La proteina Gla di Matrice vitamina K-dipendente (MGP) agisce come inibitore chiave nel processo di calcificazione vascolare (VC). MGP viene sintetizzata dai condrociti e dalle cellule muscolari lisce della tonaca media vascolare (VSMC), e la sua assenza o inattività comporta un’eccessiva calcificazione sia della cartilagine di accrescimento sia del tessuto vascolare.
Questo aumento del rischio cardiovascolare è in parte causato da un processo noto come calcificazione vascolare (VC). VC è caratterizzata da un aumento dei depositi di sale di calcio nelle arterie che portano a rigidità di parete ed è un processo complesso che è simile alla formazione ossea e coinvolge il differenziamento delle cellule muscolari lisce della tonaca media vascolare (VSMC) in cellule simil-osteoblasti.
La precipitazione di calcio e fosforo in forma di cristalli di idrossiapatite è una componente importante del processo di VC. La precipitazione di idrossiapatite è inizialmente mediata da piccole vescicole membranose che formano un nidus per la calcificazione e contengono minerali e sostanze che alimentano sempre più questo processo. Tali vescicole sono denominate vescicole di matrice (MV) e sono rilasciate dalla membrana cellulare delle cellule presenti nella parete del vaso.
La proteina Gla di Matrice (MGP) contenente acido γ-carbossiglutammico (Gla) è una proteina secreta dai condrociti e dalle VSMC ed è un inibitore chiave della VC. Topi knock-out per MGP sviluppano calcificazioni estese nelle arterie e nelle cartilagini e muoiono entro sei-otto settimane dopo la nascita a causa della rottura dei vasi sanguigni. Negli esseri umani, mutazioni nel gene che codifica MGP determina la sindrome di Keutel, una malattia rara caratterizzata da calcificazioni anomali dei tessuti molli.
Sono stati ipotizzati diversi meccanismi attraverso i quali MGP inibisce il processo di calcificazione. In primo luogo, è stato suggerito che MGP leghi i cristalli di idrossiapatite mascherando così i siti di nucleazione per la crescita minerale. Pertanto, MGP potrebbe agire come un competitore nella precipitazione di idrossiapatite nella VC. In secondo luogo, MGP può legare e inattivare la proteina morfogenetica dell’osso-2 (BMP-2). BMP-2 è un fattore di crescita osteogenico, trovato in forma attiva sulle VSMC.
Leggi anche: Infiammazione e PCR: la connessione
Prima che MGP possa esercitare i suoi effetti inibitori sul processo di calcificazione, deve subire due modifiche post-traduzionali: una γ - glutammato - carbossilazione ed una serina-fosforilazione. MGP carbossilata e fosforilata è considerata la forma attiva di MGP. La carbossilazione di MGP è interamente dipendente dalla presenza del suo cofattore, la vitamina K.
Poco si sa circa i fattori coinvolti nella fosforilazione di MGP. Fosforo, calcio e magnesio sono i principali componenti della cartilagine e dell’osso. Inoltre, questi ioni svolgono un ruolo importante nella patogenesi della VC.
Effetti del Fosforo su MGP
Nell’Insufficienza renale cronica (CKD) l’iperfosforemia è una complicanza comune. Ci sono prove convincenti che quantità elevate di fosforo correlano con VC e si traducono in un maggiore tasso di mortalità cardiovascolare nei pazienti con CKD. È noto che la presenza di elevati livelli di fosforo possa accelerare la precipitazione di calcio e fosforo in forma di cristalli di idrossiapatite. Nelle VSMC murine, quantità elevate di fosforo stimolano l’espressione di Osterix, un fattore di trascrizione osteoblastica.
In condizioni fisiologiche le MV non calcificano poiché contengono inibitori della calcificazione come MGP e Fetuina-A. Tuttavia, livelli elevati di fosforo determinano un aumento del rilascio di MV che potrebbe dare inizio al processo di calcificazione e formare il nidus per la precipitazione di idrossiapatite.
Quattro studi hanno evidenziato che alti livelli di fosforo aumentano i livelli di MGP (Tabella 1). Uno studio non ha riscontrato alcun effetto del fosforo sui livelli di MGP. L’effetto del fosforo su MGP è stato prima studiato in un modello in vitro utilizzando la linea cellulare ATDC5. Le cellule ATDC5 sono state prelevate da un teratocarcinoma, differenziatosi in condrociti.
