FGF23對慢性腎臟病的礦物質和骨代謝異常的作用及中藥干預的研究

錢朝良 邢濤 李向洲 韓李霞 楊博

1.甘肅中醫藥大學,甘肅 蘭州 730000

2.甘肅省中醫院,甘肅 蘭州 730000

慢性腎臟病的礦物質和骨代謝異常(chronic kidney disease-mineral and bone disorder, CKD-MBD)又稱腎性骨病,是慢性腎功能衰竭時由于1,25-二羥維生素D[1,25-dihydroxyvitamin D,1,25-(OH)2D]、甲狀旁腺素(parathyroid hormone,PTH)、鈣和磷等代謝紊亂而引起的骨礦物質和骨代謝異常性骨病,常以骨質疏松、骨痛、骨變形和骨折為主要臨床癥狀[1]。由于CKD-MBD在中老年人群中的發病率逐年升高、發病人群呈年輕化趨勢和治療費用昂貴,因此該病給患者帶來了沉重的經濟負擔和心理壓力,也是目前社會面臨的一個重大公共衛生問題[2]。CKD-MBD受多種致病因素影響,其發病機制尚不明確。由于成纖維細胞生長因子23(fibroblast growth factor 23,FGF23)對骨礦物質穩態發揮了關鍵作用,因此研究人員對其在CKD-MBD的發生和發展過程中的影響進行了深入研究[3]。中藥是治療CKD-MBD的主要方法之一,并且基于其良好的療效已經在臨床廣泛應用。目前,已有大量的研究證實中藥在FGF23的介導下對CKD-MBD有較好的療效。然而,目前尚無綜述闡釋中藥在FGF23介導下對CKD-MBD的影響及作用機制。因此,本文結合國內外相關文獻,闡釋了FGF23與CKD-MBD的關系,并進一步總結和分析了中藥靶向調控FGF23治療CKD-MBD的作用機制,以期為臨床應用中藥治療CKD-MBD提供新思路和理論基礎。

1 FGF23的結構與作用

FGF23屬于成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factors,FGFs)FGF19亞家族成員之一,是骨細胞和成骨細胞來源的一種內分泌型信號蛋白[3]。FGF23基因位于人類12號染色體上,其長度大約為8.5 Kb,分子量為32 kDa,含有251個氨基酸,由2個結構域組成,分別是n端的FGFs同源結構域和與共受體α-Klotho相互作用的c端結構域[4-5]。n端結構域是與FGFs受體結合的FGFs同源區,并且是特殊的β10-β12片層結構,這導致了FGF23與硫酸乙酰肝素的親和力較差,從而限制了FGF23的旁分泌效應[5]。c端結構域的主要功能是與共受體α-Klotho蛋白相互作用[6]。α-Klotho蛋白是抗衰老Klotho蛋白的一種,也是FGF23的輔助受體[6]。α-Klotho能激活并結合FGF23受體形成更具親和力的FGF23受體復合物,并且該受體復合物的形成是激活FGF23下游信號通路和介導其生物活性的前提[5]。成纖維細胞生長因子受體(fibroblast growth factor receptor, FGFR)是酪氨酸蛋白激酶,有4種基因編碼,分別是FGFR1、FGFR2、FGFR3和FGFR4[7]。由于α-Klotho不易與FGFR2結合,而又易與FGFR的‘c’亞型結合,因此FGF23的信號主要通過FGFR1c、FGFR3c和FGFR4c傳遞[8-9]。此外,FGFR1與FGF23親和力最高[8]。由于FGF23受體廣泛存在于人體的各個組織中,因此在這些組織中是否同時存在α-Klotho蛋白就決定了該組織是否是FGF23的潛在靶器官[10-11]。由于蛋白水解是調節FGF23活性的主要機制,因此人體中存在著2種主要的FGF23形式,分別是全段完整型FGF23(iFGF23)和FGF23的蛋白水解裂解產物[8]。FGF23蛋白在176～179位精氨酸處被蛋白水解為N端(25-FGF23-179)和C端(cFGF23)裂解片段[8]。由于25-FGF23-179沒有與α-Klotho蛋白相互作用的結構域,而cFGF23又會競爭性抑制完整的FGF23信號通路,因此只有iFGF23可以發揮生物活性并參與信號轉導[8]。

