关注血管钙化发病新机制的研究

发布于:2010-10-25 10:05

北京大学医学部生理学与病理生理学系唐朝枢，齐永芬

异位钙化是指钙磷在血管、心肌和心瓣膜的异常沉积。婴儿期血管钙化、尿毒症性小动脉钙化和钙化的瓣膜病可以危及生命。血管钙化可发生于血管中膜和内膜。既往认为血管钙化是机体钙磷代谢失衡所致的钙盐沉积于组织间的被动过程。自上世纪90年代后，大量的研究表明血管钙化是一个与骨发育相似的主动的、高度可调控的复杂的病理生理过程。且老年人血管钙化与骨质疏松并存。血管钙化时内皮细胞、间充质细胞和造血干细胞相互作用且对机械刺激、炎症、代谢发生反应，激活骨形态发生信号，这些因素相互作用在骨导致骨矿化，在动脉壁则导致血管钙化的发生。血管钙化是动脉粥样硬化、高血压、糖尿病血管病变、血管损伤、慢性肾病和衰老等普遍存在的病理表现，主要表现为血管壁僵硬性增加，顺应性降低，易导致心肌缺血、左心室肥大和心力衰竭，引发血栓形成、斑块破裂，是心脑血管疾病高发病率和高死亡率的重要因素之一。亦是动脉粥样硬化心血管事件、脑卒中和外周血管病发生的重要标志分子。80%的血管损伤和90%的冠状动脉疾病的患者伴有血管钙化，导致动脉粥样硬化的危险因素如血脂异常、高血压、糖尿病、肾功能衰竭等均促进动脉钙化的发病。青年血管钙化患者的发病以糖尿病患者多见，而老年患者以血脂异常居多。有学者认为动脉钙化程度是预测Ⅱ型胰岛素非依赖性糖尿病患者心血管死亡率的最佳指标。因此，关注并加强对血管钙化发病新机制的研究对于阐明血管钙化发病的机制和临床防治血管钙化具有重要的意义。

1　成骨细胞和破骨细胞的标志分子参与血管钙化的发病

既往认为成骨细胞和破骨细胞的标志分子仅仅作为判断骨生成或骨质疏松的标志分子，近年的研究发现成骨细胞和破骨细胞的标志分子亦参与血管钙化的发生发展。如Ⅰ型胶原是骨基质的基本成分，是钙化基质囊泡的内在成分，缺乏会使骨失去弹性导致脆骨病。文献报道，钙化的血管细胞（calcifying vascular cell，CVC）表达Ⅰ型胶原并分泌到上清。动脉粥样硬化时VSMCs分泌Ⅰ型、Ⅲ型、Ⅴ型胶原，使血管壁增厚而堵塞。Ⅰ型胶原可促进单核细胞向巨噬细胞转化，导致脂类摄取增加和金属蛋白酶合成；它还与低密度脂蛋白（low density lipoprotein，LDL）结合，促进LDL氧化修饰，加速斑块形成；Ⅰ型胶原促使结节形成加速，钙侵入增加，碱性磷酸酶活性增加而加速钙化^[1,2] 。骨钙素又称骨Gla蛋白。Gla蛋白是一类特定谷氨酸残基发生依赖维生素K的γ-羧基化的蛋白，该残基可结合钙、磷和羟磷灰石。生理状态下只有血小板和成骨细胞分泌骨钙蛋白，是成骨细胞晚期分化的标志分子。骨钙素可与骨桥蛋白（osteopontin，OPN）结合成复合物，后者可将破骨细胞集中在骨吸收部分，从而促进骨吸收^[3] 。碱性磷酸酶是骨矿化过程中的关键酶，血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）可在各种致钙化因素作用下高表达碱性磷酸酶，且酶活性显著增加，促进钙化发生。骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）是转化生长因子超家族成员，其中骨形态发生蛋白2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）和BMP-4能够诱导动物或人体间充质细胞分化为骨、软骨等组织。动脉粥样硬化斑块中发现BMP-2和BMP-4 ，且 BMP-2 可促进肌成纤维细胞的钙化，其作用与BMP-2诱导的骨分化作用相同^[4,5] 。NF-ΚB受体活化因子及其配体（RANK/RANKL）系统亦可促进血管钙化的发生^[6] 。OPN是一种分泌型糖基化磷酸蛋白，在骨、软骨、肾等组织中广泛表达，OPN与存在于破骨细胞表面的整合素αvβ3受体结合，酸化局部的微环境，使矿物质溶解，抑制羟基磷灰石结晶的生长，并分泌蛋白酶和水解酶，降解胶原和其它的骨基质蛋白，刺激破骨细胞的骨重吸收活性^[7,8] 。骨保护素（osteoprotegerin，OPG）是一种属于肿瘤坏死因子受体基因超家族成员的分泌型蛋白，是破骨细胞生成抑制因子，动脉及软骨组织中均有表达。OPG基因缺陷小鼠出现严重骨质减少及非致死性的主动脉及肾动脉中膜钙化，动脉组织钙含量显著增加。在OPG基因缺陷小鼠转OPG基因后可显著抑制血管钙化的发生，而外源性给予重组人OGP则不能逆转已经发生的血管钙化。提示OPG可以预防而非逆转血管钙化的发生^[9] 。基质Gla蛋白（matrix Gla protein，MGP）是由VSMC及软骨细胞合成的一种细胞外基质蛋白，是成骨细胞的标志分子，以维生素K作为辅助因子的γ-谷氨酸羧化酶可将无活性的Glu残基羧化为有活性的Gla残基，MGP 的5个Gla残基与羟基磷灰石具有高度亲和力，可强烈抑制钙沉积及羟基磷灰石晶体增长，阻止VSMC向成骨样细胞转化^[10,11] 。骨形态发生蛋白-7（ bone morphogenetic protein-7，BMP-7）是转化生长因子超家族成员，骨稳态重要的调节剂，MBP-7通过阻止VSMCs向成骨细胞表型转化而抑制动脉粥样硬化斑块的钙化和血管中膜的钙化^[12] 。骨连素（osteonectin，ON）是一种胶原结合型糖蛋白，通过与细胞外基质蛋白以及细胞因子之间的相互作用，对细胞的生长进行调节，抑制血管钙化的发生发展^[13] 。

