血管钙化的病理机制、信号通路交叉对话与转化治疗策略

《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Vascular calcification: pathogenic mechanisms, signaling crosstalk and translational therapeutics

　　

摘要专业翻译 血管钙化（vascular calcification，VC）是一种多因素驱动的病理过程，其特征为羟基磷灰石（hydroxyapatite）在动脉壁的异位沉积，与心血管疾病发病率和死亡率的增加密切相关。本综述综合阐述了当前关于VC发病机制的研究进展，强调其本质上是一个由多种分子机制、信号级联反应和病理通路之间复杂交叉对话所驱动的动态调控过程。在特定病理刺激下，这一复杂的调控网络打破了促钙化与抗钙化机制之间的稳态平衡。VC的关键驱动因素包括血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）的表型转化、内皮-间充质转化（endothelial-to-mesenchymal transition，EndMT）、炎症、氧化应激、内质网应激、线粒体功能障碍以及多种形式的程序性细胞死亡。转录因子RUNX2作为核心调控因子，整合了WNT/β-catenin、BMP/Smad、PI3K/AKT、MAPK、AMPK、NF-κB、Notch及Rho/ROCK等多条信号通路的输入。此外，新近证据强调了表观遗传机制的关键调控作用，包括翻译后修饰（posttranslational modifications，PTMs）和非编码RNA（lncRNAs、miRNAs、circRNAs）。鉴于VC的复杂性，研究人员对临床试验中多种药物干预措施的有效性和安全性进行了批判性评估，包括双膦酸盐（bisphosphonates，BPs）、拟钙剂（calcimimetics）、磷结合剂、二肽基肽酶-4抑制剂（dipeptidyl peptidase-4 inhibitor，DPP4i）、SNF472、钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂（sodium-glucose cotransporter 2 inhibitors，SGLT2i）、他汀类药物、前蛋白转化酶枯草溶菌素/kexin 9型抑制剂（proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 inhibitors，PCSK9i）、硫代硫酸钠以及维生素K和维生素D，同时讨论了潜在的内源性分子和天然化合物。深入理解这些相互关联的分子网络对于开发精准疗法以减轻VC及VC相关心血管并发症至关重要。

论文主体内容总结

血管钙化的细胞和分子机制

VC并非被动的钙盐沉积，而是一个由细胞驱动的主动病理过程，涉及血管壁重塑、细胞异常表型转化和微环境紊乱。关键事件包括VSMCs表型转化、EndMT、成纤维细胞活化、细胞外基质（extracellular matrix，ECM）重塑、氧化应激、内质网应激、线粒体功能障碍、炎症和程序性细胞死亡。

细胞表型重塑与功能障碍

血管平滑肌细胞的表型转化

VSMCs是动脉中膜的主要细胞，具有显著的可塑性。生理条件下，健康血管由“分化型”收缩性VSMCs构成，表达α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）、平滑肌22α（SM22α）和平滑肌肌球蛋白重链（SM-MHC）等标志物以维持血管张力和结构完整性。血清反应因子（SRF）/心肌素（MYOCD）复合物与收缩基因启动子区的CArG顺式调控元件结合，在维持收缩基因表达中发挥核心调控作用。长链非编码RNA（lncRNA）CARMN可通过结合MYOCD维持收缩功能，磷酸酶和张力蛋白同源物（PTEN）增强SRF/CArG结合。肌动蛋白动力学通过RhoA/ROCK信号通路调控该过程，促进MYOCD相关转录因子（MRTFs）核转位。GATA6作为VSMCs中表达的锌指转录因子，可促进收缩基因转录活性。

在病理刺激下，收缩性VSMCs发生表型转化，转变为“去分化”的合成型VSMCs，表现为增殖和迁移能力增强、收缩标志物下调、骨桥蛋白（OPN）和CD68上调，并产生富含脂质、RNA和蛋白的细胞外囊泡（EVs），诱导成骨和成软骨标志物上调。VSMCs向骨软骨表型的转化是VC的关键步骤，由成骨和抗成骨信号通路失调驱动。骨软骨样VSMCs通过上调RUNX2并释放富含钙磷的囊泡作为羟基磷灰石晶体成核位点来驱动VC。该转化不仅涉及成骨标志物（RUNX2、碱性磷酸酶（ALP）、MSX2）的表达，还包括软骨细胞特异性标志物（II型胶原、X型胶原、SOX9）的上调。VSMCs还可转化为其他表型，如间充质样VSMCs、巨噬细胞样VSMCs和脂肪细胞样VSMCs，分别参与新生内膜增生、动脉粥样硬化斑块形成和脂质积累等过程。

