FGF23/Klotho在骨質疏松與血管鈣化共病機制中的研究進展

張元霞，周 萍，馬 蘭，王麗平，王秋軍，林 琳

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院老年病科，哈爾濱 150000)

骨質疏松和血管鈣化均為伴隨衰老而發(fā)病率增高的退行性疾病，受多種因素影響。隨著社會人口老齡化，兩者已成為嚴重威脅我國人口健康的高發(fā)疾病。骨質疏松癥是一種全身代謝性骨病，以骨量減少和骨超微結構破壞為特征，可導致骨脆性增加，甚至骨折。血管鈣化是指血管壁上出現(xiàn)鈣鹽沉積，其發(fā)生與心腦血管疾病的進展密切相關。既往認為，骨質疏松和血管鈣化沒有聯(lián)系，且兩者共存時，除了年齡是共同因素外，均有各自獨立的發(fā)病機制。然而近年來，涌現(xiàn)出許多關于骨質疏松和動脈硬化共同發(fā)病機制的研究報道，并提出骨-血管軸的概念[1]。血管鈣化的形成過程是一個與骨發(fā)育相似的主動的、可預防和可逆轉的高度可調控的生物學過程，血管鈣化和骨質礦化擁有許多解剖和病理生理上的共同特征，血管鈣化不僅僅是一個鈣和磷酸鹽沉積及吸收的被動過程，而且是使鈣及磷酸鹽高度有序組織的骨礦沉積的過程。近年來的熱點研究機制主要包括RANK/RANKL/OPG系統(tǒng)、氧化的脂質、胎球蛋白A、循環(huán)的鈣化細胞以及成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)23/Klotho軸等。本文主要闡述FGF23/Klotho在骨質疏松與血管鈣化共病機制中的研究進展。

1 FGF23/Klotho軸與血管鈣化

1.1 FGF23和Klotho的生物學特性

FGF23是FGF的家族成員，其基因定位于染色體12p13，由骨細胞和成骨細胞分泌后，在Klotho蛋白富集處發(fā)揮生物學效應。FGF23被認為是預測血管鈣化起因發(fā)展及鈣化程度的標志，近來出現(xiàn)的一些證據(jù)表明FGF23水平與動脈僵硬度、 血管內皮功能紊亂及嚴重的全身動脈硬化顯著相關[2,3]。

Klotho基因是由 Matsumura 等發(fā)現(xiàn)的位于13q12染色體上的一種新型基因，由5個外顯子和4個內含子組成，主要在腎小管、腦脈絡膜、垂體及甲狀旁腺等處表達[4]。Klotho蛋白包括膜鑲嵌型和分泌型兩類[5]。膜鑲嵌型Klotho可作為FGF23的共受體調節(jié)腎臟磷酸鹽的分泌及活性維生素D[1，25-dihydroxy vitamin D3，1，25(OH)2D3]的合成。分泌型Klotho蛋白是一種類似于內分泌因子的多功能蛋白，可參與心血管疾病，且已被證實能改善血管內皮功能障礙及延遲血管鈣化[6]。

FGF23與成纖維細胞生長因子受體(fibroblast growth factor receptor，F(xiàn)GFR)親和力較低，而膜鑲嵌型Klotho蛋白可與多種FGFR結合成復合物，參與 FGF23的調控。Klotho基因缺乏可使FGF-23與其受體的親和力下降，導致 FGF-23無法調節(jié)磷的代謝[7]。人體內Klotho蛋白的表達部位是目前已知的FGF23的靶器官，所以有學者提出Klotho-FGFR的共表達決定了FGF23作用的組織特異性[8]。

1.2 FGF23/Klotho與血管鈣化的作用機制

高血壓、糖尿病、高脂血癥等都是與心血管事件相關的血管鈣化的危險因素，但礦物質在脈管系統(tǒng)的積累對于血管鈣化也是同等重要的。研究表明低濃度的血清Klotho與血管功能障礙及血管鈣化有關[9]。FGF23/Klotho可以通過以下機制參與血管鈣化：(1)FGF23/Klotho可以劑量依賴性地磷酸化細胞外調節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)1/2，并促進磷誘導的鈣沉積，使血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)表型發(fā)生轉變，從而導致血管鈣化；(2)FGF23通過鈉磷協(xié)同轉運蛋白-2a(sodium-phosphate cotransporter proteins-2a，NaPi-2a)、NaPi-2b和NaPi-2c介導VSMC向成骨軟骨細胞表型轉化；(3)FGF23通過1，25(OH)2D3及甲狀旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)水平調節(jié)血清鈣磷濃度，從而誘導血管鈣化。