Leggi anche: Valori Alti di PCR: Cosa Significa?
L’iperfosforemia induce l’up-regulation del pathway ERK1/2-Fra-1, che è stato dimostrato essere essenziale per l’up-regulation di MGP. Il pathway ERK1/2-Fra-1 è costituito dalla cascata di ERK1/2, un membro della famiglia enzimatica Mitogen Activated Protein Kinase (MAPK) che comunica segnali extracellulari al nucleo, con conseguente trascrizione di proteine. Il blocco del segnale di trasduzione di ERK1/2 tramite U0126, un inibitore ampiamente utilizzato di MEK1/2 (chinasi a monte di ERK1/2), sopprime l’induzione fosforo-indotta di MGP, sia a livello di trascrizione di mRNA che di produzione proteica.
Inoltre, Pit-1 è un trasportatore attivo del fosforo nelle VSMC e può anche svolgere un ruolo nel pathway ERK1/2. Il segnale indotto dall’iperfosforemia tramite la fosforilazione di ERK1/2 viene soppresso in soggetti con VSMC deficitarie di Pit-1.
Uno studio recente ha studiato le MV isolate da VSMC trattate con elevati livelli di fosforo. La quantità di MGP nelle MV è rimasta invariata rispetto a MV provenienti da VSMC che non sono state trattate con alti livelli di fosforo. Questo non è concorde con i risultati che, invece, indicano il fosforo come un up-regolatore della quantità di MGP totale presente nelle VSMC. Inoltre, è stato suggerito che il fosforo riduca l’affinità di MGP per l’idrossiapatite.
In sintesi, il fosforo stimola la trascrizione totale di MGP e la sua traduzione proteica attraverso il pathway ERK1/2-Fra-1. Tuttavia la quantità di MGP nelle MV non è influenzata da elevati livelli di fosforo. Inoltre il fosforo può limitare l’affinità di MGP peri cristalli di idrossiapatite.
Effetti del Calcio su MGP
Sia in vivo che in vitro è stata dimostrata una correlazione tra il processo di calcificazione e i livelli di calcio. Questo effetto è sia indipendente che sinergico al fosforo a livelli elevati. Vari meccanismi sono responsabili degli effetti calcificanti da parte degli ioni calcio, tra cui un aumento della produzione di mineralizzazione delle MV. In presenza di alti livelli sia di fosforo sia di calcio, gli effetti calcificanti sono fortemente potenziati.
Leggi anche: Scopri Klotho
Tuttavia, nonostante gli effetti calcificanti del calcio, un livello di calcio elevato può anche indurre un aumento sia a livello trascrizionale sia proteico di MGP. Questi effetti sono descritti in quattro studi riassunti in Tabella 1. In tre studi è stato dimostrato che il calcio aumenta il livello di MGP, mentre uno studio ha rilevato una diminuzione di MGP. In un altro studio, è stato mostrato che sia il calcio sia il fosforo sono necessari per indurre un aumento di MGP in una linea cellulare MC3T3 - E1.
L’interazione tra gli ioni di calcio e fosforo è probabilmente basata sulla formazione di precipitati che stimolano la fosforilazione ERK1/2. Come precedentemente menzionato, ERK1/2 fosforilata determina un aumento sia a livello di mRNA che proteico di MGP. In VSMC aortiche umane la fosforilazione di ERK1/2 può essere mediata attraverso il CaSR. Il calcio in VSMC di ratto stimola l’up-regulation di MGP attraverso un pathway che potrebbe coinvolgere un recettore, funzionalmente legato al CaSR.
Il calcio non solo aumenta la quantità di MGP, ma può anche influenzare la sua efficacia nel prevenire VC. In presenza di quote elevate di calcio, MGP mostra una maggiore affinità per l’idrossiapatite. Questo suggerisce che il calcio induce un cambiamento conformazionale di MGP che promuove il legame MGP-idrossiapatite.
In contrasto con questi dati, uno studio ha valutato MGP presente nelle MV rilasciate da VSMC. Si è riscontrato che quando VSMC aortiche umane sono trattate con il calcio, la quantità di MGP nelle MV inizialmente aumenta, ma dopo 48 ore di trattamento MGP diminuisce.
