成纤维细胞因子23-Klotho轴在血管钙化中的作用机制研究进展

王艺凯，郭利伟

(新乡医学院法医学院,河南 新乡 453003)

血管钙化(vascular calcification,VC)是血管中磷酸盐和钙晶体的病理性堆积,是多种慢性疾病(包括动脉粥样硬化、高血压、糖尿病血管病变、终末期肾病等)以及机体衰老过程中常见的病理变化,与心血管不良事件风险增加和病死率升高独立相关[1-3]。阐明VC的发病机制以及在血管发生钙化的早期进行抑制或逆转是目前防治VC相关疾病亟待解决的重要基础和临床前沿热点问题。

VC的发病机制复杂,钙磷代谢失调是导致VC的主要原因。成纤维细胞生长因子23(fibroblast growth factor 23,FGF23)与其共受体Klotho是体内重要的调磷因子。KURO[4]研究发现,阻断FGF23-Klotho轴会导致高磷血症和VC。CIANCIOLO等[2]研究也证实了FGF23-Klotho轴与慢性肾脏疾病(chronic kidney disease,CKD)患者VC的发生密切相关。已有研究证据表明,FGF23-Klotho轴在VC的发生和发展中发挥重要作用[4-5]。基于此,本文就FGF23-Klotho轴在VC中的作用和分子机制进行综述。

1 FGF23和Klotho的生物学特性

1.1 FGF23

FGF23是一种主要在骨细胞中合成的相对分子质量为 32 000 的蛋白质,该蛋白质由251个氨基酸组成[2]。在分泌过程中,全段成纤维细胞生长因子23(intact fibroblast growth factor 23,iFGF23)可被降解为N末端FGF23和C末端FGF23,但只有iFGF23才具有生物活性。iFGF23激活成纤维生长因子受体(fibroblast growth factor receptors,FGFRs)1、3和4,通过Klotho依赖途径或非Klotho依赖途径引发组织特异性反应。非活性的C末端可以竞争性地与Klotho结合,从而抑制FGF23的生物活性[6]。

目前,FGF23作为调节体内磷代谢的关键因子受到越来越多的关注,肾脏和甲状旁腺是FGF23的主要作用靶点[7]。在肾脏中,FGF23可以通过FGFR1c-α-Klotho/丝裂原活化蛋白激酶信号传导通路抑制磷酸钠共转运体NaPi-2a和NaPi-2c对肾内磷酸盐的再吸收,降低血清磷酸盐水平[8]。此外,高浓度的FGF23会抑制1-α羟化酶的表达并增加24-羟化酶的活性,通过抑制细胞外信号调节激酶1/2的作用使1,25 二羟维生素D3减少,间接抑制肠道对磷酸盐的吸收,降低血清磷酸盐水平[9-10]。甲状旁腺激素(parathyroid hormone,PTH)主要使破骨细胞活性和数目增加,促进骨吸收,释放更多的钙磷进入循环,有升高血清钙磷水平的作用[11]。在甲状旁腺中,FGF23-Klotho轴与维生素D和PTH之间的代谢形成了一个完整的反馈调节系统,共同参与骨矿物质代谢。MACE等[12]研究发现,在骨组织中,PTH可刺激FGF23的生物合成;FGF23与甲状旁腺上的FGFRs-Klotho复合物结合,通过激活丝裂原活化蛋白激酶旁路发挥对PTH合成的调控作用。另有研究表明,FGF23可减少PTH的合成和抑制PTH的分泌,FGF23还可上调甲状旁腺细胞中1-α羟化酶的表达,增加局部1,25 二羟维生素D3的合成,从而发挥对PTH的抑制作用[13]。

1.2 Klotho

Klotho是由1 014个氨基酸构成的单次跨膜蛋白质(相对分子质量为130 000),其基因定位于人类常染色体13q12。Klotho家族成员包括α-Klotho、β-Klotho和γ-Klotho,后二者是基于其与α-Klotho的同源性而发现的[14]。α-Klotho由5个外显子组成,其结构同源蛋白由1个大的细胞外结构域、1个跨膜结构域和1个由11个残基组成的细胞内C端结构域组成。细胞外结构域由2个重复序列组成,称为KL1和KL2,可被解整合素金属蛋白酶10和17切割。细胞外结构域的分裂导致Klotho的可溶性形式被释放,可溶性Klotho是体液循环中的主要功能形式,可在血液、尿液和脑脊液中检测到[15]。

