plik

474

www.postepybiochemii.pl

Elżbieta Karczmarewicz

Edyta Czekuć-Kryśkiewicz
Roman S. Lorenc

Zakład Biochemii i Medycyny Doświadczal-

nej, Instytut „Pomnik - Centrum Zdrowia

Dziecka”, Al. Dzieci Polskich 20, 04-730 War-

szawa

Zakład

Biochemii

Medycyny

Doświadczalnej, Instytut „Pomnik - Centrum

Zdrowia Dziecka”, Al. Dzieci Polskich 20, 04-

730 Warszawa; tel.: (22) 815 17 76, faks: (22) 815

17 89, e-mail: biochemia@czd.pl

Artykuł otrzymano 5 listopada 2012 r.

Artykuł zaakceptowano 7 listopada 2012 r.

Słowa kluczowe: witamina D, PTH, FGF-23,

PChN, Klotho, CYP24A, kość, nerka

Wykaz skrótów: 25(OH)D — kalcydiol, me-

tabolit witaminy D; 1,25(OH)

D — 1,25-di-

hydroksywitamina D, kalcytriol, aktywny

biologicznie metabolit witaminy D; FGF-23

(ang. fibroblast growth factor 23) — 23. czynnik

wzrostowy fibroblastów; PChN — przewlekła

choroba nerek; PTH — parathromon; RAS —

układ renina-angiotensyna; VDR (ang. vitamin

D receptor) — jądrowy receptor witaminy D

Patologie związane z gospodarką wapniowo-fosforanową

StRESzCzEniE

gromny postęp w badaniach nad regulacją gospodarki fosforanowej oraz metaboli-

zmem witaminy D otworzył nowe perspektywy w leczeniu przewlekłej choroby nerek

(PChn) — najpoważniejszej i coraz powszechniejszej patologii gospodarki wapniowo-fos-

foranowej człowieka. zwiększenie ładunku fosforanów transportowanego przez nefrony

jest czynnikiem indukującym szereg patologicznych procesów, które powodują, że układ

regulacyjny wpada w przypominającą błędne koło spiralę regulacyjną obniżenia stężenia

białka Klotho, zwiększenia stężenia FGF-23, obniżenia stężenia 1,25(OH)

D i podwyższenia

stężenia parathormonu (PtH). Podstawową interwencją jest więc ograniczenie podaży fos-

foranów z diety lub leczenie farmakologiczne preparatami wiążącymi fosforany. Właściwa

suplementacja witaminą D zabezpieczająca właściwą podaż substratu do lokalnej syntezy

1,25(OH)

D, którym jest 25(OH)D, indukuje syntezę Klotho, hamuje wydzielanie PtH oraz

obniża poziom 23. czynnika wzrostowego fibroblastów (FGF-23) poprzez proanaboliczne

działanie na kość. Właściwe zaopatrzenie ustroju w witaminę D wpływa korzystnie na Klo-

tho poprzez hamowanie układu renina-angiotensyna (RAS), podobnie jak rozyglitazon i in-

hibitory enzymu konwertującego angiotensynę. Prowadzone są badania nad nowoczesnymi

terapiami PChn, wśród których wymienia się inhibitory CYP24A, enzymu szlaku katabo-

licznego 1,25(OH)

D oraz przeciwciała skierowane przeciwko FGF-23.

WPROWADzEniE

Postęp w badaniach nad regulacją gospodarki wapniowo-fosforanowej orga-

nizmu dokonał się na dwóch ważnych polach. Odkrycie FGF-23, jako głównego

czynnika regulacji gospodarki fosforanowej, umiejscowiło kość wśród innych

organów endokrynnych, takich jak nerka czy przytarczyce [1-10]. Wykazanie

lokalnego, wielonarządowego, pozanerkowego działania 1,25(OH)

D w prawie

wszystkich tkankach organizmu zmieniło zasady suplementacji witaminą D i

ujawniło jej rolę w regulacji gospodarki fosforanowej [11-20].

