Markers and genetic predictors of osteoporosis in routine clinical practice

Full Text

Введение Остеопороз - это системное заболевание скелета, характеризующееся снижением минеральной плотности кости (МПК) и нарушением микроархитектоники кости. Указанные изменения приводят к хрупкости костной ткани, что сопровождается высоким риском развития переломов при минимальных травмах [1]. Развитие остеопороза - результат нарушения баланса между процессами костеобразования и костной резорбции. Скрининг на повышенный риск переломов проводится с помощью алгоритма FRAX. Диагностика остеопороза осуществляется на основании высокого риска низкотравматичных переломов и данных стандартной двухэнергетической рентгеновской денситометрии как степени потери МПК. Дополнительное значение имеют определение трабекулярного костного индекса как непрямого показателя трабекулярной микроархитектоники. Для дифференциальной диагностики причин повышенной хрупкости скелета отдельно следует рассматривать показатели фосфорно-кальциевого обмена и биохимические маркеры метаболизма костной ткани, поскольку они имеют широкое применение в выявлении причины остеопороза, для динамического наблюдения, с целью прогнозирования [1]. В настоящей работе проводится обзор существующих маркеров остеопороза и их значимости в практике клинициста. Основные показатели фосфорно-кальциевого обмена Кальций Определение уровня кальция в крови проводится для исключения причин вторичного остеопороза и противопоказаний к назначению терапии остеопороза (при гипокальциемии противопоказано лечение бисфосфонатами и деносумабом, при гиперкальциемии - терипаратидом) [1]. В крови кальций присутствует в свободной (ионизированной) и связанной с альбумином формах. Уровень кальция в крови поддерживается в узком физиологическом диапазоне за счет следующих механизмов: ремоделирования костной ткани, всасывания в кишечнике, реабсорбции в почках. Дисбаланс в перечисленных процессах может привести к гипер- или гипокальциемии, при этом для исключения ложного анализа необходимо двукратное измерение уровня кальция. Гиперкальциемия является потенциально опасным для жизни и относительно распространенным клиническим симптомом и в основном связана с первичным гиперпаратиреозом и/или злокачественными заболеваниями. К более редким причинам гиперкальциемии относятся: тиреотоксикоз, иммобилизация, гранулематозные заболевания и интоксикация витаминами А и D. Генетическими причинами гиперкальциемии являются семейная гипокальциурическая гиперкальциемия и синдром множественных эндокринных неоплазий. Среди причин гипокальциемии наиболее часто встречается гипопаратиреоз вследствие хирургических вмешательств на области шеи; реже - дефицит витамина D, гипомагниемия, заболевания желудочно-кишечного тракта, гипоальбуминемия. Гипер- и гипокальциемия являются патологическими состояниями, требующими дифференциальной диагностики и лечения [2]. Фосфор Наряду с кальцием фосфор необходим для минерализации костной ткани. В организме запасы фосфора находятся в скелете, и только малая часть находится во внеклеточной жидкости. Этот свободно циркулирующий фосфор фильтруется в клубочках и в 85-95% реабсорбируется в проксимальных почечных канальцах. В то время как повышение уровня фосфора в крови чаще всего наблюдается при почечной недостаточности, гипофосфатемия может быть обусловлена разными причинами: дефицитом витамина D, недостаточным поступлением фосфора с пищей, первичным гиперпаратиреозом, синдромом Фанкони, синдромом «голодных костей», приемом мочегонных препаратов. В случае наличия выраженного снижения фосфора крови в сочетании с мышечной слабостью и переломами необходимо исключить фосфопеническую остеомаляцию, которая может развиваться как вследствие наличия генетической патологии (чаще манифестирует в детском возрасте) [3], так и в случае наличия доброкачественной опухоли, которая в избытке секретирует фактор роста фибробластов 23 - фосфатурический гормон [4]. Маркеры формирования костной ткани Костно-специфическая щелочная фосфатаза Щелочная фосфатаза (ЩФ) является мембраносвязанным ферментом и присутствует практически во всех тканях организма. В циркуляции находятся одновременно несколько изоформ ЩФ: кишечная, плацентарная и неспецифическая (печеночная, костная, почечная). В детском и подростковом возрасте преобладает костная изоформа ЩФ, тогда как у взрослых костная и печеночная изоформы присутствуют в равных пропорциях и составляют около 95% от общего количества ЩФ. Костно-специфическая ЩФ секретируется остеобластами, и ее уровень положительно коррелирует со скоростью костеобразования [5]. Костная ЩФ играет ключевую роль в деградации ингибитора минерализации - пирофосфата, что подтверждается развитием тяжелых дефектов минерализации скелета у пациентов с гипофосфатазией вследствие генетической мутации в гене ALPL [6]. Лабораторное определение костно-специфической ЩФ в крови все еще имеет до 20% перекрестной реакции с другими подтипами ЩФ, поэтому результат анализа может быть ложно завышен, например, при заболеваниях печени. Вместе с тем не было выявлено значительного влияния изменения функции почек на уровень костно-специфической ЩФ, поэтому данный биомаркер является информативным у пациентов с почечной недостаточностью, в том числе на фоне заместительной почечной терапии [7]. Остеокальцин Остеокальцин представляет собой неколлагеновый белок костного матрикса, выделяемый остеобластами во время синтеза остеоида и отражающий минерализацию синтезированного коллагена 1-го типа [8]. Биологическая активность остеокальцина обусловлена карбоксилированием - карбоксилированный остеокальцин обладает наибольшим сродством к костной ткани [9]. Активным кофактором для g-глутамилкарбоксилазы является восстановленная форма витамина K - гидрохинон витамина K, поэтому при дефиците витамина K процесс карбоксилирования нарушается, некарбоксилированный остеокальцин обладает низким сродством к костной ткани и активно поступает в кровоток [10]. Следует отметить, что производные кумарина антикоагулянты непрямого действия (например, варфарин) являются антагонистами витамина K и нарушают карбоксилирование остеокальцина [10]. В крови остеокальцин подвергается протеолитической дефрагментации, после чего выводится почками. Поэтому у пациентов с почечной недостаточностью уровень остеокальцина повышается и не отражает истинного состояния костеобразования [4]. Сывороточный остеокальцин длительно используется как в клинических исследованиях, так и в рутинной практике в качестве маркера формирования кости [11]. Преимущество использования остеокальцина как показателя костеобразования заключается в его тканевой специфичности и относительно низкой вариабельности у людей [12]. Вместе с тем секреция остеокальцина имеет циркадные изменения с максимальным пиком в 4:00 утра, а также он менее стабилен in vitro по сравнению с другими маркерами костного обмена [4]. Данные недостатки нивелируются при своевременном центрифугировании образцов крови и соблюдении температурного режима при их хранении. Повышение остеокальцина как следствие высоких темпов костного обмена характерно для первичного гиперпаратиреоза, тиреотоксикоза, болезни Педжета, подросткового возраста [9]. Сниженный уровень остеокальцина наблюдается у пациентов, получающих глюкокортикоидную терапию, а также может использоваться в качестве дополнительного маркера для диагностики эндогенного гиперкортицизма [13]. В настоящее время в экспериментальных исследованиях доказано влияние остеокальцина на углеводный обмен, описывается роль карбоксилированного остеокальцина в диагностике метаболического синдрома, изучается взаимосвязь уровня остеокальцина и атеросклероза [14-17]. У пациентов с остеопорозом, получающих анаболическое лечение, рекомендовано определять остеокальцин исходно и через 3 мес от начала терапии с целью ранней оценки эффективности лечения и приверженности терапии [1]. N-концевой пропептид проколлагена 1-го типа Остеобласты секретируют коллаген 1-го типа в виде интактной молекулы проколлагена, содержащего N- и C-концевые пропептиды. Впоследствии проколлаген расщепляется во внеклеточном пространстве с образованием коллагена 1-го типа, а также N- и С-концевого пропептидов проколлагена 1-го типа (P1NP и P1CP). P1NP и P1CP имеют сходные характеристики, однако P1NP изучен более подробно и применяется в рутинной клинической практике как биомаркер костеобразования. Помимо