高鹽/腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)與骨代謝

陳瑞晗 陳珺*

1. 廣東藥科大學(xué)生命科學(xué)與生物制藥學(xué)院，廣東 廣州 510006 2. 廣東藥科大學(xué)生物資源與創(chuàng)新藥物研究中心，廣東 廣州 510006

骨代謝包括骨形成和骨吸收兩個(gè)方面，遺傳、種族、年齡、體重、環(huán)境、生活習(xí)慣、飲食營養(yǎng)及內(nèi)分泌等多種因素都將影響骨代謝過程，若各因素的綜合影響使得骨吸收大于骨形成，就會(huì)導(dǎo)致骨量流失，骨密度(bone mineral density，BMD)降低，骨微結(jié)構(gòu)破壞，骨脆性增加，引發(fā)骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)。OP是最常見的老年病之一，隨著世界人口老齡化的趨勢日益明顯，OP帶來的公共衛(wèi)生問題和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題愈發(fā)突出，進(jìn)一步探明病因并尋找新的防治思路和藥物靶點(diǎn)是OP臨床與基礎(chǔ)研究的當(dāng)務(wù)之急。近年來，越來越多的研究證實(shí)高鹽攝入與骨量和骨密度直接相關(guān)[1-2]，而調(diào)節(jié)機(jī)體水鹽代謝的腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(renin-angiotensin-aldosteronesystem，RAAS)，在維持血壓穩(wěn)定和水鹽平衡的同時(shí)，也能影響骨代謝[3-6]。本文立足于RAAS系統(tǒng)，對高鹽攝入-水鹽代謝-骨代謝的關(guān)系展開綜述。

1 飲食攝入高鹽影響骨代謝

食鹽(NaCl)不僅是常用的烹飪調(diào)味料，也是人類生存最重要的物質(zhì)之一，具有維持機(jī)體滲透壓、參與調(diào)節(jié)體內(nèi)酸堿平衡和胃酸形成等重要生理功能。但過量攝入鹽分可能引起機(jī)體內(nèi)水鹽代謝失衡，并導(dǎo)致一系列疾病。NaCl攝入量與高血壓發(fā)病率、平均血壓水平密切相關(guān)[7]；高鹽飲食不僅可致小鼠心、肝、腎組織中超氧化物歧化酶活力降低，丙二醛含量升高，使心、肝、腎組織細(xì)胞發(fā)生損傷[8]，還可直接作用于免疫細(xì)胞、影響機(jī)體免疫內(nèi)穩(wěn)態(tài)的平衡[9]。高鹽攝入亦可能增加骨質(zhì)疏松風(fēng)險(xiǎn)，Titze等[10]以高鹽的飲食對鹽敏感性大鼠進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高鹽飲食增加鹽敏感性大鼠尿鈉、鈣的排泄，造成脛骨BMD減少、骨量減少，說明高鹽攝入與骨丟失有直接關(guān)系。Woo等的臨床研究也證實(shí)65歲及以上受試者的總髖BMD、腰椎BMD與年齡、尿鈉/肌酐(Na/Cr)呈負(fù)相關(guān)，絕經(jīng)后婦女平均BMD隨著尿Na/Cr的增加而下降，與體質(zhì)量指數(shù)、飲食鈣攝入呈正相關(guān)，說明高鹽攝入會(huì)減少總髖BMD、腰椎BMD并增加絕經(jīng)后婦女OP的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。Kim等[11]對3635名絕經(jīng)后婦女的調(diào)查分析亦認(rèn)為每日過度的鈉攝入量與較高的骨質(zhì)疏松患病率有關(guān)。此外，本課題組亦在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中觀察到高鹽飲食導(dǎo)致大鼠腰椎骨骨量下降，骨結(jié)構(gòu)變差的現(xiàn)象，主要是成骨功能相關(guān)基因表達(dá)抑制，骨形成能力降低所致[12-13]。