CzYnniKi REGuLACYjnE GOSPODARKi WAPniOWO-FOSFORAnOWEj

Homeostaza mineralna organizmu utrzymywana jest dzięki współdziałaniu

czterech hormonów: 23. czynnika wzrostowego fibroblastów (FGF-23, ang. fi-

broblast growth factor 23), parathormonu (PTH), aktywnego hormonalnie meta-

bolitu witaminy D — 1,25-dihydroksywitaminy D (1,25(OH)

D) i białka Klotho

(Ryc. 1) oraz trzech głównych organów: przytarczyc, nerek i kości [1-4]. PTH i

1,25(OH)

D regulują homeostazę wapniowo-fosforanową. Spadek stężenia wap-

nia w surowicy stymuluje wydzielanie przez przytarczyce PTH, który redukuje

kalciurię, pobudza aktywność 1α-hydroksylazy 25(OH)D, zwiększa fosfaturię

Rycina 1. Współdziałanie pomiędzy FGF-23, PTH, 1,25(OH)

D i Klotho w regulacji gospodarki wapniowo-

-fosforanowej (PTG — przytarczyce); opracowano na podstawie [2].

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

475

w moczu oraz pobudza uwalnianie wapnia i fosforanów z

tkanki kostnej. Podwyższone stężenie 1,25(OH)

D pobudza

jelito do zwiększonej absorpcji wapnia z diety, a to zwrot-

nie obniża wydzielanie PTH. Wchodzący w skład drugiej

pary hormonów FGF-23 wytwarzany jest przez komórki

kostne, osteocyty, w odpowiedzi na podwyższone stęże-

nie 1,25(OH)

D i fosforanów. Jego receptor, który stanowi

kompleks FGFR1 z białkiem Klotho, zlokalizowany jest na

powierzchni błony części dystalnej kanalików nerkowych.

Wynikiem działania FGF-23 jest przede wszystkim obniże-

nie stężenia fosforanów i 1,25(OH)

D w surowicy poprzez

hamowanie reabsorpcji fosforanów w nerce i aktywno-

ści 1α-hydroksylazy 25(OH)D (CYP27B1) oraz stymulację

24-hydroksylazy 25(OH)D (CYP24A1). FGF-23 zmniejsza

również ekspresję genu Klotho w nerce, co prowadzi do ob-

niżenia kanalikowej reabsorpcji wapnia, ponieważ Klotho

jest jednym z regulatorów liczebności kanałów transportu-

jących jony wapnia zależnych od potencjału, takich jak re-

ceptor waniloidowy typu V (TRPV5). Czynnikami stymulu-

jącymi syntezę FGF-23 w kości są 1,25(OH)

D, podwyższo-

ny metabolizm kostny oraz obniżona mineralizacja tkanki

kostnej [8,9,15].

POzAnERKOWA LOKALnA AKtYWnOść

WiELOnARząDOWA WitAminY D

Analiza prac opublikowanych w ostatnich latach suge-

ruje, że właściwe zaopatrzenie ustroju w witaminę D nie

jest w swej istocie problemem żywieniowym, lecz proble-

mem z zakresu endokrynologii [11,13,19]. Aktywną biolo-

gicznie formą witaminy D w organizmie jest jej metabolit

— 1,25(OH)

D (kalcytriol). Należy on do nadrodziny hor-

monów bezpośrednio modulujących aktywność wielu ge-

nów. Kalcytriol poprzez wiązanie się z jądrowym recepto-

rem VDR (ang. vitamin D receptor), a potem bezpośrednie

wiązanie z DNA reguluje aktywność około 5% ludzkiego

genomu (500 genów), co wskazuje na działanie wielonarzą-

dowe i plejotropowe tego hormonu [13]. Oprócz tkanek i

narządów odpowiadających za utrzymanie homeostazy

wapniowo-fosforowej (jelito cienkie, tkanka kostna, nerki,

przytarczyce) receptor VDR został dotychczas zidentyfiko-

wany w 36 organach i tkankach organizmu człowieka, m.in.

