marqueurs osseux - Laboratoire Defrance

MARQUEURS OSSEUX
Par Catherine Gandelin
INTRODUCTION
L'os est soumis à un renouvellement physiologique permanent grâce aux activités des ostéoblastes et
des ostéoclastes. Le remodelage osseux est ainsi réalisé par la mise en oeuvre cellulaire des
processus de formation et de résorption qui assurent le maintien de l'intégrité du tissu osseux sous
l'action intriquée d'hormones systémiques et de médiateurs locaux.
Cependant, au cours de diverses affections métaboliques de l'os, un déséquilibre entre ces deux
processus est observé, à l'origine le plus souvent d'une perte de masse osseuse.
Récemment, l'isolement et la caractérisation de plusieurs composés de la matrice osseuse ont permis
le développement de nouveaux marqueurs biochimiques du remodelage osseux. Ils font appel soit à
la mesure d'une activité enzymatique liée à l'activité des cellules osseuses, soit à la mesure d'un
constituant de la matrice osseuse libéré dans la circulation.
Les marqueurs des activités de formation et de résorption sont différenciés, bien que certains d'entre
eux (jusqu'à un certain degré) soient le reflet simultané des deux activités.
La spécificité et la sensibilité de ces marqueurs ont considérablement progressé, permettant une
exploration fiable, non invasive, peu coûteuse, du turn-over osseux.
Nous présenterons les principaux marqueurs de la formation puis de la résorption osseuse avant de
souligner leur variabilité physiologique mais surtout leurs applications cliniques en particulier dans
l'ostéoporose.
L'OS
Composition
L'os est formé à
* 35% d'une matrice organique composée essentiellement de collagène de type I, mais aussi d'autres
protéines telle que l'ostéocalcine (qui fait partie des marqueurs osseux)
* 60 % d'une phase minérale
* cellules spécifiques : ostéoblastes et ostéoclastes
Métabolisme du collagène
Dans les ostéoblastes, le métabolisme du collagène débute par la synthèse de différentes chaînes
peptidiques : les chaînes procollagéniques alpha 1 et alpha 2. Des processus enzymatiques
transforment ensuite au moins 20% des acides aminés présents, et en particulier la proline en
hydroxyproline.
Sans cette transformation, le collagène ne peut apparaître sous la forme d'une triple hélice.
Lorsque la structure en triple hélice est obtenue, la molécule de procollagène I est excrétée dans le
liquide extra-cellulaire où elle est rapidement clivée aux deux extrémités libérant les Procollagène I
C Peptide et Procollagène I N Peptide.
Les molécules de collagènes s'assemblent rapidement en fibres de collagène par formation de ponts
("cross links") entre les molécules. Les plus connus parmi ces agents de pontage sont la pyridinoline
et la déoxypyridinoline.
Dans le collagène I, ces cross-links se forment à des endroits préférentiels : le site principal est la
petite partie non hélicoïdale située aux deux extrémités d'une molécule de procollagène appelée
Télopeptide. Ces télopeptides sont ainsi connectés à certaines régions de la partie hélicoïdale d'une
molécule voisine pour former des fibres de collagène.
Lors de la résorption osseuse, la dégradation chimique et enzymatique du collagène entraîne la
libération dans la circulation de petits peptides et d'acides aminés libres : hydroxyproline,
pyridinoline et déoxypyridinoline (PYR/DPYR), télopeptides C et N.
LES MARQUEURS OSSEUX
Nous retrouverons toutes ces molécules parmi les marqueurs osseux.
Marqueurs de la formation
Il existe 4 marqueurs de la formation osseuse :
- les phosphatases alcalines totales
- la fraction osseuse des phosphatases alcalines
- l'ostéocalcine
- le procollagène 1 peptide
Les PAL sont le marqueur le plus courant de la formation osseuse mais d'interprétation souvent
difficile car leur variation peut être due à :
- une affection métabolique de l'os : défaut de minéralisation ou remodelage excessif
mais aussi à
- un dysfonctionnement hépatique
Ce défaut est à l'origine du dosage spécifique de la fraction osseuse des PAL
PAO (fraction osseuse des PAL)
Cette enzyme est présente dans la membrane des ostéoblastes et impliquée dans la minéralisation de
l'os. Attention: sa clairance est hépatique donc son taux est modifié par les affections
hépatobiliaires.
