钙磷代谢对动物骨骼健康影响的研究进展

陈 盼，徐婷婷，何彦锋，刘凯莉，解静菲，岳 珂，张朝栋，林露茜，曹芹芹，黄淑成

（河南农业大学动物医学院，河南 郑州 450002）

骨骼是脊椎动物中坚硬的结缔组织，具有构成机体基本支架、保护脏器、参与机体运动以及参与矿物质储存等作用。骨骼在生长发育过程中可受神经、体液的调节，从而维持骨骼健康。同时骨骼是一种内分泌器官，可分泌多种生物活性物质，一方面可通过自分泌和旁分泌调节自身代谢，另一方面能通过远距分泌参与调节其他器官或组织的生理和病理过程，包括调控中枢神经系统、机体能量代谢、炎症反应以及心血管疾病等［1-5］。因此，骨骼对维持动物正常的生理活动具有重要意义，畜禽骨骼的健康直接影响养殖场的生产效益和经济效益。

钙、磷是动物体内重要的矿物质元素，在一定条件下以羟基磷灰石的形式沉积于骨组织中，构成骨骼的基本成分，主要作用是维持骨骼的强度和抗压力，因而钙、磷代谢与骨骼具有非常紧密的关系，代谢的平衡是保持动物骨骼健康的关键［6-7］。骨骼是钙和磷的储存库，参与钙、磷代谢的调控。在骨骼的生长发育过程中，钙、磷成分不断进行更新。饲料中钙、磷摄入水平或比例的变化，会引起机体血钙和血磷水平的改变，进而影响体内甲状旁腺激素（PTH）、降钙素（CT）、1，25-二羟维生素D3和成纤维细胞生长因子23（FGF23）等多种激素的分泌［8］。这些激素通过调节钙磷代谢来调控骨吸收和骨形成过程，从而影响骨骼健康。本文从骨骼中钙、磷的吸收代谢、含量及比例、调节机制等方面探讨钙、磷代谢对骨骼健康的影响，以期为动物钙、磷代谢和骨骼之间调控的相关研究提供参考。

1 钙、磷的吸收和代谢

钙、磷在动物体内分布广泛，其代谢对机体的生理活动具有重要意义。钙在动物体内不仅是骨骼的主要成分，还具有参与血液凝固、维持神经和肌肉兴奋性、调节酶活性和改变膜通透性等功能［8］。磷既是有机体重要的组成部分，还参与能量代谢、脂质代谢和骨骼生长等生理过程。钙、磷是构成骨骼的重要成分，以磷酸盐的形式沉积于骨骼中，可加大骨强度。骨骼是机体内环境中恒定的钙、磷库，当血液钙、磷失衡时，机体将调动骨骼中的钙和磷以维持平衡。动物体主要通过摄食获取钙和磷，之后在肠吸收以及肾的重吸收等作用下进入血液循环。血清中钙和磷的水平通常在较小的范围内波动，这是通过调节肠道吸收、肾小管重吸收和骨转换相互作用实现的。

1.1 钙吸收和代谢

食物中大约30%的钙进入动物体内，体内99%以上的钙是与磷以羟基磷酸盐的形式沉积于骨骼和牙齿中，使骨骼成为维持细胞内外钙池的代谢库。小肠是膳食钙的主要吸收部位，在1,25-二羟维生素D3的调控下通过跨细胞途径和细胞旁途径实现肠黏膜上皮对钙的吸收［9-10］。由于游离的钙离子不能自由通过细胞膜，跨细胞途径需要借助特定的转运蛋白或者钙通道促进钙从肠黏膜侧向浆膜侧转运［11］。而细胞旁转运是机体依赖电化学梯度，通过细胞间连接被动扩散吸收钙的途径［8］。肠道内钙离子的浓度高低影响机体对钙的吸收方式，当肠道内钙离子的浓度高于血钙时细胞旁途径是主要的吸收方式，反之跨细胞途径为主要方式［11-12］。

