Συσχέτιση γενετικών παραγόντων και κλινικών παραμέτρων στην εμφάνιση οστεοπόρωσης

Abstract

Osteoporosis and related fractures can cause permanent disability or death,require long rehabilitation and are considered an important cause of morbidity, mortality, imposing a great burden on health systems worldwide. Osteoporosis is usually diagnosed late in the course of the disease due to the asymptomatic nature of the disease and the lack of adequate screening programs. The increasing prevalence of osteoporosis and the lack of early diagnosis of the disease prior to the occurance of the first osteoporotic fracture emphasizes the need for effective strategies to screen and manage individuals with osteoporosis. To this end, it is important to understand the multifactorial nature of the disease and define the role of environmental and genetic factors in the pathogenesis of osteoporosis. In the present study, we evaluated the role of genetic factors in the regulation of bone density and metabolism, as well as the possible association between the mand various environmental factors in osteoporosis. Specifically, we studied gene polymorphisms and expression in peripheral blood and bone, biological markers of bone formation and resorption, as well as clinical parameters in an effort to correlate clinical phenotype with the expression patterns of important signaling pathways. The study was conducted in the Department of Orthopedic Surgery of the University Hospital of Larisa, Greece. Samples were assigned to the “osteoporotic patients” or “control” group, based on the diagnosis of osteoporosis, determined by medical history and DEXA findings. The following parameters were studied: a) known risk factors for osteoporosis, including non-modifiable risk factors, concomitant diseases, medications and lifestyle, b) X-rays and bone mineral density (BMD) measurements with DEXA, c) biochemical markers of bone metabolism (PTH, Calcitonin, Osteocalcin, Leptin, IGF), and d) gene expression of RUNX-2, FST,ITGB5, SOX-4 and SMAD1, as well as polymorphisms of CER1 and DKK1. The first section of the thesis is focused on clinical results and analyses in subgroups of patients with osteoporosis and/or osteoporotic fractures. The most important finding was the observed under diagnosis and under treatment of osteoporosis in patients >45 years of age with history of osteoporotic fractures of the hip, spine or distal radius, despite the fact that the majority of them had at least oneknown risk factor for osteoporosis. Age, sex, family history of osteoporosis and history of previous osteoporotic fractures seemed to affect the healthcare providers’ decision to screen/treat for osteoporosis. Furthermore, we evaluated the phenomenon of T-score discordance between hip and spine measurements in the diagnosis of osteoporosis (minor: 46%, major: 8% in our study), as well as the relationship between osteoarthritis and osteoporosis in patients with osteoporotic hip fractures. Our data showed that osteoarthritis doesn’t reduce the risk of hip fractures. The second part of the present thesis is focused on genetic profile analyses. Comparison between osteoporotic patients and controls showed significant differences in the three polymoprhisms of CER1, with osteoporotic patients presenting with an increased frequency of the abnormal alleles. The presence of at least one risk factor for osteoporosis was more frequent in patients with the normal allele compared to the abnormal allele for all CER1 polymorphisms. Additionally, the presence of the abnormal genotype of CER1 polymophisms in patients with osteoporosis was correlated with increased risk of osteoporotic fractures, as well as higher levels of serum osteocalcin. Finally, differences were noted in the expressionof RUNX2 between patients with osteoporosis and controls, as well as between blood and bone samples in the osteoporotic patients. In conclusion, this study addresses osteoporosis as a multifuctorial entity. The provided data could be used as the foundation to be built upon for the development of strategies for more accurate diagnosis and prediction of the fracture risk using acombination of clinical data, BMD values, biochemical markers of bone metabolism and information from the genetic profile of each patient.

