1.2.1.1. Khái niệm chu chuyển xương
Xương là một mô sống, liên tục có chuyển hóa (Metabolism) và đổi mới (Remodeling) [55]. Mô xương không chỉ giúp duy trì ổn định nồng độ calcium trong máu để ổn định nội môi, mà còn giúp duy trì sức mạnh của xương bằng cách liên tục thay thế xương cũ và tạo xương mới. Sự chuyển hóa và đổi mới liên tục diễn ra trong suốt cả đời người. Sự chuyển hóa và đổi mới như vậy gọi là CCX.
Một chu kỳ CCX gồm 3 giai đoạn: giai đoạn hủy xương (resorption), giai đoạn chuyển đổi (reversal) và giai đoạn tạo xương mới (formation) [56]. Bước khởi động tùy thuộc vào các tế bào tạo xương, hoặc là trên bề mặt của xương hoặc là trong tủy xương, gửi tín hiệu đến các tế bào tạo máu (hematopoietic cells) để hình thành tế bào hủy xương. Bước phân hủy có thể xảy ra phía dưới các lớp tế bào liên kết. Sau một bước tạm ngưng ngắn ngủi, các tế bào tạo xương bắt đầu tạo ra những lớp xương mới. Một số các tế bào tạo xương còn lại trong xương và được chuyển hóa thành tế bào xương, và các tế bào này liên kết với nhau và với các tế bào tạo xương khác. Khi giai đoạn tạo xương trên hoàn tất, xương có khoảng thời gian bất động (quiescence). Giai đoạn phân hủy kéo dài vài tuần, nhưng giai đoạn tạo xương thì cần đến vài tháng để hoàn tất.
Mỗi đơn vị CCX diễn ra đều có sự cân bằng hai quá trình hủy xương và tạo xương để duy trì cho xương luôn chắc khỏe. Xương là một mô liên kết đặc biệt bao gồm các tế bào xương và chất căn bản (bone matrix) [58].
- Chất căn bản của mô xương bao gồm các sợi collagen và các mô liên kết khác giàu chất glucoaminoglycin, chất căn bản có thể trở thành calci hóa.
- Các tế bào xương bao gồm: Ở bậc phân tử, xương được cấu thành từ 4 loại tế bào chính: tế bào tạo xương (osteoblast), tế bào hủy xương (osteoclast),
cốt bào (osteocyte), và tế bào liên kết (liking cells) [56]. Những tế bào này tương tác với một số chất khoáng, protein, hormone, và các phân tử khác để nuôi dưỡng xương, và liên tục đục bỏ xương cũ và thay bằng xương mới qua một quá trình tái mô hình, hay còn gọi là CCX.
Hình 1.1. Chu chuyển xương thông thường
* Nguồn: Bringhurst F. (2015) [57]
+ Tế bào tạo xương (cả cốt bào) có nguồn gốc từ các tế bào gốc có tên là tế bào gốc trung mô (mesenchymal stem cell - MSC) [56]. Những tế bào MSC khi đặt trong điều kiện thích hợp có thể chuyển hóa thành tế bào xương, nhưng trong điều kiện khác chúng cũng có thể trở thành tế bào cơ, mỡ, hoặc sụn, MSC cần hai yếu tố để sản xuất tế bào tạo xương: đó là Runx2 và osterix [56]. Tế bào tạo xương chỉ “thọ” khoảng 3 tháng tuổi. Trong quá trình tái mô hình, tế bào tạo xương tạo ra những lớp xương và góp phần tạo lực của xương.
+ Cốt bào: Một số tế bào tạo xương được “chôn” trong các lớp xương, và sau này sẽ trở thành cốt bào. Cốt bào rất phổ biến, chiếm đến 95% số tế bào có mặt trong xương. Cốt bào có tuổi thọ trung bình là 25 năm [56].
