Řízení metabolismu vápníku
Homeostáza vápníku a fosforu
Základními prvky kostní tkáně jsou vápník (Ca)
a fosfor (P)
- Až 65 % hmotnosti
- Téměř veškeré zásoby Ca a P, a polovina
Mg v lidském těle
- Zásadní význam těchto prvků ve
fyziologických procesech
Kostní tkáň
- 99 % celkového Ca, z toho 99 % v
minerální složce
- 1 % - rychle mobilizovatelná a směnitelná
část (ICF - ECF)
Extra- a intracelulární vápník
Intracelulární vápník
- Signální význam
- Kontraktilita
- Excitabilita
- Neurosekrece
- Endokrinní a exokrinní sekrece
- Buněčná diferenciace a proliferace
- Buněčné smrti a jejich regulace
Extracelulární vápník
- Mineralizace chrupavek a kostí
- Kofaktor enzymů včetně proteinů
srážecí kaskády
- „zdroj“ intracelulárního vápníku
- Excitabilní tkáně
ICF
ECF
MIT ER
cca 1mM
cca 100 nM
cca 100 mMcca 25 mM
Ca2+-ATPáza
Ca2+ IK
Na+/Ca2+ exchanger
VDAC/
Ca2+-uniporter
mNCX
Vápník a jeho příjem
Žaludek
- Žaludeční šťáva a HCl
- Produkce HCl
Absorpce vápníku
- 25 – 60 %
- Věk
- Stravovací návyky a obsah
vápníku v potravě
- Požadavky kostní tkáně
- Vitamín D
Negativní bilance vápníku spojená s věkem je rizikovým faktorem osteoporózy.
Tenké střevo
- Duodenum a jejunum – 90 %
- Adaptivní příjem – duodenum a
ileum
Mechanismy absorpce vápníku
Paracelulární
- Luminální elektrochemický gradient
- Integrita mezibuněčných spojení
- Klaudiny
Transcelulární
- TRPV6 a asociované proteiny
- Recyklace TRPV6
- Alternativní mechanismy?
VitamínD
Glukokortikoidy Estradiol Prolaktin
+ +-
Vápník v krvi (kalcémie)
GlomerulárnífiltraceANO
Endokrinníkontrola
GlomerulárnífiltraceNE
Exkrece vápníku
- 98 % filtrovaného Ca podléhá reabsorpci
- 70 % proximální tubulus
- 20 % tlusté vzestupné raménko HK
- 5 % sběrací kanálek
- 2 % moč
- CaSR (TALH)
- Paracellin-1
- PTH
Fosfor
Krev
- Koncentrace 1 mM (sérum)
- Ionizovaná forma (HPO4
2-, H2PO4
-)
- 12 % komplexy s proteiny
- Intracelulární koncentrace je přibližně stejná
jako extracelulární
- Kotransport se sodíkem
Distribuce
- Kosti cca 45 % - Ca10(PO4)6(OH)2
- V organické i anorganické podobě v ICF a ECF
- Věk, pohlaví, růst
Funkce
- Strukturální – NK, fosfolipidy
- Modifikované sacharidy, fosfoproteiny,
kofaktory, G proteiny
- Makroergní sloučeniny (ATP)
- Regulační role – signální kaskády, energetické
procesy
Vitamín D PTH IGF-1 FGF23
Ledviny
- Reabsorpce proximální tubulus (85 %) – Npt1-3
Kostní matrix a kostní minerál
Trombospondin
Fibronektin
Matrixový Gla protein
Osteokalcin
Biglykan
Dekorin
Kostní sialoprotein
Osteopontin
Osteoadherin
Vitamín K-dependentní g
karboxylace a fosforylace
Afinita k Ca a
mineralizace
Signálnífce.+hematopoéza
Kolagen a jeho syntéza
Syntéza kolagenu
Degradace kolagenu
Kathepsin K
MMP
Kolagenázy – MMP
- MMP1 a MMP13 – osteoblasty
- Vliv hormonů a cytokinů
Kolagen typu I =
nejvýznamnější
protein kostní matrix
Mineralizace
= tvorba malých krystalů hydroxyapatitu (Ca, fosfáty,
