王藝凱，郭利偉

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院法醫(yī)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

血管鈣化(vascular calcification,VC)是血管中磷酸鹽和鈣晶體的病理性堆積,是多種慢性疾病(包括動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、糖尿病血管病變、終末期腎病等)以及機(jī)體衰老過(guò)程中常見的病理變化,與心血管不良事件風(fēng)險(xiǎn)增加和病死率升高獨(dú)立相關(guān)[1-3]。闡明VC的發(fā)病機(jī)制以及在血管發(fā)生鈣化的早期進(jìn)行抑制或逆轉(zhuǎn)是目前防治VC相關(guān)疾病亟待解決的重要基礎(chǔ)和臨床前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題。

VC的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,鈣磷代謝失調(diào)是導(dǎo)致VC的主要原因。成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子23(fibroblast growth factor 23,FGF23)與其共受體Klotho是體內(nèi)重要的調(diào)磷因子。KURO[4]研究發(fā)現(xiàn),阻斷FGF23-Klotho軸會(huì)導(dǎo)致高磷血癥和VC。CIANCIOLO等[2]研究也證實(shí)了FGF23-Klotho軸與慢性腎臟疾病(chronic kidney disease,CKD)患者VC的發(fā)生密切相關(guān)。已有研究證據(jù)表明,FGF23-Klotho軸在VC的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮重要作用[4-5]。基于此,本文就FGF23-Klotho軸在VC中的作用和分子機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 FGF23和Klotho的生物學(xué)特性

1.1 FGF23

FGF23是一種主要在骨細(xì)胞中合成的相對(duì)分子質(zhì)量為 32 000 的蛋白質(zhì),該蛋白質(zhì)由251個(gè)氨基酸組成[2]。在分泌過(guò)程中,全段成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子23(intact fibroblast growth factor 23,iFGF23)可被降解為N末端FGF23和C末端FGF23,但只有iFGF23才具有生物活性。iFGF23激活成纖維生長(zhǎng)因子受體(fibroblast growth factor receptors,FGFRs)1、3和4,通過(guò)Klotho依賴途徑或非Klotho依賴途徑引發(fā)組織特異性反應(yīng)。非活性的C末端可以競(jìng)爭(zhēng)性地與Klotho結(jié)合,從而抑制FGF23的生物活性[6]。

目前,FGF23作為調(diào)節(jié)體內(nèi)磷代謝的關(guān)鍵因子受到越來(lái)越多的關(guān)注,腎臟和甲狀旁腺是FGF23的主要作用靶點(diǎn)[7]。在腎臟中,FGF23可以通過(guò)FGFR1c-α-Klotho/絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)傳導(dǎo)通路抑制磷酸鈉共轉(zhuǎn)運(yùn)體NaPi-2a和NaPi-2c對(duì)腎內(nèi)磷酸鹽的再吸收,降低血清磷酸鹽水平[8]。此外,高濃度的FGF23會(huì)抑制1-α羥化酶的表達(dá)并增加24-羥化酶的活性,通過(guò)抑制細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2的作用使1,25 二羥維生素D3減少,間接抑制腸道對(duì)磷酸鹽的吸收,降低血清磷酸鹽水平[9-10]。甲狀旁腺激素(parathyroid hormone,PTH)主要使破骨細(xì)胞活性和數(shù)目增加,促進(jìn)骨吸收,釋放更多的鈣磷進(jìn)入循環(huán),有升高血清鈣磷水平的作用[11]。在甲狀旁腺中,FGF23-Klotho軸與維生素D和PTH之間的代謝形成了一個(gè)完整的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng),共同參與骨礦物質(zhì)代謝。MACE等[12]研究發(fā)現(xiàn),在骨組織中,PTH可刺激FGF23的生物合成;FGF23與甲狀旁腺上的FGFRs-Klotho復(fù)合物結(jié)合,通過(guò)激活絲裂原活化蛋白激酶旁路發(fā)揮對(duì)PTH合成的調(diào)控作用。另有研究表明,FGF23可減少PTH的合成和抑制PTH的分泌,FGF23還可上調(diào)甲狀旁腺細(xì)胞中1-α羥化酶的表達(dá),增加局部1,25 二羥維生素D3的合成,從而發(fā)揮對(duì)PTH的抑制作用[13]。

