Hypophosphatemia

Hypophosphatemia jest definiowana jako poziom fosforanów w surowicy mniejszy niż 2,5 mg/dL (0,8 mmol/L) u dorosłych. Normalny poziom fosforanów w surowicy u noworodków i dzieci jest znacznie wyższy, do 7 mg/dl u niemowląt.

Fosforan jest krytyczny dla niezwykle szerokiego wachlarza procesów komórkowych. Jest jednym z głównych składników szkieletu, zapewniającym wytrzymałość mineralną kości. Fosforan jest integralnym składnikiem kwasów nukleinowych, które składają się na DNA i RNA. Wiązania fosforanowe trójfosforanu adenozyny (ATP) przenoszą energię niezbędną do wszystkich funkcji komórkowych. Pełni również funkcję bufora w kościach, surowicy i moczu.

Dodawanie i usuwanie grup fosforanowych do enzymów i białek to powszechne mechanizmy regulacji ich aktywności. Biorąc pod uwagę szeroki zakres oddziaływania tego minerału, fakt, że homeostaza fosforanu jest wysoce regulowanym procesem nie jest zaskakujący.

Fosforan w organizmie

Większość całkowitego fosforanu w organizmie znajduje się w kościach jako część zmineralizowanej macierzy pozakomórkowej. Ta pula fosforanów jest dostępna, choć w nieco ograniczony sposób. Około 300 mg fosforanu dziennie wchodzi i wychodzi z tkanki kostnej. Nadmierna utrata lub brak uzupełniania fosforanu w kości prowadzi do osteomalacji.

Fosforan jest anionem głównie wewnątrzkomórkowym o stężeniu około 100 mmol/l, chociaż określenie dokładnego stężenia wewnątrzkomórkowego było trudne. Większość wewnątrzkomórkowych fosforanów jest albo skompleksowana lub związana z białkami i lipidami. W odpowiedzi na działanie kinaz i fosfataz, te jony fosforanowe przyłączają się i odłączają od różnych cząsteczek, tworząc stale zmieniającą się pulę. Wewnątrzkomórkowy fosforan jest niezbędny dla większości, jeśli nie wszystkich, procesów komórkowych; jednakże, ponieważ wewnątrzkomórkowe stężenie fosforanu jest większe niż zewnątrzkomórkowe, wejście fosforanu do komórek wymaga ułatwionego procesu transportu.

Zidentyfikowano kilka białek transportowych sprzężonych z sodem, które umożliwiają wewnątrzkomórkowy wychwyt fosforanu poprzez wykorzystanie stromego gradientu sodu między zewnątrzkomórkowym a wewnątrzkomórkowym. Kotransportery fosforanu sodu typu 1 ulegają ekspresji głównie w komórkach nerek na apikalnych błonach komórek kanalików proksymalnych i, prawdopodobnie, komórek kanalików dystalnych. Są one zdolne do transportu jonów organicznych i stymulowania przewodnictwa chlorkowego oprócz fosforanów. Ich rola w homeostazie fosforanów nie jest jasna. Inne miejsca ich ekspresji to wątroba i mózg.

Kotransportery fosforanu sodu typu 2 ulegają ekspresji w nerkach, kościach i jelitach. W komórkach epitelialnych transportery te są odpowiedzialne za transport transepitelialny, czyli wchłanianie fosforanów z jelit i reabsorpcję fosforanów z płynu kanalikowego nerek. Transportery typu 2a ulegają ekspresji w apikalnych błonach kanalików proksymalnych nerek, są bardzo specyficzne dla fosforanów i są regulowane przez kilka fizjologicznych mediatorów homeostazy fosforanowej, takich jak hormon przytarczyc (PTH), dopamina, witamina D i fosforan pokarmowy. Obecnie uważa się (głównie na podstawie badań na zwierzętach), że transportery te są najbardziej krytyczne dla utrzymania homeostazy fosforanów w nerkach. Upośledzenie ekspresji lub funkcji tych transporterów jest związane z występowaniem kamicy nerkowej.

Transportery typu 2b są bardzo podobne, ale nie identyczne, do transporterów typu 2a. Ulegają ekspresji w jelicie cienkim i ulegają zwiększonej regulacji w warunkach niedoboru fosforanów w diecie i pod wpływem witaminy D.

