骨硬化蛋白與DKK1蛋白在慢性腎臟病-礦物質骨代謝紊亂中的研究進展

張曉宇，王 平，劉愛峰，楊 光，李 潔，李遠棟，周 鑫，張 超，吳 思

骨硬化蛋白（sclerostin）：由骨細胞高度特異性分泌的骨代謝調節(jié)相關糖蛋白，通過與 LPR5/6結合而發(fā)揮抑制骨細胞中 Wnt/β-catenin 信號通路的作用。

DKK-1：屬于富含半胱氨酸蛋白家族，通過與 LRP5/6和卷曲蛋白相互作用發(fā)揮經(jīng)典Wnt通路拮抗劑的作用，在骨相關疾病的新骨形成過程中發(fā)揮著關鍵作用。

近年來慢性腎臟?。╟hronic kidney disease， CKD）的發(fā)病率及死亡率呈逐年升高的趨勢，已成為嚴重影響人類健康的重要疾病之一。2012年我國一項慢性腎臟病流行病學調查顯示，中國成年人群CKD的患病率為10.8%，但成年CKD的知曉率僅為12.5%[1]。慢性腎臟病-礦物質骨代謝紊亂（chronic kidney disease-mineral and bone disorder，CKD-MBD）作為CKD患者的常見并發(fā)癥與CKD患者的預后及生存質量密切相關。2009年改善全球腎臟病預后組織（Kidney Disease: Improving Global Outcomes, KDIGO）指南將CKD-MBD定義為：CKD-MBD是全身性疾病，具有下列一個或一個以上表現(xiàn)：（1）鈣、磷、甲狀旁腺素（parathyroid hormone， PTH）或維生素D代謝異常；（2）骨轉化、骨礦化、骨容量、骨骼線性生長或骨強度的異常；（3）血管或其他軟組織鈣化[2]。大量的研究證據(jù)表明高磷血癥、鈣磷乘積增高和甲狀旁腺功能亢進可以導致血管鈣化和發(fā)生心血管事件的危險性增加，與透析患者多種并發(fā)癥及病死率增加相關。因此對CKD-MBD發(fā)病機制的研究已成為近年來的研究熱點之一。目前研究認為CKD-MBD的發(fā)病機制主要是由于體內鈣磷代謝異常以及PTH、維生素D和磷調節(jié)激素成纖維細胞生長因子23（fibroblast growth factor， FGF23）在體內穩(wěn)態(tài)失衡所引起[3]。但這些經(jīng)典的骨代謝標志物如：血鈣、血磷、iPTH以及維生素D一般在CKD的后期才出現(xiàn)明顯改變[4]。近期研究發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號通路的激活對CKD-MBD的發(fā)生及進展有重要影響，而骨硬化蛋白（sclerostin）與DKK-1蛋白作為Wnt/β-catenin信號通路的抑制劑可能涉及到CKD-MBD的發(fā)病機制[5-6]。故本文將從骨硬化蛋白與DKK1入手對其在CKD-MBD中的作用及意義做一綜述，以期為CKDMBD的發(fā)病機制及治療提供新的思路與方法。

1 骨硬化蛋白與DKK-1概述

1.1 骨硬化蛋白 骨硬化蛋白（sclerostin）是Wnt/β-catenin信號通路中重要的抑制劑之一。骨硬化蛋白是由位于人類基因組17q12-21染色體的SOST基因編碼的分泌型糖蛋白，其相對分子質量為24 000，包含6個保守的半胱氨酸殘基，1個保守的甘氨酸殘基，1個用于分泌的信號肽和2個可能的N-糖基化位點[7]。骨硬化蛋白主要由骨細胞表達，對骨組織有高度選擇性，研究發(fā)現(xiàn)在心臟、主動脈、肝臟以及腎臟雖然并未檢測到骨硬化蛋白，但都有SOSTm-RNA的表達[8]。

1.2 DKK-1 DKK-1同樣作為Wnt/β-catenin信號通路中重要的抑制劑之一。最早發(fā)現(xiàn)于非洲爪蟾蜍胚胎，DKK1基因散在分布于Wnt通路組件的上游[9]。人類DKK1基因位于10號染色體10q11上，由266個氨基酸組成，其相對分子質量在29 000左右[10]。DKK家族共包括DKK1、DKK2、DKK3、DKK4，共4個成員，不同的DKKS對Wnt/β-catenin信號通路的調節(jié)作用不同。DKK1在Wnt/β-catenin信號通路中主要發(fā)揮抑制作用，而DKK2在Wnt/β-catenin信號通路中可有激動和抑制的雙重調節(jié)作用，DKK3可減少β-catenin在細胞質和包核中的聚集，主要參與調控非經(jīng)典的JNK信號通路，而在Wnt/β-catenin信號通路中的作用尚有待進一步研究，DKK4與DKK1相同也可對Wnt/β-catenin信號通路產(chǎn)生抑制作用。

