Современные биохимические маркеры в диагностике остеопороза

И. П. Ермакова, И. А. Пронченко (НИИ трансплантологии и искусственных органов МЗ РФ, Москва)
Медицинский научно-практический журнал <Остеопороз и остеопатии>, N1, 1998г.

      
БИОХИМИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОСТИ

      В настоящее время используются три биохимических маркера формирования кости, осуществляемого остеобластами.
      1) Костная щелочная фосфатаза (КЩФ), продуцируемая остеобластами и определяемая в сыворотке крови. Специфичность КЩФ, а также такие характеристики ее метаболизма, как время полужизни в крови, составляющее 1 - 2 дня, отсутствие метаболизма в печени, очищение из крови почками, приближают КЩФ к идеальным маркерам активности остеобластов. Предполагается, что КЩФ участвует в процессе минерализации остеоида, однако до настоящего времени функция ее окончательно не установлена. Вместе с тем показано, что синтез КЩФ возрастает в процессе дифференциации остеобластов, имеющем место в условиях ускоренного формирования кости. Получена также корреляция между уровнем КЩФ в крови и данными инвазивных методов исследования скорости формирования кости у человека (гистоморфометрией и кинетикой радиоактивного кальция в организме). Интерпретация данных исследования КЩФ, однако бывает затруднена, что связано, с одной стороны, половыми и возрастными особенностями ее активности, а с другой, - с недостаточной специфичностью методов, используемых для ее определения. Наиболее адекватными методами исследования КЩФ в настоящее время считаются радиоиммунный и иммуноферментный анализы с использованием моноклональных антител [2, 7].
      2) Остеокальцин (OK) - неколлагеновый кальций, связывающий белок с молекулярной массой 5700 д, синтезируемый остеобластами и одонтобластами и определяемый в сыворотке крови. ОК обогащен гаммакарбоксиглутаминовой кислотой, и для его синтеза требуется витамин К. Более 90 процентов синтезируемого остеобластами ОК у молодых и около 70 процентов у взрослых людей включается в костный матрикс, а остальная часть попадает в кровоток. Точно установить долю синтезированного остеобластами ОК, попадающую в кровоток, не представляется возможным, более того она может меняться в зависимости от характера метаболических нарушений в кости. Выводится О К из кровотока почками (посредством клубочковой фильтрации и деградации в почечных канальцах). При выраженном снижении клубочковой фильтрации, в частности, при хронической почечной недостаточности, уровень ОК в крови может быть завышенным. Наличие в кровотоке фрагментов ОК вследствие либо частичного его разрушения в сосудистом русле под воздействием циркулирующих протеаз, либо вследствие его разрушения в процессе резорбции кости также может приводить к завышенным значениям при определении ОК. Кроме того, уровень ОК в крови подвержен большим суточным колебаниям. Вместе с тем, получена хорошая корреляция между уровнем ОК в крови и данными инвазивных методов оценки состояния процесса формирования кости при различных метаболических поражениях скелета, и поэтому, несмотря на все вышеописанные ограничения, ОК в крови рассматривается, как один из самых информативных биохимических маркеров формирования кости и скорости "костного оборота". Наиболее адекватными методами исследования ОК в настоящее время также считаются радиоиммунологический и иммуноферментный анализы с использованием антител [2, З].
      3) Карбокси и - Аминотерминальные пропептиды проколлагена I типа (КТППКI иАТППКI). Коллаген! типа - основной белок, составляющий 90 процентов органического матрикса кости. Он синтезируется остеобластами в виде предшественника проколлагена 1 типа, который представляет собой большую молекулу, содержащую с К- и А концов частично глобулярные фрагменты (КТППКI и АТППКI), которые отделяются от основной молекулы с помощью специфических пептидаз после выброса проколлагена из клетки. Очищенная молекула коллагена I типа включается в построение фибрилл костного матрикса, а КТППКI и АТППКI выбрасываются в экстрацеллюлярную жидкость. Соотношение между количеством коллагена, откладываемого в костный матрикс и количеством КТППКI (или АТППКI), поступающего в кровоток, теоретически равняется 1, и поэтому по уровню КТППКI (АТППКI) представляется возможным судить о способности остеобластов продуцировать коллаген I типа. Поскольку молекулярная масса КТППКI составляет 100 KD, он не фильтруется почками, и, следовательно, его уровень в крови не зависит от состояния клубочковой фильтрации. КТППКI метаболизируется в печени:
      на эндотелиальных клетках печеночных синусоидов имеются специфические рецепторы, благодаря чему КТППКI быстро исчезает из кровотока (t1/2 6-8 минут). Между уровнем КТППКI в крови и данными вышеупомянутых инвазивных методов оценки формирования кости также получена хорошая корреляция. Определяются КТППKI и АТППКI в крови с помощью радиоиммунного и иммуноферментного анализов (2, 3, 5).
      
БИОХИМИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ РЕЗОРБЦИИ КОСТИ

      К специфическим биохимическим маркерам резорбции кости могут быть отнесены либо продукты деградации коллагена I типа (свободные аминокислоты и различные типы пептидов), образующиеся в результате разрушения костного матрикса под воздействием остеокластов, либо ферменты, участвующие в этом процессе.
      1) Пиридинолин (ПИД) и деоксипиридинолин (ДПИД) в моче. Костный коллаген характеризуется наличием поперечных связей между отдельными молекулами коллагена, которые играют большую роль в его стабилизации и представлены в виде пиридинолина (оксилизилпиридинолина) и деоксипиридинолина (лизилпиридинолина). Поперечные связи формируются экстрацеллюлярно после отложения молекул коллагена в матрикс, и их выход из кости в сосудистое русло возможен только в результате резорбции кости, осуществляемой остеокластами, т. е. в результате разрушения коллагена. Наиболее специфичным для костей является ДПИД, поскольку он содержится преимущественно в костях и в небольшом количестве в дентине, аорте и связках, а ПИД помимо костей в достаточном количестве еще и в хрящах. Полагают, что ПИД и ДПИД не метаболируются в организме, а экскретируются с мочой. На основании вышесказанного, ПИД и особенно ДПИД в настоящее время считают самыми адекватными маркерами резорбции кости. При этом для оценки резорбции используется такой параметр, как отношение концентрации пирилинков (ПИД и ДПИД) к концентрации креатинина в моче. Для определения ПИД и ДПИД используются высокоразрешающая жидкостная хроматография с последующей флюориметрией и иммуно-ферментный анализ с использованием антител к ПИД или ДПИД |2, б].
      2) Карбокси и- Аминотерминальные телопеатиды коллагена I типа (KTTKI, ATTK.I) в плазме и моче. Помимо кости, они присутствуют во всех тканях, которые содержат коллаген I типа. В сосудистое русло из костей телопептиды выходят исключительно в процессе резорбции, однако, данные об их метаболизме и очищении отсутствуют. Для определения KTTKI применяют радиоиммунологический метод с использованием поликлональных антител, а для определения ATTKI - иммуноферментный анализ с использованием моноклональных антител против поперечносвязанных молекул коллагена I типа [2, 6].
      3) Оксипролин в моче (ОПР). ОПР составляет около 14 процентов аминокислотного состава коллагена, продуцируемого остеобластами. ОПР образуется в результате гидроксилирования пролина в процессе посттрансляционной модификации проколлагеновых цепей, которая частично имеет тканевую специфичность. 85 -90 процентов ОП, освобождающегося из костей в результате разрушения коллагена, метаболизируется в печени и только 10 - 15 процентов - появляется в моче. При этом около 10 процентов ОПР, появляющегося в моче, составляет ОП, образующийся не в результате резорбции, а в результате деградации вновь синтезированных проколлагеновых пептидов или новых коллагеновых молекул, не использованных при построении костного матрикса. Таким образом, появляющийся в моче ОПР отражает суммарно и функцию остеобластов (процесс формирования), и функцию остеокластов (процесс резорбции), однако доля ОПР, образуемого в результате резорбции, превалирует. Используя исследование ОПР в моче для оценки скорости костного оборота, следует также иметь в виду, что он не является специфичным только для костей, поскольку содержится, хотя и в меньшем количестве, но во всех типах коллагеновых колекул. Кроме того, он может появляться в моче также в результате приема содержащей коллаген пищи.
      4) Галактозилоксилизин в моче (ГОЛ). Образуется, как и ОПР, в остеобластах в результате гидроксилирования лизина с последующим гликозилированием (присоединением галактозы). Содержится исключительно в коллагене, при этом преимущественно в коллагене I типа, находящегося в костях. Его нет в коллагеновых пептидах и поэтому он не выбрасывается из костей в процессе формирования кости, а появляется в сосудистом русле исключительно в процессе резорбции кости. Не метаболизируется в печени, экскретируется с мочой. Для определения ГОЛ используется высокоразрешающая жидкостная хроматография с последующим флю-оресцентным анализом [2].
      5) Тартратрезистентная кислая фосфатаза (ТРКФ), один из 6 изофер-ментов кислой фосфатазы, находится в большом количестве в остеокластах и секретируется ими во внеклеточную среду во время резорбции. Она присутствует и в других клетках, особенно в макрофагах. Поскольку активность ТРКФ в сыворотке крови возрастает при состояниях, характеризующихся усилением процесса резорбции кости, а также имеется корреляция между ее активностью и данными гистоморфометрии, ТРКФ используют для определения выраженности резорбтивных процессов в скелете. Однако необходимы дальнейшая оценка специфичности и диагностической ценности этого маркера, а также исследования по разработке более адекватных методов ее определения.
      
