Měkké tkáně, hormony a skelet

Souhrn

Mechanická nálož aktivuje remodelaci kosti a zvyšuje její pevnost. Fyzická zátěž má tedy mimořádný význam pro kostní zdraví. Objem svalové hmoty i její kontrakce jsou v těsném vztahu ke kostní denzitě u mužů i žen, přestože u mužů je tento vztah těsnější. Svalově--kostní jednotka tvoří vývojový funkční celek, jehož obě komponenty jsou pod společnou kontrolou systému somatotropin-IGF-1, androgenů a D hormonu. Tyto endokrinní systémy prostřednictvím svalově-kostní jednotky hrají významnou roli ve vývoji kosti i její stabilitě v dospělosti. Proto deficit kteréhokoli z těchto systémů, podobně jako omezená fyzická aktivita (především v dětství), mohou negativně ovlivnit kostní denzitu i kvalitu. Kost je také pod kontrolou tukové tkáně, která moduluje kostní metabolizmus mechanicky, ale především prostřednictvím adipocytokinů (leptin, adiponektin nebo rezistin). Leptin zrychluje novotvorbu kosti aktivací osteoblastů. Tento přímý efekt hormonu je amplifikován stimulací β-1 adrenergního systému, který ruší negativní osteotropní efekt neuropeptidu Y. Na druhé straně leptin aktivuje také β-2 adrenerní receptory, které zrychlují resorpci kosti. Nicméně u člověka převládá osteoanabolický efekt hormonu. Leptin má zásadní význam pro nastartování puberty u dívek a pro vývoj ženské kosti. Adiponektin (a pravděpodobně také rezistin) má na kost vliv jednoznačně negativní. Klinický význam měkkých tkání a regulačních hormonů pro integritu skeletu potvrdí další studie.

Klíčová slova:
sval – kost – tuk – leptin – adiponektin – vitamin D – androgeny – IGF1

Svalově kostní jednotka

Kost je živou tkání, která není jen pohybovým aparátem, ale plní i funkci endokrinního systému. Exprimuje řadu enzymů, především 1α-hydroxylázu aktivující syntézu D hormonu a aromatázu zodpovědnou za produkci estrogenu přímo v kosti. Kost je však také cílovou tkání hormonů, a to na parakrinní i endokrinní úrovni. Prostřednictvím mechanostatu (receptory lokalizované na osteocytech) odpovídá také na mechanickou zátěž.

Objem a kontraktilita svalu aktivuje modelaci kostní hmoty na principu Frostovy mechanostatické teorie. Adaptací kosti na zátěž dochází k vzestupu kostní denzity, ale i kvality, a tedy pevnosti kosti. Mechanická nálož mimoto moduluje geneticky determinovanou geometrii skeletu. Svalová a kostní složka systému jsou pod společnou hormonální kontrolou.

Sexuální diferenciace vývoje kostní hmoty

Děti předškolního věku obou pohlaví mají objem kosti srovnatelný. Ale již v 7 letech mají chlapci o 4,5 % více kostní hmoty než dívky. Již v tomto věku je netuková měkká tkáň prediktorem kostní hmoty [17,18]. K výrazné diferenciaci ve vývoji kosti dochází v období puberty [26]. U chlapců se v důsledku vzestupu hladin testosteronu a aktivace osy somatotropin-IGF-1 výrazně zrychlí vývoj svalové hmoty, který je o 6–15 % vyšší než u stejně starých dívek [24] a předchází 0,36 roku (u dívek 0,5 roku) dosažení vrcholu kostní denzity [32]. U chlapců se výrazněji než u dívek zvětšují rozměry kosti. Svalová hmota je tedy prvořadým prediktorem vývoje kosti u chlapců. U dívek v době puberty převládá osteoformační vliv tukové tkáně, nikoli však mechanostatický, ale hormonální [29]. Po dosažení kritické hodnoty tuku zejména v oblasti gluteofemorální je uvolněn leptin, který aktivuje syntézu gonadotropinů a estrogenu [20]. Vyšší obsah kostního minerálu ve vztahu ke svalové hmotě v časném stadiu vývoje ženského skeletu je z vývojového hlediska účelným zařízením zajišťujícím akumulaci kalcia pro reprodukci [2]. Ale i u žen má svalová hmota význam v době vývoje kosti a pozitivně moduluje i dospělý skelet. Vztah svalové hmoty ke kostní hmotě je však ve všech věkových obdobích méně těsný než u mužů.

