L’osso è un tessuto sottoposto a un complesso processo di rinnovamento costante, indispensabile al mantenimento dell’efficienza scheletrica. Tale equilibrio può essere alterato da una serie di condizioni patologiche. Negli ultimi anni, nell’ambito della medicina di laboratorio, è stato discusso il possibile ruolo di alcuni biomarcatori nella diagnostica e nel follow-up di tali patologie. In primo luogo si pensi all’utilizzo clinico nel follow-up di pazienti oncologici. Lo scheletro rappresenta pertanto una sede privilegiata di metastatizzazione per questi tumori. Il carcinoma del polmone è senza dubbio uno dei più importanti tumori osteofili: diversi studi hanno sperimentato il potenziale dei vari marker nel follow-up di questi pazienti.
Tra le diverse patologie ossee, il più deciso innalzamento del marcatore è stato registrato nello studio della malattia di Paget. La fosfatasi alcalina ossea può infatti aumentare da 10 fino a 25 volte rispetto alla norma; per confronto, nel rachitismo si osserva un incremento nell’ordine delle 2-4 volte (con normalizzazione a seguito della terapia, che consiste nella supplementazione di vitamina D), aumento moderato nel caso dell’osteomalacia, infine valori generalmente nella norma nel caso dell’osteoporosi.
Osteocalcina (OC)
L'osteocalcina è una proteina formata da 49 aminoacidi, sintetizzata dagli osteoblasti (cellule che producono la sostanza fondamentale delle ossa). Per questo motivo, il parametro è altamente specifico per valutare lo stato del ricambio del tessuto osseo. Nonostante venga secreta anche dagli odontoblasti e dai condrociti periferici, la funzione più studiata dell'osteocalcina rimane quella sulla mineralizzazione ossea.
Una volta sintetizzata, l'osteocalcina viene in gran parte depositata nella matrice dell'osso e in misura inferiore secreta nella circolazione sanguigna, dove si ritrovano anche i relativi frammenti generati a livello epatico, renale ed ematico. Poiché l'osteocalcina è sintetizzata dagli osteoblasti, lega gli ioni calcio ed ha affinità per l'idrossiapatite, si ipotizza che un aumento dei suoi livelli in circolo sia spia di un aumentato processo di formazione e mineralizzazione dell'osso; per contro, essendo assimilata dall'osso neoformato ed ivi conservata, ed esercitando un'azione chemiotattica nei confronti degli osteoclasti, l'aumento dei livelli sierici di osteocalcina può evidenziare anche un elevato catabolismo della matrice ossea.
L'osteocalcina può costituire fino al 3% delle proteine dell'osso e solo in piccola parte viene riversata nel circolo ematico. Il dosaggio di questo parametro è eseguito per controllare lo stato di salute dello scheletro e diagnosticare la presenza o meno di una malattia delle ossa. L'esame dell'osteocalcina può essere prescritto con la M.O.C. Alti livelli di osteocalcina si osservano in malattie ossee caratterizzate da un aumento del turnover osseo, quali: morbo di Paget, cancro associato a metastasi ossee, iperparatiroidismo primario e osteodistrofia renale. Un valore di osteocalcina più basso, invece, segnala che la formazione e rigenerazione degli osteoblasti è lenta e ridotta.
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Nota: l'intervallo di riferimento dell'esame può cambiare in funzione di sesso, età e strumentazione in uso nel laboratorio analisi. Per questo motivo, è preferibile consultare i range riportati direttamente sul referto.
Osteodistrofia Renale (OR) e Marcatori di Turnover Osseo (BTM)
L’insufficienza renale cronica (IRC) provoca alterazioni biochimiche che si riflettono a livello sistemico, provocando fragilità ossea con incremento delle fratture, calcificazioni extrascheletriche, aumento delle morbilità ed aumento della mortalità cardiovascolare. Il complesso meccanismo fisiopatologico sottostante riflette l’instaurarsi di una sindrome tipica dell’IRC, detta CKD-MBD (Chronic Kidney Disease - Mineral and Bone Disorders), che comprende le alterazioni biochimiche e sistemiche a livello minerale e osseo, tra cui l’osteodistrofia renale (OR). Per questo motivo è indispensabile una diagnosi precoce, in modo da prevenire l’insorgere delle complicanze più gravi. Una diagnosi precisa dei disturbi ossei e la conseguente somministrazione della migliore terapia è difficile senza l’esecuzione di una biopsia ossea. Tuttavia, ultimamente, il focus diagnostico si sta spostando su una serie di molecole, i bone turnover markers (BTM), generati dal tessuto osseo durante il processo di rimodellamento, che si stanno rivelando un utile strumento diagnostico nella definizione dell’osteodistrofia renale.
