动脉钙化发生机制研究进展

l12 生 物 技 术 通 讯 LETTERS IN BIOTECHNOLOGY Vo1．21 No．1 Jan．，2010 doi：10．3969~．issn．1009-0002．2010．01．028 动脉钙化发生机制研究进展 程孝中 ，黄蓓 ，钟辉 1．军事医学科学院 生物工程研究所，北京 100850；2．安徽大学 生命科学学院，安徽 合肥 230039 综 述 [摘 要] 动脉钙化是指钙 盐沉积在动脉壁组织的一种病理改变 ，会减少主动脉和支动脉的弹性，改变心血管系统的 血液流动力学，导致高血压、主动脉瓣狭窄、心脏肥厚、心肌和下肢缺血、充血性心力衰竭等严重心脑血管疾病发生。 动脉钙化在老年人群中是一种常见的疾病。早期研究发现尿毒症患者体内磷酸钙沉积的抑制剂——焦磷酸盐水平 升高，故有学者认为钙磷被动地沉积于血管壁是引起血管钙化的主要原因。近年来的研究发现，血管钙化并非简单 地 由于磷酸钙晶体被动地 沉积于血管壁 ，而是 一个与骨发 育相似 的主 动的、可预 防和 可逆转的高度可调控的生物学 过程。动脉钙化 的发生受多因素共同调控 ，但其确切机 制尚不清楚 ，最近发现炎症小体也 以某种未知的机 制参 与钙 化调控过程 。 [关键词】 动脉钙化；发生机制；血管平滑肌细胞；炎症小体 [中图分类号] R543；Q25 [文献标识码] A [文章编号] 1009—0002(2010)01—0l12—04 Advance on the M echanism of Arterial Calcification CHENG Xiao-Zhong'~,HUANG Beiz,ZHONG Hui 1．Beijing Institute of Biotechnology，Beijing 100850； 2．Life Science Department of Anhui University．He i 230039；China [Abstract] Arterial calcification is a pathological change of calicium salt deposited in the arterial cell wall，which leads to serious disease including high blood pressure，acute heart failure et a1．Arterial calcifications is prevalent in the elderly population． Previous researches found that calcium phosphorlate deposit in the vascular cell wall is the main cause of arterial calcifications， recent researches indicated that arterial calcifications is a reversible bio— logical process that can be prevented．The mechanism involoving arterial calcification is still unkown，recent discov— cry suggest that inflammasome plays key roles in arterial calcifications． [Key words] arterial calcification；mechanism；vascular smooth muscle cell；inflammasome 血管壁上钙过量沉积称为血管钙化 。慢性肾功 能衰竭 、糖尿病 、动脉粥样硬化 、高血压等疾病过程 中均有血管钙化，其程度与疾病的严重性呈正相 关 ，并随年龄的增长而逐渐恶化 。目前研究表明，血 管钙化是一个主动的、细胞调控过程_lJ，许多因素如 激素、酶、细胞因子及蛋白质等都参与了这一过程 的调节，但其发生和发展的确切机理尚不清楚。 