1.2 Klotho

Klotho是由1 014個(gè)氨基酸構(gòu)成的單次跨膜蛋白質(zhì)(相對(duì)分子質(zhì)量為130 000),其基因定位于人類常染色體13q12。Klotho家族成員包括α-Klotho、β-Klotho和γ-Klotho,后二者是基于其與α-Klotho的同源性而發(fā)現(xiàn)的[14]。α-Klotho由5個(gè)外顯子組成,其結(jié)構(gòu)同源蛋白由1個(gè)大的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域、1個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域和1個(gè)由11個(gè)殘基組成的細(xì)胞內(nèi)C端結(jié)構(gòu)域組成。細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域由2個(gè)重復(fù)序列組成,稱為KL1和KL2,可被解整合素金屬蛋白酶10和17切割。細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域的分裂導(dǎo)致Klotho的可溶性形式被釋放,可溶性Klotho是體液循環(huán)中的主要功能形式,可在血液、尿液和腦脊液中檢測(cè)到[15]。

每種Klotho蛋白都可與FGFRs結(jié)合形成組成型二元復(fù)合物,從而增加其與各自成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子的親和力[15]。因此,Klotho的組織特異性表達(dá)決定了其作用的靶器官。α-Klotho主要表達(dá)于腎臟和甲狀旁腺,有膜結(jié)合型和可溶性胞外域型2種類型。膜結(jié)合型α-Klotho主要在腎臟的遠(yuǎn)端卷曲小管中表達(dá)。可溶性α-Klotho具有不依賴于膜結(jié)合型α-Klotho的活性,在遠(yuǎn)端卷曲小管被蛋白酶剪切脫落后,分泌到近端卷曲小管或者血液中作為FGF23的共受體來(lái)輔助FGF23的信號(hào)傳導(dǎo)[16]。β-Klotho主要在肝臟中表達(dá),也可以在腎臟、腸道和脾臟中表達(dá),主要調(diào)節(jié)FGF-21和FGF-19的活性。γ-Klotho在皮膚和腎臟中表達(dá),但尚未確定其功能[15]。值得注意的是,已有研究顯示,隨著年齡的增長(zhǎng),Klotho在心臟竇房結(jié)和肝臟中的表達(dá)減少,患有CKD、腎衰竭、糖尿病和血管性疾病的患者Klotho表達(dá)水平也降低,提示Klotho對(duì)許多衰老相關(guān)的疾病有著重要意義[17-18]。

2 FGF23-Klotho軸與VC

2.1 FGF23-Klotho軸通過(guò)調(diào)節(jié)鈣磷代謝影響VC的發(fā)生和發(fā)展

VC的發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜而活躍的過(guò)程,包括骨/軟骨分化、細(xì)胞外囊泡釋放、細(xì)胞外基質(zhì)重塑和鈣磷代謝失調(diào)等,其通過(guò)許多信號(hào)通路互相作用,影響VC的發(fā)生和發(fā)展[19-20]。磷酸鹽被認(rèn)為是VC的主要直接誘導(dǎo)劑,FGF23是一種重要的磷調(diào)節(jié)因子,通過(guò)調(diào)控體內(nèi)的鈣磷代謝參與VC的發(fā)生和發(fā)展[21]。

