Zastosowania kliniczne oznaczania biomarkerów przebudowy kości

Zastosowania kliniczne oznaczania biomarkerów przebudowy kości

diagnostyka laboratoryjna Journal of Laboratory Diagnostics
2011 • Volume 47 • Number 2 • 219-222
Rekomendacje • Recommendations
Zastosowania kliniczne oznaczania biomarkerów
przebudowy kości. Nowe zalecenia Grupy Roboczej
Międzynarodowej Fundacji Osteoporozy
- Międzynarodowej Federacji Chemii Klinicznej
ds. Standaryzacji w zakresie Markerów Przebudowy Kości
Clinical utility of bone turnover markers. New recommendations
of the International Osteoporosis Foundation- International
Federation of Clinical Chemistry Working Group on
Standardization of bone turnover markers
Grażyna Odrowąż-Sypniewska1,2, Wiesław Nowacki 3
1
Katedra i Zakład Diagnostyki Laboratoryjnej, 2członek korespondencyjny Grupy Roboczej IOF-IFCC, 3Katedra i Zakład Ortopedii i Traumatologii Narządu Ruchu, Collegium Medicum, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Bydgoszcz
Streszczenie
Zaprezentowano nowe zalecenia międzynarodowej Grupy Roboczej Międzynarodowej Fundacji Osteoporozy (IOF) i Międzynarodowej Federacji Chemii Klinicznej (IFCC) ds.Standaryzacji w zakresie Markerów Przebudowy Tkanki Kostnej dotyczące
zastosowania tych biomarkerów w różnych sytuacjach klinicznych, a przede wszystkim dla przewidywania ryzyka złamań
i monitorowania leczenia osteoporozy. Przedstawiono argumenty przemawiające za wyborem N-końcowego propeptydu prokolagenu typu I (s-PINP) jako markera referencyjnego do oceny kościotworzenia oraz C-końcowego telopeptydu kolagenu
typu I oznaczanego w surowicy (s-CTx) jako markera referencyjnego do oceny resorpcji kostnej.
Summary
A recent recommendation of International Osteoporosis Foundation and International Federation of Clinical Chemistry and
Laboratory Medicine Working group on Bone Marker standards has been presented. IOF and FCC recommend that a marker
of bone formation (serum procollagen type I N propeptide, sPINP) and a marker of bone resorption (serum C-telopeptide of
type I collagen, s-CTx) are used as reference analytes for bone turnover markers in clinical studies.
Słowa kluczowe:osteoporoza, złamania kości, biomarkery przebudowy tkanki kostnej
Key words:osteoporosis, bone fractures, bone remodeling markers
Wstęp
Oznaczanie biochemicznych wskaźników przebudowy tkanki
kostnej nie jest stosowane do rozpoznania metabolicznych
chorób kości, w tym osteoporozy, ale ma ważne i udokumentowane zastosowanie dla przewidywania ryzyka złamań
(przede wszystkim u kobiet po menopauzie) i monitorowania
leczenia osteoporozy. Ponadto wykorzystuje się je do przewidywania stopnia utraty masy kostnej, identyfikacji osób zagrożonych osteoporozą wtórną, przewidywania odpowiedzi
na terapię farmakologiczną i kontroli przestrzegania zaleconego leczenia u pacjentów z osteoporozą [11].
Brak zastosowania biomarkerów kostnych do diagnostyki
metabolicznych chorób kości wynika nie tylko z niedostatecznej ich swoistości względem tkanki kostnej, ale także
z relatywnie wysokiej zmienności biologicznej i nie zawsze
znamiennych różnic w stężeniach niektórych biomarkerów
oznaczanych u osób zdrowych i w populacjach chorych.