1 动脉钙化 动脉钙化(arterial calcification，AC)是指钙盐沉 积在动脉壁组织的一种病理改变。人体内的钙主要 以羟基磷灰石[CHA，Ca o(PO ) (0H) ]的形式存在 于骨骼和牙齿中。当动脉钙化发生时，钙会以磷酸 钙的形式沉积在脉管系统，沉积的磷酸钙会降低主 动脉和支动脉的弹回率，这样就改变了心血管系统 的血液流动力学 ，导致高血压 、主动脉瓣狭窄、心脏 肥厚 、心肌和下肢缺血 、充血性心力衰竭 、结构不完 整，结果死亡率上升【 。这种钙化可以发生在不同 部位(心脏膜瓣、动脉中膜和内膜、毛细血管)，涉及 局部的、集中的和弥散的钙化，由此导致的腐蚀会引 起急性炎症和钙的代谢平衡失调l 5]。 根据钙化发生部位的不同，动脉钙化有 2种表 现形式，即内膜钙化和中膜钙化。前者与动脉粥样硬 化密切相关，目前认为是斑块中炎症反应和巨噬细 胞作用的结果；后者多发生于糖尿病和尿毒症等疾 病，至今原因不清，现多认为与机体系统代谢异常有 关，如钙磷代谢异常及糖脂代谢异常。这2种类型钙 化的发生既受到一些共同因素的调节，也受到不同 [收稿日期]2009—08—11 [作者简介]程孝中(1984一)，男，硕士研究生 [通信作者]钟辉，(E-mail)towall@yahoo．com 程孝中等 ：动脉钙化发生机制研究进展 113 局部环境因素的调节。 正常情况下，矿盐只沉积在骨胶原 ，而不在其 他结构类似的软组织胶原中沉积 ，是什么原 因导致 动脉壁发生钙沉积呢? 2 动脉钙化机制 以往认 为血管钙化是钙盐在细胞 内和细胞外 基质的被动沉积。然而，新近的研究发现血管钙化 形成的早期过程是一个与骨发育相似的主动的、可 预防和可逆转 的高度可调控 的生物学 过程 1，钙化 发生的中心环节是血管平滑肌细胞(VSMC)向成骨 样细胞的转分化 ，血管平滑肌细胞在诱导条件下 (如炎性因子、TGF—B、1，25一二羟化胆固醇和高密度 脂蛋白等)可转变为具有合成和分泌功能的成骨细 胞，能合成和分泌多种骨形成蛋白。因此，成骨细胞 的诱导以及抑制钙化的有关因子缺失都可导致动 脉钙化[63。 对于这类成骨类细胞 的来源 ，有很多不同的假 说，虽然有些研究显示新生的周边细胞及血液循环 中的干细胞也可 以通过激活或诱 导产生成骨类细 胞，但一些研究认为VSMC是成骨类细胞的主要来 源 。 VSMC、血管周边细胞及血液循环中的干细胞 在不 同的刺激条件下分化 ，胞 内磷酸盐浓度上升 ， VSMC等被诱导表达骨相关转录因子和蛋白，如碱 性磷酸酶 (ALP)、骨桥蛋 白(OPN)、骨钙 素等 ，增殖 并产生细胞外基质(ECM)阎，产生钙化结节。因此， 血管细胞在特定环境和刺激下表达成骨细胞表型 是血管钙化过程的中心环节。 调节动脉钙化的因素有很多，包括能够促进血 管细胞向成骨细胞分化的细胞因子、激素，以及调 节成骨细胞和破骨细胞活性的骨保护素 (OPG)、骨 桥蛋白等。目前，调控动脉钙化的分子机制主要有 以下几种。 2．1 0PG／RANKL—RANK信号 系统 OPG、RANKL、RANK都是 TNF受体超家族成 员 ，OPG是 RANKL的诱饵受体 ，RANK在破骨前体 细胞、破骨细胞 、活化 T细胞和骨髓来源的树突状 细胞表面表达，RANK与RANKL结合后被激活，诱 导破骨细胞分化和成熟。活化后的 RANK通过其胞 内区域的TRAF结合域与 TRAF1、2、3、5、6等蛋白 结合，并且通过这些 TRAF蛋白激活 JNI<／／SAPK信 号通路和 NFKB信号通路 [9-10]。OPG是 RANKL— RANK信号通路的拮抗剂，通过竞争性抑制 RANKL 与破骨细胞膜受体 RANK的结合，抑制破骨细胞的 增殖、分化、存活及融合作用，引起破骨细胞的凋亡， 进而抑制骨质疏松的发生和发展。OPG／RANKL- RANK是骨质疏松钙盐代谢的核心调节系统I“一2]。近 几年的研究发现，OPG可以阻止动物模型动脉钙化 发生 ，OPG基 因敲除 鼠很容易发生骨质疏松和动脉 钙化；另外，在动脉钙化时管壁类破骨细胞中分离到 RANK蛋白，说明OPG／RANKL—RANK系统参与了 动脉钙化过程【l3J。