Osteogenesis Imperfecta Genetic disorder of type I collagen กลุ่มที่ 9 อาจารย์ที่ปรึกษา ผศ.นันทพร ปิติเกี้อกูล

DEFINITION OF OSTEOGENESIS IMPERFECTA brittle bone disease (Type I collagen diseases) Autosomal dominant Mutation of COL1A1 and COL1A2

CASE STUDY Clinical sign Pain joint hyperlaxity teeth fractures ลูกสุนัขเกิดจากพ่อพันธุ์ Dachshund อายุ 10 ปี ที่มีประวัติการเป็นโรคกระดูกเปราะกรรมพันธุ์ ปกติ Clinical sign Pain joint hyperlaxity teeth fractures reduce bone density on radiography ปกติ

Physiology of bone องค์ประกอบ เซลล์ โปรตีน สารอนินทรีย์ สารอินทรีย์ Osteoprogenitor cells ผลึก calcium เซลล์ Osteoblasts แร่ธาตุอื่น ๆ Osteocytes Osteoclasts โปรตีน Type I collagen & โปรตีนอื่น ๆ

กระบวนการสร้างกระดูก Osteoblasts Osteoid Mineralization Intramembranous ossification Endochondral ossification

การสร้างกระดูกแบบ Intramembranous ossification

การสร้างกระดูกแบบ Endochondral ossification

Bone remodeling

SYNTHESIS OF COLLAGEN Transcription and translation Post-transcription modification Secretion Extracellular modification

Type I collagen ประกอบด้วยสาย polypeptide 3 สาย คือ α1(I) 2 สาย และ α2(I) 1 สาย เป็นคอลลาเจนชนิดที่พบมากที่สุดในร่างกายและกระจายอยู่ตาม เนื้อเยื่อเกี่ยวพันเกือบทั้งหมด พบเป็นโปรตีนส่วนใหญ่ใน bone, skin, tendon, ligament, sclera, cornea, blood vessel คิดเป็น 80% ของโปรตีนทั้งหมดในกระดูก คิดเป็น 95% ของคอลลาเจนทั้งหมดในกระดูก

สาย Polypeptide สาย Procollagen α 1 α 1 α 2 สาย Polypeptide สาย Procollagen โครงสร้างของ type I collagen เป็น heterotrimer [(α1)2 α2] คือ ประกอบ ด้วย 2 สายของ α 1(I) และ 1 สายของ α 2(I) หรือประกอบด้วยสายเปปไทด์ต่างกันทั้งสามสาย คือ [(α1)(α2)(α3)] คอลลาเจนเกิดขึ้นได้จากหน่วยย่อย โทรโพคอลลาเจน (tropocollagen subunit) เข้ามารวมเป็นผืนใหญ่ขึ้นในที่ว่างนอกเซลล์ของ เนื้อเยื่อ ซึ่งหน่วยย่อยโทรโพคอลลาเจน (tropocollagen subunit) มีลักษณะเหมือนหลอดยาว ประมาณ 300 นาโนเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.5 นาโนเมตร ประกอบขึ้นด้วยสายโพลีเปปไทด์ (Polypeptide) 3 สาย แต่ละสายโพลีเปปไทด์เป็นสายเกลียววนซ้ายและเมื่อสายโพลีเปปไทด์รวม เข้าด้วยกันจะบิดเป็นเกลียวเหมือนขดลวดวนขวา น้ำหนักโมเลกุลของสายเกลียวทั้ง 3 สายประมาณ 300,000 ดาลตัน แต่ละสายของสายเกลียว มีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 100,000 ดาลตัน โครงสร้างของคอลลาเจนจะคงตัวด้วยพันธะไฮโดรเจนจำนวนมาก และสาย เกลียวทั้ง 3 สายยังเกิดพันธะโควาเลนท์ พันกันไปมาระหว่างสาย พบว่าระหว่างหน่วยย่อยด้วยกัน ทำให้เกิดคอลลาเจนชนิดต่างๆ ที่พบได้ในเนื้อเยื่อที่เจริญเต็มที่แล้ว

Tropocollagen (atomic stucture) Bone tissue Osteons 100 µm Fiber patterns 50 µm Collagen fiber 5µm Collagen fibril 500 nm Collagen and HPA Hydroxyapatite (Ca (PO ) (OH) ) 0% mineralization 10 4 6 2 Gap ในภาพแสดงโครงสร้างของกระดูกตั้งแต่macroscaleจนถึงnanoscaleโดย ในภาพaจะขยายลงไปที่ส่วนของcompact boneโดยจะแสดงรูปแบบการเรียงตัวของcollagen fiberที่เป็นแบบขนานกันและโครงสร้างของcollagen fiberซึ่งเกิดจากการเรียงตัวของcollagen fibrilที่มาเกิดมาจากtropocollagen โดยhydroxyapatiteจะเรียงตัวตามแนวแกนของcollgen fibril(collagen fibril axis) ภาพbจะเป็นการแสดงถึงการเกิดmineralizationที่ค่อยๆเกิด ซึ่งในภาพแสดงการเกิดmineralizationที่0%,20%และ40% โดยสีเขียวแสดงถึงcollagen fibril และ สีแดงแสดงถึงhydroxyapatiteที่เกิดจากการmineralization Tropocollagen (atomic stucture) Overlap 20% mineralization 40% mineralization

