FGF23/Klotho在急性腎損傷中的研究進展

廖甄楠 李強 宋卓恒 曹銳 李偉龍, 王潔 戴洪波 欒韶東 胡波尹良紅，4

1暨南大學附屬第一醫院腎內科，廣州 510000；2東莞市中醫院內十科（腎病），東莞523005；3深圳市龍華區中心醫院腎內科，深圳 518110；4廣州市恩德氏醫療制品有限公司，廣州 510663

急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）是一種具有復雜臨床表現的綜合征，不僅增加患者的病死率，亦對長期預后產生不良影響。AKI在全球住院患者中具有較高的發病率，幾乎占重癥監護患者的30%～60%［1］。在AKI發生后，血清中成纖維生長因子23（fibroblast growth factor 23，FGF23）水平迅速上升，a-Klotho（以下稱“Klotho”）表達下降。這兩種指標的變化被認為是預測AKI預后的新型生物預測標志。過去十年中，研究認為FGF23與膜結合型Klotho作為復合受體通過增加磷酸鹽排泄并減少1，25-二羥基維生素D3［1，25 dihydroxyvitamin D3，1，25-（OH）2D3］的產生來調節鈣磷代謝，從而導致礦物質代謝紊亂，增加慢性腎臟病（chronic kidney disease，CKD）的預后風險［2］。然而越來越多的研究發現在AKI發生后及慢性腎衰竭早期，機體鈣磷代謝紊亂還未出現時已經觀察到FGF23水平上升和Klotho表達下降。FGF23還與鐵代謝、促紅細胞生成素、炎癥等存在雙向作用［3］。而可溶性Klotho則獨立于FGF23發揮改善足細胞結構、降蛋白尿、調節氧化應激和炎癥反應、抑制纖維化、調節鈣磷代謝、抑制成骨分化和保護血管等功能。因此，近期觀點認為調節FGF23升高和Klotho表達下降的機制與急性炎癥、氧化應激、缺血再灌注損傷等因素密切相關。與此同時，相關發現使得FGF23和Klotho不僅作為CKD鈣磷代謝紊亂的治療靶點，還為延緩AKI進展和改善腎臟預后提供了新思路。

FGF23的結構和來源

成纖維細胞生長因子為共享同一個核心區域的多肽家族。在FGF家族成員中，包含3個外顯子的FGF23基因編碼具有251個氨基酸，前24個氨基酸序列顯示FGF23是分泌蛋白的信號肽。FGF23分布于全身血液中，作為介導系統功能的關鍵激素［4］。目前人血清中可檢測到的FGF23包括完整形FGF23（iFGF23）以及C末端FGF23（cFGF23）［5］。

FGF23主要來源于骨細胞和成骨細胞，是鈣磷代謝調節的重要激素。FGF23與在多種組織中表達的單次跨膜成纖維生長因子受體結合發揮作用，包括4種不同的成纖維生 長 因 子 受 體 亞 型（FGFR1-4）［6］。其 中FGF23與FGF1-Klotho形成復合受體，介導磷酸鈉共轉運蛋白（NaPi2a和NaPi2c）在近端腎小管細胞頂膜上的表達減少來增加尿磷酸鹽排泄，進而降低血磷。在鈣調節方面，FGF23通過降低了25-羥維生素D-1α-羥化酶在腎臟的表達同時增加了25-羥維生素D-24-羥化酶的表達來降低循環中1，25-（OH）2D3含量，間接影響鈣吸收［7］。

一直以來，FGF23被證明在CKD患者中表達升高且提示預后不良，可能原因與骨-腎-甲狀旁腺代謝軸功能異常有關［8］。甲狀旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）和高磷酸水平均被證明為刺激FGF23升高的重要因素。然而不少研究發現FGF23還能在心臟、肝臟和骨髓等組織器官中表達，并獨立于Klotho發出信號［9］。結合最近研究結果，鐵缺乏、促紅細胞生成素和慢性低氧血癥與FGF23升高密切相關［10］。可以預測，FGF23調節不僅僅局限于鈣磷代謝途徑，還通過其他因素影響腎臟預后。

Klotho的結構與功能

Klotho于1997年被發現為與衰老相關的基因［11］。該基因編碼一個130 kDa的單程跨膜蛋白，該蛋白由2個胞外域（KL1和KL2）、1個跨膜域和1個短的細胞增塑尾部組成。目前血清中檢測到的Klotho主要有2種形式：膜結合型和分泌型［12］。

Klotho在調節礦物質代謝穩態方面起著重要作用。具體而言，膜結合型的Klotho主要在腎臟和腦部表達，主要充當FGF23與FGFR1結合的共受體，協助并放大FGF23的作用效應，而可溶性Klotho則充當內分泌物質，介導多種信號通路以改善足細胞結構、降蛋白尿、調節氧化應激和炎性反應、抑制纖維化、調節鈣磷代謝、抑制成骨分化和保護血管功 能 等［7，13］。Klotho在 近 端 小 管 中 通 過 酶 聯 轉 運 蛋 白（NaPi-2a，NaPi-2c）的糖基修飾來調節鈉偶聯的磷轉運蛋白，從而抑制腎磷的排泄［14］。

