The phosphocalcic and osseous metabolism disorders

L’endocrinologia pediatrica, tra le specialità pediatriche, è sicuramente quella in cui la genetica sta assumendo un ruolo sempre maggiore, sia nella comprensione dei meccanismi fisiopatologici alla base delle varie forme patologiche, sia per la possibilità, sempre più concreta, di fornire nuovi approcci diagnostici e terapeutici. Tra i vari settori dell’endocrinologia pediatrica, quello del metabolismo fosfo-calcico ed osseo rappresenta un campo che, sicuramente, si è arricchito delle recenti acquisizioni genetiche. Tale settore comprende un gruppo eterogeneo di condizioni patologiche singolarmente rare, ma che, nel complesso, costituiscono un’entità di frequente nella pratica clinica. Classicamente il metabolismo fosfo-calcico è regolato dal paratormone (PTH) e dalla forma ormonale attiva della vitamina D, l’1,25-diidrossivitaminaD (1,25-OH2D). Gli studi genetici hanno recentemente sottolineato il ruolo e l’importanza patogenetica di una nuova classe di ormoni, le fosfatonine. Livelli appropriati di fosforo sono, infatti, fondamentali per i corretti processi di mineralizzazione ossea. Molti studi si sono concentrati, inoltre, sulle azioni del fattore di crescita fibroblastico 23, o FGF23. L’FGF23 causa fosfaturia e riduce la formazione di 1,25-OH2D attraverso un’inibizione diretta a livello renale e l’inibizione della sintesi del PTH (1). Fra le patologie del metabolismo fosfo-calcico di natura genetica di più frequente riscontro troviamo i rachitismi genetici: con questo termine si indicano le diverse forme di rachitismo ipofosfatemico ed i rachitismi vitamina D dipendenti (tipo 1 e tipo 2). La diagnosi di queste malattie è essenzialmente clinica, basata su un attento esame obiettivo e sulla corretta interpretazione degli esami di laboratorio. L’esatta caratterizzazione del difetto genetico in causa è comunque importante per la formulazione di un corretto counseling genetico e per l'identificazione precoce della malattia, al fine di poter istituire quanto prima il trattamento adeguato. Infatti, in alcuni casi, la sola analisi dei reperti clinici e biochimici non consente una fine diagnosi differenziale. Il rachitismo ipofosfatemico X-linked (XLH) rappresenta la causa più frequente di rachitismo genetico, con un'incidenza stimata attorno a 1:25.000 (2). La malattia viene trasmessa con carattere X-linked dominante per una mutazione inattivante del gene PHEX (PHosphate-regulating gene with homologies to Endopeptidases on the X-chromosome) localizzato sul cromosoma Xp22.1. L’XLH è caratterizzato da elevati livelli circolanti di FGF23 che determinano fosfaturia ed ipofosfatemia e comportano un’inibizione dell’1α-idrossilasi renale, con conseguenti livelli di 1,25-OH2D ridotti o inappropriatamente normali per l’ipofosfatemia. Il prodotto del gene PHEX sembrerebbe prevenire il clivaggio di un fattore intermedio, il MEPE (matrix extracellular phosphoglycoprotein), che controllerebbe i livelli circolanti di FGF23. In presenza di una mutazione inattivante del PHEX, i livelli di FGF23 sono cronicamente aumentati, determinando la malattia (1, 3). La terapia del XLH (e di tutti i rachitismi ipofosfatemici caratterizzati da elevati livelli di FGF23) si basa sulla somministrazione di sali di fosfato inorganico associati ai metaboliti della vitamina D (1α-OHD o 1,25-OH2D) (1). Le recenti acquisizioni sulla patogenesi dell’XLH suggeriscono come la terapia con metaboliti della vitamina D e sali di fosfato corregga solo alcune delle alterazioni biochimiche della malattia (ipofosfatemia e bassi livelli di 1,25-OH2D), ma non modifichi i meccanismi patogenetici sottostanti, in particolare gli elevati livelli di FGF23. Esistono altre forme di rachitismo ipofosfatemico, clinicamente sovrapponibili all’XLH, che hanno avuto recentemente una precisa caratterizzazione genetica. Il rachtismo ipofosfatemico autosomico dominante (ADHR) si sviluppa in seguito ad una mutazione del gene FGF23 che rende il suo prodotto proteico resistente ai processi di clivaggio. Il rachtismo ipofosfatemico autosomico recessivo (ARHR) è dovuto ad una mutazione inattivante della dentin matrix protein-1 (DMP-1), una proteina specifica del tessuto osseo e dentario che sembra svolgere un’azione inibitrice diretta sull’FGF23. Il rachitismo ipofosfatemico ereditario con ipercalciuria (HHRH) è