uhličitan, Mg, Na, K)
Vnější mechanismus – alkalická
fosfatáza
Vnitřní mechanismus – phospho1
(Phosphoethanolamine/
phosphocholine phosphatase )
Štěpení pyrofosfátu
Dostupnost fosfátu pro mineralizaci
Vezikulární útvary (matrix)
Kolagen a jeho uspořádání
Dostupnost Ca, P a AF
Stav výživy, vápník v potravě, vápník/fosfor v ECT
Depozice vápníku
SIEBLINGs
- Osteopontin, DMP-1 (OC)
- Kostní sialoprotein, MEPE
Endopeptidázy, PHEX – FGF23
Kostní tkáň a její remodelace
Osteocyty (OC)
- Metabolická aktivita
- Receptory pro PTH
- Komunikace s kostním povrchem
- Mechanický sensing
- Produkce RANKL
- Přímá degradace kostní tkáně
(osteocytická osteolýza)
- Adaptivní remodelace
Osteoblasty (OB)
- Produkce kostní matrix
- Produkce kolagenu a
nekolagenních peptidů + jejich
orientace
- Regulace hormony, lokálními
faktory a cytokiny
- Diferenciace a jejich další osud –
apotóza, osteocyty, liniové buňky
- „nábor“ jiných buněk – IGF-1,
IGF-2, TGF-b
Liniové buňky
- Stimulace
diferenciace OB
- Komunikace s OC
- Diferenciace do OB
stimulovaná PTH
Osteoklasty (OK)
- Resorpce kostní
tkáně
osteoklasty mononukleární buňky preosteoblasty osteoblasty
Kostní resorpce Výstavba kostní tkáně
Osa OPG-RANK-RANKL a remodelace kostní tkáně
Klíčovým faktorem
regulujícím kostní
resorpci je poměr
RANKL/OPG
Osteoklastogeneze
(+) RANKL
(-) OPG
Resorpce kostní tkáně osteoklasty
Význam kompartmentalizace pro kostní
resorpci - podosomy
Resorpce a sekrece produktů kostní
resorpce - transcytóza
Zásadní význam pH pro resorpci kostní
tkáně
Faktory ovlivňující remodelaci kostní tkáně
Osteoblasty
Liniové buňky
Osteoklasty
Remodelace kostní tkáně
Okamžitá potřeba vápníku - homeostáza
Zajištění mechanických požadavků
Trabekulárníkost
Systemické signály Lokální signályResorpce trvá cca 2 týdny
Mineralizace a formace cca 12 týdnů
Za patofyziologických podmínek je
narušena návaznost mezi resorpcí a
formací kostní tkáně.
Cytokiny - IL-1α, IL-1β,
TNF-α, TNF-β,
prozánětlivé IL (7, 15, 17)
Cytokiny - IL-4, IL-13, IL-
10, IL-18
TGF-α a EGF, FGF21,
FGF23
Prostaglandiny
Prostaglandiny
PDGF
VEGFA, HIF-1a (+/-)
IGF-1 (endo-/parakr.)
BMPs (OB, autokr.)
Endokrinní
regulace
kostní tkáně
Hormon Působení Cílové buňky
PTH - Stimulace resorpce (dlouhodobé působení)
- Stimulace kostní formace (pulzní působení)
- Stimulace lokální sekrece IL-1 a IL-6
Osteoblasty, liniové buňky,
osteocyty
Vitamín D - Stimulace resorpce (vyšší koncentrace)
- Inhibice mineralizace (vyšší koncentrace)
- Stimulace kostní formace (nízké koncentrace, spolu s PTH)
Osteoblasty (primárně)
Kalcitonin - Inhibice resorpce
- Regulace remodelace kostní tkáně
Osteoklasty
Růstový hormon
IGF-1
- Stimulace kostního obratu
- Stimulace proliferace a diferenciace osteoblastů
- Zvýšená syntéza kolagenu a dalších proteinů
Osteoblasty – primárně GH
Osteioblasty i osteoklasty – IGF-
1
Glukokortikoidy - Snížení absorpce Ca v GIT
