慢性腎臟病骨礦物質代謝紊亂FGF23的血管鈣化機制

朱冬燕，陳 向，曹亞南，魏雅娟 綜述 任永強 審校

慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)，尤其是終末期腎臟病(end-stage renal disease，ESRD)患者面臨死亡風險增加，這些死亡風險大多數來源于心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)[1]。在終末期腎臟病患者人群中，心血管死亡風險是健康人群的10～100倍[2]。心血管系統結構和功能的改變，如血管內皮功能紊亂、動脈硬化、左心室肥厚(left ventricular hypertrophy，LVH)及血管鈣化(vascular calcification)，都促使心血管疾病風險增加。像高血壓、高脂血癥、糖尿病這些傳統心血管危險因素不能完全解釋CKD患者心血管疾病高發病率的原因。在一般人群中干預這些傳統心血管危險因素，并不能降低CKD患者的死亡率[3]。然而，研究發現在慢性腎臟病骨礦物質代謝紊亂(CKD-mineral and bone disorder, CKD-MBD)中出現的甲狀旁腺功能亢進、維生素D缺乏，這些相關的非傳統因素，有可能可以用來解釋CKD患者心血管疾病風險增加的原因。

成纖維細胞因子23(fibroblast growth factor23，FGF23)是新近發現的一種新型調節磷代謝的細胞因子。研究發現在CKD-MBD的最早期就可以檢測到血清FGF23水平升高[4]。另外，一項隊列研究發現，CKD患者FGF23濃度升高的出現時間要早于PTH、1,25(OH)2D、血清磷水平升高的時間[5]。其他一些臨床及實驗研究都支持FGF23是CKD-MBD中重要的調節因子這一想法。Jessica等[6]發現，FGF23水平與心血管事件的發生率及死亡風險呈正相關，目前考慮FGF23可能是影響CKD患者CVD的非傳統因素之一。筆者將圍繞FGF23在CKD-MBD血管鈣化機制中的研究進展作一綜述。

1 FGF23的生理學作用

FGF23是由骨原細胞和成骨細胞分泌產生的一種32-ku(251氨基酸)的蛋白。這表明骨組織不僅作為靶器官，還可以作為內分泌組織，與其他組織一同參與礦物質的代謝平衡。FGF23通過作用于腎組織中的受體復合物Klotho-FGFR1，引起高磷酸尿來減少鈣的生成[7]。Klotho蛋白是一種主要表達在腎臟遠端小管的Ⅰ型跨膜蛋白，也表達于甲狀旁腺細胞和腦脈絡叢上皮細胞[8,9]，是結合和激活FGF23受體所必須的輔受體[10]。有學者認為FGFR與Klotho的協調作用共同構成了FGF23受體。與單獨的FGFR相比，Klotho-FGFR復合物可提高FGF23與其受體結合的親和力和特異性[11]。通過轉基因方法Klotho蛋白缺失的小鼠和FGF23基因剔除的小鼠同樣出現血磷增高和1,25(OH)2D增高。但FGF23與Klotho的相互作用尚不明確。

FGF23的生理功能是調節血磷與1,25(OH)2D水平。FGF23可以通過抑制腎臟近曲小管上皮細胞刷狀緣上的鈉-磷協同轉運蛋白(sodium-phosphate cotransporter proteins, NaPi)Ⅱa和Ⅱc的內移和降解來增加尿磷的排泄，從而減少磷的重吸收。Shimada等[12]觀察發現，FGF23轉基因小鼠在血磷降低、尿磷增加的同時，近端腎小管NaPi-Ⅱa蛋白的表達顯著降低，而小鼠血中甲狀旁腺激素水平并無增加。研究表明，FGF23是通過下調編碼1α-羥化酶的CYP27B1基因表達來抑制維生素D的合成，同時上調編碼24-羥化酶的CYP24A1基因表達來促進活性維生素D的分解[13]。這一過程，不依賴于1,25(OH)2D/維生素D受體系統。

