Cirkadiální rytmy a kostní metabolizmus

Overview

Cirkadiální rytmy jsou neoddělitelnou součástí života. Jejich rytmicita je řízena zevními vlivy (cyklus světla a tmy), ale i vnitřními regulátory (hormonální změny, transkripce genových signálů). Každý metabolický proces včetně kostní tkáně má své vnitřní hodiny. Rytmické změny a kolísání kostní resorpce a novotvorby se odráží v cyklických změnách sérových koncentrací CTx, parathormonu a dalších. Na rytmicitu procesů má vliv i délka a kvalita spánku, jeho případný posun (noční směny), ale i strava nebo hladovění. Především u krátkodobě působících léků hraje významnou roli i doba jejich aplikace a také chronobiologie má v klinické osteologii nezastupitelnou roli.

Klíčová slova:

terapie – osteoporóza – kostní markery – cirkadiální rytmy – kostní metabolizmus

Úvod

Osteoporóza jako nejčastější porucha metabolizmu kostní tkáně postihuje celosvětově desítky milionů lidí, dle údajů WHO z roku 2011 to bylo 75 milionů [1], v roce 2019 to bylo „jen“ v zemích Evropské unie, včetně Spojeného království (UK) a Švýcarska, celkem 32 miliónů osob [2]. Počty nemocných se stále zvyšují, ať již pro častější vznik onemocnění, tak i pro prodlužující se délku života, pro změny životního stylu, pro klesající pohybové aktivity lidí v mnoha zemích světa, nedostatek vitaminu D a jiné faktory. Alarmující jsou i počty komplikací, především zlomenin: ve zmíněných zemích Evropy – 27 EU + 2 (UK a Švýcarsko) to bylo 4,3 miliony osteoporotických fraktur za rok, z toho 827 000 fraktur proximálního femuru. Zdravotní, sociální i ekonomický dopad je obrovský. Jen v roce 2019 zemřelo v evropských zemích (27 + 2) téměř čtvrt milionu lidí na následky osteoporózy a ekonomický dopad choroby je odhadován za uvedený rok na 57 miliard EUR, tedy téměř 1,5 bilionu Kč.

V České republice nejsou aktuální data přesně známa. Dle údajů IOF [2] bylo v roce 2019 postiženo osteoporózou 572 000 obyvatel a náklad na léčbu fraktur činil 260 milionů EUR, tedy asi 6,5 miliardy Kč. Připočteme-li k tomu náklady na nezbytnou péči o ty, kteří osteoporotickou frakturu prodělali v minulosti (a zůstali s tělesným handicapem) a náklady na léčbu osteoporózy, pak celkové roční náklady na tuto chorobu v České republice (ČR) činí přibližně 10 miliard Kč ročně – a to v této částce není zahrnuta cena za snížení kvality života, která se jinde do nákladů běžně započítává [2].

Diagnostika osteoporózy je přitom poměrně přesně definována. V současnosti je dána především stanovením kostní minerální hustoty metodou dvouenergiové kostní denzitometrie (DXA). Velmi sofistikované, propracované a stále vylepšované jsou i možnosti predikce individuálního rizika fraktury v následujících letech (např. FRAX® – Fracture Risk Assessment Tool) [3] a mnohé země přijaly místně adaptované modely k včasnému záchytu, prevenci a léčbě osteoporózy [4]. Poměrně detailně známe i metabolické procesy v kostní tkáni a většinu jejich možných poruch, vliv hormonů, stravy, pohybu a životosprávy. Jsou známy i mnohé rytmické změny v kostním metabolizmu, ať již krátkodobé, či dlouhodobé, existují doporučení v kterou denní dobu podávat terapii. Přesto je oblast chronobiologie kostní tkáně a různých metabolických cyklů stále málo prozkoumaná a respektovaná v praxi.

Chronobiologie

Úvahy a první obecné poznatky o cirkadiálním rytmu (prolínají se pojmy cirkadiální a cirkadiánní) lze nají od 20. let minulého století.