In sintesi, la maggior parte di questi dati sostiene l’ipotesi che MGP è up-regolata in risposta a livelli di calcio elevati. Questo potrebbe implicare un meccanismo di feedback negativo nella regolazione di VC da parte di elevati livelli di calcio attraverso l’up-regulation di MGP. Tuttavia, in risposta ad elevati livelli di calcio, la quantità di MGP nelle MV si riduce.
Effetti del Magnesio su MGP
Il magnesio è ampiamente conosciuto come un inibitore di VC sia in vitro che in vivo. Il magnesio non solo previene, ma può anche diminuire la quota di VC già esistente. Alcuni studi in vitro hanno trovato che la sua funzione di inibizione viene esercitata in presenza di fosforo o calcio. I meccanismi con cui il magnesio impedisce la VC non sono pienamente stabiliti. Tra gli altri effetti, il magnesio impedisce direttamente la cristallizzazione di apatite in vitro. Inoltre, esso inibisce la via di segnalazione Wnt/β-catenina, un pathway coinvolto nella VC. Oltre a ciò, insieme ad altri ioni, il magnesio influisce direttamente sull’espressione di MGP.
La matrice organica dell’osso contiene, oltre al collagene di tipo I (ne rappresenta il 90%), anche varie classi di macromolecole.Proteoglicani Composti da glicosaminoglicani acidi, solitamente solforati, uniti assieme da brevi catene proteiche. Quelli meglio conosciuti sono:Proteoglicano di tipo I (PG-I), detto anche biglicano in quanto costituito da due molecole di condroitinsolfato unite ad una estremità da un polipeptide ricco di leucina; lo si ritrova sia nella sostanza intercellulare mineralizzata che in quella non mineralizzata adiacente alle cellule ossee e ai loro prolungamenti, il cosiddetto tessuto osteoide.Proteoglicano di tipo II (PG-II), detto anche decorina in quanto tende ad associarsi alle microfibrille collagene come a decorarle. È formato da una parte proteica analoga a quella del PG-I unita ad una sola molecola di condroitinsolfato. Lo si ritrova nella sostanza intercellulare mineralizzata ma non nel tessuto osteoide, per cui si ipotizza che abbia un ruolo nell’orientare la deposizione dei cristalli minerali lungo le micro fibrille collagene.Glicoproteine Di solito fosforilate o solfatate, includono molecole diverse alcune delle quali sono ritenute giocare un ruolo fondamentale nel controllo dei processi di mineralizzazione. Tra queste si annoverano:Osteonectina, la glicoproteina più abbondante (costituisce il 3% della matrice organica). È dotata di alta affinità per il calcio, sia come ione libero che associato in complessi di tipo cristallino. Si ritiene che essa agisca come elemento di nucleazione dei cristalli minerali, in quanto ritenuta capace di concentrare il calcio nelle sue adiacenze creando così le condizioni per avviare la precipitazione del fosfato di calcio. Si lega al collagene e all’idrossiapatiteFosfatasi alcalina, un enzima capace di idrolizzare gruppi fosfato legati a substrati organici (come il piridossal-5-fosfato) attivo in ambiente alcalino (pH 8-10). Essa potrebbe giocare un ruolo nei processi di mineralizzazione, mettendo a disposizione gli ioni fosfato per la formazione dei cristalli minerali, oppure sarebbe invece coinvolta nella sintesi della matrice organica dell’osso.Fibronectina Molecola di adesione localizzata prevalentemente nella matrice pericellulare e caratterizzata da una porzione capace di legarsi al collagene. Si ritiene che la fibronectina sia coinvolta nei processi di migrazione, adesione alla matrice e organizzazione delle cellule dell’osso.Sialoproteine, o BSP (bone sialo-proteins) Sono glicoproteine peculiari contenenti residui glicidici di acido sialico. Queste proteine posseggono una sequenza aminoacidica particolare Arg-Gly-Asp (sequenza RGD) che media l’adesione al substrato di svariati tipi cellulari, incluse le cellule dell’osso. Si ritiene pertanto che le sialoproteine ossee abbiano la funzione fisiologica di consentire l’adesione delle cellule alla matrice ossea. Se ne conoscono più tipi: osteopontina (o BSP-I), la BSP-II e la glicoproteina acida dell’osso (o BAG-75).Proteine contenenti l’acido g-carbossiglutammico (GLA), un aminoacido particolare derivato