Vascular calcification and mineral bone disorder in chronic kidney disease

Chronic Kidney Disease (CKD), osteoporosis and mild hyponatremia are all prevalent chronic conditions that may coexist and are often under-recognized. Mineral-Bone Disorder begins early in the natural history of CKD and results in complex abnormalities of bone which ultimately confers a well-established increased risk of fragility fractures in End Stage Kidney Disease. Hyponatremia is a novel, usually renal mediated metabolic perturbation, that most commonly occurs independently of the stage of renal dysfunction but which may also predispose to increased fracture risk. The extent -if any- to which either early stages of renal dysfunction or the presence of hyponatremia contribute to fracture occurrence in the general population, independently of osteoporosis, is unclear. Renal transplantation is the treatment of choice for ESKD and although it restores endogenous renal function it typically fails to normalize either the long term cardiovascular or fracture risk. One potential mechanism contributing to these elevated long-term risks and to diminished Health Related Quality of Life is persistent, post-transplant hyperparathyroidism. In this study we retrospectively examine the association of renal function and serum sodium with Bone Mineral Density and fracture occurrence in a retrospective cohort of 1930 female members of the general population who underwent routine DXA scan. We then prospectively recruited a cohort of 90 renal transplant recipients in order to examine the association of post transplant parathyroid hormone (PTH) level with measures of CKD Mineral Bone Disorder, including, DXA Bone Mineral Density, Vascular Calcification (assessed using both abdominal radiography and CT techniques, as well as indirectly by carotid-femoral Pulse Wave Velocity) and Quality of Life (using the Short Form-12 and a PTH specific symptom score). In the retrospective DXA cohort, moderate CKD (eGFR 30-59ml/min/1.73m2) and hyponatremia (<135mmol/L) were associated with fracture occurrence, independently of BMD, with an adjusted Odds Ratio (95% Confidence Interval), of 1.37 (1.0, 1.89) and 2.25 (1.24, 4.09) respectively. In the renal transplant study, PTH was independently associated with the presence of osteoporosis, adjusted Odds Ratio (95% Confidence Interval), 1.15 (per 10ng/ml increment), (1.04, 1.26). The presence of osteoporosis but not PTH was independently associated with measures of vascular calcification, adjusted ß (95% Confidence Interval), 12.45, (1.16, 23.75). Of the eight quality-of-life domains examined, post-transplant PTH (per 10ng/ml increment), was only significantly and independently associated with reduced Physical Functioning, (95% Confidence Interval), 1.12 (1.01, 1.23). CKD and hyponatremia are both common health problems that may contribute to fracture occurrence in the general population, a major on-going public health concern. PTH and decreased Bone Mineral Density may signal sub-optimal long-term outcomes post renal transplantation, influencing bone and vascular health and to a limited extent long term Health Related Quality of Life

Lanthanum carbonate, like sevelamer-HCl, retards the progression of vascular calcification and atherosclerosis in uremic apolipoprotein E-deficient mice

Atherosclerosis and vascular calcification (VC) progression in chronic kidney disease is favored by disturbances of mineral metabolism. We compared the effect of phosphate binder lanthanum (La) carbonate with sevelamer-HCl on atherosclerosis, VC and bone structure and function in mice with chronic renal failure (CRF). Apolipoprotein E-deficient (apoE(-/-)) mice were randomized to one non-CRF and three CRF groups, fed with standard diet (one non-CRF and one CRF) or diet supplemented with either 3% lanthanum carbonate (La3%) or 3% sevelamer-HCl (Sev3%). Both La3% and Sev3% supplemented CRF mice displayed a decrease of serum phosphorus, calcification at both intimal and medial aortic sites and atherosclerosis. This was associated with a reduction of plaque Type I collagen expression by both binders and of positive nitrotyrosine staining in response to sevelamer-HCl only. Increased mineral apposition and bone formation rates in unsupplemented CRF mice were reduced by Sev3% but not by La3%. The beneficial effects of La carbonate and sevelamer-HCl on the progression of VC and atherosclerosis in CRF mice could be mainly due to a decrease in phosphate retention and likewise a reduction of arterial Type I collagen expression. The effect of La carbonate differed from that of sevelamer-HCl in that it did not appear to exert its vascular effects via changes in oxidative stress or bone remodeling in the present model.