+ Tế bào liên kết: Những tế bào tạo xương còn lại nằm trên bề mặt của xương, và chúng được gọi là tế bào liên kết. Các cốt bào liên kết với nhau, và liên kết với các tế bào tạo xương, hình thành một mạng tế bào có chức năng chuyển giao tín hiệu và chuyển giao các chất dinh dưỡng trong xương.
+ Tế bào hủy xương là những tế bào xuất phát từ tế bào tạo máu [56]. Tế bào hủy xương có chức năng đục bỏ xương cũ hay xương bị tổn hại qua một quá trình phân hủy chất khoáng gọi là hủy xương [59].
Các tế bào tạo xương sản sinh ra nhiều protein, và các protein này có chức năng kiểm soát quá trình tạo xương [60]. Một protein có tên là macrophage colony stimulating factor (M-CSF), qua tương tác với thụ thể M- CSF - receptor làm tăng các tế bào tạo xương. Các tế bào hủy xương cũng sản sinh ra một protein có tên là receptor activator of nuclear factor kappa B ligand (RANKL), RANKL liên kết với một thụ thể trên tế bào hủy xương (RANK), kích thích chúng chuyển hóa thành những tế bào hủy xương hoàn chỉnh. Mối tương tác giữa RANK/RANKL còn làm tăng mức độ hủy xương [59]. Tế bào hủy xương còn sản sinh ra một protein khác có tên là osteoprotegerin (OPG), là protein được tiết ra và liên kết với RANKL ngăn chặn tế bào hủy xương không cho tương tác với RANK, do đó có chức năng làm giảm số tế bào hủy xương. Các hormone và yếu tố nội tại như hormone cận giáp (PTH), calcitriol hay 1,25-dihydroxy D (1,25D), prostaglandin F2 (PGF2) và interleukin-1 (IL-1) tương tác với các tế bào tạo xương để gia tăng sản sinh RANKL và giảm sản sinh osteoprotegerin. Sự cân đối giữa RANKL và osteoprotegerin quyết định lượng xương bị mất bao nhiều [56]. Các nghiên cứu gần đây cho thấy một số thuốc mới điều trị loãng xương hiện nay có tác dụng làm suy yếu hoạt hóa thụ thể của nhân tố hạt nhân RANKL [61].
Hình 1.2. Mối tương tác giữa các dòng tế bào tạo xương và hủy xương
* Nguồn: Hồ Phạm Thục Lan và cs (2011) [62]
1.2.1.2. Dấu ấn chu chuyển xương
Với mỗi giai đoạn CCX sẽ có những dấu ấn sinh học được tạo ra bởi những tế bào trong CCX. Định lượng các dấu ấn CCX trong máu hoặc nước tiểu cho phép đánh giá được tốc độ chuyển xương, tính cân bằng trong CCX, từ đó cho phép đánh giá được chất lượng xương [63]. Các dấu ấn CCX nhìn chung được chia làm 2 loại: các dấu ấn đánh giá quá trình tạo xương và các dấu ấn đánh giá quá trình hủy xương [64]. Hiện nay, một số xét nghiệm dấu ấn CCX được ứng dụng phổ biến trong nghiên cứu và thực hành lâm sàng với độ nhạy và độ đặc hiệu cao.
- Các dấu ấn đánh giá quá trình tạo xương
Các dấu ấn này hoạt động trong các giai đoạn phát triển của tế bào tạo xương, phản ánh chức năng của tế bào và quá trình tạo xương. Hiện nay các dấu ấn tạo xương đều được phân tích từ mẫu máu gồm:
+ Osteocalcin (N-MID osteocalcin - OC): Là một protein gồm 49 acid amin [18], trọng lượng phân tử 5800Da. Là một protein đặc hiệu được tổng
hợp từ tạo cốt bào, nguyên bào răng và tế bào sụn [65]. Nồng độ OC trong máu liên quan chặt chẽ đến tốc độ tạo xương và sự calci hóa nên OC được xem là một dấu ấn đặc hiệu của chức năng tạo xương.
