Wykład 2

Dr Agnieszka Jaźwa agnieszka.jazwa@uj.edu.pl

Zaburzenia gospodarki wapniowo-fosforanowo-magnezowej. Choroby układu kostnego.

Bilans wapnia w organizmie

W organizmie dorosłego człowieka znajduje się ok. 25 moli wapnia (ok. 1 kg), z czego 99% zgromadzone jest w kościach.

Wapń i fosfor w postaci hydroksyapatytu stanowią mineralną część budulcową kości.

Wapń występuje też w środowisku pozakomórkowym w postaci dwuwartościowych kationów (wapń zjonizowany – Ca2+): 1) wolnych (46%) 2) związanych z ujemnie

naładowanymi białkami, głównie albuminą (44%)

3) w postaci kompleksów z anionami organicznymi – cytrynianowym i fosforanowym (10%)

Szutowicz i Raszeja-Specht, Diagnostyka laboratoryjna, Tom I, GUM, 2009

W warunkach obniżonej podaży wapnia ilość wydzielana przez przewód pokarmowy może przewyższać ilość wchłanianą -> niedobór wapnia w organizmie.

Filtracja w kłębkach nerkowych

Resorpcja zwrotna wapnia w nerkach

http://basic-clinical-pharmacology.net/chapter%2015_%20diuretic%20agents.htm

TRPV5

TRPV5- ang. transient receptor potential vanilloid 5

Obieg wapnia w organizmie jest kontrolowany przez parathormon (PTH) produkowany przez przytarczyce i witaminę D.

Hormonalna regulacja poziomu wapnia w organizmie

http://www.wellsphere.com/eating-disorders-article/calcium-needs-after-wls/226661

Uwalnia wapń

Zwiększa produkcję kalcitriolu Zmniejsza wydalanie wapnia z moczem

Zwiększa wchłanianie wapnia z pokarmu

Ca2+

Ca2+

Synteza i metabolizm witaminy D i jej rola w regulacji stężenia wapnia i fosforu oraz budowie kości

W skórze (głównie w keratynocytach warstwy rozrodczej), pod wpływem światła słonecznego (promienie UVB) 7-dehydrocholesterol ulega nieenzymatycznej fotoizomeryzacji do prewitaminy D, która pod działaniem energii cieplnej ciała przekształcona zostaje w ciągu kilku godzin w witaminę D3 (cholekalcyferol).

W połączeniu z odpowiednim białkiem wiążącym witamina D transportowana jest ze skóry do wątroby, gdzie zachodzi pierwszy etap biosyntezy aktywnej postaci witaminy D. Po enzymatycznej hydroksylacji przy węglu C-25 powstaje witamina 25-(OH)D (kalcydiol).

25-(OH)D przekazywana jest, także w połączeniu z białkiem wiążącym witaminę D, z wątroby do nerek, gdzie przez działanie enzymu 1α-hydroksylazy dochodzi do powstawania aktywnej formy witaminy D – 1,25-(OH)2D (głównie 1,25-(OH)2D3 – kalcytriol).

Wapń, fosfor, FGF-23 i inne związki we krwi mogą wpływać na nerkową produkcję 1,25-(OH)2D3.

1,25-(OH)2D3 może obniżać własne stężenie poprzez wpływ na produkcję PTH przez przytarczyce (negatywne sprzężenie zwrotne).

Rola wapnia w organizmie

Jony wapnia biorą udział 1) w procesie krzepnięcia krwi, 2) pobudliwości nerwowo-mięśniowej, 3) kurczliwości mięśni szkieletowych, mięśnia

sercowego i mięśni gładkich naczyń (wazokonstrykcja i wazodylatacja naczyń krwionośnych)

4) w wielu procesach komórkowych (rola drugiego przekaźnika - przepuszczalność błon plazmatycznych, sekrecja hormonów, np. insuliny).

Nieprawidłowy poziom wapnia w surowicy jest zazwyczaj spowodowany schorzeniami tarczycy lub przytarczyc, zaburzeniami metabolizmu witaminy D lub ostrym zapaleniem trzustki.

