课件：第十二章骨代谢异常的生物化学诊断.ppt

1,第十二章 骨代谢异常的生物化学诊断,湘南学院医学检验系 临床生化检验教研室,2,教学目标,教学时数 4学时,掌握钙代谢异常、磷代谢异常、镁代谢异常及与代谢性骨病的关系；骨矿物质的激素调节与代谢性骨病的关系（维生素D缺乏与代谢性骨病）；性激素与骨质疏松症关系，I型骨质疏松症、型骨质疏松症及骨代谢的生化指标变化；血清总钙和离子钙、血清无机磷、血清镁的检验及其方法学评价与临床应用；反映骨形成及骨吸收的生化指标、检测方法及其方法学评价与临床应用 。 熟悉血钙，成骨作用与钙化，溶骨作用与脱钙 。,3,成骨细胞:合成有机基质,并通过新合成的基质控制无机物,促进骨形成。 破骨细胞:通过产生酸和蛋白水解酶分解无机物和水解有机基质,促进骨吸收。,成骨细胞,4,骨具有机械支撑、保护脏器功能； 骨是钙磷的储存库，参与钙磷代谢的调节； 钙磷是人体重要组成物质，具有广泛的生理功能； 血浆中钙磷的浓度依赖于：肠道吸收、骨质沉积和吸收、肾脏的排泌； 主要调控激素有：甲状旁腺激素、1.25（OH）2D3、降钙素。,5,第一节 钙和磷的代谢及调节,钙盐、磷酸盐是机体含量最多的无机盐 主要储存在骨和牙齿，以羟磷灰石形式存在 钙磷镁在体内的分布 组织 骨和齿 99 85 55 软组织 1 15 45 细胞外液 0.2 0.1 1 总量克/摩 1000(25) 600(19.4) 25(1.0),相对分布(%),钙,磷,镁,6,一、钙和磷的生理功能,(一)钙的生理功能 1、细胞内钙：其浓度仅为细胞外的1/1000。主要存在于线粒体、肌浆和内质网内。 生理功能： （1）触发肌肉兴奋-收缩耦联。 （2）作用于质膜，影响膜通透性及膜的转运。 （3）Ca2+作为细胞内第二信使 （4）Ca2+是许多酶的辅因子。,7,（5）Ca2+能抑制维生素D3-1-羟化酶的活性，参与自身及磷代 谢调节。 （6）细胞内的钙结合蛋白-钙调蛋白是重要的酶调节物质，钙与钙调蛋白结合后，使钙调蛋白的构象发生改变，从而活化或抑制酶。,8,2、细胞外钙：存在于血浆等细胞外的钙。 生理功能： （1）稳定神经细胞膜影响其应激性。 Ca2+ 神经肌肉的应激性 手足抽搐 （2）Ca2+ 即凝血因子，参与凝血过程。 （3）细胞外钙是细胞内钙的来源，它为骨的矿化，凝血以及膜电位维持提供钙离子。,9,(二)磷的生理功能 1、细胞内磷的生理功能 （1）ATP中的高能磷酸盐，作为能源维持着细胞的各种生理功能。 （2）磷是辅酶类物质的构成成分(如NAD+, NADP+)； （3）细胞膜的磷脂在构成生物膜结构，维持膜的结构功能以及代谢调节均发挥作用。 （4）细胞内的磷酸盐参与许多酶促反应。,10,2、细胞外磷的生理功能 （1）血中的磷酸盐是血液的缓冲体系的重要组成成分之一； （2）细胞外磷酸盐为细胞内以及骨矿化所需磷酸盐的来源； 血钙和血磷之间有一定的浓度关系，正常人钙、磷(mg/dl)的乘积在3640之间。,11, 当cap40，则钙和磷以骨盐形式沉积于骨组织； 若(cap)36则妨碍骨的钙化，甚至可使骨盐溶解，影响成骨作用。