Klotho在血液净化患者中的研究进展

Research Progress of Klotho Gene in Blood Purification

摘要: Klotho是一种抗衰老基因，主要表达于肾脏、脑组织和甲状旁腺；研究表明Klotho基因的许多生物学功能在血液净化患者中发挥重大作用。本文对该基因在血液净化患者中的作用进行了综述，探讨其在血液净化患者中的影响。

Abstract: The gene of klotho is associated with aging that is mainly expressed in the kidneys, brain tissues and parathyroid glands. The biological functions of Klotho gene have been demonstrated to play an important role in patients with blood purification. The review is about an effect of this gene on blood purification and explores its role in patients undergoing blood purification.

1. Klotho与慢性肾脏病

1997年，Kuro-O及其团队在小鼠模型上发现了一种抗衰老基因并将其命名为Klotho [1]，该基因在肾脏、脑组织以及生殖系统等多个器官中均有表达，但其在肾脏表达水平最高[2]。慢性肾脏病(CKD)是指各种原因引起的慢性肾脏结构和功能障碍(肾脏损害病史 ≥ 3个月)。研究结果证实，慢性肾脏病大鼠Klotho基因和蛋白的表达水平相较于对照组显著下降[3]，在1期和2期慢性肾脏病患者的尿液中Klotho蛋白已经呈现出下降趋势，其下降程度与肾小球滤过率的下降速度密切相关[4]。在尿毒症患者和终末期肾脏病动物模型的肾脏中，Klotho蛋白水平也显著下降[5] [6]，CKD5期是所有肾脏疾病的最终阶段，血液透析、腹膜透析是尿毒症患者常见的治疗手段，不同透析方式对血清Klotho蛋白含量的影响仍存在一定的争议[7]。

2. Klotho水平与血液净化

研究表明，由于现代人类饮食方式的调整以及日常生活压力的增加，终末期肾脏病(ESRD)患病率近年来不断攀升[8]。终末期肾病(ESRD)指各种慢性肾脏病发展的终末阶段，该时期肾小球滤过率明显下降，肾脏已失去绝大部分的滤过、吸收及分泌功能导致机体出现酸碱失衡、电解质紊乱及大量毒素累积，临床表现出恶心、呕吐、食欲减退、水肿及皮肤瘙痒等症状[9]。血液净化作为终末期肾病患者常见的治疗方式之一，当前临床上主要运用的治疗手段包括腹膜透析(PD)与血液透析两种。

维持性血液透析(MHD)是终末期肾脏病患者改善生活质量、延长生命的另一种替代治疗方式，但在长期接受血液透析治疗的过程中，常因各种因素导致钙磷代谢失衡、血管钙化，导致心血管事件的发生，严重时甚至危及患者生命[10]。因此，在维持性血液透析患者的治疗过程中，预防终末期肾脏病患者出现钙磷代谢异常及心血管疾病至关重要[11]。

腹膜透析(peritoneal dialysis, PD)为终末期肾脏病患者提供了另一种治疗方式[12]，研究表明，Klotho蛋白不仅对接受腹膜透析治疗的尿毒症患者的血磷浓度具有调控作用，还与腹膜透析患者可能出现的多种并发症存在关联，如心血管病变、腹膜纤维化以及继发性肾性甲状旁腺功能亢进等[13] [14]。

2.1. Klotho与血管钙化

心血管疾病是导致透析患者致死的主要因素之一，血管钙化作为慢性肾脏病患者常见的并发症，其显著增加了心血管事件的发病率及病死率[15]。在腹膜透析患者中矿物质代谢紊乱参与并促进血管钙化，增加心血管疾病发生风险。研究表明，在Klotho基因敲除的小鼠模型中，可观察到血管中膜发生异位钙化、血管内膜增生以及Runx2在血管平滑肌细胞钙化区域呈现高表达状态；腹透患者的血管中膜也出现钙化现象，表明Klotho可能参与腹膜透析患者心血管疾病的发生发展过程中[16]。通过尾静脉向Klotho基因敲除小鼠注射携带Klotho基因的腺病毒后，其主动脉中层钙化进展被有效抑制，进而此实验进一步表明，Klotho蛋白能够有效抑制血管钙化的发生[17]。研究显示，Klotho蛋白可通过调控钙磷代谢、减少PTH及活性维生素D的生成，并直接作用于肾小管上皮细胞以增加尿磷排出，从而抑制高磷诱导的血管平滑肌钙化，这可能是Klotho蛋白在腹膜透析患者中发挥抗血管钙化作用的机制之一[18]。研究显示，Klotho蛋白可能通过调控钙磷代谢、减少PTH和活性维生素D的产生来抑制腹膜透析患者的血管钙化，同时还能作用于肾小管上皮细胞，增加尿磷排出，从而缓解高磷诱导的血管平滑肌钙化。