Velmi přesnými metodami používanými v diagnostice onemocnění svalově-kostního systému jsou počítačová tomografie (CT), magnetická rezonance (MRI), bioelektrická impedance a neutronová aktivační analýza. Metodou první volby je dvoufotonová RTG denzitometrie (DXA). Všechny tyto metody však poskytují jen aproximativní výsledky, neboť nerespektují kostní geo­metrii. Přes toto omezení současné měření svalové a kostní hmoty lze dobře využít v diagnostice některých chorob pohybového aparátu stanovením indexu kost/sval, který diferencuje primární kostní onemocnění (osteogenesis imperfecta, juvenilní a posttransplantační osteoporóza) od primární svalové léze (Duchenova dystrofie nebo poliomyelitida) [13,31].

Fyzická aktivita a skelet

Vzhledem k těsnému vztahu mezi svalem a skeletem lze předpokládat, že fyzická aktivita pozitivně ovlivní vývoj kosti, především v období růstu a těsně před nástupem puberty. Děti, které pravidelně cvičí, mívají nárůst kostní hmoty 5 % za rok, zatímco u dospělých tento nárůst činí jen 1–3 %. Nedostatek pohybu u dětí obou pohlaví má za následek vyšší výskyt osteoporotických fraktur v dospělosti. U adolescentních mužů fyzická aktivita zrychluje vývoj trabekulární i kortikální kosti a zvětšuje její rozměry. Někteří autoři proto zdůrazňují, že při sledování vývoje kosti u dětí by měl být větší důraz kladen na svalovou funkci než na osteodenzitometrické parametry [12]. U žen fyzická aktivita zvyšuje kvalitu skeletu v závislosti na estrogenní aktivitě. Známou zkušeností je oslabená odpověď skeletu na zátěž u nesubsti­tuovaných postmenopauzálních žen.

Hormonální kontrola funkce svalově-kostní jednotky

IGF-1

Obě složky funkčního celku sval-kost jsou pod společnou hormonální kontrolou osy somatotropin-IGF-1. Somatotropin má sám o sobě význam pro vývoj svalu i kostní hmoty. Produkt somatotropinu, IGF-1 syntetizovaný v játrech nebo přímo ve skeletu po vazbě na specifické receptory, aktivuje nejen osteoblasty, ale i proliferaci svalových fibril a aktivací kalciového signálu zvyšuje svalovou kontrakci. Jak již bylo zmíněno, IGF-1 zrychluje vývoj jednotky v pubertě, ale zajišťuje i její stabilitu v dospělosti. Nedostatečnost osy somatotropin-IGF-1 u dospělých jedinců obou pohlaví má za následek snížení hodnoty kostní hmoty i její kvality. Muži s deficitem somatotropinu (GHD syndrome) mají výrazně nižší svalovou hmotu a trpí svalovou slabostí, která zvyšuje riziko fraktur [28]. IGF-1 je mediátorem vlivu fyzické zátěže na kost. Je známo, že ve stáří, kdy fyziologicky klesá produkce IGF-1 a stoupají hladiny prozánětlivých cytokinů, je současná manifestace sarkopenie a osteopenie velmi častá. Naopak vytrvalostní trénink, ale i krátkodobý sportovní výkon produkci IGF-1 zvyšují. Vzestup hladin peptidu byl zaznamenán již kolem 30. min intenzivního cvičení. Z tohoto hlediska je rhIGF-1 perspektivní kandidátní molekulou využitelnou v léčbě osteopenie indukované svalovou atrofií.

Sexuální steroidy

Silný antiresorpční efekt estrogenu je dobře znám a široce využíván prakticky. Estrogeny po vazbě na α a β receptory v kosti tlumí produkci osteoresorpčních cytokinů IL-1, TNF-α a přímo i RANKL. Estrogen mimoto snižuje set-point mechanostatu a podobně jako IGF-1 zvyšuje efektivitu mechanické nálože na kost. Estrogeny mají význam pro pubertální vývoj kosti i pro kvalitu skeletu v dospělosti a ve stáří, a to i u mužů. Vliv estrogenu na svalovou hmotu prokázán nebyl.

Androgeny stimulují expresi osteoprotegerinu v kosti, zrychlují růst trabekulární i kortikální kosti a u mužů zvětšují rozměry skeletu [38]. Pozitivní vztahy byly zaznamenány mezi hladinami androgenů a vyvíjející se pubertální kostí i u dívek. Androgeny modulují metabolizmus kosti nejen přímo, ale také prostřednictvím svalu, jehož objem i kontraktilitu zvyšují. Stimulací absorpce kalcia ve střevě zlepšují kalcio­vou bilanci organizmu a brání vzniku druhotné hyperparatyreózy.