,12,二、钙和磷的代谢,(一)钙的代谢 1、吸收 部位：十二指肠 吸收方式：在活性VitD3调节下的主动吸收过程 影响因素：肠道中的PH值 PH Ca(H2PO4)2 促进Ca2+ 吸收 PH Ca3(PO4)2 不利Ca2+ 吸收 食物中构成成分的影响,Ca:P=2:1吸收最佳 肠道中活性VitD3的影响(最主要的因素) 年龄的影响,13,骨形成,骨吸收,14,2、排泄 钙通过肾和肠道排泄，由消化道排泄的钙量占总量的80。由肾排出的钙占总排钙的20。 尿钙的排除量受血钙浓度直接影响，血钙低于2.4mmol/L,尿中无钙排除。,15,(二)磷的代谢 1.吸收 部位：小肠上段（空肠最快） 方式：食物中的磷主要指有机磷酸脂和磷脂，在磷酸酶的作用下生成无机磷酸盐，才能被吸收； 影响因素：肠道的PH 食物中金属离子的影响：钙镁铁 体内钙的利用情况 2.排泄 肾是磷排泄的主要器官，肾排磷占总排磷的70，其余30由粪便排泄。,16,血钙和血磷,骨钙骨磷,沉积,溶解,肠,食物钙磷,粪钙,吸收,排出,组织细胞,利用,排出,肾,排泄,重吸收,尿磷,钙磷的代谢,17,三、血钙和血磷,(一)血钙 红细胞内钙含量较少，绝大多数存在于血浆中，故血钙通常指血浆钙，正常值为2.252.75mmol/l，其中用ISE测得的离子钙仅为0.961.24mmol/l。,18,离子钙45% 血钙 复合钙15 结合钙 与血浆蛋白结合的钙40% 血浆中发挥生理作用的是离子钙，离子钙与非扩散钙可相互转换，但受PH影响。,扩散钙,非扩散钙,19,血浆蛋白结合钙 血浆蛋白+ Ca2+ 当H+升高时，蛋白结合体钙向离子钙转移 当H +降低时，血浆离子钙降低，而血浆总钙量可无变化，此时可出现低钙抽搐现象。 pH每改变0.1单位,血清游离钙浓度改变0.05mmol/l 在测定Ca2+同时要测pH。,H+,HCO3-,20,(二)血磷 血中的磷通常指血浆中的无机磷，主要以HPO42-的形式存在占8085以上。血中的磷以有机磷和无机磷两种形式存在。 正常成人血浆无机磷含量为0.811.45mmol/l。,21,四、钙和磷及骨代谢的激素调节,(一)甲状旁腺激素(parathyroid hormone PTH) 1、合成：甲状旁腺主细胞 2、合成调节 (1)血钙负反馈调节 (2)1.25（OH)2D3的影响 (3)降钙素的影响,22,3、代谢：在肝枯否细胞及肾小管细胞的PTH被分解为N端和C端，N端具有生物学活性，可被肝细胞、肾及骨组织摄取，C端无PTH活性。 4、作用机制：具体如图,23,24,5、生理功能：PTH为调节血钙的主要因素，具体作用表现为升高血钙，降低血磷，酸化血液。 靶器官为肾脏、骨骼、小肠。 对骨的作用：促进溶骨,升高血钙 PTH促使已形成的破骨细胞的活动性增强，骨盐溶解，血钙升高； 促使未分化的间叶细胞向破骨细胞的转化，同时抑制成骨细胞的活动，抑制破骨细胞向成骨细胞的转化，使破骨细胞的活动性增强，血钙升高。,25,对肾作用 促进远曲小管和髓袢上段对钙的重吸收，抑制近曲小管及远曲小管对磷的重吸收，净结果为血钙升高，血磷降低，尿钙减少，尿磷增加 对小肠的作用 为一种间接反应，促进肠道对钙磷的重吸收，PTH可以促进活性VitD3的形成。 对维生素D的作用 升高肾25(OH)D3-1-羟化酶活性 促进1.25-（OH）2-D 3 的生成。