+ Phosphatase kiềm đặc hiệu xương (Bone Specific Alkaline phosphatase - BSAP): Là một sản phẩm của tạo cốt bào (osteoblast) được lọc qua cầu thận. Hoạt tính của phosphatase kiềm trong huyết thanh được sử dụng để đánh giá sự tạo xương nhưng độ đặc hiệu không cao phụ thuộc vào tuổi. Phosphatase kiềm là các enzym của màng tế bào, được chia thành 4 nhóm isoenzym gồm rau thai, biểu mô rau thai, ruột, gan, thận và xương [54].
+ Procollagen type 1 (Total procollagen type 1 amino – terminal propeptid – total P1NP): là sản phẩm được giải phóng từ tạo cốt bào [54]. Procollagen type 1 được chuyển hóa ở gan, thời gian bán hủy rất ngắn chỉ dưới 10 phút. Nghiên cứu của Hồ Phạm Thục Lan và cs (2012) nghiên cứu cho thấy Procollagen type 1 suy giảm theo độ tuổi, với xu hướng giảm nhiều ở nam hơn ở nữ [66].
- Các dấu ấn đánh giá quá trình hủy xương
Hầu hết các dấu ấn hủy xương là sản phẩm thoái biến của các collagen có trong xương, trừ phosphatase acid, BSP (bone sialoprotein), cathepsin K [54]. Trong các loại collagen thì collagen loại I là quan trọng nhất (chiếm hơn 90%) đối với động vật có vú nói chung và con người nói riêng. Quá trình phân hủy collagen loại I có sự tham gia của hai loại men: Cathepsin K (hoạt động với pH acid) và Matrix metalloproteinase (MMP- hoạt động với pH trung tính). Quá trình phân hủy sẽ tạo ra nhiều mảnh khác nhau tùy thuộc cấu trúc N hoặc C- telopeptide của collagen [54]. Đối với đầu tận cầu C- telopeptide sẽ là 2 mảnh: 1. ICTP (cross- linked carboxyterminal telopeptide) và 2. BC - chuỗi thẳng gồm 8 acid amin [67].
Hình 1.3 Cấu tạo của phân tử BC và ICTP
* Nguồn: Garnero P và cộng sự (2003) [67]
Các dấu ấn hủy xương gồm:
+ Các liên kết cắt ngang với telopeptid của collagen typ 1 (NTX – N terminal crosslinked telopeptide of type 1 collagen; và BC hay còn gọi là CTX – C terminal crosslinked telopeptide of type 1 collagen) trong máu và nước tiểu. Dấu ấn sinh học này được gọi là β do được đồng phân hóa với phân tử gồm 8 peptide gắn với đầu tận cùng C-telopeptide ở vị trí liên kết chéo: Glu-LysAla- His-β-Asp-Gly-Gly-Arg [68]. BC là một dấu ấn đặc hiệu cho quá trình hủy xương, được hủy cốt bào bài tiết ra trong giai đoạn hủy xương của CCX. Bệnh nhân có tăng hủy xương sẽ có tăng nồng độ BC huyết thanh.
+ Hydroxyprolin trong nước tiểu: nồng độ Hydroxyprolin khi đói phản ánh sự phân hủy collagen của xương trên lâm sàng. Hydroxyprolin còn có trong một số mô khác như da. Do đó Hydroxyprolin trong nước tiểu được coi là chỉ số không đặc hiệu về sự chu chuyển của collagen [54].
+ Hydroxylysin - Glycosid trong nước tiểu, được hình thành trong quá trình sản xuất collagen và tồn tại dưới 2 dạng glycosyl - galatosyl - hydroxylysin (GGHL) và galatosyl - hydroxylysin (GHL) [54].
+ Pyridinolin tự do và toàn phần (PYD), Deoxypyridinoline tự do (DPD) trong nước tiểu: hai thành phần này được tạo ra trong quá trình trưởng thành của chất keo [54].
+ Phosphatase acid đối kháng tartrate (TRAP) trong máu: là sản phẩm của hủy cốt bào [54]. Tuy nhiên TRAP còn có trong đại thực bào, mã hóa bởi một gen của nhiễm sắc thể phụ.
