陳佩玲 綜述 龔德華 審校

血管鈣化常見(jiàn)于多種疾病，如動(dòng)脈粥樣硬化、糖尿病(DM)和慢性腎臟病(CKD)等。較多的臨床研究表明，血管鈣化增加CKD患者的病殘率及死亡率[1-4]，對(duì)于終末期腎病(ESRD)患者而言，心血管疾病(CVD)更是其首要死亡原因。除傳統(tǒng)危險(xiǎn)因素外，血管鈣化是一個(gè)非常重要的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。目前關(guān)于血管鈣化的具體發(fā)病機(jī)制尚不清楚，除與CKD患者礦物質(zhì)代謝紊亂因素相關(guān)外，還有其他一些因素同樣發(fā)揮著重要作用。其中諸多體外動(dòng)物模型、臨床研究等均顯示焦磷酸鹽在防治血管鈣化方面起著重要作用。本文擬對(duì)焦磷酸鹽在體內(nèi)的代謝、與血管鈣化的關(guān)系及其具體調(diào)節(jié)機(jī)制予以綜述。

血管鈣化形成的過(guò)程

血管鈣化主要有兩種形式，一種是以內(nèi)膜動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形式的鈣化， 一種是以動(dòng)脈中層鈣化為主(也被稱為“Monckeberg型中膜鈣化性硬化”)，多見(jiàn)于2型DM患者。而CKD患者則兩種形式都存在[5-6]。血管鈣化基本過(guò)程如下：在某種因素刺激下，血管內(nèi)膜或中層出現(xiàn)成骨細(xì)胞樣細(xì)胞，后者分泌形成細(xì)胞外膠原及非膠原蛋白基質(zhì)層，同時(shí)分泌基質(zhì)囊泡及形成凋亡小體附著于基質(zhì)層[7]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步啟動(dòng)礦化沉積從而形成鈣化。15%～20%的鈣化灶還可能進(jìn)展，出現(xiàn)骨樣結(jié)構(gòu)，稱為骨化。因此血管鈣化有兩個(gè)關(guān)鍵性步驟，一是成骨細(xì)胞樣細(xì)胞的出現(xiàn)，二是礦化沉積過(guò)程。成骨細(xì)胞樣細(xì)胞的出現(xiàn)機(jī)制還并不完成清楚，目前認(rèn)為可能來(lái)源于幾個(gè)方面：(1)血管平滑肌細(xì)胞(VSMC)的去分化，啟動(dòng)轉(zhuǎn)分化的重要步驟是VSMC表達(dá)骨蛋白及成骨細(xì)胞分化因子RunX-2/Cbfα1上調(diào)，而促平滑肌細(xì)胞分化因子myocardin表達(dá)下調(diào)[8]。也有人認(rèn)為血管壁存在一個(gè)SMC亞群，稱為鈣化血管細(xì)胞(calcifying vascular cells)，這些細(xì)胞在長(zhǎng)期培養(yǎng)時(shí)具有自發(fā)形成結(jié)節(jié)和鈣化的特性。(2)循環(huán)中的間充質(zhì)干細(xì)胞，如CD14+單核細(xì)胞某些亞群具有轉(zhuǎn)分化潛能；(3)血管外膜的周細(xì)胞樣細(xì)胞遷移而來(lái)，這些細(xì)胞具有在不同的條件下可以分化成為平滑肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞等的潛能。心臟瓣膜鈣化基本過(guò)程則為內(nèi)皮損傷，膽固醇沉積及炎性反應(yīng)刺激啟動(dòng)鈣化過(guò)程。

