Biochemiczne markery obrotu kostnego

Macierz kostna

(większość Ca i fosforu zawartego w organizmie)

• Osteoblasty

• Osteoklasty

Biorą udział w procesach przebudowy tkanki kostnej, jej tworzeniu oraz resorpcji

Osteoblasty

• pochodzą z prekusorów komórek podścieliska szpiku kostnego

• różnicowanie prekursorów w kierunku proosteoblastów stymulowane jest przez hormony

tarczycy, parathormon, hormon wzrostu, TGF-ß, IL-3, IL-1, IGF-1, IGF-2 oraz PDGF (płytkowy czynnik wzrostu)

• Przeobrażanie się prekursorów komórek podścieliska szpiku kostnego w proosteoblasty hamowane jest przez glikokortykosteroidy

• Dalsze dojrzewanie proosteoblastów w osteoblasty stymulowane przez akt.postać wit.D, PGE2, estrogeny oraz androgeny, dla których receptory znajdują się również na komórkach

• aktywacja osteoblastów przez swoiste receptory dla estrogenów powoduje zahamowanie produkowania przez osteoblasty cytokin (IL-6, IL-11), które pobudzają dojrzewanie i osteolitczne działanie osteoklastów

• są komórkami wytwarzającymi macierz kostną

• znajdują się na powierzchniach tkanki kostnej

Wytwarzają:

- kolagen typu I (85-90% macierzy organicznej)

- osteokalcynę - białko kostne GLA

- osteonektynę oraz osteospontynę

- proteoglikany, kostną sialoproteinę

- czynniki wzrostu

• Enzymem markerowym świadczącym o ich aktywności jest izooenzym kostny fosfatazy alkalicznej

• Największą aktywność tego enzymu stwierdza się w osteoblastach syntetyzujących macierz kostna, a także w wapniejącej chrząstce i zębinie

KOŚCI

• Pełnią w ludzkim organizmie funkcję podporową i ochronną dla miękkich tkanek organizmu, jednoczesnie stanowiąc wewnątrzustrojowy rezerwuar minerałów głównie wapnia i fosforu.

• Masa kostna organizmu jest determinowana przez toczące się w tkance kostnej dwa przeciwstawne procesy: kościotworzenia i resorpcji kostnej.

• Tempo przebudowy tkanki kostnej i zachowanie równowagi między przeciwstawnymi procesami

resorpcji i kościotworzenia jest zależne od aktualnych mechanicznych i metabolicznych potrzeb organizmu

Proces przebudowy tkanki kostnej nosi nazwę obrotu kostnego (bone turnover, remodelling)

Osteoklasty

• aktywność tych komórek wpływa na proces destrukcji kości i osteoporozę

prekursory wywodzą się z kolonii komórek dających początek linii granulocytów obojętnochłonnych i monocytów lub makrofagów

• dojrzewanie pobudzane jest przez akt postać witaminy D

• inhibitorami dojrzewania są TNF-ß, interfon, estrogeny

• parathormon, prostaglandyna E2 oraz akt postać wit. D podnoszą stężenie cAMP w osteoklastach,

co związane jest z ich aktywacją i osteolizą kości

• pobudzone przez PTH osteoblasty uwalniają IL-6, które działając parakrynnie pobudza dojrzałe

osteoklasty

• aktywność osteoklastów jest hamowana przez kalcytoninę, dla której wykazano istnienie specyficznych receptorów na błonie komórkowej osteoklasta

• są dużymi komórkami zlokalizowanymi na umineralizowanej powierzchni tkanki kostnej w miejscach odbywającej się resorpcji

• zawierają duże ilości mitochondriów

• wytwarzają duże ilości cytrynianów, odgrywających rolę w rozpuszczaniu substancji mineralnej podczas procesu resorpcji

Osteocyty

• powstają z osteoblasty podczas tworzenia macierzy kostnej

• znajdują się w jamkach kostnych, skąd ich wypustki o dłg. około 100 mm wychodzą przez kanaliki do otaczającej tkanki kostnej, by tam połączyć się podobnymi wypustkami sąsiednich osteocytów lub osteoblastów

Macierz kostna

• dojrzała zmineralizowana kość zawiera: 65-75% wagowych fosforanu wapniowego, pozostałe 25-35% przypada na podłoże organiczne

• wapń tworzy razem z fosforanem strukturę krystaliczną zwaną hydroksyapatytem

• metabolizm tej soli zachodzi wewnątrz kości przy udziale osteoklastów, które są zdolne do jej rozkładu i uwalniania wapnia i fosforanów w postaci zjonizowanej do płynu międzykomórkowego

