Metabolizmus kalcia a fosfátů. Regulace kostní přestavby. Osteoporóza. MUDr. Miroslava Hlaváčová, PhD. Biochemický ústav LF MU Vápník v těle : celkový vápník 1,0 – 1,3 kg tělesné tekutiny 1 % kosti 99 % ECT 0,1 % ICT 0,99 % krevní plazma 375 mg 2,5 mmol / l IST 50 % Ca volný, ionizovaný (1,25 mmol / l) 32 % Ca vázaný na albumin, ≈ na pH (0,8 mmol / l) 8 % Ca vázaný na globuliny (0,2 mmol / l) 10 % Ca v komplexech s anionty (0,25 mmol / l) hydrogenuhličitan, laktát, fosfát, … fyziologicky účinný je jen volný ionizovaný vápník !! Biologické účinky vápníku: •přenos signálu do buňky (komplex Ca-kalmodulin) •stavební materiál (kosti, zuby, kalcifikace) •neuromuskulární dráždivost (hypokalcemie zvyšuje iritabilitu, hyperkalcemie zvyšuje kontraktilitu) •krevní srážení •aktivita enzymů a hormonů Potřeba vápníku: •v Česku má osteoporózu cca každá 3. žena a každý 5. muž •denní potřeba vápníku je cca 1g (≈ 25 mmol), starší osoby a těhotné ženy 1,5g •(0,5l mléka anebo 65g tvrdého sýra anebo 250ml jogurtu má cca 0,5g vápníku) •v dětství zužitkujeme 50% z přijatého vápníku, v dospělosti jenom 10-40% Zdroje vápníku: •vhodné zdroje –polotučné mléčné výrobky –kysané mléčné výrobky (acidita podporuje vstřebávání) –některé druhy zeleniny (květák, růžičková kapusta, čekanka, brokolice) –okrajové zdroje – mák, ořechy, sardinky, vodovodní voda (v Brně cca 2-2,5 mmol Ca/l) •nevhodné zdroje –špenát (tvorba nerozpustného šťavelanu vápenatého) –tavené sýry (vysoký obsah fosforečnanů – tvorba nerozpustných vápenatých solí fosfátů) –značný příjem fosforečnanů představuje aj Coca-Cola (a jí podobné) –listová zelenina s vysokým obsahem hořčíku (ideálny poměr vápníku a hořčíku je 2:1) Rozložení a pohyby kalcia v těle : Denní příjem přibližně 25 - 30 mmol (1 - 1,5g) ( ↓ fosfáty, oxaláty, fytáty) 17 – 25 mmol /d ICT signální funkce 100 mmol / l plazma 2,5 mmol / l celkem jen 35 mmol 5 – 6 mmol /d filtrace 240 mmol / d tubulární resorpce 230 mmol / d absorpce do 15 mmol / d sekrece až 7 mmol / d 25 mol Ca Minerální depozita (rychle vyměnitelných 100 mmol) remodelace kosti 7,5 mmol / d rychlá výměna 500 mmol / d Exkreční frakce max. 5 % PTH ji snižuje, kalcitonin a vysoká nabídka Na+ ji zvyšuje Hydroxyapatit : Ca2+ Ca3(PO4)2 Ca3(PO4)2 Ca3(PO4)2 2 OH- hydroxyapatit je hlavní strukturní komponentou kosti ≈ 65 % hmotnosti kosti 3 Ca3(PO4)2 • Ca(OH)2 hydroxyapatit Fluorapatit : Ca2+ Ca3(PO4)2 Ca3(PO4)2 Ca3(PO4)2 2 F- hlavní složka dentinu 3 Ca3(PO4)2 • CaF2 fluorapatit Součin rozpustnosti (KS) : KS fosforečnan vápenatý Ca3(PO4)2 2 • 10-30 hydroxyapatit Ca5(PO4)3OH 2,3 • 10-59 fluorapatit Ca5(PO4)3F 3,1 • 10-60 [Ca2+]3 • [ PO43- ]2 = KS [Ca2+]3 • [ PO43- ]2 = KS ( pH = 7,40 ) [ PO43- ] = 0 !! [ Pi ] = 1 mmol / l Anorganický fosfát ( Pi ) v séru : [ HPO42- ] [ H2PO4- ] = 4 : 1 [Ca2+]3 • [ PO43- ]2 = KS ↑ [ PO43- ] Anorganický fosfát ( Pi ) v kosti : HPO42- + OH- → PO43- + H2O H2PO42- + 2 OH- → PO43- + 2 H2O tvorba nerozpustného kostního minerálu → alkalická reakce (viz ALP !!) opačně u resorpce kosti = BGP = bone gamma carboxyglutamic acid-containing