Cependant sa stabilité en fait un excellent marqueur (1/2 vie : 1,5 jours). Plusieurs méthodes de
dosage existe comme l'électrophorèse et plus récemment des techniques immunologiques
d'excellente sensibilité (nomenclature B 110). Le dosage est à éviter en cas d'insuffisance rénale :
réaction croisée.
Ostéocalcine
C'est la 2° protéine de l’os (en quantité) synthétisée dans les ostéoblastes, d’où elle est sécrétée dans
l’os et un peu dans le sérum. Elle n'est pas relarguée lors de la résorption. Cette synthèse est
vitamines K et D dépendante.
Demi-vie : 5 mn .
Métabolisme hépatique et rénal.
Elle aurait un rôle dans la minéralisation de l'os (?)
Actuellement, il existe des problèmes d’interprétation car les résultats selon les techniques sont très
différents car les fragments reconnus sont différents, et leur stabilité est différente.
N = 3 à 9 ng/ml
Il existe un rythme nycthéméral (max. la nuit). Elle augmente avec l’âge pour atteindre un plateau à
la puberté et augmente à nouveau à la ménopause à haut niveau de remodelage osseux.
Pathologie :
* augmentation : ostéoporose, hyperparathyroïdie, hyperthyroïdie, acromégalie, Paget, insuffisance
rénale, ostéomalacie.
*diminution : hépathopathies graves, Cushing, corticothérapie, hypoparathyroïdie, hypothyroïdie.
Utilisation : suivi thérapeutique de la ménopause, d’un Paget, d’une corticothérapie, hormone de
croissance.
Le Procollagène 1 Peptide
Libéré lors de la synthèse ostéoblastique du collagène osseux, il est présent dans le sang, lymphe,
LCR, liquide interstitiel de la peau.
N = 50 à 170 µg/l (femme)
N = 38 à 200 µg/l (homme)
Variation physiologique : augmentation pendant la grossesse, chez l’enfant et l’adolescent.
Pathologie
* augmentation : pathologies où il y a une augmentation du turn-over osseux , tumeurs malignes de
la cavité péritonéale, dans le LCR en cas d’injection intrathécale de méthotrexate ou
glucocorticoïdes.
*diminution : maladies héréditaires du collagène, hypothyroïdie, Cushing, traitement par les
corticoïdes.
Le manque de sensibilité + les grandes variations individuelles (ce qui suppose de connaître le taux
sérique initial avant toute pathologie ) font qu'il est un peu abandonné.
Marqueurs de la résorption
Les marqueurs de la résorption sont plus nombreux. Nous ne parlerons pas de la calciurie qui est
souvent trop peu sensible.
Pyridinoline et déoxypyridinoline
Les pyridinolines et déoxypyridinolines sont les molécules de pontage des hélices de collagène I qui
confèrent à l’os sa rigidité et sa solidité.
Libérées lors de la dégradation de l’os, elles ne sont pas réutilisées pour la synthèse du collagène I
mais excrétées dans les urines.
Elles sont présentes dans l’alimentation mais ne sont pas absorbées.
La concentration de PYR est supérieure à celle de DPYR. Mais le rapport PYR/DPYR est plus
faible dans l’os et est surtout identique dans les urines ce qui laisse supposer que les PYR et DPYR
présentes dans les urines proviennent de l’os.
Ces molécules sont excrétées
- à 60% sous plusieurs formes liées à des peptides
•
- à 40% sous forme libre.
Lorsque le niveau de résorption osseuse augmente, le pourcentage de formes libres diminuent
(même si en valeur absolue leur concentration augmente).
Des études actuellement tentent de démontrer une signification différente des excrétions de PYR et
DPYR libres au cours de la maladie de Paget et de l’hyperparathyroïdie.
Dosage immunoenzymatique (nomenclature B 90)
Concentrations dans les urines de 24 heures :
2 à 6 nmol/ mmol de créatinine (femme non ménopausée)
2 à 5 nmol/mmol de créatinine (homme)
Variations physiologiques : augmentation chez l’enfant, puis avec l’âge.
Pathologie : augmentation dans la maladie de Paget, hyperparathyroïdie, l’ostéoporose.