FGF23的主要作用是調節人體內的血清磷酸鹽和1,25-(OH)2D水平,維持體內磷酸鹽動態平衡[3]。人體內磷酸鹽失衡會導致多種疾病。因此,人體需要在FGF23的介導下通過多種途徑使血磷保持在正常的生理范圍內[12]。同時,能夠造成血清磷酸鹽和1,25-(OH)2D等代謝紊亂的疾病同樣也會反過來造成FGF23的表達及分泌異常并引發一系列生物效應。慢性腎臟病(chronic kidney disease,CKD)和急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)是導致血清FGF23水平升高并引起體內磷酸鹽動態失衡的主要疾病[12-13]。此外,FGF23表達水平的異常不僅與CKD和AKI密切相關,還與X連鎖低磷血癥和心血管疾病等密切相關[3,14]。因此,FGF23對相關疾病的影響及作用機制是目前的研究熱點。

2 FGF23的調控

FGF23的調控途徑分為兩種,一種為經典調控途徑,即磷酸鹽、鈣、1,25-(OH)2D和PTH對FGF23的調控,另一種為非經典調控途徑,即鐵、促紅細胞生成素(erythropoietin,EPO)、缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor,HIF)、炎癥和能量代謝對FGF23的調控。

2.1 經典調控途徑

由于FGF23與硫酸乙酰肝素的親和力較差,因此FGF23在經GALNT3酶糖基化處理并從細胞中分泌后,FGF23能夠自由通過血液循環到達靶器官并產生相應的生物效應[3]。血清磷酸鹽的升高在促進FGF23的表達和分泌的同時,會上調腎小管上皮細胞中α-Klotho的表達,這使得FGFR被激活并與α-Klotho結合形成FGFR/α-Klotho復合物,然后FGFR/α-Klotho復合物通過絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)途徑傳遞FGF23信號,使腎小管上皮細胞腔內刷狀邊緣膜上的Ⅱ型磷酸鈉共轉運體Npt2a和Npt2c蛋白內化,進而使磷酸鹽排出增加[15]。同時,FGF23表達升高對腎臟1,25-(OH)2D的合成有抑制作用,原因在于FGF23在抑制1α-羥化酶表達的同時,也刺激了24-羥化酶的表達,而這兩種酶分別參與了25羥維生素D的活化和1,25-(OH)2D的降解[16]。血清1,25-(OH)2D的降低會導致血清鈣的降低,這使得PTH的釋放增加并刺激25羥維生素D的活化,以抵消FGF23介導的腎臟1,25-(OH)2D合成降低[16]。此外,1,25-(OH)2D、FGF23和PTH還存在相互調控作用。具體形式有以下兩種:(1)1,25-(OH)2D能通過激活1,25-(OH)2D受體促進FGF23的表達,反過來FGF23又可抑制1,25-(OH)2D的產生[17]。(2)PTH與骨細胞上的受體結合以后,通過環磷酸腺苷使蛋白激酶A被活化,進而促進骨細胞FGF23的表達和分泌,同時FGF23又可通過MAPK途徑抑制PTH的分泌[18]。因此,基于上述調控途徑,FGF23、磷酸鹽、鈣、1,25-(OH)2D和PTH形成了以腎臟為核心的反饋回路。

2.2 非經典調控途徑

人體內鐵的含量與人體中FGF23水平密切相關。Abu-Zaid等[19]在一項針對CKD患者的臨床研究中發現,鐵缺乏會導致人體內FGF23水平增高,并進一步加重腎臟損害。而Farrow等[20]通過動物實驗也證實鐵缺乏會顯著誘導wt小鼠的骨FGF23mRNA和血清FGF23的表達。因此,FGF23的表達和分泌受鐵水平的調控。在一項針對CKD小鼠模型的研究中發現,注射大劑量EPO的CKD小鼠模型比未注射大劑量EPO的CKD小鼠模型血清中的總FGF23和iFGF23水平更高,并且通過對CKD患者的血清分析也證實EPO水平越高,總FGF23水平就越高[21],這說明EPO促進了FGF23的轉錄和裂解。而Daryadel等[22]的研究則發現,在對wt小鼠注射重組FGF23后wt小鼠腎臟EPOmRNA的表達會顯著下調,這說明FGF23會抑制EPO的表達。因此,EPO與FGF23可能形成了某種反饋回路。HIF可能也會影響FGF23的表達。Zhang等[23]通過細胞實驗發現,細胞內HIF-1α升高時會促進FGF23的表達和分泌,并且證實HIF-1α是FGF23的直接轉錄激活劑。此外,David等[24]通過動物實驗研究發現,當wt小鼠血清中的HIF-1α表達上調時,骨FGF23 mRNA、血清cFGF23和iFGF23的表達也會上調,并且進一步證實了炎癥可以通過激活HIF-1α信號傳導促進FGF23轉錄。炎癥是FGF23的重要調控途徑。目前已有的研究證實腫瘤壞死因子α、白細胞介素-1β和白細胞介素-6直接參與了FGF23的調控,當人體中這些促炎因子表達上調時,FGF23的表達也會隨之上調[25-30]。炎癥調控FGF23主要有以下幾種機制:(1)炎癥通過鐵調素介導的功能性缺鐵[24]。(2)炎癥通過HIF-1α刺激FGF23轉錄[25]。(3)炎癥通過上調弗林蛋白酶活性促進FGF23的切割[24]。(4)炎癥通過鈣釋放激活鈣通道蛋白1和鈣池調控鈣離子進入誘導FGF23表達[31-32]。(5)炎癥通過轉錄激活因子3和人中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白誘導FGF23的表達[33-34]。高能量攝入或高能量消耗是導致FGF23水平升高的重要因素。Philipp等[29]通過動物實驗研究發現,高脂肪喂養的tnf小鼠血清FGF23蛋白水平較正常喂養的tnf小鼠顯著升高。而Vidal等[35]通過體內和體外實驗證實熱量攝入與血漿FGF23蛋白濃度之間存在正相關關系。此外,大量的臨床研究證實,患有肥胖、糖尿病或消耗性疾病的患者血清中FGF23蛋白水平較正常人更高[35-37]。