dall’acido glutammico con un ulteriore gruppo carbossilico legato al carbonio in posizione g. Il GLA incluso in una proteina possiede, nella porzione del residuo, due gruppi carbossilici liberi e ravvicinati che a pH fisiologico sono ionizzati e carichi negativamente, e pertanto capaci di agire come una sorta di chelanti per i cationi bivalenti quali lo ione calcio. Le proteine dell’osso contenenti il GLA sono di due tipi: osteocalcina (presenta un’elevata affinità di legame per l’idrossiapatite), o proteina GLA dell’osso, una piccola proteina contenente 3-5 residui di GLA. È stato ipotizzato che essa possa giocare un ruolo di inibizione della mineralizzazione in quanto ritenuta capace di legarsi allo ione calcio e di renderlo indisponibile per la combinazione con lo ione fosfato, inibendo così l’accrescimento dimensionale dei cristalli minerali. Questa ipotesi è avvalorata dalla constatazione che l’osteocalcina abbonda nel tessuto osseo maturo ed è invece scarsa nel tessuto osseo in via di formazione, nonché dal reperto che questa proteina inibisce la crescita di cristalli di fosfato di calcio in vitro. Proteina GLA della matrice è presente sia nell’osso maturo che in quello in via di formazione, nonché nella cartilagine destinata a essere sostituita da tessuto osseo, come la cartilagine di accrescimento. Il suo ruolo biologico non è chiarito.
L'osteocalcina è una proteina multifunzionale con un ruolo essenziale nel mantenimento della salute ossea e con rilevanti funzioni sistemiche emergenti nel metabolismo glucidico e lipidico. La comprensione e il monitoraggio dei suoi livelli possono fornire informazioni critiche per una vasta gamma di popolazioni, inclusi pazienti con malattie ossee, atleti e individui con malattie metaboliche.
L’osteoporosi è una malattia progressiva sistemica del tessuto osseo. È espressa attraverso una riduzione della massa minerale ossea e deterioramento della sua struttura proteica. L’insorgere di questa patologia aumenta il rischio di fratture con conseguente disabilità e morbilità e aumento della spesa sanitaria pubblica. Osteoporosi idiopatica. Osteoporosi di tipo I (osteoporosi post-menopausale) . È causata dall’aumento dell’attività osteoclastica indotta dalla diminuzione di estrogeni. Insorge nelle donne dopo l’età menopausale, e la sua frequenza è più alta nel sesso femminile rispetto all’uomo, dove l’attività riassorbitiva da parte degli osteoclasti è aumentata a causa di bassi livelli di testosterone. Osteoporosi di tipo II (osteoporosi involutiva o senile) . È fisiologica al processo di invecchiamento e di conseguenza alla diminuita attività di osteogenesi da parte degli osteoblasti. La riduzione della formazione ossea è presente sia nell’osso trabecolare che in quello corticale.
Il tessuto osseo è deputato al sostegno del corpo ed insieme al tessuto muscolare al movimento. È un tessuto dinamico che viene continuamente formato e degradato o riassorbito. Questo processo di rinnovamento e degradazione è costituito da due fasi: il modellamento e il rimodellamento. La prima è una fase attiva durante la crescita e lo sviluppo, la seconda inizia dopo che lo scheletro è completamente formato. Il rimodellamento prosegue e dura tutta la vita2. Il tessuto osseo è costituito da una matrice organica e una matrice inorganica. La matrice organica è costituita da collagene (90%) e da proteine. Le proteine sono: i proteoglicani, composti da glicosaminoglicani; le glicoproteine, quali l’osteonectina, la fosfatasi alcalina e la fibronectina; le sialoproteine o BSP (bone sialo-proteins, sialo proteine dell’osso) tra cui l’osteopontina e le proteine contenenti l’acido gamma-carbossiglutammico (GLA). Le proteine della matrice ossea che contengono il GLA sono l’osteocalcina e la proteina GLA della matrice. La matrice inorganica è formata da cristalli di fosfato e di calcio precipitati (idrossiapatite) e costituisce circa il 70% della matrice ossea. Le cellule del tessuto osseo sono gli osteoblasti, gli osteoclasti e gli osteociti. Tra il collagene del tessuto osseo e le cellule ci sono i nervi e i vasi che lo percorrono, portando nutrimento e ossigeno.