Transportery typu 2c, początkowo opisane jako transportery fosforanów związanych ze wzrostem, są trzecim członkiem rodziny kotransporterów fosforanu sodu typu 2. Ulegają ekspresji wyłącznie na segmencie S1 kanalika proksymalnego i wraz z transporterami typu 2a są niezbędne dla prawidłowej homeostazy fosforanów. Podobnie jak transportery typu 2a, transportery typu 2c są również regulowane przez dietę i PTH. Utrata funkcji transportera typu 2c powoduje u ludzi dziedziczną krzywicę hipofosfatemiczną z hiperkalciurią, co sugeruje, że transportery te mogą odgrywać istotnie większą rolę w regulacji homeostazy fosforanów u ludzi niż u gryzoni.

Transportery typu 3 (Pit1 i Pit2) zostały początkowo zidentyfikowane jako wirusowe białka transportowe. Prawie wszystkie komórki wykazują ekspresję kotransporterów fosforanu sodu typu 3; dlatego też przypuszczano, że transportery te odgrywają rolę pomocniczą w zapewnieniu odpowiedniej ilości fosforanu dla wszystkich komórek. Ostatnie badania wskazują jednak na bardziej specyficzną rolę Pit1 i Pit2, ponieważ Pit1 jest zaangażowany w rozwój zwapnień naczyniowych, a nieprawidłowości w Pit2 są związane z rozwojem zwapnień splotu naczyniowego. Czynniki regulujące aktywność tych białek transporterowych nie są do końca poznane. Istnieją jednak dowody na to, że transportery te biorą również udział w regulacji przezbłonkowego transportu nerkowego i jelitowego oraz w regulacji mineralizacji kości.

Krążący fosforan występuje jako jedno- lub dwuwartościowy uwodorniony gatunek. Ponieważ stała jonizacji kwasu (pK) fosforanu wynosi 6,8, przy normalnym pH surowicy wynoszącym 7,4 gatunek dwuwartościowy jest 4 razy bardziej rozpowszechniony niż gatunek jednowartościowy. Stężenie fosforanów w surowicy zmienia się w zależności od wieku, pory dnia, stanu na czczo i pory roku. Stężenie fosforanów w surowicy jest wyższe u dzieci niż u dorosłych; zakres referencyjny wynosi 4-7 mg/dl u dzieci w porównaniu z 3-4,5 mg/dl u dorosłych. Istnieje zmienność dobowa, przy czym najwyższe stężenie fosforanów występuje w godzinach południowych.

Stężenie fosforanów w surowicy jest regulowane przez dietę, hormony i czynniki fizyczne, takie jak pH, co omówiono w następnym rozdziale. Co ważne, ponieważ fosforan wchodzi do komórek i wychodzi z nich pod wpływem wielu czynników, stężenie fosforanu w surowicy może nie odzwierciedlać rzeczywistych zapasów fosforanu. Często osoby z alkoholizmem, u których występują poważne niedobory fosforanów, mogą zgłosić się do lekarza z prawidłowym stężeniem fosforanów w surowicy. Dopiero po odstawieniu pokarmu stężenie fosforanów w surowicy spada, często gwałtownie do niebezpiecznie niskiego poziomu.

Homostaza fosforanowa

Fosforan jest obficie obecny w diecie. Normalna dieta dostarcza około 1000-2000 mg fosforanu, z czego dwie trzecie jest wchłaniane, głównie w proksymalnej części jelita cienkiego. Wchłanianie fosforanu może być zwiększone poprzez zwiększenie spożycia witaminy D oraz poprzez spożywanie diety o bardzo niskiej zawartości fosforanu. W tych warunkach jelito zwiększa ekspresję transporterów fosforanu sprzężonych z sodem, aby zwiększyć wchłanianie fosforanu.