костной ткани P1NP в небольшом количестве секретируется в хрящевой ткани, сухожилиях и коже, что, однако, не оказывает значительного влияния на его уровень в крови [18, 19]. Первоначально P1NP выделяется в кровь в виде трехмерной структуры, но быстро распадается на мономерные фракции. В настоящее время существует два коммерчески доступных набора для измерения сывороточного уровня P1NP: один из них определяет только неповрежденный трехмерный P1NP, другой - и трехмерную структуру, и мономерные фракции (общий P1NP) [4]. В клинической практике могут использоваться оба метода определения P1NP. PINP изменяется в ответ на лечение остеопороза более эффективно, чем костно-специфическая ЩФ [20], и является наиболее чувствительным биомаркером для оценки эффекта анаболической терапии остеопороза терипаратидом. Маркеры резорбции костной ткани Дезоксипиридинолин Молекулы коллагена костной ткани в виде фибрилл ковалентно сшиты между собой в тройной спиральной структуре белка остатками пиридинолина и дезоксипиридинолина. Дезоксипиридинолин более специфичен для костной ткани, чем пиридинолин, который также содержится в хрящевой ткани. Наличие дезоксипиридинолина в моче отражает процесс деградации коллагена [21, 22]. Для оценки костной резорбции измеряют креатинин в моче и выражают результат в виде отношения дезоксипиридинолина к креатинину, чтобы скорректировать разведение мочи [21]. Метод не является специфичным для остеопороза, поскольку дезоксипиридинолин подвергается метаболизму в почках и печени, что влияет на точность результата при сопутствующих заболеваниях этих органов [18-23]. Кроме того, дезоксипиридинолин обладает значительной суточной вариабельностью [24]. С-концевой телопептид коллагена 1-го типа Для оценки резорбции костной ткани одним из наиболее информативных показателей является С-концевой телопептид коллагена 1-го типа (СТХ или b-CrossLaps) [21]. СТХ - это белковый фрагмент, образующийся при разрушении коллагена 1-го типа. Продукты деградации коллагена можно определять как в моче, так и в сыворотке, но второй способ более удобен. На фоне антирезорбтивного лечения остеопороза уровень СТХ быстро снижается [25, 26], поэтому для оценки эффективности ответа на терапию и комплаентности пациента рекомендуется определять СТХ исходно и через 3 мес от начала терапии [1]. Ранее предполагалось, что СТХ может использоваться для прогнозирования развития остеонекроза нижней челюсти, связанного с терапией бисфосфонатами, однако в последующем было доказано, что СТХ не имеет прогностического значения в этом отношении [27]. Следует отметить, что СТХ подвержен суточному ритму с достижением пика во второй половине ночи и днем (с 11:00 до 15:00), поэтому забор крови для определения уровня СТХ проводится утром натощак [28]. На значение СТХ также влияет нарушение функции почек. Так, например, у пациентов, получающих терапию гемодиализом, уровень СТХ может увеличиваться в 5 раз [29]. Генетические предикторы развития остеопороза Полиморфизм гена COL1A1 Коллаген 1-го типа является наиболее распространенным белком соединительной ткани, тогда как ген COL1A1 кодирует a1 цепь коллагена 1-го типа. Мутации, затрагивающие COL1A1, изменяют структурно-функциональные характеристики коллагена в составе костного матрикса [30]. Наиболее часто подобные гетерозиготные мутации приводят к развитию различных по тяжести вариантов несовершенного остеогенеза [30, 31]. Одним из наиболее широко изученных является полиморфизм сайтов связывания Sp1 в гене COL1A1. В литературе приводятся данные, что полиморфизм COL1A1 Sp1 является клинически значимым предиктором остеопоротического перелома в общей популяции [32]. Аллели COL1A1 Sp1 связаны с незначительным снижением МПК и значительным увеличением риска остеопоротических переломов, особенно компрессионных переломов тел позвонков [33]. В российском исследовании полиморфизма в генах a1 цепи белка коллагена 1-го типа с участием 483 женщин было выявлено, что у пациентов, гомозиготных по функционально неполноценному аллелю s гена COL1A1, вероятность развития остеопороза увеличивается в 4,7 раза [34]. Полиморфизм гена CALCR CALCR известен как ген рецептора кальцитонина [35]. Кальцитонин - это мощный