Význam genetiky v predikci rizika osteoporózy


Role of genetics in prediction of osteoporosis risk

Osteoporosis is in 60– 80% a hereditary disease with a characteristic multifactorial pathogenesis during which the effects of many “weak” genes interact with external factors. To date, most information relating to the correlations between genes and bone parameter variability (density, quality and metabolism) has been provided by association studies of candidate genes for osteoporosis. The best known genes related to bone density have been identified as the genes for the vitamin D, estrogen and calcitonin receptor, LRP5 and LRP6. The genes for IL‑1α and osteoprotegerin are responsible for the parameters of bone remodeling. Recently discovered genes related to bone phenotype include identified genes for hypolactasia, tetrafolate reductase and ALDH7A1. Bone size and dimensions are probably partially controlled by the PLCL1 gene. Candidate genes for osteoporosis probably also determine the production of calciotropic hormones (PTH, sex steroids) and even some extra‑osseous phenotypes (inflammation, immunity, susceptibility to malignancies). On the contrary, genes that determine extra‑osseous parameters (e. g. lipoprotein levels) are associated with the bone phenotype (the gene for ApoE is related to bone density). Association studies, though, have serious limitations. Among others, these include the influence of linkage disequilibrium associated with the close proximity of the identified genes within DNA, which may be one of the causes of false positive results. In children, where building of the skeleton is influenced predominantly by external factors (nutrition, physical activity), the relationship between candidate genes and bone mass is less close than in adults. This overview deals with the physiology and sexual differentiation of pubertal bone. It discusses the importance of identifying candidate genes in the prevention and targeted treatment of osteoporosis (pharmacogenetics) as well as the application of the FRAX (WHO) program in the ten‑year prediction of fractures in osteopenic patients.

Key words:
osteoporosis –  genetics –  candidate genes for osteoporosis –  pubertal bone –  prevention of osteoporosis –  pharmacogenetics


Autoři: I. Žofková
Působiště autorů: Endokrinologický ústav Praha, ředitel doc. MU Dr. Vojtěch Hainer, CSc.
Vyšlo v časopise: Vnitř Lék 2011; 57(1): 78-84
Kategorie: Přehledné referáty

Souhrn

Osteoporóza je z 60– 80 % onemocněním dědičným s charakteristickou multifaktoriální patogenezí, v níž dochází k interakci vlivu mnoha „slabých“ genů a vnějších faktorů. Zatím nejvíce informací o vztahu genů k variabilitě kostních parametrů (denzitě, kvalitě a metabolizmu) přinesly asociační studie kandidátních genů pro osteoporózu. Z nejznámějších genů vztahujících se ke kostní denzitě byly identifikovány geny pro receptor vitaminu D, estrogen a kalcitonin, LRP5 a LRP6. Za parametry kostní remodelace jsou odpovědné geny pro IL‑1α a osteoprotegerin. Z nedávno objevených genů vztahujících se ke kostnímu fenotypu byly identifikovány geny pro hypolaktázii, tetrafolát reduktázu a ALDH7A1. Rozměry kosti pravděpodobně částečně kontroluje gen PLCL1. Kandidátní geny pro osteoporózu pravděpodobně determinují i produkci kalciotropních hormonů (PTH, sexuální steroidy), a dokonce i ně­kte­ré mimokostní fenotypy (zánět, imunita, sklon k malignitám). Naopak geny determinující mimokostní parametry (např. hladiny lipoproteinů) jsou asociovány s fenotypem kostním (gen pro ApoE se vztahuje ke kostní denzitě). Asociační studie však mají závažná omezení, mj. také vlivem vazebné nerovnováhy související s těsnou blízkostí identifikovaných genů v DNK, jež může být jednou z příčin falešně pozitivních výsledků. U dětí, kde budování skeletu ovlivňují především faktory vnější (nutrice, pohybová aktivita), je vztah kandidátních genů ke kostní hmotě méně těsný než u dospělých. Přehledná práce se zabývá fyziologií a sexuální diferenciací pubertální kosti. Diskutován je význam identifikace kandidátních genů pro prevenci a cílenou léčbu osteoporózy (farmakogenetika) a využití programu FRAX (WHO) pro desetiletou predikci fraktur osteopenických pacientů.

Klíčová slova:
osteoporóza –  genetika –  kandidátní geny pro osteoporózu –  pubertální kost –  prevence osteoporózy –  farmakogenetika

Úvod

Osteoporóza je vysoce frekventní onemocnění s vysokou morbiditou a mortalitou v důsledku fraktur. Nejčastějšími příčinami osteoporózy jsou hypoestrinizmus a nevhodný životní styl (nízký příjem kalcia, vitaminů D a K, nedostatečná pohybová aktivita, kouření a alkoholizmus). S narůstající incidencí autoimunitních a dalších chorob přibývá nemocných s osteoporózou indukovanou glukokortikoidy a imunosupresivy, antiepileptiky nebo antikoagulačními látkami. Bohužel k „preventivním“ opatřením, které spočívají v úpravě životního stylu a substituci estrogenů, kalcia, vitaminů D a K, je často přistupováno až v době manifestního onemocnění, kdy je již indikována ekonomicky nákladná léčba. Cílem účinné prevence osteoporotických (netraumatických) fraktur je včasná identifikace rizikových jedinců v premorbidním stadiu nemoci.

Osteoporóza je do značné míry onemocněním dědičným, což dokládají výsledky studií postižených rodin. Ukázalo se, že ženy, jejichž matky měly nízkou hodnotu kostní denzity, jsou osteoporózou ohroženy více než dcery matek s normální kostní denzitou. V korelační studii u mexické populace byl dokonce nalezen vztah mezi kostní denzitou lumbální páteře babiček a jejich vnuček [1].

