Métabolisme minéral INSERM U907 CHU Pasteur, Néphrologie

Métabolisme minéral Mortalité cardiovasculaire Maladies osseuses Lithiase rénale Endocrinopathies

Répartition du Ca ++ (PM 40) 0,0001% milieu intra-cellulaire 0,1 % mmol 99,9 % [Ca] = M [Ca] = M + H + H 3 Ca 3 (PO 4 ) 2.(OH) 2 + H + HPO Ca ++

23000 mmol 90 % 1 % Répartition du phosphore (PM 31) PO 4 3- HPO 4 2- H 2 PO 4 - PM milieu intra-cellulaire + H + H 3 Ca 3 (PO 4 ) 2.(OH) 2 + H + HPO Ca mmol 9 %

Squelette protéique: 90% de collagène I Phase minérale: 99% de cristaux d’hydroxyapatite 3 Ca 3 (PO 4 ) 2.(OH) 2 Renouvellement de la trame protéique de l’ensemble du squelette tous les 5 ans Remodelage osseux Homéostasie de la calcémie et de la phosphatémie Constituants de l’os

QuiescenceActivation Résorption QuiescenceFormationInversion Nouvel os Cycle de 3 mois en moyenne Unité de remodelage

Absorption digestive

70% du phosphate alimentaire est absorbé. Apport alimentaire de 800 à 1200 mg/j pour 1g de protéine/kg/jour Absorption du phosphate

20% du calcium alimentaire est absorbé. Apport alimentaire de 800 mg/j. Absorption du calcium

Régulation hormonale

OH CH2 OH 1 CH3 OH Vitamine D3 : cholécalciférol Vitamine D2 : ergocalciférol 25 0H vit D : calcifédiol Vitamine D3 : cholécalciférole 1,25 0H 2 vit D : calcitriol Vitamines D

Holick, JCI 2006

G-Pt mRNA ribosomes Prepro- PTH Pro PTH Cellule parathyroïdienne G-Pt Cellule épithéliale rénale Ca ++ Récepteur sensible au calcium (CaSR)

Concentration sérique de calcium (mM) Flux de calcium Concentration sérique de PTH(%) 100 % 0 Os LEC 2.40 LEC Urine D’après P. HOUILLIER Régulation hormonale de la calcémie

Variation de la calciurie en fonction de la calcémie hyper PTH hypo PTH PTH régulée normalement

Action séparée de la PTH et de la vit D sur la calciurie

Régulation hormonale de la phosphorémie  Réabsorption proximale  Excrétion urinaire FGF-23 sFRP4 MEPE FGF-7 Variation des phosphatonines Variation de la phosphatémie ? Variation du stock cellulaire en Pi ? Variation du contenu intestinal en Pi ? Interactions des phosphatonines entre elles ? Berndt, Annu Rev Physiol 2007  PTH  phosphatémie Variation de la réabsorption proximale

PTH 1-25 (OH) 2 D 3 PTH :  ostéolyse cible : ostéoblaste Calcitriol :  ostéoformation cible : ostéoblaste Action des hormones sur l’os

Transports tubulaires

Excrétion urinaire (mmol/l de filtrat) Calcémie totale (mmol/l) 1,02,02,53,03,54,01,5 0,10 0,05 0,15 Excrétion urinaire de calcium (non saturable)

Anse large de Henle : réabsorption paracellulaire ? Ca CaSR -

Syndrome de Bartter : Hypercalciurie hypomagnésémie Mutation activatrice de CaSR Bartter type 1 à 4 Inactivation des transporteurs de Na, Cl, K abolition du gradient transépithélial lumière + (effet du furosémide) Fuite urinaire de Ca ++ et de Mg ++ Hypercalciurie hypomagnésémie familiale

Blanchard, Kidney Int, 2001 Témoins Hypercalciurie hypomagnésémie Familiale (PCLN-1 -/- ) Hypercalciurie hypomagnésémie familiale

Watanabe, Lancet 2002 Mutations activatrices de CaSR Mesure d’IP3

Mutations activatrice et inactivatrice du CaSR Vargas-Poussou, JASN, 2002

Tube contourné distal : réabsorption transcellulaire

Syndrome de Gitelman : Hypocalciurie Augmentation de la réabsorption de calcium Tube proximal ? Tube distal ?

