成纖維細胞因子23-Klotho軸在血管鈣化中的作用機制研究進展

王藝凱，郭利偉

(新鄉(xiāng)醫(yī)學院法醫(yī)學院,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(包括動脈粥樣硬化、高血壓、糖尿病血管病變、終末期腎病等)以及機體衰老過程中常見的病理變化,與心血管不良事件風險增加和病死率升高獨立相關[1-3]。闡明VC的發(fā)病機制以及在血管發(fā)生鈣化的早期進行抑制或逆轉是目前防治VC相關疾病亟待解決的重要基礎和臨床前沿熱點問題。

VC的發(fā)病機制復雜,鈣磷代謝失調是導致VC的主要原因。成纖維細胞生長因子23(fibroblast growth factor 23,FGF23)與其共受體Klotho是體內重要的調磷因子。KURO[4]研究發(fā)現(xiàn),阻斷FGF23-Klotho軸會導致高磷血癥和VC。CIANCIOLO等[2]研究也證實了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。已有研究證據表明,FGF23-Klotho軸在VC的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮重要作用[4-5]?；诖?本文就FGF23-Klotho軸在VC中的作用和分子機制進行綜述。

1 FGF23和Klotho的生物學特性

1.1 FGF23

FGF23是一種主要在骨細胞中合成的相對分子質量為 32 000 的蛋白質,該蛋白質由251個氨基酸組成[2]。在分泌過程中,全段成纖維細胞生長因子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激活成纖維生長因子受體(fibroblast growth factor receptors,FGFRs)1、3和4,通過Klotho依賴途徑或非Klotho依賴途徑引發(fā)組織特異性反應。非活性的C末端可以競爭性地與Klotho結合,從而抑制FGF23的生物活性[6]。

目前,FGF23作為調節(jié)體內磷代謝的關鍵因子受到越來越多的關注,腎臟和甲狀旁腺是FGF23的主要作用靶點[7]。在腎臟中,FGF23可以通過FGFR1c-α-Klotho/絲裂原活化蛋白激酶信號傳導通路抑制磷酸鈉共轉運體NaPi-2a和NaPi-2c對腎內磷酸鹽的再吸收,降低血清磷酸鹽水平[8]。此外,高濃度的FGF23會抑制1-α羥化酶的表達并增加24-羥化酶的活性,通過抑制細胞外信號調節(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)主要使破骨細胞活性和數(shù)目增加,促進骨吸收,釋放更多的鈣磷進入循環(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完整的反饋調節(jié)系統(tǒng),共同參與骨礦物質代謝。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復合物結合,通過激活絲裂原活化蛋白激酶旁路發(fā)揮對PTH合成的調控作用。另有研究表明,FGF23可減少PTH的合成和抑制PTH的分泌,FGF23還可上調甲狀旁腺細胞中1-α羥化酶的表達,增加局部1,25 二羥維生素D3的合成,從而發(fā)揮對PTH的抑制作用[13]。

1.2 Klotho

Klotho是由1 014個氨基酸構成的單次跨膜蛋白質(相對分子質量為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個外顯子組成,其結構同源蛋白由1個大的細胞外結構域、1個跨膜結構域和1個由11個殘基組成的細胞內C端結構域組成。細胞外結構域由2個重復序列組成,稱為KL1和KL2,可被解整合素金屬蛋白酶10和17切割。細胞外結構域的分裂導致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到[15]。