protein •obsahuje 3 karboxyglutamáty (Gla) pro vazbu Ca2+ •reguluje mineralizaci kostí •marker remodelace kostí (aktivita osteoblastů v tvorbě organické matrix) Osteokalcin: ¬ (vitamin K) g-karboxy glutamová kyselina (Gla) vazba Ca2+ Vápníková homeostáza : 1.parathyrin (PTH, parathormon) 2.kalcitonin (thyreokalcitonin) 3.kalcitriol 1.parathyrin (PTH) •nejvýznamnější regulátor extracelulárního Ca2+ •tvoří se v příštítných tělískách, účinný je N-terminální konec prohormonu •sekrece je bazální (cave hyperplazie!) a pulzní •pulzní sekrece závisí na kalcemii, je též regulovaná kalcitriolem Senzor pro kalcemii : nachází se v příštítných tělískách receptor ® Gq – protein ® vzestup Ca2+ v plazme způsobí zvýšený vstup Ca2+ do buněk ® zvýšená intracelulární hladina Ca2+ zde má inhibiční vliv (na rozdíl od ostatních buněk !!) Parathyrin - účinky: •kost: •↑ uvolňování kalcia a fosforu z kostí působením na osteoklasty (přes osteoblasty!) •ledviny: •↑ reabsorpci kalcia z glomerulárního filtrátu, ↓ reabsorpci fosfátů (Ks!) •↑ syntézu 1,25-vitamínu D a teda nepřímo ↑ absorpci kalcia ze střeva Parathyrin – účinek na kost: •rychlý – minuty •pomalý – hodiny až dni, trvá i po poklesu PTH v plazmě •stimuluje receptory osteoblastů, které následně aktivují osteoklasty •samotné osteoblasty PTH nejdřív tlumí, po několika dnech ↑ jejich růst a tvorbu osteoidu •má účinek aj na osteocyty (mobilizace kalcia přes osteolýzu) •dlouhodobá stimulace PTH vede ke zvýšenému počtu a zvýšené aktivitě osteoklastů, nízké dávky podávané intermitentně ↑ novotvorbu kosti!!! (podstata (ne)známa) •(thyreokalcitonin, 32 AA, C-buňky štítné žlázy) •antagonista PTH, účinek stimulovaný estrogeny •omezený význam pro regulaci, ochrana před náhlým ↑ kalcemie (za fyziologických podmínek má minimální efekt) •sekrece řízená kalcemií (senzor obdobný příštítným tělískům) •tlumí kostní resorpci inhibicí osteoklastů, podporuje novotvorbu matrix (léčba osteoporózy) •inhibuje resorpci vápníku i fosfátů v tubule ® ↑ kalciurii i fosfaturii •analgetické působení u kostní bolesti 2.kalcitonin 7-dehydrocholesterol kalciol (kůže, UV ) 25 - kalcidiol (játra, 25-hydroxyláza) 1,25 - kalcitriol (ledviny, 1-hydroxyláza) inhibice: ↑ kalcitriol a kalcitonin nadbytek přijatého Ca stimulace: PTH při hypokalcemii somatotropin, prolaktin 3.kalcitriol kalcidiol je hlavní metabolit kalciolu v plazme (< 10 mmol/l, sezónní rozdíly, t1/2 ≈ 20-30 d, vazba na D-binding protein) •enterocyt Ø↑ absorpci, transport přes enterocyty a uvolňování do oběhu Øzvyšuje absorpci a transport fosfátů •ledviny Øzvyšuje zpětnou resorpci vápníku v tubulech Kalcitriol – účinky v Ca metabolizme: •kost Økomplexní účinky, udržuje rovnováhu mezi formací a resorpcí kosti Øpři hypokalcemii zvyšuje resorpci kosti koordinovanou aktivitou osteoblastů a osteoklastů Øza příznivých podmínek zvyšuje zabudovávání kalcia do kosti •interakce s PTH −kalcitriol inhibuje syntézu a sekreci PTH, co funguje jako negativní zpětná vazba i na jeho tvorbu (PTH stimuluje tvorbu kalcitriolu) Kalcitriol – účinky v Ca metabolizme II