Metabolismus kostí Anatomická stavba (dlouhé) kosti • 2 x epifýza • metafýza • diafýza Kosti tvoří 15 – 20 % hmotnosti těla. Anatomie kosti Složení kosti Kostní matrix – různé typy kolagenů a nekolagenní proteiny (fibronektin, osteokalcin, osteonektin) Organická složka (35 % kostní hmoty) • kolagen, BL + sacharidy (= proteoglykany) Anorganická složka • hydroxyapatit (Ca) • fosfor - strukturální funkce (85 % P je ve skeletu, celkem 600 g P v organismu) Vápník - Ca • zásoba v kostech: 1,2 kg ve formě hydroxyapatitu • nervosvalová dráždivost, tvorba kostní hmoty Krev • Ca vázané na bílkovinu (46 %) • Ca v komplexních sloučeninách (7 %) • Citráty, fosfáty, laktáty, sulfáty • Ca volné - ionizované (48 %) Plazmatický Ca: 2,1 - 2,6 mmol/l Nedifusibilní (vázaný na albumin) - 46 % Difusibilní • v komplexních sloučeninách (6 %), tj. citráty, fosfáty, laktáty, sulfáty • Ca volné - ionizované (48 %) – biologicky aktivní Vazba Ca na BL Ovlivněna • koncentrací bílkovin • hodnotou pH  acidóza… uvolnění Ca, vzestup volné frakce  alkalóza… vazba Ca, pokles volné frakce Regulace hladiny Ca v krvi • Kalcitonin – parafolikulární bb. štítné žlázy, snižuje hladinu Ca v krvi • Parathormon (PTH) – příštítná tělíska, zvyšuje hladinu Ca v krvi (uvolněním z kostí, zvyšuje reabsorpci Ca v ledvinách, stimuluje tvorbu kalcitriolu v ledvinách) • Vitamin D (aktivní forma – kalcitriol) – podpora resorpce Ca ze střeva Hypokalcemie Příčiny: • dlouhodobá deplece Ca • porucha vstřebávání: nedostatek vitaminu D • nedostatek parathormonu Příznaky • parestezie • tetanie • křeče • dušnost Hyperkalcemie Příčiny: • zvýšené vstřebávání (nadbytek vitamínu D) • nadbytek parathormonu Příznaky • svalová slabost • nausea • polyurie Biochemie Ca • pokles albuminu o 10 g/l = pokles Ca o 0,25 mmol/l • pokles pH = vzestup Ca • odběrové soupravy: ne EDTA, Na-citrát !! • měřit ionizované Ca • pokles Ca léky (furosemid, bisfosfonáty) hyperfosfatémie, hypomagnezémie malabsorbce, ledvinná onemocnění, tumory Fosfor • zásoba 600 g (85 % - skelet, 15 % - měkké tkáně, ECT) • organické fosfáty (fosfolipidy, fosfoproteiny, ATP, nukleové kyseliny) • anorganické fosfáty (sérum - mono a dihydrofosfát, vazba na proteiny, P – pufr), hydroxyapatit v kostech Výkyvy ve fosfatemii • Zvýšení - chronické selhání ledvin • Snížení - poruchy vstřebávání, antacida Hořčík - Mg • 55 % v kostech (25 g) • 45 % intracelulárně (vazba na ATP, GTP) • Krev 30 % vazba na bílkoviny 55 % ionizovaná frakce 15 % komplexy: citráty, fosfáty, další anionty • Význam: nervosvalová dráždivost, kostní hmota, kofaktor enzymů Kostní buňky Osteoblasty • jednojaderné • novotvorba kosti, poté se mění na osteocyty, dochází k mineralizaci • alkalická fosfatáza Osteoklasty • až 20 jader, vznikají fúzí monocytů • odbourávání kosti • kyselá fosfatáza, snížení pH = rozpuštění hydroxyapatitových krystalů, proteolytické štěpení matrix Osteoblasty, osteoklasty Procesy v kosti Remodelace (růst kosti, síly působící na kost) • novotvorba (podporuje fyzická aktivita, inzulin, růstový hormon, vit. D, FGF) • resorpce (snižována estrogeny, kalcitoninem X zvyšována fyz. nečinností, kortikoidy, hormony štítné žlázy, TNF…) Mezi novotvorbou a resorpcí kosti je za ideálních podmínek rovnováha. Hormonální