高鹽/腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)與骨代謝

陳瑞晗 陳珺*

1. 廣東藥科大學生命科學與生物制藥學院，廣東 廣州 510006 2. 廣東藥科大學生物資源與創(chuàng)新藥物研究中心，廣東 廣州 510006

骨代謝包括骨形成和骨吸收兩個方面，遺傳、種族、年齡、體重、環(huán)境、生活習慣、飲食營養(yǎng)及內(nèi)分泌等多種因素都將影響骨代謝過程，若各因素的綜合影響使得骨吸收大于骨形成，就會導致骨量流失，骨密度(bone mineral density，BMD)降低，骨微結構破壞，骨脆性增加，引發(fā)骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)。OP是最常見的老年病之一，隨著世界人口老齡化的趨勢日益明顯，OP帶來的公共衛(wèi)生問題和社會經(jīng)濟問題愈發(fā)突出，進一步探明病因并尋找新的防治思路和藥物靶點是OP臨床與基礎研究的當務之急。近年來，越來越多的研究證實高鹽攝入與骨量和骨密度直接相關[1-2]，而調(diào)節(jié)機體水鹽代謝的腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(renin-angiotensin-aldosteronesystem，RAAS)，在維持血壓穩(wěn)定和水鹽平衡的同時，也能影響骨代謝[3-6]。本文立足于RAAS系統(tǒng)，對高鹽攝入-水鹽代謝-骨代謝的關系展開綜述。

1 飲食攝入高鹽影響骨代謝

食鹽(NaCl)不僅是常用的烹飪調(diào)味料，也是人類生存最重要的物質(zhì)之一，具有維持機體滲透壓、參與調(diào)節(jié)體內(nèi)酸堿平衡和胃酸形成等重要生理功能。但過量攝入鹽分可能引起機體內(nèi)水鹽代謝失衡，并導致一系列疾病。NaCl攝入量與高血壓發(fā)病率、平均血壓水平密切相關[7]；高鹽飲食不僅可致小鼠心、肝、腎組織中超氧化物歧化酶活力降低，丙二醛含量升高，使心、肝、腎組織細胞發(fā)生損傷[8]，還可直接作用于免疫細胞、影響機體免疫內(nèi)穩(wěn)態(tài)的平衡[9]。高鹽攝入亦可能增加骨質(zhì)疏松風險，Titze等[10]以高鹽的飲食對鹽敏感性大鼠進行研究，結果發(fā)現(xiàn)高鹽飲食增加鹽敏感性大鼠尿鈉、鈣的排泄，造成脛骨BMD減少、骨量減少，說明高鹽攝入與骨丟失有直接關系。Woo等的臨床研究也證實65歲及以上受試者的總髖BMD、腰椎BMD與年齡、尿鈉/肌酐(Na/Cr)呈負相關，絕經(jīng)后婦女平均BMD隨著尿Na/Cr的增加而下降，與體質(zhì)量指數(shù)、飲食鈣攝入呈正相關，說明高鹽攝入會減少總髖BMD、腰椎BMD并增加絕經(jīng)后婦女OP的風險[1-2]。Kim等[11]對3635名絕經(jīng)后婦女的調(diào)查分析亦認為每日過度的鈉攝入量與較高的骨質(zhì)疏松患病率有關。此外，本課題組亦在動物實驗中觀察到高鹽飲食導致大鼠腰椎骨骨量下降，骨結構變差的現(xiàn)象，主要是成骨功能相關基因表達抑制，骨形成能力降低所致[12-13]。

