Ipofosfatemia
L’ipofosfatemia è definita come un livello di fosfato sierico inferiore a 2,5 mg/dL (0,8 mmol/L) negli adulti. Il livello normale di fosfato sierico nei neonati e nei bambini è considerevolmente più alto, fino a 7 mg/dL per i neonati.
Il fosfato è fondamentale per una vasta gamma di processi cellulari. È uno dei componenti principali dello scheletro, fornendo forza minerale alle ossa. Il fosfato è un componente integrale degli acidi nucleici che compongono il DNA e l’RNA. I legami di fosfato dell’adenosina trifosfato (ATP) trasportano l’energia necessaria per tutte le funzioni cellulari. Funziona anche come tampone nelle ossa, nel siero e nelle urine.
L’aggiunta e la cancellazione di gruppi fosfato agli enzimi e alle proteine sono meccanismi comuni per la regolazione della loro attività. In considerazione della vastità dell’influenza di questo minerale, il fatto che l’omeostasi del fosfato sia un processo altamente regolato non è sorprendente.
Fosfato nel corpo
La maggior parte del fosfato totale del corpo risiede nell’osso come parte della matrice extracellulare mineralizzata. Questo pool di fosfato è accessibile, anche se in modo piuttosto limitato. Circa 300 mg di fosfato al giorno entrano ed escono dal tessuto osseo. Perdite eccessive o la mancata aggiunta di fosfato all’osso portano all’osteomalacia.
Il fosfato è un anione prevalentemente intracellulare con una concentrazione di circa 100 mmol/L, anche se la determinazione della concentrazione intracellulare precisa è stata difficile. La maggior parte del fosfato intracellulare è complessato o legato a proteine e lipidi. In risposta alle chinasi e alle fosfatasi, questi ioni fosfato si attaccano e si staccano da diverse molecole, formando un pool in continua evoluzione. Il fosfato intracellulare è essenziale per la maggior parte, se non per tutti, i processi cellulari; tuttavia, poiché la concentrazione intracellulare di fosfato è maggiore di quella extracellulare, l’ingresso del fosfato nelle cellule richiede un processo di trasporto facilitato.
Sono state identificate diverse proteine di trasporto accoppiate al sodio che permettono l’assorbimento intracellulare del fosfato sfruttando il ripido gradiente di sodio extracellulare-intracellulare. I cotrasportatori di fosfato di sodio di tipo 1 sono espressi prevalentemente nelle cellule renali sulle membrane apicali delle cellule del tubulo prossimale e, possibilmente, delle cellule del tubulo distale. Sono in grado di trasportare ioni organici e di stimolare la conduttanza del cloruro oltre al fosfato. Il loro ruolo nell’omeostasi del fosfato non è chiaro. Altri siti di espressione includono il fegato e il cervello.
I cotrasportatori di fosfato di sodio di tipo 2 sono espressi nei reni, nelle ossa e nell’intestino. Nelle cellule epiteliali, questi trasportatori sono responsabili del trasporto transepiteliale, cioè dell’assorbimento del fosfato dall’intestino e del riassorbimento del fosfato dal liquido tubulare renale. I trasportatori di tipo 2a sono espressi nelle membrane apicali dei tubuli prossimali del rene, sono molto specifici per il fosfato e sono regolati da diversi mediatori fisiologici dell’omeostasi del fosfato, come l’ormone paratiroideo (PTH), la dopamina, la vitamina D e il fosfato alimentare. Attualmente, questi trasportatori sono ritenuti (principalmente sulla base di studi su animali) più critici per il mantenimento dell’omeostasi renale del fosfato. L’espressione o la funzione alterata di questi trasportatori è associata alla nefrolitiasi.
I trasportatori di tipo 2b sono molto simili, ma non identici, ai trasportatori di tipo 2a. Sono espressi nell’intestino tenue e sono up-regolati in condizioni di privazione di fosfato nella dieta e dalla vitamina D.