Classification and clinical sign of osteogenesis imperfecta OI Type Clinical sign ยีนที่มี ความผิดปกติ ลักษณะยีนถ่ายทอดทางพันธุกรรม Biochemical I พบได้มากที่สุด -กระดูกเปราะ -ฟันเปราะ -กล้ามเนื้อและข้ออ่อนแอ -ตาขาวมีสีฟ้า -อาจสูญเสียการได้ยิน COL1A1 ลักษณะเด่น - การสร้างcollagen type I ลดลง50% - โครงสร้างของคอลลาเจนที่ปกติ

Classification and clinical sign of osteogenesis imperfecta OI Type Clinical sign ยีนที่มี ความผิดปกติ ลักษณะยีนถ่ายทอดทางพันธุกรรม Biochemical II มีความรุนแรงมากที่สุด -มีปัญหาทางระบบทางเดินหายใจ -ปอดเจริญไม่สมบูรณ์ -โครงสร้างกระดูกผิดปกติ -กระดูกแตกหัก -กระดูกมีแร่ธาตุน้อยลง COL1A1 or COL1A2 ลักษณะเด่น มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างสาย collagen type I

Classification and clinical sign of osteogenesis imperfecta OI Type Clinical sign ยีนที่มี ความผิดปกติ ลักษณะยีนถ่ายทอดทางพันธุกรรม Biochemical III -กระดูกหักง่าย -ตาขาวมีสีฟ้า -กล้ามเนื้อแขนและขาเจริญไม่สมบูรณ์ -ซี่โครงเป็นรูป Barrel-shaped -อาจมีปัญหาทางระบบทางเดินหายใจ COL1A1 or COL1A2 ลักษณะเด่น มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างสาย collagen type I

Classification and clinical sign of osteogenesis imperfecta OI Type Clinical sign ยีนที่มี ความผิดปกติ ลักษณะยีนถ่ายทอดทางพันธุกรรม Biochemical IV -กระดูกหักง่าย -ตาขาวมีสีปกติ -ซี่โครงเป็นรูป Barrel-shaped -หน้าเป็นรูปสามเหลี่ยม COL1A1 or COL1A2 ลักษณะเด่น มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างสาย collagen type I

Classification and clinical sign of osteogenesis imperfecta เนื่องจาก enamel และ dentine ที่บางทำให้เห็นเป็นสีแดงหรือชมพูของเส้นเลือดที่อยู่ข้างใต้ ลักษณะของตาขาว ที่มีสีฟ้าในผู้ป่วยโรค osteogenesis imperfecta รูปบนลักษณะของตาขาวมีสีฟ้าในผู้ป่วยโรค Osteogenesis imperfecta รูปล่างลักษณะของฟันซึ่งมีสีชมพูในลูกสุนัขที่เป็นโรค Osteogenesis imperfect เนื่องจาก enamel ที่บางทำให้เห็นเป็นสีแดงหรือชมพูเนื่องจากเส้นเลือดที่อยู่ข้างใต้

PATHOLOGY OF OSTEOGENESIS IMPERFECTA Osteogenesis imperfect type I จะเกิดจากการ excluded mutation โดยไปขัดขวางการรวมกัน (splicing) และการสร้าง procollagen mRNA ทำให้ร่างกายสังเคราะห์คอลลาเจนปกติลดลง ส่วน Osteogenesis imperfect type II, III, IV เกิดจาก included mutation โดยเกิด point mutation ของ glycine codon ซึ่งจะยับยั้งการเกิด normal helix จากภาพแสดงลักษณะความรุนแรงที่แตกต่างกันในผู้ป่วยที่สามารถมีชีวิตอยู่ได้จนถึงวัยผู้ใหญ่ โดยมีผู้ที่ใส่ orthopedic rods ในกระดูก femurs และ tibia และใส่ในกระดูก radius (หัวลูกศร) และมีผู้ถูกตัดขาออกทั้ง 2 ข้างเนื่องจากมีการแตกของกระดูกมาก และมี 2 คนที่มีการแตกของ epiphyseal growth plates ที่หัวเข่า เรียกว่า “popcorn epiphyses” (ลูกศร)

