FGF23/Klotho在骨质疏松与血管钙化共病机制中的研究进展

张元霞，周 萍，马 兰，王丽平，王秋军，林 琳

(哈尔滨医科大学附属第二医院老年病科，哈尔滨 150000)

骨质疏松和血管钙化均为伴随衰老而发病率增高的退行性疾病，受多种因素影响。随着社会人口老龄化，两者已成为严重威胁我国人口健康的高发疾病。骨质疏松症是一种全身代谢性骨病，以骨量减少和骨超微结构破坏为特征，可导致骨脆性增加，甚至骨折。血管钙化是指血管壁上出现钙盐沉积，其发生与心脑血管疾病的进展密切相关。既往认为，骨质疏松和血管钙化没有联系，且两者共存时，除了年龄是共同因素外，均有各自独立的发病机制。然而近年来，涌现出许多关于骨质疏松和动脉硬化共同发病机制的研究报道，并提出骨-血管轴的概念[1]。血管钙化的形成过程是一个与骨发育相似的主动的、可预防和可逆转的高度可调控的生物学过程，血管钙化和骨质矿化拥有许多解剖和病理生理上的共同特征，血管钙化不仅仅是一个钙和磷酸盐沉积及吸收的被动过程，而且是使钙及磷酸盐高度有序组织的骨矿沉积的过程。近年来的热点研究机制主要包括RANK/RANKL/OPG系统、氧化的脂质、胎球蛋白A、循环的钙化细胞以及成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor，FGF)23/Klotho轴等。本文主要阐述FGF23/Klotho在骨质疏松与血管钙化共病机制中的研究进展。

1 FGF23/Klotho轴与血管钙化

1.1 FGF23和Klotho的生物学特性

FGF23是FGF的家族成员，其基因定位于染色体12p13，由骨细胞和成骨细胞分泌后，在Klotho蛋白富集处发挥生物学效应。FGF23被认为是预测血管钙化起因发展及钙化程度的标志，近来出现的一些证据表明FGF23水平与动脉僵硬度、 血管内皮功能紊乱及严重的全身动脉硬化显著相关[2,3]。

Klotho基因是由 Matsumura 等发现的位于13q12染色体上的一种新型基因，由5个外显子和4个内含子组成，主要在肾小管、脑脉络膜、垂体及甲状旁腺等处表达[4]。Klotho蛋白包括膜镶嵌型和分泌型两类[5]。膜镶嵌型Klotho可作为FGF23的共受体调节肾脏磷酸盐的分泌及活性维生素D[1，25-dihydroxy vitamin D3，1，25(OH)2D3]的合成。分泌型Klotho蛋白是一种类似于内分泌因子的多功能蛋白，可参与心血管疾病，且已被证实能改善血管内皮功能障碍及延迟血管钙化[6]。

FGF23与成纤维细胞生长因子受体(fibroblast growth factor receptor，FGFR)亲和力较低，而膜镶嵌型Klotho蛋白可与多种FGFR结合成复合物，参与 FGF23的调控。Klotho基因缺乏可使FGF-23与其受体的亲和力下降，导致 FGF-23无法调节磷的代谢[7]。人体内Klotho蛋白的表达部位是目前已知的FGF23的靶器官，所以有学者提出Klotho-FGFR的共表达决定了FGF23作用的组织特异性[8]。

1.2 FGF23/Klotho与血管钙化的作用机制

高血压、糖尿病、高脂血症等都是与心血管事件相关的血管钙化的危险因素，但矿物质在脉管系统的积累对于血管钙化也是同等重要的。研究表明低浓度的血清Klotho与血管功能障碍及血管钙化有关[9]。FGF23/Klotho可以通过以下机制参与血管钙化：(1)FGF23/Klotho可以剂量依赖性地磷酸化细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)1/2，并促进磷诱导的钙沉积，使血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)表型发生转变，从而导致血管钙化；(2)FGF23通过钠磷协同转运蛋白-2a(sodium-phosphate cotransporter proteins-2a，NaPi-2a)、NaPi-2b和NaPi-2c介导VSMC向成骨软骨细胞表型转化；(3)FGF23通过1，25(OH)2D3及甲状旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)水平调节血清钙磷浓度，从而诱导血管钙化。