Cirkadiální rytmus má mnoho úrovní, z nichž dominantní jsou dvě: zevní, někdy uváděná jako biologická, která cestou suprachiazmatických jader synchronizuje tělesné aktivity a procesy s cyklem světla a tmy, a tzv. chemická, daná především kolísáním hladin hormonů v průběhu 24 hodin. Podstatnou informací však je, že v podstatě každý orgán těla (snad i každá buňka) má své vnitřní „hodiny“. Systém cyklických změn umožňuje organizmu adaptovat svou fyziologii při změně dne a noci a zasahuje nejen do spánkových cyklů, ale i do pohybové aktivity, krevního tlaku, tělesné teploty a hladiny mnoha hormonů v krevním oběhu, kognitivních funkcí, transkriptomu a metabolomu [5] a genových expresí [6] – a pochopitelně i do metabolizmu kostní tkáně. Cirkadiální rytmus je geneticky zakódován prakticky v každé buňce těla na přibližně 24hodinový cyklus. Hlavním řídicím systémem („master clock“) jsou buňky suprachiazmatických jader hypotalamu, které jsou jediným systémem dostávajícím světelné podněty ze sítnice, synchronizující vnitřní hodiny se světelnými cykly dne a noci. Zevní vlivy, pro které se vžil název „zeitgebers“ (s méně často používaným anglickým transkriptem „time-givers“) jsou především světelné, ale mezi další zevní vlivy patří i cyklus spánku, nebo bdění, stravování, nebo hladovění a klid, nebo pohyb. Periferní tkáňové hodiny se synchronizují se světelnými cykly především hormonálními regulacemi, přesněji proteinovými a genovými expresemi. Buněčný, autonomní systém molekulárních hodin je řízen dvěma transkripčními a translačními zpětnovazebnými okruhy. Dva z nich jsou aktivátory (CLOCK a BMAL1), dva represory (PER a CRY) s následným zapojením kináz a fosfatáz (podrobněji v [7]), schéma 1. Tyto geny a produkty jejich exprese lze najít i v kultivovaných osteoblastech nebo osteoklastech. V kostní tkáni jsou zodpovědny za diurnální kolísání aktivity především geny ovlivňující aktivitu osteoklastů, například RANKL a OPG, zatímco osteoblastické markery typu Runx2 a Col1A1 tak výraznou rytmicitu nemají [8].

Chronobiologie a metabolizmus kostní tkáně

Velmi četné studie potvrzují diurnální vlivy v kostní resorpci, snadno sledovatelné měřením 24hodinové rytmicity kostních resorpčních markerů, typicky CTx. Kostní resorpce je nejvyšší v klidové fázi, tedy především v nočních hodinách, což bylo přičítáno především poklesu zátěže kostní tkáně s následnou zvýšenou kostní resorpcí. Ukázalo se ale, že rytmické změny ukazatelů kostní resorpce nejsou ovlivněny tělesnou zátěži (nebo klidem) ani kolísáním hladin kortizolu ani světelným režimem. Dominantní je zřejmě příjem (či „nepříjem“) potravy a hladovění, ale i „normální“ lačnění zvyšují kostní resorpci. Podrobnější data o vlivu potravy na kostní resorpci jsou v dalších kapitolách tohoto článku. Dalším možným vlivem na cykličnost kostní resorpce je diurnální rytmus produkce PTH, s nejvyššími hladinami v nočních hodinách a nejnižšími ráno. Zůstává otázkou, jak výrazně do této diurnální rytmicity PTH zasahuje příjem potravy, včetně příjmu kalcia. Rytmicita PTH je také snižována dlouhodobým lačněním, které samo o sobě vede ke zvýšení kostní resorpce a zvýšení koncentrace kalcia v plazmě. Rovněž glukokortikoidy výrazně ovlivňují molekulární hodiny organizmu, a rytmické změny kostní resorpce závisí na rytmické produkci glukokortikoidů. Porucha této rytmicity v produkci glukokortikoidů, vyvolaná externím podáním glukokortikoidů zásadním způsobem poruší cyklické změny kostní remodelace [9] (schéma 2).

