MARQUEURS BIOCHIMIQUES DU REMODELAGE OSSEUX

F. SIMON

A] Activité phosphatases alcalines totales et isoenzyme osseuse

B] L'ostéocalcine sérique

C] Peptides d'extension du collagène de type I

A] Excrétion urinaire de calcium, d'hydroxyproline et des glycosides de l'hydroxyproline.

B] Phosphatase acide tartrate-résistante

A] Remodelage osseux, perte osseuse et ostéoporose

B] Remodelage osseux et risque de fracture ostéoporotique.

C] Marqueurs osseux pour le suivi thérapeutique des patients ostéoporotiques.

VII - Bibliographie

F. SIMON·

Le tissu osseux est en perpétuel activité avec une phase d’accrétion c’est-à-dire de formation d’os (se sont les ostéoblastes qui sont concernés) et une deuxième phase de résorption (destruction de l’os par les ostéoblastes). Les deux activités ne sont pas indépendantes mais sont couplées dans le temps et dans l’espace définissant des unités de remodelage osseux.

La compréhension de ces phénomènes et de leur équilibre ou déséquilibre a nettement progressé ces dernières années [1].

Dans un premier temps, nous ne possédions que des moyens agressifs. Il s’agissait de l’étude histologique par une biopsie osseuse faite dans l’os iliaque, qui permet une étude histologique et surtout histomorphométrique.

Cette technique invasive ne se conçoit actuellement que dans le cadre de la recherche ou de l’évaluation de certains nouveaux médicaments : elle est abandonnée en pratique médicale courante. Elle est remplacée par les marqueurs biochimiques du remodelage osseux qui peuvent être facilement mesurés dans le sang et dans les urines. Cela est rendu possible soit en mesurant l'activité enzymatique des ostéoblastes (phosphatases alcalines sériques) ou des ostéoclastes (phosphatases acides sériques), soit en mesurant les composants de la matrice osseuse libérés dans la circulation ; au niveau de la formation, par exemple l'ostéocalcine, ou au cours de la résorption telle les pyridinolines (tableau I).

A] Activité phosphatases alcalines totales et isoenzyme osseuse [2]

C'est le marqueur de la formation osseuse le plus fréquemment utilisé ; il manque de sensibilité et de spécificité notamment dans l'ostéoporose : dans la majorité des cas elle est normale. Elle peut augmenter avec l'âge notamment chez la femme après la ménopause.

Il existe plusieurs techniques pour différencier des isoenzymes osseux et hépatiques : ces techniques sont souvent lourdes et peu reproductibles.

Une amélioration récente a été obtenue par l'utilisation d'anticorps monoclonaux reconnaissants préférentiellement l'isoenzyme osseux.

Dans le sérum normal les isoenzymes hépatiques et osseux participent chacune d'entre-elles pour 50% de l'activité totale.

Le dosage immunologique de la phosphatase alcaline osseuse sérique constitue un marqueur biochimique sensible de l'augmentation du remodelage osseux après la ménopause et permet de refléter les effets des thérapeutiques.

B] L'ostéocalcinose sérique : [3]

L'ostéocalcine est une protéine de petite taille, spécifique du tissu osseux ; sa fonction physiologique exacte reste encore inconnue. L'ostéocalcine est synthétisée par les ostéoblastes et incorporée dans la matrice osseuse extra-articulaire mais pas dans sa totalité. Ainsi, une partie de cette molécule se trouve dans la circulation sous une forme libre où elle peut être dosée en radio-immunologie (RIA). L'ostéocalcine augmente au moment de la puberté et dans certaines maladies comme l'hyperparathyroidie primitive, l'hyperthyroïdie, la maladie de Paget et l'acromégalie. Elle est diminuée dans l'hypothyroïdie, l'hypoparathyroïdie, les traitements corticoïdes au long cours.

Lorsqu'un ostéoblaste est en activité il produit une molécule de collagène de type I qui va être incorporé dans la masse osseuse. Il libère en même temps une molécule d'un propeptide d'extension aminoterminale (PINP) et C terminale (PICP). On pourrait donc doser ces marqueurs de la formation osseuse : ceci est possible à nouveau par des doses immunologiques. Malheureusement, ce dosage manque de sensibilité. Par ailleurs, ces peptides reflètent la synthèse du collagène pas uniquement dans l'os mais aussi au niveau d'autres tissus.