PA21, a New Iron-Based Noncalcium Phosphate Binder, Prevents Vascular Calcification in Chronic Renal Failure Rats

Chronic renal failure (CRF) is associated with the development of secondary hyperparathyroidism and vascular calcifications. We evaluated the efficacy of PA21, a new iron-based noncalcium phosphate binder, in controlling phosphocalcic disorders and preventing vascular calcifications in uremic rats. Rats with adenine-diet-induced CRF were randomized to receive either PA21 0.5, 1.5, or 5% or CaCO3 3% in the diet for 4 weeks, and were compared with uremic and nonuremic control groups. After 4 weeks of phosphate binder treatment, serum calcium, creatinine, and body weight were similar between all CRF groups. Serum phosphorus was reduced with CaCO3 3% (2.06 mM; P ≤ 0.001), PA21 1.5% (2.29 mM; P < 0.05), and PA21 5% (2.21 mM; P ≤ 0.001) versus CRF controls (2.91 mM). Intact parathyroid hormone was strongly reduced in the PA21 5% and CaCO3 3% CRF groups to a similar extent (1138 and 1299 pg/ml, respectively) versus CRF controls (3261 pg/ml; both P ≤ 0.001). A lower serum fibroblast growth factor 23 concentration was observed in the PA21 5%, compared with CaCO3 3% and CRF, control groups. PA21 5% CRF rats had a lower vascular calcification score compared with CaCO3 3% CRF rats and CRF controls. In conclusion, PA21 was as effective as CaCO3 at controlling phosphocalcic disorders but superior in preventing the development of vascular calcifications in uremic rats. Thus, PA21 represents a possible alternative to calcium-based phosphate binders in CRF patients.

Runx2 and Vascular Calcification

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Role of Vascular Smooth Muscle Cell PiT-2 in Basal Ganglia Calcification

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Rôle du monoxyde d'azote dans la calcification vasculaire et la rigidité artérielle dans un modèle d'hypertension systolique isolée