Podstawowe badania laboratoryjne w diagnostyce zaburzeń gospodarki wapniowej

Szutowicz i Raszeja-Specht, Diagnostyka laboratoryjna, Tom I, GUM, 2009

Wpływ zmian stężenia białek we krwi na stężenie wapnia całkowitego

Szutowicz i Raszeja-Specht, Diagnostyka laboratoryjna, Tom I, GUM, 2009

Wyliczenie tzw. wapnia skorygowanego (Ca-kor) pomaga w ocenie kalcemii w stanach hipoalbuminemii:

Interpretując wynik należy wziąć pod uwagę, że zmiany stężenia białka (przede wszystkim albuminy) wpływają na zmiany stężenia wapnia całkowitego, nie zmieniając przy tym stężenia fizjologicznie istotnego wolnego jonu wapniowego. Hipoalbuminemia jest jedną z najczęstszych przyczyn stwierdzania obniżonego poziomu wapnia we krwi (tzw. pozornej hipokalcemii).

Wzrost lub spadek pH powodują odpowiednio wzrost i spadek wiązania jonu wapniowego przez białka.

OPG - osteoprotegeryna RANKL (ang. Receptor Activator for Nuclear Factor κ B Ligand = ligand receptora aktywującego czynnik jądrowy κ B) RANK (ang. Receptor Activator for Nuclear Factor κ B = receptor aktywujący czynnik jądrowy κ B)

Regulacja hormonalna przebudowy kości

Procesy resorpcji kości Procesy budowy kości

Boyle et al., Nature, 2003

Hiperkalcemia nowotworowa

Hiperkalcemie nowotworowe stanowią ok. 50-70% wszystkich stwierdzanych hiperkalcemii. Najczęściej w raku piersi, szpiczaku mnogim, raku nerki, raku płaskonabłonkowym płuc. Choroba spowodowana jest wydzielaniem przez komórki nowotworowe czynników powodujących mobilizację wapnia z kości, tj. białko spokrewnione z PTH (ang. PTH-related protein, PTHrP), czy 1,25-(OH)2D3 .

OSTEOLIZA W KOŚCI

Mundy & Edwards, J Am Soc Neprol, 2008

Przerzuty nowotworów do kości są drugą główną przyczyną hiperkalcemii nowotworowej. Wydzielanie PTH przez przytarczyce jest zahamowane.

PTHrp -> Ca -> PTH we krwi hamowanie

wydzielania

Nadczynność przytarczyc

pierwotna

nienaturalny rozrost (ok. 15% przypadków) gruczolaki (pojedyncze - 85% lub mnogie - 5%) przytarczyc (najczęściej) rak przytarczyc (sporadycznie – ok. 0,5% przypadków)

PTH -> Ca we krwi

zmiany kostne – osteoporoza (na skutek utraty wapnia z kości = resorpcja kości)

wtórna przewlekła niewydolność nerek (PNN) - zaburzenia wydalania fosforanów -> przewlekle niskie stężenie wapnia w surowicy

Ca -> PTH -> Ca we krwi we krwi

Kliniczne objawy hiperkalcemii

Szutowicz i Raszeja-Specht, Diagnostyka laboratoryjna, Tom I, GUM, 2009 – zmodyfikowano

, zapalenie trzustki, owrzodzenie błony śluzowej żołądka

nadciśnienie tętnicze

Leczenie pierwotnej nadczynności przytarczyc

Leczenie operacyjne - usunięcie chorobowo zmienionych gruczołów (paratyroidektomia) powoduje trwałe ustąpienie choroby. Przytarczyce nie u każdej osoby są zlokalizowane w tym samym miejscu, więc przed usunięciem potrzebne są zazwyczaj badania obrazowe (RTG, scyntygrafia, USG, TK).