Heritabilita kostních fenotypů byla stanovena studiemi dvojčecích párů pomocí formule H= 2 × (rMz –  rDz), kde rMz a rDz jsou korelace zjištěné u monozygotních a dizygotních dvojčat. Hvyjadřuje míru geneticky determinované variace kostního fenotypu (ztráty kostní denzity, bio­chemických parametrů remodelace, struktury a rozměrů kosti nebo počtu fraktur) [2]. Heritabilita hodnot kostní denzity se pohybuje v rozmezí 60– 80 %, což znamená, že 60– 80 % variace kostního minerálu lze vysvětlit genetickým pozadím. Zbývajících 20– 40 % variability je pak důsledkem působení dalších vnitřních faktorů (hormony) a životního stylu (výživa, fyzická zátěž). O něco vyšší heritabilita kostní hmoty byla zjištěna v lumbální páteři (H= 0,89) než v krčku femoru (H2 = 0,77), kde se více uplatňuje vliv mechanické zátěže [2].

Metody studia genetiky osteoporózy

Osteoporóza je onemocnění jednoznačně polygenní. Každý z kostních fenotypů (denzita, kvalita, metabolický obrat) je důsledkem interakce mezi mnoha slabými geny, jejichž efekt je modulován vlivy vnějšími. Jedince disponované k osteoporóze lze identifikovat několika způsoby. Jedním z nich je analýza chromozomových lokusů, predikujících hodnotu kostní hmoty a její fragilitu (lokusy 1p36, 2p21, 5q33- 35, 6p11- 12 a 11q12-13), kostní geometrii (4p, 4q, 5q, 17 q a 19p) a remodelaci kosti (16q a 20q) [3]. V rizikových rodinách lze odpovědné geny identifikovat metodou QTL (quantitative trait loci –  oblasti chromozomů s lokusy pro kvantitativní znaky) nebo pomocí vazebných analýz, které předpokládají existenci referenčních rodin. Vazebná analýza, sledující segregaci určitého fenotypu s jednotlivými markery (LOD skóre) je založena na identifikaci mikrosatelitů (opakujících se sekvencí 2– 6 nukleotidů roztroušených po genomu). Její nevýhodou je nižší citlivost, a tedy vyšší frekvence falešně negativních výsledků. Metoda se osvědčila spíše při identifikaci monogenních onemocnění [4].

Určitý pokrok zaznamenaly asociační studie sledující vztah tzv. kandidátních genů pro osteoporózu k variabilitě vybraného fenotypu, přičemž prediktivní význam má především variabilita v exonech, které determinují sekvenci aminokyselin v příslušné bílkovině. Byly identifikovány alelické varianty jednonukleotidových polymorfizmů (SNP) genů, které kódují mineralizaci a kvalitu kosti (riziko fraktur), procesy novotvorby a odbourávání kostní hmoty i expresi humorálních faktorů regulujících kostní remodelaci nebo jejich receptorů (polymorfizmy v genech pro ESR1α, VDR, CTR, růstové faktory TGFβ1, BMP- 4, IGF-1 nebo CYP17).

Většina dosud získaných poznatků byla získána studiemi populačními, které v daném vzorku porovnávají frekvence alel a jejich vztah k určitému fenotypu u skupiny osteoporotické a kontrolní nebo u dvou různých populací. I metodicky poměrně srovnatelné studie však mnohdy přinášejí informace protichůdné. Kontroverzní výsledky asociačních studií mohou být částečně vysvětlitelné chybou související s těsnou blízkostí jiného genu. Tato vazebná nerovnováha v kandidátním genu bývá pak příčinou falešně pozitivního výsledku.

Kostní parametry mohou být kódovány také mutací v jednom jediném genu. Příkladem je aktivační mutace v genu pro LRP5 (determinuje signalizaci Wnt), která je asociována s vysokou hodnotou kostní denzity, zatímco inaktivační mutace v genu predikuje nízkou kostní denzitu (osteoporosis pseudoglioma syndrom). Mutace v doméně kolagenu typu I se manifestuje již v dětském věku jako osteogenesis imperfecta [5].

Vybrané kandidátní geny pro osteoporózu

Geny pro receptory osteotropních hormonů

První Morrissonovy zprávy o vztahu kostní denzity ke kandidátním genům pro osteoporózu se týkaly genu pro receptor vitaminu D (VDR). Přestože později někteří autoři tyto vztahy nepotvrdili, metaanalýza studií z let 1994– 2001 ukázala významnou asociaci alely B v polymorfizmu BsmI s kostní denzitou v páteři; jedinci s BB genotypem měli nižší hodnotu kostní denzity než nositelé alely b [6]. Cooper et al [7] (také v metaanalytické studii) upozornili na etnické rozdíly v asociaci polymorfizmu BsmI ke kostní denzitě. Studie u normálních nesubstituovaných postmenopauzálních žen středoevropské populace potvrdila vztah kostní denzity v kyčli k polymorfizmu FokI v genu pro VDR, ale asociaci s dalšími polymorfizmy v exonech tohoto genu (BsmI, ApaI a TaqI) se prokázat nepodařilo [8]. Kontroverzní výsledky mohou být částečně vysvětlitelné vazebnou nerovnováhou, ale především vlivem interakcí genu pro VDR s jinými geny, např. pro ESR. Významně nízké hodnoty kostní denzity byly naměřeny u pre- a peri- menopauzálních nositelek kombinace genotypu BB (ve VDR) a (– / – ) PvuII (v ESR), přestože vztahy kostní denzity k jednotlivým těmto genům prokazatelné nebyly [9].