• 95% całości podłoża organicznego kości stanowi kolagen

• zawiera duże ilości prekursorów (formy latentne) czynników wzrostu (TGF-beta, IGF-1, IGF-2)

- zniszczenie ich przez toczący się proces zapalny (uwalniane proteazy makrofagów leukocytów wielojadrzastych) hamuje odtwarzanie masy kostnej

Cykl przebudowy tkanki kostnej składa się z następujących po sobie 2 przeciwstawnych procesów:

1. Resorpcja (domena osteoklastów),

- trwa krótko (kilka dni)

- markery intensywniej uwalniane w stosunkowo dużych ilościaciach tworzenie (kilkanaście tygodni)

- markery uwalniane w małych ilościach

2. Kościotworzenie

W początkowym okresie tworzenia i wzrostu szkieletu modelowanie jest przyspieszone a kościotworzenie przeważa nad resorpcją.

Biochemiczne wskaźniki przebudowy kostnej

- enzymy syntetyzowane przez osteoblasty i osteoklasty

- prekursory kolagenu typu I

- produkty uboczne syntezy kolagenu

- produkty degradacji kolagenu

w niedalekiej przyszłości :

- czynniki aktywacji

- cytokiny i receptory odgrywające kluczową rolę w metabolizmie komórek kostnych (RANK-RANKL-OPG)

Spośród wskaźników resorpcji :
beta-CTx, NTx , TRAP 5b cechujące się istotnym wzrostem wartości u kobiet po menopauzie, są czułymi wskaźnikami w ocenie tempa przebudowy i w monitorowaniu terapii

Wskaźniki tworzenia kości/ przebudowy kości

• Osteokalcyna- w surowicy (intact); uwalnia się też podczas procesu resorpcji - w moczu (mid i inne mniejsze fragmenty)

• BALP - czuły marker nasilenia obrotu kostnego w okresie peri- i pomenopauzalnym

• PINP - czuły wskaźnik nasilenia obrotu w okresie pomenopauzalnym

Wszystkie markery mają wysoką skuteczność w ocenie efektów terapii HTZ, bisfosfonianami i SERM

Zaleca się oznaczanie wskaźników resorpcji najwcześniej po 3-6 miesiącach, a wskaźników tworzenia najwcześniej po 6-12 miesiącach od rozpoczęcia leczenia.

Wapń i fosforany

• odgrywają istotną rolę w strukturze oraz funkcjonowaniu układu kostnego, w funkcjonowaniu błon komórkowych, w aktywacji enzymów włączonych w procesy:

regulacji genetycznej,

pracy mięśni

wydatkowania energetycznego

• Parathyroid hormone (PTH) i witamina D regulują dystrybucję tych jonów z udziałem kośca, tkanek oraz płynów pozakomórkowych ECFs .

Dystrybucja wapnia w komórkach i we krwi

၀ 99 % wapnia w organizmie znajduje się w kościach

jako hydroksyapatyt ( kompleks - wapń i fosforany )

• 1 % we krwi i pozostałych płynach ECF

Wapń we krwi

~ 45 % krążący w postaci wolnych jonów,

~ 40 % związany z białkami - głównie albuminy

~ 15 % związany z HCO3ၠ ,

fosforanami

mleczanami

pH krwi jest czynnikiem regulującym wiązanie wapnia z białkami

oraz występowanie w postaci wolnej

Równowaga wapniowa: postać związana z białkami ( 40% ) ,

komleks ( 15% ) oraz postać zjonizowana ( 45% )

Regulacja kalcemi

1. wchłanianie z przewodu pokarmowego

2.   wydalanie z moczem

3.   odkładanie lub uruchomienie wapnia w koścu

Receptor wapniowy (CaR)

- mózg, gruczoły przytarczyczne, nerki

• nadrodzina receptorów sprzężonych z białkiem G

- domena pozakomórkowa 612 aa

- ligandami są Ca, Mg, neomycyna

• związanie jonu Ca z receptorem prowadzi do zwiększenia IP3, a następnie do uwolnienia wapnia z magazynów sródkomórkowych oraz do zwiększonego napływu wapnia z przestrzeni pozakomórkowej do śródkomórkowej

• największa ekspresja CaR w korowym grubym odcinku ramienia wstępującego pętli Henlego, w kanaliku krętym dalszym i całym kanaliku zbiorczym