影響血管鈣化中鈣磷沉積的因素

羥基磷灰石(主要是碳磷灰石)是人體骨骼組織及鈣化組織中最主要的磷酸鈣晶體形式，通過(guò)磷酸八鈣和無(wú)定形磷酸鈣等中間體的固相反應(yīng)形成，而非直接由鈣離子和磷酸鹽結(jié)合而成[9]。羥基磷灰石的前體來(lái)自二水磷酸氫鈣(CaHPO4·2H2O，也被稱為“磷酸氫鈣” )，是鈣化形成過(guò)程中的最初步驟。在生理pH值下，將近80%的磷酸根是HPO42-，剩余約20%是H2PO4-；除離子鈣之外，還有復(fù)合鈣(主要與檸檬酸和碳酸氫鈉結(jié)合)以及蛋白結(jié)合的鈣(主要是白蛋白)?；贑a2+和HPO42-的活度系數(shù)以及磷酸氫鈣的溶度積，理論上而言血漿中總鈣磷濃度乘積(Ca×P)需超過(guò)90 mg2/dl2(7.263 mmol2/L2)才會(huì)出現(xiàn)CaHPO4的沉淀，而實(shí)際臨床上細(xì)胞外液中鈣、磷酸鹽水平很少達(dá)到這個(gè)真正飽和的水平[9]。因此體內(nèi)骨的礦化和異位鈣化通常發(fā)生于Ca×P較低水平情況下。這種情況下的鈣磷乘積得以發(fā)生是因?yàn)榛|(zhì)蛋白的存在，后者起到催化作用。根據(jù)鈣化的電荷中和理論，此類基質(zhì)蛋白中較高的甘氨酸含量有利于形成β轉(zhuǎn)角，從而與鈣離子結(jié)合起來(lái)，也使得磷酸鹽能夠在生理?xiàng)l件下以一種特定的構(gòu)型與鈣結(jié)合形成磷灰石(圖1)。在骨組織和動(dòng)脈中，此過(guò)程主要發(fā)生在I型膠原和彈性纖維中[10]。

圖1 血管鈣化的化學(xué)原理示意圖

血管鈣化中關(guān)鍵性步驟鈣磷的沉積是被動(dòng)過(guò)程，不需要任何細(xì)胞功能輔助，而細(xì)胞在防止血管鈣化的作用則是通過(guò)合成分泌鈣化抑制因子來(lái)起作用。在細(xì)胞外液中存在廣泛的內(nèi)源性鈣化抑制因子，如小分子的枸櫞酸根及焦磷酸根，小-中分子蛋白如基質(zhì)-γ-羧基谷氨酸蛋白(matrix Gla protein,MGP)，胎球蛋白A(Fetuin-A)及骨保護(hù)素。當(dāng)抑制因子缺乏或高磷血癥時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)病理性鈣化。當(dāng)鈣磷沉積形成新生晶體時(shí)，機(jī)體內(nèi)胎球蛋白A會(huì)與之結(jié)合形成膠體磷酸鈣(也被稱為“鈣蛋白”顆粒)從而防止其沉淀，而后者則通過(guò)體內(nèi)網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)被清除。

焦磷酸鹽在鈣化形成中的作用

焦磷酸(H4P2O7)，別名二磷酸，在化學(xué)上可通過(guò)2個(gè)分子的磷酸(H3PO4)加熱到一定程度后失去一個(gè)水分子而得到，稱為脫水縮合過(guò)程，具有強(qiáng)酸性。焦磷酸根具有很強(qiáng)的配位性，過(guò)量的P2O74-能使難溶的焦磷酸鹽(如Ca2+)溶解形成配離子。焦磷酸鹽是鈣結(jié)晶和沉積的有效抑制因子，長(zhǎng)期以來(lái)這一特性也被運(yùn)用于其他領(lǐng)域中，如焦磷酸鹽是防止牙菌斑形成的主要活性成分。它是通過(guò)與新生羥基磷灰石晶體結(jié)合影響其晶核從而避免晶體進(jìn)一步生長(zhǎng)而起作用，且在微摩爾濃度下(比生理鈣或磷酸鹽濃度低1 000倍以上)就可以產(chǎn)生完全抑制效應(yīng)[11-12]。因此即使血管平滑肌局部偶有羥基磷灰石生成[13]，細(xì)胞外焦磷酸鹽的含量足以完全抑制羥基磷灰石晶體的進(jìn)一步生長(zhǎng)，從而起到抑制鈣化的作用[14]。

