Pyrophosphate homeostasis during calcifying diseases

Description

Some chronic diseases, notably liver or kidney diseases, are associated with a high prevalence of arterial calcification, the determinants of which are not known. In the most advanced stages of these diseases, characterized by organ fibrosis and then organ failure, liver or kidney transplantation is suggested.Pyrophosphate is a potent circulating physiological inhibitor of calcification. In pathology, pyrophosphate deficiency is associated with arterial calcifications during genetic diseases due to mutations in the genes coding for ABCC6 (adenosine triphosphate ATP-binding cassette, subfamily C, member 6) or ENPP-1 (ectonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1). Both proteins are mainly expressed in the liver and are involved in pyrophosphate synthesis while it is eliminated by urinary and alkaline phosphatase hydrolysis. The influence of organ transplantation on pyrophosphate homeostasis is unknown.The objectives of this thesis are to study the determinants of plasma pyrophosphate concentration and arterial calcifications before and after liver or kidney transplantation.In the first part, a new standardized method for determining the concentration of inorganic pyrophosphate in different biological fluids (culture media, plasma, urine, saliva, joint fluid) was developed. A European patent application has been filed.In the second part, haemodialysis and kidney transplant patients were compared to each other and to controls. Both haemodialysis and transplant patients have a pyrophosphate deficit compared to controls. Urinary pyrophosphate excretion is unchanged. Plasma ENPP1 activity is identical between groups but plasma alkaline phosphatase activity is negatively correlated with plasma pyrophosphate concentration. Pyrophosphate deficiency persists in renal transplant patients despite normal plasma alkaline phosphatase activity two years after transplantation.In the third part, patients with hepatic fibrosis and hepatocellular insufficiency, of varying etiologies, were compared before and 3 months after liver transplantation. Plasma pyrophosphate concentration is low before transplantation, and negatively correlated with the clinical scores of fibrosis or hepatocellular insufficiencies are high. While urinary pyrophosphate elimination remains unchanged, plasma alkaline phosphatase activity is increased. Hepatic expression of ABCC6 and ENPP1 mRNA is significantly decreased in patients with chronic liver pathologies compared to non-cirrhotic controls. Radiological scores of coronary or aortic arterial calcifications are positively correlated with the severity of fibrosis or hepatocellular insufficiency.In conclusion, the elevation of plasma alkaline phosphatase activity before liver or kidney transplantation contributes to pyrophosphate deficiency by increasing its hydrolysis. The complete correction of pyrophosphate deficiency by liver transplantation indicates that the liver is the main source of pyrophosphate. Incomplete correction of pyrophosphate deficiency by renal transplantation suggests a liver-kidney dialogue. Arterial calcifications are not directly correlated with pyrophosphate, suggesting the involvement of other agents that are yet to be determined.

Abstract (French)

Certaines maladies chroniques, notamment hépatiques ou rénales, sont associées à une forte prévalence de calcification artérielle dont les déterminants ne sont pas connus. Aux stades les plus évolués de ces maladies, caractérisées par une fibrose d'organe et une insuffisance fonctionnelle, la transplantation hépatique ou rénale est proposée.Le pyrophosphate est un puissant inhibiteur physiologique circulant de la calcification. En pathologie, un déficit en pyrophosphate est associé aux calcifications artérielles au cours de maladies génétiques secondaires à l'inactivation des gènes codants pour ABCC6 (adénosine triphosphate ATP-binding cassette, sous-famille C, membre 6) ou ENPP-1 (ectonucléotide pyrophosphatase/phosphodiestérase 1). Ces deux protéines sont principalement exprimées dans le foie et elles synthétisent le pyrophosphate qui est éliminé intact par voie urinaire et par hydrolyse grâce aux phosphatases alcalines. L'influence de la transplantation d'organe sur l'homéostasie du pyrophosphate est inconnue.Les objectifs de la thèse sont d'étudier les déterminants de la concentration plasmatique en pyrophosphate et des calcifications artérielles avant et après transplantation hépatique ou rénale.Dans une première partie, une nouvelle méthode de dosage standardisée du pyrophosphate dans le plasma a été mise au point pour différents fluides biologiques (milieux de culture, plasma, urine, salive, liquide articulaire). Une demande de brevet européen a été déposée.Dans une deuxième partie, des patients hémodialysés et transplantés rénaux ont été comparés entre eux et à des témoins. Les patients hémodialysés et les patients transplantés ont un déficit en pyrophosphate par rapport aux témoins. L 'élimination urinaire de pyrophosphate est inchangée. L'activité plasmatique d'ENPP1 est identique entre les groupes mais l'activité plasmatique des phosphatases alcalines est négativement corrélée à la concentration plasmatique de pyrophosphate. Le déficit en pyrophosphate persiste chez les patients transplantés rénaux malgré une activité plasmatique des phosphatases alcalines normale à distance de la transplantation.Dans une troisième partie, des patients présentant une fibrose hépatique et une insuffisance hépatocellulaire, d'étiologies variables, ont été comparés entre eux avant et 3 mois après transplantation hépatique. La concentration plasmatique de pyrophosphate est basse avant transplantation, d'autant plus que les scores cliniques de fibrose ou d'insuffisance hépatocellulaire sont élevés. L 'élimination urinaire de pyrophosphate est inchangée. L'activité plasmatique des phosphatases alcalines est augmentée. L'expression hépatique des ARNms d'ABCC6 et d'ENPP1 est significativement abaissée par rapport à celle de témoins non cirrhotiques. Les scores radiologiques de calcifications artérielles coronaires ou aortiques sont positivement corrélés à la sévérité de la fibrose ou de l'insuffisance hépatocellulaire.En conclusion, l'élévation de l'activité plasmatique des phosphatases alcalines avant transplantation hépatique ou rénale participe au déficit en pyrophosphate en augmentant son hydrolyse. La correction complète du déficit en pyrophosphate par la transplantation hépatique indique que le foie est la principale source de pyrophosphate. Le caractère incomplet de la correction du déficit en pyrophosphate par la transplantation rénale est évocateur d'un dialogue foie-rein. Les calcifications artérielles ne sont pas directement corrélées au pyrophosphate, suggérant l'intervention de d'autres agents qu'ils restent à caractériser.

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