,26,(二)维生素D 又称钙化醇，为类固醇衍生物，具有抗佝偻病作用。天然的维生素D有两种： VitD2（麦角钙化醇）、VitD3（胆钙化醇）。 肝和肾是VitD3活化的主要器官，仅活化的VitD3有生物学活性。,胆钙化醇,麦角钙化醇,27,7-脱氢胆固醇,VitD3的合成,28,1、合成 胆固醇 脱氢 7-脱氢胆固醇 紫外线 胆钙化醇(D3),肝25-羟化酶,25-羟维生素D3,1, 25-二羟维生素D3,肾1-羟化酶,24, 25-二羟维生素D3,肾24-羟化酶,活性型,低活性,活性D3活性是维生素D3的1015倍，被认为是一种激素,29,2、调节 PTH :促进其生成 活化1-羟化酶 抑制24-羟化酶 自身的调节 1-羟化酶 1.25-(OH)2-D 3 24-羟化酶 CT的调节： CT 1-羟化酶 1.25-（OH）2-D 3,促进1.25-（OH）2-D 3,+,1.25-(OH)2-D 3,1.24.25-(OH)2-D3,30,钙磷的调节 Ca2+:对1-羟化酶系有直接激活作用。 人体1-羟化酶对Ca2+的敏感度为1mmol/L。当Ca2+1.26mmol/L时，对1-羟化酶产生抑制作用。当Ca2+1. 00mmol/L时，1-羟化酶活性增高。 Ca2+ PTH 1-羟化酶 1.25-(OH)2-D 3 磷：血磷可抑制1-羟化酶的活性。 血磷 1-羟化酶 1.25-(OH)2-D 3,31,3、生理功能 ： 升高血钙和血磷 靶器官：小肠、骨、肾脏。 对小肠作用：促进小肠对钙磷的吸收，使血钙和血磷升高。 对骨的作用： 与PTH协同作用，加速破骨细胞形成，促进溶骨； 促进小肠对钙磷的吸收，使血钙和血磷升高，以利于骨的钙化。 对肾的作用：活性VitD3促进肾小管上皮细胞对钙磷的重吸收，,32,以上作用使血钙、血磷增高。增高的钙、磷有利于骨的钙化。维生素D3能维持骨盐的溶解和沉积的对立统一，以利于骨的更新与生长。 维生素D3缺乏时，钙、磷代谢障碍，儿童易发生佝偻病，成人可发生骨质软化症。此外，严重的肝肾功能障碍时，维生素D3转变为活性维生素D3能力下降，也可发生佝偻病和骨质软化症。,33,(三)降钙素（caleitonin CT）,1、合成 部位：由甲状旁腺滤泡细胞合成、分泌的一种单 链多肽激素 2、调节 受血浆中的钙离子的影响，CT的分泌随血钙升高而增加，两者呈正相关。,34,3、生理作用：抑制溶骨作用，降低血钙血磷，促 进尿钙、尿磷的排出。靶器官主要是骨和肾 对骨的作用：抑制间叶细胞转化为破骨细胞 抑制破骨细胞的活性 促使破骨细胞向成骨细胞的转化 通过以上作用，抑制溶骨作用，促进骨盐沉积，降低血钙。 对肾脏的作用：CT可直接作用于肾脏的近曲小管 ， 抑制钙磷的重吸收，使尿钙、尿磷的排出增 加，降低血钙血磷。,35,（四）甲状旁腺激素相关蛋白（PTHrP） 由肿瘤细胞分泌，作为内分泌激素作用于靶细胞（骨骼和肾）引起高钙血症。