在鈣代謝方面，Klotho一方面作為維生素D信號通路的抑制劑；另一方面在循環中通過在腔質膜中捕獲鈣通道來激活瞬時受體陽離子通道亞家族V成員5促進遠端腎小管鈣的重吸收［15-16］。此外，Klotho增加了Na-K-ATPase 1-亞基的活性，該亞基激活了鈉鈣交換劑-1的基底外側鈣出口。還有研究證明Klotho可控制腎的鈣穩態和調節腎外髓鉀通道1。

Klotho被證明是一種細胞保護蛋白，可防御氧化應激和缺血再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury，IRI）。炎性細胞因子、尿毒癥毒素（如吲哚硫酸鹽和對甲酚硫酸鹽）、高磷酸鹽血癥、低1，25-（OH）2D3、氧化應激以及腎素-血管緊張素-醛固酮的激活等因素可下調Klotho表達［17］。過氧化物酶體增殖物激活的受體-γ激動劑、腎素-血管緊張素-睪酮系統阻滯劑和他汀類藥物會上調Klotho的表達［18-19］。

FGF23/Klotho在AKI中的表達

1、FGF23在AKI中升高

第1個AKI患者中檢測到FGF23明顯升高的報告來自Leaf等［20］于2010年發表的病例報告，該病例描述了1例因橫紋肌溶解導致AKI的45歲男性，發現其循環中較低水平1，25-（OH）2D3和高水平的PTH，進一步檢測患者血漿cFGF23水平升高。研究者認為FGF23水平升高對細胞色素P450 27B1的抑制作用或降低25-羥基維生素D轉化率恰好解釋患者血清中1，25-（OH）2D3的降低同時伴有PTH升高。隨后Leaf等［21］在一項涉及30例AKI患者的對照實驗中發現，AKI發生24 h及5 d后患者的FGF23水平顯著高于非AKI對照組。FGF23水平與25-羥基維生素D和1，25-二羥基維生素D均呈負相關，與磷酸鹽和PTH均呈正相關。證明FGF23是一種礦物質異常的敏感標志且FGF23升高對細胞色素P450 27B1產生抑制作用。然而在這項研究中，腎功能正常的住院患者中FGF23的水平亦有升高。FGF23升高的具體調節機制尚未進行深入研究。

此后研究員們在各種AKI環境中對嬰兒、兒童、老年人和成人進行了cFGF23的測量，Zhang等［22］報道了成年重癥AKI患者的血漿cFGF23中位數水平顯著升高。Brown等［23］的另一項研究證實，FGF23與社區老年人的AKI住院風險較高獨立相關。Hanudel等［24］發現輕度AKI患者cFGF23水平升高且比iFGF23持續升高時間更長，可能表示FGF23裂解機制發生調整，但總體支持FGF23在AKI早期即迅速升高，裂解亦顯著增加；另外，該研究提出，慢性低氧血癥與FGF23升高機制相關。當輕度AKI發生時，FGF23裂解增加，cFGF23快速升高，抑制鈣吸收，增加磷排泄。隨著AKI進展，FGF23持續升高，作用于其他器官組織靶點，引起慢性炎癥和腎單位損傷等，最后導致AKI患者預后不良及高病死率。

2、FGF23在AKI中升高的相關機制

在AKI發生后，大量研究證明FGF23表達升高，先于其他已知的標記物，如中性粒細胞明膠酶相關的脂蛋白和血清肌酐，且FGF23升高伴隨著1，25-（OH）2D3表達下降和PTH升高［25］。因此既往觀點認為腎損傷繼發的PTH升高和高磷酸血癥是刺激FGF23的主要因素。然而近期研究顯示FGF23的增加可獨立于PTH和維生素D信號傳導且部分獨立于飲食中的磷酸鹽增加［26］。FGF23可以在分化的腎小管中異位表達，鐵參與了FGF23的代謝調節［27-28］。在氧化應激方面，慢性低氧血癥與FGF23表達相關以及較高的cFGF23水平與炎癥標志物（IL-6等）升高獨立相關［29］。代謝組學研究提出，腎靜脈3-磷酸甘油酯（glycerol-3-phosphate，G-3-P）與FGF23升高具有緊密相關性。在小鼠模型中，外源G-3-P通過局部G-3-P酰基轉移酶介導溶血磷脂酸合成進而刺激骨髓產生FGF23［30］。一項針對入院后48 h發生AKI的膿毒敗血癥患者的隊列研究發現，患者循環中的FGF23與促紅細胞生成素均早期增加，支持促紅細胞生成素及其受體參與誘導FGF23在AKI患者循環中高表達的假設［31］。