2 高鹽引起鈣失衡和代謝性酸中毒，導(dǎo)致骨代謝失衡

早在1937年Harrison就指出，骨骼中不僅含有大量的鈣，也存在數(shù)量不小的鈉，約占體內(nèi)總鈉量50%的鈉離子存在于骨骼中，鈣/鈉比例約為 30∶1[14-15]。研究者們普遍認(rèn)為，高鹽攝入在增加尿鈉排泄的同時(shí)也使尿鈣排泄升高，而鈣代謝失衡會(huì)影響正常的鈣磷代謝，導(dǎo)致骨重建和骨丟失增加的補(bǔ)償性反應(yīng)而使骨質(zhì)流失[16]。長期大量攝入的NaCl也會(huì)降低動(dòng)脈血漿中pH值和碳酸氫鹽的水平，而骨礦物質(zhì)的溶解度是高度pH敏感的，當(dāng)pH下降到7.0以下，會(huì)刺激破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收和抑制成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成，直接誘導(dǎo)骨礦物的溶解，最終導(dǎo)致骨鈣的凈損失；長期的鹽負(fù)荷還會(huì)減少磷酸鹽和碳酸氫鹽的重吸收，誘發(fā)代謝性酸中毒，刺激破骨細(xì)胞骨吸收，導(dǎo)致骨鈣丟失[17-18]。此外，鈉負(fù)荷導(dǎo)致水鹽代謝失衡、血壓增高，也是鈣代謝紊亂的誘因之一，由于甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)分泌增多，骨化三醇(1,25-(OH)2D3)也隨之增加，從而增加鈣的吸收速率，誘發(fā)過量的鈣丟失，增加骨重建[19]。臨床研究發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)后婦女的低鈣高鹽飲食會(huì)使尿鈣排出增多，血清鈣降低，PTH分泌亢進(jìn)，最終導(dǎo)致高血壓和OP[20]；使用降壓藥物噻嗪類利尿劑可以減少尿鈣排泄，改善BMD[21]；Dvorak等[22]的體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)亦證實(shí)噻唑類藥物能直接刺激成骨細(xì)胞成骨特異性轉(zhuǎn)錄因子(RUNX2)和骨橋蛋白的產(chǎn)生，增加礦化結(jié)節(jié)的形成。

3 高鹽與醛固酮-RAAS系統(tǒng)的相關(guān)性

RAAS系統(tǒng)主要由腎素、血管緊張素I(Ang II)、血管緊張素Ⅱ(Ang II)、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(angiotensin converting enzyme，ACE)、醛固酮(aldosterone，Ald)等構(gòu)成，是人體內(nèi)重要的水鹽代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對心血管系統(tǒng)的正常發(fā)育，心血管穩(wěn)態(tài)、電解質(zhì)和體液平衡的維持，以及血壓的調(diào)節(jié)均有重要作用。Ald是RAAS系統(tǒng)的終產(chǎn)物，屬于類固醇類激素，主要作用于腎臟，負(fù)責(zé)調(diào)控鈉離子及水分的再吸收，是維持細(xì)胞外液容量和電解質(zhì)平衡的重要激素。Natarajan等[23]、Cavka等[24]的臨床研究證實(shí)高鹽飲食血漿腎素活性和Ald水平降低，RAAS系統(tǒng)受到抑制，上皮鈉運(yùn)輸減少。Maia等[25]通過對雌性大鼠在妊娠前和妊娠期間高鹽飲食，發(fā)現(xiàn)母體腎臟ACE活性、Ang II均降低，而后代中雌性腎臟ACE活性較低，雄性腎臟Ang II較低。Nakagawa等[26]在鳥苷酸環(huán)化酶-A(GC-A)基因敲除小鼠中發(fā)現(xiàn)，高鹽飲食能夠增加Ald用藥組中GC-A 基因敲除小鼠的Sgk1的表達(dá)。因此，推測高鹽通過影響Ang II、ACE、Sgk1活性從而來調(diào)節(jié)RAAS。

