Fibroblast growth factor 23 - et fosfatregulerende hormon

Fibroblast growth factor 23 (FGF23) er et nyligt identificeret fosfatonin. FGF23's fysiologiske hovedfunktion er at opretholde normalt serumfosfat og at virke som et D-vitaminmodregulatorisk hormon. Sygdomme, der er koblet til forhøjet serum FGF23, er hypofosfatæmisk rakitis, fibrøs dysplasi og tumorinduceret osteomalaci. Hyperfosfatæmisk familiær tumoral calcinosis er derimod associeret med forhøjet nedbrydning af FGF23. Måling af FGF23 er et differentialdiagnostisk redskab ved udredning af tilstande med længerevarende hypofosfatæmi.

Det har været kendt i årtier, at koncentrationen af en række af blodets vigtigste elektrolytter reguleres af hormoner. Calciumhomeostasens endokrinologiske styring blev klarlagt i starten af sidste århundrede og kulminerede med isolering af parathyreoideahormon (PTH) i midten af 1920'erne [1, 2]. Først for nyligt er man imidlertid blevet klar over, at også fosfathomeostasen synes at være under hormonel kontrol. Flere peptider (fosfatoniner) spiller en rolle, hvoraf det vigtigste er fibroblast growth factor 23 (FGF23), der blev identificeret i år 2000 [3]. Dette peptid stimulerer udskillelsen af fosfat i nyrerne og hæmmer dannelsen af den aktive form af D-vitamin. Ændringer i koncentrationen af FGF23 i blodet har vist sig at spille en -væsentlig rolle ved sjældne sygdomme i fosfathomeostasen. En række omstændigheder i relation til fosfatmetabolismen kunne tyde på, at FGF23 muligvis også spiller en vigtig rolle ved mere almindelige tilstande, såsom osteoporose, åreforkalkning og aldring.

Materiale og metoder

Litteraturgennemgangen er baseret på søgning i PubMed med anvendelse af søgestrengen: FGF23 OR FGF-23 OR fibroblast growth factor 23 . Der benyttes også litteratur, der er fundet ud fra referencelister blandt de angivne referencer.

Fosfat

Fosfat er af vital betydning for en lang række metaboliske processer. Ekstracellulært spiller fosfationen en rolle både som buffer og som bestanddel i hydroxyapatit. Intracellulært har fosfat en vigtig rolle i energibalancen ved adenosintrifosfatdannelse samt for transport i metaboliske pathways gennem fosforylering af metaboliske substanser. Desuden er fosfat nødvendig for intracellulær signallering, idet fosforylering af en række signalproteiner spiller en afgørende rolle for disse molekylers aktivitet.

Fysiologiske forhold
FGF23's molekylærbiologi

FGF23-genet koder for FGF23-proteinet, som består af 251 aminosyrer [3]. FGF23 er opbygget af et formodet signalpeptid (1-24 aminosyrer), der fraspaltes, en N-terminal region (25-179 aminosyrer), der i varierende grad er homolog til andre kendte FGF-proteiner, og en C-terminal region (190-251 aminosyrer), der er specifik for FGF23. Det N-terminale fragment indeholder det FGF-receptorbindende domæne, mens det C-terminale fragment synes at være nødvendigt for interaktionen med Klotho, der virker som kofaktor i interaktionen mellem FGF23 og FGF-receptoren (FGFR) [4].

FGF23 spaltes proteolytisk af en furintypeproprotein-konvertase mellem arginin179 og serin180 i et N-terminalt og et C-terminalt fragment. Den nøjagtige funktion af disse fragmenter er ikke klarlagt. Humane og dyreeksperimentelle studier har vist, at FGF23 hovedsageligt produceres i osteocytter i knogler, men også i mange andre væv som f.eks. nyre, lever, hjerte, knoglemarv, hjerne og thymus [5]. FGF23 i blodet stammer hovedsageligt fra knoglerne.

FGF23's funktion

FGF23 udøver sin biologiske funktion gennem aktivering af FGFR via en usædvanlig aktiveringsform, idet den FGF23-medierede receptoraktivering og cellesignallering kun kan finde sted, hvis Klotho er til stede som kofaktor. Klotho er et transmembrant protein, der binder til FGFR med høj affinitet, og hermed øges affiniteten til FGF23. Klothos fysiologiske rolle er ikke klarlagt, men data indikerer, at Klotho konverterer FGFR1(IIIc), en receptor for forskellige FGF'er, til en specifik FGF23-receptor, der kan aktiveres ved fysiologiske koncentrationer af FGF23, og at intracellulær signallering involverer binding af Klotho til det C-terminale fragment af FGF23 [4].