1.2 磷吸收和代谢

食物中有超过70%的磷在动物的小肠部位被吸收，这对维持血磷平衡具有重要作用。肠道对磷的吸收方式与钙相似，同样是采用主动转运和自由扩散方式实现机体对磷的吸收［8］。研究表明，钠磷协同转运蛋白参与下的主动转运是磷吸收的主要途径，以小肠刷状缘膜上的Na/Pi-Ⅱb转运蛋白为载体实现肠道对无机磷的转运［9］。肾脏参与钙、磷的排泄，食物中未被机体消化道吸收的钙和磷，一部分以粪便形式排出，另一部分经肾小管重吸收和肾小球滤过作用，以尿液的形式排出。机体吸收的钙和磷，则进入血液循环，参与机体各种生理活动。

1.3 骨中钙、磷代谢

钙、磷是动物骨骼重要的组成部分，经过肠吸收和肾小管重吸收作用进入血液循环，参与骨代谢过程。血清中钙和磷的含量对维持机体正常的功能和骨矿化具有重要意义。动物的骨骼是一种高度矿化的器官，始终进行着代谢更新，并通过骨吸收和骨形成作用不断进行矿物质的吸收和沉积以维持骨骼健康；而这个高度协调的骨代谢过程则是由成骨细胞和破骨细胞等骨细胞调控，其中破骨细胞参与骨吸收过程，在旧骨溶解的过程中发挥关键作用。成骨细胞是骨形成过程中的重要细胞，主要合成、分泌胶原基质，之后经矿化作用形成骨盐并沉积于骨基质中［13］。骨矿化，即羟基磷灰石晶体沉积在胶原纤维的过程，其调节机制是复杂的，通过调节全身钙和磷酸盐浓度进行控制，而无机焦磷酸盐与磷酸盐的比例是矿化的关键调节因子［14］。

2 钙、磷含量及其比例在骨骼发育中的作用

2.1 钙、磷含量对骨骼发育的作用

动物从外界摄取的钙、磷以骨盐的形式沉积于骨质中，使骨不断生长，骨密度增加。血中和骨中的钙和磷浓度可反映维持钙和磷稳态的变化，血中钙、磷含量的高低可直接影响骨的矿化与溶解。饲粮中钙、磷含量的高低影响动物对这2种物质的吸收，进而影响骨骼的生长发育。王灿楠等［15］人进行了钙吸收利用与摄入量关系的研究，发现大鼠摄入的钙与骨密度、骨矿物质含量呈正相关，而与钙的吸收率呈负相关，血钙则与上述指标无相关性，钙摄入量与吸收率呈双曲线形式变化。钙对维持骨骼健康至关重要，钙摄入不足会增加骨折和骨质疏松症的风险。严重的钙缺乏会导致骨矿化不良，可影响骨骼发育指数，如骨矿物质密度、骨折强度、骨灰分含量等［16］。骨折强度的各种测量是骨矿物质相关研究的重要指标，而皮质骨厚度是影响骨折强度的重要结构参数。研究发现，蛋鸡低钙组股骨和胫骨的皮质骨厚度随着时间逐渐变薄、骨小梁凝聚力减弱，骨密度、长度、断裂强度在34周时低于对照组，这表明低钙日粮降低了骨骼质量和强度，并且促进了骨质疏松症的发展［17］。骨微结构参数是评价骨强度及骨量的重要指标，包括骨体积密度、骨体积分数、骨小梁数目等［18］。张润祥等［19］人研究低钙日粮对蛋鸡龙骨微结构参数的影响，发现低钙日粮喂养的蛋鸡骨密度降低，反映骨强度的龙骨骨微结构参数也降低，使得骨强度和抗骨折能力下降，增加了龙骨骨折和弯曲的发生率。在给予高钙日粮时则发现可导致甲状旁腺机能亢进，引起动物骨骼中钙沉积障碍，骨密度降低，同时会干扰体内矿物质元素的代谢［20］。