,36,激素,肠钙的吸收,溶骨作用,成骨作用,尿钙,尿磷,血钙,血磷,PTH,CT,活性D3,激素对骨代谢的调节,37,PTH、 CT、活性D3与血钙、血磷的恒定,血钙正常、血磷降低 血磷降低,活性D3,肠钙磷的吸收,骨盐溶解血钙磷,肾重吸收钙磷,Ca2+,P,CT,Ca2+,PTH,血钙降低血磷升高,血钙血磷正常,38,第二节、钙和磷的代谢紊乱,一、钙代谢异常 总钙的异常 表现为： 游离钙的异常 总钙和游离钙的异常 (一)低钙血症（hypocalcemia） 定义：血钙浓度低于2.25mmol/l,2019/4/19,39,可编辑,40,常见病因： 低清蛋白血症 血清总钙降低，游离钙多正常 慢性肾功能衰竭 甲状旁腺功能减退,PTH分泌不足 维生素D缺乏 电解质代谢紊乱,41,（二）高钙血症（Hypercalcemia） 定义：血钙浓度高于2.75mmol/l 常见病因: 钙溢出进入细胞外液 肾对钙的重吸收增加 肠道对钙吸收增强 骨髓的重吸收增加 原发性甲状旁腺功能亢进和PTH过度分泌,42,二、磷代谢异常,(一)低磷血症 定义：血清无机磷浓度低于0.81mmol/l。 常见病因: 磷向细胞内转移 肾磷酸盐阈值降低 肠道磷酸盐的吸收减少 细胞外磷酸盐丢失,43,(二)高磷血症 定义:指血清无机磷浓度高于1.45mmol/l。 常见病因:常因肾脏排泌磷酸盐的能力不足而致,其他引起的因素与增加或磷酸盐从组织进入到细胞外液等有关。 肾排泌磷酸盐能力下降 磷酸盐摄入过多 细胞内磷酸盐大量转运出,44,第三节、镁代谢及其异常,镁在人体内总量：2128g，约占体重的0.33%居构成机体元素的第11位，体内阳离子中第4位。主要以磷酸镁及碳酸镁的形式存在。 血浆中镁的浓度约为0.751.00mmol/l，主要以三种形式存在：55%是游离的、30%与蛋白结合、15%与阴离子形成复合物。 体内镁分为细胞内和细胞外。,45,一、镁的生理功能,(一)细胞内镁的功能 1、是体内300多种酶的辅因子，广泛参与各种生命活动。 2、参与酶底物形成 MgATP、 MgGTP 3、是许多酶系统的变构效应激活因子 4、在氧化磷酸化、糖酵解、细胞复制、核苷酸代谢以及蛋白生物合成中起着重要作用。,46,(二)细胞外镁的功能 1、细胞内镁的来源； 2、降低神经、肌肉兴奋性。 3、mg2+在突触的神经末梢竞争性抑制Ca2+的进入， 影响神经递质在神经肌肉连接点的释放。 4、mg2+浓度减少会导致神经肌肉应急性增加。,47,二、镁的代谢,镁存在于除脂肪以外的所有动物组织及植物性食品中，日摄入量为250mg。 1、吸收 部位：主要在回肠 方式：主动转运过程 2、排泄 消化道排泄 肾排泄（主要途径）,48,三、镁的代谢异常,（一）低镁血症 血镁1.10mmol/l临床较少见,49,第四节、骨代谢异常的临床生物化学,骨代谢的生化检测可以反映骨形成和骨吸收的动态信息，能显示骨代谢的快速改变，其变化显著早于骨密度的改变，因而对骨质疏松和其他代谢性骨病的诊断具有重要意义。 反映骨代谢的常用生化指标有骨形成标志物和骨吸收标志物二类。,50,骨形成标志物：骨钙素、骨性碱性磷酸酶、 前胶原肽 骨吸收标志物：吡啶酚、N和C端肽、酸性磷 酸酶、羟赖氨酸、羟脯氨酸,51,(一) 、骨形成标志物,1、骨钙素 又称骨谷氨酰基蛋白(BGP)人骨中主要的和最多的非胶原蛋白。骨钙素在1.25-(OH)2-D 3刺激下由成骨细胞合成。 骨钙素中的17、21、24位的谷氨酰残基，可被-羧化酶转化为-羧基谷氨酰，能结合钙离子，在血液凝固、钙转运、沉积以及维持内环境平衡中起重要作用。