w mięśniu sercowym, mięśniach gładkich, limfocytach

B i T, gruczołach dokrewnych, mózgu. Ponadto obecność

1α-hydroksylazy, enzymu przekształcającego 25(OH)D do

aktywnej formy — 1α,25(OH)

D, stwierdzono nie tylko w

nerkach, ale także w innych organach i tkankach. Aktyw-

ność 1α-hydroksylazy zaobserwowano m.in. w komórkach

śródbłonka komórkach mięśni gładkich naczyń krwiono-

śnych, aktywnych makrofagach. Są to tzw. hydroksyla-

zy obwodowe, którym przypisuje się coraz większe zna-

czenie w oddziaływaniu witaminy D na organizm ludzki

[13,16,19].

W odróżnieniu od innych hormonów bezpośrednio mo-

dulujących aktywność wielu genów (glukokortykosteroidy,

mineralokortykosteroidy, progesteron, androgeny, estro-

geny) synteza 1,25(OH)

D jest bezpośrednio ograniczana

dostępnością substratu, jakim jest 25(OH)D (kalcydiol), me-

tabolit syntetyzowany w wątrobie z natywnej witaminy D.

Dlatego też celem właściwej suplementacji witaminy D jest

zapewnienie wystarczającej ilości substratu (czyli 25(OH)

D), do syntezy 1,25(OH)

D (aktywnego hormonalnie meta-

bolitu witaminy D) we wszystkich tkankach, gdzie mani-

festowana jest jej szeroka aktywność biologiczna. Przyjmu-

je się dzisiaj, że dla optymalizacji wszystkich aktywności

biologicznych witaminy D stężenie 25(OH)D w surowicy

powinno wynosić 30–60 ng/ml. Takie stężenie uzyskuje się

przy suplementacji dzieci i dorosłych dawką 1000–4000 IU

witaminy D (formy natywnej) na dzień [19].

PRzEWLEKłA CHORObA nEREK (PCHn)

Przewlekła choroba nerek (PChN, ang. chronic kidney

disease, CKD) jest definiowana jako schorzenie trwające co

najmniej 3 miesiące, wywołane strukturalną anomalią lub

czynnościowymi zaburzeniami układu moczowego, prze-

biegające z lub bez obniżenia przesączania kłębuszkowego

(GFR, ang. glomerular filtration rate), manifestujące się obec-

nością jawnej patologii albo obecnością wskaźników uszko-

dzenia nerek. PChN klasyfikowana jest w 5 stadiach: od

przewlekłej choroby nerek z prawidłową filtracją do schył-

kowej niewydolności wymagającej terapii nerkozastępczej.

Dotychczas uważano, że w PChN główną konsekwencją

jest upośledzenie syntezy 1,25(OH)

D, co prowadzi do

nadczynności przytarczyc, a w rezultacie do ich przerostu,

której towarzyszą patologie kostne związane z podwyższe-

niem metabolicznego obrotu kostnego [20].

Według najnowszych badań we wczesnych stadiach

PChN nie obserwuje się rzeczywistego braku syntezy

1,25(OH)

D [2,8,12]. Obniżenie stężenia 1,25(OH)

D (głów-

nie poprzez stymulację jego katabolizmu przez 24-hydrok-

sylazę, CYP24A) jest wynikiem adaptacyjnej odpowiedzi

organizmu, zapewniającej obronę przed hiperfostemią,

poprzez redukcję indukowanej przez 1,25(OH)

D absorb-

cji jelitowej fosforanów oraz przez podwyższenie poziomu

PTH, który razem z FGF-23 stymuluje wydalanie fosfora-

nów (działanie fosfatemiczne). Z drugiej strony, w późnych

stadiach PChN (stadium 4–5) oraz w schyłkowej niewydol-

ności nerek (ESRD, ang. end stage renal disease) dominującym

czynnikiem stymulacji wydzielania FGF-23 jest podwyższo-

ny metabolizm kostny [8,17]. Nie wydaje się wiec słuszne

leczenie pacjentów na wczesnych etapach choroby prepa-

ratami 1,25(OH)

D, który dodatkowo zwiększa wydzielanie

FGF-23. Terapie ukierunkowane powinny być na zmianę

Rycina 2. Zmiany stężeń FGF-23,Klotho, PTH, 1,25(OH)

D i fosforanów w czasie

progresji PChN od stadium 1 do 5; opracowano na podstawie [8].

