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本文刊于:中华心血管病杂志, 2017,45(01): 78-80 作者:王中群 戴俏武 邵晨 严金川
目前我国冠心病、糖尿病和慢性肾脏病的患病率在不断升高，由其衍生的晚期并发症——血管钙化愈来愈成为一个无法回避的医学热点问题。深入探寻血管钙化的调控机制，尤其是针对新近提出的'血管钙化是血管内炎性因子启动的程序性成骨过程'这一学说，对骨－血管轴上的相应介质进行研究意义重大。有鉴于此，本文就血管钙化、骨重塑的分子开关——活化T细胞核因子c1(nuclear factor of activated T－cells cytoplasmic 1，NFATc1)、骨重塑相关的炎症、炎症共刺激分子CD137－NFATc1－血管钙化调控轴的提出等方面进行简要阐述，希望能为血管钙化的基础研究带来新的视角。
1．血管钙化
血管钙化是动脉粥样硬化、糖尿病等多种病理状态下，骨特异性羟基磷灰石结晶[Ca10(OH)2(PO4)6]在发生表型分化的平滑肌细胞等间叶细胞介导下主动沉积(在钙化血管壁可见到成骨细胞、软骨细胞和破骨细胞的表型，甚至还可以见到完整的板层骨和再生骨髓)在血管壁的异常过程。其与骨形成过程高度相似，可发生在静脉、瓣膜以及动脉壁的内膜和中膜[4,5,6]。临床流行病学研究显示，80%的血管损伤和90%的冠状动脉疾病患者伴有血管钙化，导致动脉粥样硬化的危险因素如血脂异常、高血压、吸烟、糖尿病、肾功能衰竭和慢性炎症状态等，均可促进动脉钙化的形成与发展。相对于中膜钙化，分布于动脉粥样硬化坏死核心上薄纤维帽(厚度<65>[7,8,9]。
2．NFATc1
在生理性骨重塑中，成骨与破骨进程始终维持着一个动态平衡，一旦这一平衡被打破，就会形成病理性骨重塑(例如骨质疏松和骨硬化症)或血管钙化[10]。研究显示，成骨细胞特异性基因例如护骨素、骨钙素、骨桥素、骨形态发生蛋白、胎球蛋白、细胞核因子κB受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor－κ B ligand，RANKL)、碱性磷酸酶和核结合因子α1(CBFα1)等均参与了这一平衡的调控。但在众多骨调节基因或蛋白中，NFATc1的作用最为关键，发挥着控制成骨破骨平衡'分子开关'的作用[10,11,12,13,14]。
NFATc1在淋巴细胞、单核巨噬细胞、成骨细胞、破骨细胞以及发生表型转化的平滑肌细胞源性成骨样细胞中均有表达[15]。静息期的NFATc1因N－末端调控结构域的高度磷酸化而位于胞浆中。一旦受到钙内流或其他刺激信号作用，NFATc1调控结构域就会迅速去磷酸化，并诱导变构开关暴露核定位序列，隐藏核输出序列，而转位进入细胞核中，与相应靶基因的启动子结合，发挥转录调控作用[12]。
有关NFATc1在成骨破骨进程中的作用及机制研究目前主要集中于以下4个方面：(1)调控成骨细胞增殖。成骨细胞内活化的NFATc1诱导成骨细胞增殖[14]，例如表达低水平活化NFATc1的小鼠会因为成骨细胞数量增加，而形成严重的骨硬化症。植入肾包膜下的NFATc1敲减小鼠胚胎股骨原基能形成高骨量表型。(2)抑制成骨细胞分化。转位于核内的NFATc1蛋白促进激活蛋白－1(activator protein 1，AP－1)与NFAT－AP－1结合位点的结合，进而在骨特异性基因的调控以及随后成骨细胞分化中发挥关键作用[10,11]。