慢性腎臟病血管鈣化機制及防治

黃雙宜

汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院腎內(nèi)科,廣東省汕頭市 515041

血管鈣化是動脈粥樣硬化、高血壓、糖尿病血管病變、血管損傷、CKD和衰老等病癥中普遍存在的病理表現(xiàn)，是心腦血管疾病高發(fā)病率和高死亡率的重要因素之一。在CKD患者中，冠狀動脈鈣化及全身其他血管鈣化較普通人群更常見、更突出。CKD患者中血管鈣化的發(fā)生、發(fā)展更多的與其特有的危險因素參與相關(guān)，包括透析齡、高磷血癥、高鈣血癥、含鈣制劑的不適當(dāng)使用、維生素D制劑不適當(dāng)使用、繼發(fā)甲狀旁腺功能亢進(jìn)、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激及尿毒癥毒素等，其中鈣磷代謝紊亂是關(guān)鍵因素。

1 CKD患者血管鈣化特點

在CKD患者群體中，既往認(rèn)為血管鈣化主要發(fā)生在終末期腎病(End stage renal disease, ESRD)和透析患者中，但新近研究的動物模型顯示，CKD早期可發(fā)生血管鈣化，而且血管鈣化出現(xiàn)時間可能早于CKD第2期[1]。

血管鈣化可發(fā)生在血管壁的兩個區(qū)域，即血管內(nèi)膜和中膜。研究發(fā)現(xiàn)CKD患者動脈中膜和內(nèi)膜鈣化加速，這種鈣化在透析患者中發(fā)展迅速[2]。內(nèi)膜鈣化與血脂異常有關(guān)，并與炎癥和內(nèi)膜層增厚一起引起動脈粥樣硬化。這一過程在血管內(nèi)壁上形成斑塊，斑塊不穩(wěn)定，容易破裂。內(nèi)膜鈣化容易導(dǎo)致血栓形成和閉塞性疾病。中膜由平滑肌細(xì)胞組成，由疏松的結(jié)締組織(主要是彈性蛋白)構(gòu)成，中膜鈣化常繼發(fā)于糖尿病或CKD，這也可以稱為Monckeberg動脈硬化，特別是在沒有任何管腔狹窄的中膜鈣化的情況下。中膜鈣化導(dǎo)致血管僵硬、收縮性高血壓和左室肥厚。雖然CKD患者可以發(fā)展成兩種類型的血管鈣化，但中膜鈣化是CKD患者的特征性血管變化，且是在慢性腎病兒童患者中觀察到的血管鈣化的唯一形式[3]。

2 CKD患者血管鈣化機制

CKD患者鈣化的發(fā)展與長期高磷酸鹽血癥及短暫性高鈣血癥這種礦物代謝紊亂密切相關(guān)。重要的是，細(xì)胞外高水平的鈣磷礦化物質(zhì)已被證明是介導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞(Vascular smooth muscle cells，VSMCs)轉(zhuǎn)分化成骨/軟骨細(xì)胞表型的關(guān)鍵因素，促進(jìn)VSMCs出現(xiàn)凋亡并產(chǎn)生基質(zhì)小泡，表達(dá)骨相關(guān)蛋白，導(dǎo)致促進(jìn)和抑制鈣化因子失衡，從而啟動以羥磷灰石聚集(晶核形成)和增長為特征的礦化過程，最終導(dǎo)致血管鈣化。

2.1 鈣和高磷酸鹽誘導(dǎo)鈣化細(xì)胞機制 臨床和流行病學(xué)研究一致表明循環(huán)中高水平的鈣離子和磷酸鹽對VSMCs有明顯的影響，他們的協(xié)同作用，特別是通過形成羥基磷灰石納米晶體，這會加速鈣化[4]。關(guān)鍵過程包括VSMCs骨軟骨細(xì)胞分化、凋亡、囊泡釋放和鈣化抑制劑水平的紊亂。VSMCs在高鈣、高磷酸鹽情況下發(fā)生類軟骨細(xì)胞分化。這些分化的類軟骨細(xì)胞下調(diào)平滑肌特異基因的產(chǎn)生，如平滑肌(SM)，α-肌動蛋白和SM22。同時，并上調(diào)骨軟骨生成的標(biāo)志物，包括Runx2(cbfa1)、成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(osterix)、骨橋蛋白(Osteopontin，OPN)、骨鈣素和堿性磷酸酶(ALP)。這些成骨細(xì)胞/軟骨細(xì)胞樣細(xì)胞失去其收縮特性，但能夠產(chǎn)生膠原基質(zhì)，形成鈣、磷豐富的基質(zhì)囊泡，能夠啟動血管壁的礦化。VSMCs的表型改變似乎是病理鈣化途徑中的一個重要步驟[5]。磷誘導(dǎo)的血管鈣化被認(rèn)為是一種適應(yīng)性的VSMCs從收縮型向成骨/軟骨型轉(zhuǎn)變。Runx2是一種轉(zhuǎn)錄因子，在成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞分化中起重要作用，它誘導(dǎo)主要骨基質(zhì)成分(包括Ⅰ型膠原、骨鈣素和OPN)的表達(dá)。VSMCs中Runx2的敲除可抑制成骨轉(zhuǎn)化和基質(zhì)礦化。ALP是正常骨形成所必需的，被認(rèn)為通過滅活礦化抑制劑焦磷酸鹽和磷酸化骨橋蛋白(P-OPN)來調(diào)節(jié)血管基質(zhì)礦化，同時釋放游離磷[6]。