甲狀旁腺被認為是FGF23的另一個靶器官，作用調節甲狀旁腺激素(parathyroid hormone, PTH)的合成與分泌[14]。然而，FGF23是否能升高或降低PTH仍然存在一些爭議。Ben-Dov等[15]首次報道甲狀旁腺是FGF23的靶器官。這項研究發現大鼠甲狀旁腺組織中的FGF23可以抑制PTH分泌和PTH基因表達。另外一項體外實驗也證明了這一點[16]。然而，伴有繼發性甲狀旁腺功能亢進的CKD患者伴隨血清FGF23高水平，這一結果與FGF23可以抑制PTH分泌的作用相矛盾。這種現象，可能是由于尿毒癥存在FGF23抵抗狀態，這種可能性在尿毒癥大鼠模型中被證實[17]。

2 FGF23在CKD中的代謝

白冰等[18]應用酶聯免疫分析法檢測65例CKD3-5期未透析患者與15名健康對照組全段FGF23、Klotho和1,25(OH)2D3水平，研究結果顯示CKD患者血清FGF23水平隨腎功能下降而逐漸升高。在CKD的中早期，FGF23水平是正常的2～5倍。在腎功能進一步下降時，FGF23水平可以高達正常水平的100倍以上[19]。FGF23的升高早于血清磷、PTH、1,25(OH)2D水平改變的時間[20]。在CKD早期階段FGF23水平就已經升高的原因目前還尚未明確，可能的主要原因是損傷的腎臟有效容積減少，為了排泄飲食中攝入的過量磷而出現代償反應，導致磷潴留。還有可能原因是循環中FGF23分泌增加、清除減少。CKD患者Klotho缺乏或者是活性維生素D的使用，都會增加血清FGF23水平[21]。

3 CKD中的血管鈣化的機制

與一般人群比較，CKD患者具有較高的心血管疾病的發病率和病死率，血管鈣化是CKD心血管事件高發的主要原因之一。血管鈣化主要是指鈣磷結晶在心血管系統中的病理性沉積[22]。CKD患者廣泛的血管中膜鈣化造成動脈的僵硬度增加，順應性下降，增加了左心室負荷，導致左心室肥厚。隨著研究的深入，現已明確血管鈣化并非是簡單的鈣磷被動沉積于血管壁的過程，而是由細胞介導的受到高度調控的抑制因素與促進因素相互作用出現的復雜病理生理過程。其中，高血磷被認為是CKD患者血管鈣化的關鍵因素。越來越多的證據表明，高磷血癥與CKD中冠狀動脈、外周動脈和心臟瓣膜的鈣化均相關[23]。

血管鈣化的分子機制與骨骼礦化過程相似。血管平滑肌細胞(VSMCs)向成骨樣細胞轉分化促進了骨相關蛋白的表達和誘導細胞外基質礦化[24]。在體外實驗發現，磷酸鹽誘導血管鈣化同時加速VSMCs的成骨轉化[25]。細胞外磷酸鹽通過鈉磷協同轉運蛋白(人類PIT1、嚙齒動物PIT1和PTH2)來上調成骨基因例如Runx2、Msx2、Osx以及堿性磷酸酶、骨橋蛋白的表達，來介導VSMCs向成骨軟骨細胞表型轉化[26]。

4 FGF23與血管鈣化

一些小型臨床研究發現，高水平FGF23與血管鈣化相關。不管是在維持性血液透析人群，還是CKD保守治療人群中，血清FGF23水平升高都被認為是導致死亡率增高的危險因素[27]。研究表明，FGF23不僅是ESRD患者發生心血管事件的獨立危險因素，而且也是早期CKD患者和普遍人群發生心血管疾病的危險因素。FGF23水平對CKD患者發生臨床終點事件有重要的預測意義[28]。

