超氧化物歧化酶基因多态性与Klotho–FGF-23轴在心力衰竭相关性肾病中的作用：一项叙述性综述

《Biomedicines》：SOD Polymorphisms and the Klotho–FGF-23 Axis in Heart Failure-Associated Kidney Disease: A Narrative Review

　　

摘要 肾功能障碍在慢性心力衰竭（CHF）患者中常见，并与不良临床结局相关。然而，肾功能障碍的严重程度并不总是反映血流动力学紊乱的程度。这些患者肾脏中出现的肾小管损伤、间质性炎症和纤维化并不能完全由肾灌注不足和静脉淤血来解释，这引起了人们对非血流动力学损伤机制的关注。两个候选机制——抗氧化防御功能受损和Klotho–FGF-23轴紊乱——迄今一直被分开研究而非联合探讨。超氧化物歧化酶（SOD）同工酶是细胞质、线粒体和细胞外基质中抵御超氧化物的第一道防线，SOD2和SOD3的常见编码区变异已与肾病和心血管疾病相关联。肾脏是α-Klotho的主要来源，该蛋白有助于抵御氧化应激、炎症和纤维化。肾脏中Klotho的表达在肾脏疾病早期即下降，而循环中的成纤维细胞生长因子23（FGF-23）水平通常随肾功能下降而升高。FGF-23升高与左心室肥厚、心肌纤维化、新发心力衰竭和死亡相关。实验研究将这两个系统联系起来：氧化应激下调Klotho表达，而Klotho上调FoxO3和Nrf2依赖性抗氧化程序，包括线粒体SOD。本综述将氧化还原、遗传和矿物质内分泌文献整合到一个可检验的统一框架中，在该框架中，遗传决定的抗氧化能力可能影响氧化还原–Klotho–FGF-23网络，并通过该网络影响CHF中的肾脏易损性。因此，本叙述性综述的贡献在于概念层面：它整合了不同研究领域的证据，指出了每个环节的强度，并将该通路作为待检验的假说提出。该框架的各个组成部分所获得的证据支持极不均衡：最强的证据来自观察性研究且来自慢性肾脏病而非慢性心力衰竭；Klotho–超氧化物歧化酶之间的相互调节仅基于细胞和动物实验；遗传修饰因子尚未得到检验；且未发现任何研究在具有肾脏终点的CHF队列中同时测量了SOD基因型、SOD活性、可溶性Klotho和FGF-23。这一空白指向一个具体的转化研究议程：前瞻性心肾队列应结合遗传、氧化还原、内分泌和肾小管损伤测量，并以肾脏结局而非替代标志物作为评估终点。该整合通路尚未在临床队列中得到验证，不应被视为已确立的病理生理学。

1. 引言

肾功能损害是慢性心力衰竭中最可重复的预后因素之一，其存在改变了心力衰竭的病程和治疗。然而，确定肾损害的性质一直较为困难：利尿治疗期间估算肾小球滤过率（eGFR）的下降并不一定表明结构性损伤，而稳定的肌酐水平可能与持续的肾小管损伤共存。肌酐-based eGFR对早期实质改变不敏感，受肌肉质量和晚期心力衰竭神经激素环境影响，且无法提供受损肾单位节段的信息。肾损伤的潜在机制也很复杂：前向血流减少、中心静脉压升高和肾静脉淤血同时作用于肾脏；在此基础上叠加肾素–血管紧张素–醛固酮系统（RAAS）和交感神经系统激活、全身及肾内炎症、内皮功能障碍和进行性纤维化。其中多条通路汇聚于活性氧（ROS）的产生，氧化损伤被提出作为连接血流动力学和神经激素应激与持续性结构损伤的共同下游放大器。如果氧化损伤重要，那么清除超氧化物的能力也应重要。超氧化物歧化酶催化超氧化物歧化为过氧化氢，分布于三个不同区室：SOD1位于细胞质和线粒体膜间隙，SOD2位于线粒体基质，SOD3位于细胞外空间和血管内皮表面。这些酶既清除有害自由基，又调节氧化还原依赖性信号传导。SOD2和SOD3编码区及调控区的多态性已与糖尿病肾病、CKD进展和心血管疾病相关联，但各人群间的关联并不一致。第二类文献涉及肾脏的内分泌作用：α-Klotho主要在远端肾小管合成，以可溶性形式循环，在肾脏和脉管系统中具有抗氧化、抗炎和抗纤维化作用。肾脏Klotho表达在肾脏疾病早期下降。FGF-23由骨细胞分泌，需要Klotho作为其经典磷酸尿效应的共受体，并随肾功能下降而逐渐升高。两条文献在一点上交汇：实验研究表明氧化应激下调肾细胞中Klotho的表达，而Klotho促进抗氧化程序（包括线粒体SOD）。如果两个方向在体内均起作用，则抗氧化能力与Klotho状态并非独立变量，而是反馈环路的组成部分，其设定点可能因SOD功能的遗传差异而偏移。本综述将这些问题的证据整合为一个供未来研究的框架，并提出了两个具体问题：SOD遗传变异能否预测慢性心力衰竭患者的肾脏结局？Klotho状态是否影响人肾脏中的线粒体抗氧化能力？

