential of bisphosphonates to help combat respiratory infections that cause pneumonia.