Translation of mutation to phenotype Excluded mutation Pro α-chain ผิดปกติ (มี mutant allele) รูปแสดง Molecular mechanism ของ Osteogenesis imperfecta เมื่อเกิด Mutations ที่ทำให้การสังเคราะห์ type I collagen ที่ปกติลดลง 50% (เนื่องจาก one null allele ของ COL1A1 gene) จะเป็นผลให้เกิด type I Osteogenesis imperfecta ส่วนการเกิด Mutations ที่ทำให้โครงสร้างของ procollagen chains เกิดความเสียหาย จะแสดงผลทาง phenotype ที่รุนแรง (types II, III และ IV) จากการ mutations ดังกล่าวจะมีผลต่อสัดส่วนของโมเลกุลที่ผิดปกติ ซึ่งสัดส่วนที่ต่างกันก็จะแสดงออกมาให้เห็นใน phenotype เครื่องหมายกากบาท (×) ชี้ให้เห็นจุดที่เกิด mutations ใน procollagen chains ขีดเล็กบน pro α-chains แสดงการเกิด posttranslational modifications โดยในสายที่มีการเกิด mutation ทางด้าน amino end จะมีการเกิด overmodification ของ lysyl และ hydroxylysyl residues ที่บริเวณ point mutation เกิด procollagen suicide ได้คอลลาเจนที่ปกติแต่มีจำนวนน้อยลง

Translation of mutation to phenotype Included mutation เกิด Point mutationที่ glycine codon Delay folding overmodification ได้สายคอลลาเจนที่ผิดปกติ ไม่เป็นระเบียบ รูปแสดง Molecular mechanism ของ Osteogenesis imperfecta เมื่อเกิด Mutations ที่ทำให้การสังเคราะห์ type I collagen ที่ปกติลดลง 50% (เนื่องจาก one null allele ของ COL1A1 gene) จะเป็นผลให้เกิด type I Osteogenesis imperfecta ส่วนการเกิด Mutations ที่ทำให้โครงสร้างของ procollagen chains เกิดความเสียหาย จะแสดงผลทาง phenotype ที่รุนแรง (types II, III และ IV) จากการ mutations ดังกล่าวจะมีผลต่อสัดส่วนของโมเลกุลที่ผิดปกติ ซึ่งสัดส่วนที่ต่างกันก็จะแสดงออกมาให้เห็นใน phenotype เครื่องหมายกากบาท (×) ชี้ให้เห็นจุดที่เกิด mutations ใน procollagen chains ขีดเล็กบน pro α-chains แสดงการเกิด posttranslational modifications โดยในสายที่มีการเกิด mutation ทางด้าน amino end จะมีการเกิด overmodification ของ lysyl และ hydroxylysyl residues ที่บริเวณ point mutation

Normal Mutant ภาพ A แสดงการสังเคราะห์คอลลาเจนและกระบวนการวมกันเป็นคอลลาเจนไฟบริล ภาพ B แสดงการเกิดคอลลาเจนไฟบริลที่ผิดปกติเนื่องจากการเกิดการกลายพันธุ์

DIAGNOSIS Treatment Calcium Calcitriol Bisphosphonate - Pamidronate Cell culture from skin fibroblast เทคนิค PCR Treatment Calcium Calcitriol Bisphosphonate - Pamidronate - Zolidronate - Alendronate ไม่มียาที่รักษาโรคนี้ในสัตว์ให้หายขาดได้ ในส่วนของสัตว์นั้น สัตวแพทย์มักจะทำการการุณยฆาตเนื่องจากสุนัขที่เป็นโรคนี้มักจะมีความเจ็บปวดมาก อาจพบว่ามีการเสริมแคลเซียม, calcitriol และ vitamin supplement เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของกระดูก ให้ยาลดการทำงานของออสติโอคลาสเหมือนที่ใช้ในโรคกระดูกพรุน ในเด็กนิยมให้ยากลุ่ม bisphosphonate เช่น Pamidronate, Zolidronate และalendronate สำหรับการรักษาอื่นๆ ได้แก่ การป้องกันกระดูกผิดรูปหรือหัก โดยการใส่ที่ดามแขนหรือขา ออกกำลังกายให้กระดูกและกล้ามเนื้อแข็งแรงด้วยการว่ายน้ำ

Mutation of OI type II , III , IV Mutation of OI type I Normal COL1A1&COL1A2 Transcription and translation Point mutation Pre-procollagen Mutant allele Post-transcription modification Procollagen suicide Overmodification Procollagen Troprocollagen Secretion Troprocollagen ออกนอกเซลล์ Troprocollagen ผิดปกติ Extracellular modification Collagen fibril unstable Collagen fibril

THANK YOU OF ATTENTION