Patofyziologie kostí a svalů 25. 4. 2007

Kostní remodelace Aktivace osteoklastů Resorbční fáze- v důsledku aktivace osteoklastů- krátká Reverzní fáze- kostní povrch je pokryt mononukleáry, ale novotvorba kosti dosud nezačala- krátká Formační fáze- produkce osteblastů ve vlnách v kostní matrix- dlouhá. Tyto buňky se postupně seřadí, proniknou do kosti jako osteocyty a podlehnou apoptóze.

Holick, M. F. J. Clin. Invest. 2006;116:2062-2072 Copyright ©2006 American Society for Clinical Investigation

Signalizace RANK (k předchozímu obrázku) 1. krok: vazba na adaptorový protein TRAF6 pomocí cytoplasmatické domény RANK. TRAF6 operuje jako zásadní adaptor, který podporuje expresi genů specificky určujících aktivaci a diferenciaci osteoklastů. „Downstream“ cíle jsou transkripční faktory jako NF-κB a molekuly , které se účastní v signální transdukci: MAP kinázy (p38 stressová kináza, JNK, ERK); komponenty cesty PI3K/Ak a mTOR (mammalian target of rapamycin). Efekty RANKL na osteoklasty vyplývá z těchto komplexních intracelulárních signálně transdukčních cest.

Molekulární charakteristiky triády OPG/RANK/RANKL RANKL náleží k rodině TNF. Tři izoformy (RANKL1, RANKL2 a RANKL3-solubilní. Membránově vázaný RANK a solubilní e OPG patří do rodiny receptorů pro TNF. OPG je „lákající“ receptor pro zábranu vazby RANKL na RANK.

Receptor aktivátor NF- B, jeho ligand a osteoprotegerin (OPG) Vyřešena interakce mezi osteoklastickými a osteoblastickými liniemi. Účastní se jí tři členové rodiny TNF a receptorů pro TNF. Osteoblasty produkují RANKL, ligand pro receptor aktivátor pro NF- B (RANK) na hemopoetických buňkách. Tento receptor aktivuje jejich diferenciaci a udržuje jejich funkci Osteoblasty produkují a sekretují osteoprotegerin (OPG), receptor, který blokuje interakci RANKL/RANK.

Receptor aktivátor NF- B, jeho ligand a osteoprotegerin (OPG) Stimulátory resorbce kosti zvyšují expresi RANKL v osteoblastech a některé také snižují expresi OPG. Kostní buňky exprimují membránově vázanou formu RANKL, a proto musí osteoblasty vstupovat do fyzikální interakce s osteoklastickými prekurzotry , aby došlo k aktivaci RANK. Solubilní RANKL mohou produkovat aktivované T-lymfocyty. Hladiny OPG rostou s věkem Polymorfismy v genu pro OPG byly asociovány s osteoporotickými frakturami a rozdíly v kostní denzitě.

Parathyroid Hormone Relation Peptide (PTHrP) PTHrP byl objeven jako mediátor syndromu "humoral hypercalcemia of malignancy" (HHM). Při tomto syndromu dochází u různých typů rakovin, obvykle v nepřítomnosti kostních metastáz, k produkci látek podobných PTH, které mohou způsobit biochemické abnormality jako Hypercalcémie Hypofosfatémie Zvýšená exkrece cAMP močí Tyto účinky se podobají účinku PTH, ale objevují se v nepřítomnosti detekovatelných cirkulujících hladin PTH.

Genetické rodiny PTH a PTHrP: PTHrP, PTH and TIP39 jsou zřejmě členy jedné genetické rodiny. Jejich receptory PTH1R a PTH2R jsou 7 transmembránovými G protein-coupled receptory.

Ligand pro receptor activator nuclear factor- kapa B ligand (RANKL) a osteoprotegrin (OPG) jako konečné efektorové cytokiny u maligních nemocí skeletu (k předchozímu obrázku). 1) Interakce RANKL s RANK podporuje diferenciaci a aktivaci osteoklastů 2) Aktivované osteoklasty způsobují humorální hyperkalcémii u malignit, osteolytických metastáz, patologických fraktur a u bolestí spojených s malignitou 3) OPG funguje jako receptor, který neutralizuje RANKL, čímž zabraňuje jeho vazbě s RANK. 4) Mnohé růstové faktory, cytokiny a hormony konvergují na úrovni RANKL a OPG a regulují diferenciaci a aktivaci osteoklastů. Il-1 a TNF podporují produkci RANKL a OPG, zatímco PTH, PTHrP a glukokortikoidy podporují produkci RANKL, ale snižují produkci OPG 5) V malém rozsahu jsou IL-1 a TNF schopny modulovat diferenciaci a aktivitu osteoklastů nezávisle na RANKL a RANK.