1.3 Wnt信號通路 Wnts蛋白是由原癌基因Wnt編碼的一類富含半胱氨酸的分泌型糖蛋白，能夠調控細胞的增殖、分化、凋亡與極性。Wnt蛋白可以通過旁分泌和自分泌方式發(fā)揮作用，在細胞水平上Wnts可激活下游諸多級聯(lián)反應，激活多種細胞內信號途徑，包括經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號途徑和非經(jīng)典Wnt信號途徑。其中Wnt/β-catenin信號途徑研究最為廣泛，目前已知至少存在8個Wnt蛋白可激活β-catenin信號[11]。Wnt/β-catenin信號途徑的活性主要取決于細胞質中活性β-catenin的含量[12]。Wnt蛋白可與膜受體Frizzled（Fzd）以及共同受體低密度脂蛋白受體相關蛋白LRP5和LRP6結合，抑制細胞內β-catenin的磷酸化，使β-catenin以持續(xù)活化的狀態(tài)進入核內，與核內轉錄因子（T-cell factor, TFC）和 lymphoid enhancer-binding factor（LEF）結合，激活靶基因的轉錄作用。

骨硬化蛋白與DKK-1作為Wnt/β-catenin信號通路的抑制蛋白，主要通過與LRP5/6結合從而阻礙具有活性的Wnt受體復合物的形成，發(fā)揮抑制Wnt/β-catenin信號通路的作用。研究發(fā)現(xiàn)，SOST除與LRP5/6結合外，還可與LRP4結合增強對Wnt/β-catenin通路的抑制作用[13-14]。DKK1的受體除LRP5/6外，還可通過與含kringle結構域的Kremen蛋白受體間接與LRP5/6結合，形成三聚體，抑制Wnt蛋白信號內傳導，阻斷Wnt/β-catenin信號通路。眾多研究表明，Wnt/β-catenin信號通路的激活與CKDMBD的發(fā)病密切相關，尤其與經(jīng)典骨代謝標記物異常、血管及其他軟組織鈣化及骨代謝異常等方面關系密切。因此，本文將從以上三方面對骨硬化蛋白及DKK-1在CKD-MBD中的表達與作用進行綜述。

2 骨硬化蛋白與DKK-1在CKD-MBD患者中的表達及作用

2.1 骨硬化蛋白及DKK-1與CKD-MBD患者經(jīng)典骨代謝標記物的相關性 鈣磷代謝紊亂、繼發(fā)性甲旁亢以及維生素D代謝異常是CKD-MBD的重要表現(xiàn)之一。CKD患者隨著病情的進展由于腎臟排泄功能障礙及腎臟結構損傷導致腎臟排磷及1-α羥化酶生成減少，出現(xiàn)低鈣高磷血癥，從而刺激甲狀旁腺分泌PTH增多。高水平的iPTH往往與CKD患者心血管疾病發(fā)病率、死亡率及骨折密切相關。iPTH、維生素D及血清鈣磷水平作為經(jīng)典的骨代謝標志物一般在CKD的后期才出現(xiàn)明顯改變，這對于CKDMBD的診斷及干預有一定的滯后性。近期大量實驗研究表明，骨硬化蛋白與CKD-MBD患者經(jīng)典骨代謝標記物存在明顯相關。Pelletierin等[15]通過對90例CKD患者的血清硬化蛋白分析發(fā)現(xiàn)，骨硬化蛋白與CKD患者的腎小球濾過率及iPTH呈負相關，與CKD患者的年齡、血磷水平呈正相關，并且結果提示，患者的血清骨硬化蛋白水平在CKD3期時開始出現(xiàn)升高，CKD5期時患者的血清骨硬化蛋白水平是正常者的4倍。與骨硬化蛋白不同，有研究發(fā)現(xiàn)DKK-1與任何組織學骨參數(shù)及臨床參數(shù)之間不存在相關性[16]。Yamada[17]等人通過對74名腹膜透析患者的橫斷面研究發(fā)現(xiàn)，患者血清骨硬化蛋白水平與PTH濃度相關，而DKK-1水平僅與血小板水平相關，與其他骨代謝標記物并無關聯(lián)。Geert等[18]通過分析308例CKD患者的血清骨硬化蛋白及DKK-1水平發(fā)現(xiàn)，血清骨硬化蛋白水平會隨著CKD的嚴重程度而增加，并與血清PTH濃度及血清1,25-(OH)2VitD3水平呈明顯負相關性，且在CKD晚期可出現(xiàn)血清高骨硬化蛋白水平與高PTH水平共存，而血清DKK-1水平與CKD患者腎功能及礦物質代謝參數(shù)未見關聯(lián)，同時該研究發(fā)現(xiàn)血清DKK-1水平與骨硬化蛋白水平無關，提示兩者存在不同的起源位點或是不同的調節(jié)機制，其具體機制尚有待于進一步探究。以上研究提示CKD-MBD患者血清骨硬化蛋白水平隨著腎功能的降低出現(xiàn)升高并與PTH、血清鈣磷及維生素D水平等經(jīng)典骨代謝標記物存在相關性，表明血清SOST可作為CKD-MBD的生物標記物，對CKD-MBD的早期診斷及干預有重要意義，血清骨硬化蛋白水平的升高與血清PTH水平的相關性及其具體調節(jié)機制還需進一步研究。關于CKD-MBD患者血清DKK-1水平與經(jīng)典骨代謝標記物的相關性目前看法不盡相同，尚需更多的實驗研究加以證實。