每种Klotho蛋白都可与FGFRs结合形成组成型二元复合物,从而增加其与各自成纤维细胞生长因子的亲和力[15]。因此,Klotho的组织特异性表达决定了其作用的靶器官。α-Klotho主要表达于肾脏和甲状旁腺,有膜结合型和可溶性胞外域型2种类型。膜结合型α-Klotho主要在肾脏的远端卷曲小管中表达。可溶性α-Klotho具有不依赖于膜结合型α-Klotho的活性,在远端卷曲小管被蛋白酶剪切脱落后,分泌到近端卷曲小管或者血液中作为FGF23的共受体来辅助FGF23的信号传导[16]。β-Klotho主要在肝脏中表达,也可以在肾脏、肠道和脾脏中表达,主要调节FGF-21和FGF-19的活性。γ-Klotho在皮肤和肾脏中表达,但尚未确定其功能[15]。值得注意的是,已有研究显示,随着年龄的增长,Klotho在心脏窦房结和肝脏中的表达减少,患有CKD、肾衰竭、糖尿病和血管性疾病的患者Klotho表达水平也降低,提示Klotho对许多衰老相关的疾病有着重要意义[17-18]。

2 FGF23-Klotho轴与VC

2.1 FGF23-Klotho轴通过调节钙磷代谢影响VC的发生和发展

VC的发展是一个复杂而活跃的过程,包括骨/软骨分化、细胞外囊泡释放、细胞外基质重塑和钙磷代谢失调等,其通过许多信号通路互相作用,影响VC的发生和发展[19-20]。磷酸盐被认为是VC的主要直接诱导剂,FGF23是一种重要的磷调节因子,通过调控体内的钙磷代谢参与VC的发生和发展[21]。

研究发现,在大鼠中沉默FGF23基因可导致高磷血症、高1,25 二羟维生素D3水平和严重的VC[2]。在使用抗FGF23抗体治疗的大鼠中也观察到类似的结果,这种治疗与VC和死亡风险增加有关[22]。而在过表达FGF23的转基因小鼠中未检测到VC[23]。此外,细胞外高磷酸盐环境会激活Wnt/β-catenin信号通路,促进血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)转分化形成成骨细胞和软骨细胞表型,随后导致矿物基质沉积[24]。研究表明,Wnt/β-catenin信号通路主要是通过调节FGF23和Klotho的表达来参与VC的形成[24]。CHEN等[25]通过制备高磷诱导的钙化模型证实了高磷环境下FGF23-Klotho轴可以通过抑制Wnt/β-catenin通路减弱高磷诱导的VC。CARRILLO-LOPEZ等[26]研究发现,FGF23与可溶性Klotho在成骨细胞中可促进分泌型糖蛋白Dickkopf-1的表达,使Wnt/β-catenin信号通路失活,抑制VSMCs的成骨分化。上述研究表明,FGF23-Klotho轴调控体内的钙磷代谢,抑制VC的发生和发展。

但ZHENG等[27]研究发现,FGF23的表达增高对高磷酸盐诱导的VC似乎有促进作用。KUCZERA等[28]研究发现,在CKD早期,FGF23表达升高可以维持血磷平衡,但同时对肾脏和血管产生了毒性作用。随着CKD病情的发展,疾病晚期FGF23表达过高可导致肾脏无法应对过高的磷酸盐负荷,出现Klotho基因表达降低、继发性甲状旁腺亢进等一系列表现。由于FGF23本身对其受体具有较低的亲和力,在生理浓度下,FGF23很难直接与FGFRs结合而发挥作用[29]。CKD患者肾脏中Klotho表达减少,可能导致FGF23对磷调节的抵抗,进而导致FGF23代偿性地增多[30]。因此,结合上述研究可以提出一个猜想:终末期CKD患者中FGF23表达水平升高,但由于其对器官的毒性作用以及Klotho表达降低和FGF23抵抗的存在,导致不能降低终末期CKD患者血液中磷酸盐水平。这个作用可能跟CKD分期有关,还需更多的临床研究数据来支持这个假设。

