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 Extracelulární vápník - Mineralizace chrupavek a kostí - Kofaktor enzymů včetně proteinů srážecí kaskády „zdroj" intracelulárního vápníku Excitabilní tkáně Intracelulární vápník - Signální význam - Kontraktilita - Excitabilita - Neurosekrece - Endokrinní a exokrinní sekrece - Buněčná diferenciace a proliferace - Buněčné smrti a jejich regulace Vápník a jeho příjem Absorpce vápníku - 25-60 % - Věk - Stravovací návyky a obsah vápníku v potravě - Požadavky kostní tkáně - Vitamín D Žaludek - Žaludeční šťáva a HCI - Produkce HCI Tenké střevo - Duodenum a jejunum-90 % - Adaptivní příjem - duodenum a ileum Dietary Ca2+ (19/d intestine 50% daily intake absorbed T 850 rng/d j Constant intestinal loss 2 fractions or pools • Readily exchangeable * Bone ECF for [Ca2+] regulation • Stable: bone remodeling Bane Kidney ^99% filtered ca reabsorbed 40% PTH-regulated Minimal urinary Ioľs Negativní bilance vápníku spojená s věkem je rizikovým faktorem osteoporózy. Mechanismy absorpce vápníku E CD Paracelulární - Luminální elektrochemický gradient - Integrita mezibuněčných spojení - Klaudiny Transcelulární - TRPV6 a asociované proteiny - Recyklace TRPV6 Alternativní mechanismy? + Glukokortikoidy Estradiol Lumen O Ca2* Microvilli Actin- OCa2 Myosin-I-Calmodulin' O Ca2t O Ca2* O 1 Exocytosis Calcitriol Lamina propria O LU Compíexed & ionized Ca++ cross plasma membrane 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 Lu m i rial membrane Ca2+/Na-exchanger Ca2+ Interstitial space Ca2- Ba so lateral membrane Distribuce - Kosti cca 45 % - Ca10(PO4)6(OH)2 - V organické i anorganické podobě v ICF a ECF Věk, pohlaví, růst Krev Koncentrace 1 mM (sérum) Ionizovaná forma (HP042~, H2P04~) 12 % komplexy s proteiny Intracelulární koncentrace je přibližně stejná jako extracelulární Kotransport se sodíkem 1,25(OH)2D3 l :unkce Strukturální - NK, fosfolipidy Modifikované sacharidy, fosfoproteiny, kofa kto ry, G proteiny Makroergní sloučeniny (ATP) Regulační role - signálni kaskády, energetické irocesy lumen Low Pi diet; — active (transcellular) — \ r / NPT2b 3 Na* blood High Pidieť ^passive (paracel)ular) Vitamín D PTH IGF-1 FGF23 Hořčík Distribuce - 1 mol - kosti cca 54 %, svaly a měkké tkáně cca 56 % - ECF-0.5mM Krev - 0.7-lmM - Cca 30 % v komplexech s proteiny - 15 % v komplexech s fosfáty a nízkomolekulárními anionty - 55% volných Buňka - 95 % v podobě ATP a další podobné molekuly - Koncentrace 0.5 mM - Iontové kanály? Ledviny 95 % filtrovaného množství reabsorbováno 15%PT, 70%kortikální TAHU 10% DT Regulace - magnesémie, kalcémie, objem ECF ■LUMEN 1 o — Funkce - Kofaktor (glykolytické, kinázové a fosfatázové systémy) - Stabilizační funkce (DNA, RNA, ribozomy) - Aktivátor ATP transportérů - Neuromuskulární excitabilita BLOOD - enterocyt O-^TRPM7^—> O—ÍTTRPMÉ^—O' * Na* O <■ G.:*>*-J 1—O hJaVK1 ATPa&e tolagen typu I = nejvýznamnější protein kostní matrix Type I collagen monomelic and fibrillar structure B Overlap zone Gap zone \ I í N —t- U I LU U LLU U ILU U LOJ edc baedc ba tysyl «iid prolyl • Hydroiytatwi • Hydnwýty»yi g^onyiatton T 'pic tula fornurton EndopUinnic 'MmilLir Scoelon N-ptMHHW F-i ... •, C-propopnilof " t t -. .i i, toímnon . i ..... InM MR ■MM Trombospondin Fibronektin Matrixový Gla protein Osteokalcin Biglykan Dekorin Kostní sialoprotein