Klotho和FGF是FGF23發(fā)揮作用所必需的信號分子，F(xiàn)GF在主動脈及VSMC均有表達，而Klotho在主動脈表達。VSMC是血管鈣化細胞類型中最重要的一種，其在鈣化的環(huán)境中會發(fā)生表型轉變，比如向破-成骨細胞、骨細胞轉變，且高磷酸鹽會加速這種轉化[10]。有研究表明[11]，ERK1/2 信號轉導途徑對于離體實驗中FGF23促進大鼠VSMC的鈣化是必須的。FGF23本身并不影響鈣化，但它能促進高磷誘導的大鼠主動脈鈣沉積。正常VSMC由于Klotho的缺乏，F(xiàn)GF23不能磷酸化ERK1/2，也不能促進鈣沉積，但在Klotho過表達的VSMC，F(xiàn)GF23可以磷酸化ERK1/2，并促進磷誘導的鈣沉積。所以在不存在Klotho缺陷的情況下，F(xiàn)GF23可通過促進VSMC向成骨細胞表型轉化進而促進高磷誘導的血管鈣化。

體內磷代謝主要是通過腸、骨、甲狀旁腺和腎之間的相互協(xié)調。大部分磷酸鹽在腎臟的排泄主要通過近端小管上皮細胞上NaPi-2a和NaPi-2c介導的重吸收。FGF23可直接或間接調控NaPi活性，進而影響磷酸鹽平衡。當血磷水平升高時，F(xiàn)GF23可在Klotho蛋白富集的甲狀旁腺、腎臟等處發(fā)揮生物學效應，直接抑制近端小管刷狀緣上NaPi-2a和NaPi-2c協(xié)同轉運蛋白的表達，從而減少磷的重吸收[12]。另一方面，F(xiàn)GF23還可通過抑制1，25(OH)2D3，促進尿磷排泄，誘導磷的負平衡[13]。

血清FGF23水平與冠狀動脈鈣化的相關性獨立于血清磷酸鹽水平[14]。FGF23/Klotho軸參與血管鈣化部分是由于1，25(OH)2D3的缺乏，F(xiàn)GF23可參與調節(jié)維生素D合成。動物實驗發(fā)現(xiàn)，給嚙齒類動物靜脈注射重組FGF23 后，血漿中1，25(OH)2D3水平會明顯降低[15]。FGF23通過與FGFR和Klotho結合，下調編碼1α-羥化酶的Cyp27b1基因表達，抑制維生素D的合成，上調編碼24-羥化酶的Cyp24a1基因表達，促進1，25(OH)2D3的分解。相反，1，25(OH)2D3可刺激骨組織中FGF23的表達。但是1，25(OH)2D3抑制血管鈣化的作用是通過分泌型Klotho來衡量的[16]。Klotho和FGFR均可在甲狀旁腺組織表達。FGF23與甲狀旁腺上的FGFR-Klotho復合物結合，通過活化絲裂原活化蛋白激酶旁路發(fā)揮對甲狀旁腺合成的調控作用[17]。

2 FGF23/Klotho與骨質疏松

骨組織由破骨細胞吸收舊骨和成骨細胞生成新骨取代完成骨的轉換，其中骨代謝生化指標發(fā)揮重要的調節(jié)作用[18]。骨質疏松為多病因作用的結果，有研究表明，患有心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)的個體在骨質流失中面臨更大的風險，并且發(fā)生骨折的危險性更高[19]。另一方面，低骨量的個體在遭遇心血管事件時相對于骨量正常者死亡率更高[20]。FGF23缺陷小鼠表現(xiàn)出過早老化的表現(xiàn)(如動脈硬化、骨量減少、骨質疏松、軟組織鈣化、肺氣腫、性腺機能減退或全身性器官萎縮等)[21]。這與Klotho基因表達缺陷小鼠的表現(xiàn)有明顯相似性。多變量線性回歸分析表明[22]，可溶性aKlotho(sKlotho)與衰老和低水平FGF23顯著相關，且在各種并發(fā)癥和患者狀態(tài)中只有骨質疏松影響sKlotho和FGF23水平。FGF23與Klotho缺陷小鼠出現(xiàn)的過早衰表現(xiàn)可能是兩者的共同調節(jié)通路受到破壞的結果。FGF23被認為主要是通過FGFR調控血磷，1，25(OH)2D3和PTH間接影響骨代謝指標和骨的形成與重建。