L’hypertension systolique isolée (HSI) est le résultat de changements au niveau de la paroi vasculaire qui ont pour conséquence d’augmenter la rigidité artérielle. Ces modifications surviennent surtout au niveau des grosses artères comme l’aorte et sont associées au vieillissement. La fragmentation des fibres élastiques, leur calcification (élastocalcinose) et la fibrose font partie des changements majeurs observés avec l’âge. En plus de ces changements, le vieillissement vasculaire provoque des modifications au niveau des cellules qui composent la paroi. Les cellules endothéliales sécrètent moins de monoxyde d’azote (NO) provoquant une dysfonction endothéliale et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) synthétisent maintenant des protéines matricielles et osseuses. Situé entre le sang et les CMLVs, l’endothélium contrôle le tonus vasculaire par la sécrétion de plusieurs substances vasoactives qui interagissent entre elles afin de maintenir l’homéostasie du système vasculaire. Parmi celles-ci, on note l’endothéline (ET), un puissant vasoconstricteur et le NO, un gaz vasorelaxants. Ce dernier est aussi reconnu pour bloquer la production d’ET par un mécanisme dépendant du guanosine monophosphate cyclique (GMPc). Comme il y a une interaction entre le NO et l’ET, et que cette dernière est impliquée dans la calcification artérielle, le NO pourrait être impliqué dans la modulation de l’élastocalcinose et de la rigidité artérielle par l’inhibition de l’ET et la modification de la composition de la paroi. Cet effet, qui se produirait au delà des effets vasorelaxants du NO, offre un potentiel thérapeutique intéressant pour l’HSI. Afin d’évaluer l’implication du NO dans la calcification vasculaire et la rigidité artérielle, un modèle animal d’HSI a été utilisé (modèle warfarine vitamine K, WVK). Ce modèle d’élastocalcinose est basé sur l’inhibition de la maturation d’une protéine anti-calcifiante, la matrix Gla protein (MGP), par la warfarine. Afin de déterminer l’implication physiologique du NO dans l’initiation et la progression de l’élastocalcinose, sa production a été inhibée par un analogue de la L-arginine, le L-NG-nitroarginine methyl ester (L-NAME). Lors des processus d’initiation de la calcification, le L-NAME a prévenu l’élastocalcinose sans toutefois modifier la vitesse de l’onde de pouls (PWV). Suite au traitement L-NAME, l’expression de la NO synthase inductible (iNOS) a été diminuée alors qu’elle a été augmentée lors du traitement WVK. Elle pourrait donc être impliquée dans les processus de calcification vasculaire. De plus, la NO synthase endothéliale (eNOS) semble également impliquée puisqu’elle a été augmentée dans le modèle WVK. Cette hausse pourrait être bénéfique pour limiter l’élastocalcinose alors que l’expression de la iNOS serait délétère. Lors de la progression de la calcification, le L-NAME a augmenté l’élastocalcinose et le PWV. Dans ce contexte, l’ET serait impliquée dans l’amplification de la calcification vasculaire entrainant une hausse de la rigidité artérielle. Comme le NO endogène limite la progression de la calcification et conséquemment la rigidité artérielle, il semble être protecteur. L’efficacité d’une modulation de la voie du NO dans le modèle WVK a été étudiée par l’administration d’un donneur de NO, le sinitrodil, ou d’un inhibiteur de la phosphosdiestérase 5 (PDE5), le tadalafil. La modulation de la voie du NO semble être bénéfique sur la rigidité artérielle, mais seulement de façon aiguë. En effet, le sinitrodil a modifié de transitoirement la rigidité au niveau de l’aorte possiblement par la modulation du tonus vasculaire sans toutefois avoir des effets sur la composition de la paroi. Comme le modèle WVK n’affecte pas la fonction endothéliale, les concentrations endogènes de NO semblent être optimales puisque le sinitrodil provoque une augmentation de l’élastocalcinose possiblement par le développement d’une tolérance. Tout comme le sinitrodil, le tadalafil a modulé de manière aiguë la rigidité artérielle sans modifier la composition de la paroi. Globalement, ces travaux ont permis de mettre en évidence les effets bénéfiques du NO endogène pour limiter le développement de l’HSI, suggérant qu’une dysfonction endothéliale, tel qu’observé lors du vieillissement, a un impact négatif sur la maladie.

The association between coronary artery calcification progression and loss of bone density in non-dialyzed CKD patients

Background: Coronary artery calcification (CAC) and low bone density are coexisting deleterious conditions commonly shared by chronic kidney disease (CKD) patients. In the present study, we aimed to investigate whether the progression of CAC was associated with overtime reduction in bone density in non-dialyzed CKD patients. Methods: This is a prospective study of 24 months including 72 non-dialyzed CKD patients Stages 2 - 4 (age 57.6 +/- 10.3 years, 62% male, 22% diabetics). CAC and vertebral bone density (VBD) were measured by computed tomography. Results: At baseline, 46% of the patients had CAC (calcified group) and calcification was not identified in 54% of the patients (non-calcified group). The calcified group was older, predominantly male, and had lower VBD in comparison to non-calcified group. CAC progression was observed only in the calcified group (91% of the patients increased calcium score). The multiple regression analysis revealed loss of VBD as the independent determinant of CAC progression in these patients. Conclusion: CAC progression was associated with loss of VBD in non-dialyzed CKD patients.

Sodium thiosulfate prevents vascular calcifications in uremic rats

Accelerated vascular calcification is a severe complication of chronic kidney disease contributing to high morbidity and mortality in patients undergoing renal replacement therapy. Sodium thiosulfate is increasingly used for the treatment of soft tissue calcifications in calciphylaxis. Therefore, we determined whether it also prevents development of vascular calcifications in chronic kidney disease. We found that uremic rats treated by thiosulfate had no histological evidence of calcification in the aortic wall whereas almost three-fourths of untreated uremic rats showed aortic calcification. Urinary calcium excretion was elevated and the calcium content of aortic, heart, and renal tissue was significantly reduced in the thiosulfate-treated compared to non-treated animals. Sodium thiosulfate treatment transiently lowered plasma ionized calcium and induced metabolic acidosis. It also lowered bone strength in the treated animals compared to their normal controls. Hence, sodium thiosulfate prevented vascular calcifications in uremic rats, likely by enhancing acid- and/or chelation-induced urinary calcium loss. The negative impact on rat bone integrity necessitates a careful risk-benefit analysis before sodium thiosulfate can be used in individual human patients.