血清磷酸鹽升高促進(jìn)血管基質(zhì)鈣化的另一機制是通過刺激血管平滑肌細(xì)胞凋亡。生長停滯特異基因6(Growth arrest-specific gene 6)的表達(dá)下調(diào)可能是一個重要的潛在機制。在磷誘導(dǎo)的人主動脈VSMCs鈣化過程中，生長抑制特異基因6及其受體Axl的表達(dá)均降低[7]。生長抑制特異基因6抗凋亡作用通過Bcl2介導(dǎo)的磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B途徑實現(xiàn)；磷酸化使Bcl2失活并激活促凋亡蛋白Bcl2相關(guān)的死亡啟動子，導(dǎo)致caspase-3活化和凋亡。

高鈣血癥增加血管鈣化的風(fēng)險，體外證據(jù)也強烈支持鈣促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞鈣化[8]。兩項關(guān)鍵研究證明了當(dāng)把鈣單獨加入人血管平滑肌細(xì)胞培養(yǎng)基時，促進(jìn)礦化。而且，當(dāng)鈣和磷加入培養(yǎng)基后，它們在協(xié)同誘導(dǎo)礦化[8]。利用離體血管環(huán)的進(jìn)一步研究表明，對于給定的鈣磷產(chǎn)物，鈣升高比磷升高更能誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞鈣化[6]。鈣在誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和羥基磷灰石基質(zhì)囊泡的形成和釋放中起著關(guān)鍵作用，而羥基磷灰石基質(zhì)囊泡又形成礦物成核位點，促進(jìn)進(jìn)一步鈣化[9]。正如高鈣水平促進(jìn)骨基質(zhì)囊泡鈣化一樣，細(xì)胞溶質(zhì)高鈣水平可以改變血管平滑肌細(xì)胞衍生基質(zhì)囊泡的內(nèi)在特性并誘導(dǎo)其鈣化。高鈣水平導(dǎo)致膜聯(lián)蛋白6-磷脂酰絲氨酸形成核復(fù)合物，增強基質(zhì)金屬蛋白酶-2活性，從而導(dǎo)致彈性蛋白降解和鈣化。更重要的是，VSMCs暴露在高鈣水平下最終會耗盡內(nèi)源性基質(zhì)囊泡中的鈣化抑制因子γ-羧基谷氨酸基質(zhì)蛋白MGP；當(dāng)胎球蛋白A(Fetuin-A，F(xiàn)A)水平也降低時，如透析患者一樣，囊泡中含有預(yù)成型的結(jié)晶羥基磷灰石，或具有礦化能力，從而促進(jìn)進(jìn)一步鈣化[10]。

2.2 成纖維細(xì)胞生長因子23(Fibroblast growth factor 23，F(xiàn)GF23)/α-Klotho 最近在慢性腎臟病礦物質(zhì)和骨異常(Chronic kidney disease-mineral and bone disorder，CKD-MBD)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)的兩個與磷酸鹽穩(wěn)態(tài)相關(guān)的新參與者，即成纖維細(xì)胞生長因子(FGF23)和α-Klotho[11]。FGF23主要由骨中骨細(xì)胞產(chǎn)生的磷脂激素，F(xiàn)GF23的合成和分泌調(diào)節(jié)尚未闡明。但FGF23的水平可受到磷、鈣、VitD衍生物、甲狀旁腺素(PTH)和其他因素的影響。FGF23與成纖維細(xì)胞生長因子受體(Fibroblast growth factor receptors，F(xiàn)GFRs)1c、3c和4結(jié)合，在直接調(diào)節(jié)血清磷酸鹽(Pi)水平中起主要作用。在腎臟近端小管中，它通過下調(diào)鈉依賴性Pi協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白，Pi Ⅱa和ⅡC，從而增加腎臟Pi排泄[12]。另外，F(xiàn)GF23抑制1羥化酶并增加24羥化酶活性，從而降低1,25-二羥基VitD(骨化三醇)生成，也有利于血清Pi維持正常水平。此外，F(xiàn)GF23對甲狀旁腺中的甲狀旁腺激素合成負(fù)性調(diào)節(jié)[13]。綜合來看，F(xiàn)GF23的功能在于維持正常的血清Pi水平。