4 醛固酮-RAAS系統(tǒng)與骨代謝的相關(guān)性

近年來的研究表明，Ald也具有促進(jìn)氧化應(yīng)激、致心肌纖維化、血管重塑等作用，與多種疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)(如Bartter氏綜合征、Addison病等)。研究者們也注意到Ald水平變化對骨代謝的影響，并指出上皮細(xì)胞的醛固酮信號(hào)通路與骨代謝相關(guān)基因通路存在顯著相關(guān)性[27]。NR3C2和PIK3R1醛固酮信號(hào)通路參與骨代謝，其中NR3C2編碼MR、Ald通過與骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞上的MR結(jié)合從而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，而PIK3R1編碼磷脂酰肌醇激酶3的亞基，通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分化來參與骨代謝。此外，PRKCH和SCNN1B可能是影響骨代謝的潛在候選基因，即醛固酮信號(hào)通路可能通過編碼骨代謝相關(guān)基因而誘發(fā)OP。Jaffe等[28]通過免疫印跡和腺病毒啟動(dòng)子報(bào)告基因分析證實(shí)Ald通過獨(dú)立于骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein 2，BMP2)成骨途徑的機(jī)制來激活內(nèi)源性鹽皮質(zhì)激素受體(mineralocorticoid receptor，MR)促進(jìn)鈣化血管細(xì)胞(calcifying vascular cell，CVC)的成骨細(xì)胞分化和礦化，并伴有成骨指標(biāo)基因(alkaline phosphatase，ALP)的增加。另外，Ald還能通過調(diào)節(jié)鈉氯共同傳運(yùn)子(sodium chloride cotransporter，NCC)蛋白、上皮鈉離子通道(epithelial sodium channel，ENaC)影響骨代謝[29]。Runyan等[30]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大鼠高醛固酮會(huì)伴隨著尿鈣、尿鎂排泄的增加，繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進(jìn)，骨吸收增加。臨床研究則發(fā)現(xiàn)充血性心力衰竭伴有繼發(fā)性醛固酮增多癥的老年患者出現(xiàn)了改變氧化還原狀態(tài)和組織消化(包括骨)的全身性疾病，其骨骼表現(xiàn)為BMD和骨強(qiáng)度大量下降，骨折發(fā)生增加，即使是短期的醛固酮增多癥也會(huì)使老年人面臨骨折的風(fēng)險(xiǎn)[31]。

研究發(fā)現(xiàn)，RAAS在參與血壓調(diào)節(jié)的同時(shí)也能調(diào)控破骨細(xì)胞的骨吸收作用，RAAS系統(tǒng)中的AngII不僅能顯著增加酒石酸抗性酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase，TRAP)陽性多核破骨細(xì)胞的數(shù)目，同時(shí)還能誘導(dǎo)成骨細(xì)胞中RANKL受體活化劑的表達(dá)，提高成骨細(xì)胞線粒體中活性氧和超氧化物水平，促進(jìn)破骨細(xì)胞活化，損傷成骨細(xì)胞中的線粒體DNA(mtDNA)，導(dǎo)致成骨細(xì)胞凋亡，而這些作用受AngII 1型受體(AT1)阻斷劑(奧美沙坦)和絲裂原-活化蛋白激酶抑制劑的抑制[5-6]。另有報(bào)道稱骨組織局部腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin system，RAS)能夠通過經(jīng)典(ACE-AngⅡ-AT1R軸)和非經(jīng)典(ACE-AngⅡ-AT2R軸)途徑共同維持血壓穩(wěn)定和水鹽平衡，RAS由AngII、ACE、AT1和AT2組成，成骨細(xì)胞上有AT1和ACE的表達(dá)，RAS還能促進(jìn)前成骨細(xì)胞表達(dá)NF-κB配體和基質(zhì)金屬蛋白酶，抑制成骨細(xì)胞分化，誘導(dǎo)前破骨細(xì)胞、間接刺激破骨細(xì)胞形成，導(dǎo)致骨吸收增加，OP發(fā)生[3-4]。Shimizu等[6]對去卵巢大鼠施用Ang II[200ng/(kg·min)]，能加速TRAP活性增加，并伴隨骨密度顯著降低和尿脫氧吡啶啉增加；而對自發(fā)性高血壓大鼠構(gòu)建的去卵巢模型大鼠，采用奧美沙坦(一種AngII受體拮抗劑)治療能明顯減弱卵巢切除術(shù)誘導(dǎo)的BMD降低、TRAP活性和尿脫氧吡啶啉增加。

另外，Bayorh等[32]研究發(fā)現(xiàn)，長期高鹽飲食的大鼠雖然血漿中Ald和Ang II水平降低，但心臟局部獨(dú)立的RAAS活性增加，心臟組織中的血漿AngII的表達(dá)增高，Ald濃度亦升高。而Michel等[33]的實(shí)驗(yàn)證明，長期高鹽飲食會(huì)抑制循環(huán)血中腎素的釋放和RAAS系統(tǒng)的激活，這可能是機(jī)體在早期高鹽攝入時(shí)出現(xiàn)的代償機(jī)制，以便于促進(jìn)鈉排出體外。

綜上所述，醛固酮-RAAS系統(tǒng)可以通過編碼骨代謝相關(guān)基因，調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞功能而影響骨代謝過程。