un disordine recessivo caratterizzato da una mutazione del gene SLC34A3 che codifica per il cotrasportatore sodio-fosfato NPT2c. Questa condizione si differenzia in quanto la fosfaturia consegue ad un difetto primitivo renale, pertanto i livelli di FGF23 sono ridotti o ai limiti bassi della norma. Una corretta diagnosi di questa malattia è importante perché il trattamento non richiede la somministrazione dei metaboliti della vitamina D, ma esclusivamente la somministrazione dei sali di fosfato (1,3). Il rachitismo vitamina D dipendente tipo 1 è una rara malattia a trasmissione autosomica recessiva determinata da una ridotta produzione di 1,25-OH2D per una mutazione del gene CYP27B1 che codifica per l’1α-idrossilasi renale. La malattia si manifesta con un grave rachitismo ad esordio precoce con possibilità di crisi ipocalcemiche gravi, con tetania e convulsioni (2). La diagnosi di certezza è possibile sequenziando il gene dell’1α-idrossilasi. La diagnosi differenziale tra questa forma ed il rachitismo carenziale non è sempre facile sulla base esclusiva dei dati clinici e biochimici. Grazie alla genetica oggi non è più necessario ricorrere a criteri diagnostici ex juvantibus come il test di sospensione della terapia con vitamina D, procedura rischiosa che deve essere svolta in ambiente ospedaliero per la possibile insorgenza di ipocalcemia. Il rachitismo vitamina D dipendente tipo 2 è una patologia autosomica recessiva dovuta a mutazioni del recettore della vitamina D (VDR), e conseguente resistenza degli organi bersaglio all’1,25-OH2D. La malattia si manifesta con i segni di rachitismo già nei primi mesi di vita, mentre sono più rare l'ipocalcemia e le crisi convulsive. I soggetti affetti hanno inoltre un deficit staturale e nel 50% dei casi è presente alopecia (2). Anche in questa forma è possibile la diagnosi molecolare. Numerose condizioni si associano a disturbi della calcemia: il pediatra, di fronte al riscontro, anche occasionale, di un’ipocalcemia o ad un’ipercalcemia, deve mettere in atto un attento processo di diagnosi differenziale mirata a chiarire l’eziologia del disturbo. Tra i disordini responsabili di alterazioni della calcemia, diversi hanno alla base un difetto genetico noto. La diagnosi differenziale tra queste condizioni si fonda su un corretto approccio clinico, laboratoristico e strumentale, lasciando alla genetica la possibilità di porre la diagnosi di certezza. L’ipocalcemia può svilupparsi in seguito a diverse patologie del metabolismo del PTH, ad esempio da deficit di sviluppo della ghiandola paratiroidea, da distruzione delle paratiroidi, da ridotta funzione ghiandolare per alterata regolazione (esempio da mutazioni attivanti del Calcium sensing receptor) o da alterata azione del PTH. Anche le patologie del sistema endocrino della vitamina D (rachitismi ipocalcemici da deficienza di vitamina D, da alterato metabolismo epatico o renale della vitamina D, da ridotta azione della vitamina D) possono causare ipocalcemia. Altre cause più rare di ipocalcemia sono: ipoalbuminemia, pancreatite acuta, rabdomiolisi acuta, lisi tumorale massiva, shock tossico, sindrome da iperventilazione, sepsi batteriche, terapia con bisfosfonati pervia endovenosa (2). L’ipercalcemia può dipendere da mutazioni inattivanti del Calcium sensing receptor, mutazioni attivanti del recettore del PTH/PTHrp, aumentata sintesi di PTH o di PTHrp, alterato metabolismo della vitamina D, malattie ereditarie del metabolismo e forme iatrogene (2). Da questa breve rassegna si evidenzia il ruolo fondamentale del PTH nella regolazione della calcemia; a questo proposito, recenti studi genetici hanno avuto un ruolo decisivo nella comprensione dei meccanismi fisiopatologici alla base degli pseudoipoparatiroidismi (PHP), un gruppo eterogeneo di patologie geneticamente determinate che hanno in comune la resistenza all’azione del PTH. Lo PHP 1a, la forma più frequente di PHP, si caratterizza per la presenza di resistenze ormonali multiple (TSH, gonadotropine, talvolta GHRH) e si associa ad una condizione nota come osteodistrofia di Albright (AHO), caratterizzata da bassa statura, obesità, facies rotonda e piena, ritardo mentale variabile, brachidattilia ed ossificazioni sottocutanee. Nelle famiglie con membri affetti da PHP 1a si possono ritrovare soggetti affetti da pseudo-pseudoipoparatiroidismo (PPHP), condizione