近期，在一項關于CKD3-5期患者的前瞻性研究中，隨訪(35±3)個月后發現血清FGF23水平與冠狀動脈鈣化評分明顯正相關，研究發現有62.5%敏感性和75.9%特異性。在這項研究中，回歸分析結果顯示，FGF23水平與嚴重的冠狀動脈鈣化(評分>400)一同可作為全因死亡率的獨立危險因素[29]。在心血管死亡率高的CKD患者中，心臟瓣膜鈣化是一個共同發現[30]。在一項關于150例輕度至中度CKD糖尿病患者研究顯示，高FGF23水平是二尖瓣鈣化的獨立預測因子和心血管死亡率的危險因素[31]。王曉鴻等[32]研究顯示，FGF23與頸動脈內膜-中層厚度(IMT)嚴重程度呈正相關，且獨立于其他已知的危險因素，如年齡、糖尿病、高磷血癥等。Desjardins等[33]對142例CKD2-5期患者的觀察研究發現，FGF23水平升高與動脈鈣化指數呈正相關，與CKD分期和年齡無關。

研究顯示，CKD晚期高水平的FGF23與患者血管內皮損傷、動脈粥樣硬化、左心室肥厚及心功能減退等顯著相關[34]。Faul等[35]的研究發現，FGF23的升高，與超聲心動圖測定的射血分數減少，左室重量分數增高、向心性和離心性左室肥大發生率增高呈正相關。升高的FGF23可誘導劑量相關的心室肌層面積增加，并激活促肥大基因，FGFR阻斷劑可阻斷FGF23介導的心肌肥大，提示阻斷效應是通過表達于心肌細胞的FGFR介導的[36]。FGF23或Klotho活性改變影響左心室心肌重構及血管鈣化。由此得出，FGF23可以直接對心臟和血管產生毒性作用，或者通過1,25(OH)2D2的缺乏間接發揮作用。

除了FGF23，它的共受體Klotho也被廣泛研究在心血管疾病的潛在作用。現有資料表明，FGF23與Klotho之間存在緊密的病理生理聯系。腎功能下降的早期，可能由于腎臟生成Klotho減少，導致Klotho循環水平下降，Klotho的下降反饋性的促進了FGF23的分泌，來抑制繼發性外周血管阻力增加。這說明至少有一些CKD的心血管疾病可能是繼發于Klotho活性減少出現的。實際上，Klotho以膜結合形式和可溶性形式(s-Klotho)存在。循環中的s-Klotho來源于TM-Klotho脫落，是一種可溶性的分泌蛋白，來負責Klotho全身性的、具體的、獨立于FGF23的效應。CKD患者循環s-Klotho水平低于正常人，在CKD2期就可以檢測到它的減少。s-Klotho與腎小球濾過率(eGFR)、血清鈣正相關，與血清磷、PTH和FGF23水平負相關[37]。

5 總結和展望

FGF23的發現具有重要意義，不僅改變了我們對于CKD-MBD的理解，而且揭示了腎臟、甲狀旁腺、小腸和骨骼之間復雜的串聯和內分泌負反饋環路。在過去的10年中，越來越多的臨床數據顯示FGF23與CVD的聯系，近期轉化研究顯示CKD中FGF23和CVD可能存在直接的病理生理的聯系。很多國內外研究發現，循環血中FGF23水平的升高是CKD患者心臟結構、收縮及舒張功能改變、血管內皮功能異常、動脈粥樣硬化形成及血管鈣化的相關因素，盡管FGF23與血清鈣、磷等形成復雜的反饋調節系統，但FGF23對心血管系統的影響獨立于血清鈣、磷水平，與心血管事件的發生及死亡風險呈正相關。降低飲食磷攝入、應用擬鈣劑、合理應用活性維生素D是降低體內FGF23水平可行的干預措施。因此，通過加強或抑制FGF23活性，從而對CKD-MBD發生、發展進行臨床干預，建立新的治療途徑來降低心血管事件風險，有助于改善CKD患者的預后。

【參考文獻】

[1] Go A S, Glenn M. Chronic kidney disease and the risk of death, cardiovascular events, and hospitalization [J]. N Engl J Med, 2004, 351(13): 1296-1305.

[2] Foley R N, Parfrey P S, Sarnak M J. Clinical epidemiology of cardiovascular disease in chronic renal disease [J]. Am J Kidney Dis, 2005, 101(3):112-119.