Osteopontin Osteoadherin C/l era' n fD fD 3 OJ i-+ o "O o n> N OJ Vitamín K-dependentníy karboxylace a fosforylace Afinita k Ca a mineralizace Kolagen a jeho syntéza i Secretion Procollagen Procollagen—i N-proteinase N-propeptides P1NP Propeptide cleavage I— Procollagen C-proteinase t N-telopeptides Procollagen C-propeptides P1CP Fibril formation C-telopeptides Kathepsi --------- in K NTX-1 B CTX-1 Pyridinoline (Pyr) Deoxypyridinoline (DPD) ICTP or CTX-MMP MMP Syntéza kolagenu Degradace kolagenu Kolagenázy- MMP - MMP1 a MMP13 - osteoblasty - Vliv hormonů a cytokinů Mineralizace Vnější mechanismus - alkalická fosfatáza = tvorba malých krystalů hydroxyapatitu (Ca, fosfáty, uhličitan, Mg, Na, K) Endopeptidázy, PHEX - FGF23 Vnitřní mechanismus - phospho (Phosphoethanolamine/ íhosphocholine phosphatase) Depozice vápníku Dostupnost Ca, P a AF Vezikulární útvary (matrix) Kolagen a jeho uspořádání Štěpení pyrofosfátu U Dostupnost fosfátu pro mineralizaci Stav výživy, vápník v potravě, vápník/fosfor v ECT Kostní tkáň a její remodelace Modelling versus remodelling kostní tkáně REMODELAČNÍ JEDNOTKA - BMU i i i i i i osteoblasty osteoklasty osteocyty Kostní liniové (lining) buňky OCL Lining cells Kostní resorpce Výstavba kostní tkáně osteoklasty mononukleární buňky preosteoblasty a sty 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 cy to kiny - Diferenciace a jejich další osud-apotóza, osteocyty, liniové buňky - „nábor" jiných buněk - IGF-1, IGF-2, TGF-(3 Osteocytes Liniové buňky - Stimulace diferenciace OB - Komunikace s OC - Diferenciace do OB stimulovaná PTH Osteoklasty (OK) - Resorpce kostn tkáně Osteoklasty Klíčovým faktorem regulujícím kostní resorpci (+) RANKL je poměr RANKL/OPG Produkce směsi pro- a antiklastogenních faktorů (různá v čase) E2 (estrogeny) - inhibice aktivace T buněk = inhibice sekrece RANKL a TNF-a Pohlavní hormony-regulace diferenciace osteoblastů i osteoklastů včetně délky jejich života Exprese různých receptorů I v čase (vliv různých stimulů) Prostaglandins, multiple hormones, cytokines, ILs and vitamin D Glukokortikoidy - nepřímá inhibice kostní resorpce Stromal/ osteoblastic cells cytokiny OPG, RANKL, M-CSF TNF, IL-1, IL-6, IL-7, other ILs J HSC ^^^M-CSF ^^^^ M IFN RANKL TNF c-Fms-RANK- C-Fms+ RANK- c-Fms+ RANK+ Resorpce kostní tkáně osteoklasty ^ avp3 Integrin Lysosomes Cat K H CIC-7 f V-ATPase Ý RANK/RANKL Calcitonin and receptor 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 Resorpce trvá cca 2 týdny Mineralizace a formace cca 12 týdnů Za patofyziologických podmínek je narušena návaznost mezi resorpcía formací kostní tkáně. Cytokiny- IL-la, IL-ip, TNF-a, TNF-(3, prozánětlivé 15, 17) TGF-aa EGF, FGF21, FGF23 Cytokiny- IL-4, IL-13, I 10, IL-18 Prostaglandiny VEGFA, HIF-la (+/-) IGF-1 (endo-/parakr.) BMPs (OB, autokr.) Okamžitá potřeba vápníku - homeostáza Zajištění mechanických požadavků Endokrinní regulace kostní tkáně PTH Vitamín D Kalcitonin Růstový hormon IGF-1 Glukokortikoidy Hormony štítné žlázy Inzulín Pohlavní hormony Stimulace resorpce (dlouhodobé působení) Stimulace kostní formace (pulzní působení) Stimulace lokální sekrece IL-1 a IL-6 Stimulace resorpce (vyšší koncentrace) Inhibice mineralizace (vyšší koncentrace) Stimulace kostní formace (nízké koncentrace, spolu s PTH) Inhibice resorpce Regulace remodelace kostní tkáně Stimulace kostního