Wszystkie typy osteoporozy, zarówno pierwotnej jak i wtórnej, są związane z zaburzeniami procesów przebudowy
tkanki kostnej (remodelingu). Jeśli podłożem tych zaburzeń
jest wzrost aktywności osteoklastów, co odzwierciedla wysoki stopień przebudowy, stężenia biomarkerów zwykle są
podwyższone. Z kolei, jeśli proces patologiczny jest związany z niskim stopniem przebudowy i aktywność osteoblastów
219
Zastosowania kliniczne oznaczania biomarkerów przebudowy kości. Nowe zalecenia Grupy Roboczej Międzynarodowej ...
jest niska, stężenia biomarkerów mogą pozostawać w zakresie wartości referencyjnych.
Należy brać pod uwagę zmienność dobową i sezonową stężenia biomarkerów kostnych ponieważ może wystąpić przejściowe nasilenie procesów przebudowy nie mające związku z żadną patologią. W celu zminimalizowania fluktuacji
stężeń oznaczanych markerów pobieranie materiału biologicznego musi być wystandaryzowane. Przy oznaczania
biochemicznych wskaźników przebudowy kostnej w moczu
standaryzacja pobierania materiału biologicznego polega na
wykonywaniu oznaczeń w próbkach moczu pochodzących
z pierwszej lub drugiej porannej porcji lub ze zbiórki dobowej. Ze względu na rytm dobowy wydzielania biomarkerów
nie zaleca się stosowania przygodnych próbek moczu. Niezbędna jest normalizacja stężenia biomarkera wobec stężenia kreatyniny.
Pobieranie krwi do uzyskania surowicy/osocza w celu badania biomarkerów kostnych również wymaga standaryzacji pomimo, iż wewnątrzosobnicza zmienność dobowa jest
znacznie niższa aniżeli przy zastosowaniu moczu. Próbki
krwi należy pobierać rano zawsze o tej samej porze, od badanych na czczo, a podczas transportu do laboratorium należy zabezpieczyć je przed wpływem światła słonecznego.
Biochemiczne wskaźniki przebudowy kości a przewidywanie ryzyka złamań
Związany z menopauzą niedobór estrogenów u kobiet prowadzi do zwiększenia szybkości i jednocześnie rozprzężenia
przebudowy kostnej [5]. Wzrost szybkości procesów przebudowy utrzymuje się przez wiele lat po menopauzie, czego
konsekwencją jest nasilona utrata masy kostnej i obniżona
gęstość mineralna kości [11]. Wykazano, że wzmożona utrata masy kostnej w okolicy przedramienia i z kości udowej jest
związana ze wzrostem ryzyka złamań kręgów, niezależnym
od ostatecznej wartości gęstości mineralnej kości (BMD) [3].
Zatem wysoki stopień przebudowy kości może być uznany
za czynniki predykcyjny złamań.
Istnieją także inne sytuacje, w których nasilenie przebudowy
kostnej, niezależnie od BMD, powoduje wzrost ryzyka złamań [10]. W wyniku przyspieszonej przebudowy nowosyntetyzowana tkanka jest słabiej zmineralizowana i zawiera mniej
wiązań sieciujących, które powstają w wyniku potranslacyjnych modyfikacji kolagenu co może wpływać niekorzystnie
na właściwości strukturalne kości. Zmiany mikroarchitektury
kości mogą prowadzić do zwiększonej łamliwości szkieletu
[2].
W przeważającej większości badań prospektywnych wykazano, że stężenie niektórych biomarkerów kościotworzenia
lub resorpcji jest znamiennie związane z ryzykiem złamań.
Ponadto jest wiele doniesień wskazujących na fakt, iż u kobiet po menopauzie cechujących się niską BMD podwyższone stężenie biochemicznych wskaźników przebudowy kości
dodatkowo zwiększa ryzyko złamania [4]. Przykładem może
być związek pomiędzy niezależnym od BMD stężeniem
C-końcowego telopeptydu kolagenu typu I (CTx) oznacza220
nego w moczu markera resorpcji, a prawdopodobieństwem
wystąpienia złamania kości udowej w okresie 10 lat u kobiet
po menopauzie, który jest znacznie bardziej istotny niż związek między BMD a ryzykiem złamania [6].