2. 文献检索策略

本文为叙述性综述，未注册系统方案，未制备PRISMA流程图，未进行正式偏倚风险评估或定量合成。通过生物医学数据库检索和综述及原始研究的参考文献列表检查来识别相关文献。检索概念分为四个领域：抗氧化领域、内分泌领域、肾脏领域和心脏领域。各领域内及跨领域组合检索词。人类研究全程优先；在缺乏人类机制数据时，采用动物模型和培养的肾或血管细胞的实验数据并在文中注明。本检索策略有两个含义：检索为概念驱动而非穷尽式，可能遗漏相关研究（尤其是小型或阴性研究及非英文期刊发表的研究）；框架整合的文献通常不互相引用，各环节证据质量不同。检索记录缺乏数据库、日期、布尔检索式或正式筛选程序的完整信息，因此检索无法完全重现。本综述应被理解为对选定证据的叙述性综合而非系统或全面综述。

3. 心力衰竭相关性肾病：超越血流动力学损伤

长期以来，心力衰竭中的肾脏主要被视为前向血流被剥夺的器官。但该模型与临床数据不符：CHF中肾功能与心输出量仅松散相关，输出量保留的患者常存在滤过受损。静脉淤血现被认识为更强的血流动力学决定因素：中心静脉压升高传递至肾静脉，增加被包裹肾脏的间质压力，压迫肾小管并降低跨肾小球压力梯度。神经激素激活作用于同一组织：RAAS激活导致出球小动脉收缩、钠潴留及肾小管和系膜细胞中直接促氧化和促纤维化信号。第三个机制是炎症：CHF中循环细胞因子水平升高，1型心肾综合征的实验研究表明急性失代偿患者的血浆可触发肾小管细胞的凋亡和氧化反应。线粒体功能障碍是另一重要机制：近端肾小管具有全身最高的线粒体密度之一，依赖氧化磷酸化进行钠重吸收。部分不同的通路导致肾小球损伤：足细胞因滤过压力改变而受到机械应力，易受氧化和炎症损伤，其丢失不可逆。实际后果是GFR下降仅反映CHF肾脏表型的一个方面，结构性损伤可在滤过仍保留时发生。

4. 氧化应激作为肾损伤的致病驱动因素

氧化应激是活性氧和氮物种的产生与清除系统之间的失衡。肾脏中的主要来源是线粒体电子传递链、NADPH氧化酶、黄嘌呤氧化酶和解偶联的一氧化氮合酶。超氧化物歧化为过氧化氢用于受控信号传导，或与一氧化氮反应形成过氧亚硝酸盐并从血管池中清除一氧化氮，这决定了后续事件。一氧化氮生物利用度丧失导致血管舒张受损、白细胞粘附增加和促炎性内皮表型。下游氧化剂损伤脂质、蛋白质和核酸。线粒体DNA和电子传递链成分的损伤形成恶性循环。最终结果是纤维化：氧化应激激活TGF-β信号传导，促进上皮去分化和肌成纤维细胞持续存在。在CHF中，血管紧张素II直接激活NADPH氧化酶，淤血和低灌注引起局部缺氧–复氧，全身炎症提供循环介质。将CKD机制转移到CHF环境需谨慎：糖尿病肾病和晚期CKD及透析人群中的机制研究受尿毒症潴留溶质、透析相关刺激和矿物质紊乱影响。广泛抗氧化补充在心力衰竭中产生了不一致的临床结果，可能反映非选择性清除生理所需信号氧化剂、药物未能到达适当亚细胞区室以及对未选择人群的治疗。