obratu Stimulace proliferace a diferenciace osteoblastů Zvýšená syntéza kolagenu a dalších proteinů Snížení absorpce Ca v GIT Indukce osteoklastogeneze Zvýšení kostní resorpce (+ RANKL) Potlačení remodelace kostní tkáně Indukce apoptózy osteoblastů a osteocytů Inhibice syntézy IGF-1 Děti - stimulace mineralizace a epifyzeální maturace Dospělí - zvýšení resorpce Růst a proliferace chondrocytů (permisivní účinek na růstový hormon) Zvýšení transkripce kolagenázy a gelatinázy Stimulace formace kostní tkáně a mineralizace Zvýšení syntézy kolagenu Stimulace sekrece IGF-1 Uzávěr epifýz (E) Inhibice sekrece RANKL Změny rychlosti kostní resorpce a formace (stimulace formace a mineralizace) Osteoblasty, liniové buňky, osteocyty Osteoblasty (primárně) Osteoklasty Osteoblasty - primárně GH Osteioblasty i osteoklasty - IGF-1 Osteoblasty osteocyty osteoklasty Osteoblasty osteoklasty (i nepřímý přes TSH) Primárně osteoblasty Primárně osteoblasty ale i další kostní buňky Prolaktin Nepřímý účinek Osa inzulín - osteokalcin Stimulace: parathormon a kalcitriol inzulín Inhibice glukokortikoidy Insulin O o o- O ° n o 0o ° I Pancreas I Insulin sensitivity —o o o o o o .o Undercarboxylated osteocalcin Mineralized bone Acidic resorption pit Dekarboxylovaný OCN (GI11I3-OCN) Osa osteokalcin-skelet-pankreas-tukova tkan Osa osteokalcin-skelet-testes i«OCN 'GPRC6A ?/ ,| V 9 secretion ✓ f V Ccnd2 lns1 s^ , Ccndt Ins2 ca2* CdM V ■* lnsulin synthesis f Mitochondria AřTnfa ♦üpolysis? ^Energy expenditure? biogenesis ^Inflammation? f Glucose uptake? ^Energy expenditure? fMcad (fatty acid oxidation?} ^Insulin sensitivity if Glucose uptake? ^Insulin sensitivity Testis Osteocalcin (Ocn) Leydig cell Cholesterol Gprc6a Testosterone ^ X Spermatogenesis r Germ cells survival ^ arkery metabolismu kostní tkáně Ionizovaný vápník 8.5 - 10.5 mg/dL Plasmatické fosfáty 3 - 4.5 mg/dL PTH 10-65pg/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 Pa rat hormon Charakteristika - Příštítná tělíska - hlavní buňky - Syntéza a skladování PTH - Velmi rychlá sekrece PTH - Schopnost proliferace při dlouhodobé stimulaci Rough ER * Pro-PTH Pro-PTH Golgi Secretory granule PTH PTH 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 Sekrece PTH B Minimální sekrece unecna proliferace hlavních buněk je významným adaptačním mechanismem na: Hypokalcémii Nízké hladiny vitamínu D (l,25(OH)2D3) Hyperfosfatémii (urémii) Neoplastický růst 1,10,,7S 21 28 T 14 16 l 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Plasma calcium mg/dL B 1.0 2.0 [Ca2+], mM Plasma PTH (arbitrary units) 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 Calcium sensing receptors - CaSR - a sekrece PTH C^caidum + aminokyseliny, peptidy Mg 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 Hlavní účinky PTH Proximal Tubute (+) 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 kot ran s portéry - internalizace, degradace (+) aktivita la-hydroxylázy - PT (-) resorpce Na, vody a hydrogenuhličitanu - PT (-) Na+/K+-APTáza (bazolaterální membrána) (+) glukoneogeneze - PT (-) GFR - podocyty Luminal membrane Basolateral membrane H,PCV 3Na+ • Internalization * Destruction lysosomes Pi t-* (Type Pi A" Pi Interstitial space Intermittent Chronic + sekrece parakrinně a autokrinně působících faktorů (IGF-1) + diferenciace prekurzorů osteoblastů (-) apoptóza (+) osteocyty -uvolnění Ca, osteocytická osteolýza V-ATPasď Klinická aplikace - terapie osteoporózy Účinek PTH na osteoklasty je nepřímý. Pulzní dávkování stimuluje osteoblasty chronické kontinuální osteoklasty. 