Kalcitriol – ostatní účinky: •receptory se nacházejí v mnohých tkáních (srdce, cévy, žaludek, játra, mozek, ......) •reguluje buněčnou diferenciaci a proliferaci •inhibuje buněčný růst •stimuluje sekreci inzulínu •inhibuje produkci reninu •buňky imunitního systému mají receptor pro vit. D, některé dokonce vit. D produkují (!) → vit. D má imunomodulační účinek !! Kalcitriol – ostatní účinky II: •deficit kalcitriolu zvyšuje riziko mnohých nemocí: −autoimunitní onemocnění (DM 1. typu, sclerosis multiplex, revmatoidní artritida) −malignity (kolorektální karcinom, karcinom prostaty a prsníku) −kardiovaskulární onemocnění −DM II. typu −psychiatrické onemocnění (schizofrenie, deprese) − •v Evropě má deficit vitamínu D 30% populace, u starších lidí je to až 75% Další regulátory kostního metabolizmu 1.estrogeny 2.růstový hormon 3.hormony štítné žlázy 4.glukotropní hormony kortizol, inzulín, leptin 5.lokální faktory (systém RANK/OPG, Wnt/sklerostin) 1.estrogeny •komplexní efekt •↓ účinek PTH a thyreoidních hormonů •inhibují uvolňování cytokinů z osteoblastů (↓ aktivaci osteoklastů) •předpokládá se účinek na regulaci kalcitoninu a kalcitriolu •nedostatek estrogenu zvyšuje produkci TNF alfa, IL-1 a IL-6 (zvyšují resorpci) 2.růstový hormon •stimuluje 1α- hydroxylázu •zvyšuje kostní obrat s převahou osteoformace •má vliv aj na resorpci vápníku •stimuluje proliferaci osteoblastů 3.hormony štítné žlázy •důležité pro vývoj kostí v průběhu fetálního období, v kostní modulaci v dětství a při remodelačních cyklech v dospělosti (hypertyreóza je urychluje, hypotyreóza zpomaluje) •nutné pro tvorbu a maturaci kostních buněk •vzájemně se potencující efekt s růstovým hormonem •stimulují produkci IGF-1 (růstový faktor) 4a. kortizol •snižuje resorpci vápníku ze střeva •snižuje tvorbu kolagenu v kosti •negativně ovlivňuje tvorbu a funkci osteoblastů •hraniční dávka pro vznik osteoporózy je 7,5 mg prednisonu/d, osteoporóza může vzniknout již po několika měsících podávání 4b. inzulin •anabolický hormon •podporuje osteoblastogenezu •inhibuje aktivitu osteoklastů •vliv na biomechanické vlastnosti kosti •působí synergicky s dalšími hormony •diabetici 1. typu mají vyšší riziko osteoporózy 4c. leptin •inhibuje kostní novotvorbu působením na nervový systém •snižuje syntézu serotoninu, co ovlivňuje neurony hypotalamu a vede k regulaci chuti do jedla a kostní remodelace • 5a. systém RANK/OPG (ligand) (receptor activator NF-κB) (osteoprotegerin → denosunab „Prolia“) (adaptorový protein) (nukleární faktor kappa B) 5b. sklerostin a Wnt •aktivace signální dráhy Wnt vede ke zvýšené proliferaci a diferenciaci osteoblastů •hlavním inhibitorem dráhy je sklerostin – glykoprotein secernovaný osteocyty •sklerostin bráni vazbě Wnt na svůj receptor, čím blokuje tvorbu kosti OSTEOPORÓZA Metabolizmus kostí : 1/ osteoblasty tvorba (formace) kosti 2/ osteoklasty odbourávání (resorpce) kosti ● zdravá kost má oba protichůdné procesy v rovnováze ● v patologických procesech převládá obvykle zvýšená resorpce Remodelace kostí : •komplexní proces koordinované činnosti