Řízení metabolismu vápníku.
Endokrinní pankreas.
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 význam HCl
- Signalizace spojená s produkcí
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 a jejich role v paracelulárním
transportu
Transcelulární
- TRPV6 a asociované proteiny
- Recyklace TRPV6
- Alternativní mechanismy?
VitamínD
Glukokortikoidy Estradiol Prolaktin
+ +-
Adaptační mechanismy na množství Ca v potravě
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
Hořčík
Krev
- 0.7 – 1 mM
- Cca 30 % v komplexech s proteiny
- 15 % v komplexech s fosfáty a
nízkomolekulárními anionty
- 55 % volných
Distribuce
- 1 mol - kosti cca 54 %, svaly a měkké
tkáně cca 56 %
- ECF – 0.5 mM
Buňka
- 95 % v podobě ATP a další podobné
molekuly
- Koncentrace 0.5 mM
- Iontové kanály?
Funkce
- Kofaktor (glykolytické, kinázové
a fosfatázové systémy)
- Stabilizační funkce (DNA, RNA,
ribozomy)
- Aktivátor ATP transportérů
- Neuromuskulární excitabilita
Ledviny
- 95 % filtrovaného
množství reabsorbováno
- 15 % PT, 70 % kortikální
TAHL, 10 % DT
- Regulace – magnesémie,
kalcémie, objem ECF
enterocyt
Fyziologie kostní tkáně
www.creab.org - Human Body Anatomy - Online anatomy atlas. Viktoria
Ruppel. 14. 3 2015
Trabekulární (houbovitá) kost – cca 20 %
- Vysoký poměr povrchu k objemu
- Vysoká metabolická aktivita
- Živiny difundují z ECT to trabekul
Kompaktní (kortikální) kost – cca 80 %
- Nízký poměr povrchu k objemu, osteocyty v
klidovém stavu
- Haversovy kanálky s koncentrickými vrstvami
kolagenu – osteony (Haversovy systémy)
- Kolagenní matrix impregnována kostními
minerálními krystaly
- 20 x 3-7 nm, většinou hydroxyapatit
Kostní matrix a kostní minerál
Kolagen typu I =
nejvýznamnější
protein kostní matrix
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
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
osteoklasty mononukleární buňky preosteoblasty osteoblasty
Kostní resorpce Výstavba kostní tkáně
Modelling
versus remodelling
kostní tkáně
REMODELAČNÍ JEDNOTKA - BMU
osteoblasty osteoklasty osteocyty
Kostní liniové (lining) buňky
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
Remodelační jednotka - BMU
1. Stimulační a inhibiční signály osteocytů
(Oncostatin M - OSM, sklerostin,
PTHrP)
2. Stimulační a inhibiční signály
osteoklastů k osteocytům (TGF-b, IGF-
1, kardiotropin-1, Sema4D – semaforin
4D, sfingosin-1 fosfát)
3. Signalizace mezi osteoblasty (ephrinB2,
EphB4, Sema3a, PTHrP, OSM)
4. Stimulační a inhibiční signály mezi
osteoblasty a osteoklasty a jejich
vývojovými deriváty (RANKL, Sema3B,
Wnt5a, osteoprotegerin - OPG)
5. Signalizace mezi hematopoietickými
kmenovými buňkami a osteoblasty
(makrofágy produkovaný OSM, IL
produkované T-buňkami, RANKL)
Původ kostních buněk
Osteocyt
- Změna metabolické aktivity
- Vývoj „výběžků“ – komunikace
- Komunikace s dalšími osteocyty
(syncytium – OC + OB)
Osteoklasty
cytokiny
Exprese různých receptorů
v čase
(vliv různých stimulů)
Produkce směsi pro- a
antiklastogenních faktorů
(různá v čase)
Glukokortikoidy – nepřímá
inhibice kostní resorpce
E2 (estrogeny) – inhibice
aktivace T buněk = inhibice
sekrece RANKL a TNF-a
Pohlavní hormony –
regulace diferenciace
osteoblastů i osteoklastů
včetně délky jejich života
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
Osa inzulín - osteokalcin
inzulín
Dekarboxylovaný OCN
(Glu13-OCN)
leptin
Markery metabolismu kostní tkáně
Ionizovaný vápník 8.5 – 10.5 mg/dL
Plasmatické fosfáty 3 – 4.5 mg/dL
PTH 10 – 65 pg/mL
Vitamín D 30 – 100 ng/mL
Klinický přesah
• Osteogenesis imperfecta
• Osteopetróza
• Osteomalácie
• Rachitis
• Osteopenie – T skóre -1 – -2.5
• Osteoporóza – T skóre pod -2.5
Parathormon
Charakteristika
- Příštítná tělíska – hlavní buňky
- Syntéza a skladování PTH
- Velmi rychlá sekrece PTH
- Schopnost proliferace při
dlouhodobé stimulaci
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
- Přítomnost několika typů fragmentů
- PTHR1, PTHR2, PTHR3 – G prot.