Poměr ligandu pro receptor activator nukleáního faktoru kapaB (RANKL) k osteoprotegrinu (OPG) u pacientů s maligním kostním onemocněním Normální stromální buńky zajišťují stabilní poměr RANKL/OPG, který je nutný pro adekvátní kostní remodelaci. Stromální buňky odvozené z obrovských tumorózních buněk zvýšeně exprimují RANKL, což má za následek zvýšení poměru RANKL/OPG s následným excesivním vývojem velkých polynukleárních osteoklastů. Myelom a některé formy karcinomu prsu produkují PTHrP, který indukuje RANKL a inhibuje OPG, což favorizuje osteolýzu a hyperkalcémii během maligního onemocnění. Opačný vývoj u rakoviny prostaty, který favorizuje spíše možnost rozvoje osteoblastického potenciálu.

OPG/RANK/RANKL jako společný efektor v kosti, imunitním systému a v cévním systému (k předchozímu obrázku. OPG, RANK a RANKL jsou selektivně produkovány četnými buněčnými typy v různých tkáních: lymfocyty, osteoblasty a endoteliální buňky. RANKL funguje jako faktor přežití pro dendritické buňky a jako osteoklastogenetický faktor po vazbě na RANK. OPG inhibuje osteolýzu a blokuje interakci RANKL/RANK. OPG/RANKL/RANK triáda se považuje za osteoimmunomodulační komplex.

Produkce látek resorbujících kost nádorem Produkce látek resorbujících kost nádorem. Nádorové buňky uvolňují proteázy, které mohou podporovat progresi tumoru přes nemineralizovanou matrix. Tyto buňky mohou uvolňovat také PTHrP, cytokiny, eicosanoidy a růstové faktory ( EGF), které mohou stimulovat osteoblastické stromální buňky k tvorbě cytokinů jako M-CSF a RANKL. RANKL se může vázat na svůj receptor RANK na osteoklastických buňkách a zvyšovat produkci a aktivaci mnohojaderných osteoklastů, které jsou schopny resorbovat mineralizovanou kost.

Table 1. Hypercalcemic Disorders A. Endocrine Disorders Associated with Hypercalcemia Endocrine Disorders with Excess PTH Production Primary Sporadic hyperparathyroidism Primary Familial Hyperparathyroidism MEN I MEN IIA FHH and NSHPT Hyperparathyroidism - Jaw Tumor Syndrome Familial Isolated Hyperparathyroidism Endocrine Disorders without Excess PTH Production Hyperthyroidism Hypoadrenalism Jansen's Syndrome B. Malignancy-Associated Hypercalcemia (MAH) MAH with Elevated PTHrP Humoral Hypercalcemia of Malignancy Solid Tumors with Skeletal Metastases Hematologic Malignancies MAH with Elevation of Other Systemic Factors MAH with Elevated 1,25(OH)2D3 MAH with Elevated Cytokines Ectopic Hyperparathyroidism Multiple Myeloma C. Inflammatory Disorders Causing Hypercalcemia Granulomatous Disorders AIDS D. Disorders of Unknown Etiology Williams Syndrome Idiopathic Infantile Hypercalcemia E. Medication-Induced Thiazides Lithium Vitamin D Vitamin A Estrogens and Antiestrogens Aluminium Intoxication Milk-Alkali Syndrome Produkce PTHrP regulovaná růstovým faktorem (GF) v tumorózních stavech. Tumorózní buňky jsou schopny být na vzdálenost (mimo kost stimulovány autokrinními růstovými faktory ke zvýšené produkci PTHrP. Ten se dostává cirkulací do kosti a podporuje resorbci kosti. Metastatické tumorové buńky v kosti jsou schopny sekretovat PTHrP, podporující resorbci kosti a sekreci parakrinních růstových faktorů, které dále udržují produkci PTHrP.

Svalové dystrofie (MD) skupina vrozených nezánětlivých progresivních svalových onemocnění bez abnormalit centrálního nebo periferního nervstva. Postihuje svaly definitivní degenerací svalových vláken bez morfologických aberací.