kostních buněk – osteoblastů, osteoklastů a osteocytů •funkce: Øadaptace kosti na měnící se mechanickou zátěž Øreparace drobných mechanických poškození, kterých hromadění by způsobilo stárnutí kosti Ønáhrada staré kosti novou, mechanicky vhodnější hraniční buňky kryjící kost aktivace osteoresorpce ~ 20 dní osteoklasty resorbují kost Kostní resorpce: Patofyziologie osteoporózy (3) Pokud aktivita osteoklastu překročí osteblastickou aktivitu, kostní formace nemůže kompenzovat ztrátu kostní hmoty vzniklou resorpcí. Kostní hmota se jednoznačně zmenšuje. Mechanismus odpovědný za úbytek kosti obsahuje (American Medical Association, 2000) jevy •osteoklasty mohou tvořit nadměrně hluboké kvality, které nemohou být zaplněny osteoblasty •funkce osteoblastů může být oslabena do té míry, že normální lakuna není zaplněna •velký počet kostních remodelačních jednotek ve spojení s jedním ze dvou výše zmíněných bodů vede ke zvýšení ztráty kostní hmoty. nově uložený osteoid mineralizuje několik měsíců zpětná osteoformace ~ 160 dní osteoblasty umisťují nový osteoid Kostní formace: Patofyziologie osteoporózy (3) Pokud aktivita osteoklastu překročí osteblastickou aktivitu, kostní formace nemůže kompenzovat ztrátu kostní hmoty vzniklou resorpcí. Kostní hmota se jednoznačně zmenšuje. Mechanismus odpovědný za úbytek kosti obsahuje (American Medical Association, 2000) jevy •osteoklasty mohou tvořit nadměrně hluboké kvality, které nemohou být zaplněny osteoblasty •funkce osteoblastů může být oslabena do té míry, že normální lakuna není zaplněna •velký počet kostních remodelačních jednotek ve spojení s jedním ze dvou výše zmíněných bodů vede ke zvýšení ztráty kostní hmoty. •systémové onemocnění skeletu •snížení kostní hmoty •narušení mikroarchitektury kostního tkaniva •zvýšení křehkosti kosti •následné zvýšení rizika zlomenin úbytek kosti je proporcionální!! = současný úbytek minerálů a proteinů (rozdíl od osteomalacie – úbytek anorganické složky) Osteoporóza : •obratle* •bedro* •distální rádius* •proximální humerus Obvyklé místa osteoporotických zlomenin: *obvyklé místa měření BMD Rizikové faktory pro osteoporózu : •ženské pohlaví •zvyšující se věk •hypogonadismus, endokrinopatie •kavkazská rasa •nízký body mass index (BMI) •rodinná historie osteoporózy (speciálně u mužů) •kouření •předchozí fraktury •chronické podávání glukokortikoidů a jiných léčiv Astra1 blocks (gain of weight) Základní prevence: Klasifikace osteoporózy : 1/ primární • juvenilní • dospělých postmenopauzální senilní (involuční) 2/ sekundární •endokrinopatie (hyperparatyreóza, m. Cushing, tyreotoxikóza) •systémové zánětlivé onemocnění (zejména RA) •poruchy výživy, astenický habitus (BMI pod 19) •renální osteodystrofie (sekundární hyperparatyreóza) •inaktivita •tumory (karcinom prsníku, vaječníků, prostaty, semeníků, štítné žlázy) •léky (kortikosteroidy, antiepileptika, heparin, kličkové diuretika, SSRI, inhibitory aromatázy) Sekundární osteoporóza: Diagnostika osteoporózy 1.anamnéza a klinické vyšetření 2.měření kostní denzity (BMD – bone mineral density) 3.laboratorní