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 PTHrP Regulates keratinocytes differentiation Regulates vascular smooth muscle Promotes calcium transport Promotes bone formation resorption Facilities tooth eruption Promotes branching morphogenesis Regulates beta cell proliferation and insulin production Regulates chondrocyte maturation Bone 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 - - ß-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,Na7Ca2+-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 posttran ú pravý_ Common coding Pol y "A" site 5'Nor- regions exons calcitonin-coding exon C1 C2 coding exon Calcitonin gene 5' HĽHD- Poly "A" site CGRP CGRP 3'Non-coding exon coding exon HLZZI Calcitonin rnRNA 5'" Calcitonin precursor HzN-4 (17.4 kDa) Transcription, polyadenylation, RNA splicing Neuronal cells T ■■■3' CGRP mRNA Translation i_i m J Cammi 4aa CGRP (37fla) 43a CGRP ■COOH precursor (15.9 kDa) Post-translational processing I Post-translational processing ŕ D N-terminal Calcitonin C-terminal peptide peptide D N-terminal CGRP C-terminal peptide peptide Vitamín D....hormon?...vitamín? Charakteristika - Přijímán v potravě nebo syntéza (UV) - V krvi vazba na VDBP a albumin Velmi malá volná frakce l,25(OH)2D - cca 0,4 % PTH, prolaktin, kalcitonin, G H (+) I T3/T4, metabolická acidóza (-) Ca, fosfáty, l,25(OH)2D, FGF23 (-) Ketokonazol Estrogeny (+) la-hydroxyláza - Exprese v různých tkáních - Keratinocyty - Placenta - Makrofágy Různá míra zpětnovazebně regulace Rozdílná exprese la-hydroxylázy = lokální tkáňová homeostáza Choleca UV light Provitamin D 7-dehydrocholesteraI in skin Bone resorpiion Ca absorption Ca reabsorption & formation PTH synthesis t Plasma Ca2+concentrations Fyziologické účinky vitamínu D 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 - l,25(0H)2D-inducibilní ATP-dependentní Ca2+ pumpa 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 Charakteristika - Hormon kostní tkáně Funkce - udržování normofosfatémie a regulace metabolismu vitamínu D - Snížení exprese IIa, IIb, a llc (NPT) - transport fosfátu - Zvýšení exprese 24-hydroxylázy - neaktivní forma - Klotho = koreceptor, v cirkulující formě regulátor sekrece FGF23 Regulace - Dostupnost fosforu v potravě (-) - Sérový fosfor - l,25(OH)2D - železo Klinický význam: - Autosomálně dominantní hypofosfatemicka křivice (ADHR) - Tumorem indukovaná osteomalacie (TIO) - Mutace Klotho - Predikce prognózy chronického selhání ledvin FGF23 Membrane Klotho 0 1 o U co. O 6 Klotho Secreted Kfotho Calcitriol synthesis Pi excretion í Kidney Homeostáza vápníku - stále jen zjednodušený mode (immediately inonimmeoiat« exchangeable) exchangeable) Ca' (rtonimmediately -Ca, P04 excretion Effects: (+) stimulatory (-) inhibitory (+/-) bidirectional]) ► fluxes--- binding effects [#]dlfferentlal equation numbeA Ca = cakaum. ECF Ca = extracellular fluid Ca. OC = osteoclast. OC^OC precursor. OB = osteoblast. OPG ■ Osteoprotegerin. PO, = phosphate. PTH ■ parathyroid hormone. RANK - receptor of NF-Kappa 8. RANKL = RANK \Lkjand, ROB = responding OB, TGFß = transforming growth factor beta, 1 -o-OH = 1 alpha hydroxylase