3 FGF23與骨形成和骨吸收

FGF23能通過調節骨礦化影響骨形成。目前已有的研究認為FGF23主要通過抑制組織非特異性堿性磷酸酶的活性進而減少無機焦磷酸鹽的水解間接調節骨礦化[38]。此外,FGF23還能通過影響骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)的成骨分化、成骨細胞的活性和破骨細胞的形成調節骨形成和骨吸收。Yoshiko等[39]在一項針對正常胎鼠顱骨細胞的體外研究中發現,FGF23表達上調會增加胎鼠顱骨細胞中成骨細胞的活性并上調骨橋蛋白的表達。Li等[40]在對wt小鼠的BMSCs和成骨細胞的研究中得到了同一結論,并進一步證實了抑制FGF23/FGFRs/α-Klotho通路會導致wt小鼠的骨樣結節形成減少、成骨細胞標志物表達減少和BMSCs的成骨分化抑制。這說明成骨細胞來源的FGF23參與了成骨細胞的分化和增殖過程并影響了骨形成。目前,FGF23對破骨細胞的影響及作用機制尚不清楚。最新的研究發現,FGF23會抑制早期破骨細胞的形成并可以通過Akt和Erk途徑促進破骨細胞介導的骨吸收[41]。這項研究說明,FGF23可能對破骨細胞具有雙向調節作用,一方面抑制破骨細胞的形成,另一方面又能刺激破骨細胞的活性,進而對骨吸收和骨重塑產生影響。

4 中藥通過調節FGF23治療CKD-MBD

CKD-MBD是CKD發展至晚期的常見綜合征。隨著CKD的持續進展,血液循環中的FGF23會逐漸升高,并在其介導下血清鈣、磷和1,25-(OH)2D會出現嚴重的代謝紊亂,導致骨礦物質代謝紊亂、骨礦化和骨形成的異常并最終造成CKD-MBD[12-13]。中醫學認為CKD-MBD屬于“骨痿”和“骨痹”范疇,病機為本虛標實,以腎虛為本,濕熱和瘀血為標。因此,古今醫家多認為治療CKD-MBD應在補腎的基礎上,清濕熱和化瘀血,以達到標本兼治的目的。研究發現,在此理論基礎的指導下中藥能通過多種途徑調控FGF23水平,從而減輕CKD導致的礦物質和骨代謝異常。