内皮-间充质转化

ECs在病理刺激下可经历去分化过程转化为间充质细胞（MCs），即EndMT。在此过程中，ECs失去紧密连接和血管内皮钙黏蛋白标志物，同时表现出增强的运动性、ECM蛋白分泌增加以及间充质样增殖、迁移和胶原合成能力。谱系示踪显示，钙化血管中标记的ECs表达成骨标志物，证实了其成骨作用。BMPs激活EndMT，其中BMP2过表达通过诱导丝氨酸蛋白酶活性，驱动内皮来源MCs向易钙化血管壁迁移并转化为成骨样细胞。基质Gla蛋白（MGP）可抑制BMPs，MGP缺乏可导致进行性VC和EC异常。炎症因子介导的BMP受体（BMPR）2下调可减少c-JUN N末端激酶（JNK）信号但放大BMP9诱导的成骨分化，表明BMPR2/JNK信号通路是调控炎症诱导EndMT和促进VC的重要途径。转化生长因子-β（TGF-β）信号通过Smad依赖和Smad非依赖途径激活转录因子（Snail、Twist1）来抑制内皮标志物并增强间充质特征。Notch和晚期糖基化终末产物（AGEs）/AGEs受体（RAGE）信号与TGF-β协同促进瓣膜钙化中的EndMT。

成纤维细胞活化

血管壁内成纤维细胞增殖是VC的另一关键过程。成纤维细胞在损伤或病理刺激下被激活并增殖，这一过程由血小板衍生生长因子（PDGF）和成纤维细胞生长因子（FGF）等生长因子驱动。活化的成纤维细胞合成并分泌I型和III型胶原、纤连蛋白和蛋白聚糖等基质蛋白，这些蛋白不仅为细胞黏附和生长提供结构支架，还可与矿物离子相互作用促进羟基磷灰石晶体沉积，并驱动VSMCs表型转化，与ECs和VSMCs形成协同效应加速VC。

关键分子调控网络

内质网应激

内质网应激通过三条未折叠蛋白反应（UPR）通路的整合激活驱动VC：PERK/eIF2α/ATF4、IRE1α/XBP1和ATF6。PERK/eIF2α/ATF4轴磷酸化eIF2α以暂时性减少整体蛋白合成，同时选择性上调ATF4。ATF4诱导C/EBP同源蛋白（CHOP），通过下调抗凋亡B细胞淋巴瘤2（BCL-2）和上调促凋亡Bim来改变凋亡平衡，导致caspase-12介导的凋亡和钙化成核凋亡小体释放。此外，ATF4直接上调RUNX2，促进成骨标志物表达并下调收缩标志物。IRE1α/XBP1通路中，活化的IRE1α将XBP1u剪接为XBP1s，后者转位至细胞核作为转录因子触发内质网伴侣蛋白产生，同时诱导自噬调控因子如Beclin-1。然而，持续的IRE1α激活也触发JNK磷酸化，促进IL-6和IL-8等炎症细胞因子分泌，并诱导MMP介导的ECM降解。ATF6通路通过位点1蛋白酶和位点2蛋白酶切割释放活性ATF6，不仅上调XBP1，还诱导内质网相关降解（ERAD）系统组分，加速错误折叠蛋白降解并促进VSMCs骨软骨转化。

线粒体功能障碍

线粒体功能障碍以过度分裂和线粒体自噬受损为特征，破坏结构完整性和呼吸链功能，加剧氧化应激。该过程由NADPH氧化酶（NOX）衍生的活性氧（ROS）启动，ROS诱导线粒体DNA（mtDNA）损伤，促进动力相关蛋白1（Drp1）依赖性线粒体片段化，触发线粒体通透性转换孔开放，破坏ATP/ADP平衡并释放细胞色素c以激活caspase-9/caspase-3凋亡通路。ROS还通过TNF受体相关因子2（TRAF2）激活NF-κB和JNK信号，放大炎症细胞因子分泌和MMP介导的ECM降解。VSMCs中钙磷过载加剧线粒体损伤，铁过载通过Fenton反应加剧损伤，包括线粒体通透性转换孔开放、膜去极化和脂质过氧化，与铁死亡协同促进钙化。

氧化应激

氧化应激源于ROS过度产生与抗氧化防御不足之间的失衡，直接促进VSMCs表型转化和磷酸钙沉积。NOX是膜蛋白，通过NADPH依赖性单电子还原过程将分子氧还原为超氧阴离子，是体内ROS的主要来源。NOX1驱动VSMCs向合成表型转化，而NOX4通常支持收缩表型的维持。升高的ROS水平激活促钙化信号通路，包括NF-κB和BMP2/RUNX2。线粒体功能障碍通过损害呼吸链复合物加剧氧化损伤，不仅增强ROS产生还减少ATP生成，加速MV释放和羟基磷灰石晶体成核。

炎症

持续慢性炎症可损伤血管壁。受损的血管ECs或VSMCs释放损伤相关分子模式（DAMPs），募集炎症细胞至血管壁并启动炎症级联反应，释放大量炎症因子（ILs和TNF-α），通过改变ECM微环境、诱导氧化应激和破坏钙磷代谢平衡等综合效应促进VC形成。