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ ФОРМИРОВАНИЯ И РЕЗОРБЦИИ КОСТИ ПРИ НЕКОТОРЫХ ВИДАХ ОП

      Постменопаузальный ОП. В основе его возникновения лежит дефицит эстрогенов, который первично влечет за собой активизацию процесса резорбции кости, с вторичным усилением процесса формирования кости вследствие спаренности обоих процессов. Потери костной массы возникают в результате преобладания резорбирующих кость процессов и могут быть как быстрыми, так и медленными в зависимости от степени усиления резорбции и степени нарушения соотношения между процессами ремоделирования кости. Поэтому для постменопаузального ОП характерно увеличение таких маркеров резорбции, как ПИД, ДПИД, KTTKI и ОПР, а также различной степени выраженности увеличение маркеров формирования кости - ОК, КЩФ и КТППI. По соотношению изменения маркеров резорбции и формирования представляется возможным судить о скорости костных потерь, предсказать риск развивающегося перелома кости, при котором находят снижение ОК. и увеличение ДПИД и ТРКФ, а также выбрать наиболее адекватную терапию:
      при высокой скорости костного оборота предпочтительны препараты, подавляющие резорбцию, а при низкой - препараты, стимулирующие формирование кости, и оценивать в дальнейшем ее эффективность [2, 3, 4, б].
      
ОП ПРИ НЕКОТОРЫХ ЭНДОКРИННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ

      1) ОП при первичном гиперпаратиреозе развивается в результате первичного усиления процесса резорбции кости остеокластами под действием ПТГ с вторичной активизацией остеобластов и процесса формирования кости. Таким образом, при первичном гиперпаратиреозе имеет место высокая скорость костного оборота, которая неизбежно сопровождается потерями костной массы, и характеризуется значительным увеличением как маркеров резорбции (ПИД, ДПИД), так и маркеров формирования кости (ОК и КЩФ) [3, 4].
      2) ОП при гипертиреозе, как и при первичном гиперпаратиреозе развивается вследствие активизации остеокластов только под влиянием тиреоидных гормонов и, таким образом, первичного усиления резорбтивных процессов в скелете. Изменения со стороны костного оборота и биохимических маркеров резорбции и формирования аналогичны изменениям при первичном гиперпаратиреозе [3,4].
      3) ОП при эндогенном (болезнь Кушинга) и экзогенном гиперкортицизме, развивающемся вследствие длительного лечения глюкокортикоидами. Патогенез возникновения костных потерь при избытке глюкокортикоидов связывают: 1) с прямым подавлением глюкокортикоидами активности остеобластов, осуществляющих формирование кости, а также 2) с увеличением резорбции кости вследствие активизации остеокластов, вызываемой ПТГ, уровень которого повышается в ответ на гипокальциемию (вторичный гиперпаратиреоз), которая может возникать в результате вызываемого глюкокортикоидами нарушния всасывания кальция в кишечнике и снижения реабсорбции кальция в почках. Таким образом, на тканевом уровне происходит подавление формирования кости, в то время как резорбция кости может быть либо нормальной, либо усиленной, что и приводит к нарушению баланса между этими двумя процессами в местах ремоделирования кости и соответственно к потере костной массы. При остеопорозе, вызванном экзогенным и эндогенным гиперкортицизмом, наблюдают снижение ОК и нормальный уровень КЩФ. Поскольку, по данным гистоморфометрии избыток глюкокортикоидов вызывает уменьшение числа остеобластов, снижение ОК может быть обусловлено как подавлением синтеза ОК активными остеобластами, так и уменьшением их числа. Вместе с тем, согласно экспериментам in vivo глюкокортикоиды стимулируют продукцию остеобластами КЩФ, и таким образом, нормальные ее значения у больных остеопорозом могут объясняться комбинацией двух противоположных влияний глюкокортикоидов на остеобласты (усиления продукции КЩФ каждой клеткой и уменьшения числа продуцирующих клеток). Показано также, что при систематическом лечении глюкокортикоидами наблюдается выраженное снижение не только ОК, но и КТППКI, составляющее соответственно 48 процентов и 38 процентов, при этом степень снижения КТППКI зависит от дозы преднизолона. Последние данные подтверждают более ранние исследования о том, что глюкокортикоиды подавляют синтез остеобластами коллагена I типа. Значительных изменений со стороны показателей резорбции кости при глюкокортикоидном остеопорозе не выявлено, так ПИД были практически нормальными, а ТРКФ имела разнонаправленные сдвиги у различных больных [2, 3, 4, 5].
      4) ОП после аллотрансплантации почки (АТП). В возникновении остеопороза после АТП играют роль как эндокринные нарушения (дефицит кальцитриола, вторичный или третичный гиперпаратиреоз), так и иммуносупрессивная терапия, включающая глюкокортикоиды и циклоспорин. Влияния ПТГ и глюкокортикои дов на процессы ремоделирования скелета нами уже описаны, что же касается циклоспорина, то он также имеет, по-видимому, прямые эффекты на популяции костных клеток, однако, данные о характере этих эффектов противоречивы: в экспериментах in vitro циклоспорин А ингибирует резорбцию кости, вызываемую ПТГ, а в экспериментах in vivo - вызывает ускорение процессов ремоделирования у крыс, с последующим развитием ос-теопении. Разнообразие факторов, влияющих на метаболические процессы в костях при АТП, определяет и разнообразие остеопатий, наблюдаемых при этом состоянии. Характер остеопатий после АТП зависит, по-видимому, от того, какой из этих факторов преобладает. ОП при АТП характеризуется следующими изменениями со стороны маркеров формирования и резорбции кости: увеличением КЩФ, как при нормальном, так и повышенном ПТГ, связанным, вероятно с лечением циклоспорином, отсутствием увеличения ОК, требующем дальнейшего осмысления, снижением КТППК1, связанным, вероятно, с глюкокортикоидами, а также увеличением ТРКФ [1, 4, 5, 7, 8].
      Таким образом, использование современных биохимических маркеров костного ремоделирования позволяет оценить состояние метаболизма в костной ткани, установить скорость обменных процессов, происходящих в ней, и, следовательно, темпы потери костной массы, влекущие за собой развитие остеопороза, а также подобрать адекватное лечение и оценить его эффективность.
      