NFATc1还可以通过与靶基因启动子直接结合或者表观遗传学修饰，而影响成骨细胞分化相关基因，如碱性磷酸酶和骨钙素等。(3)增加破骨细胞形成与成熟。成骨细胞内活化的NFATc1可上调趋化因子配体8(CCL8)的表达，吸引单核巨噬细胞等破骨细胞前体细胞到骨骼表面，而发生破骨分化。破骨细胞前体内活化转位的NFATc1同样也可以与破骨因子相关转录靶例如抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)和碳酸酐酶以及NFATc1自身启动子结合，进而快速增强破骨细胞分化与成熟[12]。NFATc1是破骨细胞分化主调控子的最有力证据是NFATc1敲除小鼠可形成严重的乏－破骨细胞的骨质硬化，典型特征为骨量增加，短棒状长骨形成和生长板发育不良。这是由于不能有效降解初级松质骨，从而导致钙化软骨蓄积。而且，NFATc1缺陷的初级破骨细胞前体细胞不能在体外RANKL诱导下或者与野生型细胞共培养系统中形成破骨细胞。(4)促进血管壁平滑肌细胞成骨。在动脉粥样硬化患者的冠状动脉内膜有骨结素和NFATc1的表达，并且晚期钙化病灶内表达水平显著增高。尤其是在钙盐沉积区旁边的平滑肌细胞样细胞，有骨结素和NFATc1的强阳性表达。体外研究证实，抑制或沉默NFATc1可完全阻断氧化型低密度脂蛋白诱导的人冠状动脉平滑肌细胞成骨分化[16]。
既然NFATc1控制着成骨与破骨平衡，那么NFATc1为何在病理性骨重塑中增强破骨细胞的溶骨作用，而在动脉粥样硬化斑块内膜钙化中却增强平滑肌细胞的成骨分化，促进钙盐沉积，而无法动员破骨细胞分化，增强过多的钙盐吸收呢？是NFATc1仅介导血管壁成骨细胞样细胞的增殖，还是分化的破骨细胞功能不成熟？骨骼系统的病理性骨丢失与血管系统的动脉粥样硬化内膜钙化间有什么内在的关联？这些都是值得探讨的问题。
3．骨重塑相关的炎症
研究显示，血管壁显著的异位钙化经常伴随骨密度(bone mineral density，BMD)的降低或骨代谢的紊乱(即钙化异象)[17,18]。普通人群、慢性肾病、骨质疏松症以及罕见骨病(例如Paget并)患者均可出现钙化异象。在一项对绝经后女性进行的大样本前瞻性研究中，系列双能X线骨密度仪(dual－energy X－ray absorptiometry，DEXA)扫描显示，BMD每降低1个标准差，心血管死亡风险就增加30%[19]。研究还显示，外周动脉(颈动脉或下肢动脉)出现钙化者中，63%伴有腰椎BMD降低，93%伴随近端股骨BMD降低[20]。目前已经明确BMD和动脉粥样硬化斑块钙化之间呈负相关，而且这种相关性与年龄无关，而与炎症有关。
炎症耦联血管钙化和骨量丢失的最直接证据来自护骨素缺陷小鼠。该小鼠在形成严重血管钙化的同时，也伴有过量破骨细胞形成所驱动的高代谢性骨质疏松[21,22]。但是，这种严重的血管钙化只有在小鼠出生拥有炎症环境(有大量的CD3＋T细胞和一些F4/80＋巨噬细胞浸润)后才会发生，在母体子宫无炎症环境中不会发生钙化[21,22]。Demer和Tintut[23]的系列开创性体外研究证实，炎性细胞因子(例如白介素－1β、－6、－8、肿瘤坏死因子－α、胰岛素生长因子－1和转化生长因子－β)通过调控血管壁平滑肌细胞的成骨分化，促进动脉粥样硬化相关性钙化的形成与发展。