焦磷酸鹽與慢性腎臟病血管鈣化

陳佩玲 綜述 龔德華 審校

血管鈣化常見于多種疾病，如動脈粥樣硬化、糖尿病(DM)和慢性腎臟病(CKD)等。較多的臨床研究表明，血管鈣化增加CKD患者的病殘率及死亡率[1-4]，對于終末期腎病(ESRD)患者而言，心血管疾病(CVD)更是其首要死亡原因。除傳統(tǒng)危險因素外，血管鈣化是一個非常重要的獨立危險因素。目前關于血管鈣化的具體發(fā)病機制尚不清楚，除與CKD患者礦物質(zhì)代謝紊亂因素相關外，還有其他一些因素同樣發(fā)揮著重要作用。其中諸多體外動物模型、臨床研究等均顯示焦磷酸鹽在防治血管鈣化方面起著重要作用。本文擬對焦磷酸鹽在體內(nèi)的代謝、與血管鈣化的關系及其具體調(diào)節(jié)機制予以綜述。

血管鈣化形成的過程

血管鈣化主要有兩種形式，一種是以內(nèi)膜動脈粥樣硬化斑塊形式的鈣化， 一種是以動脈中層鈣化為主(也被稱為“Monckeberg型中膜鈣化性硬化”)，多見于2型DM患者。而CKD患者則兩種形式都存在[5-6]。血管鈣化基本過程如下：在某種因素刺激下，血管內(nèi)膜或中層出現(xiàn)成骨細胞樣細胞，后者分泌形成細胞外膠原及非膠原蛋白基質(zhì)層，同時分泌基質(zhì)囊泡及形成凋亡小體附著于基質(zhì)層[7]，在此基礎上進一步啟動礦化沉積從而形成鈣化。15%～20%的鈣化灶還可能進展，出現(xiàn)骨樣結構，稱為骨化。因此血管鈣化有兩個關鍵性步驟，一是成骨細胞樣細胞的出現(xiàn)，二是礦化沉積過程。成骨細胞樣細胞的出現(xiàn)機制還并不完成清楚，目前認為可能來源于幾個方面：(1)血管平滑肌細胞(VSMC)的去分化，啟動轉(zhuǎn)分化的重要步驟是VSMC表達骨蛋白及成骨細胞分化因子RunX-2/Cbfα1上調(diào)，而促平滑肌細胞分化因子myocardin表達下調(diào)[8]。也有人認為血管壁存在一個SMC亞群，稱為鈣化血管細胞(calcifying vascular cells)，這些細胞在長期培養(yǎng)時具有自發(fā)形成結節(jié)和鈣化的特性。(2)循環(huán)中的間充質(zhì)干細胞，如CD14+單核細胞某些亞群具有轉(zhuǎn)分化潛能；(3)血管外膜的周細胞樣細胞遷移而來，這些細胞具有在不同的條件下可以分化成為平滑肌細胞、脂肪細胞、成纖維細胞、成骨細胞等的潛能。心臟瓣膜鈣化基本過程則為內(nèi)皮損傷，膽固醇沉積及炎性反應刺激啟動鈣化過程。

影響血管鈣化中鈣磷沉積的因素

羥基磷灰石(主要是碳磷灰石)是人體骨骼組織及鈣化組織中最主要的磷酸鈣晶體形式，通過磷酸八鈣和無定形磷酸鈣等中間體的固相反應形成，而非直接由鈣離子和磷酸鹽結合而成[9]。羥基磷灰石的前體來自二水磷酸氫鈣(CaHPO4·2H2O，也被稱為“磷酸氫鈣” )，是鈣化形成過程中的最初步驟。在生理pH值下，將近80%的磷酸根是HPO42-，剩余約20%是H2PO4-；除離子鈣之外，還有復合鈣(主要與檸檬酸和碳酸氫鈉結合)以及蛋白結合的鈣(主要是白蛋白)?；贑a2+和HPO42-的活度系數(shù)以及磷酸氫鈣的溶度積，理論上而言血漿中總鈣磷濃度乘積(Ca×P)需超過90 mg2/dl2(7.263 mmol2/L2)才會出現(xiàn)CaHPO4的沉淀，而實際臨床上細胞外液中鈣、磷酸鹽水平很少達到這個真正飽和的水平[9]。因此體內(nèi)骨的礦化和異位鈣化通常發(fā)生于Ca×P較低水平情況下。這種情況下的鈣磷乘積得以發(fā)生是因為基質(zhì)蛋白的存在，后者起到催化作用。根據(jù)鈣化的電荷中和理論，此類基質(zhì)蛋白中較高的甘氨酸含量有利于形成β轉(zhuǎn)角，從而與鈣離子結合起來，也使得磷酸鹽能夠在生理條件下以一種特定的構型與鈣結合形成磷灰石(圖1)。在骨組織和動脈中，此過程主要發(fā)生在I型膠原和彈性纖維中[10]。