Au total : la concentration sérique de PICP et de PINP ne peut pas être recommander pour mesurer la formation osseuse dans l'ostéoporose

A] Excrétion urinaire de calcium, d'hydroxyproline et des glycosides de l'hydroxylysine : [4] [5] [6]

Le dosage du calcium urinaire recueilli le matin à jeun est probablement l'examen biologique le plus simple et le moins onéreux de la résorption osseuse. Il doit être corrigé par l'excrétion urinaire de la créatinine pour pouvoir être calculé. Malheureusement, il manque de sensibilité surtout lorsque les modifications du remodelage osseux sont modestes (ostéoporose). Il dépend aussi de la fonction rénale en particulier la réabsorption.

L'hydroxyproline représente 13% environ des acides aminés du collagène. Pendant la dégradation du collagène l'hydroxyproline libre est libérée et ne peut pas être réutilisée pour la synthèse : elle est donc le témoin de la dégradation des différentes formes de collagène. La moitié de la quantité totale du collagène chez l'homme se trouve dans l'os : l'excrétion urinaire d'hydroxyproline est donc considérée comme un marqueur de la résorption osseuse.

Dans les urines l'hydroxyproline est présente sous trois formes : libre, associée à des peptides dialysables et non dialysables ; en pratique courante, on dose l'excrétion totale de l'hydroxyproline par une technique colorimétrique sur les urines des 24 heures. L'hydroxyproline provient d'autre tissus que le tissu osseux et son métabolisme périphérique est important, le dosage urinaire de l'hydroxyproline est donc faiblement corrélé avec la résorption osseuse. Elle est surtout utilisée pour juger de l'évolutivité dans la maladie de Paget.

L'hydroxylysine représente un marqueur potentiel de la dégradation du collagène, son excrétion urinaire augmente chez les malades atteints de maladie de Paget mais aussi dans l'ostéoporose post-ménopausique. La sensibilité de ce nouveau marqueur nécessite d'être confirmée par des études plus poussées. Son utilisation risque d'être limitée en raison de la difficulté de sa technique de dosage.

B] Phosphatase acide tartrate-résistante [7]

La phosphatase acide est une enzyme présente dans l'os mais aussi dans d'autres tissus. On peut séparer les différentes isoenzymes par électrophorèse : ces techniques manquent actuellement de sensibilité et de spécificité .

La phosphatase acide osseuse est résistante au L (+)-tartrate ; cette enzyme est augmentée dans plusieurs maladies osseuses caractérisées par une accroissement du remodelage ;

dans l'ostéoporose vertébrale il n'est pas démontrée que le dosage de cette phosphatase soit plus sensible que l'excrétion urinaire type d'hydroxyproline. On peut espérer que grâce aux progrès des dosages immunologiques l'on devrait disposer d'un marqueur sensible pour évoluer l'activité de l'ostéoclaste dans l'ostéoporose.

IV - EXCRETION URINAIRE DES MOLECULES DE PONTAGE DU COLLAGENE (PYRIDINOLINE) ET DE LEURS PEPTIDES ASSOCIEES [8] [9] [10] [11]

La Pyridinoline (Pyr) et la désoxypyridinoline (D-Pyr) sont deux molécules de pontage non réductible du collagène. Elles permettent de lier différentes molécules du collagène entre-elles, assurant ainsi la stabilité de la matrice extracellulaire. La plus grande partie de Pyr et D-Pyr dans les liquides biologiques provient probablement de la dégradation de l'os. Elles sont libérées dans la circulation au cours de la dégradation de la matrice osseuse par les ostéoclastes. Elles ne peuvent pas être réutilisées pour la synthèse de nouvelles molécules des collagène. Elles ne subissent pas de métabolisme in-vivo contrairement à l'hydroxyproline, ainsi la concentration urinaire totale de D-Pyr/24 heures correspond à la quantité de tissu osseux dégradé en une journée. Dans les urines Pyr et D-Pyr sont présentes sous formes libres (environ 40%) et associées à des peptides (60%), l'excrétion urinaire totale de Pyr et D-Pyr augmente de 50 à 100% après la ménopause ; sous oestrogènes elle revient aux valeurs préménopausiques. Chez les patients souffrant d'ostéoporose vertébrale, l'excrétion urinaire de D-Pyr est corrélée avec le remodelage osseux et l'histomorphométrie, ce qui est un avantage par rapport à l'hydroxyproline. Toutes ces données expliquent les avantages de la pyridinoline sur l'hydroxyprolinurie.