476

www.postepybiochemii.pl

lokalnych czynników, które mogą jak najwcześniej zahamo-

wać wzmożoną syntezę FGF-23 zapobiegając indukcji CY-

P24A, enzymu, który degraduje nie tylko 1,25(OH)

D, ale

także 25(OH)D.

Dynamikę patologicznych zmian w rozwoju PChN od

stadium 1 do 5 przedstawia rycina 2. Pierwszym czynni-

kiem, którego obniżenie obserwuje się w PChN już w 1.

stadium choroby jest Klotho [8]. Spadek stężenia Klotho i

1,25(OH)

D oraz wzrost stężenia PTH poprzedza objawy

hyperfosfatemii w trakcie progresji PChN. Deficyt Klotho

skutkuje brakiem odpowiedzi nerki na FGF-23, co indukuje

syntezę tego hormonu w celu utrzymania właściwej home-

ostazy fosforanowej. Jednak wzrost stężenia FGF-23 powo-

duje obniżenie poziomu 1,25(OH)

D, naturalnego stymula-

tora syntezy Klotho, co tym bardziej wzmaga szybkość jego

utraty w organizmie. Ponadto niskie stężenie 1,25(OH)

dodatkowo podnosi stężenie PTH, a PTH w dodatnim

sprzężeniu zwrotnym stymuluje wzrost stężenia FGF-23. W

końcowych stadiach rozwoju choroby podwyższone stęże-

nie fosforanów wzmacnia patologie w obrębie wszystkich

czterech czynników regulacyjnych [2-10].

nOWE mEtODY LECzEniA PCHn

Wczesna profilaktyka rozwoju PChN powinna skupiać

się na zapobieganiu utracie Klotho. Takie działanie wyka-

zuje 1,25(OH)

D przy prawidłowym zaopatrzeniu ustroju w

witaminę D gwarantującym właściwy poziom 25(OH)D do

lokalnej jego syntezy zarówno w nerkach, jak i przytarczy-

cach. 1,25(OH)

D poprzez genomowe działanie VDR pro-

wadzi do ekspresji genu Klotho. Stężenie białka Klotho jest

odwrotnie proporcjonalne do aktywności układu renina-an-

giotensyna (RAS) i dlatego czynniki obniżające aktywność

RAS, takie jak rozyglitazon oraz właściwa podaż witaminy

D, działają profilaktycznie zapobiegając rozwojowi PChN.

Zwiększenie stężenia Klotho w nerkach podnosi ich czu-

łość na FGF-23 i obniża jego poziom w surowicy, natomiast

w przytarczycach - zwiększa zdolność supresji PTH przez

FGF-23 [9,17,18,20].

Duże nadzieje wiąże się z badaniami nad związkiem ha-

mującym CYP24A1. CTA018 jest inhibitorem CYP24A1 oraz

agonistą VDR indukującym geny zależne od witaminy D.

W badaniach na zwierzętach związek ten skutecznie obni-

ża stężenie PTH. CTA018 znajduje się obecnie w drugiej fa-

zie badań klinicznych u pacjentów z zaawansowaną PChN

oraz wtórną nadczynnością przytarczyc [12].

Wymuszenie spadku poziomu aktywnego FGF-23 w

surowicy krwi może mieć efekt terapeutyczny np. w przy-

padku krzywicy/osteomalacji hipofosfatemicznej. Badania

przeprowadzone na modelu mysim wykazały, że już jedno

wstrzyknięcie przeciwciał skierowanych przeciwko FGF-23

wyrównywało hipofosfatemię i podwyższało zbyt niskie

poziomy 1,25(OH)

D. Stwierdzano przy tym wzrost eks-

presji genu kotransportera sodowo-fosforanowego typu 2a

oraz 1α-hydroksylazy 25(OH)D przy równoczesnym spad-

ku ekspresji genu 24-hydroksylazy [6].