Z dalších polymorfizmů pro receptory osteotropních hormonů byl ve vztahu ke kostní hmotě studován polymorfizmus AluI v genu pro receptor kalcitoninu (CTR). Masi et al [10] u adolescentních dívek s juvenilní artritidou zjistili, že nositelky genotypu TT měly nižší hodnotu kostní denzity v lumbální páteři než nositelky genotypu CC. Podobně studie u 729 postmenopauzálních žen asijského etnika prokázala vyšší hodnoty kostní denzity v krčku femuru i páteře u žen s kombinací alel CC a CT než TT [11]. Vztah genu pro receptor kalcitoninu (polymorfizmus C1377T) ke kostní denzitě krčku femuru (nikoli však páteře) byl nalezen i u menšího souboru normálních postmenopauzálních žen bílé rasy [12]. Naopak vztah tohoto genu k denzitě předloktí u mladých mužů řecké národnosti se potvrdit nepodařilo [13]. Zdá se tedy, že kontroverzní výsledky relativně srovnatelných studií částečně souvisí s rozdílnými etnickými a sexuálními charakteristikami souborů a zřejmě také s měřenou lokalitou skeletu.

Jak již bylo zmíněno, denzita a kvalita kosti jsou kódovány geny pro estrogenní receptory ESRα a ESRβ, přičemž gen pro ESRα má spíše vztah k frakturám, tedy ke kvalitě kosti, než k její denzitě. Identifikace tohoto genu by teoreticky mohla mít význam při výběru pacientek odpovídajících na léčbu estrogeny nebo SERM [14].

Intenzivně studovaným genem z hlediska rizika osteoporózy je gen pro kolagen typu 1 (polymorfizmus COL1A1 Sp1), který pravděpodobně determinuje kostní denzitu i kvalitu. Velká multicentrická studie GENOMOS provedená u téměř 21 000 Evropanů prokázala nezávislý prediktivní význam tohoto polymorfizmu (kombinace alel G a T) pro kostní denzitu krčku femuru i páteře a k výskytu vertebrálních fraktur [15]. K zajímavým výsledkům dospěli MacDonald et al [16], kteří také nalezli vztah kostní denzity v páteři a krčku femuru k polymorfizmu Sp1 v genu pro COLIA1, ale pouze u nesubstituovaných postmenopauzálních žen. Znamená to tedy, že tato asociace je modulována stavem estrogenní aktivity. Kvalitu kosti pravděpodobně determinuje i gen pro receptor leptinu (polymorfizmus Gln223Arg), který byl asociován s kostní denzitou a rizikem vertebrálních fraktur u kohorty evropských postmenopauzálních žen [17].

Geny LRP5 a LRP6 kódující signalizaci Wingless proteinů (Wnt)

Wnt jsou proteiny vážící se na receptory Frizzled a LRP (low density lipoprotein receptor-related protein). Přenos signálu z těchto receptorů na povrchu osteoblastů aktivuje dráhu Wnt β- catenin. Tato dráha může být blokována molekulami sklerostinu a dickkopf-related proteinem 1 (kódovaný genem DKK- 1), jejichž vyřazením (např. specifickou protilátkou) lze docílit aktivace novotvorby kosti [18].

Platnost výsledků in vitro studií dokládají i klinické analýzy. Velká švédská studie u mužů ukázala vztah mezi variabilitou kostní denzity a polymorfizmem Val667Met v genu pro LRP5 [19]. Populační studie u starších mužů sledovala vztah LRP5 a LRP6 k denzitě a kvalitě kosti. Nositelé varianty 1330Val LRP5 měli nízkou kostní denzitu v páteři i krčku femuru a 60% riziko netraumatických zlomenin, podobně jako nositelé alely 1062ValLRP6. Muži s kombinací obou těchto polymorfizmů měli pak riziko zlomenin 140 %, a to nezávisle na věku, hmotnosti, výšce nebo kostní denzitě. U žen naopak byla asociace obou polymorfizmů ke zlomeninám výrazně slabší [20]. Tyto údaje ukazují na sexuální dimorfizmus závislosti kostního fenotypu na LRP5 a LRP6.

Geny kódující remodelaci kosti

Zánětlivé interleukiny (IL) prostřednictvím RANK (jaderný aktivátor NF-κB) a jeho ligandu RANKL (cytokin, který je produkován osteoblasty a T-lymfocyty) aktivují osteoklasty, a zrychlují tak kostní resorpci. Řada autorů sledovala asociaci mezi geny pro interleukiny a kostními parametry. Recentní studie u souborů 226 osteoporotických a 224 neosteoporotických postmenopauzálních žen nalezla významný vztah polymorfizmu 174 G/ C v genu pro IL-1α ke kostní denzitě, ale pouze u souboru žen s osteoporózou. Významnou asociaci genotypů IL-1βIL-2 ke kostní denzitě se u těchto žen prokázat nepodařilo [21].

Ukazatelem kostní novotvorby je osteoprotegerin (OPG), solubilní falešný receptor pro RANKL, produkovaný osteoblasty. Brání vazbě RANKL na RANK, a tím tlumí proces osteoklastogeneze. Poměr OPG/ RANKL je měřítkem kostní remodelace. U postmenopauzálních žen čínské populace byl zjištěn vztah alely G v genu pro OPG (polymorfizmy A163G T245G) k riziku osteoporózy, ale i k míře odpovědi kosti na alendronát [22]. Studie u zhruba 1 100 australských žen vztah OPG (varianty G1181C, T950CA163G) ke kostní hmotě, k počtu fraktur nebo k bio­chemickým ukazatelům neprokázala [23]. Naopak Takács et al [24] ve studii středoevropských postmenopauzálních žen prokazují asociaci haplotypů OPGRANKL s kostní denzitou, což demonstruje interakci obou genů v regulaci kostní remodelace. Příčinu kontroverzních výsledků lze spatřovat v rozdílných metodických přístupech (kombinace vlivu dvou nebo i více genů) a ve vlivech etnických.

Metabolizmus kosti je pravděpodobně také determinován genem pro receptor leptinu, jehož polymorfizmus Gln223Arg byl u starších mužů asociován s parametry kostní remodelace [25].