5. 超氧化物歧化酶：核心抗氧化防御系统

三种人SOD同工酶在区室而非功能上不同。SOD1最丰富，位于细胞质、细胞核、过氧化物酶体和线粒体膜间隙。SOD2位于线粒体基质，靠近超氧化物产生的主要来源；完全缺乏在小鼠中致死，部分缺乏与线粒体氧化损伤相关。SOD3被分泌并结合内皮表面和细胞外基质中的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，防止一氧化氮与超氧化物反应。SOD家族以区室特异性方式与肾脏相关：SOD2保护肾小管细胞中的线粒体，SOD3保护管周和肾小球微循环中的一氧化氮，SOD1参与细胞质氧化还原信号传导。血浆或血清SOD活性、组织SOD蛋白表达和同工酶特异性酶活性是三个不同的变量。在CHF合并低eGFR的淤血患者中，低血浆SOD活性可能由合成减少、酶失活、基质结合池与循环池之间分布改变或稀释所致，无同工酶分辨测定无法区分，而基因型提供了不受疾病相关反向因果影响的测量。

6. SOD基因多态性与肾损伤的遗传易感性

SOD2 Val16Ala变异（rs4880）位于线粒体靶向序列中，两等位基因在新生蛋白导入线粒体基质的效率上不同。该变异与1型糖尿病患者的糖尿病肾病和心血管疾病相关，在2型糖尿病中也观察到SOD2变异与糖尿病肾病的关联。心血管人群的结果不一致。肾脏人群的情况不太明确：一项前瞻性研究直接检查了CKD患者中谷胱甘肽过氧化物酶、SOD和过氧化氢酶基因型及酶活性与进展的关系。SOD3 R213G变异改变肝素结合域，使酶从基质释放到循环中：携带者血浆EcSOD显著升高但内皮和基质表面酶减少。SOD1文献以导致家族性肌萎缩侧索硬化（ALS）的罕见致病突变为主，与肾脏易感性无已知关联。遗传证据有三个主要限制：多数为祖先多样性有限的小型病例对照研究；除少数研究外，从变异到抗氧化能力再到组织损伤的功能通路通常被假定而非证实；多数研究涉及糖尿病、冠心病或透析患者。等位基因频率在不同祖先人群间差异显著，且部分研究检验了多个变异对多个终点，未调整多重比较时部分报道的关联将为假阳性。

7. Klotho作为肾脏保护和氧化还原调节蛋白

α-Klotho主要在肾脏产生，膜结合Klotho是赋予FGF-23对FGF受体特异性的必需共受体，可溶性Klotho通过胞外域脱落释放，可独立于FGF-23作用于多种细胞表面靶标。肾脏Klotho表达在肾脏疾病早期下降并随肾功能恶化进一步降低。在肾脏中，Klotho抑制Wnt信号和TGF-β介导的纤维化，抑制NF-κB介导的炎症转录，维持内皮功能，保持线粒体完整性并延缓细胞衰老。实验证据表明氧化剂减少Klotho表达：氧化应激下microRNA-200c在人间细胞中转录后调节Klotho表达，miR-556-3p在氧化应激下下调肾小管上皮细胞中Klotho并诱导纤维化表型。人类证据较弱且包含重要阴性发现：在CKD患者中减少氧化应激的干预未增加循环α-Klotho浓度。反向方向有更强的机制支持：在他克莫司诱导的氧化损伤模型中，Klotho负调控PI3K/AKT通路从而增加FoxO3介导的锰超氧化物歧化酶（MnSOD）表达；在HK-2细胞中Klotho通过AKT/Nrf2通路抑制硫酸吲哚酚诱导的凋亡。两个方向共同构成反馈关系：氧化应激减少Klotho，进而限制FoxO3和Nrf2依赖性抗氧化程序的激活，允许进一步氧化应激。