- Indukce osteoklastogeneze
- Zvýšení kostní resorpce (+ RANKL)
- Potlačení remodelace kostní tkáně
- Indukce apoptózy osteoblastů a osteocytů
- Inhibice syntézy IGF-1
Osteoblasty, osteocyty,
osteoklasty
Hormony štítné
žlázy
- Děti – stimulace mineralizace a epifyzeální maturace
- Dospělí – zvýšení resorpce
- Růst a proliferace chondrocytů (permisivní účinek na růstový
hormon)
- Zvýšení transkripce kolagenázy a gelatinázy
Osteoblasty, osteoklasty (i
nepřímý přes TSH)
Inzulín - Stimulace formace kostní tkáně a mineralizace
- Zvýšení syntézy kolagenu
- Stimulace sekrece IGF-1
Primárně osteoblasty
Pohlavní hormony - Uzávěr epifýz (E)
- Inhibice sekrece RANKL
- Změny rychlosti kostní resorpce a formace (stimulace formace a
mineralizace)
Primárně osteoblasty, ale i další
kostní buňky
Prolaktin - Nepřímý účinek
Klinický přesah
• Osteogenesis imperfecta
• Osteopetróza
• Osteomalácie
• Rachitis
• Osteopenie – T skóre -1 – -2.5
• Osteoporóza – T skóre pod -2.5
Parathormon a jeho sekrece
Charakteristika
- Příštítná tělíska – hlavní buňky
- Syntéza a skladování PTH
- Velmi rychlá sekrece PTH
- Schopnost proliferace při
dlouhodobé stimulaci
Parathormon (PTH)
- Syntetizován jako pre-pro-PTH
- Sekreční granula několika typů (PTH; PTH+katepsin B a H)
- Velmi rychlá metabolizace (70 % játra, 20 % ledviny) – 2 min
Buněčná proliferace hlavních buněk je významným adaptačním
mechanismem na:
- Hypokalcémii
- Nízké hladiny vitamínu D (1,25(OH)2D3)
- Hyperfosfatémii (urémii)
- Neoplastický růst
Hladina ionizovaného vápníku v krvi je klíčovým parametrem pro sekreci PTH
Při náhlém poklesu hladiny ionizovaného vápníku je sekrece PTH výraznější
Vitamín D snižuje sekreci PTH (a inhibuje expresi a tvorbu PTH), u chronické hypokalcemie NE
Fosfáty opožděně stimulují tvorbu a sekreci PTH
Kalcémie a vitamín D = hlavní regulátory sekrece PTH
CaSR – receptor spřažený s G proteinem
- Aktivace PLC
- Inhibice tvorby cAMP
Různá distribuce v tkáních – všechny
tkáně podílející se na udržování
homeostázy vápníku
- Příštítná tělíska
- Ledviny
- Kůže
- Epitel GIT, enterocyty
- G buňky žaludku
- CNS
Klinické aspekty
- Mutace inaktivační a aktivační
- familiární hypokalciurická
hyperkalcémie (in.)
- Familiární hypoparathyroidismus s
hyperkalciurií (ak.)
- Kalcimimetika – inhibice sekrece PTH
+ aminokyseliny, peptidy, Mg
Hlavní účinkek PTH = regulace kalcemie
(+) reabsorpce vápníku
- cTAHL, DT
- transcelulární i paracelulární transport
- TRPV5 a TRPV6 – inhibice Ca2+
- Kalbindin-D28K
- NCX1 a PMCA
(+) exkrece fosfátu
- PT i DT
- Inhibice resorpce
- NaPi kotransportéry – internalizace, degradace
(+) aktivita 1a-hydroxylázy - PT
(-) resorpce Na, vody a hydrogenuhličitanu – PT
(-) Na+/K+-APTáza (bazolaterální membrána)
(+) glukoneogeneze – PT
(-) GFR - podocyty
Účinek PTH na osteoklasty je nepřímý. Pulzní dávkování stimuluje osteoblasty, chronické kontinuální osteoklasty.