FGF23與FGFRs結(jié)合需要Ⅰ型跨膜蛋白α-Klotho作為一種必需的共受體。由于FGFRs的廣泛表達(dá)，細(xì)胞上的α-Klotho被認(rèn)為賦予了FGF23作用的組織特異性。由于α-Klotho 主要在腎臟、甲狀旁腺和脈絡(luò)叢中表達(dá)，既往認(rèn)為FGF23的功能僅限于這些器官，越來越多的證據(jù)表明FGF23可能具有其他受體和靶組織，包括心臟[14]。在CKD中FGF23水平升高與腎功能不全和礦物代謝異常有關(guān)。然而，F(xiàn)GF23對血管鈣化的潛在影響是有爭議的。

α-Klotho基因和蛋白質(zhì)最早于1997年被發(fā)現(xiàn)，隨后被證明可以調(diào)節(jié)小鼠的壽命[15]。α-Klotho缺乏小鼠表現(xiàn)出高循環(huán)Pi和高骨化三醇的水平和動脈中層鈣化的發(fā)展，幾乎與在FGF23基因敲除小鼠中觀察到的結(jié)果一致[16]。這些結(jié)果證實了FGF23和α-Klotho都協(xié)調(diào)了礦物穩(wěn)態(tài)。事實上，α-klotho水平在CKD的人和動物模型中出現(xiàn)下降，被認(rèn)為加速CKD-MBD的進(jìn)展[17]。已鑒定出兩種形式的α-klotho：膜結(jié)合α-klotho和可溶性α-klotho?？扇艿摩?klotho是由膜結(jié)合的α-klotho的胞外區(qū)脫落到循環(huán)中而產(chǎn)生的，它像激素分泌一樣可以在遠(yuǎn)程的部點起作用。迄今為止的所有實驗都表明α-klotho對血管鈣化有保護(hù)作用。Hu等人報道了CKD小鼠病理模型α-klotho缺乏引起血管鈣化，可溶性α-klotho可抑制Pi的鈉依賴性攝取和Pi誘導(dǎo)的大鼠血管平滑肌鈣化[18]。這些結(jié)果提示α-klotho的可溶性和膜結(jié)合形式是CKD中治療血管鈣化的潛在靶點。

2.3 維生素D在血管鈣化中的作用 VitD受體激活劑(Vitamin D receptor activators，VDRAs)是治療CKD繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進(jìn)的常用藥物，但其對血管系統(tǒng)的影響仍有相關(guān)爭議。VSMCs表達(dá)VitD受體，并具有功能性的1-α-羥化酶和25-羥化酶系統(tǒng)，因此VitD代謝物可以自分泌/旁分泌的方式被VSMCs利用。VDRAs促進(jìn)鈣化通過上調(diào)Runx2(cbfa1)、成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(osterix)、和骨鈣素[19]，并增加鈣轉(zhuǎn)運入血管平滑肌細(xì)胞中。然而，其他研究表明，維生素D通過增加鈣化抑制蛋白如基質(zhì)γ-羧基谷氨酸基蛋白(Matrix Gla protein，MGP)和骨橋蛋白，減少促炎癥細(xì)胞因子，如IL-6、IL-1β和TGF-β[20]，對防止鈣化具有保護(hù)作用。重要的是，F(xiàn)GF23可以下調(diào)腎臟1-羥化酶受體表達(dá)，從而減少VitD的產(chǎn)生[21]，表明復(fù)合物FGF23-klotho與VitD在血管系統(tǒng)鈣化中有復(fù)雜相互作用。臨床和體外研究表明，VitD水平與血管測量可能存在雙峰關(guān)聯(lián)，因此低水平和高水平的VitD都與異常血管效應(yīng)相關(guān)，還需要進(jìn)一步研究以確定血管健康的最佳VDRAs及其最佳劑量[22]。故臨床需嚴(yán)格控制VitD用量和鈣攝入量，監(jiān)測尿鈣水平以防鈣的異位沉著。