白细胞介素

多种ILs在VC中发挥多效性作用。促钙化ILs包括IL-1β，通过激活NF-κB/p53/p21轴诱导VSMC衰老和表型转化，该过程与BMP2和RUNX2上调及收缩标志物SM22α和α-SMA抑制相关。IL-6结合可溶性IL-6受体激活衰老相关VC中的p53/p21通路。TNF-α通过诱导ERK/AP-1/c-FOS介导的IL-6表达促进VC。IL-18增强TRPM7/ERK1/2信号通路，上调VSMCs成骨标志物和钙沉积。IL-29通过JAK2/STAT3介导的BMP2上调促进VC。相反，部分ILs发挥保护作用。IL-24抑制WNT/β-catenin通路和表型转化，在铁过载环境中减弱铁死亡相关钙化。IL-10和IL-37作为保护性细胞因子抑制NLRP3炎症小体活化和成骨分化。IL-4表现出双相效应：短期IL-4介导的STAT6激活增加骨保护素（OPG）产生，但长期暴露下调OPG并促进VSMCs表型转化。

肿瘤坏死因子-α

TNF-α通过多种信号通路促进VC。TNF-α通过抑制TGF-β促进VSMCs表型转化，上调成骨标志物和钙沉积。除经典的ERK和NF-κB激活外，TNF-α通过cAMP依赖性机制调控VC，增加细胞内cAMP水平以增强成骨细胞特异性因子（Osf2）、AP-1和CREB的DNA结合能力。在炎症微环境中，M1型巨噬细胞分泌TNF-α，诱导VSMCs中碳酸酐酶I/II表达以促进碳酸钙形成。

程序性细胞死亡

自噬、铁死亡、凋亡和焦亡构成VC的关键调控网络。

自噬在VC中发挥双重调控作用。生理条件下，自噬调控VSMCs表型可塑性，防止向骨软骨表型转化。升高的磷酸盐水平诱导自噬以对抗VSMCs氧化应激和凋亡，减少钙化性MV分泌和羟基磷灰石沉积。自噬还通过线粒体自噬降解功能失调的线粒体来调控细胞内钙通量。然而，在AGE诱导的人VSMCs中，自噬和凋亡均被激活，钙化过程上调，抑制自噬可减弱钙化和凋亡，表明自噬与凋亡之间存在交叉对话。

铁死亡是铁依赖性程序性细胞死亡机制，由线粒体功能障碍和氧化应激驱动。释放的mtDNA激活CGAS/STING1信号通路，启动自噬依赖性铁死亡，其特征为NCOA4介导的铁蛋白重链降解和随后铁过载。铁积累通过Fenton反应放大脂质过氧化，触发VSMC死亡和骨软骨转化。PPARα激活可通过恢复线粒体完整性、抑制CGAS/STING1信号和铁蛋白自噬来减轻铁死亡和钙化。

凋亡发生于VC之前。病理刺激下VSMCs发生凋亡并产生与MVs结构相似的凋亡小体，形成钙化成核中心促进VC。凋亡小体通过完整膜积累钙，当暴露磷脂酰丝氨酸时形成适合羟基磷灰石沉积的钙结合位点和膜表面。MitoQ可通过调控Keap1/Nrf2通路抑制氧化应激并减少促凋亡因子Bax表达，从而抑制VSMCs凋亡和VC。

焦亡是炎症性程序性细胞死亡形式，核心机制依赖于NLRP3等炎症小体激活和下游效应分子协同作用。NLRP3激活焦亡通路，鸢尾素可抑制该过程以减轻VC。肠道菌群代谢物氧化三甲胺（TMAO）通过激活NLRP3和NF-κB信号通路促进VSMCs表型分化。高糖环境下NLRP3被激活，caspase-1和IL-1β释放增加。ROS升高时，硫氧还蛋白相互作用蛋白（TXNIP）与Trx解离后与NLRP3富含亮氨酸重复结构域结合，激活NLRP3，诱导焦亡。

血管钙化的重要调控因子

碱性磷酸酶

ALP是普遍存在的膜结合糖蛋白，可快速水解己糖磷酸为无机磷酸盐。组织非特异性ALP（TNAP）是VC中的核心促矿化酶，不仅水解焦磷酸盐（PPi）以解除其对羟基磷灰石晶体形成的抑制作用，还水解磷酸单酯生成无机磷酸盐，协同驱动MV介导的羟基磷灰石晶体成核和沉积。TNAP还调节血管壁促钙化微环境及MV的矿化功能和释放。TNAP水平升高与VC风险增加相关，抑制TNAP活性可在CKD小鼠模型中减轻VC进展。

Krüppel样因子4

KLF4是Sp1/Krüppel样锌指转录因子，由血管损伤和炎症因子诱导表达。