但 OPG／RANKL-RANK参与动脉 钙化的具体分子机制尚不清楚。 2．2 碱性磷酸酶 细胞因子、炎症性脂类与细胞膜上的相应受体 结合 ，激活下游的 PKA活性 ，PKA活性 的上升激活 ALP，胞质内的 Ca 和无机磷酸盐 (Pi)与 ALP相互 作用 ，经细胞膜 以出芽形式分泌到胞外形成基质小 囊泡，其中无机磷酸盐是经过细胞膜上的 Pit-1蛋 白而易位到胞质的，并能诱导Runx2／cbfall等基因 的表达。这些基质小囊泡和细胞外蛋白如胶原蛋白 相互作用，并在磷酸八钙[Ca H (PO ) ·5H：O]的作 用下成核为结晶，这类结晶可以向外延附着生长形 成骨标志性物质羟基磷灰石，最终导致钙化细胞的 形成f 。 BMP一2、BMP一4则是通过与细胞膜上的受体相 结合后 ，经 Smad、B一联蛋 白(catenin)激活转 录因子 Run2和 Msx2来诱导 ALP的产生 。BMP属于 TGF— B超家族亚类 ，是血管钙化调节因子，BMP-2和 BMP一4主要涉及矿化和炎症反应。BMP受体 BM— PR1、2具有 Ser／Thr激酶活性，当 BMP与 BMPR结 合时，BMPR2磷酸化并激活 BMPR1，这种磷酸化可 以被 Smad调控，Smad然后调节 目的基因的表达旧。 大量研究发现，血管内皮功能异常和钙化与BMP表 达相关。VSMC和 TGF—p、LDL体外共同培养可以明 显地提高 BMP2表达[Ⅷ。 TNF— 在钙化 中是一个多效因子 。在钙化早 期，它可以诱导成骨细胞的分化和 VSMC钙化来促 进钙化进程，TNF一仪通过 cAMP信号途径促使 DNA 与有关 成骨 细胞 分化相关 调 节 因子 Osf2、AP1及 CREB相结合来诱导成骨细胞的分化，从而影响钙 化发生【l7j。但钙化发生后，钙化结晶与巨噬细胞相互 作用 ，巨噬细胞分泌一些炎症因子 ，如 TNF一0【、IL一 1p、IL一8，这些炎症因子可以进一步促进钙化，TNF一 0【可以通过 PKC／MAP激酶信号途径来恶化钙化㈣。 2．3 凋亡学说 2000年，Proudfoot等发现来 自VSMC的凋亡小 体能够使 VSMC钙化，当用 Caspase抑制剂 ZVAD- 114 生 物 技 术 通 讯 LETTERS IN BIOTECHNOLOGY Vo1．21 No．1 Jan．，2010 fmk抑制凋亡后 ，VSMC的钙化结节较对照组 减少 40％，而用凋亡促进药物 anti—Fas Igm，其钙化结节 形成增加 l0％『19]。之后许多研究认为动脉中膜细胞 凋亡或坏死后的降解产物基质囊泡是血管钙化的 起始点 。它的几种内在成分包括钙结合蛋 白、磷脂 和膜联蛋白(Ⅱ、V、Ⅳ)都参与了钙化的始动。而与 基质囊泡相联系的Ⅱ型和X型胶原通过结合膜联 蛋白V加速了钙化的过程。2008年，Shroff等发现透 析患者 中由于 VSMC的凋亡导致 VSMC大量缺失 ， 同时发现 血管壁 上 的沉积标 志物 膜联 蛋 白Ⅵ及 ALP表达上升，电子显微镜观察到凋亡的 VSMC会 释放 出羟基磷灰石从而引起钙化[2Ol。随后的钙盐晶 体可以使胞 内的 Ca 浓度迅速上升 ，Ewence发现这 种作用可被溶酶体质子泵抑制剂BadfilomycinA1所 抑制，BadfilomycinA1同样可 以阻断 VSMC的死亡 ， 这表明钙化结晶是通过溶酶体途径分解并导致胞 内的Ca 浓度上升，并最终进一步导致细胞死亡，从 而形成 了一个恶性循环 。细胞 因子 、炎症因子及 ROS信号传导途径等都可通过不同的机制调控细 胞凋亡，但是凋亡和动脉钙化的关系还需要进一步 明确 。 2．4 炎症 小体 近期我们通过实验发现 ，钙化细胞中的 Cas— pase一1、Nalp1、Nalp3等 mRNA水平比正常的VSMC 高，提示我们炎症小体在动脉钙化中的重要性。IL一 1B和 IL一18形成成熟细胞因子依赖于 Caspases家 族尤其是 Caspase一1的活性，而 Caspases的活性依 赖于炎症小体的激活。炎症小体(inflammasome)是 最近几年才被发现的细胞内的一类多蛋白复合体， 主要包括 NOD样受体 (NLR)、凋亡相关的斑点样蛋 白(ASC)和Caspases家族。