Regulacja jelitowego transportu fosforanu jest słabo poznana. Chociaż badania sugerowały, że większość wychwytu fosforanów w jelicie cienkim odbywa się poprzez niezależne od sodu, nieuregulowane szlaki, późniejsze badania sugerowały, że regulowane, zależne od sodu mechanizmy mogą odgrywać większą rolę w ogólnym jelitowym transporcie fosforanów niż wcześniej oceniano. Ponadto, komórki jelitowe mogą odgrywać rolę w nerkowej obróbce fosforanów poprzez wytwarzanie krążących substancji fosfaturowych w odpowiedzi na wyczucie obciążenia fosforanami. Ostatnie badania potwierdziły, że zdolność jelitowego transportu fosforanów do wpływania na nerkowy transport fosforanów jest zależna od PTH; jednak sygnał do przytarczyc pozostaje nieznany.

Absorpcja fosforanów może być blokowana przez powszechnie stosowane bez recepty leki zobojętniające zawierające glin, wapń i magnez. Łagodne i umiarkowane stosowanie takich środków wiążących fosforany generalnie nie stanowi zagrożenia dla homeostazy fosforanów, ponieważ spożycie z dietą znacznie przekracza zapotrzebowanie organizmu. Jednak bardzo intensywne stosowanie tych leków może powodować znaczne niedobory fosforanów. Straty fosforanów w stolcu są niewielkie (tj. 100-300 mg/d z obumarłych komórek jelitowych i wydzielin przewodu pokarmowego). Straty te mogą być jednak drastycznie zwiększone u osób z chorobami powodującymi ciężką biegunkę lub zaburzenia wchłaniania jelitowego.

Kość traci około 300 mg fosforanu na dobę, ale jest to zazwyczaj równoważone przez pobór 300 mg. Na metabolizm fosforanów w kościach wpływają czynniki, które determinują tworzenie i niszczenie kości, tj. PTH, witamina D, hormony płciowe, równowaga kwasowo-zasadowa i uogólniony stan zapalny.

Nadmiar spożytych fosforanów jest wydalany przez nerki w celu utrzymania równowagi fosforanowej. Głównym miejscem nerkowej regulacji wydalania fosforanów jest wczesna proksymalna kanalika nerkowa z pewnym udziałem kanalika dystalnego. W kanaliku proksymalnym reabsorpcja fosforanu przez kotransportery fosforanu sodu typu 2 jest regulowana przez fosforan z diety, PTH i witaminę D. Wysokie spożycie fosforanu z diety i podwyższony poziom PTH zmniejszają wchłanianie fosforanu z kanalika proksymalnego, zwiększając w ten sposób wydalanie nerkowe.

Odwrotnie, niskie spożycie fosforanu z diety, niski poziom PTH i wysoki poziom witaminy D zwiększają wchłanianie fosforanu z kanalika proksymalnego. Do pewnego stopnia fosforan reguluje swoje własne regulatory. Wysokie stężenia fosforanów we krwi zmniejszają ekspresję niektórych transporterów fosforanów, zmniejszają produkcję witaminy D i zwiększają wydzielanie PTH przez przytarczyce.

Wchłanianie fosforanów w kanalikach dystalnych jest mniej dobrze poznane. PTH zwiększa wchłanianie fosforanów w kanaliku dystalnym, ale mechanizmy, dzięki którym to następuje, nie są znane. Nerkowe wydalanie fosforanów może być również zwiększone przez podawanie diuretyków pętlowych.

PTH i witamina D były wcześniej jedynymi uznanymi regulatorami metabolizmu fosforanów. Jednak dzięki badaniom czynników związanych z zespołami utraty fosforanów, takimi jak osteomalacja onkogenna i dziedziczne formy krzywicy hipofosfatemicznej, odkryto kilka nowych regulatorów homeostazy mineralnej.

Pierwszym odkrytym genem regulującym gospodarkę fosforanową był gen homologiczny do endopeptydaz na chromosomie X (PHEX), neutralnej endopeptydazy zmutowanej w zespole krzywicy hipofosfatemicznej sprzężonej z chromosomem X. Charakterystyka tego zespołu (tj. hipofosfatemia, nerkowa utrata fosforanów, niski poziom 1,25-dihydroksywitaminy D) oraz fakt, że PHEX został zidentyfikowany jako endopeptydaza, sugerowały możliwość, że PHEX może być odpowiedzialny za katabolizm krążącego czynnika nie-PTH, który reguluje transport fosforanów w kanalikach proksymalnych i metabolizm witaminy D. Potencjalny substrat dla PHEX został zidentyfikowany jako czynnik wzrostu fibroblastów 23 (FGF23).