Les télopeptides
Ce sont les extrémités non hélicoïdales des chaînes peptidiques du collagène. Ils jouent un rôle
majeur dans la formation des liaisons covalentes entre les sous-unités de tropocollagène, qui
confèrent sa stabilité au collagène mature. Ils sont dégradés au cours de la résorption osseuse en
fragments dont la structure compacte empêche une dégradation hépatique ou rénale qui sont libérés
dans les urines.
Ces fragments peuvent être dosés par technique immunoenzymatique (nomenclature B 90) :
- NTX : fragment du télopeptide N terminal
- CrossLaps (CTX) : fragment du télopeptide C terminal
Le NTX est le plus abondant des peptides liés aux pyridinolines excrétées dans l'urine humaine. IL
représente 60 % du contenu en déoxypyridinoline du collagène osseux ( le CTX = 40 %). IL est plus
spécifique de l'os que le CTX.
Variation physiologiques : augmentation avec l'âge.
Pathologie : augmentation dans la maladie de Paget, l'hyperparathyroïdie, l'ostéoporose.
Phosphatase acide tartrate résistante :
Localisation des phosphatases acides : prostate, pancréas, foie, rein, cellules sanguines et os
C'est l'isoenzyme produite par les ostéoclastes qui conserve son activité après action de l'acide
tartrique (contrairement aux PAP)
Le dosage colorimétrique dans le plasma est d'interprétation difficile.
Deux inconvénients : manque de spécificité et de stabilité
La mise au point de dosages immunologiques utilisant des anticorps monoclonaux spécifiques de la
phosphatase acide osseuse devrait permettre l'évaluation de l'activité ostéoclastique.
Hydroxyproline :
Un des principaux acides aminés du collagène (13%) transformés lors de la formation et libéré lors
de la résorption. Il n'est pas réutilisé pour la synthèse de novo et son excrétion urinaire reflète la
dégradation de l'os. Il peut être dosé dans le sang ou dans les urines, libre ou total c'est à dire libre +
lié à des peptides de petite taille
Ce marqueur est malheureusement peu sensible, non spécifique du collagène osseux et présent dans
les apports alimentaires (viande, gélatine) et dans le complément. Il a donc un intérêt limité par
rapport aux autres marqueurs apparus depuis.
Glycosides d'hydroxylysine :
Acides aminés modifiés lors de la formation des liaisons covalentes du collagène, retrouvés dans les
urines. Mais ils sont présents dans d'autres molécules que le collagène (complément ...) donc peu
spécifiques.
Dosage : HPLC
VARIATIONS PHYSIOLOGIQUES DES MARQUEURS
OSSEUX
· rythme circadien : élévation nocturne
· modification saisonnière
· modifications hormonales (cycle menstruel)
· vieillissement : augmentation du turn-over osseux et modifications de l’excrétion urinaire
· affections : thyréotoxicose, pancréatique, hépatique. Médicaments (corticostéroïdes)
· comparer avec la créatinine urinaire
· affections et médicaments ont des effets différents sur les marqueurs
ex : femme ménopausée : les oestrogènes diminuent proportionnellement les formes libres et
peptidiques des pyridinolines alors que les biphosphonates et le calcium (+/- vitamine D) ne
diminuent que les formes peptidiques.
Les marqueurs sont le reflet du mécanisme physiopathologique de la maladie osseuse. Ils sont donc
élevés dans les pathologies à haut remodelage (hyperPTH, Paget) et diminués dans les pathologies à
bas remodelage (hypoPTH, hypoparathyroïdie...).Ils peuvent par ailleurs être le témoin d'un
découplage entre l'activité ostéoblastique et l'activité ostéoclastique comme par ex dans la maladie
de Cushing où l'ostéocalcine est effondrée (témoin de l'activité du cortisol sur l'os) et la DPYR est
augmentée (relative hyperPTH secondaire).
Les marqueurs osseux sont donc utiles dans le diagnostic et le suivi thérapeutique de plusieurs
affections
Maladie de Paget: les valeurs sont proportionnelles à l'étendue de l'atteinte du squelette. Le
traitement antirésorptif (biphosphonates) est responsable d'une diminution rapide des marqueurs de
résorption (CTX et DPYR) et d'une décroissance plus lente des marqueurs de formation.
Tous les marqueurs n'ont pas la même sensibilité dans toutes les situations.