In vitro- og in vivo-studier har demonstreret, at de vævsspecifikke funktioner af FGF23 er betinget af tilstedeværelse af Klotho:FGFR-komplekser i vævene. Dette betyder, at nyrer, glandula parathyreoidea, plexus choroideus og muligvis hypofysen kan være målorganer for FGF23 [4, 6, 7]. Omvendt betyder manglen på Klotho:FGFR-komplekser i f.eks. knogler, at knoglevæv formentlig ikke er mål for FGF23 [6].

FGF23's hovedfunktion er at opretholde normalt serumfosfat og at virke som et D-vitaminmodregulatorisk hormon. FGF23 udøver sin virkning ved at nedsætte aktiviteten af natrium/fosfat-kotransporter type IIa, hvorved tubuluscellernes fosfatreabsorption hæmmes. Endvidere hæmmer FGF23 transskriptionen af 1α-hydroxylase i nyrerne, hvilket resulterer i nedsat dannelse af 1,25-dihydroxy-vitamin D (1,25(OH)2 D) [8] (Figur 1 ). Dette er i overensstemmelse med, at FGF23- knockoutmus udviser hyperfosfatæmi og øget produktion af 1,25(OH)2 D i nyrerne [9]. FGF23 koordinerer desuden nyrernes fosfatreabsorption med behovet for fosfat til knoglemineralisering [9].

In vivo- og in vitro-studier har vist, at FGF23 -supprimerer både PTH-sekretionen og PTH-genekspressionen ved en direkte effekt på glandula parathyreoidea hos rotter [10]. PTH-målinger på FGF23-transgene mus med forøget ekspression af FGF23, der udviser nedsat serum (S)-fosfat, S-calcium og -S-1,25(OH)2 D, har vist henholdsvis nedsat PTH [11] eller forhøjet PTH [12] i cirkulationen. I det sidstnævnte studie vanskeliggør den FGF23-medierede reduktion i 1,25(OH)2 D-produktionen og den nedsatte S-calcium imidlertid fortolkningen af sammenhængen mellem FGF23 og sekundær hyperparathyreoidisme (sHPT).

FGF23's funktion i hjernen er ukendt. Men det forhold, at FGF23 produceres i den ventrolaterale thalamuskerne [3], og at Klotho:FGFR-komplekser er til stede i plexus choroideus [7], gør det nærli ggende at antage, at FGF23 også regulerer fosfatkoncentra-tionen i cerebrospinalvæsken, der har en signifikant lavere koncentration af fosfat end serum.

Regulering af FGF23

Studier af FGF23-gentransskriptionen har fastslået, at osteocytten er hovedsæde for FGF23-produktionen, og at både systemiske og lokale knoglederiverede faktorer synes at regulere FGF23-niveauet i cirkulationen.

Vedrørende systemiske faktorer har in vivo-studier vist, at såvel indgift af 1,25(OH)2 D som høj fosfatindtagelse øger FGF23-niveauet i rotter [13]. Hos mennesker viser et større studium signifikant øget FGF23 efter fem dage med høj fosfatindtagelse [14], mens to mindre studier viser uændret FGF23 efter henholdsvis otte timer og tre dage [15, 16]. Studier på osteoblastcellekulturer viser, at 1,25(OH)2 D - men ikke fosfat, calcium og PTH - har en direkte dosisafhængig effekt på FGF23-produktionen [17]. Mus med nedsat eller manglende Klothogenekspression har forhøjet FGF23 [4]. Ligeledes har patienter med kronisk nyresygdom (CKD) svært nedsat Klothogeneksspression i nyrerne [18] og forhøjet FGF23 [19]. Dette kunne indikere, at Klotho er involveret i reguleringen af FGF23.