Serum calcification propensity predicts all-cause mortality in predialysis CKD

Medial arterial calcification is accelerated in patients with CKD and strongly associated with increased arterial rigidity and cardiovascular mortality. Recently, a novel in vitro blood test that provides an overall measure of calcification propensity by monitoring the maturation time (T50) of calciprotein particles in serum was described. We used this test to measure serum T50 in a prospective cohort of 184 patients with stages 3 and 4 CKD, with a median of 5.3 years of follow-up. At baseline, the major determinants of serum calcification propensity included higher serum phosphate, ionized calcium, increased bone osteoclastic activity, and lower free fetuin-A, plasma pyrophosphate, and albumin concentrations, which accounted for 49% of the variation in this parameter. Increased serum calcification propensity at baseline independently associated with aortic pulse wave velocity in the complete cohort and progressive aortic stiffening over 30 months in a subgroup of 93 patients. After adjustment for demographic, renal, cardiovascular, and biochemical covariates, including serum phosphate, risk of death among patients in the lowest T50 tertile was more than two times the risk among patients in the highest T50 tertile (adjusted hazard ratio, 2.2; 95% confidence interval, 1.1 to 5.4; P=0.04). This effect was lost, however, after additional adjustment for aortic stiffness, suggesting a shared causal pathway. Longitudinally, serum calcification propensity measurements remained temporally stable (intraclass correlation=0.81). These results suggest that serum T50 may be helpful as a biomarker in designing methods to improve defenses against vascular calcification.

Genetic studies of chondrocalcinosis

Purpose of review Our understanding of the causation of the chondrocalcinosis and other disorders characterized by ectopic mineralization is rapidly increasing, and genetic studies have contributed substantially to recent major advances in the field. This review will discuss what is known about the genetics of chondrocalcinosis and what we have learned from genetic studies to date. Recent findings: Chondrocalcinosis is one of a family of conditions associated with ectopic mineralization. This family also includes disorders of mineralization of bone and spinal and other ligaments, and vascular calcification. There has been increasing evidence of the key role of transport and metabolism of inorganic pyrophosphate (PPi) in control of mineralization, and as the likely explanation for the association of a variety of genetic variants with chondrocalcinosis and ectopic mineralization elsewhere. This may be an overly simplistic view of this family of conditions, with recent evidence suggesting that, for example, ANKH variants may not all predispose to chondrocalcinosis by effects on PPi transport, but may also influence chondrocyte maturation. Summary: Understanding the control of the process of mineralization and its tissue specificity are important steps in the search for rational therapies for these conditions.

Elevated serum phosphate predicts mortality in renal transplant recipients

BACKGROUND.: High serum phosphate has been identified as an important contributor to the vascular calcification seen in patients with chronic kidney disease (Block et al., Am J Kidney Dis 1998; 31: 607). In patients on hemodialysis, elevated serum phosphate levels are an independent predictor of mortality (Block et al., Am J Kidney Dis 1998; 31: 607; Block, Curr Opin Nephrol Hypertens 2001; 10: 741). The aim of this study was to investigate whether an elevated serum phosphate level was an independent predictor of mortality in patients with a renal transplant.
METHODS.: Three hundred seventy-nine asymptomatic renal transplant recipients were recruited between June 2000 and December 2002. Serum phosphate was measured at baseline and prospective follow-up data were collected at a median of 2441 days after enrolment.
RESULTS.: Serum phosphate was significantly higher in those renal transplant recipients who died at follow-up when compared with those who were still alive at follow-up (P<0.001). In Kaplan-Meier analysis, serum phosphate concentration was a significant predictor of mortality (P=0.0001). In multivariate Cox regression analysis, serum phosphate concentration remained a statistically significant predictor of all-cause mortality after adjustment for traditional cardiovascular risk factors, estimated glomerular filtration rate, and high sensitivity C reactive protein (P=0.036) and after adjustment for renal graft failure (P=0.001).
CONCLUSIONS.: The results of this prospective study are the first to show that a higher serum phosphate is a predictor of mortality in patients with a renal transplant and suggest that serum phosphate provides additional, independent, prognostic information to that provided by traditional risk factors in the risk assessment of patients with a renal transplant.