simile allo PHP 1a ma senza alcuna resistenza ormonale documentata. Lo PHP 1a è causato da mutazioni eterozigoti a carico di uno dei 13 esoni del gene GNAS (cromosoma 20q13.1) che codificano per la subunità α della proteina Gs stimolante l’adenilato-ciclasi (Gsα). Per la trasmissione della malattia, è fondamentale che la mutazione sia presente sull’allele di origine materna, perché in alcuni tessuti l’espressione della Gsα da parte dell’allele paterno viene soppressa. Questo imprinting avviene solo in determinate sedi, come a livello renale e a livello di alcune ghiandole endocrine (ad esempio tiroide, gonadi, ipofisi). Quando la stessa mutazione viene trasmessa sull’allele paterno, i figli sviluppano lo PPHP, perché l’espressione della Gsα a livello del tubulo prossimale renale è normale. Sia i soggetti con PHP 1a che con PPHP possono sviluppare l’AHO perché, in alcuni tessuti, come ad esempio l’osso, la normale espressione della Gsα è biallelica e in presenza di un allele mutato (sia materno che paterno) potrebbe svilupparsi un’aploinsufficienza (4, 5). La bassa statura e la brachidattilia tipiche dell’AHO potrebbero dipendere dalla prematura fusione delle epifisi a livello delle ossa lunghe, dove è richiesta l’espressione biallelica del gene GNAS per assicurare una normale attività della cartilagine di accrescimento (4). Lo PHP-1b è classicamente caratterizzato da una resistenza ormonale isolata al PTH, dall’assenza dell’AHO e dalla normalità dell’analisi della proteina Gsα. La malattia, come lo PHP 1a, si sviluppa solo in seguito a mutazioni trasmesse sull’allele materno. Il gene GNAS è un esempio di imprinting genomico e codifica per 4 prodotti oltre alla Gsα: XLαs, A/B e AS espressi sull’allele paterno, e NESP55 espresso sull’allele materno. La regolazione dell’espressione allelica parentale specifica di queste sequenze dipende dalla presenza di regioni diversamente metilate. In presenza di metilazione, non si ha espressione genetica. Sono descritti casi sporadici di PHP 1b e rari casi familiari a trasmissione autosomica dominante a penetranza incompleta (4, 5). Entrambe le forme hanno in comune un difetto di metilazione dell’esone A/B sull’allele materno, che quindi viene ad essere espresso, con conseguente riduzione dell’espressione della Gsα a livello renale e sviluppo di resistenza al PTH. Nelle forme familiari è stata documentata una mutazione eterozigote del gene STX16, che si trova vicino (220 kbasi) al gene GNAS e causa un difetto isolato della metilazione della regione A/B, o una mutazione della regione NESP55 che comporta un difetto di imprinting di tutte le regioni sottoposte a metilazione del gene GNAS. Queste regioni codificherebbero per un elemento di regolazione dell’imprinting dell’allele materno, i cui meccanismi molecolari devono però essere ancora chiariti (4, 6). L’imprinting genomico del gene GNAS, regolato in particolare dalla metilazione dell’esone A/B, potrebbe giocare un ruolo importante nell’espressione allele-specifica della Gsα non solo a livello renale, ma anche in altri tessuti come la tiroide e l’osso. I difetti di metilazione che caratterizzano lo PHP 1b pertanto, possono avere conseguenze cliniche anche a questi livelli. Sono riportati, infatti, casi di PHP 1b con resistenza ormonale al PTH e al TSH e segni lievi di AHO (in particolare la brachidattilia) diagnosticati inizialmente, su base clinica e biochimica, come PHP 1a (7, 8). Di fronte ad un paziente con AHO e resistenze ormonali multiple, quindi, non si deve dare per scontata la diagnosi di PHP 1a, ma sarebbe opportuno valutate l’analisi del gene GNAS codificante la Gsα e l’analisi dell’imprinting del gene, in particolare delle regioni sottoposte a metilazione, per la ricerca di possibili difetti epigenetici (8). In figura 1 sono riassunte le conseguenze dei principali difetti genetici del gene GNAS. Sarà importante identificare nuove mutazioni del gene GNAS causa di PHP, al fine di completare le nostre conoscenze di questa complessa e, nel suo genere, unica malattia. Gli studi genetici hanno permesso anche di approfondire la fisiopatologia del metabolismo osseo, in particolare per quanto riguarda l’osteoporosi. La prevalenza di questa condizione in età evolutiva non è conosciuta con esattezza. L’osteoporosi, infatti, non viene adeguatamente diagnosticata perché è una condizione subdola che