+ Bone Sialoprotein (BSP) trong máu: là một glycoprotein, một sản phẩm quan trọng của các tế bào hủy xương nhưng còn thấy cả trong các tế bào giống như hủy xương và tế bào ung thư [54].
+ Cathepsin K trong máu: là một thành phần của họ cystein protease, được tế bào hủy xương tiết ra [54].
1.1.1.3. Vai trò dấu ấn chu chuyển xương
Cùng với đặc điểm lâm sàng và chẩn đoán hình ảnh, các xét nghiệm sinh hóa, đặc biệt là các dấu ấn CCX đóng một vai trò quan trọng trong đánh giá và chẩn đoán phân biệt bệnh xương do chuyển hóa [68], [69]. Cơ thể người khi đến một độ tuổi nhất định thì nồng độ phần lớn các dấu ấn CCX cả trong máu và nước tiểu sẽ giảm và thấp hơn ở độ tuổi dậy thì. Sự ổn định này thường xảy ra ở độ tuổi 30. Sau đó, các dấu ấn hủy xương và tạo xương bắt đầu tăng. Ở thời kỳ mãn kinh ở nữ và mãn dục ở nam giới, các tế bào hủy xương năng động hơn tế bào tạo xương, kết quả là suy giảm MĐX và chất lượng xương, do đó làm gia tăng nguy cơ gãy xương. Nhiều nghiên cứu cho thấy các dấu ấn hủy xương dường như tiên đoán tỉ lệ mất xương tốt hơn các dấu ấn tạo xương, tuy nhiên các dấu ấn này không thay thế được MĐX trong chẩn đoán loãng xương trên lâm sàng [69].
Theo dõi sự thay đổi nồng độ các dấu ấn CCX là công cụ quan trọng trong thực hành lâm sàng để quản lý bệnh loãng xương [70]. Theo khuyến cáo của IOF và IFCC, nồng độ OC và BC huyết thanh có giá trị cao trong dự báo nguy cơ mất xương, sự tuân thủ điều trị và hiệu quả của các thuốc chống hủy xương bisphosphonate với độ nhạy 83,8% và độ đặc hiệu 100% [63].
1.2.2.Dấu ấn chu chuyển xương Osteocalcin và Βeta- Crosslap
1.2.2.1. Osteocalcin
Osteocalcin (N-MID osteocalcin - OC): Là một protein gồm 49 acid amin [18], trọng lượng phân tử 5800Da [71]. Là một protein đặc hiệu được tổng hợp từ tạo cốt bào, nguyên bào răng và tế bào sụn [65]. OC được cấu thành từ 3 dư lượng acid γ-carboxyglutamic (bone-GLA-protein, BGP). Trong quá trình tổng hợp xương, OC được tạo ra bởi các nguyên bào xương [72]. Quá trình này (quá trình tạo thành các dư lượng acid γ- carboxyglutamic) phụ thuộc vitamin K và được thúc đẩy bởi vitamin D3 [54]. Phần lớn OC tạo thành được nhập vào mạng lưới xương (ở trẻ em 90%, ở người trưởng thành 70%), phần còn lại được giải phóng vào hệ tuần hoàn. Vitamin K có vai trò trong việc tạo thành γ-carboxyglutamic acid và vitamin D3 có vai trò kích thích sản xuất phân tử OC, ngoài ra OC còn được điều chỉnh bởi hormone cận giáp, calcitonin. OC được bài tiết bởi cầu thận và thoái biến bởi ống thận, nên nồng độ của nó cũng bị ảnh hưởng bởi chức năng thận.
Nồng độ OC huyết thanh trong máu liên quan chặt chẽ đến tốc độ tạo xương và sự calci hóa nên OC được xem là một dấu ấn đặc hiệu của chức năng tạo xương. Trong bệnh loãng xương nồng độ OC huyết thanh tăng, có giá trị trong đánh giá sự mất xương chậm. Ngoài ra, OC còn biến đổi ở những bệnh nhân có điều trị corticoid kéo dài, cường cận giáp, cường tuyến giáp, bệnh Paget, nhuyễn xương… Định lượng nồng độ OC huyết thanh có ý nghĩa trong việc theo dõi hiệu quả của quá trình điều trị các bệnh nhân loãng xương hoặc tăng calci máu bằng các thuốc chống hủy xương.