Modifications de la matrice extracellulaire dans la rigidité artérielle

La paroi vasculaire est composée de cellules endothéliales, de cellules musculaires lisses vasculaires et de fibroblastes qui sont entourés d’un réseau structuré et complexe de protéines, la matrice extracellulaire. Les interactions réciproques entre la matrice et les cellules sont nécessaires à la croissance, au développement et au remodelage. Or, différents contextes pathologiques entraînent la perturbation de ces interactions et sont la cause de différentes maladies. Au cours du vieillissement, la matrice extracellulaire des grosses artères élastiques est modifiée. Ainsi, les lamelles élastiques de la paroi vasculaire se fragmentent ou sont dégradées, en plus de calcifier. De même, l’accumulation de protéines plus rigides, comme le collagène, entraîne le développement de la fibrose. Ces modulations vont mener à l’augmentation de la rigidité artérielle et au développement de l’hypertension systolique isolée. En utilisant un modèle animal de calcification basé sur l’inhibition d’une protéine anti-calcifiante, la matrix Gla protein, avec la warfarine, nous avons étudié la séquence des événements impliqués dans le développement de l’hypertension systolique isolée. Nous avons observé l’activation précoce et transitoire de MMP-9, puis du TGF-ß, précédant la modulation phénotypique des cellules musculaires lisses vasculaires, la calcification et les changements hémodynamiques. L’inhibition des métalloprotéinases et du TGF-ß a permis de prévenir la calcification vasculaire. Nous avons également étudié le rôle joué par une enzyme de la matrice extracellulaire, la transglutaminase 2, dans le développement de la calcification associée à l’hypertension systolique isolée. À l’aide d’un nouvel inhibiteur de cette enzyme, qui a permis de prévenir la calcification, nous avons établi que la transglutaminase était un élément clé dans le processus pathologique. Ces travaux ont permis de démontré l’intérêt de nouvelles avenues thérapeutiques ciblant directement la matrice extracellulaire, particulièrement la MMP-9, le TGF-ß et la transglutaminase 2, dans la pathologie de l’hypertension systolique isolée.

L'accélération de la rigidité vasculaire associée au diabète de type 1 : implication de la protéine Gla de la matrice

L'hypertension systolique isolée (HSI), amenée par une augmentation de la rigidité vasculaire, est la forme d'hypertension la plus fréquente chez les personnes âgées de plus de 60 ans. L'augmentation de la rigidité vasculaire, causée en partie par la calcification aortique médiale, est accélérée de 15 ans chez les diabétiques. Il est suggéré que la calcification aortique serait responsable de la résistance aux agents antihypertenseurs chez les patients souffrant d'HSI, d'où la nécessité de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques ciblant la calcification artérielle. La protéine Gla de la matrice (MGP) est une protéine anti-calcifiante dépendante de la vitamine K, qui doit être γ-carboxylée pour être active. Deux enzymes sont responsables de la γ-carboxylation, soit la γ-glutamyl-carboxylase et la vitamine K époxyde réductase (VKOR). Plusieurs études récentes ont indiqué que la calcification vasculaire semblait être associée à une réduction de la γ-carboxylation de la MGP, et à un déficit en vitamine K. La modulation de l'expression et/ou de l'activité de la γ-carboxylase et de la VKOR et l'impact de cette modulation sur la γ-carboxylation de la MGP en présence de diabète n'est pas connue. L'objectif principal de cette thèse était de déterminer les mécanismes impliqués dans l'accélération de la rigidité artérielle causée par la calcification des gros troncs artériels dans le diabète. Nous avons ainsi confirmé, dans un modèle animal de rigidité artérielle en présence de diabète de type 1, que la γ-carboxylation de la MGP était bel et bien altérée au niveau aortique. En fait, nous avons démontré que la quantité de MGP active (i.e. MGP γ-carboxylée, cMGP) au sein de la paroi vasculaire est diminuée significativement. Parallèlement, l'expression de la γ-carboxylase était diminuée de façon importante, alors que ni l'expression ni l'activité de la VKOR n'étaient modifiées. La diminution de l'expression de la γ-carboxylase a pu être reproduite dans un modèle ex vivo d'hyperglycémie. À l'aide de ce modèle, nous avons démontré que la supplémentation en vitamine K dans le milieu de culture prévenait la diminution de l'expression de la γ-carboxylase, alors que les animaux diabétiques de notre modèle in vivo avaient des concentrations plasmatiques de vitamine K pratiquement triplées. D'autre part, l'étude des voies de signalisation impliquées a révélé que la voie PKCβ pourrait être responsable de l'altération de la γ-carboxylase. Ces résultats génèrent de nouvelles pistes de réflexion et de nouvelles idées de recherche. Par exemple, il serait important de vérifier l'effet de la supplémentation en vitamine K dans le modèle animal de rigidité artérielle en présence de diabète pour évaluer l'effet sur la γ-carboxylation de la MGP et par le fait même, sur la calcification vasculaire. De plus, l'évaluation de l'effet de l'administration de molécules ciblant la voie PKC chez ce même modèle animal permettrait de déterminer leur impact sur le développement de la calcification vasculaire et d'évaluer leur potentiel thérapeutique. Selon les résultats de ces études, de nouvelles options pourraient alors être à notre disposition pour prévenir ou traiter la calcification artérielle médiale associée au diabète, ce qui aurait pour effet de ralentir le développement de la rigidité artérielle et d'ainsi diminuer le risque cardiovasculaire associé à l'HSI.