可以提出，早期cFGF23升高是由于炎癥等因素刺激骨細胞分泌增加、腎清除率降低以及裂解增加。隨著病情進展，腎小管損傷引起FGF23異位產生增加，同時因腎單位丟失導致礦物質代謝、鐵代謝紊亂，正反饋調節FGF23表達。急性炎癥漸漸發展為慢性炎癥的同時，FGF23表達長期處于高水平狀態，進一步預示腎預后不良，其中G-3-P、促紅細胞生成素等與FGF23高表達密切相關。

3、Klotho在AKI中的減少

關于Klotho在AKI中表達的意義似乎在不同研究中存在爭議，然而多數研究顯示Klotho在慢性腎衰竭進展期和AKI中均表達下降［32］。2項研究報道了患有AKI的嚙齒動物具有迅速而嚴重的Klotho蛋白降低并且這種減少在腎臟恢復后是完全可逆的。Hu和Moe［33］誘發不同Klotho水平小鼠的CKD和AKI模型。在AKI模型中，Klotho缺乏小鼠在基線時血漿，腎臟和尿液中的Klotho蛋白水平低于基線。相反，與正常Klotho水平AKI小鼠相比，Klotho過表達小鼠對IRI損傷的抵抗力更高。這些結果表明，Klotho缺乏加劇腎功能損害，Klotho過表達延緩小鼠AKI發展，使Klotho不僅作為一種生物標志物，更有機會作為延緩AKI發展并改善預后的靶向治療藥物。

4、Klotho在急性腎衰竭中降低的作用機制和腎損傷保護作用

在IRI誘導的AKI小鼠模型中，Klotho在短時間內的反應是上調，然后再下降。這表明腎臟損傷并非Klotho下調的唯一因素［34］。促炎細胞因子或氧化應激在細胞死亡前通過調節Klotho啟動子甲基化或脫乙酰化而降低Klotho表達。腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）和干擾素-γ降低了培養的腎上皮細胞中Klotho mRNA和蛋白水平外源給予TNF配體超家族成員12（TNFSF12）降低了Klotho的腎臟表達［35-36］。

近期研究發現，Klotho通過抑制炎癥反應，減輕氧化應激對腎臟進行保護，有效延緩腎臟纖維化［37］。補充重組Klotho減輕了AKI小鼠模型中升高的凋亡標記和氧化應激，并改善了細胞活力，改善了腎臟纖維化［38］。Klotho過度表達模型通過失活核因子-κB（NF-κB）信號轉導刺激巨噬細胞M2極化抑制了尿毒癥毒素誘導的炎癥反應并減輕小鼠心臟肥大和腎纖維化［39］。其中甲基蓮心堿通過抑制NF-κB的活化和上調Klotho的表達減輕AKI模型的腎臟損傷［40］。另外，Nyera等［32］的研究Klotho/Cr和FGF23（包括完整形FGF23和cFGF23）水平2項指標的改變與腎臟損害相關。壞死抑制蛋白1（necrostatin-1）可以通過其抗壞死、抗凋亡、抗炎性抗氧化劑并保留Klotho表達并激活腎臟自噬作用而對抗由順鉑誘導的腎毒性。富氫鹽水通過保留Klotho表達并激活腎臟中的自噬而發揮腎臟保護作用。

小結與展望

上述研究闡明，FGF23主要由骨和成骨細胞分泌，在心臟、肝臟和骨髓中均有表達。FGF23通過Klotho的支架作用與FGF受體形成共受體，調節遠端腎小管磷排泄增加，鈣吸收減少。Klotho被認為具有腎臟保護作用，除了與FGF23形成骨-腎-骨軸對鈣磷代謝進行調節，還獨立于FGF23發揮改善足細胞結構、降蛋白尿、調節氧化應激和炎癥反應、抑制纖維化、調節鈣磷代謝、抑制成骨分化和保護血管作用等功能。在AKI中，FGF23迅速升高和Klotho表達下降被認可為腎臟預后不良的敏感生物學標志。FGF23和Klotho表達改變的相關機制仍未有明確定論，但近期各項研究均提及炎癥損傷、氧化應激等參與介導這兩者與AKI之間的關系，表示腎臟損傷不是FGF23和Klotho調節通路的唯一因素。且有研究提出FGF23可作為AKI啟動透析治療的生物標記［41］。雖然目前仍缺乏大量實驗數據支持。實驗動物研究顯示Klotho過表達狀態動物和誘導AKI后給予重組Klotho可加速腎臟恢復，減少腎臟纖維化。

綜上所述，FGF23和Klotho在保護AKI患者腎功能、延緩病情進展以及作為生物學標志物方面發揮重要的作用，且作為治療靶點改善患者腎臟預后方面具有較好的潛力。