Další potenciální modulátory kostních fenotypů

Nedostatečnost laktázy štěpící laktózu ve střevě vede v důsledku nesnášenlivosti mléčných výrobků ve stravě k deficitu kalcia a k osteopenii. Lze proto předpokládat, že gen kódující syntézu laktázy má prediktivní význam pro kvalitu kostní hmoty. Poměrně těsná asociace byla nalezena mezi tímto genem a hodnotou kostní hmoty a rizikem vertebrálních fraktur [14].

Existence vztahu hladin homocysteinu v séru k riziku fraktur inspirovala dánské autory k analýze asociace genu pro tetrahydrofolát reduktázu ke kostním parametrům. Jejich studie seniorské populace dvojčat nalezla asociaci polymorfizmu C677T k riziku fraktur, které bylo 1,5krát vyšší u varianty CT než CC a 1,5krát vyšší u varianty TT než CT [26]. Prediktivní význam pro riziko fraktur má tedy alela T. K podobným výsledkům později dospěl také Ongphiphadhanakul [27].

K osteoporóze má pravděpodobně vztah také gen ALDH7A1, odpovědný za detoxikaci acetaldehydu, který tlumí novotvorbu kosti. Gen byl identifikován ve studii GWAS (genome- wide association study) u souboru 700 seniorů asijského původu. SNP rs13182402 v tomto genu byl silně asociován s osteoporotickými frakturami [28]. Není známo, že by podobná studie byla realizována u bílé populace.

Riziko fraktur je dáno nejen hodnotami kostní denzity a mikrostruktury, ale i rozměry a geometrickými parametry skeletu. Protein PLCL1 (fosfolipase c-like 1), který tlumí kalciový signál aktivovaný inositol 1,4,5- trifosfátem pravděpodobně reguluje odpověď senzitivních kostních buněk (především v kyčli) na mechanickou nálož. U skupiny mužů a žen bílé rasy byl nalezen vztah rozměrů kyčle ke genu pro PLCL1 [29]. Prediktivní význam těchto genů pro kostní parametry bude třeba ověřit na větších souborech a u různých etnik.

Kandidátní geny pro osteoporózu determinují nejen kostní denzitu a kvalitu

Ně­kte­ré kandidátní geny pro osteoporózu pravděpodobně kódují produkci kalciotropních hormonů. Na souboru 112 normálních nesubstituovaných postmenopauzálních žen byly zaznamenány těsné vztahy C/T polymorfizmu v genu pro LRP5 k hladinám FSH [30] a 25OH vitaminu D [31] a polymorfizmu T1377C v genu pro CTR k hladinám sexuálních steroidů [32]. Zjištěny byly i asociace genu pro ESR s hladinami prekurzoru sexuálních steroidů androstendionu [33] a polymorfizmu FokI v genu pro VDR s hladinami PTH [34]. Studie Laaksona et al [35] mimoto ukázala, že sérové hladiny PTH jsou determinovány interakcí mezi polymorfizmy FokI v genu pro VDRBstBI v genu pro PTH. Všechna tato převážně náhodná pozorování lze interpretovat jako projev evoluce kalcium- fosfátového systému. Poznatky však bude třeba ověřit na větších souborech a s přihlédnutím k vlivu dalších kandidátních genů.

Geny pro osteoporózu mohou mít vztah i k dalším mimokostním systémům. Jak ukázala studie GENOMOS, gen pro VDR má silný vztah k zánětu a imunitě. Otázka využití osteotropních genů v predikci ně­kte­rých mimokostních chorob (karcinom prsu, tlustého střeva nebo lymfom) je zatím jen teoretická.

S kostní denzitou mohou být naopak asociovány ně­kte­ré geny, které primárně kontrolují systémy mimo kalcium- fosfátový metabolizmus. Bylo např. zjištěno, že postmenopauzální nositelky alely E4 v genu pro apolipoprotein E vykazují v průměru nižší hodnoty kostní denzity v bederní páteři než ženy s alelami E1– E3 [36]. Všechna tato pozorování ukazují na integraci kalcium- fosfátového systému do fyziologických regulací celého organizmu během evoluce.

Význam genetiky pro vývoj kostí u dětí a adolescentů

Kostní denzita se postupně zvyšuje od útlého dětství, výrazně rychleji pak v prepubertálním a pubertálním věku a v adolescenci. Z hlediska prevence osteoporózy má klíčový význam dosažení vrcholu kostní hmoty (mezi 16. a 26. rokem věku), přičemž zvýšení hodnoty vrcholu kostní denzity o 10 % znamená snížení rizika fraktur později v postmenopauze zhruba o 50 %.

Vztah kandidátních genů pro osteoporózu ke skeletu byl studován převážně u dospělých osob. Ukázalo se však, že variabilita vrcholu kostní hmoty adolescentů, kterou lze vysvětlit těmito geny, činí jen několik málo procent, přestože heritabilita kostní, svalové i tukové hmoty u pubertálních dívek je relativně vysoká (69, 50 a 75 %). Vysvětlení slabšího vztahu kandidátních genů k vývoji vrcholu kostní hmoty lze spatřovat v silné interakci s dalšími geny a s dynamickými hormonálními změnami v pubertě. Nezanedbatelný význam má i vysoká citlivost dětské kosti na vlivy vnější [37]. Hormonální monitoring a úprava životního stylu (výživa a přiměřená fyzická aktivita) v době vývoje kosti mají proto prvořadý význam pro dosažení náležité hodnoty vrcholu kostní hmoty a prevenci osteoporotických fraktur v dospělosti.