2　维持血管稳态的旁/自分泌因子参与血管钙化发病

血管不仅可以分泌多种生物活性小分子物质，同时也是这些活性分子的靶点。既往大量的研究证实血管局部自分泌和（或）旁分泌的小分子在维持血管的收缩舒张功能和维持血管稳态中具有重要的调节作用。近年的研究还特别注意到血管组织局部旁分泌/自分泌的活性因子在血管钙化的发生和发展中亦具有重要的调节作用。如血管内皮细胞产生的甲状旁腺素相关肽（PTHrP）可调节血管细胞和成骨细胞的钙磷代谢[14]，一些并不直接参与钙磷代谢调节的血管活性因子亦参与血管钙化调节。如血管源的气体信号分子硫化氢、一氧化氮、一氧化碳主要功能除舒张血管、降低血压外，亦能抑制维生素D3和尼古丁诱导的大鼠血管及离体VSMCs的钙化；同样血管局部分泌的具有舒张血管、降低血压作用的小分子活性多肽如C型利钠利尿肽、肾上腺髓质素、Ghrelin、Intermedin、Cortistatin ^[11,15,16]等亦可抑制大鼠血管和VSMCs的钙化；而血管局部分泌的具有收缩血管、升高血压的小分子活性肽如血管紧张素Ⅱ和内皮素等则可促进整体和离体VSMC的钙化^[17] ；血管局部分泌的炎症因子如肿瘤坏死因子和转化生长因子等则可促进或加重动脉粥样硬化小鼠斑块和血管的钙化以及VSMC的钙化^[18,19] 。

3　基质囊泡形成是VSMC钙化的关键环节

基质囊泡（matrix vesicle）是由增殖的软骨细胞或骨细胞浆膜形成的独立于细胞外的细胞器。基质囊泡的膜含有丰富的磷脂，具有富集钙离子生成无定形磷酸钙并进一步转化为磷灰石的作用。胚胎骨、软骨及牙本质中的矿物都是通过基质囊泡在细胞外形成的。近年来大量研究证实，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始动环节或起始点^[20]。VSMCs在各种致钙化因素刺激下受损，基质囊泡从受损的活的或即将死亡的VSMC中释出，并含有碱性磷酸酶活性，形成易于碱性钙磷沉积的微环境，并含有大量的钙和磷，基质囊泡结合细胞外的基质蛋白启动血管的钙化。而在细胞外基质，基质囊泡释放的磷灰石结晶至细胞外小室，并沉积于此处的胶原纤维中，继续生长形成钙化结节。基质囊泡的几种内在成分包括钙结合蛋白、磷脂和annexins（Ⅱ，Ⅴ，Ⅳ）都参与了钙化的始动。而与基质囊泡相关联的Ⅱ型和X型胶原通过结合annexins V加速了钙化的过程，激活了基质囊泡钙通道的活性，导致基质囊泡内的钙离子积聚^[21,22]。2001年，Gadeau等观察球囊拉伤的家兔主动脉，发现在细胞已经坏死和凋亡的中膜区域很早（术后2-4天）即发生钙化，钙化发生早期还不能检测出基质蛋白OPN和骨连接素，这说明早期的钙化过程与细胞死亡的关系很密切，细胞死亡似乎是钙化过程首要的刺激因素。Shroff RC等报道肾透析前或肾透析的患者血管壁钙超载，但是，仅有透析患者颈动脉内膜中层增厚，血管硬度增加，且计算机断层扫描发现血管具有高度钙超载患者透析后颈动脉血管钙化。更重要的是，透析前患者的血管壁完整，透析后患者血管壁由于细胞凋亡表现为广泛的VSMCs丢失，且这些部位血管碱性磷酸酶活性明显增高，钙化的转录调控因子Runx2 和 osterix 基因与蛋白水平均显著升高，提示 VSMC向成骨样细胞转化，基质囊泡膜标志分子annexin Ⅵ 沉积于囊泡，骨化抑制剂fetuin-A 和基质Gla蛋白显著增加，且这些分子的增加明显早于血管钙化的发生。电子显微镜显示受损的/或死亡的VSMCs释放的基质囊泡中含有羟基磷灰石单晶体，提示凋亡和基质囊泡的形成是启动血管钙化的始动环节^[23] 。