Vitamin D

1,25(OH)₂ vitamin D (D hormon) se váže na jaderné receptory (VDR) v kosti i ve svalu. Zvyšuje mineralizaci kosti a pravděpodobně i její novotvorbu. Urychluje růst myofibril, jejich kontraktilitu a zvyšuje svalovou sílu. Silný vztah mezi kostí a svalem dokumentuje asociace mezi objemem (sílou) svalu a polymorfizmy BsmI a FokI v genu pro VDR [15] a průkaz pozitivního vztahu mezi hladinami 25(OH)D a svalovou sílou u seniorů i mladých aktivních atletů. Deficit vitaminu D tedy negativně ovlivní funkci celé svalově-kostní jednotky. Důsledkem nejzávažnějšího deficitu vitaminu D je osteomalacie, kdy hladiny 25(OH)D klesají pod 30 nmol/l. Daleko častější jsou případy insuficience vitaminu D s hladinami 25(OH)D pod 50 nmol/l, s následnou druhotnou hyperparatyreózou, aktivací kostní resorpce a s myopatií, jejímž důsledkem je porucha stability s pády a frakturami. Podle současných mezinárodních doporučení je za bezpečnou hladinu 25(OH)D považována hodnota 80 nmol/l. Limitujícím faktorem těchto guidelines je skutečnost, že neberou v úvahu individuální rozdíly v citlivosti na D hormon [39].

Hormony tukové tkáně a skelet

Tuková tkáň moduluje integritu skeletu nejen mechanickou náloží, ale i humorálně. V posledních letech se množí zprávy o nových molekulách syntetizovaných v tukové tkáni (adipokiny), které vstupují do regulace kostního metabolizmu [21].

Leptin

Základní funkcí leptinu je přenos informace o stavu energetických zásob k mozkovým strukturám regulujícím příjem potravy. Při vysokém příjmu kalorií nárůst tukové hmoty a vzestup hladiny leptinu tlumí chuť k jídlu a další příjem potravy a současně zvyšuje energetický výdej. Při dlouhodobějším hladovění naopak nízká produkce leptinu chuť k jídlu zvyšuje. Plazmatický leptin je obrazem nutričního stavu organizmu. Hladina leptinu v cirkulaci patologicky klesá zejména u nemocných s anorexia nervosa [6,22]. Leptin reguluje i další důležité funkce včetně neuroendokrinních funkcí a kostního metabolizmu.

Leptin uvolněný periferní tukovou tkání nebo adipocyty kostní dřeně stimuluje novotvorbu kosti aktivací specifických receptorů na osteoblastech a pravděpodobně aktivací exprese fibroblastového růstového faktoru (FGF)-23 [11,37]. Modelace kosti je tedy leptinem aktivována cestou endokrinní i parakrinní [36]. Při velmi vysoké adipozitě kostní dřeně (např. u diabetiků 2. typu) může lokální leptin indukovat apoptózu stromálních buněk a novotvorbu kosti inhibovat.

Leptin kost ovlivňuje také prostřednictvím některých leptin-senzitivních hypotalamických neurohormonů. Tlumí orexinogenní neuropeptidy (neuropeptid Y, orexiny a „agouti-related“ peptid) a stimuluje anorexinogenní peptidy (MSH, CART a CRH) a systém TRH-TSH. Významná negativní korelace byla zaznamenána mezi hladinami TSH a parametry kostní resorpce [40]. Ke skeletu má vztah i další adenohypofyzární hormon FSH, který negativně koreloval s kostní denzitou, pravděpodobně mechanizmem aktivace osteoresorpčních interleukinů (IL-1 β, TNF-α a IL-6) [8].

Dominujícím centrálním mediátorem účinku leptinu je β-adrenergní systém. Leptin stimulací β-1 adrenergních receptorů aktivuje osu somatotropin-IGF-1, jež má osteoanabolický efekt. Leptin však stimuluje také β-2 adrenergní receptory (i β-2 exprimované přímo v kosti) a jejich prostřednictvím aktivuje osteoklastickou resorpci. Nezávisle na tělesné hmotnosti zpomaluje novotvorbu trabekulární kosti [7,16]. Útlumem centrální i kostní β-2 adrenergní aktivity lze vysvětlit zpomalení úbytku kostní hmoty a nižší riziko fraktur u nemocných léčených antagonisty β-2 adrenergních receptorů. Studie u myší mimoto ukázala, že leptin tlumí syntézu 1,25(OH)₂ vitaminu D₃ v ledvině, což je další z negativních účinků leptinu na kost [37].