Leczenie farmakologiczne - kalcymimetyki (np. chlorowodorek cynakalcetu) - wybiórcze blokowanie wydzielania PTH przez komórki przytarczyc wskutek agonistycznego wpływu na receptor wapniowy na powierzchni tych komórek. W efekcie prowadzi to do obniżenia stężenia wapnia i fosforu w surowicy. Chory wymaga jednak leczenia przez całe życie nie dowiedziono bowiem regresji guzków przytarczyc wydzielających PTH w czasie podawania tego leku. Stosowany również w leczeniu wtórnej nadczynności przytarczyc.

Rola fosforu w organizmie

W organizmie dorosłego człowieka znajduje się ok. 19 moli fosforu (ok. 600 g), z czego 85% zgromadzone jest w kościach, 14% w tkankach miękkich i 1% w płynie pozakomórkowym.

Fosfor występuje we wszystkich komórkach jako składnik kwasów nukleinowych, fosfolipidów i fosfoprotein. Wraz z wapniem fosfor stanowi mineralną część budulcową kości - hydroksyapatyt.

Fosfor ma ogromne znaczenie dla wewnątrzkomórkowych przemian energetycznych i przechowywania energii (ATP, fosforan kreatyny), a także bierze udział w metabolizmie węglowodanów.

We krwi występuje w postaci mieszaniny nieorganicznych fosforanów HPO42- i H2PO4

-.

Poziom fosforu i jego zmiany są w organizmie kontrolowane przez PTH i witaminę D.

Nieprawidłowy poziom fosforu we krwi jest najczęściej wynikiem schorzeń przytarczyc lub nerek oraz zaburzeń metabolizmu witaminy D.

Amanzadeh & Reilly Jr, Nature Clinical Practice Nephrology, 2006

Bilans fosforu w organizmie

Większość fosforanów (70%) wchłania się poprzez pasywną dyfuzję, zatem ilość wchłaniana rośne wraz ze wzrostem zawartości fosforanów w diecie. Część fosforanów wchłania się też na drodze zależnej od 1,25(OH)2D3 (w przypadku niedoboru fosforanów -> wzrost syntezy 1,25(OH)2D3 i zwiększenie wchłaniania fosforanów z przewodu pokarmowego).

Wydalanie fosforanów z moczem stanowi główny mechanizm regulacji ich stężenia we krwi. Ok. 75% przefiltrowanych fosforanów ulega resorpcji zwrotnej w kanalikach proksymalnych, 5-25% jest resorbowanych w dalszych odcinkach nefronu.

Resorpcja zwrotna fosforanów w nerkach

Krew Światło kanalika nerkowego

http://www.endotext.org/parathyroid/parathyroid10/parathyroid10.htm

PTH -> HPO4- i HPO4

2- resorpcji w nerkach

R PTH

Hipofosfatemia może być wynikiem 1) zmniejszonego spożycia/absorpcji fosforanów w jelitach 2) redystrybucji z przestrzeni zewnątrzkomórkowej do przestrzeni wewnątrzkomórkowej 3) zwiększonego wydalania

Dożylne podanie fosforanów (0,08-0,16 mmol/kg przez 2-6 h) jest konieczne tylko w przypadku bardzo ciężkiej hipofosfatemii.

Nieleczona hipofosfatemia (<1,0 mg/dl = 0,32 mmol/l) może prowadzić do hemolizy, rabdomiolizy, niewydolności oddechowej i dysfunkcji lewej komory serca.

Przyczyny i konsekwencje hipofosfatemii

Szutowicz i Raszeja-Specht, Diagnostyka laboratoryjna, Tom I, GUM, 2009

Przyczyny i konsekwencje hipofosfatemii

Felsenfeld & Levine, Am J Kidney Dis, 2012

Przyczyny i konsekwencje hiperfosfatemii

W przewlekłej hiperfosfatemii (np. u chorych z PNN) dochodzi do odkładania się soli wapnia w skórze, naczyniach krwionośnych, spojówkach, mięśniu sercowym. Nagły wzrost stężenia fosforanów (np. u niemowląt karmionych krowim mlekiem) powoduje szybki spadek stężenia jonów wapniowych (w wyniku tworzenia kompleksów Ca3(PO4)2) i może skutkować wystąpieniem tężyczki (nadmierny skurcz mięśni).