I BTM si dividono in molecole di formazione (propeptide aminoterminale del procollagene di tipo 1, P1NP; osteocalcina, OC; fosfatasi alcalina ossea, bALP) e molecole di riassorbimento osseo (telopeptide reticolato carbossi-terminale del collagene di tipo 1, CTX; isoforma 5b della fosfatasi acida resistente al tartrato, TRAP-5b). Vi sono inoltre i biomarkers di metabolismo osseo come il paratormone (PTH), il fattore di crescita dei fibroblasti 23 (FGF23) e la sclerostina. Nonostante PTH sia una delle molecole più utilizzate, P1NP, bALP, CTX e TRAP-5b si sono dimostrati superiori nella discriminazione di patologie a basso turnover.
Patogenesi dell'Osteodistrofia Renale
L’insufficienza renale cronica (IRC) è direttamente correlata con l’insorgenza di iperparatiroidismo. Una riduzione dei livelli di vitamina D è osservabile già per valori di filtrato glomerulare (eGFR, Estimated Glomerular Filtration Rate) < 90 ml/min [1]. La progressiva riduzione della funzione renale, generalmente al di sotto di un eGFR di 59 ml/min/1.73 m2 [2], causa successivamente la perdita di meccanismi di equilibrio dell’omeostasi minerale garantiti dal rene. Il danno inizia con la perdita progressiva di nefroni funzionanti e la conseguente riduzione della quota di fosfato escreta per nefrone: in condizioni di normalità, il fosforo viene escreto con le urine grazie all’azione del fattore di crescita dei fibroblasti 23 (FGF23), secreto dagli osteociti, che si lega al co-recettore a-Klotho formando il complesso FGF23 - α−Klotho - FGFR e bloccando il riassorbimento tubulare del fosfato, con conseguente escrezione urinaria [3].
Quando la quota di fosfato escreta si riduce si ha un aumento del fosfato circolante con conseguente iperfosforemia [2, 4]. FGF23 e il suo co-recettore a-Klotho sono i principali responsabili della perdita dell’omeostasi minerale nell’IRC. Oltre all’azione diretta sul tubulo renale, FGF23 riduce la sintesi di calcitriolo (1,25-OH-D3) inibendo l’enzima di sintesi (1a-idrossilasi) e stimolando uno degli enzimi di degradazione (24-idrossilasi). La riduzione dei livelli di calcitriolo provoca di riflesso anche una down-regulation dei recettori VDR e CaSR intestinali (recettori rispettivamente della vitamina D e del calcio) con conseguente ridotto assorbimento di vitamina D e di calcio a livello intestinale, provocando ipovitaminosi D ed ipocalcemia [5].
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FGF23 agisce anche in modo diretto sulle paratiroidi, esercitando un feedback inibitorio sulla secrezione di paratormone (PTH). Quest’ultimo agisce a livello osseo:
- stimolando gli osteoblasti a secernere RANKL (Receptor Activator of Nuclear Factor kappa-B Ligand) ed attivando così il riassorbimento osseo da parte degli osteoclasti;
- stimola il riassorbimento tubulare di calcio e l’enzima 1-alfa-idrossilasi, mediando la trasformazione della 25OHD3 in 1,25OHD3;
- infine inibisce il riassorbimento di fosfati [6].
Queste alterazioni biochimiche si riflettono a livello sistemico, provocando fragilità ossea con incremento delle fratture, calcificazioni extrascheletriche (vascolari e dei tessuti molli), aumento delle morbilità e della mortalità cardiovascolare [6]. Il coinvolgimento osseo consiste in alterazioni a livello del turnover osseo, che può risultare in un eccesso di rimaneggiamento del tessuto osseo (alto turnover) o, al contrario, in una sua eccessiva soppressione (basso turnover), della mineralizzazione (normale o alterata) e del volume osseo (ridotto, normale o elevato). Questo provoca cambiamenti istologici e l’instaurarsi di diversi disturbi ossei che vengono denominati Osteodistrofia Renale (OR), diagnosticati solamente con Biopsia Ossea e classificati secondo la classificazione elaborata da Moe et al.