può rimanere asintomatica per lungo tempo. Inoltre vi sono scarse conoscenze culturali e difficoltà ad eseguire ed interpretare correttamente gli accertamenti strumentali necessari. Nella maggioranza dei casi l’osteoporosi si sviluppa come conseguenza di altre patologie o condizioni croniche di fondo (osteoporosi secondaria, ad esempio da scarso uso, malassorbimento, disturbi nutrizionali, alterazioni endocrine ecc.). Esistono comunque anche condizioni, più rare, di osteoporosi primaria, rappresentate essenzialmente dalle forme genetiche (osteogenesi imperfetta, sindrome osteoporosi-pseudoglioma, sindrome di Marfan, omocistinuria, sindrome di Menkes, sindrome di Ehlers-Danlos, ecc.) e dall’osteoporosi idiopatica giovanile. Solo in alcune condizioni, come l’osteogenesi imperfetta, è stata dimostrata una fragilità ossea dovuta ad un’alterazione primitiva di alcune componenti ossee strutturali, in particolare del collagene (9). L’osteogenesi imperfetta (OI) è una malattia genetica del tessuto connettivo causata, nell’80-90% dei casi, da una mutazione a carico dei geni per la sintesi del collagene di tipo 1, COL1A1 e COL1A2. Le alterazioni del collagene tipo 1 comportano modificazioni strutturali a carico del tessuto osseo, che presenta quindi fragilità per una scarsa resistenza alla trazione. I pazienti affetti da OI sono pertanto a rischio di sviluppare fratture da minimo trauma o addirittura spontanee (10, 11). Attualmente, la correlazione tra genotipo e fenotipo non può predire con certezza la gravità derivante da una particolare mutazione. Sembra comunque che le mutazioni che determinano un codone di stop prematuro nella molecola COL1A1 generino un collagene instabile che viene distrutto. In questi casi sono prodotte solo catene collagene tipo 1 normali con un difetto quantitativo, con sviluppo di una forma lieve di OI (tipo 1). Quando il collagene alterato può entrare a far parte della tripla elica del collagene destabilizzandola, si generano le forme più severe (tipo 2, 3 e 4) (11). La storica classificazione delle forme di OI in quattro tipi (I-IV), fatta da Sillence e Rimoin nel 1979, si basava esclusivamente sull’esame clinico; le acquisizioni genetiche hanno, di fatto, confermato questa prima suddivisione ed hanno portato alla scoperta di altre 4 nuove forme di OI (tipi V-VIII) (10, 11). I tipi classici sono dovuti ad una mutazione a carico dei geni COL1A1 o COL1A2 e sono ereditati come patologie autosomiche dominanti. Per il tipo V (autosomico dominante) e VI (autosomico recessivo) non è noto il difetto molecolare responsabile della patologia. I tipi VII e VIII, autosomici recessivi, sono dovuti rispettivamente a mutazioni del gene CRTAP e del gene LEPRE1, che comportano una disregolazione dell’idrossilazione post-transcrizionale di un residuo di prolina in posizione 986 del COL1A1 (10). Esistono, quindi, diversi tipi di OI, dovuti a mutazioni differenti. La presentazione clinica varia considerevolmente tra le diverse forme, andando da condizioni estremamente severe che risultano letali nel primo anno di vita (tipo II) fino a forme lievi (tipo I), difficilmente differenziabili in base al solo esame obiettivo dall’osteoporosi idiopatica giovanile, una patologia transitoria, apparentemente senza alcuna trasmissione genetica, che mostra generalmente un recupero spontaneo in un periodo di 3-5 anni. La possibilità di eseguire la ricerca molecolare dei difetti genetici responsabili delle varie forme di OI ha sicuramente facilitato questa importante diagnosi differenziale. Le varie forme di OI possono essere ereditate secondo modalità differenti (autosomiche dominanti o recessive), per cui una corretta diagnosi genetica è fondamentale anche per il counseling genetico. Con l’eccezione delle rare forme primarie, l’osteoporosi è chiaramente una condizione multifattoriale, dovuta all’azione di molti geni e all’interazione fra questi geni e l’ambiente. E’ stato dimostrato che una storia familiare di fratture del femore raddoppia il rischio di frattura (12) e che i valori di densità minerale ossea (BMD) correlano tra madre e figlia (13). La percentuale di ereditabilità dei valori di BMD è compresa tra il 50 e l’80% a livello dei maggiori siti di frattura, mentre il rischio di frattura sembra invece avere un’ereditarietà leggermente inferiore, pari circa al 25-50%. Una parte di questa ereditarietà