De pathofysiologie van vasculaire calcificatie
Hoewel calcificatie kan voorkomen in de arteriële intima grenzend aan plaques en in de mediale lagen, is het niet duidelijk of deze vormen van calcificatie identiek zijn, of dat ze verschillende uitlokkende factoren hebben die leiden tot een gemeenschappelijk pathogeen mechanisme dat gelijkenis vertoont met botvorming. Transcriptiefactoren zoals Cbfa1/RUNX2 en MSX-2, die cruciaal zijn voor de normale botontwikkeling, zijn geïdentificeerd in cellen rondom arteriële calcificatie bij de mens, zowel bij de algemene bevolking als bij patiënten met chronische nieraandoeningen, in diermodellen en in vitro.7 De botproteïnen osteonectine, osteopontine, botsialoproteïne, collageen type I en alkalische fosfatase zijn ook geïdentificeerd op meerdere plaatsen van extraskeletale calcificatie. In celkweek zijn vasculaire gladde spiercellen en vasculaire pericyten in staat om dezelfde botvormende transcriptiefactoren en eiwitten te produceren, en zij kunnen daartoe worden geïnduceerd met hoge concentraties fosfor, uremisch serum, hoge glucose, geoxideerde lipiden, cytokinen, en verschillende andere factoren.
Vasculaire gladde spiercellen die deze eiwitten tot expressie brengen, zijn in staat om in celkweekexperimenten gemineraliseerde knobbeltjes te vormen in aanwezigheid van fosfor, hetzij natriumfosfaat, hetzij als fosfaatdonor β-glycerofosfaat dat door membraangebonden alkalische fosfatase wordt gesplitst tot fosfor. Naast calcium is fosfor dus ook een essentieel element van calcificatie, zowel in botten13 als in bloedvaten, en de twee zijn additief in hun effect op in vitro vasculaire calcificatie.14 Om mineralisatie in vitro te laten plaatsvinden, is er een cellulaire transformatie en toegang tot mineralen nodig. Als men de mineraalconcentratie in kweekmedia hoog genoeg opvoert, zal deze spontaan neerslaan, zelfs in afwezigheid van cellen – de zogenaamde “fysisch-chemische” neerslag die sterk pH-afhankelijk is. Verschillende proteïnen kunnen deze fysisch-chemische component van vasculaire calcificatie afremmen (zie hieronder). Zoals onlangs besproken, trekken deze gegevens de bruikbaarheid in twijfel van het lang beargumenteerde concept van een calcium x fosfor (Ca x P) product in bloed als voorspeller van extraskeletale mineralisatie bij patiënten met chronische nierziekte.15 Dit concept van een ‘veilig Ca x P’ product, heeft artsen een handige manier gegeven om de maandelijkse labo’s van hun patiënt te analyseren, maar is niet gebaseerd op wetenschappelijke gegevens, en het risico geassocieerd met een bepaald Ca x P product hangt af van de bestaande arteriële ziekte van de patiënt, abnormale minerale homeostase, en de beschikbaarheid van inhibitoren van mineralisatie.
Uremische diermodellen van arteriële calcificatie vullen ons klinisch en in vitro werk aan en hebben geholpen om de types van afwijkingen te karakteriseren die belangrijk zijn. Deze diermodellen kunnen grofweg worden ingedeeld in vijf groepen die de complexe pathogenese, geschetst in figuur 1, ondersteunen: dieren met hyperfosfatemie als gevolg van chronische nierziekte en een fosforrijk dieet, of dieren met genetische defecten die de uitscheiding van fosfor door de nieren belemmeren (Klotho of FGF-23, bijvoorbeeld), dieren die hypercalcemisch worden gemaakt met toxische doses vitamine D, dieren met atherosclerose die uremisch worden gemaakt (muizen met ApoE en LDL-receptor null), dieren met abnormale botopbouw (muizen met osteoprotegerine null), en dieren met defecten in remmers zoals matrix Gla proteïne. Belangrijk is dat in dezelfde diermodellen arteriële calcificatie kan worden voorkomen of verminderd door therapieën die het serumfosfor normaliseren (fosfaatbinders of een fosfaatarm dieet), secundaire hyperparathyroïdie corrigeren (calcimimetica, en in sommige studies, vitamine D analogen), en door therapieën die de botrotatie remmen (bisfosfonaten, osteoprotegerine, een vacuolaire ATPase osteoclast inhibitor, en botmorfogene proteïne 7). Deze bevindingen leveren sterke aanwijzingen dat hyperfosfatemie en calciumbelasting belangrijke risicofactoren zijn, en dat verminderde botombouw tot vaatverkalking leidt, hetgeen het verband bevestigt tussen abnormale botombouw en arteriële verkalking dat bij mensen in de algemene bevolking en bij patiënten met chronische nierziekten bestaat.9 Het blijkt dat bij patiënten met chronische nierziekten beide uitersten van botopbouw, lage turnover (adynamisch bot) en hyperparathyroïde bot, vasculaire calcificatie kunnen versnellen door respectievelijk geen calcium of fosfor in het bot toe te laten, of het uit het bot te resorberen.