I trasportatori di tipo 2c, inizialmente descritti come trasportatori di fosfato legati alla crescita, sono un terzo membro della famiglia dei cotrasportatori di fosfato di sodio di tipo 2. Sono espressi esclusivamente sul segmento S1 del tubulo prossimale e insieme ai trasportatori di tipo 2a sono essenziali per la normale omeostasi del fosfato. Analogamente ai trasportatori di tipo 2a, anche i trasportatori di tipo 2c sono regolati dalla dieta e dal PTH. La perdita della funzione di tipo 2c provoca un rachitismo ipofosfatemico ereditario con ipercalciuria negli esseri umani, suggerendo che questi trasportatori possono effettivamente svolgere un ruolo molto più importante nella regolazione dell’omeostasi del fosfato negli esseri umani che nei roditori.
I trasportatori di tipo 3 (Pit1 e Pit2) sono stati inizialmente identificati come proteine di trasporto virale. Quasi tutte le cellule esprimono i cotrasportatori di fosfato di sodio di tipo 3; pertanto, si presumeva che questi trasportatori svolgessero un ruolo di mantenimento nel garantire un adeguato fosfato per tutte le cellule. Studi recenti, tuttavia, puntano verso un ruolo più specifico per Pit1 e Pit2, poiché Pit1 è stato implicato nello sviluppo di calcificazioni vascolari e anomalie in Pit2 sono associate allo sviluppo di calcificazioni del plesso coroideo. I fattori che regolano l’attività di queste proteine trasportatrici non sono completamente compresi. L’evidenza suggerisce, tuttavia, che questi trasportatori partecipano anche alla regolazione del trasporto transepiteliale renale e intestinale e alla regolazione della mineralizzazione ossea.
Il fosfato circolante esiste come specie idrogenata univalente o divalente. Poiché la costante di ionizzazione dell’acido (pK) del fosfato è 6,8, al normale pH sierico di 7,4 la specie divalente è 4 volte più prevalente della specie monovalente. La concentrazione di fosfato nel siero varia con l’età, l’ora del giorno, lo stato di digiuno e la stagione. La concentrazione di fosfato nel siero è più alta nei bambini che negli adulti; il range di riferimento è 4-7 mg/dl nei bambini rispetto a 3-4,5 mg/dl negli adulti. Esiste una variazione diurna, con il più alto livello di fosfato che si verifica vicino a mezzogiorno.
La concentrazione di fosfato nel siero è regolata dalla dieta, dagli ormoni e da fattori fisici come il pH, come discusso nella prossima sezione. Inoltre, poiché il fosfato entra ed esce dalle cellule sotto diverse influenze, la concentrazione di fosfato nel siero può non riflettere le vere riserve di fosfato. Spesso, le persone con alcolismo che hanno riserve di fosfato gravemente carenti possono presentarsi al trattamento medico con una normale concentrazione di fosfato nel siero. Solo dopo il refeeding i livelli di fosfato nel siero diminuiscono, spesso precipitando bruscamente a livelli pericolosamente bassi.
Omeostasi del fosfato
Il fosfato è abbondante nella dieta. Una dieta normale fornisce circa 1000-2000 mg di fosfato, due terzi dei quali vengono assorbiti, prevalentemente nell’intestino tenue prossimale. L’assorbimento del fosfato può essere aumentato aumentando l’assunzione di vitamina D e ingerendo una dieta con fosfati molto bassi. In queste condizioni, l’intestino aumenta l’espressione dei trasportatori di fosfato accoppiati al sodio per migliorare l’assorbimento del fosfato.
La regolazione del trasporto intestinale del fosfato in generale è poco conosciuta. Anche se gli studi hanno suggerito che la maggior parte dell’assorbimento del fosfato nell’intestino tenue si compie attraverso vie indipendenti dal sodio e non regolate, le indagini successive hanno suggerito che i meccanismi regolati e dipendenti dal sodio possono svolgere un ruolo maggiore nella gestione intestinale complessiva del fosfato di quanto precedentemente apprezzato. Inoltre, le cellule intestinali possono avere un ruolo nella gestione renale del fosfato attraverso l’elaborazione di sostanze fosfaturiche circolanti in risposta al rilevamento di un carico di fosfato. Studi recenti hanno confermato che la capacità del trasporto intestinale del fosfato di influenzare il trasporto renale del fosfato è dipendente dal PTH; tuttavia, il segnale alla ghiandola paratiroidea rimane sconosciuto.