regulace dějů v kosti Kalcitonin • parafolikulární bb. štítné žlázy • snižuje plasmatickou hladinu Ca - mineralizace kosti Parathormon (PTH) • příštítná tělíska • zvyšuje plasmatickou hladinu Ca a P uvolněním z kostí, resorpce kosti • produkce PTH je ovlivněna hladinou Ca. Vitamin D Mechanizmus účinku kalcitoninu • polypeptid • stimulem pro sekreci kalcitoninu je zvýšená koncentrace ionizovaného Ca • kost: snížení odbourávání kostní hmoty, útlum osteoklastů • ledvina: snižuje zpětnou resorpci Ca + P … tumorový marker (nádory štítnice) Mechanizmus účinku parathormonu • polypeptid (84 AMK) • stimulem pro sekreci je pokles plasmatické koncentrace Ca • PTH štěpen (C a N terminální polypeptid – hormonálně neaktivní) • kosti: zvyšuje odbourávání kostí (aktivace osteoklastů) • ledviny: zvyšuje resorpci Ca, snižuje resorpci P. • střevo: nepřímo stimuluje resorpci Ca (přes ledviny, kde podporuje tvorbu kalcitriolu) Vitamín D Vitamin D3 (cholekalciferol), D2 (ergokalciferol) • 25 hydroxylace v játrech (kalcidiol) • 1 hydroxylace v ledvinách (kalcitriol) • pro hydroxylaci nutný vit. C • provitamin D3 vzniká v kůži za účinku UVZ • střevo: stimulace resorpce Ca a P, Calbidin - Ca vázající protein • příštítná tělíska:  D3  syntézu PTH,  D3  syntézu PTH • kost:  remodelace,  diferenciace osteoblastů, syntéza organické kostní matrix,  aktivitu osteoklastů, odbourávání kostní hmoty Mechanismus účinku vit. D Markery novotvorby kostní tkáně Markery novotvorby kostní tkáně • karboxyterminální propeptid prokolagenu typu I (PICP) • kostní alkalická fosfatáza (bALP) • osteokalcin (OC) Prokolagen … kolagen • prokolagen I je prekurzorem kolagenu typu I (tvoří 90 % organické kostní matrix) • z prokolagenu jsou odštěpeny karboxy (C) i amino (N) terminální části molekuly Vznikají: • N – terminální propeptid (nestabilní) • C – terminální propeptid (stabilnější), stanovuje se Kostní alkalická fosfatáza (bALP) • součástí membrán osteoblastů • zvýšená aktivita osteoblastů … zvýšená aktivita enzymu v krevním séru • nutno odlišit kostní izoformu od jaterní (stejná skladba, rozdíl pouze v obsahu kyseliny sialové a N-acetylglukosaminu) • problémy s odlišením izoforem, nutno kombinovat metody s ELFO nebo imunochemicky s Ab proti kostní izoformě ALP Osteokalcin (OC) • BL kostní tkáně důležitá pro vazbu hydroxyapatitu • ke tvorbě OC je potřeba kalcitriol a vit. K. • malá molekula, prochází i zdravým glomerulem … zvýšená koncentrace u pac. s renální insuficiencí, ovlivnění výsledků Markery kostní resorpce Markery kostní resorpce • Karboxyterminální telopeptid kolagenu I (ICTP) • Denní ztráty Ca v moči • (Hydroxyprolin) • Glykosidy hydroxylyzinu • Pyridinolin a deoxypyridinolin • Tartarát rezistentní kyselá fosfatáza (TRACP) Karboxyterminální (C) telopeptid kolagenu I (ICTP, CTx-I) • uvolňován do krve během degradace kolagenu typu I. • malá molekula, vylučována ledvinami, koncentrace je závislá na jejich funkci • -CrossLaps =  izomery C-terminálního telopeptidu kolagenu I V současné době nejpoužívanější marker kostní resorpce (imunochemické stanovení v krvi) Denní ztráty Ca v moči • 24 hod sběr moči + okyselení vzorku před transportem do lab. • dieta se standardním obsahem Ca • metoda je obsolentní (příliš ovlivněna