• aktywacja CaR zachodzi pod wpływem wzrostu stężenia Ca2+ (i Mg2+) w płynie kanalikowym (zmniejszenie resorpcji tych jonów i wzmożone ich wydalanie z moczem). Jednocześnie aktywacja receptora prowadzi do zmniejszenia resorpcji NaCl przez kanalik dalszy oraz do zmniejszenia

przepuszczalności kanalika dalszego dla wody (zmniejszenie efektu wazopresyny)

- czynność CaR jest samoregulująca (zależne od Ca2+ i Mg2+) w płynie kanalikowym

Regulacja stężenia wapnia we krwi

1. Parathyroid hormone PTH

2. Witamina D 1,25 ( OH )2 wit. D3

3. Kalcytonina

Witamina D

Krążąca nieaktywna postać D3 w wątrobie podlega przemianie 25-hydroxycholecalciferol (25-OH-D3 )

aktywowany w nerkach do postaci 1,25-dihydroxycholecalciferol (1,25-(OH)2 -D3 ) :

• wzrost absorbcji wapnia i fosforanów w jelitach,

• wzmaga efekt of PTH na resorpcję w kośćcu,

• reguluje uwalnianie PTH poprzez specyficzne receptory dla 1,25-(OH)2-D3 w gruczołach przytarczycznych

Kalcytonina

(syntetyzowana przez komórki rdzenia gruczołu tarczowego)

↓

hamuje działanie PTH i witaminy D w kośćcu

Wapń - zmniejsza stężenie

Kalcyuria - odkładanie wapnia w kośćcu

Hormon	Kości	Nerki	Jelita
PTH	↑ Resorpcji Ca^2+ ↑ Resorpcji PO4^3-	↑Resorpcji zwrotnej PO4^3- ↓Resorpcji zwrotnej PO4^3-	↑wchłaniania Ca^2+ ↑wchłaniania Mg^2+ ↑wchłaniania PO4^3-
Witamina D3	↑Resorpcji Ca^2+ ↑Resorpcji PO4^3-	↑Resorpcji zwrotnej Ca^2+ ↑Resorpcji zwrotnej PO4^3-	↑wchłaniania PO4^3- ↑wchłaniania Mg^2+ ↑wchłaniania PO4^3-
Kalcytonina	↓Resorpcji Ca^2+ ↓ Resorpcji PO4^3-	↓Resorpcji zwrotnej Ca^2+ ↓Resorpcji zwrotnej PO4^3-	Nie wpływa

Biochemiczne wskaźniki przebudowy kostnej:

- enzymy syntetyzowane przez osteoblasty i osteoklasty

- prekursory kolagenu typu I

- produkty uboczne syntezy kolagenu

- produkty degradacji kolagenu

Kolagen typu I

• główny składnik macierzy kostnej

• niewielkie ilości w pozostałych tkankach

• syntetyzowany przez osteoblasty w formie preprokolagenu, który ma strukturę potrójnej helisy

• 3 łańcuchy polipeptydowe preprokolagenu tworzą prawoskrętny superheliks - tropokolagen

Preprokolagen charakteryzuje się posiadaniem krótkiej sekwencji sygnałowej oraz zlokalizowanych na obu jego końcach peptydów wydłużających:

• N -końcowego peptydu prokolagenu I (PINP)

• C -końcowego peptydu prokolagenu I (PICP)

Markery kościotworzenia	Markery resorpcji kości
Frakcja kostna alkalicznej fosfatazy (b-ALP) Osteokalcyna (OC, BGP) C-końcowy propeptyd prokalogenu typu 1 (PICP) N-końcowy propeptyd prokolagenu typu 1 (PINP)	Hydroksyprolina (OHP) Winianooporna kwaśna fosfataza (TRAP) Glikozydy Hydrokcylizylowe (GGHL, GHL) Karboksyterminalny telopeptyd kolageny typu 1(ICTP) Pirydynolina i dezoksypirydynolina (Pyd, Dpd) N-końcowy usieciowany telopeptyd łańcucha α kolagenu typu 1 (Ntx) C-końcowy usieciowany telopeptyd łańcucha α kolagenu typu 1 (Ctx) Sjaloproteina kostna (BSP)

Frakcja kostna fosfatazy alkalicznej

• prowadzi do rozkładu pirofosforanu, będącego potencjalnym inhibitorem odkładania się fosfranów wapnia w przestrzeni pozakomórkowej