近红外荧光成像与电子显微镜的观察结果显示，动脉粥样硬化斑块内的炎症与钙化形成具有实时相关性。而且在炎症与内膜钙化之间存在一个正反馈环，即炎症促进成骨分化能力的增加和钙磷酸盐沉积的增强，沉积的钙磷酸盐作为炎症刺激剂，又进一步诱发新一轮的炎症恶性循环[24,25]。最终引起斑块内的钙盐不断沉积，易损斑块破裂几率增大。另外，炎症和骨质溶解的关系已经在关节炎和牙周病患者中得到证实。促炎细胞因子如白介素－6和肿瘤坏死因子－α已经被证实会增加骨骼破骨细胞活性(通过核因子－κB通路)。整合既有研究，机体内全身性和局部炎症驱动血管钙化和骨量丢失，亦即炎症软化'硬组织'(例如骨质疏松症、风湿性关节炎等慢性炎症状态通过破骨细胞骨吸收能力的增强，而导致骨量丢失)，而硬化了'软组织'(例如动脉粥样硬化时内膜钙化)[26,27,28,29]，但炎症为何会引起骨骼的破骨性骨量丢失和血管壁的成骨性异位钙化这种骨血管轴钙化异象，现有的研究尚不能给出一个清晰的答案。
研究显示应用炎症共刺激分子CD137/CD137L的激动性和拮抗性抗体分别在体干预ApoE－/－小鼠动脉粥样硬化模型连续6周后，动脉斑块内钙盐沉积受到明显影响，NFATc1在平滑肌细胞源性成骨样细胞及钙灶周围淋巴细胞的表达与活性也受到不同程度的上调和下抑[30,31]。研究表明，炎症共刺激分子CD137/CD137L可能会影响NFATc1介导的动脉粥样硬化内膜钙化。另外，CD137还是一个类似于RANKL的炎症共刺激分子，是破骨细胞分化的关键因子，在成骨细胞及破骨细胞中均有不同程度的表达，通过对c－Fos和NFATc1的诱导，CD137/CD137L可增强RANKL诱导的破骨细胞形成。CD137－/－小鼠骨量增加，同时伴随着CD137－/－小鼠骨髓源性巨噬细胞体外破骨细胞形成能力减弱。研究提示，慢性炎症在组织水平创造了一个骨分解和血管内膜钙化的内环境。任何针对内膜钙化的研究和治疗都有必要考虑到骨－血管轴钙化异象的存在。最典型的负面证据就是，原本很有临床开发前景的焦磷酸盐类似物可有效阻遏动脉粥样硬化钙化的形成与发展，但却因为抑制了骨骼成骨矿化，而无法进入临床试验与推广。迄今为止，能够有效治疗动脉粥样硬化内膜钙化的策略仍仅限于微创性血管成形术或侵入性旁路外科术。
4．炎症共刺激分子CD137－NFATc1－血管钙化调控轴的提出
有鉴于动脉粥样硬化内膜钙化的炎症本质以及炎症在启动骨－血管轴钙化异象中的重要作用，分化成熟的破骨细胞可完全吸收多余的骨特异性羟基磷灰石沉积，针对破骨细胞分化的研究有可能会为动脉粥样硬化内膜钙化及骨量丢失提供一个全新而有效的生物治疗模式，我们提出如下假说：CD137/CD137L可能在不同的微环境下启动了NFATc1不同的成骨破骨分子开关，并进而影响了动脉粥样硬化内膜钙化。基于该假说，如能在炎性动脉粥样硬化模型在体干预CD137/CD137L信号及NFATc1，明确慢性炎症在骨量丢失和动脉粥样硬化内膜钙化中的作用，并进一步结合体外血管壁平滑肌细胞单独培养或与破骨前体细胞共培养等细胞学干预实验，有望能最终明确CD137/CD137L调控下NFATc1在骨－血管轴钙化异象中的作用机制，进而为动脉粥样硬化内膜钙化及其伴随的骨丢失疾病带来革命性的治疗理念。
参考文献（略）
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