FGF23对慢性肾脏病的矿物质和骨代谢异常的作用及中药干预的研究

钱朝良 邢涛 李向洲 韩李霞 杨博

1.甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730000

2.甘肃省中医院,甘肃 兰州 730000

慢性肾脏病的矿物质和骨代谢异常(chronic kidney disease-mineral and bone disorder, CKD-MBD)又称肾性骨病,是慢性肾功能衰竭时由于1,25-二羟维生素D[1,25-dihydroxyvitamin D,1,25-(OH)2D]、甲状旁腺素(parathyroid hormone,PTH)、钙和磷等代谢紊乱而引起的骨矿物质和骨代谢异常性骨病,常以骨质疏松、骨痛、骨变形和骨折为主要临床症状[1]。由于CKD-MBD在中老年人群中的发病率逐年升高、发病人群呈年轻化趋势和治疗费用昂贵,因此该病给患者带来了沉重的经济负担和心理压力,也是目前社会面临的一个重大公共卫生问题[2]。CKD-MBD受多种致病因素影响,其发病机制尚不明确。由于成纤维细胞生长因子23(fibroblast growth factor 23,FGF23)对骨矿物质稳态发挥了关键作用,因此研究人员对其在CKD-MBD的发生和发展过程中的影响进行了深入研究[3]。中药是治疗CKD-MBD的主要方法之一,并且基于其良好的疗效已经在临床广泛应用。目前,已有大量的研究证实中药在FGF23的介导下对CKD-MBD有较好的疗效。然而,目前尚无综述阐释中药在FGF23介导下对CKD-MBD的影响及作用机制。因此,本文结合国内外相关文献,阐释了FGF23与CKD-MBD的关系,并进一步总结和分析了中药靶向调控FGF23治疗CKD-MBD的作用机制,以期为临床应用中药治疗CKD-MBD提供新思路和理论基础。

1 FGF23的结构与作用

FGF23属于成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factors,FGFs)FGF19亚家族成员之一,是骨细胞和成骨细胞来源的一种内分泌型信号蛋白[3]。FGF23基因位于人类12号染色体上,其长度大约为8.5 Kb,分子量为32 kDa,含有251个氨基酸,由2个结构域组成,分别是n端的FGFs同源结构域和与共受体α-Klotho相互作用的c端结构域[4-5]。n端结构域是与FGFs受体结合的FGFs同源区,并且是特殊的β10-β12片层结构,这导致了FGF23与硫酸乙酰肝素的亲和力较差,从而限制了FGF23的旁分泌效应[5]。c端结构域的主要功能是与共受体α-Klotho蛋白相互作用[6]。α-Klotho蛋白是抗衰老Klotho蛋白的一种,也是FGF23的辅助受体[6]。α-Klotho能激活并结合FGF23受体形成更具亲和力的FGF23受体复合物,并且该受体复合物的形成是激活FGF23下游信号通路和介导其生物活性的前提[5]。成纤维细胞生长因子受体(fibroblast growth factor receptor, FGFR)是酪氨酸蛋白激酶,有4种基因编码,分别是FGFR1、FGFR2、FGFR3和FGFR4[7]。由于α-Klotho不易与FGFR2结合,而又易与FGFR的‘c’亚型结合,因此FGF23的信号主要通过FGFR1c、FGFR3c和FGFR4c传递[8-9]。此外,FGFR1与FGF23亲和力最高[8]。由于FGF23受体广泛存在于人体的各个组织中,因此在这些组织中是否同时存在α-Klotho蛋白就决定了该组织是否是FGF23的潜在靶器官[10-11]。由于蛋白水解是调节FGF23活性的主要机制,因此人体中存在着2种主要的FGF23形式,分别是全段完整型FGF23(iFGF23)和FGF23的蛋白水解裂解产物[8]。FGF23蛋白在176～179位精氨酸处被蛋白水解为N端(25-FGF23-179)和C端(cFGF23)裂解片段[8]。由于25-FGF23-179没有与α-Klotho蛋白相互作用的结构域,而cFGF23又会竞争性抑制完整的FGF23信号通路,因此只有iFGF23可以发挥生物活性并参与信号转导[8]。