OSTEOPOROSE
Définition de l'ostéoporose :
Raréfaction du tissu osseux sans perte de minéralisation, à l'origine d'une raréfaction des travées
osseuses au niveau de l'os trabéculaire puis d'un amincissement de l'os cortical.
L'ostéoporose représente un problème majeur de santé public car elle est responsable de
50 000 fractures du col du fémur/an (dont 7000 décès et 50% de handicap), 60 000 tassements
vertébraux.
On distingue deux types d'ostéoporose :
- l'ostéoporose de type I post-ménopausique
- l'ostéoporose de type II sénile
L'ostéoporose de type I (post-ménopausique):
Elle touche essentiellement l'os trabéculaire et se traduit par des tassements vertébraux et des
fractures de l'avant-bras. Elle est une des conséquences de la carence estrogénique qui augmente le
remodelage osseux. Elle se traduit par une augmentation des ostéoclastes associée à une diminution
de l'activité des ostéoblastes (sur lesquels des récepteurs estrogéniques ont été mis en évidence). Il
en résulte un déséquilibre entre la résorption et la formation, d'où une diminution progressive de la
masse osseuse.
Cependant, des niveaux du remodelage osseux très variables ont été observés au cours de la
ménopause. Environ 1/3 des patientes présente une augmentation importante de l'activité de
remodelage. Elles perdent rapidement une quantité importante d'os donc ont un risque élevé de
fracture qu'il faut dépister rapidement
L'ostéoporose de type II ou sénile
Elle survient chez les deux sexes (2 femmes pour un homme après 70 ans). Elle touche l'os
trabéculaire et cortical. Elle est en relation avec des facteurs liés au vieillissement tels que
l'insuffisance vitaminique D et le défaut d'absorption du calcium qui en résulte Ils sont responsables
d'un hyperparathyroïdisme secondaire qui stimule la résorption osseuse.
L'ostéodensitométrie
C'est la principale technique employée pour évaluer l'atteinte osseuse.
Elle consiste à mesurer l'atténuation d'une radiation par une région osseuse, cette atténuation est
proportionnelle à la quantité de tissus mous et osseux rencontrés. La comparaison de cette
atténuation avec celle obtenue par un étalonnage permet d'évaluer la masse osseuse.
Cette masse osseuse peut être exprimée de différentes manières :
- Z score : évaluation des résultats en fonction des valeurs normales pour l'âge : différence entre la
valeur mesurée et la valeur moyenne théorique ajustée pour l'âge et le sexe.
Ex: Z score = -1 : risque d'une fracture X 2
- T score : différence entre la valeur mesurée et la moyenne de masse osseuse de sujets jeunes
considérés comme normaux (indépendant de l'âge)
Ex: -1 > T score > -2.5 : ostéopénie
T score < -2.5 : ostéoporose
Avec cette nouvelle définition de l'ostéoporose, on considère que 20 % des patientes de 65 ans sont
ostéoporotiques (40% après 75 ans)
Sites : rachis, col fémoral, radius.
Qui : femme ménopausée, déminéralisation sous fracture, fracture inexpliquée, sujets à risque
Inconvénients : cause d'erreur : arthrose lombaire (fréquente après 65 ans) et reproductibilité : même
machine, même site, délai de 2 ans
Bilan biologique :
Le but essentiel du bilan biologique est d'éliminer une cause d'ostéoporose secondaire que l'on
pourrait traitée avant de mettre en place un traitement à visée osseuse.
Le bilan minimum devrait permettre d'éliminer une cause tumorale, une hyperthyroïdie (si la
clinique ou ATCD le suggèrent), une hyperparathyroïdie, une ostéomalacie ou une ostéodystrophie
rénale.
Dans le cas d'un bilan minimum normal, il faut confronter le degré d'ostéopénie aux facteurs de
risque d'ostéoporose.
Voici une liste de situations discordantes pour lesquelles il est important de faire un bilan Ph-Ca
complet et dosage des marqueurs osseux :
- femme ménopausée (< 70 ans) avec une DMO T-score< -2,5 et
* sous THS (traitement hormonal substitutif) bien suivi
* ménopausée depuis moins de 3 ans
* ayant arrêté un THS bien suivi depuis moins de trois ans
- femme ménopausée < 65 ans sans THS avec un T-score < -3,5
- femme non ménopausée avec un Z-score < -2
- femme ménopausée avec un THS bien suivi mais une perte osseuse
- homme < 75 ans avec un T-score < -2,5
- homme ou femme ayant fait plusieurs fractures spontanées sans facteur de risque.
