Par Catherine Gandelin

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1 MARQUEURS OSSEUX INTRODUCTION Par Catherine Gandelin 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

2 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)

3 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)

4 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

5 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

6 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 fractures du col du fémur/an (dont 7000 décès et 50% de handicap), tassements vertébraux. On distingue deux types d'ostéoporose : - l'ostéoporose de type I post-ménopausique - l'ostéoporose de type II sénile

7 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

8 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.

9 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 :

10 - 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.

11 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

12 - 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 Z score < -1 : risque fracturaire instaurer un THS prévoir une DMO vers 65 ans ou à l'arrêt du traitement Ä DMO 1 < Z score < moyenne Marqueurs osseux score est bon pas de THS vérifier la DMO vers 65 ans Augmentés Orientation vers THS Contrôle de DMO à 65 ans ou à l'arrêt du traitement Marqueurs osseux Normaux Pas de THS 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 :

13 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.

14 Pathologies Ostéocalcine PAO DPYR, NTX Ostéoporose postménopausique ì ì ì Ostéomalacie ì ou N ou î ì ì ì Hyperparathyroïdie ì ì ì Maladie de Paget ì ì ì ì ì ì ì Hyperthyroïdie ì ì ì ì Ostéodystrophie ì ì N ou ì ì ì Hypercorticisme î î 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

15 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 But Population Marqueurs Prédiction de perte osseuse ultérieure Elément d orientation d un bilan Ph-Ca complet Prédiction du risque fracturaire Surveillance d un traitement par biphosphonates Isoler les perdeuses rapides chez qui l instauration d un THS est important Déterminer le type de turn-over osseux et orienter vers un type de traitement Prévention de la fracture Vérifier l efficacité et/ou la compliance et/ou le respect des conditions de prise du traitement Femmes en périménopause non décidées à commencer un THS avec une DMO basse Patients ostéoporotiques Hommes ou femmes de plus de 75 ans Patients sous biphosphonates, 3 à 6 mois après le début du traitement Ostéocalcine ou PAO + DPYR libre ou totale, CTX ou NTX Ostéocalcine + DPYR totale, CTX ou NTX CTX ou DPYR libre Associé à DMO CTX ou NTX DPYR totale ou PAO

16 Surveillance d un THS Vérifier l efficacité mais surtout la compliance Femme sous THS chez qui ont soupçonne une mauvaise compliance, ou une inadaptation de la dose ou avec des DMO montant une perte osseuse Ostéocalcine, PAO, DPYR libre ou totale, CTX ou NTX

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