De knoglederiverede faktorer, der regulerer FGF23-produktionen, omfatter fosfatregulerende endopeptidasehomolog, X-linked (PHEX) og de ekstracellulære matrixproteiner, dentinmatrixprotein 1 (DMP1) og matrixekstracellulær-fosfoglykoprotein (MEPE), der henholdsvis fremmer og hæmmer knoglemineralisering [9]. Inaktiverende mutationer i PHEX [9] og i DMP1 [20] øger FGF23-gentransskriptionen i osteocytter, men virkningsmekanismen er endnu ikke afklaret. Initiale studier har antydet, at FGF23 var substrat for PHEX [21], hvilket dog ikke er eftervist i senere studier [22]. Nyere studier har vist, at PHEX hindrer proteolyse af acidic, serine- and -aspartic acid-rich motif (ASARM)-peptidet på den -C-terminale ende af MEPE. Frit ASARM inhiberer knoglemineralisering og menes at forårsage hypomineraliseringen, der karakteriserer X-bunden hypofosfatæmisk rakitis hos mennesket og i musemodellen, HYP-musen, der begge skyldes inaktiverende mutation i PHEX-genet. Nedsat aktivitet af PHEX øger MEPE og ASARM-peptidet, der begge stimulerer FGF23-produktionen [23]. Inhiberes proteolysen af MEPE-ASARM-peptidet hos HYP-musen, bedres knoglemineraliseringen trods persisterende hyofosfatæmi og forhøjet FGF23 [24]. Således er hypofosfatæmien ikke alene årsagen til hypomineraliseringen ved hypofosfatæmisk rakitis.

Måling af FGF23

Der findes tre kommercielt tilgængelige enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) til bestemmelse af FGF23 i cirkulationen. To metoder, der måler intakt FGF23, fra henholdsvis Kainos Laboratorier (Tokyo, Japan) og Immutopics (San Clemente, USA), og en metode fra Immutopics, der måler både intakt og C-terminalt fragment af FGF23 (C-terminal FGF23). En sammenlignende undersøgelse af de tre metoders sensitivitet hos patienter med tumorinduceret osteomalaci (TIO) har vist, at Kainos intakte assay har den største sensitivitet efterfulgt af Immutopics C-terminale assay [25]. Dette indikerer, at Kainos assay , hvor intakt FGF23 måles, er bedst til at vurdere den biologiske effekt af FGF23. På Afdeling for Biokemi, Farmakologi og Genetik, Odense Universitetshospital, har vi etableret måling af FGF23 og modtager gerne henvisning af patienter med persisterende hypofosfatæmi til udredning for TIO.

Patofysiologi
Primære ændringer i FGF23 (Figur 2 )
Forøget biologisk aktivt FGF23 og hypofosfatæmi
Arvelige tilstande

Hypofosfatæmisk rakitis er en gruppe sygdomme med fælles biokemisk fænotype. Sygdommene karakteriseres af varierende grad af FGF23-forhøjelse. Det forhøjede niveau af FGF23 forårsager hypofosfatæmi og et uforholdsmæssigt lavt niveau af 1,25(OH)2 D, hypofosfatæmien taget i betragtning.

Den hyppigst forekommende arvelige form er X-bundenhypofosfatæmisk rakitis (XLH), der er forårsaget af inaktiverende mutation i PHEX-genet (Figur 3 ). Manglen på PHEX medfører øget transskription af FGF23 i osteocytter [9]. Blandt patienter med XLH er der fundet forhøjet C-terminal FGF23 (intakt og C-terminalt fragment af FGF23) hos 13 ud af 21 [26]. I et andet studie har man målt forhøjet intakt FGF23 i fem ud af seks patienter med XLH [27].

Autosomal dominant hypofosfatæmisk rakitis (ADHR) forårsages af mutation i FGF23-genet. Mutationen resulterer i et nedbrydningsresistent FGF23, der fortsat har biologisk virkning, men menes at have længere halveringstid end vildtype FGF23. Patienter med ADHR (n = 34) havde ikke højere intakt FGF23 eller C-terminal FGF23 sammenlignet med kontroller (n = 33). Studiet indikerede en sammenhæng imellem øget aktivitet i sygdommen og forhøjet FGF23 [28].

Ved autosomal recessiv hypofosfatæmi (ARHP) er der fundet mutation i DMP1-genet. Der foreligger sparsomme data for FGF23-målinger hos ARHP. I et studie beskrives klart forhøjet intakt FGF23 og C-terminal FGF23 hos to ARHP-patienter, mens to patienter havde henholdsvis let forhøjet og normal intakt FGF23 og normal C-terminal FGF23 [20].

Sporadiske/erhvervede tilstande

Fibrøs dysplasi (FD) er en mosaiksygdom, hvor nogle af kroppens celler har mutation i GNAS1-genet, og andre celler er raske. Sygdommen er karakteriseret af abnorm vækst af eller læsioner i en eller flere knogler. Knoglelæsionerne ved FD menes at producere FGF23, men uden overordnet regulering. Såfremt der samtidig optræder endokrinologiske forstyrrelser og café-au-lait-pletter, kaldes sygdommen McCune-Albright syndrom. C-terminal FGF23 er forhøjet, specielt i gruppen med udtalt renalt fosfattab. C-terminal FGF23 korrelerede med udbredelsen af FD-knoglelæsioner og med graden af hypofosfatæmi [29].