FGF23的主要作用是调节人体内的血清磷酸盐和1,25-(OH)2D水平,维持体内磷酸盐动态平衡[3]。人体内磷酸盐失衡会导致多种疾病。因此,人体需要在FGF23的介导下通过多种途径使血磷保持在正常的生理范围内[12]。同时,能够造成血清磷酸盐和1,25-(OH)2D等代谢紊乱的疾病同样也会反过来造成FGF23的表达及分泌异常并引发一系列生物效应。慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)和急性肾损伤(acute kidney injury,AKI)是导致血清FGF23水平升高并引起体内磷酸盐动态失衡的主要疾病[12-13]。此外,FGF23表达水平的异常不仅与CKD和AKI密切相关,还与X连锁低磷血症和心血管疾病等密切相关[3,14]。因此,FGF23对相关疾病的影响及作用机制是目前的研究热点。

2 FGF23的调控

FGF23的调控途径分为两种,一种为经典调控途径,即磷酸盐、钙、1,25-(OH)2D和PTH对FGF23的调控,另一种为非经典调控途径,即铁、促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)、缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor,HIF)、炎症和能量代谢对FGF23的调控。

2.1 经典调控途径

由于FGF23与硫酸乙酰肝素的亲和力较差,因此FGF23在经GALNT3酶糖基化处理并从细胞中分泌后,FGF23能够自由通过血液循环到达靶器官并产生相应的生物效应[3]。血清磷酸盐的升高在促进FGF23的表达和分泌的同时,会上调肾小管上皮细胞中α-Klotho的表达,这使得FGFR被激活并与α-Klotho结合形成FGFR/α-Klotho复合物,然后FGFR/α-Klotho复合物通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)途径传递FGF23信号,使肾小管上皮细胞腔内刷状边缘膜上的Ⅱ型磷酸钠共转运体Npt2a和Npt2c蛋白内化,进而使磷酸盐排出增加[15]。同时,FGF23表达升高对肾脏1,25-(OH)2D的合成有抑制作用,原因在于FGF23在抑制1α-羟化酶表达的同时,也刺激了24-羟化酶的表达,而这两种酶分别参与了25羟维生素D的活化和1,25-(OH)2D的降解[16]。血清1,25-(OH)2D的降低会导致血清钙的降低,这使得PTH的释放增加并刺激25羟维生素D的活化,以抵消FGF23介导的肾脏1,25-(OH)2D合成降低[16]。此外,1,25-(OH)2D、FGF23和PTH还存在相互调控作用。具体形式有以下两种:(1)1,25-(OH)2D能通过激活1,25-(OH)2D受体促进FGF23的表达,反过来FGF23又可抑制1,25-(OH)2D的产生[17]。(2)PTH与骨细胞上的受体结合以后,通过环磷酸腺苷使蛋白激酶A被活化,进而促进骨细胞FGF23的表达和分泌,同时FGF23又可通过MAPK途径抑制PTH的分泌[18]。因此,基于上述调控途径,FGF23、磷酸盐、钙、1,25-(OH)2D和PTH形成了以肾脏为核心的反馈回路。

2.2 非经典调控途径

人体内铁的含量与人体中FGF23水平密切相关。Abu-Zaid等[19]在一项针对CKD患者的临床研究中发现,铁缺乏会导致人体内FGF23水平增高,并进一步加重肾脏损害。而Farrow等[20]通过动物实验也证实铁缺乏会显著诱导wt小鼠的骨FGF23mRNA和血清FGF23的表达。因此,FGF23的表达和分泌受铁水平的调控。在一项针对CKD小鼠模型的研究中发现,注射大剂量EPO的CKD小鼠模型比未注射大剂量EPO的CKD小鼠模型血清中的总FGF23和iFGF23水平更高,并且通过对CKD患者的血清分析也证实EPO水平越高,总FGF23水平就越高[21],这说明EPO促进了FGF23的转录和裂解。而Daryadel等[22]的研究则发现,在对wt小鼠注射重组FGF23后wt小鼠肾脏EPOmRNA的表达会显著下调,这说明FGF23会抑制EPO的表达。因此,EPO与FGF23可能形成了某种反馈回路。HIF可能也会影响FGF23的表达。Zhang等[23]通过细胞实验发现,细胞内HIF-1α升高时会促进FGF23的表达和分泌,并且证实HIF-1α是FGF23的直接转录激活剂。此外,David等[24]通过动物实验研究发现,当wt小鼠血清中的HIF-1α表达上调时,骨FGF23 mRNA、血清cFGF23和iFGF23的表达也会上调,并且进一步证实了炎症可以通过激活HIF-1α信号传导促进FGF23转录。炎症是FGF23的重要调控途径。目前已有的研究证实肿瘤坏死因子α、白细胞介素-1β和白细胞介素-6直接参与了FGF23的调控,当人体中这些促炎因子表达上调时,FGF23的表达也会随之上调[25-30]。炎症调控FGF23主要有以下几种机制:(1)炎症通过铁调素介导的功能性缺铁[24]。(2)炎症通过HIF-1α刺激FGF23转录[25]。(3)炎症通过上调弗林蛋白酶活性促进FGF23的切割[24]。(4)炎症通过钙释放激活钙通道蛋白1和钙池调控钙离子进入诱导FGF23表达[31-32]。(5)炎症通过转录激活因子3和人中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白诱导FGF23的表达[33-34]。高能量摄入或高能量消耗是导致FGF23水平升高的重要因素。Philipp等[29]通过动物实验研究发现,高脂肪喂养的tnf小鼠血清FGF23蛋白水平较正常喂养的tnf小鼠显著升高。而Vidal等[35]通过体内和体外实验证实热量摄入与血浆FGF23蛋白浓度之间存在正相关关系。此外,大量的临床研究证实,患有肥胖、糖尿病或消耗性疾病的患者血清中FGF23蛋白水平较正常人更高[35-37]。