8. FGF-23与肾脏疾病中的Klotho–FGF-23轴

FGF-23由骨细胞和成骨细胞分泌，作用于肾脏以减少磷酸盐重吸收并抑制1α-羟化酶。经典信号传导依赖膜Klotho作为共受体。随肾脏恶化，FGF-23在CKD早期即升高，肾脏Klotho表达反向移动，形成相对FGF-23抵抗状态。除肾单位丢失外，磷酸盐负荷、1,25-二羟维生素D状态、炎症和铁缺乏均影响测得的FGF-23，且可能改变完整激素与裂解片段的比例，因此C末端测定与完整测定不可互换。前瞻性研究中FGF-23升高与肾脏疾病进展相关。在心血管文献中，FGF-23与死亡、心力衰竭和心血管事件相关，在CKD患者中预测未来心血管事件，在CRIC队列中与新发心力衰竭相关。机制层面，高浓度FGF-23通过Klotho非依赖性、钙调磷酸酶/NFAT依赖性通路激活心肌细胞中的FGFR4，与肥厚相关。反证同样具体：在健康小鼠中，心脏FGF-23过量未诱导左心室肥厚，提示高FGF-23单独在正常动物中不足以致病。FGF-23至少是标志物，可能部分为代偿性，并可在许可条件下介导心脏损伤，但人类中的许可条件尚未确定。

9. 心力衰竭相关性肾病中的Klotho–FGF-23轴紊乱

在CHF中，肾功能同时是FGF-23的决定因素、心脏疾病的后果和所预测结局的一部分。人类数据正在积累：FGF-23与容量超负荷特征、次优治疗和不良预后相关，在HFpEF中作为纤维化和预后标志物被研究，在急性心力衰竭中与可溶性α-Klotho联合用于风险分层。一项DAPA-VO2亚研究是唯一报道治疗期间这些标志物变化的纵向研究。一项中介分析发现肾功能介导了Klotho与充血性心力衰竭之间的关联，但横断面设计无法确定因果顺序。人类心肌中Klotho表达增加而循环水平无相应变化，表明局部心肌Klotho表达与血浆可溶性Klotho不等价。混杂、中介和反向因果问题需明确：年龄、糖尿病、高血压和基线肾功能是暴露和结局的共同原因；淤血、炎症、铁状态和磷酸盐代谢在心衰为暴露时是中介变量，在FGF-23为暴露时是混杂因素。肾功能可能是共同原因、中间变量或单一心肾过程的一部分，不同模型下同一系数的含义不同。FGF-23与死亡率的关联在CHF人群中因多种独立因素而预期存在，确定中介作用需要遗传工具或干预。

10. SOD–Klotho–FGF-23界面：一个新兴的致病框架

该框架是作者的整合，五个环节逐一讨论。环节1（SOD功能障碍→氧化应激→肾损伤）支持最强：SOD减少超氧化物介导损伤的能力在生化和实验研究中充分记载。环节2（氧化应激→Klotho抑制）有实验支持但人类证据较弱，唯一干预试验为阴性。环节3（Klotho→抗氧化防御和SOD调节）有四个独立实验系统支持，但缺乏人类直接确认。环节4（肾功能障碍→Klotho/FGF-23失衡→心肾后果）有最强的人类研究支持，但因果架构仍不清楚。环节5（SOD遗传变异作为潜在修饰因子）最推测性：基因型可通过影响SOD2可用性修饰氧化还原–Klotho环路，但尚无研究检验该命题。表型依赖性方面，HFpEF以心肌纤维化为主且合并症负担更高，HFrEF中前向血流减少对肾低灌注贡献更大，CRIC队列中FGF-23与新发心力衰竭的关联因亚型而异。前瞻性检验应分别研究HFrEF和HFpEF。