Nei pazienti con IRC la porzione ossea maggiormente interessata è la corticale ossea, che va incontro a un incremento della porosità e a una riduzione di spessore [9]. Questo si verifica più frequentemente nei pazienti che presentano un disturbo ad alto turnover e si associa maggiormente a fratture a livello extra-assiale (bacino e ossa lunghe), mentre fratture a livello assiale (vertebrale) sono generalmente conseguenti a un basso volume e a un ridotto spessore trabecolare [10]. In entrambi i casi, si ha un aumento del rischio di fratture da fragilità, con una progressione del rischio direttamente proporzionale all’aggravarsi dell’IRC: da 15/1000 pazienti all’anno per IRC stadio 1 a 46.3/1000 pazienti all’anno per IRC stadio 4 per le fratture dell’anca [11].
Le conseguenze extrascheletriche sono principalmente a carico del distretto cardiovascolare e dei tessuti molli. A livello cardiaco l’aumento dei livelli di FGF23 e l’attivazione del suo recettore FGFR4 a livello dei miocardiociti provoca ipertrofia ventricolare sinistra [15], sostenuta anche dall’aumento della volemia causata dalla modulazione dell’espressione di ACE2 esercitata da FGF23 [16]. A livello vascolare e dei tessuti molli, l’aumento dei livelli di fosforo e dei livelli di calcio (questi ultimi in genere su base iatrogena per l’assunzione di farmaci a base di calcio o con azione che favorisce l’instaurarsi di ipercalcemia) promuove la calcificazione delle strutture extrascheletriche [17].
Diagnostica dell'Osteodistrofia Renale
Ad oggi il gold standard per la diagnosi delle anomalie ossee causate dalla CKD-MBD è la biopsia ossea e la relativa analisi istomorfometrica, che permette di valutare gli elementi cellulari dell’osso (osteoblasti, osteoide, osteoclasti), la microarchitettura trabecolare, e i parametri statici e dinamici di volume, mineralizzazione e turnover dell’osso [20]. Tuttavia, la sua invasività, i costi e la ridotta expertise sul territorio ne hanno fortemente limitato l’uso [21]. Per questo motivo spesso si utilizzano metodi diagnostici meno invasivi, ma con diverse limitazioni, perché danno informazioni limitate sulla bone quantity (BQT) o sulla bone quality (BQL).
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Per esempio, l’assorbimetria a raggi X (Dual Energy X-ray Absorptiometry, DXA) permette di valutare la Bone Mineral Density (BMD: g/cm2): parametro indicativo della BQT, mentre il Trabecular Bone Score (TBS) è un parametro indicativo della BQL che fornisce informazioni sulla microarchitettura trabecolare dell’osso e rappresenta un indicatore indipendente di rischio fratturativo nei pazienti con IRC nelle fasi più avanzate [22, 23] e nei pazienti trapiantati [24]. In ogni caso la DXA non è in grado di fornire informazioni sulla qualità dell’osso, né sui parametri di microarchitettura, mineralizzazione e turnover osseo; quindi, non informa sul tipo di osteodistrofia renale sottostante (OR): infatti uguali valori di BMD possono essere associati a diverse forme di OR [12, 25, 26] .
La tomografia computerizzata quantitativa periferica ad alta risoluzione (HR-pQCT) permette di valutare tridimensionalmente la densità ossea e di analizzare la qualità dell’osso corticale e trabecolare [28]. Di conseguenza, stabilire con precisione il tipo di OR e la conseguente migliore terapia per prevenire e/o curare il disturbo sottostante è difficile senza l’esecuzione di una biopsia ossea. Tuttavia, di recente, il focus diagnostico si sta spostando su una serie di molecole, i bone turnover markers (BTM), generati dal tessuto osseo durante il processo di rimodellamento, e la cui presenza in circolo, a seconda dei valori, potrebbe informare sul tipo di turnover osseo presente. Com’è noto, l’osso va ciclicamente incontro a processi di formazione di tessuto, a carico degli osteoblasti, seguiti da processi di riassorbimento, ad opera degli osteoclasti [12, 29] .