Normaal differentiëren mesenchymale stamcellen zich tot adipocyten, osteoblasten, chondrocyten en vasculaire gladde spiercellen (VSMC). In de setting van chronische nierziekte, diabetes, veroudering, ontsteking, en meerdere andere toxines, kunnen deze VSMC dedifferentiëren of transformeren in osteo/chondrocytachtige cellen door upregulatie van transcriptiefactoren zoals RUNX-2 en MSX2. Deze transcriptiefactoren zijn van cruciaal belang voor de normale botontwikkeling en de upregulatie ervan in VSMC wijst dus op een fenotypische switch. Deze osteo/chondrocytachtige VSMC worden vervolgens verkalkt in een proces dat lijkt op botvorming. Deze cellen leggen collageen en niet-collageenhoudende eiwitten vast in de intima of media en nemen calcium en fosfor op in matrixblaasjes om de mineralisatie op gang te brengen en verder te mineraliseren tot hydroxyapatiet. De over het algemeen positieve calcium- en fosforbalans van de meeste dialysepatiënten voedt zowel de cellulaire transformatie als de aanmaak van matrixblaasjes. Bovendien zullen de extremen van botrotatie bij chronische nierziekten (laag en hoog of respectievelijk adynamisch en hyperparathyroïde bot) het beschikbare calcium en fosfor verhogen door het botgehalte van deze mineralen te veranderen. Uiteindelijk hangt het al dan niet verkalken van een slagader af van de sterkte van het leger van remmers (I) dat in de circulatie (fetuin-A) en in de slagaders paraat staat (PPI = pyrofosfaat, MGP = matrix Gla proteïne, en OP = osteopontine als voorbeelden).
Interessant is dat niet alle dialysepatiënten arteriële verkalkingen ontwikkelen, ondanks een vergelijkbare blootstelling aan deze risicofactoren, en, wat belangrijk is, dat zij geen verkalkingen ontwikkelen bij een langere dialyse-duur.5,7 Deze bevindingen impliceren dat er beschermende factoren zijn, hetzij in de bloedvaten of in de circulatie, hetzij in beide. Als menselijk serum wordt toegevoegd aan een oplossing met veel calcium en fosfor, met of zonder cellen, wordt verkalking geremd. Serum bevat dus talrijke remmers van de verkalking. De meest voorkomende daarvan is fetuin-A, een omgekeerde acute-fasereactor die werkt als een “stofzuiger” om het plasma te ontdoen van overtollige calcium- en fosformoleculen. Het niveau van fetuin-A daalt tijdens ontstekingen en lage niveaus bij dialysepatiënten worden in verband gebracht met vasculaire en valvulaire calcificatie en overlijden.16 Matrix Gla proteïne, pyrofosfaat en osteopontine zijn ook plaatselijke remmers van calcificatie. Het is waarschijnlijk dat er nog andere remmers bestaan. Het belang van remmers van de calcificatie wordt aangetoond door het ingrijpende fenotype en de plaatsgebondenheid van vasculaire calcificatie die optreden bij muizen met null mutaties, wat suggereert dat, net als bij bot,13 de calcificatie onverminderd zou doorgaan als deze remmers er niet zouden zijn. Verschillende anatomische plaatsen kunnen een uniek profiel hebben voor deze modulatoren.
Conclusies
Er zijn vele onderliggende oorzaken van vasculaire calcificatie die het proces in gang zetten door vasculaire gladde spiercellen te transformeren tot een chondrocyt of osteoblast-achtige cel, waaronder hyperfosfatemie, uremie, hyperglycemie, en andere metabolieten. Dit proces wordt versneld in een omgeving met veel calcium, veel fosfor en abnormale botopbouw, waardoor het risico van vasculaire calcificatie bij dialysepatiënten toeneemt. Bovendien kunnen tekorten in circulerende of lokaal geproduceerde remmers van calcificatie, of een relatieve afwezigheid van remmers bij een gegeven calcium- of fosforgehalte, de calcificatie moduleren. Zoals aangetoond in figuur 1, is deze complexe pathogenese nog steeds niet volledig begrepen en de preventie ervan zal ongetwijfeld een veelzijdige aanpak vereisen. Belangrijk is dat het onderscheiden van wat sommige patiënten beschermt en andere niet, uiteindelijk de allerbelangrijkste aanwijzingen kan geven.