,52,骨钙素的主要生理功能是维持骨的正常矿化速率，抑制异常的羟基磷灰石结晶的形成，抑制软骨矿化速率。 血中骨钙素是反映骨代谢状态的一个特异和灵敏的生化指标，监测血中骨钙素的浓度，不仅可以直接反映成骨细胞活性和骨形成情况，而且对观察药物治疗前后的动态变化有一定的参考价值，还可了解成骨细胞的状态，是骨更新的敏感指标。,53,骨钙素释放入血循环后，被肾迅速地清除，循环中的骨钙素半寿期仅为5分钟左右，故血清骨钙素水平基本上能够反映近期骨细胞合成骨钙素和骨形成的情况。,54,临床应用：BGP是反映骨形成的指标。 骨钙素升高见于：儿童生长期、肾性骨营养不良、畸形性骨炎、甲状旁腺功能亢进、甲状腺功能亢进、骨折、骨转移癌、低磷血症、肾功能不全等。 骨钙素降低见于：甲状旁腺功能减退、甲状腺功能减退、肝病、长期应用肾上腺皮质激素治疗等。,55,2、骨性碱性磷酸酶 (1)碱性磷酸酶 ALP存在于骨、肝肠、肾和胎盘等许多组织。成骨细胞中ALP活性高，当成骨细胞活跃，可见血清ALP活性增高。故ALP活性可作为骨更新的指标。 ALP还可由胆小管细胞产生,可作为胆汁郁积的标志。因此检测血清总ALP活性评价骨生长，特异性和敏感性均不理想。,56,(2)骨性碱性磷酸酶(B-ALP) B-ALP在血清中比骨钙素更稳定，血清中的半寿期为1-2天，并且不受昼夜变化的影响，标本不需特殊处理。因此血清B-ALP在反映成骨细胞活性和骨形成上则有较高特异性，优于骨钙素。 B-ALP增高见于：Paget病、修复活跃的骨质疏松、甲状腺毒症、甲状腺功能亢进、骨质软化症、佝偻病、骨营养障碍、骨质溶解转移、指端肥大症以及其他增加骨形成的病症。,57,3、前胶原肽 胶原的合成 骨胶原是由成骨细胞合成的，占骨基质有机质成分的90%95%，骨非胶原蛋白通常约占6%10%。 骨胶原由甘氨酸（33%），脯氨酸和羟脯氨酸（25%）等20种氨基酸组成，绝大多数为I型胶原。I型胶原是由两个1链及一个2链组成， 3条链互相左旋卷曲而形成一个三股螺旋构型的纤维状蛋白质。,58,骨胶原在成纤维细胞、软骨细胞和骨细胞粗面内质网上形成多肽链，经羟化和糖化，前肽链合成后，形成三联螺旋的前胶原；前胶原水解后去除两端多余的附加肽（ N-和C-端延伸段又称前肽)而生成原胶原(tropocollagen)。由原胶原自行聚合形成的原微纤维，其稳定性和韧性均较差，两条肽链可进行醇醛缩合或醛胺缩合，形成共价交联，可使4条肽链间共价交联。通过共价交联，胶原微纤维的张力加强，韧性增大，溶解度降低，最终形成不溶性的成熟的胶原纤维。,59,一系列修饰(羟基化、糖基化修饰 ),形成三螺旋结构,去掉N-和C-端前肽,原胶原,未成熟纤维,成熟的胶原纤维,形成：前体细胞 型前胶原(含N-和C-端延伸段),共价结合或交联,60,前胶原肽 型胶原是由成骨细胞的前体细胞合成，含N-和C-端延伸段(又称前肽)。在形成纤维和释放入血时从型胶原上断裂下来。现多检测C-端前肽。 因此，型前胶原肽可作为评价骨形成的指标。 型胶原也是其他组织的主要基质，故型前胶原肽评估骨形成的敏感性和特异性不如骨钙素和B-ALP。