léky, resorpcí v tenkém střevě, funkcí ledvin) Hydroxyprolin • AMK v kolagenu, vzniká posttranslační hydroxylací prolinu v hotové molekule kolagenu • uvolňuje se po odbourání kolagenu a není užíván pro jeho novotvorbu • metoda je nespecifická (hydroxyprolin může pocházet i z vazivové tkáně nebo je zvýšen pří aktivaci komplementu – je součástí C1q frakce komplementu) – již se nestanovuje Glykosidy hydroxylyzinu • Hydroxylyzin je BL kolagenu, není užívána pro jeho syntézu • v kolagenu je ve formě glykosidů • Glukosyl – galaktosyl - hydroxylyzin pochází z kolagenu vaziva • Galaktosyl - hydroxylyzin je z kostní tkáně, vylučován do moči • specifičtější než vylučování hydroxyprolinu Pyridinolin a deoxypyridinolin • obě molekuly tvoří příčné kovalentní vazby (tzv. cross links) mezi kolagenovými vlákny. • při odbourání kolagenu se dostávají do krve Pyridinolin – obsažen jak v kolagenu kosti tak chrupavky Deoxypyridinolin – specifický produkt štěpení kostního kolagenu I. Nejspecifičtější marker kostní resorpce Tartarát rezistentní kyselá fosfatáza (TRACP) • kyselá fosfatáza je obsažena v mnoha tkáních • prostata (ACP je inhibovatelná tartarátem), trombocyty, erytrocyty, osteoklasty (taratarát rezistentní ACP) • pokud stanovíme enzym z plasmy (vyloučíme ACP z trombocytů) a není-li vzorek hemolytický (ACP z erytrocytů), je většina ACP kostního původu • vzorek se stabilizuje okyselením, marker kostní resorpce. Dynamika markerů • 2 trimestr - nárůst markerů, nejprve osteoresorpce, později i novotvorba • konec těhotenství - 2-3x zvýšené CTx, NTx, Pyr, o 35-100 % PICP, ALP. pokles osteokalcinu • návrat k původním hodnotám pomalejší u kojících žen • menstruační cyklus - málo významné změny • puberta – nárůst markerů novotvorby • stáří – nárůst markerů resorpce Biologické rytmy Odběr vždy ve stejnou dobu, ráno nalačno 7-9 hod • kolísá PTH, kalcitonin, P, méně Ca • markery osteoresorpce i novotvorby, maximum ráno, minimum odpoledne Roční cykly souvisí s vitaminem D Onemocnění s dopadem na kostní strukturu • Hyperparathyreóza • Hypovitaminóza D • Osteoporóza • Pagetova choroba Osteoporóza • redukce kostní hmoty • rovnoměrný úbytek organické i anorganické matrix • zvýšená křehkost a lomivost kosti Osteoporóza • primární – příčina je v samotné kosti (častější) • sekundární – v důsledku jiného onemocnění (kortikoidy, revmatoidní artritis…) Typy osteoporózy Typ I (postmenopauzální) • přestavba kostí • 50 – 65 let věku, nedostatek estrogenů Typ II (senilní) • obě pohlaví • manifestace po 65. roku věku Příčiny vzniku osteoporózy • Deplece Ca • Nedostatečná fyzická aktivita • Poruchy absorpce z GIT • Léčiva • Hormonální poruchy • Defekty receptoru pro kalcitriol Příčiny vzniku osteoporózy • Fast loosers – osoby s převahou kostní resorpce nad novotvorbou (primární osteoporóza) • Slow loosers – snížený přírůstek kostní tkáně při nezměněné resorpci Diagnostika osteoporózy Biochemické metody (vhodná jejich kombinace) • stanovení aktivity enzymů specifických pro osteoblasty a osteoklasty. • stanovení bílkovin kostní hmoty Zobrazovací techniky • kostní denzitometrie (X-ray), • CT Kostní biopsie – invazivní a agresivní metoda Komplikace osteoporózy Fraktury – zlomeniny • typicky u lidí ve vyšším věku – 20% letalita!