Marcatori Specifici di Turnover Osseo
Propeptide Aminoterminale del Procollagene di Tipo 1 (P1NP)
Il propeptide aminoterminale del procollagene di tipo 1 (P1NP) è un frammento rilasciato quando il collagene viene depositato nella matrice ossea e viene pertanto considerato un marker di formazione ossea. La sua forma trimerica non ha clearance renale, pertanto è considerato un BTM affidabile nei pazienti con IRC [30], mentre la monomerica è metabolizzata dal rene: non distinguere le due forme potrebbe portare a una sovrastima dei suoi livelli nei pazienti con IRC. Nello studio di Salam et al. [31] P1NP intatto si è mostrato un biomarcatore predittivo per la definizione di un basso turnover osseo (area under the curve, AUC = 0.794 per P1NP < 57 ng/ml), significativamente più affidabile del PTH (AUC = 0.563 per PTH < 183 pg/ml). Anche Jørgensen et al. [32] hanno confermato il dato di P1NP nella diagnosi di basso turnover osseo, con un’AUC di 0.83 per P1NP < 49.8 ng/ml, ma anche nella definizione di alto turnover osseo, dove è risultato significativamente migliore rispetto a PTH (AUC = 0.850 per P1NP > 120.7 ng/ml vs AUC = 0.780 per PTH > 143.5 pg/ml).
Osteocalcina (OC) nel Contesto dell'IRC
L’osteocalcina (OC) o Bone GLA Protein, è una proteina vitamina K-dipendente rilasciata dagli osteoblasti; la forma precorritrice (decarbossilata) dell’OC subisce un processo di carbossilazione, mediato dalla vitamina K, a tre diversi siti (i residui glutammici 17, 21 e 24) che la converte nella sua forma attiva in grado di legarsi ai cristalli di idrossiapatite dell’osso, dove regola la mineralizzazione [34]. Le sue principali funzioni sembrerebbero l’inibizione della mineralizzazione ossea e la successiva regolazione dei processi di maturazione del tessuto osseo neo-deposto: a sostegno di questa tesi uno studio di Ducy et al. ha dimostrato che topi knock-out per OC sviluppano quadri di iperostosi [34, 35]. Il suo coinvolgimento nella definizione del turnover osseo ha mostrato una buona sensibilità nella discriminazione di pattern ossei a basso turnover [36] [37]. Tuttavia, l’OC sembrerebbe avere un ruolo anche a livello delle calcificazioni vascolari [38] [39]. Lo studio VIKI (Vitamin K Italian Study) ha analizzato la correlazione tra livelli di OC e fratture vertebrali e calcificazioni vascolari su 387 pazienti in emodialisi provenienti da 18 centri italiani, evidenziando livelli di OC significativamente inferiori nei pazienti con calcificazioni vascolari a livello aortico ed iliaco (-36%, 164 vs. 262.1 mcg/L, p = 0.0003 and 162 vs. 206 mcg/L, p = 0.0108, rispettivamente) e nei pazienti con fratture vertebrali (-29%, 151 vs. 213 mcg/L, p = 0.0091) [40].
Fosfatasi Alcalina Ossea (bALP)
La fosfatasi alcalina ossea (bALP), è una proteina omodimerica presente sulla superficie degli osteoblasti; durante il processo di mineralizzazione viene clivata da una fosfolipasi, e secreta a livello sierico [42]. Non ha clearance renale, pertanto è anche lei un BTM affidabile nell’IRC. Nello studio di Salam et al. bALP è risultata promettente nella discriminazione di pazienti con basso turnover (AUC 0.824 per bALP < 21 mcg/L), rispetto al PTH (AUC = 0.563 per PTH < 183 pg/ml). Tale dato è stato confermato sia da Bervoets et al., in uno studio condotto su 84 pazienti macedoni con IRC non in dialisi [36], dove bALP ha mostrato una sensibilità dell’83% nella definizione di pazienti con osso adinamico, e da Jørgensen et al. [32], che ha evidenziato un’AUC di 0.82 per bALP < 24.2 mcg/L rispetto all’AUC di PTH di 0.770 (per PTH < 90.5 pg/ml). Nei pazienti con alto turnover l’AUC è risultata di 0.750 per bALP > 31 mcg/L, sovrapponibile a quella di PTH (0.760 per PTH > 327 pg/ml) nello studio di Salam et al. [31] e di 0.830 per bALP > 33.7 mcg/L vs AUC del PTH di 0.780 (per PTH < 143.5 pg/ml) nello studio di Jørgensen et al. [32]. Inoltre, l’ALP sembra avere anche un ruolo nel predire il rischio fratturativo dei pazienti con IRC: Maruyama et al. [43], analizzando i dati del registro giapponese su pazienti con IRC in dialisi, hanno dimostrato che in 185.277 pazienti i livelli di ALP erano indipendentemente associati alla mortalità e all’incidenza di fratture dell’anca.