圖1 血管鈣化的化學原理示意圖

血管鈣化中關鍵性步驟鈣磷的沉積是被動過程，不需要任何細胞功能輔助，而細胞在防止血管鈣化的作用則是通過合成分泌鈣化抑制因子來起作用。在細胞外液中存在廣泛的內(nèi)源性鈣化抑制因子，如小分子的枸櫞酸根及焦磷酸根，小-中分子蛋白如基質(zhì)-γ-羧基谷氨酸蛋白(matrix Gla protein,MGP)，胎球蛋白A(Fetuin-A)及骨保護素。當抑制因子缺乏或高磷血癥時，則會出現(xiàn)病理性鈣化。當鈣磷沉積形成新生晶體時，機體內(nèi)胎球蛋白A會與之結合形成膠體磷酸鈣(也被稱為“鈣蛋白”顆粒)從而防止其沉淀，而后者則通過體內(nèi)網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)被清除。

焦磷酸鹽在鈣化形成中的作用

焦磷酸(H4P2O7)，別名二磷酸，在化學上可通過2個分子的磷酸(H3PO4)加熱到一定程度后失去一個水分子而得到，稱為脫水縮合過程，具有強酸性。焦磷酸根具有很強的配位性，過量的P2O74-能使難溶的焦磷酸鹽(如Ca2+)溶解形成配離子。焦磷酸鹽是鈣結晶和沉積的有效抑制因子，長期以來這一特性也被運用于其他領域中，如焦磷酸鹽是防止牙菌斑形成的主要活性成分。它是通過與新生羥基磷灰石晶體結合影響其晶核從而避免晶體進一步生長而起作用，且在微摩爾濃度下(比生理鈣或磷酸鹽濃度低1 000倍以上)就可以產(chǎn)生完全抑制效應[11-12]。因此即使血管平滑肌局部偶有羥基磷灰石生成[13]，細胞外焦磷酸鹽的含量足以完全抑制羥基磷灰石晶體的進一步生長，從而起到抑制鈣化的作用[14]。

焦磷酸鹽的缺乏是一些以血管鈣化為主要表現(xiàn)的遺傳性疾病中的致病基礎。通過對這類遺傳性疾病的病理生理過程的研究闡明了焦磷酸鹽在體內(nèi)的重要作用及其可能代謝途徑。其中最典型的例子是特發(fā)性嬰兒動脈鈣化癥[15]。這是一種常染色體隱性遺傳病，因膜外核苷酸焦磷酸酶/磷酸二脂酶1(eNPP1)基因突變導致焦磷酸鹽合成減少，從而導致大中動脈的中膜和內(nèi)彈力層的嚴重鈣化，患兒在幼年即可出現(xiàn)關節(jié)周圍及主動脈的自發(fā)性鈣化，有的甚至在出生后幾周即死于嚴重高血壓[15]。在eNPP1基因敲除小鼠中亦觀察到類似的表型，通常此類患者及該類小鼠模型體內(nèi)血漿焦磷酸水平非常低,而使用焦磷酸鹽類似物——雙膦酸鹽可有效治療此類疾病[15-16]。

在錨蛋白(ANK)基因自發(fā)性突變的小鼠模型中，予以高磷飲食，會出現(xiàn)動脈中膜的鈣化以及進展性的關節(jié)僵硬[17]。ANK基因的產(chǎn)物是ANK膜蛋白，也稱之為錨蛋白，體外實驗顯示該膜蛋白可以轉(zhuǎn)運焦磷酸鹽[14]。從ANK基因敲除小鼠體內(nèi)取出的細胞進行體外培養(yǎng)可見細胞外焦磷酸鹽水平較低，而ANK基因過表達小鼠模型中細胞外焦磷酸鹽含量高[14]。人類的ANK基因突變會導致顱骨干骺端發(fā)育不良癥[18]，這是一種罕見遺傳性骨發(fā)育不良性疾病，主要特點是顱骨增生硬化伴長骨干骺端骨質(zhì)異常，但較少發(fā)生血管鈣化。