3 FGF23与骨形成和骨吸收

FGF23能通过调节骨矿化影响骨形成。目前已有的研究认为FGF23主要通过抑制组织非特异性碱性磷酸酶的活性进而减少无机焦磷酸盐的水解间接调节骨矿化[38]。此外,FGF23还能通过影响骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)的成骨分化、成骨细胞的活性和破骨细胞的形成调节骨形成和骨吸收。Yoshiko等[39]在一项针对正常胎鼠颅骨细胞的体外研究中发现,FGF23表达上调会增加胎鼠颅骨细胞中成骨细胞的活性并上调骨桥蛋白的表达。Li等[40]在对wt小鼠的BMSCs和成骨细胞的研究中得到了同一结论,并进一步证实了抑制FGF23/FGFRs/α-Klotho通路会导致wt小鼠的骨样结节形成减少、成骨细胞标志物表达减少和BMSCs的成骨分化抑制。这说明成骨细胞来源的FGF23参与了成骨细胞的分化和增殖过程并影响了骨形成。目前,FGF23对破骨细胞的影响及作用机制尚不清楚。最新的研究发现,FGF23会抑制早期破骨细胞的形成并可以通过Akt和Erk途径促进破骨细胞介导的骨吸收[41]。这项研究说明,FGF23可能对破骨细胞具有双向调节作用,一方面抑制破骨细胞的形成,另一方面又能刺激破骨细胞的活性,进而对骨吸收和骨重塑产生影响。

4 中药通过调节FGF23治疗CKD-MBD

CKD-MBD是CKD发展至晚期的常见综合征。随着CKD的持续进展,血液循环中的FGF23会逐渐升高,并在其介导下血清钙、磷和1,25-(OH)2D会出现严重的代谢紊乱,导致骨矿物质代谢紊乱、骨矿化和骨形成的异常并最终造成CKD-MBD[12-13]。中医学认为CKD-MBD属于“骨痿”和“骨痹”范畴,病机为本虚标实,以肾虚为本,湿热和瘀血为标。因此,古今医家多认为治疗CKD-MBD应在补肾的基础上,清湿热和化瘀血,以达到标本兼治的目的。研究发现,在此理论基础的指导下中药能通过多种途径调控FGF23水平,从而减轻CKD导致的矿物质和骨代谢异常。