2.4 GRP(Gla-rich protein)、鈣蛋白顆粒(Calciprotein particles，CPPs)與細(xì)胞外囊泡(Extracellular Vesicles，EVs)的關(guān)系及在CKD中血管鈣化作用 FA是目前發(fā)現(xiàn)的最強有力的血管鈣化抑制物，它能直接與羥磷灰石晶體結(jié)合，防止羥磷灰石結(jié)晶增長，也可與鈣磷結(jié)合防止鈣磷沉積，有效的抑制異位鈣化的作用。FA是肝細(xì)胞合成的急性負(fù)時相反應(yīng)蛋白，CKD患者體內(nèi)的炎癥狀態(tài)導(dǎo)致FA下降，加重血管鈣化。MGP是由軟骨細(xì)胞和VSMCs產(chǎn)生的血管鈣化抑制因子。MGP抑制血管鈣化的機制與FA相似。

在循環(huán)中發(fā)現(xiàn)一種FA-礦物復(fù)合物，也被稱為CPPs，主要由鈣和磷礦物、FA和鈣調(diào)節(jié)蛋白組成，可能是防止異位礦化的重要機制。這種可溶性CPPs所含有的FA和其他蛋白可被視為具有穩(wěn)定、運輸和循環(huán)血液中水不溶性礦物作用的礦物伴侶[23]。

EVs是一種由多種細(xì)胞分泌的，內(nèi)含核酸、蛋白質(zhì)等的脂質(zhì)雙分子層。大多數(shù)細(xì)胞釋放的EVs最終可以到達(dá)血液循環(huán)系統(tǒng)，除了在生理或病理鈣化的開始中所起的重要的作用外(主要通過外泌體、微囊泡、凋亡小體、遷移小體等機制)，EVs被認(rèn)為是細(xì)胞間通訊的主導(dǎo)者，因為它能夠?qū)⑵鋬?nèi)部介質(zhì)轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞，從而影響和改變其正常功能。

從健康人群和CKD患者中分離出生物CPPs和EVs，并用超微結(jié)構(gòu)、分析、分子和免疫技術(shù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，GRP是循環(huán)中CPPs和Evs的組成部分[24]。CKD 5期患者血清CPPs和EVs的特征是FA和GRP水平較低[24]。CKD 5期中CPPs的礦物質(zhì)成熟度增加，類似于次級CPP顆粒。血管平滑肌細(xì)胞鈣化試驗表明，CKD 5期中的CPPs、EVs被血管平滑肌細(xì)胞吸收，通過促進(jìn)細(xì)胞骨軟骨分化和炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)血管鈣化[24]。將CKD5期的CPPs與γ-羧基化的GRP孵育后，血管鈣化效應(yīng)得以緩解。Holt等人發(fā)現(xiàn)在體外，γ-羧基化GRP、FA和MGP的存在大大降低了堿性磷酸鈣晶體的形成和成熟，并在體內(nèi)鑒定出類似的抗礦化體系[25]。循環(huán)中CPPs和EVs是CKD中血管鈣化的決定因素，通過分化和炎癥應(yīng)激狀態(tài)調(diào)節(jié)VSMCs反應(yīng)，導(dǎo)致礦物質(zhì)沉積增加。在此過程中，GRP和FA水平的降低促進(jìn)了CPPs和EVs的血管鈣化作用。從生物標(biāo)記物的角度來看，Viegas等人的研究結(jié)果預(yù)見EVs和CPPs在CKD診斷中的巨大應(yīng)用潛力，特別是通過測定其GRP和FA含量，以提高γ-羧基化GRP生物利用度為目標(biāo)可能是治療血管鈣化相關(guān)疾病的有效的途徑[24]。

3 CKD患者血管鈣化的防治

CKD患者血管鈣化呈快速進(jìn)展趨勢，即呈現(xiàn)出一個循序漸進(jìn)過程，很難逆轉(zhuǎn)。綜上所述，對CKD中血管鈣化機制分析，血管鈣化目前尚無有效的治療方法,重點在于CKD早期防治。諸多危險因素參與血管鈣化的發(fā)生和發(fā)展，除了從控制血壓、糖尿病、血脂紊亂、營養(yǎng)不良、肥胖、吸煙等傳統(tǒng)因素，應(yīng)著重從防治高磷血癥，避免高鈣血癥，防治繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進(jìn)或低下，合理應(yīng)用維生素D及類似物，防治礦物質(zhì)代謝失調(diào)[26]。未來隨著對CKD中血管鈣化機制的深入研究,對潛在作用機制的探討，可能出現(xiàn)新的CKD中血管鈣化的治療方法。