Rytmicita kostní novotvorby je výrazně menší, a zachytitelná jen některými markery kostního obratu. Zdá se, že P1NP nemá žádný (nebo naprosto minimální) diurnální rytmus, navíc ovlivněný dalšími faktory, jako jsou inkretiny. Hygum, 2019 [10], popisuje utlumení variace kostní novotvorby u diabetiků v souvislosti se zvýšením hladiny sklerostinu. Přitom koncentrace sklerostinu v plazmě nevykazuje zřetelnou rytmicitu v průběhu dne a noci [11]. Výraznější kolísání má produkce a hladina osteokalcinu. Osteokalcin signalizuje zvýšenou produkci – a tedy kostní novotvorbu – během nočních hodin, podobně jako ukazatele kostní resorpce, není ale ovlivňován příjmem potravy. Výrazný vliv má rovněž adrenergní signalizace, a to jak in vivo, tak i in vitro v experimentálně kultivovaných osteoblastech.

Nezanedbatelný vliv má epifyzární hormon melatonin. Jeho produkce je inhibována světlem a vrcholu dosahuje v nočních hodinách. Melatonin stimuluje diferenciaci a proliferaci osteoblastů in vitro a u zvířecích modelů i v pokusech in vivo. U člověka ale podání melatoninu neovlivní sérovou hladinu osteokalcinu ani kostní minerální hustotu a není asi výrazným determinátorem kostní remodelace [8].

Změna hladin kostních markerů a možnost sledování jejich reakce na léčbu u pacientů s recentní zlomeninou je samozřejmě výrazně odlišná [12].

Vliv spánku a jeho poruch na metabolizmus kostní tkáně

Vliv zevních „zeitgebers“ anebo „time-givers“ na celkový metabolizmus je naprosto zásadní a nepopiratelný. Logicky tedy musí vznikat otázka, zda případná změna, porucha nebo posun v těchto vlivech ovlivní kostní metabolizmus a jakým způsobem. Je známo, že samotná osteoporóza, a zvláště její komplikace, ovlivňují kvalitu spánku. Bolesti, únava, deformity postavy, deformity hrudníku při kompresivních frakturách hrudních obratlů, ztráta energie a mnohé další vlivy zhoršují kvalitu spánku u pacientů s pokročilou osteoporózou, která ale zřetelně klesá i u pacientů s osteopenií a bez fraktur [1].

Daleko výraznější je ale vliv „opačný“. Narušení cirkadiálního rytmu nepravidelným spánkem nebo nočními směnami bývá popisováno jako příčina nízké kostní minerální hustoty a zvýšeného rizika fraktur. Výraznou roli hraje cyklicita produkce kortizolu, vyvolaná stimulací suprachiazmatických jader hypotalamu s následným ovlivněním hypotalamicko-pituitárně-adrenální osy [13]. Ve stáří často rytmicita aktivity suprachiazmatických jader, která se přestávají synchronizovat s environmetálním rytmem klesá, což následně vede ke snížení amplitudy sekrece kortizolu, jehož hladina v krvi se i tak v závislosti na věku zvyšuje. Jedním z mnoha důvodů může být oslabení světelných stimulů snížením množství a citlivostí fotoreceptorů v sítnici, ale i katarakta. Zploštění cyklických amplitud se může podílet na vzniku involuční osteopenie a osteoporózy. Ne všechny studie ale prokazují výraznější vazbu mezi poruchami spánku a kostní minerální denzitou [14]. Porušení rytmicity kortizolu a jeho negativní vliv na kostní metabolizmus lze prokázat i experimentálně [9]. Fujihara, 2014 [15], v pokusech na myších prokázal, že geny, spojené s metabolizmem osteoklastů (NFATC1), ale i katepsinem K mají svou aktivitu úzce propojenou s cyklem světla a tmy.

I vliv tělesné zátěže je vázán na „správné časování“. Experimentálně je prokázáno, že tělesná zátěž v počátku světelného cyklu vede u myší k vzestupu genu SOST, zatímco tělesná zátěž v konci světelného cyklu snižuje expresi SOST i Dkk1 – a také endokortikální kostní formace je v této fázi výraznější [16]. Nedostatečný spánek a porucha jeho synchronizace s cyklem světla a tmy je ovšem velmi významná. Už samotná kratší doba spánku, zvláště u starších osob, je spojována s vyšším rizikem vzniku a rozvoje osteoporózy. Uvažovaným důvodem je zvýšená hladina kortizolu s následnou glukokortikoidy indukovanou poruchou kostního metabolizmu, ale také zvýšená aktivita proinflamatorních mediátorů [17]. Negativní vliv nočních směn, který vede ke zvýšenému riziku pádů a fraktur, může být samozřejmě vysvětlován zvýšenou únavou, nepozorností a ospalostí, roli může sehrávat i nižší hladina vitaminu D [18].