研究發(fā)現(xiàn),在大鼠中沉默F(xiàn)GF23基因可導(dǎo)致高磷血癥、高1,25 二羥維生素D3水平和嚴(yán)重的VC[2]。在使用抗FGF23抗體治療的大鼠中也觀察到類似的結(jié)果,這種治療與VC和死亡風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)[22]。而在過(guò)表達(dá)FGF23的轉(zhuǎn)基因小鼠中未檢測(cè)到VC[23]。此外,細(xì)胞外高磷酸鹽環(huán)境會(huì)激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路,促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)轉(zhuǎn)分化形成成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞表型,隨后導(dǎo)致礦物基質(zhì)沉積[24]。研究表明,Wnt/β-catenin信號(hào)通路主要是通過(guò)調(diào)節(jié)FGF23和Klotho的表達(dá)來(lái)參與VC的形成[24]。CHEN等[25]通過(guò)制備高磷誘導(dǎo)的鈣化模型證實(shí)了高磷環(huán)境下FGF23-Klotho軸可以通過(guò)抑制Wnt/β-catenin通路減弱高磷誘導(dǎo)的VC。CARRILLO-LOPEZ等[26]研究發(fā)現(xiàn),FGF23與可溶性Klotho在成骨細(xì)胞中可促進(jìn)分泌型糖蛋白Dickkopf-1的表達(dá),使Wnt/β-catenin信號(hào)通路失活,抑制VSMCs的成骨分化。上述研究表明,FGF23-Klotho軸調(diào)控體內(nèi)的鈣磷代謝,抑制VC的發(fā)生和發(fā)展。

但ZHENG等[27]研究發(fā)現(xiàn),FGF23的表達(dá)增高對(duì)高磷酸鹽誘導(dǎo)的VC似乎有促進(jìn)作用。KUCZERA等[28]研究發(fā)現(xiàn),在CKD早期,FGF23表達(dá)升高可以維持血磷平衡,但同時(shí)對(duì)腎臟和血管產(chǎn)生了毒性作用。隨著CKD病情的發(fā)展,疾病晚期FGF23表達(dá)過(guò)高可導(dǎo)致腎臟無(wú)法應(yīng)對(duì)過(guò)高的磷酸鹽負(fù)荷,出現(xiàn)Klotho基因表達(dá)降低、繼發(fā)性甲狀旁腺亢進(jìn)等一系列表現(xiàn)。由于FGF23本身對(duì)其受體具有較低的親和力,在生理濃度下,FGF23很難直接與FGFRs結(jié)合而發(fā)揮作用[29]。CKD患者腎臟中Klotho表達(dá)減少,可能導(dǎo)致FGF23對(duì)磷調(diào)節(jié)的抵抗,進(jìn)而導(dǎo)致FGF23代償性地增多[30]。因此,結(jié)合上述研究可以提出一個(gè)猜想:終末期CKD患者中FGF23表達(dá)水平升高,但由于其對(duì)器官的毒性作用以及Klotho表達(dá)降低和FGF23抵抗的存在,導(dǎo)致不能降低終末期CKD患者血液中磷酸鹽水平。這個(gè)作用可能跟CKD分期有關(guān),還需更多的臨床研究數(shù)據(jù)來(lái)支持這個(gè)假設(shè)。

2.2 FGF23通過(guò)核因子-κβ受體激活因子配體(receptor activator of NF-kappa B ligand,RANKL)/核因子-κB受體激活因子(receptor activator of nuclear factor-κB,RANK)/骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)信號(hào)通路影響VC的發(fā)生和發(fā)展

RANKL/RANK/OPG信號(hào)通路是破骨細(xì)胞活化的最終環(huán)節(jié)。RANKL是破骨細(xì)胞生成所需的配體,OPG可阻止RANKL與其受體RANK的相互作用,進(jìn)而調(diào)控破骨細(xì)胞的形成,也與VC的發(fā)生相關(guān)[31-32]。有研究發(fā)現(xiàn),FGF23可通過(guò)RANKL/ RANK/OPG信號(hào)通路參與對(duì)VC的調(diào)節(jié)[33]。NAKAHARA等[34]研究發(fā)現(xiàn),FGF23可抑制VSMCs向成骨分化,并在轉(zhuǎn)錄水平上通過(guò)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶ERK1/2級(jí)聯(lián)正向調(diào)控OPG的表達(dá),下調(diào)成骨細(xì)胞相關(guān)標(biāo)志物包括肌節(jié)同源盒基因同系物2(muscle segment homeobox 2,Msx2)、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2,Runx2)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)和堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)的表達(dá)。另有研究表明,OPG的升高會(huì)促進(jìn)VC的發(fā)生和發(fā)展,這可能與分泌OPG的組織相關(guān),成骨細(xì)胞分泌的OPG可調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化促進(jìn)骨礦化,血管分泌的OPG卻是防止血管礦化,這可能也是FGF23對(duì)破骨細(xì)胞雙相作用的原因[35]。但目前關(guān)于FGF23調(diào)控RANKL/RANK/OPG信號(hào)通路來(lái)影響VC的證據(jù)尚不充分,仍需要更進(jìn)一步的研究,這或許可以作為FGF23獨(dú)立于Klotho影響VC的補(bǔ)充解釋。