• jest wskaźnikiem aktywności procesu tworzenia kości

• wszystkie oznaczenia b-ALP wykonywane są w surowicy

Osteokalcyna - białko kostne GLA

• charakterystyczną cechą jest występowanie 3 reszt kwasu gamma- karboksyglutaminowego, odpowiedzialnych za wiązanie wapnia

• substancja aktywna w organizacji zewnątrzkomórkowego matriks poprzez domeny posiadające możliwość wiązania się z innymi komórkami, np.: receptorami powierzchniowymi komórek

• OC ulega w surowicy gwałtownej degradacji, z wytworzeniem produktów i-OC i f-OC

• heterogenność fragmentów OC jest powodem ograniczeń w zastosowaniu

• eliminowana jest przez nerki

• wykazuje zmienność okołodobową

Propeptydy prokolagenu typu I

N -końcowy peptyd prokolagenu I (PINP)

- masa cząsteczkowa 70 kDa

• przydatny w monitorowaniu przerzutów raka piersi do kości

- dobry wskaźnik skuteczności leczenia antyresorpcyjnego

C-końcowego peptydu prokolagenu I (PICP)

• masa cząsteczkowa 115 kDa

• czas przebywania w surowicy 6-8 min.

• dobra korelacja z tempem kościotworzenia oraz całkowitą aktywnością ALP

Hydroksyprolina (OHP)

• tworzona wewnątzrkomórkowo w procesie hydroksylacji proliny

• reprezentuje 12-14% składu aminokwasów dojrzałego kolagenu

• w 90% uwalniana w procesie degradacji kolagenu (metabolizm w wątrobie)

• ok. 10% hydroksyproliny wydalana jest z moczem

• OHP obecna w moczu uważana jest za wskaźnik resorpcji kostnej, mimo że znaczne jej ilości mogą

pochodzić z nowo syntetyzowanego kolagenu

• oznaczenia prowadzone po kliku dniach diety pozbawionej hydroksyproliny

• niespecyficzny wskaźnik procesów resorpcji kostnej

Hydroksypirydynowe wiązania sieciujące

Pirydynolina (Pyd)

Dezoksypirydynolina (DPD)

• tworzą się w procesie zewnątrzkomórkowego dojrzewania kolagenu i odpowiedzialne są za mechaniczną stabilność cząsteczki kolagenu

• można oznaczać w moczu

• Pyd występuje w kości, chrząstce, ścięgnach

• Dpd jest ograniczona wyłącznie do kości

• metoda referencyja - HPLC

• do oznaczeń poranna porcja moczu, przechowywać długo w temp. -200, a w temperaturze pokojowej do 7 dni

• użyteczne wskaźniki resorpcji kostnej o wysokiej wartości diagnostycznej

• wyniki przeliczane na st-ężenie kreatyniny Pyd/kreatynina i Dpd/ kreatynina

Usieciowane telopeptydy kolagenu typu I

1. C- końcowy usieciowany telopeptyd kolagenu typu I (Ctx)

• stężenie nie wzrasta w chorobie Pageta

• zwiększenie stężenia u pacjentów z osteoporozą otrzymujących sterydy anaboliczne

• oznaczenia w movczu korelują z ryzykiem złamań nasady bliższej kości udowej

• jest dobrym markerem obrotu kostnego u rosnących dzieci (lepszym niż Pyd i Dpd)

2. N - końcowy usieciowany telopeptyd kolagenu typu I (Ntx)

czuły marker w monitorowaniu leczenia antyresorpcyjnego osteoporozy, choroby Pageta oraz w monitorowaniu terapii estrogenowej

• odzwierciedla nasilenie procesów resorpcji w okresie dziecięcym

• jest najlepszym czynnikiem predykcyjnym w ocenie przerzutów nowotworowych do kości

3. Karboksyterminalny telopeptyd kolagenu typu I (ICTP)

Sialoproteina kostna BSP

• fosforylowana glikoproteina o masie 70-80 kDa

• stanowi 5-10% niekolagenowej macierzy kostnej

• syntetyzowana przez osteoblasty i odontoblasty, ale obecna jest również w liniach pochodzenia osteoklastycznego

• odgrywa istotną rolę w procesach adherencyjnych oraz w molekularnej organizacji zewnątrzkomórkowej matriks zmineralizowanych tkanek

Stężenie BSP w surowicy wzrasta:

- w osteoporozie

• w nadczynności przytarczyc

• chorobie Pageta

• przerzutach nowotworowych

• szpiczaku mnogim

---