Proposition d'une démarche pour décider de l'instauration d'un THS :
THS accepté (ou demandé)
Ä débuter le THS et prévoir une DMO vers 65 ans ou à l'arrêt du traitement.
Refus du THS ou contre-indications (ATCD cancers du sein, mastose..)
Ä pas de THS, prévoir DMO entre 5 et 10 ans après la ménopause
Patiente non décidée pour le THS
Ä DMO
Z score < -1 : risque
fracturaire
score est bon
ò
1 < Z score < moyenne
ò
ò
pas de THS
instaurer un THS
ò
ò
prévoir une DMO vers 65 ans
ou à l'arrêt du traitement
Marqueurs osseux
vérifier la DMO vers 65 ans
Marqueurs osseux
Augmentés
ò
Orientation vers THS
ò
Contrôle de DMO à 65 ans ou à l'arrêt du
traitement
Normaux
ò
Pas de THS
ò
Vérifier DMO entre 2 et 5 ans
Dosage des marqueurs osseux pour dépister une "perdeuse rapide" chez qui l'instauration d'un THS
sera particulièrement important :
* un marqueur de formation : ostéocalcine, PAO
* un marqueur de résorption : DPYR libre ou totale, CTX ou NTX
Applications des marqueurs osseux dans le cadre de la ménopause :
F prédiction de la perte osseuse : classiquement, elle est évaluée par des mesures répétées de la
DMO. Toutefois, l'intervalle à respecter pour dépasser le coefficient de variation de la méthode est
de 2 ans, ce qui est beaucoup trop long pour une femme qui perd rapidement de l'os (jusqu'à 6% par
an). Le dosage des marqueurs (combinaison d'un marqueur de formation et d'un marqueur de
résorption) permet de screener les perdeuses rapides et de proposer un THS
F lors du bilan Ph-Ca complet pour documenter le mécanisme physiopathologique et orienter vers
un type de turn-over osseux et peut-être vers un type de traitement.
F prédiction du risque fracturaire : prévention du risque de fracture du col (entre autres) chez les
femmes et les hommes de plus de 75 ans. Le pouvoir prédictif d'une augmentation des marqueurs
osseux associée à une densité osseuse basse est bien supérieur à celui du cholestérol sérique élevé
pour les maladies coronariennes. Ce pouvoir ne concerne que CTX et DPYR.
F marqueurs d'efficacité des traitements à visée osseuse :
les marqueurs permettent de définir le type de remodelage osseux et donc le traitement le plus
approprié
* haut niveau de remodelage (marqueurs augmentés) : traitement bloquant la résorption =
oestrogènes, biphosphonates
* bas niveau de remodelage : traitement stimulant la formation osseuse (peu efficaces actuellement)
Surtout, ils sont le reflet de l'efficacité du traitement :
* Pour les traitements Ca/vitamine D ou THS, la diminution de la résorption entraîne une
diminution de la formation. Donc les marqueurs de formation et de résorption devraient apporter à
peu près la même information
* dans un traitement par biphosphonates, la diminution de la résorption semble précéder de
plusieurs mois la diminution de la formation. Donc les marqueurs de résorption devraient être plus
informatifs. Ceci est vrai sauf pour la DPYR libre (à cause du métabolisme rénal). La fraction libre
de DPYR diminue lorsque l'excrétion de DPYR totale augmente (c'est à dire lorsque la résorption
osseuse augmente).
Cela permet aussi de mesurer la compliance à ce traitement
* THS : seulement si soupçon ou perte osseuse malgré traitement, inadaptation de la dose
* biphosphonates : mesure d'un marqueur après 3 à 6 mois de traitement pour vérifier la compliance
et/ou le respect des bonnes conditions de prise du médicament
CONCLUSION
Les marqueurs osseux sont actuellement en plein développement tant au niveau technique qu’au
niveau application.
Les marqueurs les plus intéressants à ce jour sont :
Marqueurs de formation : ostéocalcine, PAO
Marqueurs de résorption : DPYR libre et NTX,CTX.