每種Klotho蛋白都可與FGFRs結合形成組成型二元復合物,從而增加其與各自成纖維細胞生長因子的親和力[15]。因此,Klotho的組織特異性表達決定了其作用的靶器官。α-Klotho主要表達于腎臟和甲狀旁腺,有膜結合型和可溶性胞外域型2種類型。膜結合型α-Klotho主要在腎臟的遠端卷曲小管中表達?？扇苄驭?Klotho具有不依賴于膜結合型α-Klotho的活性,在遠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的共受體來輔助FGF23的信號傳導[16]。β-Klotho主要在肝臟中表達,也可以在腎臟、腸道和脾臟中表達,主要調節(jié)FGF-21和FGF-19的活性。γ-Klotho在皮膚和腎臟中表達,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,Klotho在心臟竇房結和肝臟中的表達減少,患有CKD、腎衰竭、糖尿病和血管性疾病的患者Klotho表達水平也降低,提示Klotho對許多衰老相關的疾病有著重要意義[17-18]。

2 FGF23-Klotho軸與VC

2.1 FGF23-Klotho軸通過調節(jié)鈣磷代謝影響VC的發(fā)生和發(fā)展

VC的發(fā)展是一個復雜而活躍的過程,包括骨/軟骨分化、細胞外囊泡釋放、細胞外基質重塑和鈣磷代謝失調等,其通過許多信號通路互相作用,影響VC的發(fā)生和發(fā)展[19-20]。磷酸鹽被認為是VC的主要直接誘導劑,FGF23是一種重要的磷調節(jié)因子,通過調控體內的鈣磷代謝參與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基因可導致高磷血癥、高1,25 二羥維生素D3水平和嚴重的VC[2]。在使用抗FGF23抗體治療的大鼠中也觀察到類似的結果,這種治療與VC和死亡風險增加有關[22]。而在過表達FGF23的轉基因小鼠中未檢測到VC[23]。此外,細胞外高磷酸鹽環(huán)境會激活Wnt/β-catenin信號通路,促進血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)轉分化形成成骨細胞和軟骨細胞表型,隨后導致礦物基質沉積[24]。研究表明,Wnt/β-catenin信號通路主要是通過調節(jié)FGF23和Klotho的表達來參與VC的形成[24]。CHEN等[25]通過制備高磷誘導的鈣化模型證實了高磷環(huán)境下FGF23-Klotho軸可以通過抑制Wnt/β-catenin通路減弱高磷誘導的VC。CARRILLO-LOPEZ等[26]研究發(fā)現(xiàn),FGF23與可溶性Klotho在成骨細胞中可促進分泌型糖蛋白Dickkopf-1的表達,使Wnt/β-catenin信號通路失活,抑制VSMCs的成骨分化。上述研究表明,FGF23-Klotho軸調控體內的鈣磷代謝,抑制VC的發(fā)生和發(fā)展。

但ZHENG等[27]研究發(fā)現(xiàn),FGF23的表達增高對高磷酸鹽誘導的VC似乎有促進作用。KUCZERA等[28]研究發(fā)現(xiàn),在CKD早期,FGF23表達升高可以維持血磷平衡,但同時對腎臟和血管產生了毒性作用。隨著CKD病情的發(fā)展,疾病晚期FGF23表達過高可導致腎臟無法應對過高的磷酸鹽負荷,出現(xiàn)Klotho基因表達降低、繼發(fā)性甲狀旁腺亢進等一系列表現(xiàn)。由于FGF23本身對其受體具有較低的親和力,在生理濃度下,FGF23很難直接與FGFRs結合而發(fā)揮作用[29]。CKD患者腎臟中Klotho表達減少,可能導致FGF23對磷調節(jié)的抵抗,進而導致FGF23代償性地增多[30]。因此,結合上述研究可以提出一個猜想:終末期CKD患者中FGF23表達水平升高,但由于其對器官的毒性作用以及Klotho表達降低和FGF23抵抗的存在,導致不能降低終末期CKD患者血液中磷酸鹽水平。這個作用可能跟CKD分期有關,還需更多的臨床研究數(shù)據來支持這個假設。