Leki nowej generacji, kalcymimetyki, aktywują receptory

wapniowe komórek przytarczyc, co prowadzi do obniżenia

syntezy i wydzielania PTH, a w konsekwencji do spadku

stężenia wapnia i fosforanów we krwi, a także FGF-23 [2].

Dobre wyniki otrzymano stosując także dietę niskofosfora-

nową oraz leki wiążące fosforany [2,8].

Aktywne metabolity witaminy D, to jest 1,25(OH)

D i

1α(OH)D, ze względu na stymulację FGF-23 nie powinny

być stosowane w leczeniu PChN [8].

PODSumOWAniE

Właściwe zaopatrzenie organizmu w witaminę D (stę-

żenie 25(OH)D w surowicy krwi wynoszące 30-60 ng/ml)

zapewnia stabilizację gospodarki wapniowo-fosforanowej

poprzez: (a) bezpośrednie hamowanie przez 25(OH)D wy-

dzielania PTH przez przytarczyce oraz (b) proanaboliczne

działanie na tkankę kostną zapobiegające patologicznemu

wzrostowi stężenia FGF-23, a także (c) ochronę Klotho

wskutek supresji układu renina-angiotensyna przez 25(OH)

D w nerce i stymulacji syntezy Klotho w przytarczycach.

Ograniczone spożycie fosforanów zapobiega natomiast pa-

tologicznemu wzrostowi stężenia FGF-23 poprzez korzyst-

ny wpływ na transport ładunku fosforanów w nerce.