Sekrece PTH
Hladina ionizovaného vápníku v krvi je klíčovým parametrem pro sekreci PTH
Minimální
sekrece
Maximální
sekrece
(rezervní
kapacita)
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
Buněčná proliferace hlavních buněk je významným adaptačním mechanismem na:
- Hypokalcémii
- Nízké hladiny vitamínu D (1,25(OH)2D3)
- Hyperfosfatémii (urémii)
- Neoplastický růst
Calcium sensing receptors – CaSR – a 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 účinky PTH
(+) resorpce 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
+ diferenciace
prekurzorů
osteoblastů
+ sekrece
parakrinně a
autokrinně
působících
faktorů (IGF-1)
(-) apoptóza
(+) osteocyty –
uvolnění Ca,
osteocytická
osteolýza
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
Gen pro kalcitonin, sestřih mRNA a posttranslační
úpravyCbuňky
CNSaobecněneurony
Russell FA, King R, Smillie SJ, Kodji X, Brain SD: CALCITONIN GENE-RELATED PEPTIDE: PHYSIOLOGY AND PATHOPHYSIOLOGY. Physiol Rev
2014, 94(4):1099-1142.
Periferní senzorické nervy Vazodilatace
Calcitonin gene-related peptide - CGRP
Neuropeptid – sensorické a integrativní motorické funkce
Russell FA, King R, Smillie SJ, Kodji X, Brain SD: CALCITONIN GENE-RELATED PEPTIDE: PHYSIOLOGY AND
PATHOPHYSIOLOGY. Physiol Rev 2014, 94(4):1099-1142.
Vazodilatace indukovaná
různými mechanismy
- G prot.
- eNOS/NO
CGRP - funkce
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
Vitamín D a imunitní systém
Makrofágy
Dendritické buňky
T buňky
Klinický význam
- Analoga vitamínu D bez
schopnosti vyvolat hyperkalcémii
- Antiproliferativní účinky – léčba
nádorových onemocnění?
- Synergie s cyklosporinem B –
rejekce transplantátů
- Potlačení syntézy PTH – 22-
oxakalcitriol
(hyperparathyroidismus)
- Psoriáza (jen klinické testy)
FGF23 – fibroblast growth factor 23
Klinický význam:
- Autosomálně dominantní hypofosfatemická
křivice (ADHR)
- Tumorem indukovaná osteomalacie (TIO)
- Mutace Klotho
- Predikce prognózy chronického selhání ledvin
Charakteristika
- Nový hormon?
- Overexprese = hypofosfatemie a narušení – snížení
- hydroxylace 1a 25(OH)D
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
Regulace
- Dostupnost fosforu v potravě (-)
- Sérový fosfor
- 1,25(OH)2D
- železo
FGF23
Pars convoluta PT
Inhibice
Npt2aCyp271b
1, 25(OH)2D fosfát Zpětnovazebný mechanismus mezi DT a PCT endokrinie, parakrinie
Homeostáza vápníku – stále jen zjednodušený model