L’assorbimento del fosfato può essere bloccato dai comuni antiacidi da banco contenenti alluminio, calcio e magnesio. L’uso da lieve a moderato di tali leganti del fosfato generalmente non costituisce una minaccia per l’omeostasi del fosfato perché l’ingestione dietetica supera di gran lunga le esigenze del corpo. Tuttavia, l’uso molto pesante di questi antiacidi può causare deficit di fosfato significativi. Le perdite di fosfato nelle feci sono minori (cioè, 100-300 mg/d dalle cellule intestinali scorificate e dalle secrezioni gastrointestinali). Tuttavia, queste perdite possono essere aumentate drammaticamente in persone con malattie che causano diarrea grave o malassorbimento intestinale.
L’osso perde circa 300 mg di fosfato al giorno, ma questo è generalmente bilanciato da un assorbimento di 300 mg. Il metabolismo osseo del fosfato è influenzato da fattori che determinano la formazione e la distruzione dell’osso, cioè PTH, vitamina D, ormoni sessuali, equilibrio acido-base e infiammazione generalizzata.
L’eccesso di fosfato ingerito viene escreto dai reni per mantenere l’equilibrio dei fosfati. Il sito principale della regolazione renale dell’escrezione dei fosfati è il tubulo renale prossimale precoce con qualche contributo del tubulo convoluto distale. Nel tubulo prossimale, il riassorbimento del fosfato da parte dei cotrasportatori del fosfato di sodio di tipo 2 è regolato dal fosfato alimentare, dal PTH e dalla vitamina D. Un’elevata assunzione di fosfato alimentare e livelli elevati di PTH diminuiscono l’assorbimento del fosfato nel tubulo renale prossimale, aumentando così l’escrezione renale.
Conversamente, una bassa assunzione di fosfato alimentare, bassi livelli di PTH e alti livelli di vitamina D migliorano l’assorbimento del fosfato nel tubulo prossimale. In una certa misura, il fosfato regola i propri regolatori. Alte concentrazioni di fosfato nel sangue regolano l’espressione di alcuni trasportatori di fosfato, diminuiscono la produzione di vitamina D e aumentano la secrezione di PTH da parte della ghiandola paratiroide.
La gestione del fosfato del tubulo distale è meno ben compresa. Il PTH aumenta l’assorbimento del fosfato nel tubulo distale, ma i meccanismi con cui questo avviene sono sconosciuti. L’escrezione renale di fosfato può anche essere aumentata dalla somministrazione di diuretici dell’ansa.
PTH e vitamina D erano precedentemente gli unici regolatori riconosciuti del metabolismo del fosfato. Tuttavia, diversi nuovi regolatori dell’omeostasi minerale sono stati identificati attraverso studi di fattori sierici associati a sindromi da spreco di fosfato come l’osteomalacia oncogena e le forme ereditarie di rachitismo ipofosfatemico, sono stati scoperti.
Il primo ad essere scoperto è stato un gene regolatore del fosfato con omologie alle endopeptidasi sul cromosoma X (PHEX), una endopeptidasi neutra mutata nella sindrome del rachitismo ipofosfatemico legato all’X. Le caratteristiche di questa sindrome (cioè, ipofosfatemia, spreco renale del fosfato, bassi livelli di 1,25-diidrossivitamina D) e il fatto che PHEX è stato identificato come un’endopeptidasi hanno suggerito la possibilità che PHEX potrebbe essere responsabile del catabolismo di un fattore circolante non-PTH che ha regolato il trasporto prossimale del fosfato del tubulo e il metabolismo della vitamina D. Un potenziale substrato per PHEX è stato successivamente identificato come il fattore di crescita dei fibroblasti 23 (FGF23).