Actuellement le développement de techniques plus fiables et plus pratiques ont permis des progrès considérables, il s'agit de techniques immunologiques (Tableau II).

Il existe un rythme circadien de ces produits de dégradation du collagène avec un maximum tôt le matin. L'heure du recueil urinaire doit être contrôlé et standardisé.

A] Remodelage osseux, perte osseuse et ostéoporose [1]

L'ovariectomie entraîne une augmentation rapide des marqueurs biochimiques du remodelage avec un maximum un an après l'intervention et le maintien de taux élevés même après 10 ans. De même, les marqueurs du remodelage osseux augmentent après la ménopause de 50 à 100% pour l'ostéocalcine et les phosphatases alcalines osseuses, l'excrétion urinaire de la pyridinoline. Les phosphatases acides et l'hydroxyprolinurie augmentent plus faiblement mais significativement, ces anomalies se maintiennent longtemps après la ménopause et aussi chez les femmes âgées. Ces données sont corrélées avec les études histomorphométriques et les mesures de densité osseuse.

Ces faits ont été démontrés avec des études transversales mais malheureusement il existe peu d'étude longitudinale pour les confirmer. La combinaison d'une seule détermination de l'ostéocalcine circulante, de l'excrétion urinaire d'hydroxyproline et de D-Pyr, peut prédire la perte osseuse mesurée sur deux ans avec un coefficient de corrélation de 0,77.

On peut ainsi évaluer indirectement par les marqueurs biochimiques les femmes dont la perte osseuse est rapide (Fast bone losers). Ces résultats doivent être confirmés.

En effet, la mesure combinée de la masse osseuse par ostéodensitométrie et du remodelage osseux par dosage d'un marqueur de la formation et de la résorption devrait permettre un diagnostic plus efficace du risque ostéoporotique au moment de la ménopause chez des femmes dont la densité osseuse n'est que modérément abaissée.

B] Remodelage osseux et risque de fractures ostéoporotiques [1]

Il est important de connaître les malades dont le risque de fracture est important, en particulier au niveau du col du fémur qui reste un problème majeur de santé publique.

Le rôle de l'hyperparathyroidisme secondaire à la carence calcique et vitaminique a été prouvé. Les études histomorphométriques avec biopsie osseuse sont difficiles à proposer chez ce type de patiente.

Il serait essentiel de pouvoir prédire ce risque par l'étude des marqueurs biochimiques du remodelage. Un pas important a été fait par la détermination de la masse osseuse en particulier par l'ostéodensitométrie. Un second pas serait de déterminer les femmes ayant une perte osseuse accélérée : l'étude des marqueurs serait donc un progrès.

Dans l'étude récente sur les facteurs de risque des fractures de hanche sur une importante population de femmes âgées (étude prospective EPIDOS), il a été montré au cours de ces fractures dans les deux années suivantes, que l'excrétion urinaire de CrossLaps et de Pyrilink-D, marqueurs de la résorption osseuse, mesurée avant la survenue de la fracture était supérieure à celle des sujets contrôles non fracturés. Ces données suggèrent donc que les marqueurs biochimiques pourraient être utiles pour prédire le risque des fractures ostéoporotiques en association avec une mesure de la masse osseuse.

C] Marqueurs osseux pour le suivi thérapeutique des patients ostéoporotiques [1]

Les thérapeutiques de l'ostéoporose agissant sur la résorption osseuse (traitement anti-résorptif) tels que les oestrogènes et les biphosphonates entraînent une diminution des marqueurs de la résorption et de la formation.

Après 3 à 6 mois de ce type de traitement les dosages reviennent aux valeurs trouvées chez les femmes non ménopausées, ainsi un traitement de 6 semaines par un biphosphonate (Alendronate) s'accompagne d'une diminution dose-dépendante de l'ostéocalcine sérique et de la Pyridinolurie : la masse mesurée par densitométrie augmente aussi.