此外，在Hutchinson-Gilford早衰綜合癥(一種以血管鈣化為特征的極其罕見的先天遺傳疾病)小鼠模型中，因為存在多種類型的代謝異常[包括三磷酸腺苷(ATP)合成障礙和組織非特異性堿性磷酸酶(TNAP)表達和活性的增加]而顯示出細胞外焦磷酸合成的減少，導致血管鈣化的發(fā)生[19]，每日注射焦磷酸可防止鈣化的形成[19]。

焦磷酸鹽預防血管鈣化的能力最初是在維生素D中毒的動物模型中被證實，并隨之在離體培養(yǎng)的主動脈環(huán)和主動脈瓣中進行了驗證[20]。與之結構相似的雙磷酸鹽在內(nèi)的其他多磷酸鹽也具有這一特性，已有學者研發(fā)出無法水解的焦磷酸鹽類似物以預防異位鈣化發(fā)生。當血磷處正常水平范圍時，正常濃度的焦磷酸鹽足以抑制鈣化的形成，但是當血磷升高時，體內(nèi)焦磷酸鹽濃度相對不足，則易出現(xiàn)血管鈣化。也有體外研究證實血清焦磷酸鹽水平與鈣蛋白顆粒的形成相關[21]。

體內(nèi)焦磷酸鹽的合成及代謝

細胞外焦磷酸鹽是eNPP1通過水解細胞外ATP而產(chǎn)生，其產(chǎn)物還包括AMP(圖2)。eNPP1決定著體內(nèi)焦磷酸鹽的含量，體外實驗證實也影響培養(yǎng)血管平滑肌細胞和主動脈中焦磷酸鹽的含量。eNPP1功能的缺失與血管鈣化的發(fā)生密切相關[13-14]。而細胞外ATP則需通過胞吐機制和膜轉(zhuǎn)運蛋白從細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運而來，目前證實的此類轉(zhuǎn)運蛋白包括連接蛋白半通道，泛連接蛋白(pannexin)，囊性纖維化跨膜電導調(diào)節(jié)因子，多藥耐藥基因產(chǎn)物P糖蛋白(mdr)和磺酰脲受體等。細胞膜上的ANK對焦磷酸鹽也起重要作用，可能直接轉(zhuǎn)運焦磷酸鹽至胞外[22]，但也有人認為在生理條件下ANK無法直接轉(zhuǎn)運焦磷酸[13]，它對焦磷酸鹽的影響很有可能還是通過轉(zhuǎn)運ATP至細胞外而起作用。目前尚不清楚上述膜轉(zhuǎn)運蛋白中哪些起著主要轉(zhuǎn)運ATP的作用及在不同組織中的差異。循環(huán)中焦磷酸鹽的來源尚存爭議，但近期有研究結果顯示可能主要來源于肝臟[23]。該過程可能取決于膜蛋白ATP結合子亞家族C成員6(ABCC6)，但該膜蛋白不直接轉(zhuǎn)運ATP，具體機制尚需進一步研究。

焦磷酸根在體內(nèi)可被TNAP降解為磷酸鹽，因此TNAP在決定組織焦磷酸鹽水平以及鈣化過程中起著關鍵性作用(圖2)。一項研究證實，在非骨性組織中TNAP和Ⅰ型膠原的共表達足以誘導類似骨礦化過程[24]。TNAP在骨骼中高表達，避免了局部焦磷酸鹽的蓄積，確保正常骨質(zhì)的鈣化過程，因此TNAP的過度表達可增加體內(nèi)的骨骼礦化[25]。而在缺乏TNAP(低堿性磷酸酯酶癥)的患者和相應的小鼠模型中，血清焦磷酸鹽濃度顯著升高，血磷含量降低并伴有骨礦化障礙。TNAP在離體主動脈環(huán)內(nèi)的過度表達[13]以及體內(nèi)血管平滑肌上選擇性的表達[26]也可以誘導血管中膜發(fā)生鈣化，而后者是目前最佳的血管鈣化基因小鼠模型。使用TNAP抑制劑可以在體外實驗和彈性纖維假黃瘤的小鼠模型中預防血管鈣化的發(fā)生[27]。