焦磷酸鹽的缺乏是一些以血管鈣化為主要表現(xiàn)的遺傳性疾病中的致病基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)這類遺傳性疾病的病理生理過(guò)程的研究闡明了焦磷酸鹽在體內(nèi)的重要作用及其可能代謝途徑。其中最典型的例子是特發(fā)性嬰兒動(dòng)脈鈣化癥[15]。這是一種常染色體隱性遺傳病，因膜外核苷酸焦磷酸酶/磷酸二脂酶1(eNPP1)基因突變導(dǎo)致焦磷酸鹽合成減少，從而導(dǎo)致大中動(dòng)脈的中膜和內(nèi)彈力層的嚴(yán)重鈣化，患兒在幼年即可出現(xiàn)關(guān)節(jié)周圍及主動(dòng)脈的自發(fā)性鈣化，有的甚至在出生后幾周即死于嚴(yán)重高血壓[15]。在eNPP1基因敲除小鼠中亦觀察到類似的表型，通常此類患者及該類小鼠模型體內(nèi)血漿焦磷酸水平非常低,而使用焦磷酸鹽類似物——雙膦酸鹽可有效治療此類疾病[15-16]。

在錨蛋白(ANK)基因自發(fā)性突變的小鼠模型中，予以高磷飲食，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)脈中膜的鈣化以及進(jìn)展性的關(guān)節(jié)僵硬[17]。ANK基因的產(chǎn)物是ANK膜蛋白，也稱之為錨蛋白，體外實(shí)驗(yàn)顯示該膜蛋白可以轉(zhuǎn)運(yùn)焦磷酸鹽[14]。從ANK基因敲除小鼠體內(nèi)取出的細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)可見(jiàn)細(xì)胞外焦磷酸鹽水平較低，而ANK基因過(guò)表達(dá)小鼠模型中細(xì)胞外焦磷酸鹽含量高[14]。人類的ANK基因突變會(huì)導(dǎo)致顱骨干骺端發(fā)育不良癥[18]，這是一種罕見(jiàn)遺傳性骨發(fā)育不良性疾病，主要特點(diǎn)是顱骨增生硬化伴長(zhǎng)骨干骺端骨質(zhì)異常，但較少發(fā)生血管鈣化。

此外，在Hutchinson-Gilford早衰綜合癥(一種以血管鈣化為特征的極其罕見(jiàn)的先天遺傳疾病)小鼠模型中，因?yàn)榇嬖诙喾N類型的代謝異常[包括三磷酸腺苷(ATP)合成障礙和組織非特異性堿性磷酸酶(TNAP)表達(dá)和活性的增加]而顯示出細(xì)胞外焦磷酸合成的減少，導(dǎo)致血管鈣化的發(fā)生[19]，每日注射焦磷酸可防止鈣化的形成[19]。

焦磷酸鹽預(yù)防血管鈣化的能力最初是在維生素D中毒的動(dòng)物模型中被證實(shí)，并隨之在離體培養(yǎng)的主動(dòng)脈環(huán)和主動(dòng)脈瓣中進(jìn)行了驗(yàn)證[20]。與之結(jié)構(gòu)相似的雙磷酸鹽在內(nèi)的其他多磷酸鹽也具有這一特性，已有學(xué)者研發(fā)出無(wú)法水解的焦磷酸鹽類似物以預(yù)防異位鈣化發(fā)生。當(dāng)血磷處正常水平范圍時(shí)，正常濃度的焦磷酸鹽足以抑制鈣化的形成，但是當(dāng)血磷升高時(shí)，體內(nèi)焦磷酸鹽濃度相對(duì)不足，則易出現(xiàn)血管鈣化。也有體外研究證實(shí)血清焦磷酸鹽水平與鈣蛋白顆粒的形成相關(guān)[21]。