2 高鹽引起鈣失衡和代謝性酸中毒，導致骨代謝失衡

早在1937年Harrison就指出，骨骼中不僅含有大量的鈣，也存在數(shù)量不小的鈉，約占體內(nèi)總鈉量50%的鈉離子存在于骨骼中，鈣/鈉比例約為 30∶1[14-15]。研究者們普遍認為，高鹽攝入在增加尿鈉排泄的同時也使尿鈣排泄升高，而鈣代謝失衡會影響正常的鈣磷代謝，導致骨重建和骨丟失增加的補償性反應而使骨質(zhì)流失[16]。長期大量攝入的NaCl也會降低動脈血漿中pH值和碳酸氫鹽的水平，而骨礦物質(zhì)的溶解度是高度pH敏感的，當pH下降到7.0以下，會刺激破骨細胞介導的骨吸收和抑制成骨細胞介導的骨形成，直接誘導骨礦物的溶解，最終導致骨鈣的凈損失；長期的鹽負荷還會減少磷酸鹽和碳酸氫鹽的重吸收，誘發(fā)代謝性酸中毒，刺激破骨細胞骨吸收，導致骨鈣丟失[17-18]。此外，鈉負荷導致水鹽代謝失衡、血壓增高，也是鈣代謝紊亂的誘因之一，由于甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)分泌增多，骨化三醇(1,25-(OH)2D3)也隨之增加，從而增加鈣的吸收速率，誘發(fā)過量的鈣丟失，增加骨重建[19]。臨床研究發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)后婦女的低鈣高鹽飲食會使尿鈣排出增多，血清鈣降低，PTH分泌亢進，最終導致高血壓和OP[20]；使用降壓藥物噻嗪類利尿劑可以減少尿鈣排泄，改善BMD[21]；Dvorak等[22]的體外細胞實驗亦證實噻唑類藥物能直接刺激成骨細胞成骨特異性轉(zhuǎn)錄因子(RUNX2)和骨橋蛋白的產(chǎn)生，增加礦化結節(jié)的形成。

3 高鹽與醛固酮-RAAS系統(tǒng)的相關性

RAAS系統(tǒng)主要由腎素、血管緊張素I(Ang II)、血管緊張素Ⅱ(Ang II)、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(angiotensin converting enzyme，ACE)、醛固酮(aldosterone，Ald)等構成，是人體內(nèi)重要的水鹽代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對心血管系統(tǒng)的正常發(fā)育，心血管穩(wěn)態(tài)、電解質(zhì)和體液平衡的維持，以及血壓的調(diào)節(jié)均有重要作用。Ald是RAAS系統(tǒng)的終產(chǎn)物，屬于類固醇類激素，主要作用于腎臟，負責調(diào)控鈉離子及水分的再吸收，是維持細胞外液容量和電解質(zhì)平衡的重要激素。Natarajan等[23]、Cavka等[24]的臨床研究證實高鹽飲食血漿腎素活性和Ald水平降低，RAAS系統(tǒng)受到抑制，上皮鈉運輸減少。Maia等[25]通過對雌性大鼠在妊娠前和妊娠期間高鹽飲食，發(fā)現(xiàn)母體腎臟ACE活性、Ang II均降低，而后代中雌性腎臟ACE活性較低，雄性腎臟Ang II較低。Nakagawa等[26]在鳥苷酸環(huán)化酶-A(GC-A)基因敲除小鼠中發(fā)現(xiàn)，高鹽飲食能夠增加Ald用藥組中GC-A 基因敲除小鼠的Sgk1的表達。因此，推測高鹽通過影響Ang II、ACE、Sgk1活性從而來調(diào)節(jié)RAAS。