Hormonální mechanizmy aktivující pubertální vývoj kostní hmoty

Endokrinními systémy odpovědnými za pubertální vývoj kosti jsou především sexuální hormony. Růst kosti do délky a následné uzavření růstových štěrbin je pod kontrolou estrogenu, a to u obou pohlaví. S nástupem puberty je mimoto také aktivována osa somatotropin-IGF-1. IGF-1 působí přímo na úrovni skeletu, kde je (zvláště po stimulaci mechanickou náloží) syntetizován a kde aktivuje osteoblastickou novotvorbu kosti. Ve vzájemné součinnosti se sexuálními steroidy zrychluje růst kosti do délky i do šířky a posiluje budování její kortikální i trabekulární struktury. Bezprostředním projevem aktivované novotvorby je vzestup hladin osteokalcinu a kostního izoenzymu alkalické fosfatázy. Systémový IGF-1 naopak reprezentuje frakci syntetizovanou především v játrech pod kontrolou somatotropinu a estrogenu a pod stimulačním vlivem potravních bílkovin. Systémový IGF-1 působí na kalciový metabolizmus nejen na úrovni kosti, ale i mimo ni. Po vazbě na specifické receptory v ledvinných kanálcích aktivuje produkci 1,25(OH)2 vitaminu Da reabsorpci fosfátu. Ve střevě stimuluje absorpci kalcia a fosfátu. Oba tyto mechanizmy tak zrychlují mineralizaci kostní matrix [37].

Sexuální diferenciace ve vývoji pubertální kosti

U chlapců puberta nastupuje později než u dívek, ale akcelerace růstu kosti trvá 4 roky, zatímco u dívek pouze 3 roky. U dívek převažuje endostální nárůst kosti nad periostálním, který je naopak výrazněji zrychlen u chlapců. Důsledkem zesílení kortexu jsou větší rozměry mužského skeletu, který je tak proti mechanickému poškození odolnější než skelet ženský. Naopak dominující nárůst endostální kosti u dívek je účelným zařízením zajišťujícím dostatečné rezervy minerálu pro reprodukci. Základním předpokladem správného vývoje vrcholu kostní hmoty u dívek je včasný nástup puberty.

Vliv nutrice a fyzické zátěže na vyvíjející se skelet

Vývoj kosti i měkkých tkání (sval a tuk) do značné míry závisí na vnějších vlivech, které jsou snadno přístupné kontrole [37,38]. Klíčový význam pro skelet má nutriční obsah kalcia a vitaminu D, jejichž potřeba závisí na věku a pohlaví dítěte. U dětí obou pohlaví do 10 let věku se doporučovaný příjem kalcia podle různých guidelines pohybuje mezi 500 a 1 200 mg denně, u adolescentních dívek pak zhruba okolo 1 300 mg denně. Minimální doporučená dávka cholekalciferolu je 400 j. denně. Pro příznivý vývoj pubertální kosti má význam také optimální příjem magnézia (300 mg denně), dostatek makronutrientů (zvláště bílkovin mléčného původu) a přiměřená fyzická aktivita dítěte.

Pozitivní vliv fyzické zátěže na skelet je vysvětlován aktivací specifických mechanoreceptorů na osteocytech, odkud je signál přenášen sítí kanálků k mezenchymálním buňkám, jež jsou pak transformovány na preosteoblasty a osteoblasty. Míra odpovědi kosti na fyzickou zátěž je částečně determinována genem pro LRP5 a modulována estrogenem. V souvislosti s fyzickou zátěží se diskutuje také o vlivu genu SOST, který kontroluje aktivitu sklerostinu. Tato molekula novotvorbu nezatížené kosti tlumí, ale po zátěži její produkce fyziologicky klesá [39]. Fyzická zátěž mimoto stimuluje syntézu anabolicky působících molekul v kosti (IGF-1 a kysličníku dusnatého), aktivuje iontové kanály buněčné membrány a pozitivně moduluje kostní geometrii [37].

Jak již bylo naznačeno, na mechanickou nálož citlivěji než dospělý skelet odpovídá skelet prepubertální [37]. Pravidelný sportovní trénink (gymnastika) u dětí zrychluje vývoj kostní hmoty především v nosných kostech (kyčel) a má pozitivní vliv i na kvalitu kosti později v dospělém a seniorském věku. Bylo zjištěno, že incidence fraktur u 60letých bývalých atletů je významně nižší v porovnání se stejně starými nesportovci [40].

Význam fyzické zátěže pro vývoj dětského skeletu je vysvětlován mechanostatickou teorií založenou na funkci svalově-kostní jednotky. Podle této teorie je základním předpokladem zdárného vývoje pubertální kosti její adaptace na svalovou sílu. Tato adaptace je modulována estrogenem i androgeny. Není zatím jasné, proč odpověď skeletu na fyzickou zátěž po pubertě slábne. Nicméně pomocí magnetické rezonance bylo zjištěno, že vývoj svalu a kosti u mladých dospělých sportovců (tenisté) může probíhat i vzájemně nezávisle [41]. Význam svalu (objemu a síly) pro integritu skeletu v různých věkových obdobích bude třeba dále ověřovat.

Závěrečné poznámky

Osteoporóza je závažným onemocněním, které postihuje miliony lidí všech kontinentů. Proto je kladen důraz na aktivní vyhledávání osob zatížených rizikem vzniku osteoporózy a na její prevenci. Více než 10 let intenzivního hledání „major“ genu pro osteoporózu ukázalo, že takový gen neexistuje, ale že kostní hmota a její kvalita jsou determinovány vzájemnou interakcí mezi mnoha „slabými“ geny a vnějšími vlivy. Nejvyužívanější metodou je identifikace variabilit v DNK ve vztahu k určitému kostnímu fenotypu (asociační studie). Analýzy vztahu jednotlivých kandidátních genů ke kostním parametrům však mají řadu úskalí. Základní podmínkou kvalitní asociační studie je dostatečně velký populační vzorek a jeho přesná charakteristika podle věku, pohlaví, stavu menopauzy, body mass indexu, zdravotního stavu probandů a vlivu prostředí (nutrice a fyzická aktivita v období puberty). Asociačních studie jsou mimoto limitovány i tím, že většinou analyzují vztahy určitého fenotypu k náhodně vybranému polymorfizmu zkoumaného genu. Příkladem jsou výsledky multicentrické studie Uitterlindena et al [42], kteří nenalezli vztahy kostních fenotypů k nejstudovanějším polymorfizmům FokI, BsmI, ApaITaqI ve VDR, ale náhodně zaznamenali vztah výskytu vertebrálních fraktur k dosud neidentifikovanému polymorfizmu Cdx2 v témže genu.