PTH a fyziologie kostní tkáně
Klinická aplikace – terapie osteoporózy
Parathormonu příbuzný peptid - PTHrP
Charakteristika
- Zprvu jako nádory produkovaný peptid – endokrinní
působení – ledviny + kosti
- Působení i parakrinní – lokální zvýšení koncentrace Ca
- Poté nalezen v řadě tkání
Funkce
- Kalciotropní hormon
- Vývoj plodu - proliferace a diferenciace buněk
- Laktace – (+) resorpce kostní tkáně bez možnosti
ovlivnění suplementací Ca
- Kůže – proliferace a diferenciace
- GIT, močový měchýř, uterus– (+) relaxace hladké
svaloviny
- CNS - neuroprotekce
- Para-/auto-/intrakrinní působení
Kalcitonin
Charakteristika
- C buňky štítné žlázy
- Rodina peptidů (amylin, CGRPs, adrenomedulin)
- Různá distribuce ve tkáních
- Sekrece je determinována hladinou ionizovaného
vápníku (CaSR)
- Stimulace sekrece:
- Glukokortikoidy
- CGRP
- Glukagon
- Enteroglukagon
- Gastrin
- Pentagastrin
- Pankreozymin
- β-sympatomimetika
- Inhibice sekrece - somatostatin
Funkce nejasná
Funkce
- Kostní tkáň
- inhibice motility a diferenciace osteoklastů
- Inhibice sekrece osteoklastů
- Inhibice ATPáz
- Ledviny
- Zvýšení exkrece Ca – inhibice resorpce (Ca2+ iontové
kanály – LS, Na+/Ca2+ - BM)
- Vývoj skeletu?
- Protekce skeletu během těhotenství?
Klinický význam
- Terapie osteoporózy
- Terapie Pagetovy choroby
- Léčba bolesti (kostní metastázy)
- ! Zvýšené riziko nádorových onemocnění
Vitamín D….hormon?...vitamín?
Charakteristika
- Přijímán v potravě nebo syntéza (UV)
- V krvi vazba na VDBP a albumin
- Velmi malá volná frakce 1,25(OH)2D – cca 0,4 %
PTH, prolaktin, kalcitonin, GH (+)
T3/T4, metabolická acidóza (-)
Ca, fosfáty, 1,25(OH)2D, FGF23 (-)
Ketokonazol
VDBP
Estrogeny (+)
1a-hydroxyláza
- Exprese v různých tkáních
- Keratinocyty
- Placenta
- Makrofágy
Rozdílná exprese 1a-hydroxylázy = lokální tkáňová
homeostáza
Různá míra
zpětnovazebné
regulace
chrupavka,tenké
střevo
Fyziologické účinky vitamínu D
VDR
- Vysoká afinita k 1,25(OH)2D
- Hladina cirkulujícího 1,25(OH)2D
- Heterotrimer s RXR – koaktivátory a korepresory
Negenomické účinky
- Rychlé zvýšení koncentrace intracelulárního Ca
- Aktivace PLC
- Otevření některých Ca iontových kanálů
- Nutná přítomnost VDR
Vitamín D a absorpce/reabsorpce Ca
- (+) CBP, AP, Ca2+/Mg2+-ATPáza
- (+) TRPV6 – absorpce (GIT)
- (+/-) TRPV5 – reabsorpce (ledviny)
- Kalbindin-9K
- 1,25(OH)2D-inducibilní ATP-dependentní Ca2+
pumpa
- Na+/Ca2+ exchanger
Příštítná tělíska
- Regulace genové exprese
- Regulace buněčné proliferace
- (-) transkripce PTH genu
Kosti a kostní tkáň
- (-) syntézy kolagenu
- (+) syntézy osteokalcinu
- (+) diferenciace osteoklastů – osteoklastogeneze
- (+) RANKL
- Hlavní funkce – zajištění stability kostního
mikroprostředí pro mineralizaci normalizovaným
příjmem a dostupností Ca a fosfátů
Svalová tkáň
- (+) uptake Aas
- (+) troponin C
- Metabolismus fosfolipidů
FGF23 – fibroblast growth factor 23
Klinický význam:
- Autosomálně dominantní hypofosfatemická
křivice (ADHR)
- Tumorem indukovaná osteomalacie (TIO)
- Mutace Klotho
- Predikce prognózy chronického selhání ledvin
Charakteristika
- Hormon kostní tkáně
Funkce
- udržování normofosfatémie a regulace
metabolismu vitamínu D
- Snížení exprese IIa, IIb, a IIc (NPT) – transport
fosfátu
- Zvýšení exprese 24-hydroxylázy – neaktivní forma
- Klotho = koreceptor, v cirkulující formě regulátor
sekrece FGF23
Regulace
- Dostupnost fosforu v potravě (-)
- Sérový fosfor
- 1,25(OH)2D
- železo
Homeostáza vápníku – stále jen zjednodušený model