Liczba badań przeprowadzonych u mężczyzn jest znacznie
mniejsza, ale ich wyniki także wskazują na celowość stosowania oznaczeń biochemicznych wskaźników przebudowy
dla przewidywania ryzyka złamań. W badaniach fińskich
stwierdzono, że u starszych mężczyzn obniżony wskaźnik
wyliczany jako stosunek karboksylowanej osteokalcyny do
całkowitej osteokalcyny w surowicy był związany ze zwiększonym ryzykiem złamań [11].
Istnieje jednak szereg ograniczeń stosowania biomarkerów
w celu przewidywania ryzyka złamań. I tak, w różnych badaniach wykazano różną wartość predykcyjną poszczególnych biochemicznych markerów dla oceny ryzyka złamań.
Dla przykładu: stężenie osteokalcyny w surowicy może być
bardzo silnym, umiarkowanym albo wręcz nieistotnym czynnikiem predykcyjnym ryzyka złamań, podczas gdy stężenie
niektórych biomarkerów resorpcji takich jak wolna deoksypirydynolina (DPD) lub CTx w moczu, ale już nie N-końcowy
telopeptyd kolagenu typu I (NTx) czy całkowita DPD, ma silniejszy związek z ryzykiem złamań.
Związek pomiędzy biochemicznymi wskaźnikami przebudowy tkanki kostnej a ryzykiem złamań zależy też od zastosowanej metody oznaczenia tych wskaźników. Wartość predykcyjna biomarkerów przebudowy tkanki kostnej dla oceny
ryzyka złamań byłaby najistotniejsza gdyby nie istniał związek pomiędzy nimi a gęstością mineralną kości. Tymczasem
obserwuje się słabą odwrotną zależność między BMD a stężeniem biomarkerów, której istotność rośnie z wiekiem [11].
Dla oceny ryzyka złamań wykorzystuje się wiele informacji
dotyczących niezależnych od BMD czynników ryzyka. Do
takich niezależnych czynników ryzyka złamań zalicza się:
wiek, płeć, występowanie złamań w przeszłości oraz szereg
klinicznych czynników ryzyka. W roku 2009 wprowadzono
do oceny ryzyka złamań współczynnik FRAX uwzględniający wyżej wymienione niezależne czynniki ryzyka złamań
[7]. Aktualnie podejmowanie decyzji o rozpoczęciu leczenia
osteoporozy opiera się na indywidualnie wyliczonym współczynniku FRAX określającym prawdopodobieństwo wystąpienia złamania osteoporotycznego w okresie najbliższych
10 lat [8].
Stężenia biomarkerów nie zostały jeszcze włączone do algorytmu FRAX ze względu na niedostatek danych z populacyjnych badań prospektywnych, dotyczących pojedynczych
analitów jak również brak danych z różnych regionów geograficznych świata. Dotychczasowe dane pochodzą przede
wszystkim z krajów europejskich.
Biochemiczne wskaźniki przebudowy kości a monitorowanie leczenia osteoporozy
Stężenie biochemicznych wskaźników przebudowy kości
cechuje się szybkimi i dużymi zmianami w odpowiedzi na
leczenie farmakologiczne stosowane w osteoporozie. Szyb-
G. Odrowąż-Sypniewska i W. Nowacki
ka odpowiedź wskaźników przebudowy na leczenie farmakologiczne pozwala na ustalenie odpowiedniej dawki leku
i sposobu jego dozowania.
Ponadto oznaczenia biomarkerów przebudowy tkanki kostnej znalazły zastosowanie w badaniach nad nowymi rodzajami leków, które mogą zostać w przyszłości wykorzystane
w terapii metabolicznych chorób kości, w tym osteoporozy.