Cestou, která do určité míry zvyšuje výpovědní hodnotu asociačních studií, je metaanalýza. Ta však většinou nebere v úvahu rozdílné experimentální podmínky analyzovaných studií ani studie s negativními výsledky. Příslibem do blízké budoucnosti je mapování kandidátních genů pomocí GWAS (genome- wide association studies) a sekvenční technologie umožňující polygenní analýzy [43].

Klíčové postavení v prevenci osteoporózy má pediatrická osteologie, jejímž cílem je selekce dětí se zvýšeným rizikem nedostatečného vývoje kostní hmoty a úprava jejich životního stylu. Jak bylo zmíněno, nutriční opatření, podobně jako fyzická aktivita mají pro vývoj skeletu největší význam, jsou-li zahájena ještě před nástupem puberty. Je však třeba poznamenat, že za určitých okolností může nepřiměřeně vysoká fyzická zátěž vyvíjející se skelet i poškodit, např. při opožděném nástupu puberty, výživové nedostatečnosti nebo u ně­kte­rých závažných interních onemocnění. Vhodnou dávku fyzické zátěže u dětí je tedy třeba individualizovat. Ukazuje se, že pro normální vývoj dětského skeletu postačí i mírnější, rekreační zátěž.

Moderním přístupem v léčbě osteoporózy je farmakogenetika. Genotypizace umožní nejen identifikovat jedince disponované k osteoporotickým frakturám, ale i predikovat odpověď kosti na antiosteoporotickou léčbu i riziko jejích vedlejších účinků. Preventivní význam estrogenní substituce u postmenopauzálních žen je ověřen dlouhodobými studiemi. Ukazuje se však, že pacientky na estrogen odpovídají lépe, či hůře v závislosti na genotypu (polymorfizmy v genech pro ESR, VDR nebo OPG). Podobně u dívek je míra odpovědi vyvíjejícího se skeletu na suplementaci vitaminem D determinována polymorfizmem FokI v genu pro VDR. Výběr antiosteoporotické léčby na základě identifikace genů odpovědných za její efektivitu tedy umožní výběr vhodného farmaka již v samém začátku léčby, což by mělo mít i význam ekonomický.

Variabilita v polymorfizmech pro receptory steroidů má prediktivní význam pro pozitivní nebo negativní odpověď na estrogen, vitamin D nebo glukokortikoidy [44]. Polymorfizmy v genu pro ESRα (varianty PvuIIXbaI) a v genu pro VDR (ApaI, BsmI, TaqI a FokI) predikují nejen kvalitu, geometrii a metabolický obrat kosti, ale i její odpověď na estrogen, selektivní modulátor estrogenních receptorů nebo vitamin D [45]. Efektivita substituce estrogeny analyzovaná po 10 letech léčby byla asociována s polymorfizmem IIe568Asn v genu P2X7 [46]. Účinnost antiosteoporotické léčby byla také determinována variacemi v genu COL1A1. Přítomnost alely G v genu pro OPG predikovala nejen riziko osteoporózy, ale i odpověď kosti na alendronát. Na základě genotypu lze předvídat riziko komplikací léčby, např. vznik osteonekrózy čelisti při podávání bisfosfonátů [47]. Genotypizace tedy může pomoci při výběru vhodného farmaka s předpokládanou maximální pozitivní odpovědí a minimálními nežádoucími účinky. Reálný význam má v prevenci netraumatických fraktur u vybraných mladších osob s vysokým rodinným výskytem nízké kostní denzity. Dosud však nebyla zařazena do obecných guidelines diagnostiky a léčby osteoporózy a její klinické využití je zatím předmětem výzkumu.

Moderním preventivním přístupem zvažujícím vliv genetiky i zevního prostředí je stanovení dlouhodobého rizika zlomenin pomocí algoritmu FRAX (WHO), který stanoví pravděpodobnost fraktury u jedince s nízkou kostní denzitou v období následujících 10 let, přičemž jsou zvažovány výskyt fraktur v osobní a rodinné anamnéze, věk, pohlaví, body mass index, etnická charakteristika, kouření, alkoholismus, event. sekundární osteoporóza a léčba glukokortikoidy. FRAX je aplikovatelný u postmenopauzálních žen a mužů ve věku 40– 90 let. Podle guidelines ně­kte­rých zahraničních autorů by léčbu měli podstoupit pacienti s 10letým FRAX skóre nad 3 % (pro kyčel) a nad 20 % (pro ostatní lokalizace skeletu) [48]. Doporučení platná v ČR zatím nebyla stanovena.

Poděkování

Práce byla podpořena grantem NR/ 9831- 4 MZ ČR.

Seznam zkratek

  • QTL –  quantitative trait loci –  oblasti chromozomů s lokusy pro kvantitativní znaky
  • ESR1α –  estrogenní receptor 1α
  • VDR –  receptor pro vitamin D
  • CTR –  receptor pro kalcitonin)
  • růstové faktory TGFβ1 –  transforming growth factor β1
  • BMP- 4 –  kostní morfogenetický faktor- 4
  • IGF-1 –  inzulinu podobný růstový faktor- 1
  • COL1A1 Sp1 –  polymorfizmus genu pro kolagen typu 1
  • LRP –  low density lipoprotein receptor-related protein
  • DKK- 1 –  Dickkopf-related protein 1 
  • RANK –  jaderný aktivátor NR-κB
  • RANKL –  ligand pro RANK
  • SERM –  modulátor receptoru pro estrogen
  • ALDH7A1 –  gen na chromozomu 31 pro detoxikaci aldehydu, který inhibuje proli­feraci osteoblastů a tlumí novotvorbu kosti
  • GWAS –  genome- wide association study
  • P2X7 –  purigenní receptor
  • AluI –  polymorfizmus v genu pro kalcitoninový receptor; produkt PCR je štěpen AluI restriktázou
  • FokI –  polymorfizmus v exonu genu pro VDR
  • BsmI, ApaI, TaqI –  intragenní polymorfizmy v genu pro VDR
  • COLIA1 Sp1 –  alely homozygotů SS a ss nebo heterozygotů Ss v genu pro kolagen typu 1
  • FRAX –  Fracture Risk Assessment Tool