體內(nèi)焦磷酸鹽的合成及代謝

細(xì)胞外焦磷酸鹽是eNPP1通過(guò)水解細(xì)胞外ATP而產(chǎn)生，其產(chǎn)物還包括AMP(圖2)。eNPP1決定著體內(nèi)焦磷酸鹽的含量，體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)也影響培養(yǎng)血管平滑肌細(xì)胞和主動(dòng)脈中焦磷酸鹽的含量。eNPP1功能的缺失與血管鈣化的發(fā)生密切相關(guān)[13-14]。而細(xì)胞外ATP則需通過(guò)胞吐機(jī)制和膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)而來(lái)，目前證實(shí)的此類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白包括連接蛋白半通道，泛連接蛋白(pannexin)，囊性纖維化跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)因子，多藥耐藥基因產(chǎn)物P糖蛋白(mdr)和磺酰脲受體等。細(xì)胞膜上的ANK對(duì)焦磷酸鹽也起重要作用，可能直接轉(zhuǎn)運(yùn)焦磷酸鹽至胞外[22]，但也有人認(rèn)為在生理?xiàng)l件下ANK無(wú)法直接轉(zhuǎn)運(yùn)焦磷酸[13]，它對(duì)焦磷酸鹽的影響很有可能還是通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)ATP至細(xì)胞外而起作用。目前尚不清楚上述膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中哪些起著主要轉(zhuǎn)運(yùn)ATP的作用及在不同組織中的差異。循環(huán)中焦磷酸鹽的來(lái)源尚存爭(zhēng)議，但近期有研究結(jié)果顯示可能主要來(lái)源于肝臟[23]。該過(guò)程可能取決于膜蛋白ATP結(jié)合子亞家族C成員6(ABCC6)，但該膜蛋白不直接轉(zhuǎn)運(yùn)ATP，具體機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

焦磷酸根在體內(nèi)可被TNAP降解為磷酸鹽，因此TNAP在決定組織焦磷酸鹽水平以及鈣化過(guò)程中起著關(guān)鍵性作用(圖2)。一項(xiàng)研究證實(shí)，在非骨性組織中TNAP和Ⅰ型膠原的共表達(dá)足以誘導(dǎo)類似骨礦化過(guò)程[24]。TNAP在骨骼中高表達(dá)，避免了局部焦磷酸鹽的蓄積，確保正常骨質(zhì)的鈣化過(guò)程，因此TNAP的過(guò)度表達(dá)可增加體內(nèi)的骨骼礦化[25]。而在缺乏TNAP(低堿性磷酸酯酶癥)的患者和相應(yīng)的小鼠模型中，血清焦磷酸鹽濃度顯著升高，血磷含量降低并伴有骨礦化障礙。TNAP在離體主動(dòng)脈環(huán)內(nèi)的過(guò)度表達(dá)[13]以及體內(nèi)血管平滑肌上選擇性的表達(dá)[26]也可以誘導(dǎo)血管中膜發(fā)生鈣化，而后者是目前最佳的血管鈣化基因小鼠模型。使用TNAP抑制劑可以在體外實(shí)驗(yàn)和彈性纖維假黃瘤的小鼠模型中預(yù)防血管鈣化的發(fā)生[27]。

圖2 細(xì)胞外焦磷酸鹽代謝途徑示意圖

焦磷酸鹽和血管鈣化

除傳統(tǒng)心血管危險(xiǎn)因素外，促進(jìn)CKD患者心血管鈣化相關(guān)因素包括甲狀旁腺激素(PTH)，PTH相關(guān)多肽，骨化三醇，糖基化終末產(chǎn)物，脂質(zhì)紊亂，同型半胱氨酸，瘦素-N3-脂肪酸及過(guò)量的鈣、磷。但臨床發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)部分透析患者即使存在與其他患者相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)因素，在隨訪過(guò)程中并不發(fā)生血管鈣化。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)體存在多種保護(hù)性機(jī)制，即鈣化抑制因子，以防止正常情況下鈣化的發(fā)生。目前甚至認(rèn)為，CKD患者鈣化的發(fā)生，并不是由于危險(xiǎn)因素存在所致，而是由于抑制因子缺乏導(dǎo)致。已發(fā)現(xiàn)的鈣化抑制因子包括胎球蛋白A、焦磷酸鹽、骨保護(hù)素及MGP[28]。而維生素K則通過(guò)影響MGP而起作用。

