Evaluation of Hormonal Influence in Patients with Fractures Attributed to Osteoporosis.

Objective  The present study aims to evaluate the influence of hormonal levels of vitamin D, calcitonin, testosterone, estradiol, and parathyroid in patients with fractures attributed to osteoporosis when compared with young patients with fractures resulting from high-impact accidents. Methods  Blood samples were collected from 30 elderly patients with osteoporosis-attributed fractures (T-score ≤ -2.5) (osteoporotic group), and from 30 young patients with fractures resulting from high-impact accidents (control group). Measurement of 1,25-hydroxyvitamin D (Kit Diasorin, Saluggia, Italy), calcitonin (Kit Siemens, Tarrytown, NY, USA), testosterone, estradiol, and parathyroid hormone (Kit Beckman Couter, Indianapolis, IN, United States) was performed using a chemiluminescence technique. Data were inserted into a Microsoft Excel (Microsoft Corp., Armonk, WA, USA) spreadsheet and analyzed using Statview statistical software. Results showing non-normal distribution were analyzed with nonparametric methods. The Mann-Whitney test was applied for group comparison, and a Spearman test correlated hormonal levels. Statistical significance was set at p  < 0.05. All analyzes compared gender and subjects with and without osteoporosis. Results  Women with osteoporosis had significantly lower levels of estradiol and vitamin D ( p  = 0.047 and p  = 0.0275, respectively). Men with osteoporosis presented significantly higher levels of parathyroid hormone ( p  = 0.0065). There was no significant difference in testosterone and calcitonin levels. Conclusion  Osteoporosis patients presented gender-related hormonal differences. Women had significantly lower levels of estradiol and vitamin D, whereas men had significantly higher parathyroid hormone levels, apparently impacting the disease. Sociedade Brasileira de Ortopedia e Traumatologia. This is an open access article published by Thieme under the terms of the Creative Commons Attribution-NonDerivative-NonCommercial License, permitting copying and reproduction so long as the original work is given appropriate credit. Contents may not be used for commecial purposes, or adapted, remixed, transformed or built upon. ( https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ).

Introduction

Osteoporosis results from an imbalance in normal bone metabolism between osteoblasts and osteoclasts. 1 Osteoclasts seem more active than osteoblasts in bone resorption processes. 2 3 Studies indicate that hormones may play an important role in imbalanced bone formation, 4 since parathyroid hormone apparently induces osteocytes differentiation into osteoclasts. 5 Likewise, hormones such as estradiol and testosterone are supposedly important, 6 7 8 and testosterone acts by inhibiting osteoblast apoptosis. 9 On the other hand, estrogen seems critical to bone remodeling both in males and females, since it apparently stimulates calcitonin release and activates intestinal vitamin D receptors, resulting in endocrine and immune functions during bone metabolism. 10 11 Calcitonin and vitamin D help to maintain adequate serum concentrations of calcium to allow normal bone mineralization. In addition, vitamin D is required for bone growth and remodeling by osteoblasts and osteoclasts. 12

The increase in life expectancy resulted in a considerable increase in diseases associated with hormonal changes, including osteoporosis, warranting the focus on studies to clarify these interactions.

The present study aims to evaluate the influence of hormonal serum levels of vitamin D, calcitonin, testosterone, estradiol, and parathyroid hormone in patients with fractures attributed to osteoporosis in comparison with young patients with fractures resulting from high-impact accidents.

Materials and Methods

The present project was approved by the Ethics Committee under protocol number 51827515.4.0000.5145.

Study Group

Blood samples were collected from 30 elderly patients with fractures attributed to osteoporosis (T-score ≤ -2.5) (osteoporotic group), and from 30 young patients with fractures resulting from high-impact accidents (control group). Patients with other bone conditions, nonosteoporotic fractures, immunosuppression, malignant neoplasms, or liver disorders were excluded from the study, along with those who did not agree to participate in it. Serum collected from these patients was used for hormone measurement.