vyšetření Měření BMD •BMD je významným a dobře kvantifikovatelným rizikovým faktorem osteoporózy •vyjadřuje se v: –absolutních hodnotách (g minerálu na cm2) –SD normy (T-skóre a Z-skóre – vyjadřují hodnotu hustoty kostního minerálu odlišnou od průměru) T-skóre vs. Z-skóre •T-skóre je porovnání BMD pacienta a BMD zdravého jedince ve věku 20-30 let, stejného pohlaví a rasy –častěji používané, koreluje s rizikem fraktury – •Z-skóre je porovnaní BMD pacienta a BMD zdravých jedinců stejného věku, pohlaví a rasy –ukazuje budoucí vývoj BMD u pacienta Diagnóza osteoporózy (WHO) : Graph of BMD distribution in young women bmd.jpg BMD, věk a osteoporóza : 1,300 1,100 900 700 500 Standardizovaná BMD (total hip) (kavkazská rasa, ženy, mg/cm2) Norma Osteopenie Osteoporóza 25 35 45 55 65 75 85 Diagnosis and assessment (9) Aging inevitably leads to a decline in bone mass, independent of sex. The 10-year probability of having a fracture of arm, spine or hip increases as much as 8-fold between the ages of 45 and 85. Laboratorní vyšetření 1.základní vyšetření 2.vyšetření rychlosti kostního obratu 3.vyšetření v rámci diff. dg. sekundární osteoporózy a jiných metabolických onemocnění skeletu (indikace podle anamnézy) Základní vyšetření •kalcium a fosfor v séru •krevný obraz •kreatinin •ALP •glukóza •kalciurie (ideálně za 24 hodin) •vitamín D (total, izoformy) Stanovení kostního obratu •markery resorpce –pyridinolínové (PYR) a deoxypyridinolínové (DPYR) spojky kolagenu v moči –hydroxyprolin a hydroxylyzin v moči –tartarát rezistentní kyselá fosfatáza 5b (TRAP5b) –C- terminální telopeptidový fragment kolagenu typu I (CTx) –N- terminální telopeptidový fragment kolagenu typu I (NTx) –(sklerostin) •markery formace –kostní izoenzym alkalické fosfatázy (bALP) –osteokalcin –N- terminální propeptid prokolagenu typu I (P1NP) –C- terminální propeptid prokolagenu typu I (P1CP) uvolňované z osteoblastů méně používané Prokolagen 1 - struktura An external file that holds a picture, illustration, etc., usually as some form of binary object. The name of referred object is cbr26_4p097f4.jpg Kolagen 1 – cross links Markery formace a resorpce kosti: P1NP P1CP NTx markery novotvorby (propeptidy) markery odbourání (cross-linking telopeptidy) CTx Klinická výpověď markerů : •hodnocení stupně kostní remodelace •rychlost úbytku kostní hmoty („fast vs. slow bone losers“) •predikce rizika fraktury nezávisle na hodnotě BMD •monitorování léčby (na rozdíl od BMD reagují prakticky ihned) •použití v diff. dg. je omezené (metabolické onemocnění skeletu vyvolávají kvantitativní, ne kvalitativní změny kostní remodelace) Terapia osteoporózy 1.výživa, životní styl, pohyb 2.kalcium + vitamin D 3.bisfosfonáty 4.stroncium ranelát 5.