ингибитор резорбции кости остеокластами, в основном продуцируемый С-клетками щитовидной железы [36]. Также ген CALCR отвечает за связанный с геном кальцитонина пептид (CGRP), представляющий собой 37-аминокислотный нейропептид, экспрессируемый в клетках центральной и периферической нервной системы и являющийся регулятором тонуса сосудов [35, 37]. Секреция кальцитонина частично зависит от эстрогенов, и представляется вероятным, что снижение секреции кальцитонина в постменопаузе является фактором риска развития постменопаузального остеопороза [38]. Изменение структуры рецепторов к кальцитонину на остеокластах, клетках почек, печени и других тканей отражается на их функциональной активности, с чем связана большая степень костной резорбции у носителей полиморфизма c.1377 C/T (rs1801197) гена CALCR [39]. Также в исследованиях прослеживалась ассоциация генотипа СС (вариант c.1340T>C, ген CALCR) с более высокой МПК, чем генотип TT (p=0,041) [40]. Однако результаты исследований ассоциации полиморфизма гена CALCR довольно противоречивы и варьируют в зависимости от этнических особенностей популяции. В российской популяции наиболее часто встречался генотип ТС при низкой распространенности генотипа СС, что сопоставимо с результатами, полученными в европейской популяции [41, 42]. Вместе с тем внутри российской популяции обнаружена различная частота встречаемости генотипов полиморфизма rs11801197 гена СALCR между женщинами русской и татарской национальности [43]. Таким образом, прогностическая ценность наличия полиморфизмов в гене CALCR в российской популяции изучена недостаточно. Полиморфизм гена VDR Активные метаболиты витамина D осуществляют биологические эффекты посредством связывания со специфическими рецепторами витамина D (VDR) в тканях. VDR широко представлены в организме, причем не только в классических органах-мишенях, таких как кости, почки, кишечник, но и в головном мозге, сердце, эндотелии сосудов, гладкомышечных клетках, поджелудочной, предстательной и околощитовидной железах, коже и других органах [44]. Поэтому целый ряд работ посвящен влиянию полиморфизма гена VDR не только на костный обмен, но и на другие системы и органы. В последнее время все большее признание приобретают следующие полиморфизмы гена: VDR ApaI, VDR BsmI, VDR Cdx2, VDR FokI и VDR TaqI, поскольку все больше исследований подтверждают их ассоциацию с несколькими заболеваниями, в том числе и с постменопаузальным остеопорозом [45, 46], однако результаты противоречивы. Согласно последнему метаанализу [47] была выявлена корреляция между полиморфизмом VDR ApaI, VDR FokI и развитием постменопаузального остеопороза. Анализ подгрупп показал, что полиморфизм VDR ApaI значительно снижает риск развития остеопороза у женщин в постменопаузе. В азиатских популяциях VDR BsmI и VDR FokI были связаны с повышенным риском развития постменопаузального остеопороза [47]. Важно отметить, что все полученные результаты изучения полиморфизма указанных генов, как способа выявления генетических предикторов развития остеопороза, имеют небольшие размеры выборки и затрагивают определенные группы населения, вследствие чего результаты нуждаются в подтверждении либо опровержении дополнительными исследованиями [48-50]. Заключение В настоящем обзоре проанализированы основные маркеры остеопороза, имеющие интерес как для оценки процессов костного метаболизма, так и с целью генетического скрининга. Часть проанализированных маркеров следует рассматривать как стандартные в практике клинициста, тогда как другие нуждаются в дальнейших исследованиях с расширением доказательной базы и имеют хорошие перспективы. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interests. The authors declare that there is not conflict of interests. Информация об авторах / Information about the authors

About the authors

Tatiana A. Grebennikova

Endocrinology Research Centre

Email: grebennikova@hotmail.com
Cand. Sci. (Med.) Moscow, Russia

Viktoriia V. Troshina

Endocrinology Research Centre

Email: for.troshina@gmail.com
Resident Moscow, Russia

Zhanna E. Belaia

Endocrinology Research Centre

Email: jannabelaya@gmail.com
D. Sci. (Med.), Full Prof. Moscow, Russia

References

Supplementary files