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

      1. Шумаков В. И., Мойсюк Я. Г., Томилина И. А., Ермакова И. П. "Трансплантация почки. Нарушения минерального обмена". //Трансплантология. Руководство под ред. В. И. Шумакова. Москва "Медицина", Тула "Репроникс Лтд." - 1995. - Частная Трансплантология. Глава 17 - стр. 183 - 211.
      2. Bettica P., Moro L. "Biochemical markers of bone metabolism in the assessment ofosteoporosis"//JIFCC 1995. V. 7, issue 1, p. 16 - 22.
      3. Ebeling P. R., Peterson J. M., Riggs B. L. "Utility of type I procollagen propeptide assays for assessing abnormalities in metabolic bone diseases" // J of Bone and Mineral Research 1992, v. 7, # 11, р. 1243 - 1250.
      4. Favus M. J. Ed. Primer on the Metabolic Bone Diseases and Disorders of Mineral Metabolism//Raven Press. New York. - 1995. - pp. 1200.
      5. Oikarinen A., Autio P., Vuori J., Vaananen K., Risteli L., Kistala U., Risteli J. "Systemic glucocorticoid treatment decreases serum concentrations of carboxyterminal propeptide of type I procollagen and aminoterminal propeptide of type III procollagen" // British J of Dermatology 1992, v. 126, р. 172 - 178.
      6. Valimaki M. J., Tantela R., Jones J. D., Peterson J. M., Riggs BL. "Bone resorption in healthy and osteoporotic postmenopausal women: comparison markers for serum carboxy-terminal telopeptide of type I collagen and urinary pyridinium cross-links" //EurJ Endocrinol 1994, v. 131, p. 258 - 262.
      7. Withold W., Degenhardt S., Castelli D., Heins M., Grabensee B. "Monitoring of osteoblast activity with an immunoradiometric assay for determination of bone alkaline phosphatase mass concentration in patients receiving renal transplan-tats"//ClinicaChimicaActa 1994, v. 225, p. 137- 146.
      8. Yermakova I. P., Pronchenko I. A., BuzulinaV. p., Rekina I. V. "Biochemical features of osteoporosis (OP) following kidney transplantation" // World Congress on Osteoporosis, Amsterdam, 18-23 May, 1995. Osteoporosis International. Eds. R. Lindsay&P.J. Meunier.Vol. 6, Suppl. 1, 1996, PTu 763, p. 273.