4.1 中藥單體

目前,通過FGF23/α-Klotho信號軸調控鈣磷代謝水平,糾正骨代謝失調,促進骨礦化和骨形成是中藥單體成分在FGF23的介導下治療CKD-MBD的主要作用機制。例如,從何首烏中提取的二苯乙烯苷就被證實能通過促進SD大鼠股骨頭α-Klotho蛋白表達和抑制FGF23表達,減少鈣流失,恢復體內磷酸鹽穩態,糾正骨代謝失調[42]。很多其它的中藥單體成分也得到了相似的結論,比如從肉桂和丁香中提取的β-石竹烯就被發現能通過FGF23/α-Klotho信號軸增加骨體積、骨密度(bone mineral density,BMD)和梁骨體積分數,改善CKD-MBD導致的骨質疏松[43]。此外,1,25-(OH)2D/ FGF23/α-Klotho信號軸也是發揮中藥單體成分作用治療CKD-MBD的關鍵信號軸。蘇寶林等[44]研究發現,骨碎補總黃酮可通過1,25-(OH)2D/FGF23/α-Klotho信號軸,下調骨特異性堿性磷酸酶表達,上調α-Klotho蛋白、1,25-(OH)2D和鈣的表達,改善CKD-MBD造成的骨礦物質和骨代謝紊亂。同時,PTH/FGF-23/1,25-(OH)2D/維生素D受體(vitamin D receptor,VDR)/鈣敏感受體(calcium sensing receptor,CASR)信號通路也是中藥單體成分通過調節FGF23治療CKD-MBD的關鍵信號軸。Zhang等[45]在一項研究中發現,紅景天苷和女貞子苷能通過PTH/FGF-23/1,25-(OH)2D/VDR/CASR信號軸,下調FGF23和CASR的表達,上調十二指腸活性鈣轉運蛋白和骨鈣的表達,提高骨小梁體積和骨密度。值得注意的是,中藥單體成分還能通過FGF23/α-Klotho信號軸調控BMSCs的成脂和成骨分化并影響破骨細胞的形成和骨吸收作用。研究發現,黃芪甲苷能通過調控BMSCs中FGF23和α-Klotho的蛋白表達水平,促進BMSCs的成骨分化[46]。在另一項研究中則發現,源于山茱萸、烏梅和女貞子等中藥的烏索酸可以通過FGF23/α-Klotho信號軸下調BMSCs的成脂標志物PPARγ和aP2的表達,抑制BMSCs向成脂細胞分化,并證實烏索酸能提高Wt小鼠破骨細胞分化抑制因子(osteoclastogenesis inhibitory factor,OPG)/破骨細胞分化因子(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)比值、骨鈣和骨小梁體積,促進新骨形成[47]。詳見表1。

表1 中藥單體成分靶向調控FGF23治療CKD-MBD的作用機制

4.2 中藥復方

目前,通過FGF23/α-Klotho、1,25-(OH)2D/FGF23/α-Klotho和PTH/FGF-23/1,25-(OH)2D三大信號軸調控鈣磷代謝水平,糾正骨代謝失調,促進骨礦化和骨形成是中藥復方在FGF23的介導下治療CKD-MBD的主要作用機制。此外,有研究發現,骨細胞中VDR與配體1,25-(OH)2D結合后,能通過與維甲酸X受體(retinoid X receptor,RXR)形成異二聚體,并且在異二聚體進入細胞核內后識別并激活FGF23啟動子區域的維生素D反應元件,從而啟動FGF23的轉錄和表達[51]。最近的研究發現,中藥復方也可以通過這一途徑,即VDR/RXR/FGF23信號軸,下調FGF23的表達,從而降低腎損傷,糾正鈣磷代謝及骨代謝紊亂,抑制骨組織形態結構改變[52]。詳見表2。

表2 中藥復方靶向調控FGF23治療CKD-MBD的作用機制Table 2 Mechanism of targeted regulation of FGF23 in the treatment of CKD-MBD by traditional Chinese medicine

5 總結與展望

基于上述綜述的研究現狀,FGF23能通過多種途徑及信號通路,影響CKD-MBD的病理進程,并且中藥靶向調控FGF23治療CKD-MBD具有較好的療效和重要的研究價值。FGF23與α-Klotho蛋白、磷酸鹽、鈣、1,25-(OH)2D和PTH之間的調控機制已經基本明確,而鐵、EPO、HIF、炎癥和能量代謝與FGF23之間的影響機制研究取得了一定的進展,但是它們之間的具體影響機制仍不清楚,需要進一步的研究證實。FGF23通過這些途徑對CKD-MBD的發生和發展產生了重要影響?，F有的研究證實,在FGF23的介導下,中藥主要通過FGF23/α-Klotho、1,25-(OH)2D/FGF23/α-Klotho、PTH/FGF-23/1,25-(OH)2D、PTH/FGF-23/1,25-(OH)2D/CASR和VDR/RXR/FGF23等信號軸調控了骨代謝并減輕了CKD-MBD的相關臨床癥狀。然而,中藥雖然能通過靶向調控FGF23對治療CKD-MBD有較好的應用價值,但絕大部分的中藥單體成分和中藥復方對CKD-MBD的作用機制仍不明確。因此,利用生物信息學和高通量測序等技術進一步篩選FGF23的作用靶點及對CKD-MBD有效的中藥活性成分,并通過轉錄組學和共表達網絡分析等方法深入研究在FGF23的介導下相關中藥單體成分及中藥復方對CKD-MBD的影響及作用機制,對豐富中藥在微觀層面防治CKD-MBD的理論基礎及中藥的進一步臨床推廣應用有重要意義。