-ONN i PNN Hiperfosfatemia powstaje na skutek: 1) zmniejszone

wydalanie przez nerki 2) redystrybucja z

przestrzeni wewnątrzkomórkowej do przestrzeni zewnątrzkomórkowej

3) wzmożone wchłanianie z przewodu pokarmowego

Szutowicz i Raszeja-Specht, Diagnostyka laboratoryjna, Tom I, GUM, 2009

Rola magnezu w organizmie

W organizmie dorosłego człowieka znajduje się ok. 1 mol magnezu (ok. 25 g).

Pod względem ilościowym magnez jest drugim (po potasie ) kationem wewnątrzkomórkowym.

Magnez zawarty jest głównie w kościach (ok. 55%), natomiast 45% występuje wewnątrz komórek innych tkanek, a 1% w płynie pozakomórkowym.

Wewnątrz komórek jony magnezu pełnią funkcję kofaktorów ponad 300 enzymów m.in. cyklazy adenylowej, kinazy kreatynowej, fosfofruktokinazy i wielu innych białek zaangażowanych w syntezę kwasów nukleinowych, transport przez błony i wytwarzanie energii. Wszystkie reakcje z udziałem ATP przebiegają w obecności jonów magnezu.

W płynie pozakomórkowym uczestniczą w pobudzaniu i przewodnictwie nerwowo-mięśniowym. Ok. 55% występuje tu w postaci biologicznie aktywnych wolnych jonów magnezowych (Mg2+) , 30% związane jest z białkami (głównie z albuminą), a 15% występuje w postaci kompleksów z anionami nieorganicznymi.

Obniżony poziom magnezu jest często powodem zaburzeń koncentracji, zmęczenia, stanów lękowych i drżenia mięśni.

Homeostaza magnezu w organizmie

Wyskida et al., Nefrol Dial Pol, 2008

W badaniach u myszy wykazano, że ekspresja TRPM6 w jelicie wzrasta proporcjonalnie do wzrostu zawartości magnezu w pożywieniu.

Ekspresja TRPM6 w przewodzie pokarmowym jest niezależna od mechanizmów regulowanych przez witaminę D3 lub PTH.

Wykazano również, że wchłanianie magnezu upośledzają wolne kwasy tłuszczowe, wapń i fosforany nieorganiczne.

Przy znacznej hipermagnezemii nerki mogą wydalać nawet 70% przefiltrowanego ładunku, natomiast w stanach niedoboru magnezu wydalanie z moczem zmniejsza się nawet do wartości 0,5%.

Resorpcja zwrotna magnezu w nerkach

Thebault et al., , Adv Chronic Kidney Dis, 2006

TRPM6 – ang. transient receptor potential melastatin 6

PTH, wit. D

?

+

+

Przyczyny hipomagnezemii

Szutowicz i Raszeja-Specht, Diagnostyka laboratoryjna, Tom I, GUM, 2009

Przyczyny i konsekwencje hipermagnezemii

Szutowicz i Raszeja-Specht, Diagnostyka laboratoryjna, Tom I, GUM, 2009

w EKG

Oznaczanie stężenia wapnia, magnezu fosforanów i PTH we krwi

Krew na badanie wapnia, magnezu i fosforanów należy pobrać ‘na skrzep’ (surowica) lub na heparynę (!) ponieważ EDTA i związki chelatujące (np. cytrynian) zaniżają stężenie wapnia i magnezu całkowitego i zjonizowanego oraz interferują w oznaczenie fosforanów.

Większość metod umożliwia oznaczenie wapnia i magnezu całkowitego. Istnieje możliwość oznaczenia zjonizowanego wapnia i magnezu za pomocą elektrod jonoselektywnych.