è indipendente dai valori di BMD, probabilmente perché è influenzata anche da fattori non scheletrici come ad esempio la propensione alle cadute (14). Negli ultimi anni, numerosi polimorfismi di un singolo nucleotide (SNPs) sono stati associati ai livelli di BMD ed al rischio di frattura nel corso della vita. Molti geni sono stati canditati a svolgere un ruolo nella patogenesi dell’osteoporosi, geni implicati nel metabolismo delle cellule del tessuto osseo (osteoblasti ed osteoclasti), nella regolazione del turnover del collagene, della componente minerale (calcio e fosforo) e della risposta ai fattori ormonali (ormoni sessuali). I geni maggiormente studiati codificano per il recettore della vitamina D (VDR), il recettore per gli estrogeni α (ESR1) e β (ESR2), la catena α1 del collagene 1 (COL1A1) e la proteina correlata al recettore per le LDL 5 (LRP5). Diversi studi e metanalisi, condotti essenzialmente su popolazione adulta, hanno analizzato questi polimorfismi trovando risultati importanti, ma talvolta contrastanti. Probabilmente differenze dovute ai siti scheletrici esaminati, alla razza, al sesso, all’età, alla dieta sono responsabili di questa variabilità di risultati (14). Oggi è possibile condurre degli studi genomici di associazione, che permettono l’analisi simultanea di un gran numero di polimorfismi. Uno studio recente ha analizzato più di 300.000 polimorfismi nella popolazione adulta, identificando come significativamente associato ai valori di BMD il polimorfismo rs4355801 sul cromosoma 8, vicino al gene TNFSRF11B che codifica per un’importante proteina implicata nel metabolismo del tessuto osseo, l’osteoprotegerina. La scoperta del ruolo dell’osteoprotegerina sta permettendo lo sviluppo di nuove terapie anaboliche contro l’osteoporosi: è in studio, infatti, un anticorpo monoclonale (Denosumab) capace di mimare l’azione dell’osteoprotegerina. Questo studio ha confermato poi l’associazione tra il gene LRP5 (polimorfismo rs3736882 sul cromosoma 11) e i valori di BMD e le fratture (15). Da tutti questi dati emerge chiaramente come il contributo dei fattori genetici allo sviluppo dell’osteoporosi sia importante. In futuro, gli studi genomici di associazione ci permetteranno di identificare nuovi fattori di suscettibilità genetica; comunque, il contributo di ogni polimorfismo sinora identificato sui livelli di BMD e sul rischio di frattura è decisamente modesto, in genere compreso tra 1-3%, a dimostrazione di come l’osteoporosi sia una patologia complessa, risultato dell’interazione fra multipli fattori genetici ed ambientali. Data l’elevata frequenza dei genotipi a rischio finora esaminati nella popolazione generale, si prospetta per il futuro un ruolo potenziale di screening: questi alleli potrebbero essere valutati durante l’età evolutiva in associazione ai vari fattori ambientali in modo da identificare i soggetti a rischio e consentire un ampio periodo di tempo per mettere in atto misure preventive per assicurare un buon stato minerale osseo (15, 16, 17). Un’altra possibile applicazione futura degli studi genetici nel campo dell’osteoporosi è lo sviluppo della farmacogenetica, una disciplina mirata a comprendere l’influenza della variabilità genetica sulla riposta individuale ai farmaci. La farmacogenetica si basa sull’analisi dei polimorfismi in relazione con l’efficacia e la tossicità dei vari farmaci; il suo scopo è quello di poter indicare per ogni individuo il farmaco dotato del maggior effetto terapeutico alla dose ideale e con il minimo rischio di insorgenza di effetti collaterali. Ad oggi le applicazioni cliniche degli studi di farmacogenetica sono ancora scarse. In particolare, pochi studi sono stati condotti sui farmaci usati nella terapia dell’osteoporosi e gli studi finora pubblicati sono stati condotti essenzialmente su popolazione adulta (18). BIBLIOGRAFIA 1) Bastepe M, Jüppner H. Inherited hypophosphatemic disorders in children and the evolving mechanisms of phosphate regulation. Rev Endocr Metab Disord 2008; 9:171-80. 2) DRupp MD, Jan de Beur SM. Disorders of Phosphate Homeostasis. In Primer on the metabolic bone disease and disorders of mineral metabolism. The American Society for Bone and Mineral Metabolism. Seventh edition; 317-325. 3) Pettifor JM. What's new in hypophosphataemic rickets? Eur J Pediatr 2008; 167:493-9. 4) Bastepe M, Jüppner H. GNAS locu