Na + K+K+ K+K+ Lumière Cellule Sang Hypothèse prévalente jusqu’en 2005 Cl - Thiazide ATP Na + Cl - Ca ++ NCX1 ATP NCC Ca ++ TRPV5 ECaC

25 mg/kg HCTZ ip ECaC ou TRPV5+/+ ECaC ou TRPV5-/- Nijenhuis, JCI 2005

Excrétion urinaire de Pi (mmol/min) Phosphatémie (mmol/l) TmPi (mmol/min) ,1 0,2 0,3 Excrétion urinaire de phosphate (saturable = Tm ou seuil maximal de réabsorption) Inuline Tm/GFR (mmol/l) phosphate Bijvoet, clin chem acta 1969

80% Phosphate filtré 20% Phosphate filtré Réabsorption proximale

Réabsorption fractionnelle Excrétion fractionnelle TmPi / DFG (mmol/l) NOMOGRAMME DE BIJVOËT Le seuil maximal de réabsorption de Pi est corrélé à la phosphorémie à jeun Phosphorémie à jeun (mmol/l) Bijvoet, clin sci 1969

Préparation de vésicules de bordure en brosse : cotransport sodium-phosphate D’après Murer, Physiol rev 2000   V ref Vh   V ref Vh 135 mM Na A [Pi] 1 mM [Na] 135 mM

Criblage de banque de cDNA de cortex de rein de lapin Werner, PNAS 1991 Transformation de bactéries Sélection des clones Amplification par repiquage cDNA DNA ligase mRNA Homogénat de cortex Extraction au chloroforme Dissection broyage Reverse transcription Enzyme de restriction Fragments de cDNA vecteur Lysat bactérien plasmides Lyse alcaline cDNA de rein cRNA Enzyme de restriction transcription Clones bactériens Extraction au CsCl

Transport de Pi Transport de SO 4 cRNA correspondant à un pool de clones Werner, PNAS 1991

Séquençage du cDNA du clone sélectionnné Plusieurs séquences correspondant à des gènes Synthèse de sondes spécifiques Northern-blot pour NaPi-2 Magagnin, PNAS 1993

STRUCTURE DU NPT2a ou NaPi-2 (HUMAIN) 640 a.a. 8 domaines transmembranaires Localisation: pôle apical du tube proximal exclusivement

Murer, Physiol rev 2000 Expression hétérologue de NaPi-2 dans l’œuf de xénope [Na] 96 mM [Na] 50 mM [Pi] 1 mM [Pi] 0,1 mM   V ref -50mv

Supplémentation en Pi carence en Pi 8 jours 2 heures4 heures carence en Pi Carence en Pi 8 jours 2 heures4 heures Ritthaler, Kidney Int, 1999 Apports alimentaires en Pi et expression de NaPi-2

Kempson, AJP Renal 1995 Effet de la PTH sur l’expression membranaire de NaPi-2

Souris NPT2a -/- Beck, PNAS1998 Hypophosphatémie avec fuite rénale (TmPi abaissé) Anomalie du remodelage osseux (  ostéoclastes) Hypercalciurie et néphrolithiase (Chau, J Bone Miner Res 2003) Augmentation du calcitriol et pas de la PTH Ala48Phe exon 3 chez un patient Diminution du transport de phosphate (Prié, NEJM 2002) Néphrolithiase chez l’homme ? mutagénèse dirigée et transport de Pi Séquençage du gène chez l’homme (hypophosphatémie avec PTH normale)

Cotransporteurs Na + -phosphate rénaux Urine Sang 2 Na + HPO Na + HPO 4 2- Npt1 PiT Npt2a PTH PO ,25(OH) 2 D ? ? 2 Na + HPO 4 2- Npt2c D. Prié, INSERM U426 ATP 3 Na + 2 K +

Ostéïte fibrokystique Diminution de la trame protéique corticale et du contenu minéral osseux

Ostéite fibrokystique Avant traitement1 an après traitement

Ostéite fibrokystique

Rachitisme / ostéomalacie Défaut de minéralisation osseuse

10 mois 2,5 ans Holick, JCI 2006

Perte du contour de la tête huméral

Strie de Looser Milkman

Démarche diagnostique des désordres du métabolisme minéral

Hypocalcémie  PTH DFG N Pi et Tm Pi   25 OH vitD (hyperparathyroïdie II)  DFG Pi N ou  MRC stades 3, 4, 5 (  1,25 OH 2 vitD) PTH N ou  Chirurgie ou radiothérapie cervicale hypomagnésémie Activation de CaSR (hypocalcémie autosomique dominante) Mutation du gène AIRE (AutoImmune Regulator) donnant une Autoimmune PolyEndocrinopathy Candidosis Ectodermal dystrophy (APECED) Pseudohypoparathyroïdie mutation de G αs : ostéodystrophie d’Albright mutation inactivatrice de la PTH