Kostní metabolizmus modulují i další neurohormony citlivé na leptin [3]. Exprese neuropeptidu Y, který má negativní vliv na tvorbu kortikální kosti, je leptinem tlumena. Převaha β-1adrenergní aktivity nad aktivitou β-2 vede ke zřetelnému nárůstu pe­riostu, ke zvětšení rozměrů kosti a k její vyšší odolnosti na mechanickou nálož.

Na osteoblastické receptory se váží i některé další neurome­diátory – serotonin, calcitonin gene-related peptide (CGRP) a kanabinoidy [9]. Zvláště systém CART (cocain and amfetamine related transcript) aktivuje vývoj trabekulární kosti. Jeho nedostatečnost je kompenzována leptinem [5]. Pozitivní efekt na skelet má také hormon tmy syntetizovaný v epifýze – melatonin [35].

Celkový efekt hormonu na skelet je převážně pozitivní. Nezastupitelnou roli má leptin při nastartování pubertálního růstu kosti u dívek, u nichž hladina leptinu v cirkulaci prudce stoupá v okamžiku dosažení kritické hodnoty objemu tukové tkáně. Leptin aktivuje expresi genu KiSS-1 a kisspeptinu-1, který stimuluje neurony produkující GnRH, a aktivuje tak osu adenohypofýza-gonády [27]. Nedostatečná aktivace kissneuronů při extrémních výkyvech energetické bilance má za následek poruchy nejen fertility, ale i kvality kosti. Funkční vztah mezi energetickou bilancí, leptinem a reprodukcí je účelným zařízením bránícím koncepci v období, kdy nejsou zajištěny dostatečné energetické zásoby pro růst plodu. Nedostatečně aktivovaná syntéza GnRH v adolescenci má za následek zpomalení vývoje vrcholu kostní hmoty. Nezvratnému postižení fertility i skeletu u amenoroických dívek lze zabránit navozením pulzatilní sekrece LH a ovulačního cyklu podáním rhLeptinu [14]. Lidským modelem zpomaleného vývoje kostní hmoty v důsledku nízkých hladin leptinu je idiopatická skolióza páteře u dívek, u nichž hladiny leptinu v séru pozitivně korelují s parametry kostní hmoty.

Účinek leptinu na skelet může být tedy anabolický i proresorpční a závisí na interakci přímého vlivu na kost s aktivací β-1 nebo β-2 adrenergních receptorů a dalších neurohormonů. Jak dokládají klinické studie, hladina leptinu u obou pohlaví pozitivně koreluje s ukazatelem kostní remodelace (kostní izoALP). Mimoto je gen pro leptinový receptor (polymorfizmus Gln223Arg) asociován s počtem fraktur obratlových těl u postmenopauzálních žen a s kostní denzitou u pubertálních i dospělých mužů [10,33]. Zcela zásadní význam má sérový leptin pro vývoj vrcholu kostní hmoty u pubertálních dívek.

Adiponektin

Osteotropním hormonem tukové tkáně je také adiponektin. Mezi adipozitou a hladinami adiponektinu je inverzní vztah. Hodnota cirkulujícího adiponektinu je velmi nízká u obezity a stoupá při protrahovaném hladovění a ztrátě tělesné hmotnosti. Adiponektin má klíčový význam v regulaci metabolizmu tuků a glukózy, jejíž produkci tlumí a zvyšuje citlivost tkání na inzulin. Termogenetickým mechanizmem snižuje tělesnou hmotnost. Nedostatek adiponektinu vede k inzulinové rezistenci, dyslipidemii, vzniku aterosklerózy a aktivaci zánětu [1].