[3] Wanner C, Krane W, M?rz W,etal. Atrovastatin in patients with type 2 diabetes mellitus undergoing hemodialysis [J]. N Engl J Med, 2005, 353(2): 238-248.

[4] Evenepoel P, Meijers B, Viaene L,etal. Fibroblast growth factor-23 in early chronic kidney disease: additional support in favor of a phosphate-centric paradigm for the pathogenesis of secondary hyperparathyroidism [J]. Clin J Am Soc Nephrol, 2010, 5(7): 1268-1276.

[5] Isakova T, Wahl P, Vargas G S,etal. Fibroblast growth factor 23 is elevated before parathyroid hormone and phosphate in chronic kidney disease [J]. Kidney Int, 2011, 79(12): 1370-1378.

[6] Kendrick J, Cheung A K, Kaufman J S,etal. FGF-23 associates with death, cardiovascular events, and initiation of chronic chronic dialysis [J]. J Am Soc Nephrol, 2011, 22(10): 1913-1922.

[7] Shimada T, Hasegawa H, Yamazaki Y,etal. FGF-23 is a potent regulator of vitamin D metabolism and phosphate homeostasis [J]. J Bone Miner Res, 2004, 19: 429-435.

[[8]] Eswarakumar Y P, Lax I, Schlissinger J. Cellular signaling by fibroblast growth factor receptor [J]. Cytokine and Growth Factor Reviews, 2005, 16(2): 139-149.

[[9]] Yu X, Ibrahimi O A, Goetz R,etal. Analysis of the biochemical mechanisms for the endocrine actions of fibroblast growth factor-23 [J]. Endocrinology, 2005, 146(11): 4647-4656.

[10] Yamazaki M, Ozono K, Okada T,etal. Both FGF23 and extracellular phosphate active Raf/MEK/ERK pathway via FGF receptors in HEK293 cells [J]. Journal of Cellular Biochemistry, 2010, 111(5): 1210-1221.

[11] Nitta K, Nagano N, Tsuchiya K. Fibroblast growth factor23/Klotho axis in chronic kidney disease [J]. Nephron Clin Pract, 2014, 128(1): 1-10.

[12] Shimada T, Kakitani M, Yamaaki Y,etal. Targeted ablation of FGF23 demonstrates an essential physiological role of FGF-23 in phosphate and vitamin D metabolism [J]. Journal of Clinical Investigation, 2004, 113(4): 561-568.

[13] Takaiwa K, Nagano N, Nitta K. Klotho/FGF23 Axis in CKD [J]. Contrib Nephrol, 2015, 185: 56-65.

[14] Komaba H, Fukagawa M. FGF23-parathyroid interaction: implications in chronic kidney disease [J]. Kidney Int, 2010, 77(4): 292-298.

[15] Ben-Dov I Z, Galitzer H, Lavi-Moshayoff T,etal. The parathyroid is a target organ for FGF23 in rats [J]. Joural of Clinical Investigation, 2007, 117(12): 4003-4008.

[16] Isakova T, Xie H, Yang W,etal. Fibroblast growth factor 23 and risks of mortality and end-stage renal disease in patients with chronic kidney disease [J]. JAMA, 2011, 305 (23): 2432-2439.

[17] Hofman-Bang J, Martuseviciene G, Santini M A,etal. Increased parathyroid expression of Klotho in uremic rats [J]. Kidney Int, 2010, 78(11): 1119-1127.

[18] 白 冰, 王彩麗,呂 麗，等. 慢性腎臟病患者血管鈣化與成纖維細胞生長因子23-Klotho軸的關系 [J]. 國際移植與血液凈化雜志, 2017,15(2): 17-22.

[19] Quarles L D. Role of FGF23 in vitamin D and phosphate metabolism: Implications in chronic kidney disease [J]. Exp Cell Res, 2012, 318(9): 1040-1048.

[20] Tsuchiya K, Nagano N, Nitta K. Klotho/FGF23 Axis in CKD [J]. Contrib Nephrol, 2015, 185: 56-65.