2.2 骨硬化蛋白及DKK-1與CKD-MBD患者血管及其他軟組織鈣化的相關性 CKD患者軟組織鈣化主要涉及心臟瓣膜及血管的鈣化，是CKD-MBD患者的重要臨床表現(xiàn)，也是CKD患者死亡的重要原因之一。有研究顯示CKDMBD患者是否存在主動脈瓣鈣化及主動脈瓣鈣化嚴重程度與CKD患者的死亡率密切相關[19]。血管鈣化的形成一般認為是由于機體內鈣磷代謝紊亂導致細胞和組織間鈣磷結晶沉積而形成[20]。研究表明，Wnt通路參與了血管及瓣膜鈣化，并在鈣化及鈣化防御中呈過表達[21]，骨硬化蛋白及DKK-1作為Wnt信號通路的抑制劑，通過抑制Wnt信號通路，從而影響了CKD-MBD患者軟組織鈣化的病理過程。目前關于骨硬化蛋白及DKK-1與血管鈣化相關性的結論尚未統(tǒng)一，Brandenburg等通過對67名慢性腎臟病血液透析患者的研究發(fā)現(xiàn)，血清骨硬化蛋白水平與主動脈瓣鈣化呈強關聯(lián)，血管鈣化嚴重的患者其血清骨硬化蛋白水平更高[22]。Morena等對241名非透析的CKD患者進行橫斷面研究分析后發(fā)現(xiàn)，冠狀動脈硬化的風險會隨者血清骨硬化蛋白水平的增加而升高，并且未觀察到血清DKK-1水平與冠狀動脈硬化之間的相關性[23]。與此相反，Lee等[24]研究發(fā)現(xiàn)CKD血液透析患者骨硬化蛋白與DKK-1水平與腹主動脈鈣化水平呈負相關，且血清SOST水平是腹主動脈鈣化的獨立決定因素，提示SOST可能是對抗血管鈣化的保護性因素。Claes等通過對154例CKD患者進行橫斷面分析后發(fā)現(xiàn)，主動脈硬化患者的血清骨硬化蛋白水平更高，然而在多變量回歸分析中，此關聯(lián)相反，低血清骨硬化蛋白水平是主動脈鈣化的獨立危險因素[25]。這可能與納入的人群不同有關，且血清骨硬化蛋白的升高可抑制Wnt信號通路減輕血管鈣化，同時血清骨硬化蛋白還可通過骨-血管軸參與血管鈣化的調控[26]。因此，關于血清骨硬化蛋白是否是軟組織鈣化的保護因素尚需進一步實驗研究來證明。而在DKK-1與軟組織鈣化的相關性方面研究較少，Thambiah等通過對78例CKD患者研究發(fā)現(xiàn)，血清DKK-1水平與動脈硬化指數(shù)呈負相關[27]，而Morena等則未觀察到血清DKK-1水平與冠狀動脈硬化之間的相關性[23]。這表明關于DKK-1與CKD-MBD患者軟組織鈣化之間的相關性仍需要進行更多的探究。