- Các nguyên nhân chính thường gặp làm tăng OC huyết thanh: + Bệnh to đầu chi.
+ Gãy xương. + Cường cận giáp. + Loãng xương.
+ Suy thận.
- Các nguyên nhân chính thường gặp làm giảm OC huyết thanh: + Điều trị chống tiêu xương (antiresorptive therapy).
+ Giảm chức năng tuyến cận giáp. + Điều trị bằng corticoid dài ngày. + Bệnh đa u tủy xương nặng.
- Một số yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ OC huyết thanh, đó là [54]: + Các yếu tố không thể can thiệp được có ảnh hưởng đến nồng độ OC huyết thanh: Ba yếu tố quan trọng là tuổi, giới, tình trạng mãn kinh không can thiệp được. Tuy nhiên, mỗi nhà sản xuất sẽ có một khoảng giá trị tham chiếu giá trị OC huyết thanh.
+ Các yếu tố có thể can thiệp được: Hoạt động sinh học hàng ngày và tình trạng dinh dưỡng là những yếu tố có thể ảnh hưởng tới nồng độ OC huyết thanh mà có thể kiểm soát được nhằm tránh sai số. Bình thường, nồng độ OC huyết thanh tăng cao nhất ở thời điểm 4h30 phút, cao nhất là thời điểm từ 7 giờ đến 9 giờ.
Cả hai dạng OC nguyên vẹn (acid amin 1-49) và dạng phân đoạn N - MID lớn (acid amin 1 - 43) đều hiện diện trong máu. Dạng OC nguyên vẹn không bền do bị protease phân cắt giữa hai acid amin vị trí 43 và 44. Phân đoạn N - MID được tạo thành từ sự phân cắt này bền vững hơn đáng kể. Xét nghiệm Elecsys N - MID Osteocalcin sử dụng hai kháng thể đơn dòng đặc hiệu kháng trực tiếp các epitope trên phân đoạn N - MID và phân đoạn có đầu N tận cùng. Vì thế xét nghiệm này phát hiện được phân mảnh N - MID bền vững cũng như OC nguyên vẹn (nếu còn tồn tại). Xét nghiệm này không phụ thuộc vào các phân đoạn không bền có đầu C tận cùng (acid amin 43-49) của phân tử OC và do đó đảm bảo các kết quả đo được là hằng định ở các điều kiện thông thường của phòng thí nghiệm.
1.2.2.2. Βeta- Crosslap
Βeta – Crosslap (BC) là thành phần được tiết ra từ các chất collagen týp 1 của quá trình hủy xương, có nguồn gốc từ các liên kết xa ở các acid amin ở đầu tận C. Dấu ấn sinh học này được gọi là β do được đồng phân hóa với phân tử gồm 8 peptide gắn với đầu tận cùng C-telopeptide ở vị trí liên kết chéo: Glu- LysAla-His-β-Asp-Gly-Gly-Arg. BC là một dấu ấn đặc hiệu cho quá trình hủy xương, được hủy cốt bào bài tiết ra trong giai đoạn hủy xương của CCX [69]. Bệnh nhân có tăng hủy xương sẽ có tăng nồng độ BC huyết thanh.
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh được tính đặc hiệu cao, tính ổn định và ý nghĩa của BC trên lâm sàng khi đánh giá nguy cơ gãy xương và theo dõi điều trị thuốc chống loãng xương. BC là một dấu ấn hủy xương nên nồng độ của nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, cả chủ quan của cá thể lẫn khách quan [54]. Ba yếu tố ảnh hưởng quan trọng là tuổi, giới tính, tình trạng mãn kinh. Đây là