Některé práce ale prokazují, že noční směny mohou vést k poklesu BMD v bederní páteři i krčku femuru a vyšší prevalencí osteopenie [19]. I když dosavadní data upozorňují na až 25% výskyt osteoporózy v bederní páteři (T-skóre nižší než -2,5) a zvýšené riziko fraktur předloktí i proximálního femuru [8], podklady nejsou stále dostatečné a další studie jsou nezbytné.

Vliv stravy a hladovění

Tak jako kostní tkáň, mají svůj cirkadiální rytmus i játra, gastrointestinální trakt, ledviny a další orgány. Během doby lačnění, zvláště v nočních hodinách, je kostní resorpce zvýšená, naopak příjem stravy (zvláště pak v průběhu dne) kostní resorpci tlumí. Hladiny CTx v séru jsou nejvyšší v časných ranních hodinách (mezi 5. až 8. hod) a nejnižší v odpoledních hodinách. Tyto výkyvy platí při normálním rytmu stravy, tedy snídani, obědu a večeři. Ovlivnění cyklu stravou je přitom nejvýraznější v případě snídaně, ale už ne v případě oběda nebo večeře [20]. Jedním z možných vysvětlení této diskrepance je doba lačnění, která je mezi večeří a snídaní obvykle mnohem delší než mezi dalšími příjmy jídla. I omezení kalorického příjmu, například při intenzivním atletickém tréningu, je spojeno s vyššími hladinami osteoresorpčních markerů v séru. Významnou roli hraje i složení stravy. Krátkodobá restrikce uhlohydrátů vede ke snížení sérových ukazatelů kostní novotvorby jak v klidu, tak při cvičení. Zvýšení tělesné zátěže přitom ještě více zvýší markery kostní resorpce. Přiměřený kalorický a uhlohydrátový příjem ale dokáže nepříznivé vlivy vysoké tělesné zátěže na kostní metabolizmus snížit [21]. Příjem stravy je dokonce nejvýznamnějším faktorem, narušujícím cirkadiální variaci CTx, významnější než tělesný pohyb, či nehybnost, kolísání produkce kortizolu nebo změna světelných podmínek [22]. Lze soudit, že vliv příjmu potravy je zprostředkován stimulací sekrece inzulinu, ale také gastrointestinálních inkretinů, včetně GIP (inzulinotropního polypeptidu), GLP1 (glucagon-like peptidu 1) a GLP2. Receptory pro GIP a GLP1 jsou exprimovány na osteoblastech a receptory pro GLP2 na osteoklastech [8]. Subkutánní podání GLP2 postmenopauzálním ženám utlumí kostní resorpci, jak je sledovatelné poklesem sérových hladin CTx [23] (graf 1–3). Proto také perorální příjem glukózy má rychlejší a výraznější vliv na kostní resorpci než intravenózní podání. Snížení amplitudy kolísání sérového CTx při lačnění je přitom signifikantní – zatímco při normální stravě dosahuje kolísání sérového CTx během 24 hodin až 40,5 %, při lačnění je toto kolísání statisticky významně nižší a pohybuje se kolem 16 %. Obdobné výsledky přináší vyšetření kostních markerů u anorektických žen, u kterých je cirkadiální variace osteokalcinu i CTx výrazně snížena proti kontrolám, a po zavedení výživy se vrací do kolísání běžného u zdravých kontrol [24]. Z hlediska zachování pravidelného cyklu kostní resorpce a novotvorby je velmi důležité zachovávat i pravidelnost v příjmu potravy. Dokonce při poruše rytmu kostní resorpce, způsobeném změnou celkového životního rytmu (například noční prací), může pravidelný příjem potravy negativní vliv změny cyklu světla a tmy zmírnit. Schilperoort [9] v pokusech na myších prokázala, že pokud je příjem potravy ve fázi omezeného světla limitován, je adaptace na změnu světelných podmínek rychlejší.