4　血管钙化时成骨样细胞来源的多元学说

近年研究发现血管钙化的细胞来源具有多样性。高血压、糖尿病、慢性肾功能衰竭肾透析患者钙化血管以及高钙、高磷和维生素D3与尼古丁合用制备的大鼠血管钙化模型上均发现，血管中膜的VSMCs在上述各种因素刺激下VSMCs细胞表型由收缩型转变为合成分泌型，并最终发展为成骨样细胞表型^[24,25] 。不仅如此，在进展的动脉粥样硬化斑块中，VSMCs 发生迁移，增殖活跃，产生大量的细胞外基质，如Ⅰ型、Ⅲ型胶原和蛋白多糖，粗面内质网增加，氧化脂质包括氧化的低密度脂蛋白聚集；同时，与动脉粥样硬化有关的一些因子使VSMCs获得成骨细胞样特征。尤其有意义的是促进成骨样细胞分化的关键转录因子——成骨细胞特异转录因子2 / 核结合因子α亚单位1 （osteoblast-specific transcription factor 2 / core-binding factor α subunit 1，Osf2/Cbfa1）亦在钙化的牛VSMCs中表达，表明VSMCs向成骨细胞样表型转变是血管中膜钙化的主要细胞来源。近期的研究还发现，在血管壁存在一种被称为“钙化的血管细胞”（calcifying vascular cell，CVC）的细胞，主要存在于内膜中，CVC具有成骨样细胞特点：即质膜上都表达碱性磷酸酶，分泌Ⅰ型胶原、OPN、骨钙蛋白和骨连蛋白。此外，这些细胞还具有间充质细胞的潜能，可向成骨样细胞转分化^[26]。周细胞（pericyte）是位于血管基底膜内的一种多能细胞，分布于大、中、小动脉的内膜内层、中膜外层和外层滋养血管，形态为星形。周细胞是一种多能细胞，可以分化为巨噬细胞、脂肪细胞、软骨细胞、SMC等。周细胞在一定条件下可分泌细胞外基质，形成大量的钙化结节，并分泌Ⅰ型胶原、OPN、基质Gla蛋白和骨钙素转分化为成骨样细胞、骨细胞和骨组织^[26]。有意义的是，Jeziorska等发现人动脉粥样斑块钙化发生于粥样硬化Ⅲ期，与巨噬细胞局部增殖、胞外类胰蛋白酶和弹性蛋白的局部积累相关^[27] 。此外，循环血来源的间充质细胞、血管壁内的间充质干细胞、位于内皮基底膜和外膜的间充质干细胞亦可在致钙化因素作用下转分化为成骨样细胞，是血管钙化的细胞来源^[28] 。

5　结语

血管钙化是心脑血管疾病如冠状动脉粥样硬化、高血压、脑卒中、血管损伤、慢性肾功能衰竭、糖尿病、衰老及外周血管病等疾病普遍的共同的病理生理表现，是急性心血管事件和脑卒中的危险因素与预警指标，发病率高、危害性大。由于其病理生理过程的复杂性、发病机制和细胞来源的多样性，加之对血管钙化，尤其是伴骨质疏松者的临床预防和治疗效果尚不理想，有必要关注并加强对血管钙化发病新机制的研究。又由于血管钙化的本质是血管细胞向成骨细胞样表型的转化和血管组织向骨组织的转化，而细胞表型转化是细胞的基本生物学行为和细胞生物学的重大前沿课题，研究血管钙化的细胞表型转化机制，对血管生物学的发展具有重要的理论意义，对于临床预防和逆转血管钙化的发病亦具有潜在的指导价值。

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