Telopeptide Reticolato Carbossi-terminale del Collagene di Tipo 1 (CTX)
Il telopeptide reticolato carbossi-terminale del collagene di tipo 1 (CTX), che ha origine dagli osteoclasti, aumenta a livello sierico durante i processi di riassorbimento osseo. La clearance di CTX è renale e vi è quindi una correlazione tra l’aumento dei livelli di CTX e il peggioramento della funzione renale [45]. In uno studio su 69 pazienti con IRC stadio 4-5D [31] l’AUC di CTX per la diagnosi di basso turnover osseo è risultata 0.766 (per CTX <0.84 ng/ml), con una sensibilità del 60% e una specificità dell’84%; nella discriminazione di alto turnover osseo CTX ha presentato un’AUC di 0.762 (per valori > 2.39 ng/ml) con una sensibilità del 53% e una specificità del 96%. Inoltre, uno studio di Okuno et al. ha confermato l’ipotesi che i valori sierici di CTX possano fornire importanti informazioni sul grado di perdita ossea; in particolare, valutando il terzo distale del radio nei maschi in trattamento emodialitico, si è visto che aumentati livelli di CTX erano associati a perdita ossea [46].
Telopeptide a Legame Amminico-terminale del Collagene di Tipo 1 (NTX)
Anche il telopeptide a legame amminico-terminale del collagene di tipo 1 (NTX), un altro prodotto della degradazione del collagene, si accumula nel plasma dei pazienti uremici in modo proporzionale all’aumento dell’IRC [47]. Tuttavia uno studio condotto su 37 pazienti con IRC stadio 1-4 [48] ha sottolineato la possibile utilità di questo BTM, se monitorato nel tempo nella sua escrezione urinaria, per valutare la progressione dell’osteodistrofia renale in pazienti con IRC non in dialisi.
Isoforma 5b della Fosfatasi Acida Resistente al Tartrato (TRAP-5b)
L’isoforma 5b della fosfatasi acida resistente al tartrato (TRAP-5b) è un enzima prodotto dagli osteoclasti nel processo di degradazione della matrice ossea; di conseguenza, alti liv...
Tabelle Riepilogative
Tabella 1. Distinzione istologica dell’osteodistrofia renale nell’insufficienza renale cronica tramite classificazione TMV secondo Moe et al.
| Classificazione | Descrizione |
|---|---|
| Alto Turnover | Eccessivo rimaneggiamento del tessuto osseo |
| Basso Turnover | Eccessiva soppressione del rimaneggiamento osseo |
| Mineralizzazione Normale o Alterata | Valutazione della mineralizzazione ossea |
| Volume Osseo | Ridotto, normale o elevato |
Tabella 2. BTM: Molecole Utilizzate nella Valutazione del Turnover Osseo
| BTM | Descrizione |
|---|---|
| PTH | Paratormone |
| ALP | Fosfatasi alcalina |
| bALP | Fosfatasi alcalina ossea |
| P1NP | Propeptide aminoterminale del procollagene di tipo 1 |
| P1CP | Propeptide carbossiterminale del procollagene di tipo 1 |
| TRAP-5b | Isoforma 5b della fosfatasi acida resistente al tartrato |
| CTX | Telopeptide reticolato carbossi-terminale del collagene di tipo 1 |
| NTX | Telopeptide a legame amminico-terminale del collagene di tipo 1 |
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