[21] Hasegawa H, Nagano N, Urakawa, I,etal. Direct evidence for a causative role of FGF23 in the abnormal renal phosphate handling and vitamin D metabolism in rats with early-stage chronic kidney disease [J]. Kidney Int, 2010, 78(10): 975-980.

[22] Shanahan C M, Crouthamel M H, Kapustin A,etal. Arterial calcification in chronic kidney disease: key roles for calcium and phosphate [J]. Circulation Research, 2011, 109(6): 697-711.

[23] Adeney K L, Siscovick D S, Ix J H,etal. Association of serum phosphate with vascular and valvular calcification in moderate CKD [J]. Journal of the American Society of Nephrology, 2009, 20(1): 381-387.

[24] Li X, Yang H.-Y, Mckee CE,etal. Role of the sodium-dependent phosphate cotransporter, Pit-1, in vascular smooth muscle cell calcification [J]. Circulation Research, 2009, 104(6):733-741.

[25] Speer M Y, Yang H Y, Brabb T,etal. Smooth muscle cells give rise to osteochondrogenic precursors and chondrocytes in calcifying arteries [J]. Circulation Research, 2009, 104(6): 733-741.

[26] Villa-Bellosta R, Bogaert Y E, Levi M,etal. Characterization of phosphate transport in rat vascular smooth muscle cells: implications for vascular calcification [J]. Arteriosclerosis Thrombosis and Vascular Biology, 2007, 27(5): 1030-1036.

[27] Isakova T, Wahl P, Vargas G S,etal. Fibroblast growth factor 23 is elevated before parathyroid hormone and phosphate in chronic kidney disease [J]. Kidney Int, 2011, 79: 1370-1378.

[28] Lee X Y, Ng H Y, Chiu T T,etal. Association of bone-derived biomarkers with vascular calcification in chronic hemodialysis patients [J]. Clin Clim Acta, 2016, 452(15): 38-43.

[29] Zhang M, Yan J, Zhu M,etal. Fibroblast growth factor 23 predicts coronary calcification and poor prognosis in patients with chronic kidney disease stages 3-5D [J]. Ann Clin Lab Sci, 2015, 45:17-22.

[30] Raggi P, Bellasi A, Gamboa C,etal. All-cause mortality in hemodialysis patients with heart valve calcification [J]. Clin J Am Soc Nephrol, 2011, 6: 1991-1995.

[31] Silva A P, Gundlach K, Büchel J,etal. Low magnesium levels and FGF23 dysregulation predict mitral valve calcification as well as intima media thickness in predialysis diabetic patients [J]. Int J Endocrinol, 2015, 2015: Article ID: 308190.

[32] 王曉鴻, 呂寶軍, 熊重祥, 等. 血液透析患者血漿FGF23水平與頸動脈粥樣硬化關系的研究 [J]. 中國中西醫結合腎病雜志，2011, 12(4): 321-323.

[33] Desjardins L, Liabeuf S, Renard C,etal. FGF23 is independently acciated with vascular calcification but not bone mineral density inpatients at various CKD stages [J]. Osteoporos Int, 2012, 23(7): 2017-2025.

[34] Sapir-Korren R, Livshits G. Bone mineralization in regulated by signaling cross talk between molecular factors of local and systemic origin: The role of fibroblast growth factor 23 [J]. Biofactors, 2014, 40(6): 555-568.

[35] Faul C, Anlaral A P, Oskouei B,etal. FGF23 induces left ventricular hypertrophy [J]. J Clin invest, 2011, 121(11):N4393-4408.

[36] Negri A L. Fibroblast growth factor 23：Associations with cardiovascular disease and mortality in chronic kidney disease [J]. Int Urol Nephrol, 2014, 46(1): 9-17.

[37] Di Marco G S, Renter S, Kentrup D,etal. Treatment of established left ventricular hypertrophy with fibroblast growth factor receptor blocked in an animal model of CKD [J]. Nephrol Dial Transplant, 2014, 29(1): 2028-2035.