2.2 FGF23通過核因子-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)/骨保護素(osteoprotegerin,OPG)信號通路影響VC的發(fā)生和發(fā)展

RANKL/RANK/OPG信號通路是破骨細胞活化的最終環(huán)節(jié)。RANKL是破骨細胞生成所需的配體,OPG可阻止RANKL與其受體RANK的相互作用,進而調控破骨細胞的形成,也與VC的發(fā)生相關[31-32]。有研究發(fā)現(xiàn),FGF23可通過RANKL/ RANK/OPG信號通路參與對VC的調節(jié)[33]。NAKAHARA等[34]研究發(fā)現(xiàn),FGF23可抑制VSMCs向成骨分化,并在轉錄水平上通過細胞外信號調節(jié)蛋白激酶ERK1/2級聯(lián)正向調控OPG的表達,下調成骨細胞相關標志物包括肌節(jié)同源盒基因同系物2(muscle segment homeobox 2,Msx2)、Runt相關轉錄因子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。另有研究表明,OPG的升高會促進VC的發(fā)生和發(fā)展,這可能與分泌OPG的組織相關,成骨細胞分泌的OPG可調節(jié)破骨細胞的分化促進骨礦化,血管分泌的OPG卻是防止血管礦化,這可能也是FGF23對破骨細胞雙相作用的原因[35]。但目前關于FGF23調控RANKL/RANK/OPG信號通路來影響VC的證據尚不充分,仍需要更進一步的研究,這或許可以作為FGF23獨立于Klotho影響VC的補充解釋。

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

Klotho除了以FGF23/Klotho/FGFRs復合體的形式調節(jié)鈣磷平衡外,還能不依賴于FGF23發(fā)揮對VC的調控作用[17]。LI等[17]研究認為,Klotho缺乏癥會異常性地增加自噬和VC,而Klotho的加入則會增強自噬從而改善VC。有研究發(fā)現(xiàn),可溶性Klotho能抑制VSMCs膜中Na-Pi共轉運體活性,抑制磷進入細胞,進而抑制VSMCs成骨細胞分化[36]。ZHAO等[37]研究證明,上調Klotho表達可通過抑制VSMCs中的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號來預防CKD中VC的進程。也有報道稱,Klotho可拮抗Wnt/β-catenin通路,降低BMP-2表達,抑制Runx2的轉錄激活和VSMCs的成骨分化[38]。CHEN等[39]的研究結果也支持上述觀點,該研究證實了在Klotho過表達的情況下,可溶性Klotho能通過與Dkk1相互作用抑制Wnt/β-catenin通路的激活,進而阻止VSMCs鈣化;因此,可溶性Klotho的穩(wěn)定遞送在體外和體內可能降低慢性高磷血癥和VC。已有的研究結果證明,Klotho對VC具有一致的、直接的保護作用,提示Klotho可作為新的藥物靶點,在VC的預防和治療中有著巨大的臨床應用前景。

3 結論

FGF23-Klotho軸通過多種途徑參與VC的發(fā)生和發(fā)展,FGF23在腎臟和甲狀旁腺上的經典Klotho依賴性途徑被認為是維持磷穩(wěn)態(tài)和預防VC發(fā)病的基本途徑。但目前的研究結果存在不一致的情況。例如,基礎研究表明,FGF23可以通過與Klotho/FGFRs復合體結合,促進磷酸鹽代謝,降低體內磷酸鹽水平,同時通過抑制Wnt/β-catenin信號通路抑制VC的發(fā)生。而臨床研究的結果卻顯示,終末期CKD患者FGF23的升高反而會加速和加重VC的發(fā)生。這表明,FGF23可以作為晚期CKD的生物標志物,但是否可以根據其生物特性研制出針對VC的藥物還需進一步研究。

與FGF23相比,臨床研究和基礎實驗數(shù)據均支持Klotho對VC具有一致的、直接的保護作用。但目前尚無具有臨床實用性的藥物出現(xiàn),需要進一步的研究來闡明跨膜Klotho表達在心臟和動脈壁中的確切位置,以及分泌Klotho對血管系統(tǒng)的旁分泌和內分泌影響。