Blood Collection

Venous blood collection was always performed in the morning, 1 day after the bone reconstruction surgery indicated by the orthopedist. A blood sample was obtained by venipuncture, using three vacuum collection tubes containing a clot activator and separating gel. Thirty minutes after collection, the samples were centrifuged at 5,000 rotations per minute (rpm) for 10 minutes to obtain serum.

Hormonal Analysis

Serum obtained after blood samples centrifuging was sent for hormonal analysis. Measurement of 1,25-hydroxyvitamin D (Kit Diasorin, Saluggia, Italy), calcitonin (Kit Siemens, Tarrytown, NY, USA), testosterone, estradiol, and parathyroid hormone (Kit Beckman Couter, Indianapolis, IN, United States) was performed using a chemiluminescence technique, a chemical reaction that generates luminous energy. Chemiluminescence reagents are transformed into electrically excited intermediate states and release the absorbed energy as light when becoming less excited.

Statistical Analysis

Data were inserted into a Microsoft Excel (Microsoft Corp., Redmond, WA, USA) spreadsheet and analyzed using Statview statistical software. Results showing non-normal distribution were analyzed with nonparametric methods. The Mann-Whitney test was applied for group comparison, and a Spearman test correlated hormonal levels. Statistical significance was set at p  < 0.05.

Results

The present study measured hormones in 30 patients with osteoporosis and in 30 control subjects, totaling 60 people.

The mean age of the patients was 58.8 ± 22.61 years old, and all analyzes compared gender and subjects with or without osteoporosis. Table 1 shows the number of patients and the mean age from each group.

Table 1

Mean, minimum, and maximum age (in absolute numbers) in female and male subjects with and without osteoporosis

	Mean Age (years old)	Number of Patients ( n )	Minimal Age (years old)	Maximal Age (years old)
Female control subjects	39.5	08	18	58
Male control subjects	39.6	22	19	58
Women with osteoporosis	80.05	18	64	98
Men with osteoporosis	74.9	12	60	88
Total	58.8	60	18	98

In the control group, serum vitamin D levels were significantly higher in females when compared with males (Mann-Whitney test; p  = 0.0169). Comparing both groups (osteoporosis and control subjects), serum vitamin D levels were significantly higher in women from the control group than in women with osteoporosis ( p  = 0.0275). There was no significant difference between males and females from the osteoporosis group ( Figure 1A ).

Fig. 1

Hormonal measurement using chemiluminescence in female and male patients diagnosed with osteoporosis and control subjects. ( A ) Vitamin D, * p  = 0.0169 and ** p  = 0.0275; ( B ) Testosterone, * p  = 0.0023 and ** p  = 0.0046; ( C ) Estradiol, p  = 0.047; ( D ) Parathyroid hormone, p  = 0.0065; ( E ) Calcitonin (Mann-Whitney test).

Significantly higher free testosterone levels were observed in males when compared with females in both the control and osteoporotic groups (Mann-Whitney test; * p  = 0.0023 and ** p  = 0.0046). There was no significant difference in free testosterone levels between males from the control and osteoporotic groups ( Figure 1B ).

Estradiol levels were significantly lower in women with osteoporosis compared with those of the control group (Mann-Whitney test; p  = 0.047). There was no significant difference in estradiol levels between men and women from the control group and the osteoporotic group ( Figure 1C ).

Parathyroid hormone levels were significantly higher in men with osteoporosis when compared with the control group (Mann-Whitney test; p  = 0.0065). There was no significant difference between women from the control group and women with osteoporosis. No significant difference was observed in parathyroid hormone levels when comparing males and females with or without osteoporosis ( Figure 1D ).

There was no significant difference in calcitonin levels between the control and osteoporotic groups, regardless of gender. In addition, there was no significant difference when comparing men and women from both groups ( Figure 1E ).

Discussion

Osteoporosis results from an imbalance of bone remodeling potentially caused by hormonal factors. In addition, more recent studies show that immunological factors also play a role in the pathophysiology of the disease. The present study evaluated hormonal levels in patients with osteoporosis and compared gender-related differences.