11. 从致病机制到生物标志物

候选变量在分析成熟度上差异很大。SOD基因型分析上最稳健：基因分型相对廉价、可重复、仅需一次样本，不受淤血、治疗或肾功能影响。SOD活性和氧化应激标志物分析上最弱：总血浆SOD活性聚合同工酶，对急性生理变化作出反应，测定方法在实验室间不可比。可溶性α-Klotho测量受显著测定变异性影响，与肾脏或心脏表达相关性不完美。FGF-23测量涉及特定测定选择：完整FGF-23是生物活性形式，C末端测定同时测量完整激素和裂解片段。肾损伤标志物提供滤过测量所缺乏的信息：白蛋白尿已确立，肾足细胞损伤标志物和纤维化相关标志物与超声心动图指标结合已被用于定义CKD中的亚临床心肾表型。多层生物标志物概念中，每层受不同混杂来源影响：基因型不受反向因果影响但单独信息量弱，氧化还原和内分泌标志物信息量大但对急性临床状态敏感，损伤标志物肾脏特异性强但对机制信息少。该组合是否在eGFR、利钠肽和白蛋白尿之上提供增量价值是尚未回答的经验问题。评估需预先指定的参考模型、外部验证、校准和决策分析测量。同工酶分辨SOD活性、完整FGF-23和可溶性α-Klotho是研究性测定，实验室间不可比，氧化还原标志物的样本处理要求高。

12. 转化与精准医学视角

当前CHF肾病的处理基于CHF的指南指导药物治疗、谨慎的容量管理、避免肾毒性暴露和常规肾进展危险因素治疗。该框架有三个潜在研究应用：在滤过丢失前识别肾易损性；按遗传抗氧化能力分层以确定氧化性肾损伤贡献显著的亚组；纵向监测治疗期间Klotho和FGF-23的变化。若经验证，该框架主要影响监测的时机和强度而非初始治疗选择。恢复或保留Klotho的策略（重组蛋白、基因递送、药理学诱导）尚未在心力衰竭患者中评估。FGFR4阻断调节FGF-23信号在尿毒症心肌病模型中受到支持，可溶性Klotho加肝素在实验性CKD中调节FGF-23的病理心脏作用。矿物皮质激素受体（MR）拮抗处于既定治疗与本文讨论机制的交汇点。所有这些方法均不应在试验外使用。

13. 知识空白与研究优先事项

尚无队列测量了完整通路：未发现研究在CHF患者中同时测量SOD基因型、SOD活性、可溶性Klotho、FGF-23和肾损伤标志物。Klotho–SOD联系的人类证据缺失，仅基于细胞和动物研究。可溶性Klotho是不确定的读数，测定不一致且组织与循环Klotho已知分离。很少有研究对这些关系应用正式因果推断方法：孟德尔随机化、纵向数据结合正式中介分析和预先指定的因果图可推动该领域。心力衰竭表型未被区分，合并可能掩盖相反方向的效果。遗传研究狭窄，中亚、南亚和非洲队列代表性不足。使用现成生物标志物可能降低机制特异性：总血浆SOD活性和总可溶性Klotho是不同量，R213G例子清楚表明循环EcSOD增加而保护减少。时间性未被研究：FGF-23升高先于或后于肾损伤发生尚不清楚。干预研究需要选择人群：未选择人群抗氧化治疗失败与基因型或实测氧化还原状态定义的亚组中有效相容。

14. 本综述的局限性

本文为叙述性综述，证据基础非系统收集，选择偏倚无法排除，阴性研究可能代表性不足。部分引用的来源为会议摘要，方法无法完全评估。整合框架是作者的解释，未经经验检验。综述大量依赖CKD和糖尿病肾病文献，外推至心力衰竭相关性肾病已被识别但仍是外推。五项潜在研究特征限制结论：人群异质；测定异质超出测量噪声；肾脏结局定义不一致；急性和慢性心力衰竭是不同环境；遗传文献基于有限祖先范围。

15. 结论

在慢性心力衰竭相关性肾病中，氧化损伤、内皮功能障碍、线粒体衰竭、炎症和纤维化是血流动力学无法单独解释的机制，均汇聚于氧化还原生物学和肾脏内分泌功能。超氧化物歧化酶帮助保护细胞免受氧化损伤并在氧化还原信号传导中发挥重要作用。SOD2和SOD3的某些变异已与肾脏和心血管疾病相关联，尽管各人群间发现不一致。实验研究提示Klotho可能支持线粒体抗氧化活性。该框架在生物学上合理，但这些关系尚未在慢性心力衰竭患者中联合确认。该框架作为待检验的模型而非已知病理生理学的描述：其组成部分支持极不均衡，核心相互联系无人类数据支持，遗传修饰因子纯属假设。它定义了一个具体且可实现的研究计划：具有基因型、氧化还原、内分泌和损伤测量及肾脏终点的前瞻性心肾队列。