5 高鹽-Ald-ENaC參與調(diào)節(jié)骨代謝

上皮鈉離子通道(epithelial sodium channel，ENaC)是細(xì)胞膜上的一種糖基化大分子蛋白，屬于ENaC/DEG超基因家族，是非電壓依賴性鈉離子通道蛋白，它通過活性和開放概率的變化來調(diào)節(jié)Na+的轉(zhuǎn)運(yùn)速率，維持細(xì)胞內(nèi)外Na+的平衡[34]。20世紀(jì)90年代末已有研究證實(shí) UMR-106成骨細(xì)胞樣細(xì)胞系和原代培養(yǎng)的人成骨細(xì)胞中都表達(dá)ENaC，且α-ENaC整個(gè)編碼區(qū)的cDNA克隆序列與從大鼠結(jié)腸克隆得到的α-ENaC序列相同[35]。研究發(fā)現(xiàn)環(huán)磷酸鳥苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)、氮氧化合酶(NO synthetase，NOS)、電壓敏感性鈣通道(voltage-sensitive calcium channels，VSCCs)和環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase 2，COX2)等都參與了ENaC的調(diào)節(jié)[36-41]。本課題組的前期研究也從多角度探討了ENaC參與調(diào)節(jié)骨代謝的作用。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)ENaC/Na+的變化能調(diào)節(jié)大鼠、小鼠成骨細(xì)胞增殖分化并影響成骨功能指標(biāo)基因和蛋白的表達(dá)，并且發(fā)現(xiàn)Na+對成骨細(xì)胞的影響具有雙向作用[15，42-43]；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)飲食中攝入較低鈉鹽有利于幼鼠骨骼生長，給予高鹽飲食的幼鼠骨量減少、血清Ald水平明顯降低[44]。此外，在針對ENaC調(diào)節(jié)因素和相關(guān)信號(hào)通路的研究中發(fā)現(xiàn)，雌激素、糖皮質(zhì)激素、中藥提取物/中藥含藥血清等作用于成骨細(xì)胞后，均可能通過ENaC這一胞膜受體調(diào)節(jié)其他成骨功能相關(guān)基因[45-49]；而外源性給予cGMP可以通過直接作用于ENaC，或通過cGMP/pKGⅡ/ENaC通路實(shí)現(xiàn)促成骨作用[50]。

ENaC也是Ald調(diào)控Na+重吸收，實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和酸堿平衡并維持血壓作用的主要靶點(diǎn)。Ald與MR結(jié)合后能夠激活Sgk1信號(hào)通路，從而使Medd-2磷酸化，而后者可以激活ENaC[51]。Chen等[52]用Ald處理細(xì)胞培養(yǎng)物導(dǎo)致MR遷移到細(xì)胞核室，并且能刺激人類骨髓內(nèi)皮細(xì)胞中的ENaC從頭合成；可溶性MR和膜結(jié)合的ENaC與細(xì)胞微管蛋白原位共定位，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞體積增加，并且能在高血壓的情況下調(diào)節(jié)血管生成。

Beavan等[53]對新生兒肋骨和成人髂骨活檢標(biāo)本的研究發(fā)現(xiàn)，骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞以及軟骨細(xì)胞組織上也存在MR。劉德鳳等[29]發(fā)現(xiàn)大鼠高鹽飲食時(shí)Ald減少，腎遠(yuǎn)端小管NCC及ENaC的表達(dá)減少，反之，低鹽飲食時(shí)Ald增多，NCC及ENaC的表達(dá)增多。而高Ald/鹽的大鼠在應(yīng)用螺內(nèi)酯等Ald受體拮抗劑干預(yù)后，BMD增加，并減少甲狀旁系功能亢進(jìn)和骨丟失[54]。因此，推測Ald可能通過骨功能細(xì)胞上的MR調(diào)節(jié)ENaC而影響骨代謝。

6 小結(jié)

綜上所述，高鹽攝入影響骨代謝已經(jīng)有多方面的研究和證據(jù)支持，長期高鹽攝入不利于骨健康的現(xiàn)象也越來越受到重視，但高鹽導(dǎo)致骨代謝失衡的機(jī)制目前仍未完全清楚，本文主要以ENaC-RAAS系統(tǒng)為切入點(diǎn)來綜述高鹽影響骨代謝的可能機(jī)制，進(jìn)一步探究鈉鹽及其調(diào)控因素與骨代謝之間的內(nèi)在聯(lián)系與機(jī)制，闡明水鹽代謝和骨代謝的關(guān)系，對于預(yù)防和治療骨代謝疾病具有重要意義。