Pathologies
Ostéocalcine
PAO
DPYR, NTX
Ostéoporose postménopausique
ì
ì
ì
Ostéomalacie
ì ou N ou î
ìì
ì
Hyperparathyroïdie
ì
ì
ì
Maladie de Paget
ì
ììì
ììì
Hyperthyroïdie
ìì
ì
ì
Ostéodystrophie
ìì
N ou ì
ìì
Hypercorticisme
îî
N
N ou ì
UTILISATION :
? entre 2 DMO :
l’intervalle minimum obligatoire entre deux DMO est de deux ans pour pallier au coefficient de
variation de la méthode : c’est une période trop longue pour les femmes qui perdent rapidement du
tissu osseux (jusqu’à 6 % par an pendant 5 ans).
Il faut utiliser plusieurs marqueurs pour faire un diagnostic de femmes perdeuses rapides et instaurer
un traitement.
? détermination du risque fracturaire
en particulier lors de la ménopause sénile : CTX –DPYR libre
? évaluation de l’efficacité d’un traitement :
Chez un patient ostéoporotique avec un bilan Ph-Ca normal (c’est à dire pas d’ostéoporose
secondaire), l’analyse des marqueurs permet de typer le remodelage osseux (haut niveau, bas niveau
ou découplage formation/résorption) et ainsi d’orienter le traitement :
•
•
haut niveau (marqueurs augmentés) : bonne réponse à un traitement bloquant la résorption
osseuse : oestrogènes et biphosphonates
bas niveau : il faut un traitement stimulant l’activité ostéoblastique (pas de traitement
satisfaisant actuellement)
? marqueurs de l’efficacité du traitement
•
Ca/vitamine D ou THS entraîne une diminution de la résorption et donc de la formation par
couplage : marqueurs de formation et de résorption
•
Biphosphonates diminuent la résorption précédant de plusieurs mois la diminution de la
formation : CTX, NTX, DPYR totale (la DPYR libre ne diminue pas : il y aurait une
modification dans le mode de dégradation du collagène avec diminution des DPYR liées
mais pas libres). En fait, un pourcentage important de DPYR libre urinaire proviendrait d’un
catabolisme rénal des formes liées mais la quantité des fragments liés serait un facteur
limitant de ce catabolisme.
Les biphosphonates diminuent la résorption donc le pourcentage de formes libres
augmente mais la DPYR en valeur absolue diminue.
Ils sont aussi un marqueur de la compliance
° THS : leur dosage est indiqué en cas de soupçon de mauvaise compliance ou si la DMO est
mauvaise malgré un bon suivi du traitement
° biphosphonates : dosage nécessaire au bout de trois à six mois car les conditions de prise sont
difficiles.
Variations significatives : baisse de 20% pour les marqueurs sanguins et 35 à 40% pour les
marqueurs urinaires.
Applications
Prédiction de perte
osseuse ultérieure
But
Isoler les perdeuses
rapides chez qui
l’instauration d’un
THS est important
Population
Marqueurs
Femmes en
périménopause non
décidées à
commencer un THS
avec une DMO basse
Ostéocalcine ou PAO
+
DPYR libre ou
totale, CTX ou NTX
Elément d’orientation Déterminer le type de Patients
d’un bilan Ph-Ca
turn-over osseux et
ostéoporotiques
complet
orienter vers un type
de traitement
Ostéocalcine
Prédiction du risque
fracturaire
Prévention de la
fracture
Hommes ou femmes
de plus de 75 ans
CTX ou DPYR libre
Surveillance d’un
traitement par
biphosphonates
Vérifier l’efficacité
et/ou la compliance
et/ou le respect des
conditions de prise du
traitement
Patients sous
CTX ou NTX
biphosphonates, 3 à 6 DPYR totale ou PAO
mois après le début
du traitement
+
DPYR totale, CTX
ou NTX
Associé à DMO
Surveillance d’un
THS
Vérifier l’efficacité
mais surtout la
compliance
Femme sous THS
Ostéocalcine, PAO,
chez qui ont
DPYR libre ou
soupçonne une
totale, CTX ou NTX
mauvaise compliance,
ou une inadaptation
de la dose ou avec
des DMO montant
une perte osseuse