MD U většiny typů MD se rozvíjí mnohočetná progresivní svalová slabost v proximálně distálním směru; u části izolovaná slabost distální části dolních končetin. Rozvoj strukturálních kontraktur měkkých tkání a deformace páteře. Kontraktury typu equinovarus, postupně rigidní. Kontraktury se horší, pokud je pacient upoután na křeslo. Rychle se rozvíjející skolióza. FVC se snižuje, další omezení kardiovaskulárního systému, špatná prognóza quod vitam.

Klasifikace MD Genetické abnormality v genech pro specifické svalové bílkoviny (dystrofin).Klasifikace podle klinických fenotypů, patologie a způsobu dědičnosti. Dědičnost: gonosomálně vázaná, autosomálně recesivní, autosomálně dominantní. Dědičné MD Gonosomálně vázané MD Beckerova Duchennova Emery-Dreifussova

Klasifikace MD Autosomálně dominantní Facioscapulohumerálníl Distální Okulární Okulofaryngeální Autosomálně recesivní – forma ramenního pletence

Genetické defekty a dystrophin U formy vázné na X (Duchennova a Beckerovy dystrofie) je defekt na krátkém raménku chromosomu X. Hoffman a spol. identifikovali defektní lokus v oblasti Xp21 (2 milióny bp). Gen kóduje Dp427, komponentu cytoskeletu buněčné membrány. Dystrofin se exprimuje také v hladké svalovině, v srdeční svalovině a v mozku.

Genetické defekty a dystrofin Defekty v exonech a v promotorové oblasti, které mění rychlost transkripce, vedou k tvorbě nestabilního, neefektivního proteinu, např. u Duchennovy MD. Narušení translace proteinu (mutace typu frame shift) vede k tvorbě proteinů s nižší molekulární hmotností, které jsou méně altivní a vedou k rozvoji Beckerovy MD. Defekt Emery-Dreifussovy MD na Xq28 lokusu. Část případů má zřejmě autosomálně dominantní dědičnost. Autosomálně recesivní MD s poruchou ramenního pletence má defekt na 13q12 lokusu. Autosomálně dominantní Facioskapulohumerální MD s defektem na 4q35 Distální MD s defektem na 2q12-14

Patofyziologické aspekty MD Mnoho proteinů se účastní v komplexních interakcích membrány svalové buňky a extracelulární matrix. Pro stabilitu sarkolemmy jsou důležité dystrofin a s dystrofinem asociované glykoproteiny (DAG). Gen pro dystrofin leží na X chromosomu blízko lokusu p21 a kóduje bílkovinu Dp427 s 3685 aminokyselinami. Dystrofin představuje jen asi 0,002% z celkového množství bílkovin v příčně pruhovaném svalu, ale má zásadní podíl na udržování integrity membrány svalové buńky.

Patofyziologické aspekty MD Dystrofin agreguje jako homotetramer v oblasti kostamer kosterních svalů a dobře asociuje s aktinem v N-terminální části aktinu a s DAG komplexem v C-terminální části. Tvoří tak stabilní komplex, který vstupuje do interakce s lamininem v extracelulární matrix. Výpadek funkce dystrofinu vede k buněčné nestabilitě v těchto vztazích s progresivním oslabením intracelulárních komponent. To vede k vysokým hladinám kreatin fosfokinázy (CPK) u pacientů s duchennovou MD. Méně aktivní formy dystrofinu mohou ještě fungovat jako sarkolemmální kotva, ale nejsou už tak efektivní jako regulátor vstupu do buňky, protože dovolí poškození intracelulárních komponent. To je případ klasické Beckerovy dystrofie. U Duchennovy i Beckerovy MD dochází k postupnému zániku svalových buněk a k invazi makrofágů. Na membránách dystrofických buněk dochází k expresi HLA antigenů I. Třídy. Tyto buňky se stávají cílem pro útok T lymfocytů.

Lokalizace kostamer v buňkách kosterního svalu Ervasti, J. M. J. Biol. Chem. 2003;278:13591-13594

Síť proteinů kostamer Ervasti, J. M. J. Biol. Chem. 2003;278:13591-13594

Patofyziologické aspekty MD Aktivovaný komplement a cytotoxické T-lymfocyty byly identifikovány v dystrofických svalech.časem dochází k náhradě mrtvých svalových buněk fibrózně tukovým infiltrátem, což se klinicky jeví jako pseudohypertrofie postiženého svalu. Nedostatek funkčních svalových jednotek způsobuje slabost a vede ke kontrakturám. U jiných typů MD dochází k defektům v komplexu DAG v důsledku mutací v autosomech. Rozdíly ve fenotypu.