Dzięki badaniom odpowiednio dobranych biomarkerów można w pewnym stopniu poznać mechanizm działania danego
leku. Badania przeprowadzone in vitro z zastosowaniem
hodowli osteoklastów pozwoliły na ustalenie, które związki
o potencjalnym działaniu antyresorpcyjnym faktycznie ograniczają funkcję resorpcyjną tych komórek (obniżenie stopnia
degradacji kolagenu typu I i obniżenie stężenia uwalnianego
CTx), a które oddziaływują na etapie niedojrzałych preosteoklastów ograniczając ich proliferację (obniżenie stężenia
wewnątrzkomórkowej winiano-opornej fosfatazy kwaśnej
izoenzymu 5b).
Obniżenie stężenia biomarkerów, a w szczególności biomarkerów resorpcji, następuje w ciągu kilku dni lub tygodni od
rozpoczęcia terapii antyresorpcyjnej. W przeciwieństwie do
tego zmiany gęstości mineralnej kości wymagają znacznie
dłuższego okresu czasu (miesiące lub nawet lata). Dodatkowo, zmiany stężenia biochemicznych wskaźników przebudowy są znaczne, np. po zastosowaniu bisfosfonianów stężenie biomarkerów resorpcji obniża się średnio o 50% lub
więcej podczas gdy wzrost BMD jest zaledwie umiarkowany
(5%). W oparciu o te fakty uzasadnione jest wykorzystanie
biomarkerów przebudowy kości w badaniach klinicznych do
monitorowania efektów leczenia.
Odpowiedzi pacjentów na leczenie mogą być bardzo zróżnicowane i zależą od sposobu leczenia oraz rodzaju oznaczanego biomarkera. Na zmiany stężenia danego biomarkera
będzie miał wpływ mechanizm działania zastosowanego
leku [11]. Przykładowo, podawanie kobietom po menopauzie bisfosfonianów (np. alendronianu) jako leku antyresorpcyjnego powoduje wczesne, już po tygodniu, obniżenie stężenia markerów resorpcji (NTx) o około 50% a dopiero po
następnych około 4 tygodniach obniżenie o połowę stężenia biomarkera kościotworzenia (N-końcowego propeptydu
prokolagenu typu I-PINP) [1]. Świadczy to o prawidłowym
sprzężeniu procesów resorpcji i kościotworzenia w danym
miejscu szkieletu. Odzwierciedleniem zmian w stężeniu biomarkerów będzie przyrost BMD obserwowany po dłuższym
okresie czasu.
Zupełnie inna może być odpowiedź na leczenie preparatem hormonalnym o działaniu anabolicznym, teryparatydem
(1-34 aminokwasowy fragment PTH). Podanie teryparatydu
powoduje szybki (w okresie do 6 tygodni) wzrost stężenia
biomarkera kościotworzenia (PINP) o około 200% i następujący później wolniejszy (po 3 tyg.) wzrost stężenia biomarkera resorpcji (NTx) o około 50% [1]. Tak szybki wzrost stężenia biomarkerów kościotworzenia nie jest wynikiem nasilonej
przebudowy tkanki kostnej lecz odzwierciedla bezpośredni
wpływ hormonu na osteoblasty.
Dawka zastosowanego leku oraz sposób jego podawania także mają wpływ na zmiany stężenia biochemicznych
wskaźników przebudowy. Oznaczając w odstępach co
3 miesiące przez okres jednego roku, jeden marker kościotworzenia i jeden marker resorpcji i porównując w tym samym czasie zmiany gęstości mineralnej kości można ustalić najskuteczniejszą dawkę leku i określić odstęp czasu
w jakim powinien on być podawany aby zachować szybkość
przebudowy kości na właściwym poziomie i podtrzymać powolny przyrost BMD. Badania takie przeprowadzono przy
stosowaniu denosumabu w różnych dawkach, podawanego
w iniekcjach podskórnych co 6 miesięcy [9].