(HRT – hormone replacement therapy) 6.SERM – selective estrogen receptor modulator 7.kalcitonin 8.teriparatid a PTH 9.denosumab – monoklonální protilátka proti RANKL 10.protilátky proti sklerostinu 1. Výživa, životný styl, pohyb •důležité u každého pacienta – minimalizace rizika fraktur •pestrá strava s dostatkem vápníku, vitaminů •nízký příjem sodíku (sodík ↑ kalciurii) a fosforu •správné BMI (oba extrémy jsou rizikové) •nízká konzumace alkoholu, zanechání kouření •POHYB!!! (chůze, turistika, jízda na kole, plávání, cílené cvičení typu pilates, jóga) •prevence pádů 2. Kalcium + vitamin D •podávané automaticky •kalcium v dávce 800 – 1200 mg ve formě uhličitanu, citrátu nebo laktátu vápenatého •vitamín D v dávce 800 – 1000 IU, existují i přípravky s aktivní formou vitamínu (1,25-dihydroxyvitamín D3) 3. Bisfosfonáty •nejčastěji používaná terapie nejenom při osteoporóze, ale i v onkologii, při Pagetově nemoci, osteogenesis imperfecta a dalších •mechanizmus účinku – bisfosfonáty se navážou na kost a interferují s enzymovou aktivitou osteoklastů, narušují též cytoskeletální organizaci a zvyšují apoptózu osteoklastů •efekt přetrvává měsíce až roky po ukončení terapie •NÚ – zejména GIT těžkosti, osteomyelitida a osteonekróza čelisti http://www.aafp.org/afp/2012/0615/p1134.html 4. Stroncium ranelát •duální účinek - stimuluje formaci a zabraňuje snižování BMD •zlepšuje též mechanické vlastnosti kosti •NÚ – kontraindikovaný při anamnéze venózní trombózy a u pacientů s rizikovými faktory trombózy •v dnešní době se upouští od používání 5. Hormone replacement therapy •estrogenové přípravky, které vyrovnávají pokles po menopauze •kvůli vyššímu riziku ca prsníku a kardiovaskulárních příhod (trombózy, IM, CMP) je jedinou indikací klimakterický syndrom (předčasně nebo chirurgicky navozená menopauza) • •fytoestrogeny – potravinové doplňky, efekt na osteoporózu nebyl spolehlivě prokázán, ale zlepšují vegetativní symptomy v menopauze 6. SERM •účinkují odlišně na jednotlivé typy estrogenových receptorů: –estrogenový agonista na kost a KVS (zlepšuje lipidový profil) –estrogenový antagonista na prsník a dělohu • •podává se hlavně u mladších pacientek s vysokým rizikem zlomeniny obratlů a rizikem ca prsníku •raloxifen 7. Kalcitonin •bráni resorpci kostí přímým účinkem na osteoklasty •používá se lososí kalcitonin •od léčby osteoporózy se ustupuje, je indikovaný spíš na krátkodobou léčbu Pagetovy nemoci, kostní ztráty z imobilizace a hyperkalcemie při maligním onemocnění, protože má navíc analgetický efekt 8. Teriparatid a PTH •teriparatid – terminální sekvence PTH s nejvýraznějšími biologickými účinky •podstatou je intermitentní podávání malých dávek, které má osteoanabolický účinek na trabekulární i kortikální kost •mění se regulace genové exprese a systému RANK/OPG •velmi účinný ale drahý L (přísné indikační kritéria) •s.c. podání může pacienty odradit 9. Denosumab •specifická monoklonální protilátka proti RANKL (analogie působení osteoprotegerinu) •účinná a bezpečná forma léčby bez závažnějších kontraindikací •podávání 1x za půl roku •NÚ je taktéž osteonekróza čelisti 10. Romosozumab •specifická monoklonální protilátka proti sklerostinu •inhibuje inhibiční vliv sklerostinu na tvorbu kosti •zvyšuje BMD víc než bisfosfonáty a PTH •stále v klinických studiích •s.c. podávání • 346x346xhow-to-cure-osteoporosis.jpg.pagespeed.ic.jLtC788uPk.jpg Děkuji vám za pozornost.