但在评价体内活性维生素D代谢紊乱及其替代治疗上，型前胶原肽优于骨钙素和B-ALP。,61,临床应用增高见于： 儿童发育期，正常儿童平均为正常成人的2倍。 妊娠最后3个月。 骨肿瘤和肿瘤的骨转移，特别是前列腺癌、乳腺癌， 畸形性骨炎、酒精性肝炎、肺纤维化等。,62,(二) 、骨吸收标志物,1、胶原交联 骨的有机基质中胶原交联90%为型胶原。,脱氧吡啶酚,吡啶酚,两个天然的不能被还原的交联,63,骨吸收期间型胶原被水解，羟基吡啶酚交联释放入血并从尿中排除。检测尿脱氧吡啶酚和(或)吡啶酚，或测定交联区的C-和N-端肽，可作为反映骨吸收的指标。 (1)脱氧吡啶酚和吡啶酚：都是不能被还原的羟基吡啶酚交联。骨是两种吡啶酚的主要来源，故这两种吡啶酚测定可用于评价骨吸收。 其中脱氧吡啶酚吡啶酚表现出更高骨吸收特异性和灵敏性，其原因是：它是由胶原自然形成的，非生物合成从尿中排除前不被代谢骨是其主要来源仅来源于天然基质的降解产物，不受饮食影响。,64,(2)交联区的C-和N-端肽： 型胶原交联区的C-和N-端肽也是一种骨吸收的指标，与脱氧吡啶酚和吡啶酚一样具有较好特异性，不受饮食等干扰。 应用：吡啶酚和交联区端肽水平的评价可用于骨质疏松、PagetS病、其他代谢性骨病、原发性甲状腺功能亢进和甲状腺功能亢进以及其他伴有骨吸收增加性疾病的诊断或病情评价。,65,2、耐酒石酸酸性磷酸酶：骨吸收期间，破骨细胞产生和分泌一种耐酒石酸酸性磷酸酶进入破骨细胞与骨细胞表面之间的间隙，并能在血清中测得，能反映破骨细胞活性和骨吸收情况。,66,临床应用： 耐酒石酸酸性磷酸酶增高见于： 原发性甲状旁腺机能亢进、慢性肾功能不全、 畸形性骨炎、骨转移癌、卵巢切除术后 高转换率的骨质疏松患者。 耐酒石酸酸性磷酸酶降低见于： 甲状旁腺功能降低。 老年性骨质疏松症患者增高耐酒石酸酸性磷酸酶不显著。,67,3、尿半乳糖羟赖氨酸：由尿半乳糖羟赖氨酸胶原中羟赖氨酸被糖基化形成，存在于骨胶原。破骨时半乳糖羟赖氨酸释放入血，并从尿中排泄。在骨吸收病症，包括女性骨质疏松时增高。,68,4、尿羟脯氨酸：主要存在于胶原，由脯氨酸羟化而成。大约10%的羟脯氨酸在胶原分解时被释放从尿排出。由于受各种疾病或其他因素包括饮食的干扰，并且人体其他组织包括肌肉和皮肤也含有一定比例的胶原，所以尿羟脯氨酸对骨更新或骨吸收不特异，不是骨更新或骨吸收的常规标志物,69,第七章 微量元素 与维生素的代谢紊乱,宏量元素占人体总重量1/10000以上者，包括碳、氢、氧、氮、钙、磷、镁、钠、钾、氯、硫。 微量元素指含量占人体总重量万分之一以下，每日需要量在100mg以下的元素称为微量元素。根据机体对微量元素的需要情况，可分为必须微量元素和非必须微量元素,70,必需的微量元素有铁、锌、铜、锰、铬、钼、钴、硒、镍、钒、锡、氟、碘、硅； 非必需的微量元素1）可能必需的有铷、砷、锶、硼、锗；2）无害的则有钡、钛、铌、锆等；3）有害的微量元素有铋、锑、铍、镉、汞、铅、铝等。,71,微量元素与疾病的关系,微量元素缺乏或过多，可导致某些地方病的发生。例如缺碘与地方性甲状腺肿及呆小病有关；低硒与克山病和大骨节病有关；缺锌与伊朗乡村病和肠原性肢端皮炎有关。接触或吸收过量的有害微量元素还可引起种种职业病，即使是必需微量元素，像铁、铜、钴