Our study revealed significant differences in vitamin D, estradiol, and parathyroid hormone levels. Osteoporotic women and young men had significantly lower levels of vitamin D compared with young women. Studies show that vitamin D deficiency is associated with muscle weakness, bone loss, falls and fractures. 13 In line with the literature, our data suggest that a decrease in vitamin D in older women may contribute to osteoporosis. The present study also showed that reduced estradiol levels are related to the onset of osteoporosis in women > 60 years old, which is consistent with other works, showing that bone health is inversely related to lower estradiol concentrations. 7 8 14 Estradiol deficiency was also linked to osteoporosis in men > 64 years old, 15 although this association was not observed here.

Bone remodeling is also stimulated by parathyroid hormone. A study with elderly women showed a significant increase in parathyroid hormone levels in women with osteoporosis. 16 In the present study, significantly higher levels of parathyroid hormone were found in men with osteoporosis, showing that it contributes to the onset of the disease in men > 60 years old; in contrast, women present no differences in parathyroid hormone levels.

Testosterone was not a limiting factor for the onset of osteoporosis in our patients. This hormone seems to be more related to differences between males and females. However, a study showed that testosterone deficiency in men > 64 years old is associated with rapid bone loss, leading to osteoporosis. 15 Even though the literature showed that calcitonin acts by inhibiting bone resorption, 17 we found no significant differences in calcitonin levels between groups and genders.

Conclusion

The present study suggests that women with osteoporosis had significantly lower levels of estradiol and vitamin D compared with young women without the disease, whereas men with osteoporosis had significantly higher levels of parathyroid hormone compared with men without the disease. These findings show the importance of hormones and vitamin D in the development of osteoporosis. Although lower testosterone levels are associated with osteoporosis, our study does not show its impact on the disease, except for a significant gender-related difference, regardless of age and of the presence of osteoporosis.

Introdução

A osteoporose é causada por um desequilíbrio no metabolismo ósseo normal entre os osteoblastos e osteoclastos, 1 sendo que, no processo de reabsorção óssea, o osteoclasto parece ter um papel mais ativo em relação ao osteoblasto. 2 3 Estudos apontam que hormônios podem ter um papel importante no desequilíbrio de formação óssea 4 , visto que o paratormônio parece induzir o osteócito a diferenciar em osteoclasto. 5 Da mesma forma, hormônios como o estradiol e a testosterona parecem ser importantes, 6 7 8 uma vez que a testosterona age inibindo a apoptose de osteoblastos. 9 Já o estrogênio parece ter um papel importante na remodelação óssea, tanto em homens quanto em mulheres, uma vez que esse hormônio parece estimular a liberação de calcitonina, além de ativar receptores de vitamina D no intestino, permitindo sua função endócrina e imunológica no processo do metabolismo ósseo. 10 11 A calcitonina e a vitamina D ajudam a manter concentrações adequadas de cálcio no soro para permitir a mineralização normal do osso; além disso, a vitamina D é necessária para o crescimento ósseo e a remodelação óssea por osteoblastos e osteoclastos. 12

Com o aumento da expectativa de vida, doenças associadas à mudança hormonal, como a osteoporose, estão aumentando em quantidades consideráveis; por isso, a importância do foco em estudos com a finalidade de tornar esta interação mais clara.

O presente estudo tem como objetivo avaliar a influência dos níveis hormonais de vitamina D, calcitonina, testosterona, estradiol e paratormônio em pacientes com fratura atribuída a osteoporose, quando comparados a pacientes jovens que tiveram fraturas decorrentes de acidente de alto impacto.

Materiais e métodos

O projeto foi aprovado pelo Comitê de Ética com protocolo de número 51827515.4.0000.5145.

Grupo de Estudo

Foram coletadas amostras de sangue de 30 pacientes idosos com fratura atribuída à osteoporose (T-score ≤ -2,5) (grupo com osteoporose) e 30 amostras de sangue de pacientes jovens que sofreram fraturas decorrentes de acidentes de alto impacto (grupo controle). Foram excluídos os pacientes com outras doenças ósseas, com fraturas não causadas por osteoporose, pacientes imunossuprimidos, com neoplasias malignas ou alterações hepáticas, e que não concordaram participar da pesquisa. O soro coletado desses pacientes foi utilizado para dosagem hormonal.