相比缺钙日粮，动物的生长发育以及骨骼疾病的发病率对缺磷日粮更为敏感［21-22］。邵玉新等［23］人发现缺磷对肉仔鸡胫骨组织结构的影响比钙缺乏显著，磷缺乏组佝偻病的发病率比钙缺乏组高。研究发现，肉鸡骨骼钙、磷代谢的利用和佝偻病的发病率对磷缺乏最为敏感，其次为钙缺乏，磷缺乏组胫骨的骨强度和骨密度变化比钙缺乏组明显；发现胫骨血清钙磷、骨强度、骨密度可作为肉鸡钙、磷代谢佝偻病的关键特征指标［24］。早期就有研究发现，高磷日粮呈现降低生长板和骨皮质厚度的趋势，增加胫骨软骨发育不良（TD）的发病率［25］。高磷日粮对生长期间骨量的增加产生不利的影响，限制骨骼纵向生长，可降低骨矿物质含量和骨密度，骨小梁面积和宽度减少，从而导致胫骨性能降低［26-27］。因此，日粮中适当的钙、磷含量对动物的骨骼健康具有重要作用。

2.2 钙、磷比例对骨骼发育的作用

钙代谢和磷代谢是相互联系的，钙的摄入量影响磷的吸收，同时，磷的摄入量也影响钙的吸收。摄入过量的钙通常可干扰体内磷、铁、锰等矿物质元素的吸收，而摄入过量的磷会在肠道与钙结合形成难溶性物质而降低肠道对钙、磷的吸收［20，28］。钙、磷比例的失调会影响钙和磷的吸收和沉积，对骨骼发育造成不良影响。有研究表示，低磷水平可加重高钙日粮对骨骼的不利影响，使高钙日粮饲养的雏鸭有更大的生长抑制和骨矿化损失［29］。较高的钙磷比不利于猪的骨矿化，并且这种现象在喂食磷缺乏的日粮时更为明显，而当日粮中磷的含量高于要求时，可以缓解过量钙引起的负面影响［30］。在一定的日粮钙磷比例范围内，磷的代谢利用受到限制，为了使生长育肥猪最大限度地利用日粮磷，该比例不应低于2.5∶1，这能最大限度地提高生产性能，而2.8∶1能进一步改善骨矿化［31］。孙飞［28］在研究不同磷水平及钙磷比对骨骼的影响中，发现日粮中有效磷水平和Ca∶P值均会影响肠道中Na/Pi-Ⅱb mRNA表达量，并且发现有机磷水平为0.35%，钙与有效磷的比值等于10时高产蛋鸡胫骨性能最优，十二指肠和空肠中Na/Pi-Ⅱb mRNA表达量随着比值的增加而升高。钙磷比例过高或过低均会对动物造成不利影响，可导致体内钙磷代谢障碍，严重时可能造成机体死亡，因此，适宜的钙磷比例对畜禽的生长发育具有重要作用。

3 钙、磷代谢对骨骼发育的调节机制

各组织器官之间的钙、磷代谢均受神经体液的调节，其中激素是调节钙、磷代谢的重要因素之一，包括PTH、CT、1，25-二羟维生素D3、FGF23等。这些激素之间通过相互作用形成一个复杂的网络，共同调节钙和磷在骨组织和体液间的平衡，并且通过调节骨代谢信号通路，影响成骨细胞和破骨细胞的生长、发育以及分化，进而调控骨骼健康。

3.1 PTH对骨骼发育的调节机制

PTH是调节体内钙、磷水平的重要内分泌激素，具有升高血钙，降低血磷的作用。PTH的分泌可被1，25-二羟维生素D3和FGF23抑制，三者相互影响，从而调控体内磷酸盐水平［32］。同时PTH是调节动物体内骨代谢的重要激素，对骨骼健康的维持具有重要意义。PTH通过与G蛋白偶联受体中的1型甲状旁腺激素受体（PTHR1）结合发挥作用，可激活腺苷酸环化酶或磷脂酶C，从而分别激活蛋白激酶A（PKA）或蛋白激酶C（PKC）级联反应，影响骨吸收和骨形成［33］。PTH通过直接作用于间充质干细胞以及具有成骨细胞谱系的细胞而发挥成骨作用。因为在动物破骨细胞中未发现PTH受体，PTH是通过间接作用于破骨细胞和破骨细胞前体，发挥对骨吸收的调控作用［34］。