Klotho和FGF是FGF23发挥作用所必需的信号分子，FGF在主动脉及VSMC均有表达，而Klotho在主动脉表达。VSMC是血管钙化细胞类型中最重要的一种，其在钙化的环境中会发生表型转变，比如向破-成骨细胞、骨细胞转变，且高磷酸盐会加速这种转化[10]。有研究表明[11]，ERK1/2 信号转导途径对于离体实验中FGF23促进大鼠VSMC的钙化是必须的。FGF23本身并不影响钙化，但它能促进高磷诱导的大鼠主动脉钙沉积。正常VSMC由于Klotho的缺乏，FGF23不能磷酸化ERK1/2，也不能促进钙沉积，但在Klotho过表达的VSMC，FGF23可以磷酸化ERK1/2，并促进磷诱导的钙沉积。所以在不存在Klotho缺陷的情况下，FGF23可通过促进VSMC向成骨细胞表型转化进而促进高磷诱导的血管钙化。

体内磷代谢主要是通过肠、骨、甲状旁腺和肾之间的相互协调。大部分磷酸盐在肾脏的排泄主要通过近端小管上皮细胞上NaPi-2a和NaPi-2c介导的重吸收。FGF23可直接或间接调控NaPi活性，进而影响磷酸盐平衡。当血磷水平升高时，FGF23可在Klotho蛋白富集的甲状旁腺、肾脏等处发挥生物学效应，直接抑制近端小管刷状缘上NaPi-2a和NaPi-2c协同转运蛋白的表达，从而减少磷的重吸收[12]。另一方面，FGF23还可通过抑制1，25(OH)2D3，促进尿磷排泄，诱导磷的负平衡[13]。

血清FGF23水平与冠状动脉钙化的相关性独立于血清磷酸盐水平[14]。FGF23/Klotho轴参与血管钙化部分是由于1，25(OH)2D3的缺乏，FGF23可参与调节维生素D合成。动物实验发现，给啮齿类动物静脉注射重组FGF23 后，血浆中1，25(OH)2D3水平会明显降低[15]。FGF23通过与FGFR和Klotho结合，下调编码1α-羟化酶的Cyp27b1基因表达，抑制维生素D的合成，上调编码24-羟化酶的Cyp24a1基因表达，促进1，25(OH)2D3的分解。相反，1，25(OH)2D3可刺激骨组织中FGF23的表达。但是1，25(OH)2D3抑制血管钙化的作用是通过分泌型Klotho来衡量的[16]。Klotho和FGFR均可在甲状旁腺组织表达。FGF23与甲状旁腺上的FGFR-Klotho复合物结合，通过活化丝裂原活化蛋白激酶旁路发挥对甲状旁腺合成的调控作用[17]。

2 FGF23/Klotho与骨质疏松

骨组织由破骨细胞吸收旧骨和成骨细胞生成新骨取代完成骨的转换，其中骨代谢生化指标发挥重要的调节作用[18]。骨质疏松为多病因作用的结果，有研究表明，患有心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)的个体在骨质流失中面临更大的风险，并且发生骨折的危险性更高[19]。另一方面，低骨量的个体在遭遇心血管事件时相对于骨量正常者死亡率更高[20]。FGF23缺陷小鼠表现出过早老化的表现(如动脉硬化、骨量减少、骨质疏松、软组织钙化、肺气肿、性腺机能减退或全身性器官萎缩等)[21]。这与Klotho基因表达缺陷小鼠的表现有明显相似性。多变量线性回归分析表明[22]，可溶性aKlotho(sKlotho)与衰老和低水平FGF23显著相关，且在各种并发症和患者状态中只有骨质疏松影响sKlotho和FGF23水平。FGF23与Klotho缺陷小鼠出现的过早衰表现可能是两者的共同调节通路受到破坏的结果。FGF23被认为主要是通过FGFR调控血磷，1，25(OH)2D3和PTH间接影响骨代谢指标和骨的形成与重建。