Coleta de sangue

A coleta de sangue venoso foi realizada sempre no período matutino, 1 dia após a cirurgia de reconstrução óssea indicada pelo médico ortopedista. A amostra de sangue foi obtida por punção venosa, com a utilização de três tubos de coleta a vácuo contendo ativador de coágulo e gel separador. Após 30 minutos da coleta, foi feita a centrifugação a 5.000 rotações por minuto (rpm) por 10 minutos para obtenção de soro.

Análise hormonal

Após a centrifugação das amostras de sangue coletadas, os tubos de soro foram encaminhados para análise hormonal. Foram realizadas dosagem de 1,25-hidroxivitamina D (Kit Diasorin, Saluggia, Italy), calcitonina (Kit Siemens, Tarrytown, NY, USA), testosterona, estradiol e paratormônio (Kit Beckman Couter, Indianapolis, IN, United States) pela técnica de quimiluminescência, uma reação química, a qual, ao se processar, gera energia luminosa. Durante a reação, os reagentes se transformam em estados intermediários eletronicamente excitados e, ao passarem para um estado de menor excitação, liberam a energia absorvida na forma de luz.

Análise estatística

Os dados foram inseridos em uma planilha de dados no programa Microsoft Excel (Microsoft Corp., Redmond, WA, EUA) e analisados pelo programa de estatística Statview. Os resultados que apresentaram distribuição não normal foram analisados com métodos não paramétricos. Para análise de variáveis comparando-se os dois grupos, aplicou-se o teste Mann-Whitney. Foi utilizado o teste de correlação de Spearman para a correlacionar os níveis hormonais. Um valor-p < 0,05 foi considerado significante.

Resultados

No presente estudo, foi realizada a dosagem hormonal de 60 pacientes, sendo 30 de pacientes com osteoporose e 30 do grupo controle.

A média de idade dos pacientes foi de 58,8 ± 22,61 anos, e todas as análises foram feitas comparando gênero, grupo de pacientes com osteoporose e grupo controle. Os dados com o número de pacientes e a média de idade de cada grupo estão contidos na Tabela 1 .

Tabela 1

Distribuição da média de idade dos pacientes (mínima e máxima) em números absolutos, de acordo com o gênero feminino e masculino do grupo controle e do grupo com osteoporose

	Média idade (anos)	Número de pacientes ( n )	Idade mínima (anos)	Idade máxima (anos)
Controle feminino	39,5	08	18	58
Controle masculino	39,6	22	19	58
Osteoporose feminino	80,05	18	64	98
Osteoporose masculino	74,9	12	60	88
Total	58,8	60	18	98

Os níveis séricos de vitamina D foram significativamente maiores no gênero feminino do grupo controle quando comparados com o gênero masculino do grupo controle (Mann Whitney; p  = 0.0169). Ao comparar os níveis séricos de vitamina D entre os dois grupos (controle e osteoporose), observou-se níveis significativamente maiores no gênero feminino do grupo controle quando comparadas com o gênero feminino do grupo com osteoporose ( p  = 0.0275). Não houve diferença significativa entre os gêneros masculinos e femininos do grupo com osteoporose ( Figura 1A ).

Fig. 1

Dosagem hormonal por quimiluminescência de pacientes do sexo feminino e masculino diagnosticados com osteoporose e pacientes do grupo controle. ( A ) Vitamina D1,25, sendo * p  = 0,0169 e ** p  = 0,0275; ( B ) Testosterona, sendo * p  = 0,0023 e ** p  = 0,0046; ( C ) Estradiol, sendo p  = 0.047; ( D ) Paratormônio, sendo p  = 0.0065; ( E ) Calcitonina (Mann-Whitney).

Na análise de testosterona livre, foram observados níveis significativamente maiores no gênero masculino quando comparado com gênero feminino em ambos os grupos, controle e osteoporose (Mann Whitney; *p = 0.0023 e **p = 0.0046). Não houve diferença significativa nos níveis de testosterona livre entre o gênero masculino do grupo controle e do grupo com osteoporose ( Figura 1B ).