Η οστεοπόρωση και τα σχετιζόμενα με αυτήν κατάγματα συχνά οδηγούν σε μόνιμες αναπηρίες, μακροχρόνια παραμονή σε κέντρα αποκατάστασης ή θάνατο και άρα αποτελούν μια σημαντική αιτία νοσηρότητας, θνητότητας και επιβάρυνσης του συστήματος υγείας παγκοσμίως. Η οστεοπόρωση συνήθως δε διαγιγνώσκεται σε πρώιμο στάδιο, αφενός λόγω του ότι παραμένει ασυμπτωματική για μεγάλο χρονικό διάστημα και αφετέρου διότι δεν υπάρχει επαρκής και αποτελεσματικός προσυμπτωματικός έλεγχος. Η σπουδαιότητα και η συνεχώς αυξανόμενη συχνότητα της οστεοπόρωσης σε παγκόσμιο επίπεδο σε συνδυασμό με την αδυναμία αναγνώρισης της νόσου πριν το πρώτο οστεοπορωτικό κάταγμα υπογραμμίζει την επιτακτική ανάγκη για ανάπτυξη στρατηγικών πρόληψης, έγκαιρης διάγνωσης και αποτελεσματικότερης θεραπείας για τη διατήρηση της υγείας, της ποιότητας ζωής και της αυτονομίας των ατόμων με οστεοπόρωση. Στα πλαίσια της προσπάθειας αυτής, απαιτείται κατανόηση του πολυπαραγοντικού χαρακτήρα της νόσου και του ρόλου διαφόρων περιβαλλοντικών και γενετικών παραγόντων στης παθογένεσή της. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η επίδραση γονιδίων στη ρύθμιση της οστικής μάζας και του οστικού μεταβολισμού και η συσχέτιση μεταξύ τους αλλά και με διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες, στην ανάπτυξη οστεοπόρωσης. Μελετήθηκαν, δηλαδή, γονιδιακοί δείκτες σε επίπεδο πολυμορφισμών και έκφρασης στο περιφερικό αίμα και σε οστικά τεμάχια, βιολογικοί δείκτες οστικής παραγωγής και αποδόμησης καθώς και κλινικές παράμετροι, με στόχο τη συσχέτιση του κλινικού φαινότυπου με τα πρότυπα έκφρασης καθοριστικών σηματοδοτικών μονοπατιών. Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστάσεις του τμήματος ορθοπαιδικής του Πανεπιστημιακού Γενικού Νοσοκομείου Λάρισας. Τα δείγματα που μελετήθηκαν χωρίστηκαν σε πάσχοντες και μάρτυρες, ανάλογα με την ύπαρξη ή όχι οστεοπόρωσης, όπως καθορίστηκε από το ιστορικό και τον συνοδό ακτινολογικό έλεγχο. Μελετήθηκαν: α) παράγοντες κινδύνου για εμφάνιση οστεοπόρωσης, συμπεριλαμβανομένων μη τροποποιήσιμων παραγόντων, σχετικών συνοδών νοσημάτων, φαρμάκων και συνηθειών, β) απλές ακτινογραφίες και μετρήσεις οστικής πυκνότητας με DEXA, γ) τιμές βιοχημικών δεικτών οστικού μεταβολισμού (παραθορμόνη, καλσιτονίνη, οστεοκαλσίνη, λεπτίνη και IGF) και δ) γονιδιακή έκφραση των RUNX-2, FST, ITGB5, SOX-4 και SMAD1, καθώς και πολυμορφισμοί του CER1 και DKK1. Το πρώτο τμήμα της διατριβής αφορά κλινικά αποτελέσματα και αναλύσεις σε υποομάδες ασθενών με οστεοπόρωση ή/και οστεοπορωτικά κατάγματα. Το σημαντικότερο εύρημα που προέκυψε είναι η σημαντική υποδιάγνωση και υποθεραπεία της οστεοπόρωσης σε ασθενείς >45 με προηγηθέντα οστεοπορωτικά κατάγματα ισχίου, σπονδυλικής στήλης ή κάτω πέρατος κερκίδας, παρά το γεγονός ότι η πλειοψηφία αυτών είχαν τουλάχιστον ένα γνωστό παράγοντα κινδύνου για εμφάνιση οστεοπόρωσης. Η ηλικία, το φύλο, το οικογενειακό ιστορικό και το ιστορικό προηγηθέντος οστεοπορωτικού κατάγματος φάνηκε να επηρεάζουν την απόφαση των παρόχων υγείας για σύσταση ελέγχου/θεραπείας οστεοπόρωσης στους ασθενείς. Αντίθετα άλλοι παράγοντες κινδύνου δεν αναγνωρίστηκαν επαρκώς. Μελετήθηκε επίσης το φαινόμενο της απόκλισης μεταξύ των T-score ισχίου και ΟΜΣΣ στη διάγνωση της οστεοπόρωσης (ελλάσων: 46%, μείζων: 8% στη δική μας σειρά), καθώς και η σχέση οστεοαρθρίτιδας και οστεοπόρωσης σε ασθενείς με οστεοπορωτικά κατάγματα ισχίου, όπου παρατηρήθηκε ότι η οστεοαρθρίτιδα δε φαίνεται να δρα προστατευτικά έναντι των οστεοπορωτικών καταγμάτων ισχίου. Το δεύτερο κομμάτι των αποτελεσμάτων επικεντρώνεται στη γονιδιακή ανάλυση. Κατά τη μελέτη της έκφραση του γονιδίου RUNX-2, παρατηρήθηκε διαφοροποίηση της έκφρασης μεταξύ οστεοπορωτικών ασθενών και μαρτύρων και μεταξύ δειγμάτων αίματος και οστίτη ιστού. Επίσης, συγκρίσεις μεταξύ πασχόντων και μαρτύρων ανέδειξαν διαφοροποίηση σε 3 πολυμορφισμούς του γονιδίου CER1,με τους οστεοπορωτικούς να έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα εμφάνισης των παθολογικών αλληλόμορφων. Κατά τη συσχέτιση με κλινικούς παράγοντες παρατηρήθηκε ότι η ύπαρξη ενός τουλάχιστον παράγοντα κινδύνου για οστεοπόρωση ήταν σταθερά συχνότερη στους ασθενείς με το φυσιολογικό αλληλόμορφο σε σχέση με τους παθολογικούς γονότυπους για όλους τους πολυμορφισμούς του CER1. Τέλος, παρουσία του παθολογικού γονότυπου των πολυμορφισμών του CER1 σε οστεοπορωτικούς συσχετίστηκε με αυξημένη συχνότητα εμφάνισης οστεοπορωτικών καταγμάτων καθώς και υψηλότερα επίπεδα οστεοκαλσίνης στον ορό. Τα δεδομένα που προέκυψαν θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως υπόβαθρο για ανάπτυξη τεχνικών ακριβέστερης διάγνωσης και πρόβλεψης του κινδύνου εμφάνισης καταγμάτων μέσω της συνδυασμένης χρήσης στοιχείων από το ιστορικό, μέτρησης BMD, ειδικών βιολογικών δεικτών οστικού μεταβολισμού στο αίμα και δεδομένων από το γενετικό έλεγχο του κάθε ασθενούς.