FGF23作用于Klotho-FGFR復合物(即FGF23共受體)發(fā)揮其生物學作用。這也部分解釋了Klotho敲除小鼠與FGF23敲除小鼠表型相似的原因。骨細胞合成的FGF23可在腎小管上皮細胞中特異性結合FGFR1、3、4并與Klotho形成復合物來抑制腎臟中磷的重吸收，調節(jié)血磷平衡，間接影響骨骼的礦化。若Klotho缺乏，F(xiàn)GF23與FGFR親和力降低，會導致FGFR磷酸化抑制，從而使骨基質礦化能力下降。FGF23過度表達還可抑制成骨細胞分化，這說明FGF23不僅參與鈣磷代謝調節(jié)，也可能參與骨質疏松癥發(fā)生發(fā)展的過程調節(jié)，在骨質疏松發(fā)病機制中起著十分重要的作用。此外，1，25(OH)2D3和PTH也可影響鈣磷代謝指標。國外研究表明[23]，患甲狀旁腺功能亢進癥的男性其骨轉換生化標志物會明顯升高，且伴有顯著骨丟失。

Klotho和FGF23的產生均受到多種因素調節(jié)[24]，如：高磷飲食增高FGF23血清水平；慢性高磷血癥與FGF23高水平相關；1，25(OH)2D3可增加循環(huán)的FGF23，也可增加腎臟Klotho基因表達；人類血清FGF23與PTH相關。

FGF23與1，25(OH)2D3和PTH之間均可形成經(jīng)典的負反饋環(huán)路：體內維生素D可誘導FGF23的產生，相反FGF23在Klotho的輔助下可抑制維生素D的合成和促進維生素D的分解，從而調控維生素 D的代謝平衡。升高PTH可誘導FGF23表達增加，但FGF23也可抑制PTH的合成和分泌，這一負反饋環(huán)路易受到體內系統(tǒng)和局部復雜因素的干擾。FGF23和Klotho的主要作用是血磷和維生素D3的穩(wěn)態(tài)調節(jié)以及產生骨礦化等生物學效應，這提示上述各因素與原發(fā)性骨質疏松癥的發(fā)生發(fā)展有一定相關性。

3 FGF23/Klotho軸與血管鈣化及骨質疏松的共同機制

骨質疏松癥與血管鈣化是系統(tǒng)性病癥，均隨著年齡的增長而發(fā)生發(fā)展[25]。流行病研究結果提示骨質疏松和血管鈣化密切相關[26]。血管鈣化不但能引起心腦腎的病理變化，而且能造成骨組織的病理變化，表現(xiàn)為骨礦物質含量下降，嚴重時可導致骨質疏松。鈣磷代謝對血管鈣化及骨代謝的影響是深遠的。甲狀旁腺素和維生素D是參與鈣磷兩種礦物質代謝的重要激素，兩者在鈣、磷酸鹽代謝平衡及維持骨骼健康中扮演重要的角色。甲狀旁腺和維生素D與腎臟和骨骼之間相互存在由FGF23/Klotho介導的負反饋環(huán)路，構建了調節(jié)磷酸鹽內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的骨骼-腎臟-甲狀旁腺內分泌軸[27]。處于中心位置的FGF23/Klotho通過參與調節(jié)磷酸鹽代謝，從而影響血管鈣化及骨質疏松。

綜上所述，F(xiàn)GF23/Klotho是健康和疾病中礦物質代謝的重要調節(jié)者[28]。由FGF23/Klotho調節(jié)的鈣磷代謝紊亂是骨質疏松和血管鈣化發(fā)生的共同途徑，但具體機制仍有待我們進一步研究。從基因多態(tài)性及FGF23、Klotho及FGF23/Klotho軸等多角度研究骨質疏松和血管鈣化，可為骨質疏松和動脈硬化性疾病的防治提供新靶點，也可幫助我們闡明衰老的分子機制及內在本質，從而更好地指導易感基因人群預防及治療骨質疏松和血管鈣化，為延長人類壽命奠定基礎。

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