Pulsioximetría de pacientes en hemodiálisis, de la unidad de terapia renal – fundación cardioinfantil, análisis para establecer recomendaciones

Introducción. En Colombia, el 80% de los pacientes con enfermedad renal crónica en hemodiálisis tienen fístula arteriovenosa periférica (FAV) que asegura el flujo de sangre durante la hemodiálisis (1), la variabilidad en el flujo de sangre en el brazo de la FAV hacia la parte distal, puede afectar la lectura de la oximetría de pulso (SpO2) (2), llevando a la toma de decisiones equivocadas por el personal de salud. El objetivo de este estudio es aclarar si existe diferencia entre la SpO2 del brazo de la FAV y el brazo contralateral. Materiales y métodos. Se realizó un estudio de correlación entre los valores de SpO2 del brazo con FAV contra el brazo sin FAV, de 40 pacientes que asistieron a hemodiálisis. La recolección de los datos se llevó a cabo, con un formato que incluyó el resultado de la pulsioximetria y variables asociadas, antes, durante y después de la hemodiálisis. Se comparó la mediana de los deltas de las diferencias con pruebas estadísticas T Student – Mann Whitney, aceptando un valor significativo de p < 0,05. Resultados. No se encontraron diferencias estadísticamente significativas de la SpO2 entre el brazo con FAV y el brazo sin FAV, antes, durante y después de la diálisis, sin embargo si se apreció una correlación positiva estadísticamente significativa. Conclusiones. Se encontró correlación positiva estadísticamente significativa, donde no hubo diferencias en el resultado la pulsioximetría entre el brazo con FAV y brazo sin FAV, por lo tanto es válido tomar la pulsioximetría en cualquiera de los brazos.

Is excess calcium harmful to health?

Most current guidelines recommend that older adults and the elderly strive for a total calcium intake (diet and supplements) of 1,000 to 1,300 mg/day to prevent osteoporosis and fractures. Traditionally, calcium supplements have been considered safe, effective and well tolerated, but their safety has recently been questioned due to potential adverse effects on vascular disease which may increase mortality. For example, the findings from a meta-analysis of randomized controlled trials (currently published in abstract form only) revealed that the use of calcium supplements was associated with an ~30% increased risk of myocardial infarction. If high levels of calcium are harmful to health, this may alter current public health recommendations with regard to the use of calcium supplements for preventing osteoporosis. In this review, we provide an overview of the latest information from human observational and prospective studies, randomized controlled trials and meta-analyses related to the effects of calcium supplementation on vascular disease and related risk factors, including blood pressure, lipid and lipoprotein levels and vascular calcification.