在炎症小体被激发时，由 NOD样受体通过 ASC接合蛋白与 pro—Caspases一 起组成凋亡小体，pro—Caspases由于空间距离的接 近而被激活，通过自切割形成 Caspases，从而促使无 活性的IL一1B、IL一18和 IL一33前体被加工为成熟有 活性 的形式并分泌到细胞外。因外界刺激因素的不 同，NLR和 Caspases的种类有所不同。目前比较明 确的炎症小体信号通路如炭疽毒素诱发的炎症小 体由Nalpl、Caspase一5和 ASC组成，而细菌 RNA、 尿酸晶体、粉尘颗粒、白色念珠菌等诱发的炎症小 体 由 Nalp3、Caspase一1和 ASC组成 。在整个炎症 小体信号传导途径中，除Caspases家族、NLR等重 要的炎症小体相关分子外 ，还涉及到如 ICER— BERG、Serpin9抑炎 症小 体活 性分 子及 CARDICK 促炎症小体活性分子，它们都是通过调控 Caspase一 1的活性来影响炎症小体的活性。总之，炎症小体信 号传导途径，以NLR的激活作为炎症反应的启动， 通过炎症小体激活 Caspases为应答，其中有多个炎 症小体抑制和促进分子参与 。有研究发现 ，尿酸单 钠 、双水焦磷酸钙结晶能够激活 Nalp3炎症小体 ， 并认为这些晶体由于太大而不能被细胞完全吞噬 ， 它们和细胞膜相互作用并通过对细胞膜和肌动蛋白 纤维再生的干扰而传递信号给下游的炎症小体，从 而激活炎症小体闭。这进一步提示我们，VSMC胞外 钙化结晶可以通过激 活炎症小体来影响 VSMC，但 其 中的具体作用机制 尚待研究。 2．5 无机焦磷酸盐(PPi) PPi是通过细胞膜上的酶 NPP1作用于 ATP而 得到的，并经蛋白 ANK进入胞外基质 ，在胞外基质 由骨原细胞所分泌的组织非特异性 ALP所降解，部 分 PPi可以通过抑制钙化结晶体向外延附着生长来 抑制钙化同。另外胞内的 PPi可以诱导 MGP、OPN的 产生，而 MGP、OPN可以抑制基质囊泡的成核作用。 2．6 激素 ：甲状旁腺激素(PTH) H在钙稳定平衡调节中起了很重要的作用， PTH和 PTH相关肽 (PTHrP)在病理性钙化 中发挥 调节作用。PTH和 PTHrP都可 以通过抑制 ALP活性 来阻止 VSMc钙化[261。另外，1，25一二羟维生素 D能 够下调 VSMC分泌 PTHrP 。与 PTH在脉管系统的 这种抑制作用相反 ，PTH在骨 中却可以激活成骨基 因的表达，在成骨细胞中，被 PTH受体调节信号激 活的PKA能够磷酸化并激活 Cbfal ，但没有证据 表明 VSMC表达的 PTH、Cbfal之间有关系_14]。 2．7 骨桥蛋白 骨桥蛋白是 VSMC分泌的一种含磷蛋 白，通过 与组织中的钙盐和羟基磷灰石结合，介导细胞的黏 附和迁移。它还可以作为细胞因子介导细胞信号转 导，从而上调细胞迁移相关的信号分子表达，降低有 关细胞增殖和迁移的负性调节基因的活性 ，抑制血 管钙化 。 3 展望 过去一直认为钙盐只是被动地在 VSMC外沉 积 ，近年来发现许多因子都可以调控平滑肌细胞 的 钙化进程，其钙化机制也随着研究的深入逐渐变得 清晰起来，例如，胞外的钙盐沉积就依赖于ALP的 活性 ，可见 ALP在钙化过程中的重要性 。而近期研 究认为 VSMC的凋亡或坏死可以引起其钙化，但具 体机制不是很明确，因为细胞的凋亡是细胞代谢中 程孝 中等 ：动脉钙化发生机制研究进展 115 的正常现象 ，导致 VSMC的凋亡或坏死最终影响钙 化得上游分子机制仍须明确。而胞外钙盐晶体激活 Nalp3炎症小体也是最近的新发现，但目前并没有 报道其具体的作用机制。炎症小体与钙化的具体关 系可以作为研究钙化机制的一个新的领域 。 总之，钙化是个很复杂的过程，与外界和细胞 内的不同条件有关 ，不同的因素导致 的钙化机制也 不同，目前报道一些机制尚不清楚，仍须进一步的 探索 参考文献 [1] Yuichi 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