Vliv cirkadiálních rytmů na léčbu osteoporózy

Pojem chronoterapie sice není nijak nový, je ale stále málo akceptován, a ještě méně aplikován do praxe. Vhodnost večerní aplikace kalciových preparátů je obecně známá, u vlastních antiosteoporotických léků je však situace rozdílná.

Už v terapii kalcitoninem s intranazálním podáním byl diskutován jeho vliv na kostní markery při podání v ranních, nebo večerních hodinách. Vzhledem ke krátkodobému účinku kalcitoninu na osteoklasty a vyšší kostní resorpci v nočních hodinách se zdálo logičtější podávat kalcitonin večer – ale vliv na CTx byl nakonec při ranním i večerním podávání stejný [25]. I když už tato informace ztrácí v současné době klinické využití, podání kalcitoninu zdravým ženám ve večerních hodinách v jiné studii vyvolalo větší redukci CTx než podání v ranních hodinách [26].

Nejvíce prací o efektu léčby v závislosti na čase podání, je známo u léčby deriváty parathormonu. Už samo terapeutické podání teriparatidu (1–34 PTH) reguluje cirkadiální hodiny v kostní, a ještě více v chrupavčité tkáni. Japonští autoři v experimentu prokázali, že vliv PTH na resetování biologických hodin v kultivované kostní tkáni je závislý nejen na dávce, ale i na době podání [27]. Spekulací zůstává, zda by tento efekt podání PTH mohl být užitečný při hojení fraktur [28]. Rozdíl v efektu podání terapeutických dávek teriparatidu v ranních vs večerních hodinách u pacientek s postmenopauzální osteoporózou je markantní. I když průměrná 24hodinová koncentrace CTx nebyla mezi oběma režimy statisticky významně rozdílná, tak večerní podání teriparatidu prokázalo výrazně vyšší průměr hodnot CTx v nočních hodinách než podání ranní. Ranní terapeutická dávka také zřetelně oploštila cirkadiální rytmicitu sérového CTx [29]. Klinická studie pražských autorů potvrdila, že po 12měsíční terapii teriparatidem vedlo ranní podávání k většímu, téměř 2násobnému, nárůstu BMD v bederní páteři než aplikace večerní. Ranní dávkování také více zvýšilo sérové koncentrace P1NP [30].

U většiny dalších antiosteoporotických léků je vliv denního času, ve kterém jsou podávány, poměrně málo prozkoumán. Je zřejmé, že léčebný efekt podávání bisfosfonátů s velmi dlouhou retencí v kostní tkáni a dlouhodobým působením nebude zřetelně ovlivněn chronobiologickými rytmy – zmiňován je jen efekt diurnální variability vstřebávání v zažívacím ústrojí [8]. Ani u denosumabu není dostatek údajů o vlivu doby podání na výsledný terapeutický efekt. Inhibitor katepsinu K, zvláště pokud je podáván v každodenních dávkách, ovšem rozdílný léčebný efekt v závislosti na cirkadiálním rytmu vykazuje – ranní dávkování je účinnější na dlouhodobější snížení markerů kostního obratu než dávkování večerní [31]. U odanakatibu (inhibitoru katepsinu K), s dávkováním 1krát týdně, ovšem pravděpodobně ranní či večerní aplikace nebude mít příliš rozdílný efekt. U jiných léků je pozornost zaměřena spíše na časovou závislost vzniku nežádoucích vedlejších účinků než na vlastní antiosteoporotický efekt – vzestup inhibitoru plazminogenového aktivátoru (PAI-1), rizikového faktoru pro vznik tromboembolické nemoci, je po ranní aplikaci raloxifenu výrazně vyšší než po aplikaci ve večerních hodinách [32]. Obecně je nutné konstatovat, že chronoterapie bude v indikovaných případech nedílnou součástí nejen „medicíny založené na důkazech“ (EBM), ale především moderního přístupu k léčbě [6].

Podpořeno MZ ČR – RVO (FNHK, 00179906, a programem Cooperatio, vědní oblast DIAG

prof. MUDr. Vladimír Palička, CSc., dr.h.c. 

palicka@lfhk.cuni.cz 

www.lfhk.cz

Received | Doručeno do redakce | Doručené do redakcie 2. 12. 2022

Accepted | Přijato po recenzi | Prijaté po recenzii 13. 12. 2022