PiśmiEnniCtWO

1. Kuro-o M (2008) Endocrine FGFs and Klothos: emerging concepts.

Trends Endocrinol Metab 19: 239-245

2. Quarles LD (2008) Endocrine functions of bone in mineral metabolism

regulation. J Clin Invest 118: 3820-3828

3. Kim HS, Chung W, Kim S (2011) Vitamin D and kidney disease. Elec-

trolyte Blood Press 9: 1-6

4. Quarles LD (2012) Role of FGF23 in vitamin D and phosphate metabo-

lism: implications in chronic kidney disease. Exp Cell Res 318: 1040-

1048

5. Larsson TE (2010) The role of FGF-23 in CKD-MBD and cardiovascu-

lar disease: friend or foe? Nephrol Dial Transplant 25: 1376-1381

6. Juppner H, Wolf M, Salusky IB (2010) FGF-23: more than a regular of

renal phosphate handling? J Bone Min Res 25: 2091-2097

7. Quarles LD (2012) Skeletal secretion of FGF-23 regulates phosphate

and vitamin D metabolism. Nat Rev Rev Endocrinol 8: 276-286

8. Martin A, David V, Quarles LD (2012) Regulation and function of the

FGF23/klotho endocrine pathways. Physiol Rev 92: 131-155

9. De Borst MH, Velvloet MG, Ter Wee PM, Navis G (2011) Cross talk be-

tween the rennin-angiotensin-aldosterone system and vitamin D-FGF-

23-klotho in chronic kidney disease. J Am Soc Nephrol 22: 1603-1609

10. Łukaszkiewicz J, Lorenc R (2010) Regulacja metabolizmu fosforanów

przez kość. Rola czynnika wzrostowego fibroblastów. Polskie Archi-

wum Medycyny Wewnętrznej 120: 48-54

11. Christakos S, DeLuca HF (2011) Vitamin D: is there a role extraskeletal

health? Endocrinology 152: 2930-2936

12. Petkovich M, Jones G (2011) CYP24A1 and kidney disease. Curr Opin

Nephrol Hypertens. 20: 337-344

13. Haussler MR, Whitfield K, Kaneko I Forster R, Saini R, Hsieh JC,

Haussler CA, Jurutka PW (2012) The role of vitamin D in the FGF23,

klotho, and phosphate bone-kidney endocrine axis. Rev Endocr Metab

Disord 13: 57-69

14. Lishmanov A, Dorairajan S, Pak Y, Chaudhary K, Chockalingam A

(2011) Treatment of 25-0H vitamin D deficiency in older men with

chronic kidney disease stages 3 and 4 is associated with reduction in

cardiovascular events. Am J Ther, doi: 10.1097/MJT.0b013e3182211b3b

15. Turner AG, Anderson PH, Morris HA (2012) Vitamin D and bone

health. Scand J Clin Lab Invest 72: 65-72

16. Cianferotti L, Marcoccci C (2012) Subclinical vitamin D deficiency.

Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 26: 523-537

Postępy Biochemii 58 (4) 2012

477

Pathologies of calcium-phosphate homeostasis

Elżbieta Karczmarewicz

, Edyta Czekuć-Kryśkiewicz, Roman S. Lorenc

Department of Biochemistry and Experimental Medicine, The Children’s Memorial Health Institute, Warsaw, Poland

e-mail: biochemia@czd.pl

Key words: vitamin D, PTH, FGF-23, CKD, Klotho, bone, CYP24A, kidney

AbStRACt

the colossal progress in understanding of vitamin D and phosphate metabolism introduces new perspectives in chronic kidney disease

(CKD) therapy. increasing demand for phosphate excretion per nephron triggers the vicious cycle that leads to increase in FGF-23 and PtH

and decrease in vitamin D and Klotho. Restriction of dietary phosphate intake (low phosphate diet) and administration of phosphate binder

can be regarded as the most important interventions in this case. because the vicious cycle is likely activated long before hyperphosphatemia

occurs during CKD progression, phosphate restriction would have been more effective if started before serum phosphate levels increased,

perhaps as soon as serum FGF-23 levels rose. Phosphate restriction alleviates phosphate overload per nephron and can disrupt the vicious

cycle: phosphate restriction can reduce serum FGF-23 levels and increase vitamin D, which in turn increase Klotho expression in kidney and

parathyroid glands. inhibitors of rennin-angiotensin system (rosiglitazone, angiotensin-converting enzyme inhibitors) and proper vitamin

D supplementation may also up-regulate Klotho expression. increased Klotho in the kidney may improve FGF-23 sensitivity, which further

reduce the amount of FGF-23 required for excreting a given amount of phosphate. increased Klotho in parathyroid may improve the ability

of FGF-23 to suppress PtH. Proper supplementation with vitamin D increase the concentration of substrate for local 1,25(OH)2D synthesis -

25(OH)D, which directly suppress PtH, increase Klotho, and decrease FGF-23 by proanabolic action on bone. improving vitamin D status by

inhibition of CYP24A is also under evaluation, as well as antibodies against FGF-23, as modern therapies in CKD.

17. Nakano C, Hamano T, Fuji N, Matsui I, Tomida K, Mikami S, Inoue K,

Obi Y, Okada N, Tsubakihara Y, Isaka Y, Rakugi H (2012) Combined

use of vitamin D status and FGF23 for risk stratification of renal out-

come. Clin J Am Soc Nephrol 7: 810-819

18. Urena-Torres P, Metzger M, Haymann JP, Karras A, Boffa JJ, Flamant

M, Vrtovsnik F, Gauci C, Froissart M, Houillier P, Stengel B (2011)

Association of kidney function, vitamin D deficiency, and circulating

markers of mineral and bone disorders in CKD. Am J Kidney Dis 58:

544-553

19. Lorenc R, Karczmarewicz E, Kryśkiewicz E, Płudowski P (2012) Zasa-

dy suplementacji i standardy oceny zaopatrzenia organizmu w wita-

minę D w świetle jej działania plejotropowego. Standardy Medyczne

(Pediatria) 5: 595-605

20. Grenda R (2012) Witamina D w przewlekłej chorobie nerek w wieku

rozwojowym, Standardy Medyczne (Pediatria) 5: 665-670