研究表明，长期血液透析可以使血管钙化出现的概率增加，且透析患者的血管钙化程度会随着透析时间的延长而逐渐加重[19] [20]；当血液透析患者出现血管钙化症状时，其桡动脉和心脏区域的血管钙化情况会进一步恶化，进而导致心血管疾病的发病率增加[21]。研究表明，甲状旁腺功能亢进可引起维持性血液透析患者血管发生钙化，提升心血管事件的发病率和死亡率[22]。FGF-23属于成纤维细胞生长因子家族中的一员，Klotho基因编辑的膜结合型Klotho蛋白主要在肾小管上皮细胞和甲状旁腺组织中表达，并能够与特定的成纤维细胞生长因子受体相结合形成FGFR/Klotho受体复合物发挥其生物学作用[23]。研究表明，FGF-23在Klotho蛋白密集处发挥其中生物学效应[24]，是新发现的调节机体磷吸收和代谢的因子[25]，Klotho与FGF-23共同参与磷、维生素D及甲状旁腺激素代谢的调控过程，肾脏作为FGF-23蛋白发挥作用的主要脏器，其在调控血磷及维生素D代谢方面起着重要作用[26]；另有研究表明，FGF-23/Klotho轴对心血管系统具有重要影响，当患者体内Klotho蛋白水平降低，FGF23的浓度升高时，可以导致血管发生钙化，促使心血管事件的风险性增加[27]。

2.2. Klotho与矿物质代谢

继发性肾源性甲状旁腺功能亢进是腹膜透析患者最严重并发症之一，尿毒症患者肾功能衰竭导致患者出现低钙血症、高磷血症同时伴有活性维生素D3合成不足或对其反应性下降等现象。研究表明，Klotho可能通过双重机制来调控慢性肾脏病患者甲状旁腺激素代谢[28]。Klotho蛋白作为肾–骨内分泌轴的重要组成部分，在调节机体血磷水平及维生素D代谢中发挥着重要作用[29]，FGF23作为一种由骨骼分泌的新型磷调节因子，其主要功能在于调控血磷代谢以及肾脏中1,25(OH)2D3的合成[30] [31]，该过程通过调节血磷水平和1,25(OH)2D3的合成间接调控PTH的分泌。Klotho蛋白能够作为FGF-23的辅助因子，通过与成纤维细胞生长因子受体结合，形成Klotho-FGFR复合物，从而发挥其生物学功能。在继发性肾源性甲状旁腺功能亢进的发展过程中，FGF-23-Klotho-FGFR信号通路发挥着关键作用。

研究发现，在慢性肾脏病(CKD)初期阶段，FGF-23水平呈现适应性上升Klotho表达呈现相应降低，有利于机体维持磷酸盐稳态[32]。随着CKD的进展，患者进入维持性血液透析治疗阶段时，肾脏中Klotho的分泌量显著降低，同时FGF-23明显升高，机体产生的Klotho的水平不足以维持FGF-23/Klotho信号通路所需的Klotho时，就导致了高磷血症[33]。体外实验证实[34]，Klotho能够直接阻止高磷环境诱发的血管平滑肌细胞钙化过程，并有效抑制其向骨细胞方向分化。有研究证实[35]，高浓度的FGF-23能够抑制1,25(OH)2VitD3的活化，引起持续性低钙血症；另有研究表明，给维持性血液透析大鼠注射FGF-23抗体，能够抑制1,25(OH)2VitD3水平的下降，并缓解继发性肾源性甲状旁腺功能亢进症状，从而促进血钙浓度的升高[36]。研究证实，在继发性甲状旁腺功能亢进患者早中期就开始出现FGF23升高和Klotho下降，且明显早于血磷和血清全段甲状旁腺激素的升高[37]。

甲状旁腺功能亢进是接受维持性血液透析治疗患者常见的并发症，其发病机制主要与维生素D不足及钙磷代谢紊乱导致甲状旁腺素分泌过多有关[38]。研究表明，慢性肾功能不全患者若并发继发性肾源性甲状旁腺功能亢进，其血液中FGF-23浓度显著升高，然而甲状旁腺组织内的FGFR与Klotho表达量却显著降低[39]。有研究表明，由于慢性肾脏病终末期大鼠甲状旁腺内Klotho表达水平显著降低进而限制FGF-23-Klotho-FGFR系统激活丝裂原活化蛋白激酶信号转导途径，提示Klotho表达水平降低可能引起甲状旁腺对FGF-23产生抵抗作用[40]。研究发现，Klotho蛋白在慢性肾脏病初期患者的甲状旁腺内激klotho-Na+/K+-ATP信号通路，进而促进PTH的合成；但是随着疾病的进展，Klotho水平逐渐下降，导致生成FGF-23-Klotho-FGFR系统和Klotho-Na+/k+-ATP信号通路的原料不足，进而引起Klotho-FGFR复合体及Klotho-Na+/k+-ATP复合物的表达量也相应减少，其介导的信号通路对PTH的下调作用无法充分抵消该信号通路激活所导致的PTH升高作用，因而导致血液中的PTH持续处于较高水平状态[41]。