prof. MU Dr. Ivana Žofková, DrSc.
www.endo.cz
e-mail: izofkova@endo.cz

Doručeno do redakce: 12. 8. 2010
Přijato po recenzi: 21. 10. 2010


Zdroje

1. Lazcano- Ponce E. Tamaro J, Diaz T et al. Correlation trends for bone mineral density in Mexican women: evidence of familiar predisposition. Salud Publica Mex 2009; 51 (Suppl 1): 93– 99.

2. Peacock M, Turner ChH, Econs MJ et al. Genetics of osteoporosis. Endocrine Reviews 2002; 23: 303– 326.

3. Ralston SH. Genetic control of susceptibility to osteoporosis. J Clin Endocrinol Metab 2002; 87: 2460– 2466.

4. Omelka R, Martiniaková, Žofková I. Genetický výskum osteoporózy: možnosti a experimentálne východiská. Osteologický bulletin 2007; 12: 11– 17.

5. Rauch F, Lalic L, Roughley P et al. Genotype- phenotype correlations in nonlethal osteogenesis imperfecta cause by mutations in the helical domain of collagen type I. Eur J Hum Genet 2010; Jan 20 (Epub ahead of print).

6. Thakkinstian A, D’Este C, Eisman J et al. Meta-analysis of molecular association studies: vitamin D receptor gene polymorphisms and BMD as a case study. J Bone Miner Res 2004; 19: 419– 428.

7. Cooper GS, Umbach DM. Are vitamin D receptor polymorphisms associated with bone mineral density? A meta-analysis. J Bone Miner Res 1996; 11: 1841– 1849.

8. Zajickova K, Zofkova I, Bahbouh R et al. Vitamin D receptor gene polymorphisms, bone mineral density and bone turnover: FokI genotype is related to postmenopausal bone mass. Physiol Res 2002; 51: 501– 509.

9. Willing M, Sowers M, Aron D et al. Bone mineral density and its change in white women: estrogen and vitamin D receptor genotypes and thein interaction. J Bone Miner Res 1998; 13: 695– 705.

10. Masi L, Cimaz R, Simonini G et al. Association of low bone mass with vitamin d receptor gene and calcitonin receptor gene polymorphisms in juvenile idiopathic arthritis. J Rheumatol 2002; 29: 2225– 2231.

11. Lee HJ, Kim SY, Kim GS et al. Fracture, bone mineral density, and the effects of calcitonin receptor gene in postmenopausal Koreans. Osteoporosis Int 2009; Nov 28 (Epub ahead of print).

12. Zofkova I, Zajickova K, Hill M et al. Does polymorphism C1377T of the calcitonin receptor gene determine bone mineral density in postmenopausal women? Exp Clin Endocrinol Diabetes 2003; 111: 447– 449.

13. Charapoulos I, Trovas G, Stathopoulou Met al. Lack of association between vitamin D and calcitonin receptor gene polymorphisms and forearm bone values of young Greek males. J Musculoskelet Neuronat Interact 2008; 8: 196– 203.

14. Obermayer- Pietsch B. Genetics of osteoporosis. Sien Med Wochenschr 2006; 156: 162– 163.

15. Ralston SH , Uitterlinden AG, Brandi ML et al. Large- scale evidence for the effect of COLIA1 Sp1 polymorphism on osteoporosis outcomes: The GENOMOS study. PLoS Medicine 2006; 3: 0515– 0522.

16. MacDonald HM, McGuigan FA, New SA et al. COL1A1 Sp1 polymorphism predicts perimenopausal and early postmenopausal spinal bone loss. J Bone Miner Res 2001; 16: 1634– 1641.

17. Fairbrother UL, Tankó LB, Halley AJ et al. Leptin receptor genotype at Gln223Arg is associated with body composition, BMD, and vertebral fracture in postmenopausal Danish women. J Bone Miner Res 2007; 22: 544– 550.

18. Glass DA2nd, Fialek P, Ahn JD et al. Canonical Wnt signaling in diferentiated osteoblasts control osteoclast differentiation. Developmental cell 2005; 8: 751– 764.

19. Grundberg E, Lau EM, Lorentzon M et al. Large- scale association study between two coding LRP5 gene polymorphisms and bone phenotypes and fractures in men. Osteoporosis Int 2008; 19: 829– 837.

20. van Meurs JB, Rivadeneira F, Jhamai M et al. Common genetic variation of the low- density lipoprotein receptor-related protein 5 and 6 genes determines fracture risk in elderly white men. J Bone Miner Res 2006; 21: 141– 150.

21. Czerny B, Kaminski A, Kurzawski M et al. The association of IL-1β, and IL-6 gene polymorphisms with bone mineral density and osteoporosis in postmenopausal women. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol 2010; Jan 6 (Epub ahead of print).

22. Wang C, He JW, Qin YJ et al. Osteoprotegerin gene polymorphism and therapeutic response to alendronate in postmenopausal women with osteoporosis. Zhonghua Yi Xue Za Zhi 2009; 89: 2958– 2962.

23. Ueland T, Bollerslev J, Wilson SG et al. No associations between OPG gene polymorphisms or serum levels and merasures of osteoporosis in elderly Australan women. Bone 2007; 40: 175– 181.