血管鈣化在慢性腎功能不全患者中較常見(jiàn)，尤其是終末期腎衰患者，在腎功能不全小鼠模型中也可觀察到此類現(xiàn)象。在血透患者中可檢測(cè)到血循環(huán)焦磷酸鹽水平的明顯下降。透析可以清除部分焦磷酸鹽，在透析后可觀察到焦磷酸鹽水平的明顯下降[29]。尿毒癥大鼠模型的研究結(jié)果顯示，血管平滑肌TNAP表達(dá)和活性顯著增加，體內(nèi)焦磷酸鹽水解增加，可能是血管鈣化發(fā)生的原因之一[30]。有研究顯示透析后血清TNAP活性會(huì)提高，部分原因可能是pH值的升高以及磷酸鹽水平的降低，兩者都直接提高了TNAP的活性[31]；其他一些尿毒癥毒素的清除也可以提高TNAP的活性。也有報(bào)道在尿毒癥動(dòng)物模型中檢測(cè)到ABCC6表達(dá)的下降[32]。

以上研究結(jié)果均表明，焦磷酸鹽可能是一種有效的血管鈣化抑制因子，但由于焦磷酸鹽可直接抑制鈣化，因此可能會(huì)出現(xiàn)骨礦化被抑制這一潛在副作用。在一些腎功能衰竭的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中觀察到，使用焦磷酸鹽可以防止血管鈣化的形成，且并沒(méi)有出現(xiàn)骨形成被抑制的情況[33-34]，這可能是由于骨組織中TNAP的水平較高,局部焦磷酸鹽被水解，因此使用焦磷酸鹽對(duì)骨骼礦化影響較小。由于焦磷酸鹽可在胃中被水解，因此需要靜脈給藥，其血漿半衰期不超過(guò)30 min。臨床中可以通過(guò)使用雙磷酸鹽來(lái)解決這一問(wèn)題，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，相較于焦磷酸鹽，使用較低劑量的雙磷酸鹽即產(chǎn)生抑制尿毒癥血管鈣化的作用[35]；目前臨床并未使用雙磷酸鹽來(lái)治療血管鈣化，原因主要在于要發(fā)揮作用需較大劑量，加之其主要清除途徑為腎臟，不易被骨骼中的TNAP水解，因此使用雙磷酸鹽時(shí)可能會(huì)伴隨骨形成抑制及無(wú)動(dòng)力骨病的發(fā)生。此外，在使用焦磷酸鹽治療血管鈣化還需注意的一個(gè)可能并發(fā)癥為焦磷酸鈣沉積病，主要原因?yàn)榻沽姿岣m能抑制羥基磷灰石晶體形成，但其血液濃度升高后與鈣直接結(jié)合形成焦磷酸鈣卻溶解度小，易沉積于關(guān)節(jié)及骨表面出現(xiàn)臨床癥狀。

小結(jié)：焦磷酸鹽是鈣化的主要內(nèi)源性抑制因子，其代謝過(guò)程在血管鈣化中起著關(guān)鍵性作用，尤其是在慢性腎病患者。焦磷酸鹽本身作為治療藥物用于臨床還受其藥代動(dòng)力學(xué)以及抑制骨形成等不良反應(yīng)的限制，而一些通過(guò)靶向手段干預(yù)焦磷酸鹽代謝過(guò)程(例如使用TNAP抑制劑或eNPP1酶)來(lái)提高體內(nèi)焦磷酸鹽水平從而抑制鈣化發(fā)生的方式，有望成為治療血管鈣化的有效手段。