Ces résultats confirmés par d'autres études actuelles, suggèrent que les marqueurs du remodelage osseux pourraient être utilisés pour suivre l'efficacité des traitement à visée anti-résorptive.

Nous avons la possibilité actuellement de mesurer l'efficacité de ces traitements par la mesure de masse osseuse par absorptiométrie double énergie à rayons X (DEXA). L'évaluation de l'efficacité de ces traitements nécessite souvent deux ans de traitement avant que les modifications de la densité osseuse soient significatives et permettent de conclure à l'efficacité ou l'inefficacité du traitement administré.

Pa contre, en mesurant les marqueurs biochimiques au temps 0 et après trois à six mois de traitement on pourrait obtenir une information beaucoup plus rapide sur l'efficacité future du traitement. Un travail récent sur l'Alendronate confirme cette prévision rapide à 6 mois : elle permet ainsi de prévoir les patients répondeurs ou non répondeurs à ce type de thérapeutique.

L'ostéocalcine et les phosphatases alcalines osseuses pour la formation, le dosage de la pyridinoline urinaire et de ses peptides pour la résorption sont les marqueurs les plus intéressants dans l'évolution des ostéoporoses.

Une masse osseuse abaissée, une augmentation du remodelage osseux après la ménopause correspondent vraisemblablement à une élévation du risque de fracture ostéoporotique.

Les marqueurs biochimiques du remodelage osseux pourraient donc être combinés à une mesure de la masse osseuse afin d'améliorer l'évaluation du risque ostéoporotique.

Le suivi de l'efficacité thérapeutique serait facilité dans son appréciation par la mesure des marqueurs biologiques du remodelage osseux.

Marqueurs biochimiques du remodelage osseux.

Dosages immunologiques de la pyridinoline et des peptides du collagène de type I.

1. GARNERO P., DELMAS P.D., "Marqueurs biologiques du remodelage osseux", In Maladies métaboliques osseuses de l'adulte, KUNTZ D. (ed), Flammarion Médecine Sciences, Paris 1996 : pp. 99-111.
2. GARNERO P., DELMAS P.D., "Assessment of the serum levels of bone alkaline phosphatase with a new immunoradiometric assay in patients with metabolic bone disease". J. Clin Endocrino. Metab,1993, 77, 1046-1053.
3. DELMAS P.D., CHRISTIANSEN C., MANN K.G., PRICE P.A. "Bone Gla-protein (osteocalcin) assay standardization report". J. Bone Miner Res, 1990, 1, 5-11.
4. EBELING P.R., PETERSON J.M., RIGGS B.L., "Utility of type I procollagen propeptide assays for assessing abnormalities in metabolic bone diseases". J. Bone Miner Res, 1992, 7, 1243-1250.
5. PROCKOP O.J., KIVIRIKKO K.I., TUDERMAN K.et al, "The biosynthesis of collagen and its disorders". N. Engl J Med, 1979, 301, 13-23.
6. KRANE S.M., KANTROWITZ F.G., BYRNE M. et al, "Urinary excretion of hydroxylysine and its glycosides as an index of collagen degradation". J. Clin Invest, 1977, 59, 819-827.
7. PIEDRA C., TORRES R., RAPADO A. et al, "Serum tartrate resistant acid phosphatase and bone mineral content in postmenopausal osteoporosis ". Calcif Tissue Int, 1989, 45, 58-60.
8. DELMAS P.D., SCLEMMER A., GINEYTS E. et al, "Urinary excretion of pyridinoline crosslinks correlates with bone turnover measured on iliac cret biopsy in patients with vertebral osteoporosis". J. Bone Miner Res, 1991, 6, 639-644.
9. UEBELHART D., GINEYTS E., CHAPUY M.C., DELMAS P.D. "Urinary excretion of pyridinium crosslinks : a new marker of bone resorption in metabolic bone disease". J. Bone Miner Res, 1990, 8, 87-96.
10. HANSEN M.A., KIRSTEN O., RISS B.J., CHRISTIANSEN C. "Role of peak bone mass and bone loss in postmenapausal osteoporosis : 12 years study. Br Med J, 1991, 303, 961-964.
11. UEBELHART D., SCHLEMMER A., JOHANSEN J. "Effect of menopause and hormone replacement therapy on the urinary excretion of pyridinium crosslinks". J. Clin Endocrinol Metab, 1991, 72, 367-373.