4 醛固酮-RAAS系統(tǒng)與骨代謝的相關性

近年來的研究表明，Ald也具有促進氧化應激、致心肌纖維化、血管重塑等作用，與多種疾病的發(fā)生發(fā)展有關(如Bartter氏綜合征、Addison病等)。研究者們也注意到Ald水平變化對骨代謝的影響，并指出上皮細胞的醛固酮信號通路與骨代謝相關基因通路存在顯著相關性[27]。NR3C2和PIK3R1醛固酮信號通路參與骨代謝，其中NR3C2編碼MR、Ald通過與骨細胞、成骨細胞、破骨細胞上的MR結合從而促進成骨細胞分化，而PIK3R1編碼磷脂酰肌醇激酶3的亞基，通過調(diào)節(jié)成骨細胞和破骨細胞分化來參與骨代謝。此外，PRKCH和SCNN1B可能是影響骨代謝的潛在候選基因，即醛固酮信號通路可能通過編碼骨代謝相關基因而誘發(fā)OP。Jaffe等[28]通過免疫印跡和腺病毒啟動子報告基因分析證實Ald通過獨立于骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein 2，BMP2)成骨途徑的機制來激活內(nèi)源性鹽皮質(zhì)激素受體(mineralocorticoid receptor，MR)促進鈣化血管細胞(calcifying vascular cell，CVC)的成骨細胞分化和礦化，并伴有成骨指標基因(alkaline phosphatase，ALP)的增加。另外，Ald還能通過調(diào)節(jié)鈉氯共同傳運子(sodium chloride cotransporter，NCC)蛋白、上皮鈉離子通道(epithelial sodium channel，ENaC)影響骨代謝[29]。Runyan等[30]實驗發(fā)現(xiàn)大鼠高醛固酮會伴隨著尿鈣、尿鎂排泄的增加，繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進，骨吸收增加。臨床研究則發(fā)現(xiàn)充血性心力衰竭伴有繼發(fā)性醛固酮增多癥的老年患者出現(xiàn)了改變氧化還原狀態(tài)和組織消化(包括骨)的全身性疾病，其骨骼表現(xiàn)為BMD和骨強度大量下降，骨折發(fā)生增加，即使是短期的醛固酮增多癥也會使老年人面臨骨折的風險[31]。

研究發(fā)現(xiàn)，RAAS在參與血壓調(diào)節(jié)的同時也能調(diào)控破骨細胞的骨吸收作用，RAAS系統(tǒng)中的AngII不僅能顯著增加酒石酸抗性酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase，TRAP)陽性多核破骨細胞的數(shù)目，同時還能誘導成骨細胞中RANKL受體活化劑的表達，提高成骨細胞線粒體中活性氧和超氧化物水平，促進破骨細胞活化，損傷成骨細胞中的線粒體DNA(mtDNA)，導致成骨細胞凋亡，而這些作用受AngII 1型受體(AT1)阻斷劑(奧美沙坦)和絲裂原-活化蛋白激酶抑制劑的抑制[5-6]。另有報道稱骨組織局部腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin system，RAS)能夠通過經(jīng)典(ACE-AngⅡ-AT1R軸)和非經(jīng)典(ACE-AngⅡ-AT2R軸)途徑共同維持血壓穩(wěn)定和水鹽平衡，RAS由AngII、ACE、AT1和AT2組成，成骨細胞上有AT1和ACE的表達，RAS還能促進前成骨細胞表達NF-κB配體和基質(zhì)金屬蛋白酶，抑制成骨細胞分化，誘導前破骨細胞、間接刺激破骨細胞形成，導致骨吸收增加，OP發(fā)生[3-4]。Shimizu等[6]對去卵巢大鼠施用Ang II[200ng/(kg·min)]，能加速TRAP活性增加，并伴隨骨密度顯著降低和尿脫氧吡啶啉增加；而對自發(fā)性高血壓大鼠構建的去卵巢模型大鼠，采用奧美沙坦(一種AngII受體拮抗劑)治療能明顯減弱卵巢切除術誘導的BMD降低、TRAP活性和尿脫氧吡啶啉增加。

另外，Bayorh等[32]研究發(fā)現(xiàn)，長期高鹽飲食的大鼠雖然血漿中Ald和Ang II水平降低，但心臟局部獨立的RAAS活性增加，心臟組織中的血漿AngII的表達增高，Ald濃度亦升高。而Michel等[33]的實驗證明，長期高鹽飲食會抑制循環(huán)血中腎素的釋放和RAAS系統(tǒng)的激活，這可能是機體在早期高鹽攝入時出現(xiàn)的代償機制，以便于促進鈉排出體外。