Wykazano, że w przypadku niektórych leków (denosumab,
alendronian, zoledronian) ich podawanie w iniekcjach podskórnych lub dożylnych daje lepsze efekty (szybsze obniżenie resorpcji) niż przyjmowanie drogą doustną. Należy
zaznaczyć, że iniekcje dożylne niektórych leków wystarczy
stosować w odstępach rocznych, aby były skuteczne.
Spośród biomarkerów resorpcji kości najsilniej na leczenie
antyresorpcyjne odpowiada CTx a najsłabiej TRAP 5b natomiast wśród biomarkerów kościotworzenia większe zmiany
dotyczą PINP niż izoenzymu kostnego fosfatazy alkalicznej
(BALP). Wiedza na temat mechanizmu działania leków pozwala dobrać najlepsze biomarkery do monitorowania efektów terapii farmakologicznej w osteoporozie.
Standaryzacja metod oznaczeń biomarkerów przebudowy kości
Mimo wieloletnich wysiłków nadal brak jest pełnej standaryzacji metod oznaczania biochemicznych wskaźników przebudowy tkanki kostnej, systemów międzynarodowej kontroli
i opracowanych wartości referencyjnych dla każdego analitu
zarówno dla dzieci jak i kobiet w różnych grupach wiekowych oraz mężczyzn. Standaryzacja wymaga ustanowienia
metod referencyjnych, dokładnego określenia czynników
przedanalitycznych i rodzaju materiału biologicznego stosowanego do badań, opracowania metod zautomatyzowanych
umożliwiających rutynowe stosowanie testów w dużych laboratoriach.
Najnowsze zalecenia Grupy Roboczej Międzynarodowej
Fundacji Osteoporozy (IOF) - Międzynarodowej Federacji
Chemii Klinicznej (IFCC) ds. Standaryzacji w zakresie Markerów Przebudowy Kości
Grupa Robocza IOF-IFCC zadecydowała o wyborze spośród biomarkerów kościotworzenia N-końcowego propeptydu prokolagenu typu I oznaczanego w surowicy (s-PINP)
jako markera referencyjnego dla oceny kościotworzenia [11].
Przemawiają za tym następujące kryteria:
–– stężenie PINP (m.cz. wynosi ponad 35 kDa) odzwierciedla
syntezę białka najpowszechniej występującego w kości –
kolagenu typu I. Metoda immunochemiczna do oznaczania PINP jest zautomatyzowana i powszechnie dostępna;
oznacza się w niej trimer PINP (nienaruszona cząsteczka
PINP) lub monomer i trimer (całkowity PINP)
–– żaden z produktów powstających podczas syntezy kola221
Zastosowania kliniczne oznaczania biomarkerów przebudowy kości. Nowe zalecenia Grupy Roboczej Międzynarodowej ...
genu typu I nie jest wyłącznie swoisty dla kości jednak
przyjmuje się, że większość PINP powstaje podczas kościotworzenia (syntezy kolagenu).
Wykazano, że s-PINP może być traktowany jako czynnik
predykcyjny ryzyka złamań i doskonale nadaje się do monitorowania terapii u pacjentów z osteoporozą. Zmienność
biologiczna i analityczna s-PINP zostały dokładnie określone podobnie jak sposób pobierania materiału biologicznego, postępowania z próbką i stabilność analitu. Zalecanym
materiałem biologicznym do oznaczenia PINP jest surowica
lub osocze.
Grupa Robocza IOF-IFCC zadecydowała o wyborze
C-końcowego telopeptydu kolagenu typu I oznaczanego
w surowicy krwi (s-CTx), spośród innych dostępnych biomarkerów, jako markera referencyjnego dla oceny resorpcji
kostnej o udokumentowanym znaczeniu dla przewidywania
ryzyka złamań i monitorowania leczenia osteoporozy [11].
Przemawiają za tym następujące kryteria:
–– dobrze scharakteryzowany analit, może stanowić materiał
referencyjny; metoda immunochemiczna do oznaczania
s-CTx jest zautomatyzowana i powszechnie dostępna
–– żaden z produktów degradacji kolagenu typu I nie jest wyłącznie swoisty dla kości jednak większość CTx pochodzi
z osteoklastycznej resorpcji kości.