FGF23作用于Klotho-FGFR复合物(即FGF23共受体)发挥其生物学作用。这也部分解释了Klotho敲除小鼠与FGF23敲除小鼠表型相似的原因。骨细胞合成的FGF23可在肾小管上皮细胞中特异性结合FGFR1、3、4并与Klotho形成复合物来抑制肾脏中磷的重吸收，调节血磷平衡，间接影响骨骼的矿化。若Klotho缺乏，FGF23与FGFR亲和力降低，会导致FGFR磷酸化抑制，从而使骨基质矿化能力下降。FGF23过度表达还可抑制成骨细胞分化，这说明FGF23不仅参与钙磷代谢调节，也可能参与骨质疏松症发生发展的过程调节，在骨质疏松发病机制中起着十分重要的作用。此外，1，25(OH)2D3和PTH也可影响钙磷代谢指标。国外研究表明[23]，患甲状旁腺功能亢进症的男性其骨转换生化标志物会明显升高，且伴有显著骨丢失。

Klotho和FGF23的产生均受到多种因素调节[24]，如：高磷饮食增高FGF23血清水平；慢性高磷血症与FGF23高水平相关；1，25(OH)2D3可增加循环的FGF23，也可增加肾脏Klotho基因表达；人类血清FGF23与PTH相关。

FGF23与1，25(OH)2D3和PTH之间均可形成经典的负反馈环路：体内维生素D可诱导FGF23的产生，相反FGF23在Klotho的辅助下可抑制维生素D的合成和促进维生素D的分解，从而调控维生素 D的代谢平衡。升高PTH可诱导FGF23表达增加，但FGF23也可抑制PTH的合成和分泌，这一负反馈环路易受到体内系统和局部复杂因素的干扰。FGF23和Klotho的主要作用是血磷和维生素D3的稳态调节以及产生骨矿化等生物学效应，这提示上述各因素与原发性骨质疏松症的发生发展有一定相关性。

3 FGF23/Klotho轴与血管钙化及骨质疏松的共同机制

骨质疏松症与血管钙化是系统性病症，均随着年龄的增长而发生发展[25]。流行病研究结果提示骨质疏松和血管钙化密切相关[26]。血管钙化不但能引起心脑肾的病理变化，而且能造成骨组织的病理变化，表现为骨矿物质含量下降，严重时可导致骨质疏松。钙磷代谢对血管钙化及骨代谢的影响是深远的。甲状旁腺素和维生素D是参与钙磷两种矿物质代谢的重要激素，两者在钙、磷酸盐代谢平衡及维持骨骼健康中扮演重要的角色。甲状旁腺和维生素D与肾脏和骨骼之间相互存在由FGF23/Klotho介导的负反馈环路，构建了调节磷酸盐内环境稳态的骨骼-肾脏-甲状旁腺内分泌轴[27]。处于中心位置的FGF23/Klotho通过参与调节磷酸盐代谢，从而影响血管钙化及骨质疏松。

综上所述，FGF23/Klotho是健康和疾病中矿物质代谢的重要调节者[28]。由FGF23/Klotho调节的钙磷代谢紊乱是骨质疏松和血管钙化发生的共同途径，但具体机制仍有待我们进一步研究。从基因多态性及FGF23、Klotho及FGF23/Klotho轴等多角度研究骨质疏松和血管钙化，可为骨质疏松和动脉硬化性疾病的防治提供新靶点，也可帮助我们阐明衰老的分子机制及内在本质，从而更好地指导易感基因人群预防及治疗骨质疏松和血管钙化，为延长人类寿命奠定基础。

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