TIO er en meget sjældent forekommende erhvervet tilstand. Sygdommen skyldes en som oftest benign tumor, Phosphaturetic Mesenchymal Tumor, Mixed Connective Tissue Variant (PMT-MCT), der producerer FGF23 samt andre fosfatoniner, DMP1 og MEPE [30] (Figur 4 ). Meget høje værdier af intakt S-FGF23 (median 1.149 ± 541 pg/ml) var karakteristisk for TIO-patienter sammenlignet med XLH-patienter (median 155 ± 31 pg/ml) [31]. Ved succesfuld fjernelse af tumor normaliseres S-FGF23 i løbet af få timer [27].

Lavt biologisk aktivt FGF23 og hyperfosfatæmi
Arvelige tilstande

Hyperfosfatæmisk familiær tumoral calcinosis er en sjælden tilstand, der er karakteriseret af ektopiske forkalkninger i bløddele og omkring de store led. Hos patienterne findes mutation i henholdsvis GALNT3- eller FGF23-genet, endvidere er en patient med tumoral calcinosis netop fundet homozygot for en missense -mutation i Klothogenet [32]. Når GALNT3 er muteret, nedsættes evnen til at glykosylere FGF23, hvilket medfører forøget nedbrydning af FGF23 [9]. Missense -mutationer i FGF23-gene t medfører hæmmet udskillelse af FGF23, og proteinet synes at blive ophobet i Golgiapparatet [9]. Missense -mutationen i Klothogenet svækker FGF23-proteinets binding til FGFR, hvorved FGF23's biologiske aktivitet kompromitteres. Hos tre patienter er FGF23-måling beskrevet. Biokemisk måltes forhøjet fosfat, lavt-normalt intakt FGF23 og forhøjet C-terminal FGF23, hvilket indikerer, at det biologisk inaktive C-terminale FGF23-fragment var forhøjet [33, 34].

Sekundære ændringer i FGF23

I de tidlige faser af CKD øges nyrernes fosfatudskillelse ved kompensatorisk øgning af PTH, men i de sene stadier svigter nyrernes evne til at udskille organismens fosfatoverskud. Hyperfosfatæmien stimulerer øgning af FGF23, hvilket medfører lavt niveau af 1,25(OH)2 D og stimulation af PTH. I et studie af FGF23 i CKD fandt man let øgning af intakt S-FGF23 og normal S-fosfat hos patienter i CKD-stadium 1-3, men i stadium 4 og 5 (glomerulær filtrationsrate < 30 ml/min) var S-fosfat og intakt S-FGF23 signifikant forhøjet [19]. Man konkluderer, at S-FGF23 ikke er velegnet som markør for tidlig fosfatretention, men nærmere et tegn på at en tilstrækkelig øgning af den renale fosfatudskillelse ikke længere kan opnås ved isoleret PTH-stigning.

Hos patienter i hæmodialyse har et studie vist baseline S-FGF23 som den bedste prædiktive faktor for udvikling af refraktær sHPT [35]. I artiklen beskrives langvarig medicinsk behandling af refraktær sHPT at have ugunstig effekt på calcium- og fosfatbalancen, medførende forværring af prognosen. FGF23-analysen kunne således forudsige hos hvilke dialysepatienter, parathyreoidektomi ville være at foretrække frem for fortsat medicinsk behandling af sHPT. Hos patienter med primær hyperparathyreoidisme (pHPT) er der vist forhøjet intakt S-FGF23, men kun i gruppen med nedsat nyrefunktion. Der var ingen forskel i intakt S-FGF23 hos patienter med pHPT med normal nyrefunktion sammenlignet med raske kontroller [36].

Perspektiv

Måling af FGF23 er et differentialdiagnostisk redskab ved udredning af tilstande med længerevarende hypofosfatæmi. Patienter med TIO og XLH, såvel ubehandlede som behandlede, havde forhøjet intakt S-FGF23. Hos TIO-patienterne fandtes væsentlig højere FGF23-værdier end hos XLH-patienterne [31]. S-FGF23 over 300 pg/ml bør rejse mistanke om TIO. Patienter med hypofosfatæmi pga. D-vitaminmangel, Fanconis syndrom og Cushings syndrom havde normalt intakt S-FGF23 [31].

Ved TIO kan tumorlokalisationen være vanskelig. Tumor er beskrevet lokaliseret ved venøs sampling med måling af FGF23 fra forskellige anatomiske lokalisationer [37], og FGF23 kan endvidere anvendes som indikator for, hvorvidt tumor er fjernet in toto, idet S-FGF23 normaliseres få timer efter fjernelse af tumor [27].