La matrice è formata da due strati che si differenziano tra loro per la consistenza e le funzioni. Il primo, osso corticale, è uno strato esterno di tessuto compatto, solido e denso, organizzato in lamelle concentriche, l’altro, osso trabecolare, è più interno e spongioso ed è costituito da lamelle di tipo parallelo. Il tessuto osseo corticale, dotato di rigidità e compattezza, costituisce le ossa lunghe degli arti e l’inserzione dell’osso con i tendini dei muscoli. È circa l’80% di tutto il tessuto osseo con azione prettamente meccanica e protettiva. L’osso trabecolare presenta un numero più elevato di cellule ed è meno resistente, costituisce le vertebre, il bacino, le costole e le estremità delle ossa lunghe. Il tessuto osseo è un importante serbatoio di elementi essenziali come il calcio, il fosforo, il magnesio e il sodio. La sua funzione di riserva minerale garantisce all’organismo una immissione di minerali in circolo necessari all’omeostasi sistemica 4. Inoltre la matrice è un deposito di citochine ed importanti fattori di crescita e il midollo osseo è un deposito di acidi grassi. Il tessuto osseo inoltre svolge un ruolo endocrino con la secrezione di osteocalcina, regolatore dei livelli di glucosio ematico e della deposizione dei grassi nel tessuto adiposo 6.
Le cellule che costituiscono il tessuto osseo sono gli osteoblasti, gli osteoclasti e gli osteociti. Gli osteoblasti intervengono nella sintesi di tessuto osseo, derivano da cellule staminali mesenchimali pluripotenti che possono differenziarsi anche in adipociti, miociti, condrociti grazie ad una serie differente di fattori di trascrizione. Gli osteoblasti sinetizzano una sostanza, l’osteoide, che favorisce la mineralizzazione ossea. Il RANK ligando è secreto dagli osteoblasti e dagli osteociti sotto la stimolazione della vitamina D, del PTH e dalla prostaglandina 2 (PGE2). Gli osteociti sono cellule multifunzionali, altamente attive, svolgono un ruolo principale in diversi processi fisiologici sia nel tessuto osseo che nell’organismo intero. Recenti studi hanno dimostrato il loro ruolo endocrino con la scoperta della secrezione di due importanti elementi10. Una proteina e un fattore endocrino. La proteina secreta dagli osteociti è la sclerostina e il fattore endocrino è il FGF-23. L’osteocita, che qualche anno fa, era definita una cellula inattiva del tessuto osseo, oggi è considerata una cellula con funzioni fondamentali per fisiologia dell’osso.
Il rimodellamento dell’osso è un processo di notevole importanza metabolica e strutturale. La sua continua rimozione e sostituzione di matrice danneggiata o invecchiata garantisce la consistenza, il rinnovo e la riparazione del tessuto. La prima fase del rimodellamento è l’iniziazione o attivazione, che consiste nella rilevazione del segnale per attivare il processo di rimodellamento. La fase 3, detta inversione, è una fase preparatoria per la successiva formazione ossea da parte degli osteoblasti. Vengono rimossi i residui di collagene per creare una superfice idonea. Quando le cavità di riassorbimento sono “ripulite” e rese idonee al processo che segue, gli osteoblasti depositano un primo strato di collagene. Denominata fase di formazione consiste in una prima deposizione di matrice organica da parte degli osteoblasti e la sua successiva mineralizzazione. Nel corso della vita si alternano fasi dove la deposizione è maggiore del riassorbimento. Come accade durante la crescita, dove nell’età pediatrica e adolescenziale si attua, in condizioni fisiologiche, solamente il modellamento. In questa fase di accrescimento non c’è riassorbimento. Al contrario, nell’età senile, la fase del riassorbimento prevale sul rimodellamento. Durante questo periodo i fattori ormonali, nutrizionali e l’attività fisica garantiscono una densità ossea ottimale.
Lo stato nutrizionale condiziona la fisiologia ossea e il suo rimodellamento. Stati nutrizionali alterati possono instaurare una condizione di osteoporosi direttamente o indirettamente. In questo caso la nutrizione deve garantire l’omeostasi del metabolismo osseo tale da non permettere il rilascio di minerali come soccorso a carenze indotte da stati nutrizionali alterati.