Os níveis de estradiol foram significativamente menores nas mulheres do grupo com osteoporose comparados com as do grupo controle (Mann-Whitney; p  = 0.047). Não houve diferença significativa nos níveis de estradiol entre homens e mulheres do grupo controle e do grupo com osteoporose ( Figura 1C ).

Os níveis de paratormônios foram significativamente maiores nos homens com osteoporose quando comparados com o grupo controle (Mann-Whitney; p  = 0.0065). Não houve diferença significativa entre as mulheres do grupo controle com as mulheres do grupo com osteoporose. Tampouco foi observada uma diferença significativa nos níveis de paratormônios quando comparados os gêneros masculino e feminino em ambos os grupos, controle e osteoporose ( Figura 1D ).

Não houve diferença significativa nos níveis de calcitonina entre o grupo controle e o grupo com osteoporose, independentemente do gênero. Também não houve diferença significativa quando comparados homens e mulheres independentemente dos grupos, controle e osteoporose ( Figura 1E ).

Discussão

A osteoporose é causada por um desequilíbrio da remodelação óssea, que pode ser causado por fatores hormonais; além disso, estudos mais recentes mostram que fatores imunológicos também influenciam na fisiopatogênese da doença. No presente estudo, foi avaliada a presença de hormônios em pacientes com osteoporose, comparando também a diferença entre os gêneros.

No presente estudo, diferenças significativas foram encontradas nas dosagens de vitamina D, estradiol e paratormônio. Mulheres com osteoporose e homens jovens apresentaram níveis significativamente menores de vitamina D comparados com mulheres jovens. Estudos mostram que a deficiência de vitamina D está associada a fraqueza muscular, perda óssea, quedas e fraturas. 13 Semelhante à literatura, nossos dados sugerem que a diminuição de vitamina D em mulheres de maior idade pode contribuir na predisposição à osteoporose. O presente estudo mostra também que níveis reduzidos de estradiol estão relacionados com o aparecimento da osteoporose em mulheres a partir de 60 anos, condizente com outros estudos que mostram que a saúde óssea está inversamente relacionada com níveis reduzidos de estradiol. 7 8 14 A deficiência de estradiol também foi associada com a presença de osteoporose em homens > 64 anos, 15 embora essa associação não tenha sido encontrada nos resultados obtidos.

A remodelação óssea também tem sido estimulada pelo paratormônio; um estudo feito com mulheres idosas mostra que houve um aumento significativo de paratormônio em mulheres com osteoporose. 16 Em nosso estudo, níveis significativamente maiores de paratormônio foram encontrados em homens com osteoporose, mostrando que a presença do paratormônio contribui para o aparecimento da doença em homens > 60 anos, ao contrário das mulheres, que não tiveram diferenças nos níveis de paratormônio.

A testosterona não foi um fator limitante para o aparecimento da doença nos pacientes do nosso estudo; este hormônio parece estar mais relacionado com as diferenças entre os gêneros masculino e feminino. Contudo, um estudo mostra que a deficiência de testosterona em homens > 64 anos está associada com a rápida perda óssea e, consequentemente, com o desenvolvimento de osteoporose. 15 Embora dados da literatura mostrem que a calcitonina age inibindo a reabsorção óssea, 17 não foram encontradas diferenças significativas nos níveis de calcitonina entre os grupos e gêneros estudados.

Conclusão

O presente estudo sugere que mulheres com osteoporose apresentaram níveis significativamente menores de estradiol e vitamina D quando comparadas com mulheres jovens sem osteoporose. Já homens com osteoporose apresentaram níveis significativamente maiores de paratormônio quando comparados com homens sem osteoporose, o que mostra a importância dos hormônios e da vitamina D no desenvolvimento da doença. Já a testosterona, apesar de níveis menores estarem associados com a osteoporose, nosso estudo não demonstra uma associação com a doença; há uma diferença significativa apenas em relação ao gênero, independentemente da idade e da presença de osteoporose.