2.2 FGF23通过核因子-κβ受体激活因子配体(receptor activator of NF-kappa B ligand,RANKL)/核因子-κB受体激活因子(receptor activator of nuclear factor-κB,RANK)/骨保护素(osteoprotegerin,OPG)信号通路影响VC的发生和发展

RANKL/RANK/OPG信号通路是破骨细胞活化的最终环节。RANKL是破骨细胞生成所需的配体,OPG可阻止RANKL与其受体RANK的相互作用,进而调控破骨细胞的形成,也与VC的发生相关[31-32]。有研究发现,FGF23可通过RANKL/ RANK/OPG信号通路参与对VC的调节[33]。NAKAHARA等[34]研究发现,FGF23可抑制VSMCs向成骨分化,并在转录水平上通过细胞外信号调节蛋白激酶ERK1/2级联正向调控OPG的表达,下调成骨细胞相关标志物包括肌节同源盒基因同系物2(muscle segment homeobox 2,Msx2)、Runt相关转录因子2(runt-related transcription factor 2,Runx2)、骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)和碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)的表达。另有研究表明,OPG的升高会促进VC的发生和发展,这可能与分泌OPG的组织相关,成骨细胞分泌的OPG可调节破骨细胞的分化促进骨矿化,血管分泌的OPG却是防止血管矿化,这可能也是FGF23对破骨细胞双相作用的原因[35]。但目前关于FGF23调控RANKL/RANK/OPG信号通路来影响VC的证据尚不充分,仍需要更进一步的研究,这或许可以作为FGF23独立于Klotho影响VC的补充解释。

2.3 Klotho通过非依赖FGF23途径影响VC的发生和发展

Klotho除了以FGF23/Klotho/FGFRs复合体的形式调节钙磷平衡外,还能不依赖于FGF23发挥对VC的调控作用[17]。LI等[17]研究认为,Klotho缺乏症会异常性地增加自噬和VC,而Klotho的加入则会增强自噬从而改善VC。有研究发现,可溶性Klotho能抑制VSMCs膜中Na-Pi共转运体活性,抑制磷进入细胞,进而抑制VSMCs成骨细胞分化[36]。ZHAO等[37]研究证明,上调Klotho表达可通过抑制VSMCs中的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号来预防CKD中VC的进程。也有报道称,Klotho可拮抗Wnt/β-catenin通路,降低BMP-2表达,抑制Runx2的转录激活和VSMCs的成骨分化[38]。CHEN等[39]的研究结果也支持上述观点,该研究证实了在Klotho过表达的情况下,可溶性Klotho能通过与Dkk1相互作用抑制Wnt/β-catenin通路的激活,进而阻止VSMCs钙化;因此,可溶性Klotho的稳定递送在体外和体内可能降低慢性高磷血症和VC。已有的研究结果证明,Klotho对VC具有一致的、直接的保护作用,提示Klotho可作为新的药物靶点,在VC的预防和治疗中有着巨大的临床应用前景。

3 结论

FGF23-Klotho轴通过多种途径参与VC的发生和发展,FGF23在肾脏和甲状旁腺上的经典Klotho依赖性途径被认为是维持磷稳态和预防VC发病的基本途径。但目前的研究结果存在不一致的情况。例如,基础研究表明,FGF23可以通过与Klotho/FGFRs复合体结合,促进磷酸盐代谢,降低体内磷酸盐水平,同时通过抑制Wnt/β-catenin信号通路抑制VC的发生。而临床研究的结果却显示,终末期CKD患者FGF23的升高反而会加速和加重VC的发生。这表明,FGF23可以作为晚期CKD的生物标志物,但是否可以根据其生物特性研制出针对VC的药物还需进一步研究。

与FGF23相比,临床研究和基础实验数据均支持Klotho对VC具有一致的、直接的保护作用。但目前尚无具有临床实用性的药物出现,需要进一步的研究来阐明跨膜Klotho表达在心脏和动脉壁中的确切位置,以及分泌Klotho对血管系统的旁分泌和内分泌影响。