Wykazano, że s-CTx może być traktowany jako czynnik
predykcyjny ryzyka złamań i doskonale nadaje się do monitorowania terapii u pacjentów z osteoporozą. Zmienność
biologiczna i analityczna s-CTx zostały dokładnie określone
podobnie jak sposób pobierania materiału biologicznego,
postępowania z próbką i stabilność analitu. Zalecanym materiałem biologicznym do oznaczenia CTx jest surowica lub
osocze wersenianowe.
W podsumowaniu należy zaznaczyć, że spośród biochemicznych wskaźników przebudowy żadnego markera nie
można określić mianem „złotego standardu”. Oznaczanie,
zgodnie z zaleceniem IOF-IFCC, dwu wybranych markerów
referencyjnych niewątpliwie przyczyni się do zgromadzenia
większej ilości danych na temat przydatności ich zastosowania w różnych sytuacjach klinicznych i umożliwi szybsze
włączenie ich oznaczania do rutynowej praktyki.
Pracę przygotowano, po części, w oparciu o najnowsze zalecenia IOF-IFCC opublikowane w lutym 2011 za zgodą S.
Vasikaran [11].
Piśmiennictwo
1. Arlot M, Meunier PJ, Boivin G. i wsp. Differential effects of teriparatide and alendronate on bone remodeling in postemenopausal women assessed by histomorphometric parameters. J
Bone Miner Res 2005; 20: 1244-1253.
2. Dempster DW. The contribution of trabecular architecture to
cancellous bone quality. J Bone Miner Res 2000; 15: 20-23.
3. Finigan J, Greenfield D, Blumshon A i wsp. Risk factors for vertebral and non-vertebral fracture over 10 years. J Bone Miner
Res 2008; 23: 75-85.
4. Gerdhem P, Ivaska KK, Alatalo SL i wsp. Biochemical markers
of bone metabolism and prediction of fracture in elderly women.
J Bone Miner Res 2004; 19: 386-393.
222
5. Jilka RL. Biology of the basic multicellular unit and the pathophysiology of osteoporosis. Med Pediatr Oncol 2003; 41: 182-185.
6. Johnell O, Oden A, De Laet C i wsp. Biochemical indices of
bone turnover and the assessment of fracture probability. Osteoporos Int 2002; 13: 523-526.
7. Kanis JA. On behalf of the World Health Organisation Scientific
Group 2008, Assessment of osteoporosis at the primary healthcare level. www.shef.ac.uk/FRAX/ index.htm
8. Kanis JA, Burlet N, Cooper C i wsp. On behalf of European Society for Clinical and Economical Aspects of Osteoporosis and
Osteoarthritis (ESCEO) 2008, European Guidance for the diagnosis and management of osteoporosis in postmenopausal
women. Osteoporos Int 2008; 19:399-428.
9. Mc Clung M, Lewiecki E, Cohen S. i wsp. Denosumab in postmenopausal women with low bone density. N Engl J Med 2006;
354: 821-831.
10. Szulc P, Delmas P. Biochemical markers of bone turnover: potential use in the investigationa and management of postmenopausal osteoporosis. Osteoporos Int 2008; 19: 1683-1704.
11. Vasikaran S, Eastell R, Bruyere O i wsp. Markers of bone turnover for the prediction of fracture risk and monitoring of osteoporosis treatment : a need for international reference standards.
Osteoporos Int 2011; 22: 391-420.
Adres do korespondencji:
Katedra i Zakład Diagnostyki Laboratoryjnej
Collegium Medicum, Uniwersytet Mikołaja Kopernika
ul. M. Skłodowskiej–Curie 9, 85-094 Bydgoszcz
e-mail: [email protected]
Zaakceptowano do publikacji: 21.03.2011