綜上所述，醛固酮-RAAS系統(tǒng)可以通過編碼骨代謝相關基因，調(diào)控成骨細胞和破骨細胞功能而影響骨代謝過程。

5 高鹽-Ald-ENaC參與調(diào)節(jié)骨代謝

上皮鈉離子通道(epithelial sodium channel，ENaC)是細胞膜上的一種糖基化大分子蛋白，屬于ENaC/DEG超基因家族，是非電壓依賴性鈉離子通道蛋白，它通過活性和開放概率的變化來調(diào)節(jié)Na+的轉(zhuǎn)運速率，維持細胞內(nèi)外Na+的平衡[34]。20世紀90年代末已有研究證實 UMR-106成骨細胞樣細胞系和原代培養(yǎng)的人成骨細胞中都表達ENaC，且α-ENaC整個編碼區(qū)的cDNA克隆序列與從大鼠結腸克隆得到的α-ENaC序列相同[35]。研究發(fā)現(xiàn)環(huán)磷酸鳥苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)、氮氧化合酶(NO synthetase，NOS)、電壓敏感性鈣通道(voltage-sensitive calcium channels，VSCCs)和環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase 2，COX2)等都參與了ENaC的調(diào)節(jié)[36-41]。本課題組的前期研究也從多角度探討了ENaC參與調(diào)節(jié)骨代謝的作用。體外細胞實驗證實ENaC/Na+的變化能調(diào)節(jié)大鼠、小鼠成骨細胞增殖分化并影響成骨功能指標基因和蛋白的表達，并且發(fā)現(xiàn)Na+對成骨細胞的影響具有雙向作用[15，42-43]；動物實驗發(fā)現(xiàn)飲食中攝入較低鈉鹽有利于幼鼠骨骼生長，給予高鹽飲食的幼鼠骨量減少、血清Ald水平明顯降低[44]。此外，在針對ENaC調(diào)節(jié)因素和相關信號通路的研究中發(fā)現(xiàn)，雌激素、糖皮質(zhì)激素、中藥提取物/中藥含藥血清等作用于成骨細胞后，均可能通過ENaC這一胞膜受體調(diào)節(jié)其他成骨功能相關基因[45-49]；而外源性給予cGMP可以通過直接作用于ENaC，或通過cGMP/pKGⅡ/ENaC通路實現(xiàn)促成骨作用[50]。

ENaC也是Ald調(diào)控Na+重吸收，實現(xiàn)電解質(zhì)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和酸堿平衡并維持血壓作用的主要靶點。Ald與MR結合后能夠激活Sgk1信號通路，從而使Medd-2磷酸化，而后者可以激活ENaC[51]。Chen等[52]用Ald處理細胞培養(yǎng)物導致MR遷移到細胞核室，并且能刺激人類骨髓內(nèi)皮細胞中的ENaC從頭合成；可溶性MR和膜結合的ENaC與細胞微管蛋白原位共定位，導致內(nèi)皮細胞體積增加，并且能在高血壓的情況下調(diào)節(jié)血管生成。

Beavan等[53]對新生兒肋骨和成人髂骨活檢標本的研究發(fā)現(xiàn)，骨細胞、成骨細胞、破骨細胞以及軟骨細胞組織上也存在MR。劉德鳳等[29]發(fā)現(xiàn)大鼠高鹽飲食時Ald減少，腎遠端小管NCC及ENaC的表達減少，反之，低鹽飲食時Ald增多，NCC及ENaC的表達增多。而高Ald/鹽的大鼠在應用螺內(nèi)酯等Ald受體拮抗劑干預后，BMD增加，并減少甲狀旁系功能亢進和骨丟失[54]。因此，推測Ald可能通過骨功能細胞上的MR調(diào)節(jié)ENaC而影響骨代謝。

6 小結

綜上所述，高鹽攝入影響骨代謝已經(jīng)有多方面的研究和證據(jù)支持，長期高鹽攝入不利于骨健康的現(xiàn)象也越來越受到重視，但高鹽導致骨代謝失衡的機制目前仍未完全清楚，本文主要以ENaC-RAAS系統(tǒng)為切入點來綜述高鹽影響骨代謝的可能機制，進一步探究鈉鹽及其調(diào)控因素與骨代謝之間的內(nèi)在聯(lián)系與機制，闡明水鹽代謝和骨代謝的關系，對于預防和治療骨代謝疾病具有重要意義。