2.3 Klotho通過(guò)非依賴FGF23途徑影響VC的發(fā)生和發(fā)展

Klotho除了以FGF23/Klotho/FGFRs復(fù)合體的形式調(diào)節(jié)鈣磷平衡外,還能不依賴于FGF23發(fā)揮對(duì)VC的調(diào)控作用[17]。LI等[17]研究認(rèn)為,Klotho缺乏癥會(huì)異常性地增加自噬和VC,而Klotho的加入則會(huì)增強(qiáng)自噬從而改善VC。有研究發(fā)現(xiàn),可溶性Klotho能抑制VSMCs膜中Na-Pi共轉(zhuǎn)運(yùn)體活性,抑制磷進(jìn)入細(xì)胞,進(jìn)而抑制VSMCs成骨細(xì)胞分化[36]。ZHAO等[37]研究證明,上調(diào)Klotho表達(dá)可通過(guò)抑制VSMCs中的哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白信號(hào)來(lái)預(yù)防CKD中VC的進(jìn)程。也有報(bào)道稱,Klotho可拮抗Wnt/β-catenin通路,降低BMP-2表達(dá),抑制Runx2的轉(zhuǎn)錄激活和VSMCs的成骨分化[38]。CHEN等[39]的研究結(jié)果也支持上述觀點(diǎn),該研究證實(shí)了在Klotho過(guò)表達(dá)的情況下,可溶性Klotho能通過(guò)與Dkk1相互作用抑制Wnt/β-catenin通路的激活,進(jìn)而阻止VSMCs鈣化;因此,可溶性Klotho的穩(wěn)定遞送在體外和體內(nèi)可能降低慢性高磷血癥和VC。已有的研究結(jié)果證明,Klotho對(duì)VC具有一致的、直接的保護(hù)作用,提示Klotho可作為新的藥物靶點(diǎn),在VC的預(yù)防和治療中有著巨大的臨床應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

FGF23-Klotho軸通過(guò)多種途徑參與VC的發(fā)生和發(fā)展,FGF23在腎臟和甲狀旁腺上的經(jīng)典Klotho依賴性途徑被認(rèn)為是維持磷穩(wěn)態(tài)和預(yù)防VC發(fā)病的基本途徑。但目前的研究結(jié)果存在不一致的情況。例如,基礎(chǔ)研究表明,FGF23可以通過(guò)與Klotho/FGFRs復(fù)合體結(jié)合,促進(jìn)磷酸鹽代謝,降低體內(nèi)磷酸鹽水平,同時(shí)通過(guò)抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路抑制VC的發(fā)生。而臨床研究的結(jié)果卻顯示,終末期CKD患者FGF23的升高反而會(huì)加速和加重VC的發(fā)生。這表明,FGF23可以作為晚期CKD的生物標(biāo)志物,但是否可以根據(jù)其生物特性研制出針對(duì)VC的藥物還需進(jìn)一步研究。

與FGF23相比,臨床研究和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均支持Klotho對(duì)VC具有一致的、直接的保護(hù)作用。但目前尚無(wú)具有臨床實(shí)用性的藥物出現(xiàn),需要進(jìn)一步的研究來(lái)闡明跨膜Klotho表達(dá)在心臟和動(dòng)脈壁中的確切位置,以及分泌Klotho對(duì)血管系統(tǒng)的旁分泌和內(nèi)分泌影響。