2.3. Klotho与氧化应激

氧化应激是机体在受到各种不利刺激时，身体内活性氧自由基等高活性物质产生过多，引起机体氧化作用超过抗氧化作用，造成机体氧化应激失去平衡，从而引起组织及细胞受到损伤[42]。氧化应激是导致尿毒症和血液净化患者并发症发生的一个重要因素[43]。尿毒症患者体内存在多种物质代谢紊乱导致机体内环境改变，如尿毒症患者体内毒素累积减弱了氧自由基的清除，降低了机体抗氧化酶的活性[44]，尿毒症机体生成大量的反应性氧簇(ROS)介导一氧化氮(NO)失活，导致机体存在高氧化应激状态[45]。梁敏等人对肾功能正常的普通人、慢性肾功能不全、血液透析以及腹膜透析患者的血浆进行研究表明[46]，这四组患者血浆丙二醛、还原型谷胱甘肽等抗氧化物质的活性之间存在差异，肾功能异常患者的机体普遍处于氧化应激状态，且血液透析患者机体的氧化应激状态是最严重的。另有研究表明，腹膜透析患者的机体通常存在抗氧化能力低下的现象，这可能是由于腹透患者机体内毒素长期潴留、长期使用高糖腹透液、长期皮下注射人促红素及使用铁剂，导致机体高氧化应激状态的持续存在[47] [48]。研究发现，当体外培养的细胞处于氧化应激状态时，其Klotho mRNA和蛋白表达均下降[49]，使Klotho基因高表达能使体内DNA氧化损伤下降[49]。另有研究表明，Klotho抑制凋亡可能通过胰岛素样生长因子–锰超氧化物歧化酶通路，该通路通过激活二氧化锰超氧化物歧化酶活性来减轻由氧化应激诱导的细胞凋亡反应[5]。因此，Klotho蛋白可以通过减缓氧化应激损伤抑制尿毒症和血液净化患者并发症的发生，从而起到减轻死亡率提高尿素症状患者生存质量的作用。研究证明，血液透析与腹膜透析都可以达到减轻机体氧化应激损伤的作用[50]，但是腹膜透析治疗对氧化应激指标的改善情况优于血液透析治疗，一方面可能是因为腹膜透析治疗时人体血液不直接接触透析液及透析膜，减少了对于氧化应激反应[51]，另一方面可能是因为血液透析比腹膜透析能更多地清除循环中的Klotho蛋白[52]。

3. 总结

和健康人相比，慢性肾脏病患者特别是处于尿毒症阶段时，Klotho蛋白的表达水平显著降低，并且其表达量会随着病情的恶化而进一步下降。此外，可溶性Klotho蛋白的减少可能促进心血管钙化的形成或加剧其严重程度，同时也可能导致慢性肾脏病合并继发性甲状旁腺功能亢进症患者的预后状况更差[53]。血清Klotho蛋白的缺乏与心血管不良事件的发生密切相关，Yang等人的研究指出，在未接受透析治疗的慢性肾脏病患者中，血清Klotho浓度与患者总体死亡率及心血管事件呈独立相关性[54]；此外，通过外源性补充Klotho蛋白或上调Klotho基因表达，可显著减慢慢性肾脏病的病情进展，阻止血管钙化的发展，并降低心血管事件的发病率和死亡率[55]。因此Klotho可能会成为血液净化患者诊断和治疗的又一新靶点，但其具体作用机制尚不明确，还需要进一步研究及探索。

4. 问题与展望

可溶性Klotho蛋白是一种主要由肾脏分泌的蛋白，在慢性肾脏病患者，特别是终末期肾病患者中显著降低，但在甲状旁腺、血管等组织中仍可产生少量可溶性Klotho。研究发现[56]，血液透析会清除循环中的可溶性Klotho，这可能是导致透析患者Klotho水平持续低下、加剧并发症(如血管钙化、心血管事件等)发生的重要因素。

研究表明[57]，不同透析模式对循环中可溶性Klotho的清除效果不同，单次高通量血液透析比低通量血液透析清除更多的Klotho，导致透析后Klotho下降更明显；然而一些研究发现[58]，尽管单次清除多，但长期接受高通量血液透析的患者，其透前Klotho水平可能高于或等同于低通量血液透析患者，因此，对于残余肾功能已完全丧失的患者，需权衡其中大分子清除的益处与Klotho丢失的风险。研究表明[52]，与血液透析患者相比，腹膜透析患者在透析初期和中期的血清Klotho水平通常更高，这与他们拥有更多的残余肾功能密切相关，一旦残余肾功能完全丧失，血液透析患者的Klotho水平也会降至极低。因此，保护残余肾功能也是维持Klotho水平的重要措施之一。

可溶性Klotho在血液透析过程中确实会通过对流等机制被清除至透析液中，然而，不同透析方案对Klotho的长期影响是清除效应与对机体整体内环境改善效应共同作用的结果。总体而言，高质量的透析治疗以及能更好保护残余肾功能的腹膜透析，更有利于维持透析患者较高的长期Klotho水平。未来在追求充分透析的同时，积极保护残余肾功能，并探索Klotho特异性的保护与干预策略，对于改善终末期肾病患者的生存质量与预后具有重要价值。

NOTES

^*通讯作者。