Kostní efekt adiponektinu spočívá v modulaci klíčových funkcí osteoblastů (inhibuje signalizaci transkripčního faktoru Runx2 a stimuluje receptor PPARγ) [25]. Zrychluje kostní remodelaci, v níž převládá proces resorpce nad formací. Adiponektin má negativní prediktivní význam pro kostní denzitu [23,30]. U starších mužů je hladina adiponektinu považována za rizikový faktor pro vznik fraktury, a to nezávisle na složení tělesných tkání [4]. Také u dospělých obézních žen, které podstoupily bypass žaludku, se spolu s poklesem tělesné hmotnosti a vzestupem hladiny adiponektinu významně snížila celková kostní denzita [41]. Je pravděpodobné, že hormon má negativní vliv i na vývoj pubertálního skeletu. Nezávislé negativní korelace mezi hladinou adiponektinu a kostní denzitou páteře a kyčle byly zaznamenány u zdravých adolescentních dívek i u dívek s anorexia nervosa. U dětí byl mimoto nalezen negativní vztah mezi hladinami adiponektinu a pubertální expanzí endostální i periostální kosti a její kvalitou [34].

Adiponektin má tedy negativní vztah nejen ke kostním parametrům v dospělosti, ale i u rostoucího organizmu. Lze přepokládat, že je jedním z faktorů podílejících se na poruše vývoje kostní hmoty u dívek s mentální anorexií. Naopak deficit produkce adiponektinu může být příčinou nízkého výskytu osteoporózy u obézních.

Tuková tkáň může ovlivnit metabolizmus kosti také prostřednictvím rezistinu a visfatinu. Rezistin zvyšuje produkci glukózy, snižuje citlivost tkání na inzulin a při nadprodukci vede k obezitě, která má sama osteoprotektivní efekt. Působením přímo v kosti však rezistin zvyšuje počet diferencovaných osteoklastů a stimuluje osteoklastickou resorpci. Molekula rezistinu je exprimována nejen tukovou tkání, ale také preosteoklasty a preosteoblasty. Rezistin tedy, podobně jako leptin, kostní metabolizmus moduluje i na parakrinní úrovni [1]. Na základě výsledků zatím nečetných klinických studií však nebylo v tomto směru dosaženou konsenzu.

Význam inzulinomimetického hormonu visfatinu pro regulaci kostního metabolizmu není jasný. Zatím byla publikována ojedinělá studie, která u mužů s metabolickým syndromem prokázala pozitivní vztah mezi hladinami visfatinu a kostní denzitou [19].

Příčinou premenopauzální osteopenie indukované s násilnou redukcí tukové hmoty je anorexia nervosa. Onemocnění postihuje především dívky nebo mladé ženy, ale může se manifestovat i u mužů. Patogeneze onemocnění je multifaktoriální, kdy v důsledku nutriční nedostatečnosti dochází k poruše hypotalamických funkcí, k rozvoji hypoestrinizmu a poklesu hladin IGF-1. Ztrátu kostní hmoty zrychlí i nízký cirkulující leptin a vysoké hladiny adiponektinu, kortizolu a ghrelinu, jež mají za následek extrémní aktivaci systému RANK/RANKL. Útlum novotvorby kosti související s deficitem IGF-1 je dále zesilován aktivací β-2 adrenergního systému. Nízká denzita kosti je provázena i poruchou její mikroarchitektury. Po zvládnutí nutričního deficitu, zvýšení tělesné hmotnosti a indukci menstruačního cyklu však u většiny žen dochází k urychlení vývoje kostní hmoty a ke kompletní normalizaci její kvality.

Závěrečné poznámky

Sval a skelet vytvářejí anatomický i funkční celek, jehož obě složky jsou řízeny společnými hormonálním okruhy, z nichž klíčovou roli mají IGF-1, androgeny a vitamin D. Deficit kteréhokoli z těchto hormonálních faktorů i nedostatečný vývoj svalu mohou vést k závažnému poškození vyvíjejícího se i dospělého skeletu. Funkční vztah mezi tukovou tkání a skeletem není dán pouze přímým působením mechanické nálože na kost, ale také vlivem hormonů syntetizovaných adipocyty. Takto adipokiny modulují metabolizmus kosti přímo na tkáňové úrovni (leptin, adiponektin) a nepřímo aktivací hypotalamických neurohumorálních center (leptin). Nejvýznamnějším pozitivním (nebo negativním) mediátorem účinku leptinu je β adrenergní systém. Zatímco globální efekt leptinu na lidský skelet je převážně anabolický, adiponektin je faktorem osteoresorpčním. Osteotropní účinky hormonů tukové tkáně budou patrně předmětem výzkumu především u nemocných s metabolickým syndromem.

prof. MUDr. Ivana Žofková, DrSc.

www.endo.cz

e-mail: izofkova@endo.cz 

Doručeno do redakce: 1. 7. 2011

Přijato po recenzi: 7. 9. 2011