4.1 中药单体

目前,通过FGF23/α-Klotho信号轴调控钙磷代谢水平,纠正骨代谢失调,促进骨矿化和骨形成是中药单体成分在FGF23的介导下治疗CKD-MBD的主要作用机制。例如,从何首乌中提取的二苯乙烯苷就被证实能通过促进SD大鼠股骨头α-Klotho蛋白表达和抑制FGF23表达,减少钙流失,恢复体内磷酸盐稳态,纠正骨代谢失调[42]。很多其它的中药单体成分也得到了相似的结论,比如从肉桂和丁香中提取的β-石竹烯就被发现能通过FGF23/α-Klotho信号轴增加骨体积、骨密度(bone mineral density,BMD)和梁骨体积分数,改善CKD-MBD导致的骨质疏松[43]。此外,1,25-(OH)2D/ FGF23/α-Klotho信号轴也是发挥中药单体成分作用治疗CKD-MBD的关键信号轴。苏宝林等[44]研究发现,骨碎补总黄酮可通过1,25-(OH)2D/FGF23/α-Klotho信号轴,下调骨特异性碱性磷酸酶表达,上调α-Klotho蛋白、1,25-(OH)2D和钙的表达,改善CKD-MBD造成的骨矿物质和骨代谢紊乱。同时,PTH/FGF-23/1,25-(OH)2D/维生素D受体(vitamin D receptor,VDR)/钙敏感受体(calcium sensing receptor,CASR)信号通路也是中药单体成分通过调节FGF23治疗CKD-MBD的关键信号轴。Zhang等[45]在一项研究中发现,红景天苷和女贞子苷能通过PTH/FGF-23/1,25-(OH)2D/VDR/CASR信号轴,下调FGF23和CASR的表达,上调十二指肠活性钙转运蛋白和骨钙的表达,提高骨小梁体积和骨密度。值得注意的是,中药单体成分还能通过FGF23/α-Klotho信号轴调控BMSCs的成脂和成骨分化并影响破骨细胞的形成和骨吸收作用。研究发现,黄芪甲苷能通过调控BMSCs中FGF23和α-Klotho的蛋白表达水平,促进BMSCs的成骨分化[46]。在另一项研究中则发现,源于山茱萸、乌梅和女贞子等中药的乌索酸可以通过FGF23/α-Klotho信号轴下调BMSCs的成脂标志物PPARγ和aP2的表达,抑制BMSCs向成脂细胞分化,并证实乌索酸能提高Wt小鼠破骨细胞分化抑制因子(osteoclastogenesis inhibitory factor,OPG)/破骨细胞分化因子(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)比值、骨钙和骨小梁体积,促进新骨形成[47]。详见表1。

表1 中药单体成分靶向调控FGF23治疗CKD-MBD的作用机制

4.2 中药复方

目前,通过FGF23/α-Klotho、1,25-(OH)2D/FGF23/α-Klotho和PTH/FGF-23/1,25-(OH)2D三大信号轴调控钙磷代谢水平,纠正骨代谢失调,促进骨矿化和骨形成是中药复方在FGF23的介导下治疗CKD-MBD的主要作用机制。此外,有研究发现,骨细胞中VDR与配体1,25-(OH)2D结合后,能通过与维甲酸X受体(retinoid X receptor,RXR)形成异二聚体,并且在异二聚体进入细胞核内后识别并激活FGF23启动子区域的维生素D反应元件,从而启动FGF23的转录和表达[51]。最近的研究发现,中药复方也可以通过这一途径,即VDR/RXR/FGF23信号轴,下调FGF23的表达,从而降低肾损伤,纠正钙磷代谢及骨代谢紊乱,抑制骨组织形态结构改变[52]。详见表2。

表2 中药复方靶向调控FGF23治疗CKD-MBD的作用机制Table 2 Mechanism of targeted regulation of FGF23 in the treatment of CKD-MBD by traditional Chinese medicine

5 总结与展望

基于上述综述的研究现状,FGF23能通过多种途径及信号通路,影响CKD-MBD的病理进程,并且中药靶向调控FGF23治疗CKD-MBD具有较好的疗效和重要的研究价值。FGF23与α-Klotho蛋白、磷酸盐、钙、1,25-(OH)2D和PTH之间的调控机制已经基本明确,而铁、EPO、HIF、炎症和能量代谢与FGF23之间的影响机制研究取得了一定的进展,但是它们之间的具体影响机制仍不清楚,需要进一步的研究证实。FGF23通过这些途径对CKD-MBD的发生和发展产生了重要影响。现有的研究证实,在FGF23的介导下,中药主要通过FGF23/α-Klotho、1,25-(OH)2D/FGF23/α-Klotho、PTH/FGF-23/1,25-(OH)2D、PTH/FGF-23/1,25-(OH)2D/CASR和VDR/RXR/FGF23等信号轴调控了骨代谢并减轻了CKD-MBD的相关临床症状。然而,中药虽然能通过靶向调控FGF23对治疗CKD-MBD有较好的应用价值,但绝大部分的中药单体成分和中药复方对CKD-MBD的作用机制仍不明确。因此,利用生物信息学和高通量测序等技术进一步筛选FGF23的作用靶点及对CKD-MBD有效的中药活性成分,并通过转录组学和共表达网络分析等方法深入研究在FGF23的介导下相关中药单体成分及中药复方对CKD-MBD的影响及作用机制,对丰富中药在微观层面防治CKD-MBD的理论基础及中药的进一步临床推广应用有重要意义。