圖2 細胞外焦磷酸鹽代謝途徑示意圖

焦磷酸鹽和血管鈣化

除傳統(tǒng)心血管危險因素外，促進CKD患者心血管鈣化相關因素包括甲狀旁腺激素(PTH)，PTH相關多肽，骨化三醇，糖基化終末產(chǎn)物，脂質(zhì)紊亂，同型半胱氨酸，瘦素-N3-脂肪酸及過量的鈣、磷。但臨床發(fā)現(xiàn)，相當部分透析患者即使存在與其他患者相當?shù)奈ｋU因素，在隨訪過程中并不發(fā)生血管鈣化。進一步研究發(fā)現(xiàn)，機體存在多種保護性機制，即鈣化抑制因子，以防止正常情況下鈣化的發(fā)生。目前甚至認為，CKD患者鈣化的發(fā)生，并不是由于危險因素存在所致，而是由于抑制因子缺乏導致。已發(fā)現(xiàn)的鈣化抑制因子包括胎球蛋白A、焦磷酸鹽、骨保護素及MGP[28]。而維生素K則通過影響MGP而起作用。

血管鈣化在慢性腎功能不全患者中較常見，尤其是終末期腎衰患者，在腎功能不全小鼠模型中也可觀察到此類現(xiàn)象。在血透患者中可檢測到血循環(huán)焦磷酸鹽水平的明顯下降。透析可以清除部分焦磷酸鹽，在透析后可觀察到焦磷酸鹽水平的明顯下降[29]。尿毒癥大鼠模型的研究結果顯示，血管平滑肌TNAP表達和活性顯著增加，體內(nèi)焦磷酸鹽水解增加，可能是血管鈣化發(fā)生的原因之一[30]。有研究顯示透析后血清TNAP活性會提高，部分原因可能是pH值的升高以及磷酸鹽水平的降低，兩者都直接提高了TNAP的活性[31]；其他一些尿毒癥毒素的清除也可以提高TNAP的活性。也有報道在尿毒癥動物模型中檢測到ABCC6表達的下降[32]。

以上研究結果均表明，焦磷酸鹽可能是一種有效的血管鈣化抑制因子，但由于焦磷酸鹽可直接抑制鈣化，因此可能會出現(xiàn)骨礦化被抑制這一潛在副作用。在一些腎功能衰竭的動物實驗中觀察到，使用焦磷酸鹽可以防止血管鈣化的形成，且并沒有出現(xiàn)骨形成被抑制的情況[33-34]，這可能是由于骨組織中TNAP的水平較高,局部焦磷酸鹽被水解，因此使用焦磷酸鹽對骨骼礦化影響較小。由于焦磷酸鹽可在胃中被水解，因此需要靜脈給藥，其血漿半衰期不超過30 min。臨床中可以通過使用雙磷酸鹽來解決這一問題，在動物實驗中發(fā)現(xiàn)，相較于焦磷酸鹽，使用較低劑量的雙磷酸鹽即產(chǎn)生抑制尿毒癥血管鈣化的作用[35]；目前臨床并未使用雙磷酸鹽來治療血管鈣化，原因主要在于要發(fā)揮作用需較大劑量，加之其主要清除途徑為腎臟，不易被骨骼中的TNAP水解，因此使用雙磷酸鹽時可能會伴隨骨形成抑制及無動力骨病的發(fā)生。此外，在使用焦磷酸鹽治療血管鈣化還需注意的一個可能并發(fā)癥為焦磷酸鈣沉積病，主要原因為焦磷酸根雖能抑制羥基磷灰石晶體形成，但其血液濃度升高后與鈣直接結合形成焦磷酸鈣卻溶解度小，易沉積于關節(jié)及骨表面出現(xiàn)臨床癥狀。

小結：焦磷酸鹽是鈣化的主要內(nèi)源性抑制因子，其代謝過程在血管鈣化中起著關鍵性作用，尤其是在慢性腎病患者。焦磷酸鹽本身作為治療藥物用于臨床還受其藥代動力學以及抑制骨形成等不良反應的限制，而一些通過靶向手段干預焦磷酸鹽代謝過程(例如使用TNAP抑制劑或eNPP1酶)來提高體內(nèi)焦磷酸鹽水平從而抑制鈣化發(fā)生的方式，有望成為治療血管鈣化的有效手段。