24. Takács I, Lazáry A, Kósa JP et al. Allelic variations of RANKL/ OPG signaling system are related to bone mineral density and in vivo gene expression. Eur J Endocrinol 2010; 162: 423– 431.

25. Richter L, Chevalley T, Manen D et al. Bone mass in prepubertal boys is associated with a Gln223Arg amino acid substitution in the leptin receptor. J Clin Endocrinol Metab 2007; 92: 4380– 4386.

26. Bathum L, von Bornemann Hjelmborg J, Christiansen L et al. Evidence for an association of methylene tetrahydrofolate reductase polymorphism C677T and an increased risk of fractures: results from a population-based Danish twin study. Osteoporosis Int 2004; 15: 659– 664.

27. Ongphiphadanakul B. Osteoporosis: the role of genetics and the environment. Forum Nutr 2007; 60: 158– 167.

28. Guo Y, Tan LJ, Lei SF et al. Geonome- wide association study identifies ALDH7A1 as a novel susceptibility gene for osteoporosis. PLoS Genet 2010; 6: 1000806.

29. Liu YZ, Wilson SG, Wang L et al. Identification of PLCL1 gene for hip bone size variation in females in a geonome- wide association study. PLoS One 2008; 3: 3160.

30. Zofkova I, Hill M, Zajickova K. Association of C/ T polymorphism in the LRP5 gene with circulating follicle stimulating hormone in Caucasian postmenopausal women. Physiol Res 2007; 56: 735– 739.

31. Zajickova K, Hill M, Vankova M et al. Low- density lipoprotein receptor-related protein 5 and vitamin D receptor gene polymorphisms in relation to vitamin D levels in menopause. Clin Chem Lab Med 2006; 44: 1066– 1069.

32. Zofkova I, Zajickova K, Hill M. Postmenopausal serum androstenedione levels are associated with the calcitonin receptor gene polymorphism T1377C. A pilot study. I Endocrinol Invest 2004; 27: 442– 444.

33. Zofkova I, Zajickova K, Hill M. The estrogen receptor alpha gene determines serum androstenedione levels in postmenopausal women. Steroids 2002; 67: 815– 819.

34. Zofkova I, Zajickova K, Hill M. Serum parathyroid hormone levels are associated with FokI polymorphism of the vitamin D receptor gene in untreated postmenopausal women. Eur J Internal Med 2003; 14: 232– 236.

35. Laaksonen MM, Outila TA, Karkkainen MU et al. Association of vitamin D receptor, calcium- sensing receptor and parathyroid hormone gene polymorphisms with calcium homeostasis and peripheral bone density in adult Finns. J Nutrigenet Nutrigenomics 2009; 2: 55– 56.

36. Zajickova K, Zofkova I, Hill M et al. Apolipoprotein E 4 allele is associated with low bone density in postmenopausal women. J Endocrinol Invest 2003; 26: 312– 315.

37. Bonjour JP, Chevalley T, Ferrari S et al. The importance and relevance of peak bone mass in the prevalence of osteoporosis. Salud Publica Mex 2009; 51 (Suppl I): S5– S17.

38. Cheng S, Völgyi E, Tylovsky FA et al. Trait- specific tracking and determinants of body composition: a 7 year follow-up study of pubertal growth in girls. BMC Med 2009; 7: 5.

39. Robling AG, Bellido TM, Turner CH. Mechanical loading reduced osteocyte expression of sclerostin protein. J Bone Miner Res 2006; 21 (Suppl I): S72.

40. Nordstrom A, Karlsson C, Nyquist F et al. Bone loss and fracture risk after reduced physical activity. J Bone Miner Res 2005; 20: 202– 207.

41. Ducher G, Courteix D, Meme S et al. Bone geometry in response to long-term tennis playing and its relationship with muscle volume: a quantitative magnetic resonance imaging in tennis players. Bone 2005; 37: 457– 466.

42. Uitterlinden AG, Ralston SH, Brandi ML et al. The association between common vitamin D receptor gene variations and osteoporosis: a participant- level meta-analysis. Ann Intern Med 2006; 145: 255– 264.

43. Duncan EL, Brown MA. Mapping genes for osteoporosis- old dogs and new tricks. Bone 2010; Jan 11 (Epub ahead of print).

44. Gennari L, De Paola V, Merlotti D et al. Steroid hormone receptor gene polymorphisms and osteoporosis: a pharmacogenomic review. Expert Opin Pharmacother 2007; 8: 537– 553.

45. Massart F, Marcucci G, Brandi ML. Pharmacogenetics of bone treatments: the VDR and ERα gene story. Pharmacogenomics 2008; 9: 733– 746.

46. Ohlendrorff SD, Tofteng CL, Jensen JE et al. Single nucleotide polymorphisms in the P2X7 gene are associated to fracture risk and the effect of estrogen treatment. Pharmacogenet Genomics 2007; 17: 555– 567.

47. Nguyen TV, Center JR, Eisman JA. Pharmacogenetics of osteoporosis and the prospect of individualized prognosis and individualized therapy. Curr Opin Endocrinol Diabetes Obes 2008; 15: 481– 488.

48. Siris ES, Baim S, Nattiv A. Primary care use of FRAX: absolute fracture risk assessment in postmenopausal women and older men. Postgrad Med 2010; 122: 82– 90. www.shef.ac.uk/ FRAX.

Štítky
Diabetologie Endokrinologie Interní lékařství

Článek vyšel v časopise

Vnitřní lékařství

Číslo 1

2011 Číslo 1

Nejčtenější v tomto čísle

Tomuto tématu se dále věnují…


Přihlášení
Zapomenuté heslo

Nemáte účet?  Registrujte se

Zapomenuté heslo

Zadejte e-mailovou adresu se kterou jste vytvářel(a) účet, budou Vám na ni zaslány informace k nastavení nového hesla.

Přihlášení

Nemáte účet?  Registrujte se