Hypercalcémie PTH N ou  Pi NPi et TmPi  HPTI Calciurie  Calciurie  Mutation inactivatrice de CaSR (hypercalcémie familiale bénigne) PTH  Pi et TmPi  Pi N Intox vit D (25 OH vitD > 150 ng/ml) Intox vit A Hyperthyroïdie Granulamatose (  1,25 OH 2 vitD) Ostéolyse humorale maligne (PTHrp) Dysplasie de Jansen (mutation activatrice du PTHR) PTH    et Pi  MRC stade 5 (hyperparathyroïdie tertiaire) Hypercalcémie

Hypophosphatémie et TmPi  PTH  PTH N Calcémie  Calciurie  Calcémie N Calciurie  25 OH vitD  (ou 25 OH vitD normale chez l’obèse) HPTII HPTI Calcémie N Calciurie  1,25 OH 2 vitD  Défaut des transporteurs proximaux de Pi (Rachitisme hypophosphatémique familial avec hypercalciurie) Calcémie N ou  Calciurie  1,25 OH 2 vitD  Fanconi Ostéomalacie oncogénique (  phosphatonines) ADHR (autosomique dominant hypophosphatemic rickets, mutation du gène de FGF23) XLH (X-linked hypophosphatemic rickets, mutation du gène de PHEX) Rachitisme héréditaire vitD-dépendant (inactivation de la 1α-hydroxylase)

L’ostéoporose, un syndrome ?

Définition de l’ostéoporose « Une maladie généralisée du squelette caractérisée par une diminution de la masse osseuse (aspect quantitatif) et une altération de l’architecture osseuse (aspect qualitatif) qui ont pour conséquence une augmentation du risque de fracture. » Conférence de consensus AmJMed 1993, 94 :

DEXA / ostéodensitomètre (mesure de la masse osseuse)

Principes techniques Calcul du ratio des coefficients d’atténuation entre les deux faisceaux

Bone mineral density (Tscore) 50 ans 50 à à à 79 > 80 Bone mineral density (Tscore) Pourcentage de la population ostéoporose ostéopénie

Contenu minéral osseux vertébral Femmes -35 à -50% Hommes Pic de masse osseuse Puberté Ménopause à -30%

Ostéoporose

Métabolisme minéral et maladie rénale chronique

Pathophysiologie de l’hyperparathyroidie secondaire à la MRC Calcitriol Serum calcium PTH Serum phosphate 1  -hydroxylase

Coefficient de régression entre le DFG et le calcitriol

Coefficient de régression entre PTH et calcitriol

Anomalies du métabolisme minéral Hyperparathyroïdie secondaire Hyperphosphatémie, hypocalcémie Acidose métabolique Calcifications vasculaires Pathologies osseuses

USRDS Annual Data Report Causes de mortalité chez le patient dialysé cardiovasculaire cérébrovasculaire Infections /cancer autres

Calcifications vasculaires

Calcifications cardiovasculaires

Probabilité de survie en fonction du score de calcification Calcification score : Calcification score : 1 Calcification score : 2 Calcification score : 3 Calcification score : 4 Suivi (mois) Probabilité de survie

Fractures et IRC Alem, KI, 2000 Registre USRDS (patients caucasiens): 654 fracture du col fémoral parmi patients dialysés pendant 8 ans Incidence masculine : 7.45/1000/an Incidence féminine : 13.63/1000/an Risque relatif : 4.40 par rapport à la population de même âge et de même sexe

Histologie osseuse Ostéite fibrokystique : diminution de la trame protéique corticale Ostéopathie adynamique : défaut de synthèse osseuse (dépression ostéoblastique) Ostéomalacie : défaut de minéralisation

Classification « TMV » des lésions histologiques osseuses

Défaut d’excrétion de la charge en acides fixes et atteinte osseuse Production de CO 2 par la respiration cellulaire Ventilation alvéolaire Excrétion rénale Production « nette » d’acides fixes CO 2 + H 2 O HCO H +

HCO H + H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O Apports alimentaires d ’acides fixes Excrétion de la charge en acide fixe Génération d ’un ion HCO 3 - par ion H + excrété CO 2 Contribution du rein et de l’os à l ’homéostasie de l ’état acide base Respiration Cellulaire (acide volatil) + H + H 3 Ca 3 (PO 4 ) 2.(OH) 2 + H + HPO Ca ++

Lithiase calcique néphrocalcinose

Lithiases calciques Précipitation par sursaturation de l’urine en calcium dans les cavités rénales Formation de cristaux avec l’oxalate, le Pi weddellite brushite

IIa (weddellite) Ivd (brushite) Formation de calculs

Néphrocalcinose et Cacchi Ricci

Conclusion Le métabolisme minéral est régulé par le rein La démarche diagnostique nécessite une exploration simultanée de la composition du sang et de l’urine Le calcium et le phosphore sont indispensables aux fonctions cellulaires L’expression des maladies du métabolisme minéral est osseuse cardiovasculaire et rénale