PTH具有促进骨吸收和骨形成的双重效应，大剂量持续使用可诱发骨吸收，而小剂量间断使用可刺激骨形成［35-36］。PKA信号通路是PTH调节骨组织代谢的主要机制，间断性PTH可通过PKA信号通路发挥对成骨细胞和骨细胞的调节作用［37］。目前普遍认为小剂量间断使用PTH可能是通过抑制成骨细胞凋亡、增加成骨细胞数量、刺激成骨细胞自分泌胰岛素生长因子1等途径促进成骨作用［38-39］。骨保护素（OPG）和核因子κB受体活化因子配体（RANKL）的表达量可影响骨吸收。PTH通过RANKL/OPG系统影响破骨细胞的活性，并且OPG与RANKL的比值决定破骨细胞的分化及功能［32，40］。成骨细胞表面分泌的RANKL是调节骨吸收的关键因子，通过与核因子κB受体活化剂（RANK）结合促进破骨细胞活化和抑制凋亡，而OPG和RANKL竞争性地结合RANK，对骨吸收过程进行调控［41］。通过细胞培养实验发现，PTH通过激活PKA信号通路，增加RANKLmRNA水平的表达和降低了OPGmRNA水平的表达，从而促进破骨细胞形成［42］。

3.2 CT对骨骼发育的调节机制

CT是由甲状腺滤泡旁细胞分泌的一种多肽激素，参与钙、磷代谢的调节，与血钙水平呈正反馈调节［8］。CT通过和分布在靶细胞膜上的降钙素受体特异性结合，降低血钙和血磷，增加钙在尿中的排泄［24］。同时，CT对体内钙代谢稳态的维持作用可被PTH和1,25-二羟维生素D3拮抗，只能短暂调节钙稳态。另外，CT也是骨骼发育过程中的一个重要激素，可影响骨骼健康。

骨中CT的主要靶细胞是破骨细胞，与此细胞上的降钙素受体结合后可抑制破骨细胞活性，影响骨吸收，与PTH作用相反［43］。CT调节破骨细胞的增殖与凋亡，通过抑制增殖和促进凋亡，对破骨细胞的骨吸收功能产生抑制作用［44］。Wnt信号通路是骨代谢过程中一个关键的通路，在成骨细胞、软骨细胞等骨细胞中发挥着重要的功能，影响骨骼的发育。在一项由卵巢切除术诱导的骨质疏松症大鼠研究中发现，CT可通过增加大鼠破骨细胞中Wnt 10b的表达诱导骨形成［45］。CT也可通过影响骨代谢过程中的其他通路对骨骼健康进行调控，如丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路。MAPK信号通路不仅促进成骨细胞的增殖分化，还抑制破骨细胞的骨吸收能力。细胞外调节蛋白激酶（ERK）信号传导途径是MAPK信号通路的一员，通过多种生长因子及细胞因子调控细胞增殖。研究表明，CT可通过MAPK-ERK信号途径发挥对破骨细胞的作用，抑制破骨细胞的增殖和骨吸收等能力［46］。CT影响成骨细胞中OPG和RANKL mRNA水平的表达，促进前者的表达，而对后者的表达产生抑制作用，同时促进OPG的分泌［47］。OPG可抑制破骨细胞的发育和活性，并且可诱导破骨细胞的凋亡，从而抑制骨吸收过程。CT调控成骨细胞的增殖和活性，促进骨形成与矿化，增加骨密度［43］。因此，CT对骨骼发育的影响主要是通过调控骨代谢的信号通路，抑制破骨细胞的活性和促进成骨细胞增殖分化，从而促进成骨。

3.3 1，25-二羟维生素D3对骨骼发育的调节机制

1，25-二羟维生素D3是体内维持机体钙稳态最重要的激素，促进血钙升高。1，25-二羟维生素D3是由皮肤中无活性的维生素D3先后经过肝脏和肾脏羟化酶的作用形成的。而PTH可促进1，25-二羟维生素D3的合成，并且这2种激素呈协同作用，均促进血钙升高。1，25-二羟维生素D3可影响骨骼的发育，一方面通过提高破骨细胞活性以促进骨质的溶解，另一方面通过刺激成骨细胞活动以促进骨盐的沉积和矿化［8，24］。体内血钙和血磷处于动态平衡，1，25-二羟维生素D3主要促进成骨，而当血钙低于正常水平时，该激素增加破骨细胞数量，促进骨吸收，从而增加血钙和血磷的浓度［48］。