Kilka linii dowodów przemawia za fosfaturyczną rolą FGF23. Inny zespół dziedzicznej krzywicy hipofosfatemicznej, autosomalnie dominująca krzywica hipofosfatemiczna, charakteryzuje się mutacją w genie FGF23, która czyni białko odpornym na rozszczepienie proteolityczne, a tym samym przypuszczalnie bardziej dostępnym do hamowania nerkowego transportu fosforanów. Podawanie rekombinowanego FGF23 powoduje fosfaturię, a myszy pozbawione FGF23 wykazują hiperfosfatemię.

Zespół osteomalacji onkogennej, charakteryzujący się nabytą krzywicą hipofosfatemiczną i nerkową utratą fosforanów w powiązaniu z określonymi nowotworami, jest związany z nadekspresją FGF23. Co ciekawe, w tym zespole, nadekspresji FGF23 towarzyszą 2 inne czynniki fosfaturyczne, zewnątrzkomórkowa fosfoglikoproteina macierzy (MEPE) i białko związane z frizzled-4. Rola tych dwóch ostatnich białek i ich związek z FGF23 i PHEX są nieznane.

Fizjologiczna rola FGF23 w regulacji homeostazy fosforanowej jest wciąż przedmiotem badań. FGF23 jest produkowany w kilku rodzajach tkanek, w tym w sercu, wątrobie, tarczycy/przytarczycach, jelicie cienkim i tkance kostnej. Źródło krążącego FGF23 nie zostało jednoznacznie ustalone, jednak najwyższa ekspresja mRNA dla FGF23 u myszy występuje w kościach. Produkcja FGF23 przez osteoblasty jest stymulowana przez 1,25 witaminę D. I odwrotnie, osoby z krzywicą hipofosfatemiczną sprzężoną z chromosomem X wykazują niewłaściwie obniżony poziom 1,25 witaminy D z powodu hamowania przez FGF23 aktywności 1-alfa hydroksylazy.

Badania przeprowadzone na pacjentach z przewlekłą chorobą nerek i schyłkową niewydolnością nerek wykazały, że poziom FGF23 wzrasta wraz ze spadkiem klirensu kreatyniny i wzrostem poziomu fosforu w osoczu, na długo przed wykryciem wzrostu poziomu PTH w surowicy. Klotho, białko transmembranowe syntetyzowane w nerkach (głównie w nefronie dystalnym), jest niezbędnym kofaktorem dla działania FGF23 na komórki kanalików proksymalnych nerek. Inaktywacja lub delecja ekspresji Klotho skutkuje hiperfosfatemią i przyspieszonym starzeniem się.

Zależność między tymi 2 funkcjami Klotho pozostaje nieznana. Jednakże, Klotho ma wyraźne działanie antyoksydacyjne, antyfibrotyczne i pro-odżywcze w całym organizmie.

Badanie wykazało również, że poziom FGF23 gwałtownie spadł po przeszczepie nerki, co sugeruje, że FGF23 jest usuwany przez nerkę. Tak więc, resztkowy FGF23 może przyczyniać się do hipofosfatemii często obserwowanej u pacjentów po przeszczepie. U zdrowych młodych mężczyzn bez choroby nerek, spożycie fosforanów nie zwiększyło znacząco poziomu FGF23, co sugeruje, że FGF23 może nie odgrywać roli w ostrej homeostazie fosforanowej.

Jeszcze jedną rodziną czynników regulujących fosforany są stanniokalcyny (STC1 i STC2). U ryb, gdzie zostały po raz pierwszy opisane, STC1 hamuje wnikanie wapnia do organizmu przez skrzela i jelita. Natomiast u ssaków STC1 stymuluje reabsorpcję fosforanów w jelicie cienkim i kanalikach proksymalnych nerek, a STC2 hamuje aktywność promotora kotransportera fosforanu sodu typu 2, natomiast wpływ na homeostazę wapnia jest mniejszy. Bardzo niewiele wiadomo o znaczeniu klinicznym tych nowo opisanych czynników regulujących gospodarkę mineralną oraz o potencjalnych interakcjach z osią PTH-witamina D lub z układem fosfatonina-PHEX.