Prawidłowa laktacja może wiązać się z utratą około 300–400 mg wapnia/litr pokarmu. PTH należy oznaczać w surowicy krwi zawsze po godz. 10 rano ze względu na rytm dobowy wydzielania PTH.

Osteoporoza - choroba metaboliczna kości charakteryzująca się: - zmniejszoną masą zmineralizowaną kości - zaburzoną mikroarchitekturą kości - zwiększoną podatnością kości na złamania Rozpoznanie: - RTG - bioptat kości - badania laboratoryjne

Osteoporoza

Obraz kręgosłupa w badaniu rentgenowskim

Osteoporoza

Przyczyny: -zaburzenia hormonalne i metaboliczne (hipogonadyzm, zespół Cushinga, nadczynność przytarczyc, nadczynność tarczycy, akromegalia, inne) - niedobory żywieniowe (niedostateczna podaż, zaburzenia wchłaniania) - choroby szpiku, choroby limfoproliferacyjne - choroby nerek (niewydolność nerek, osteodystrofia nerkowa, kwasica cewkowa) - choroby tkanki łącznej (zespół Marfana, osteogenesis imperfecta, homocystynuria) - brak przyciągania grawitacyjnego (lot kosmiczny) - unieruchomienie, ciąża, okres karmienia piersią - zażywanie leków

Osteoporoza polekowa

Osteoporozy polekowe wywołane są przewlekłym przyjmowaniem leków, np. - leków immunosupresyjnych - glikokortykosteroidów - cytostatyków (zaburzają cykl komórkowy i powodują śmierć komórki - leki

przeciwnowotworowe) - inhibitorów pompy protonowej (hamują wytwarzanie kwasu solnego w żołądku –

leczenie choroby wrzodowej żołądka - niektórych leków przeciwpadaczkowych - diuretyków (leki moczopędne zwiększają wydalanie wody z organizmu – leczenie

nadciśnienia tętniczego, obrzęków, zatruć) Są to tzw. osteoporozy jatrogenne - leczenie choroby podstawowej wywołuje kolejną chorobę (w tym wypadku osteoporozę), bo przyjmowane leki negatywnie działają na inne komórki/narządy (w tym wypadku na metabolizm kości).

Wpływ inhibitorów kalcyneuryny na gospodarkę magnezową

Inhibitory kalcyneuryny tj.: cyklosporyna A i takrolimus (FK-506) są lekami immunosupresyjnymi stosowanymi u chorych po przeszczepieniu narządów miąższowych, po allogenicznym przeszczepieniu szpiku w leczeniu reakcji przeszczep przeciw biorcy oraz w atopowym zapaleniu skóry (AZS).

Leki te poprzez wpływ na ekspresję białka warunkującego proces resorpcji magnezu w cewce nerkowej (TRPM6) hamują resorpcję magnezu w cewkach nerkowych, powodując wystąpienie hipomagnezemii . Zmniejszona ekspresja białka TRPM6 w cewce nerkowej jest bowiem bezpośrednią przyczyną hipermagnezurii (zwiększonego wydalania magnezu z moczem).

Leki te wydają się nie mieć wpływu na ekspresję TRPM6 w przewodzie pokarmowym.

Leczenie: odpowiednia suplementacja magnezu w diecie.

Glikokortykosteroidy

Glikokortykosteroidy, potocznie nazywane steroidami lub sterydami, są hormonami naturalnie produkowanymi w korze nadnerczy pod wpływem hormonu adrenokortykotropowego (ACTH, kotrykotropina) produkowanego w przysadce mózgowej.

Wpływają na różne procesy metaboliczne, obronne oraz wydzielanie innych hormonów i są niezbędne do życia.

Na wzór naturalnych hormonów stworzono grupę leków glikokortykosteroidów (GKS), będących pochodną chemiczną naturalnego hormonu człowieka; kortyzolu.

Kortyzol

Dzięki silnemu działaniu przeciwzapalnemu i immunosupresyjnemu glikokortykosteroidy są powszechnie stosowane w różnych działach współczesnej medycyny. Zajmują m.in. czołowe miejsce w leczeniu astmy oskrzelowej.