MAPK信号通路中细胞外调节蛋白激酶5（ERK5）通路，可被多种胞外刺激因素激活为磷酸化ERK5，从而参与细胞的增殖、分化与凋亡。体外实验证实，1，25-二羟维生素D3可通过激活ERK5通路促进破骨细胞的分化，并且发现钙调素依赖型蛋白激酶Ⅱ可能是破骨细胞ERK5通路下游靶点参与破骨细胞分化的过程［49］。维生素D受体（VDR）是1，25-二羟维生素D3发挥生物效应的关键，两者结合形成的复合物可作用于特定的DNA序列，从而调控细胞增殖与分化。研究发现，VDR信号传导主要是在负钙平衡期间调节钙代谢，作用于未成熟的成骨细胞而间接增强骨吸收，通过控制RANKL和OPG转录水平的表达，影响破骨细胞的形成和功能，对骨量具有负调节作用［50］。同样，1，25-二羟维生素也可作用于成骨细胞，调控成骨细胞的增殖分化。分化成熟的成骨细胞分泌的骨钙素，可促进骨形成。当成骨细胞成熟时1，25-二羟维生素与细胞上的受体结合，刺激骨钙素的生成，从而促进骨骼钙化，间接抑制骨吸收［23，51］。由此可知，1，25-二羟维生素D3可通过ERK5通路以及VDR信号传导促进骨吸收，同时也可通过促进骨钙素的生成间接抑制骨吸收。

3.4 FGF23对骨骼发育的调节机制

FGF23是由骨细胞和成骨细胞分泌的一种激素，主要调节血磷水平。FGF23通过成纤维细胞生长因子受体（FGFRs）和共受体Klotho蛋白作用于靶器官，调节体内磷酸盐水平。FGF23可调节1，25-二羟维生素D3和PTH的产生，通过抑制肾脏1α-羟化酶的活性，降低1，25-二羟维生素D3的水平，这与PTH对1，25-二羟维生素D3水平的影响相反［52］。FGF23通过FGF23-Klotho信号传导作用于甲状旁腺抑制PTH的分泌，或者通过影响血钙、血磷及1，25-二羟维生素D3的水平间接影响PTH的分泌［8］。通过激素相互作用，对体内钙磷水平以及骨骼发育进行调控。

体外实验表明，FGF23的过表达可抑制大鼠钙质细胞中成骨细胞的分化，并且抑制基质矿化［53］。Wnt信号通路是调控骨骼发育的重要信号通路之一，可调节骨髓间充质干细胞的分化。而ERK是Wnt信号通路的上游调控因子，FGF23通过此因子作用于Wnt信号通路，因此，ERK信号通路在骨髓间充质干细胞的分化中起重要作用［54］。体外实验表明，FGF23可降低碱性磷酸酶活性，抑制骨髓间充质干细胞的分化以及磷酸盐的生成与吸收，从而抑制成骨细胞的矿化，同时ERK信号通路参与FGF23对成骨细胞矿化过程的调控［55］。FGF23不仅影响成骨细胞的分化与矿化，还影响破骨细胞的骨吸收能力。研究表明，FGF23能够依赖FGFRs-Klotho途径调控破骨细胞，促进破骨细胞前体向破骨细胞转化，增加破骨细胞数量，提高破骨细胞的骨吸收能力，并且间接调控成骨细胞的活动［56］。

4 小结

综上所述，日粮中适宜的钙磷含量与比例对动物骨骼健康至关重要，直接影响畜禽养殖的经济效益。钙和磷可通过影响PTH、CT、1，25-二羟维生素D3以及FGF23的生成，调控骨骼发育。同时，这4种激素与骨代谢之间构成一个复杂的调控网络，共同维持机体的生理健康。通过影响骨代谢过程中的MAPK信号通路、Wnt信号通路以及OPG/RANKL系统调控骨吸收与骨形成过程。因此，继续深入研究钙、磷代谢相关激素调节骨骼发育的机制，对预防和治疗动物骨骼疾病具有重要意义。