Diverse linee di evidenza supportano un ruolo fosfaturico per FGF23. Un’altra sindrome di rachitismo ipofosfatemico ereditario, il rachitismo ipofosfatemico autosomico dominante, è caratterizzata da una mutazione nel gene FGF23 che rende la proteina resistente alla scissione proteolitica e, quindi, presumibilmente più disponibile per l’inibizione del trasporto renale del fosfato. La somministrazione di FGF23 ricombinante produce fosfaturia, e i topi knockout di FGF23 presentano iperfosfatemia.
La sindrome di osteomalacia oncogena, caratterizzata da rachitismo ipofosfatemico acquisito e spreco di fosfato renale in associazione con tumori specifici, è associata alla sovraespressione di FGF23. È interessante notare che in questa sindrome, la sovraespressione di FGF23 è accompagnata da altri 2 agenti fosfaturi, la fosfoglicoproteina extracellulare della matrice (MEPE) e la proteina-4 legata al frizzled. I ruoli di queste 2 ultime proteine e la loro relazione con FGF23 e PHEX sono sconosciuti.
Il ruolo fisiologico di FGF23 nella regolazione dell’omeostasi dei fosfati è ancora sotto indagine. FGF23 è prodotto in diversi tipi di tessuto, tra cui cuore, fegato, tiroide/paratiroide, intestino tenue e tessuto osseo. La fonte di FGF23 circolante non è stata stabilita in modo definitivo; tuttavia, la più alta espressione di mRNA per FGF23 nei topi è nell’osso. La produzione di FGF23 da parte degli osteoblasti è stimolata dalla 1,25 vitamina D. Al contrario, gli individui con rachitismo ipofosfatemico X-linked mostrano livelli inappropriatamente depressi di 1,25 vitamina D a causa della soppressione mediata da FGF23 dell’attività della 1-alfa idrossilasi.
Studi in pazienti con malattia renale cronica e malattia renale allo stadio finale hanno scoperto che i livelli di FGF23 aumentano con la diminuzione dei tassi di clearance della creatinina e l’aumento dei livelli di fosforo nel plasma, molto prima che vengano rilevati aumenti dei livelli di PTH nel siero. Klotho, una proteina transmembrana sintetizzata nel rene (prevalentemente nel nefrone distale), è un cofattore essenziale per gli effetti di FGF23 sulle cellule del tubulo prossimale renale. L’inattivazione o la delezione dell’espressione di Klotho provoca un’iperfosfatemia e un invecchiamento accelerato.
La relazione tra queste 2 funzioni di Klotho rimane sconosciuta. Tuttavia, Klotho ha effetti antiossidanti, antifibrotici e pro-sopravvivenza dimostrabili in tutto il corpo.
Uno studio ha anche dimostrato che i livelli di FGF23 sono diminuiti rapidamente dopo il trapianto di rene, suggerendo che FGF23 viene eliminato dal rene. Quindi, l’FGF23 residuo potrebbe contribuire all’ipofosfatemia frequentemente osservata nei pazienti post-trapianto. In giovani uomini sani senza malattia renale, l’assunzione di fosfato non ha aumentato significativamente i livelli di FGF23, suggerendo che FGF23 potrebbe non avere un ruolo nell’omeostasi acuta del fosfato.
Un’altra famiglia di fattori regolatori del fosfato è quella delle stanniocalcine (STC1 e STC2). Nei pesci, dove è stato descritto per la prima volta, STC1 inibisce l’ingresso del calcio nell’organismo attraverso le branchie e l’intestino. Tuttavia, nei mammiferi, STC1 stimola il riassorbimento del fosfato nell’intestino tenue e nei tubuli prossimali renali e STC2 inibisce l’attività promotrice del cotrasportatore del fosfato di sodio di tipo 2, mentre gli effetti sull’omeostasi del calcio sono di minore entità. Si sa molto poco sul significato clinico di questi nuovi agenti regolatori dei minerali o sulle potenziali interazioni con l’asse PTH-vitamina D o con il sistema fosfatonina-PHEX.