Przeciwzapalne działanie glikokortykosteroidów

http://doctorstevesbanjo.com/nfkappab/

Zahamowanie syntezy wielu cytokin prozapalnych (m.in. IL-1, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-8, TNF-α i GM-CSF) oraz ekspresji cząsteczek adhezyjnych.

GKS wziewne: np. budezonid, flutykazon.

GKS stosowane ogólnie: np. deksametazon, hydrokortyzon, prednizon – szereg działań niepożądanych.

Osteoporoza posteroidowa

Glikokortykosteroidy stosowane przewlekle, doustnie > 3 miesięcy

reabsorbcji Ca w cewkach nerkowych

wchłaniania Ca w przewodzie pokarmowym

PTH (wtórna nadczynność przytarczyc)

procesów kościogubnych

zaburzenia funkcji pre- i osteoblasta,

osteoklasta IGF-1, IGF-2, TGF-β,

syntezy kolagenu

zaburzenia hormonalne poziomu estrogenów poziomu androgenów

poziomu hormonu wzrostu (GH)

procesów kościotwórczych

Niefarmakologiczne: - Dieta (podaż wapnia: 1000-1500 mg/dzień, witaminy D – 800 IU/d) - Wysiłek fizyczny: co najmniej 30 min 3 x w tyg. - Zaprzestanie palenia tytoniu - Unikanie leków zwiększajacych ubytek masy kostnej Farmakologiczne: - Preparaty wapnia - Witamina D - Bisfosfoniany - analogi pirofosforanu, wykazują duże powinowactwo do wapnia dlatego odkładają się w kościach. Hamują kalcyfikację oraz resorpcję kości zależną od osteoklastów. Nie hamują działania osteoblastów, a prawdopodobnie nawet je pobudzają. - Kalcytonina łososiowa - silniejsze i bardziej długotrwałe działanie niż ludzka - Hormonalna terapia zastępcza (HTZ) - bywa zalecana w przypadkach hipogonadyzmu u kobiet przed menopauzą i krótko po menopauzie oraz u mężczyzn z obniżonym stężeniem testosteronu. - PTH – rekombinowane ludzkie białko

Leczenie osteoporozy

Tworzywa hydroksyapatytowe

Hydroksyapatyt (HAp), Ca10(PO4)6(OH)2, jest związkiem chemicznie i mineralogicznie podobnym do substancji nieorganicznych budujących tkankę kostną i zęby człowieka.

Z tego powodu ceramika hydroksyapatytowa charakteryzuje się najlepszą wśród ceramicznych materiałów implantacyjnych bioaktywnością, osteoindukcyjnością i biozgodnością.

Materiał porowaty jest stopniowo zastępowany przez regenerującą się kość, co sprawia, że proces regeneracji przebiega jak po wszczepieniu autogennej kości gąbczastej – zachodzi jednoczesna eliminacja implantu przez osteoklasty oraz mineralizacja nowej tkanki kostnej.

Słabe właściwości mechaniczne tworzyw hydroksy- apatytowych ograniczają ich medyczne zastosowania do obszarów ciała człowieka, nieprzenoszących znacznych obciążeń, np. młoteczek ucha środkowego.

Aby poszerzyć obszary zastosowań HAp, wielu badaczy próbuje polepszyć jego wytrzymałość mechaniczną i odporność na pękanie (np. poprzez dodatek Al2O3 lub połączenia z nanorurkami węglowymi – carbon nanotubes, CNTs).

Joschek et al., Biomaterials, 2000

Do przygotowania na najbliższe ćwiczenia

Diagnostyka cukrzycy: 1) Oznaczanie glukozy metodą enzymatyczną – reakcja z oksydazą glukozową

2) Oznaczanie insuliny metodą ELISA – zasada metody

3) Doustny test tolerancji glukozy (DTTG) – standardy wykonania, znaczenie

diagnostyczne