2.3 骨硬化蛋白及DKK-1與CKD-MBD患者骨代謝異常之間的相關性 CKD在引起體內礦物質代謝紊亂后，可導致骨轉化、骨礦化、骨容量、骨骼線性生長或骨強度的異常，從而出現(xiàn)骨生長障礙、骨畸形、骨痛以及骨折等臨床表現(xiàn)。大量研究顯示W(wǎng)nt信號通路在CKD-MBD骨代謝異常發(fā)病過程以及維持骨形成和骨吸收的動態(tài)平衡方面有重要意義。Rodda[28]等剔除早期成骨細胞祖細胞中的β-catenin基因后發(fā)現(xiàn)成骨細胞可向軟骨細胞分化，而β-catenin基因在成骨細胞前體中的穩(wěn)定作用使骨基質分泌成骨細胞的分化提前，提示W(wǎng)nt/β-catenin信號通路可促進骨形成，抑制骨細胞凋亡。另一方面在敲除破骨細胞中的β-catenin基因后可使破骨細胞的數(shù)目增加并加重骨吸收的程度[29]，說明Wnt/β-catenin信號通路可抑制骨細胞的分化和骨吸收。因此骨硬化蛋白與DKK-1可通過抑制Wnt/β-catenin信號通路調節(jié)CKD-MBD患者的骨穩(wěn)態(tài)。CKD患者血清中骨硬化蛋白的表達水平會隨著腎小球濾過率的降低而增加，血清中骨硬化蛋白的高表達可抑制Wnt/β-catenin信號通路，從而促進骨吸收，降低骨形成，調節(jié)骨量。Thambiah等在實驗中發(fā)現(xiàn)CKD患者血清中骨硬化蛋白的水平與骨形成呈負相關，與骨密度呈正相關[28]。同樣Ryan等[30]在敲除小鼠骨硬化蛋白編碼基因(SOST)后發(fā)現(xiàn)缺失SOST基因的小鼠成骨細胞增加破骨細胞減少，礦物質密度及含量增加，尿鈣的排泄減少。這表明骨硬化蛋白可影響骨形成和礦化。SM Moe在對CKD大鼠應用抗骨硬化蛋白抗體治療時發(fā)現(xiàn)在低PTH水平的大鼠中，抗骨硬化蛋白抗體的治療增加了CKD大鼠骨小梁體積和骨礦化面積，但在高PTH的大鼠中則未見到明顯改變[31]。這為CKD-MBD骨代謝紊亂的治療提供了新的思路，同時我們需要進一步的實驗來證實骨硬化蛋白抗體在低轉運性骨病治療中的作用。目前關于DKK-1在CKD患者血清中表達的研究結論不盡相同，但DKK-1作為Wnt/β-catenin信號通路的抑制劑同樣參與CKD-MBD患者骨代謝異常發(fā)病過程。Thambiah等在實驗中發(fā)現(xiàn)CKD患者血清中DKK1水平升高，并與股骨頸密度呈負相關[27]。Fang等[32]通過對CKD2期糖尿病小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，與非CKD糖尿病小鼠相比，CKD2期小鼠循環(huán)中DKK-1水平增加，在腎損傷后通過利用單克隆抗體在CKD2期小鼠中中和Dkk-1可刺激骨形成速率，使小鼠骨形成和骨量增加，糾正骨營養(yǎng)不良，同時降低了循環(huán)中SOST的水平。以上研究表明，骨硬化蛋白及DKK-1與CKD-MBD患者骨代謝異常之間是明顯相關的，骨硬化蛋白及DKK-1通過抑制Wnt/β-catenin信號通路調節(jié)CKDMBD骨吸收與骨形成的動態(tài)平衡，使骨形成抑制而骨吸收在增加，骨量降低。而骨硬化蛋白及DKK-1蛋白抗體的治療在動物實驗中呈現(xiàn)有效性，表明其可作為CKD-MBD骨代謝紊亂治療的新方向，但仍需更多的臨床試驗來驗證，見圖1。

圖1 模示圖

3 結語與展望

骨硬化蛋白及DKK-1在CKD-MBD的發(fā)病機制及臨床診療中均有重要作用，更多的臨床試驗及動物實驗發(fā)現(xiàn)骨硬化蛋白在CKD-MBD鈣磷代謝紊亂、軟組織鈣化及骨代謝異常方面均存在明顯相關性，而DKK-1在CKD-MBD中的影響則更多地體現(xiàn)在骨代謝異常方面。因此，骨硬化蛋白可作為一種新型生物標記物參與CKD-MBD的早期診斷，而DKK-1在CKD-MBD中的作用研究尚不充足，還需要大量的研究來進一步證實。除此之外，我們仍需更多的臨床研究來證實骨硬化蛋白及DKK-1蛋白抗體在治療CKD-MBD骨代謝紊亂中的有效性，更好的選擇新型生物標記物作為藥物干預治療的靶點，調節(jié)骨重建過程中吸收和生成之間的平衡、成骨與破骨細胞之間的穩(wěn)態(tài)、進而調節(jié)骨量，從而為更好的防治CKD-MBD提供治療新思路。