Måling af FGF23 kan tænkes anvendt til monitorering af sygdomsaktivitet hos patienter med ADHR samt udbredelsen af knoglelæsioner ved FD [29]. Endvidere var baseline -S-FGF23 den bedste prædiktive faktor for udvikling af refraktær sHPT hos patienter i hæmodialyse og kunne således forudsige, hos hvilke dialysepatienter parathyreoidektomi ville være at foretrække frem for fortsat medicinsk behandling af sHPT [35].

Måling af FGF23 har stort forskningsmæssigt potentiale, idet udforskningen af den hormonregulerede fosfathomeostase hos såvel syge som raske individer kun netop er begyndt.

Konklusion

FGF23 synes at være det væsentligste fosfatregulerende hormon. Måling af hormonet har foreløbig vist sin værdi ved differentialdiagnostik af en række sjældne tilstande med forstyrrelser i fosfatstofskiftet. FGF23 vil måske også vise sig at blive interessant ved en række mere hyppige sygdomme, hvor ændringer i fosfatomsætning spiller en rolle.

Signe Sparre Beck-Nielsen , H.C. Andersen Børnehospital, Odense Universitetshospital, 5000 Odense C. E-mail: sbeck-nielsen@dadlnet.dk

Antaget: 7. juni 2009

Først på nettet: 16. november 2009

Interessekonflikter: Ingen

Taksigelse: Professor, dr.med. Henrik Daa Schrøder , Patologisk Institut, Odense Universitetshospital, takkes for at stille histologisk billede til rådighed samt for histologisk bistand.

1. Hanson A. An elementary chemical study of the parathyreoid glands of cattle. Milit Surg 1923;52:280-4.
2. Collip JP. Extraction of a parathyroid hormone which will prevent or control parathyroid tetany and which regulates the level of blood calcium. J Biol Chem 1925;63:395-438.
3. Yamashita T, Yoshioka M, Itoh N. Identification of a novel fibroblast growth factor, FGF-23, preferentially expressed in the ventrolateral thalamic nucleus of the brain. Biochem Biophys Res Commun 2000;277:494-8.
4. Urakawa I, Yamazaki Y, Shimada T et al. Klotho converts canonical FGF receptor into a specific receptor for FGF23. Nature 2006;444:770-4.
5. Mirams M, Robinson BG, Mason RS et al. Bone as a source of FGF23: regulation by phosphate? Bone 2004;35:1192-9.
6. Kuro-o M, Matsumura Y, Aizawa H et al. Mutation of the mouse klotho gene leads to a syndrome resembling ageing. Nature 1997;390:45-51.
7. Li SA, Watanabe M, Yamada H et al. Immunohistochemical localization of Klotho protein in brain, kidney, and reproductive organs of mice. Cell Struct Funct 2004;29:91-9.
8. Saito H, Kusano K, Kinosaki M et al. Human fibroblast growth factor-23 mutants suppress Na+-dependent phosphate co-transport activity and 1alpha,25-dihydroxyvitamin D3 production. J Biol Chem 2003;278:2206-11.
9. Liu S, Quarles LD. How fibroblast growth factor 23 works. J Am Soc Nephrol 2007;18:1637-47.
10. Ben-Dov IZ, Galitzer H, Lavi-Moshayoff V et al. The parathyroid is a target organ for FGF23 in rats. J Clin Invest 2007;117:4003-8.
11. Shimada T, Urakawa I, Yamazaki Y et al. FGF-23 transgenic mice demonstrate hypophosphatemic rickets with reduced expression of sodium phosphate cotransporter type IIa. Biochem Biophys Res Commun 2004;314:409-14.
12. Bai X, Miao D, Li J et al. Transgenic mice overexpressing human fibroblast growth factor 23 (R176Q) delineate a putative role for parathyroid hormone in renal phosphate wasting disorders. Endocrinology 2004;145:5269-79.
13. Saito H, Maeda A, Ohtomo S et al. Circulating FGF-23 is regulated by 1alpha,25-dihydroxyvitamin D3 and phosphorus in vivo. J Biol Chem 2005;280:2543-9.
14. Burnett SA, Gunawardene SC, Bringhurst FR et al. Regulation of C-terminal and intact FGF-23 by dietary phosphate in men and women. J Bone Miner Res 2006;21:1187-96.
15. Larsson T, Nisbeth U, Ljunggren O et al. Circulating concentration of FGF-23