《Frontiers in Aging Neuroscience》：Klotho deficiency and cognitive impairment in dialysis patients: mechanisms, clinical evidence, and therapeutic implications
认知障碍在接受透析治疗的终末期肾病（End-Stage Renal Disease, ESRD）患者中患病率极高，且与不良临床结局及生活质量下降密切相关。越来越多的证据表明，主要在肾脏表达的抗衰老蛋白Klotho，在尿毒症相关认知功能障碍的病理生理过程中发挥关键作用。本综述总结了当前关于透析患者Klotho缺乏及其与认知障碍关联的临床与实验证据，进一步探讨了其潜在机制，包括氧化应激、慢性炎症、血管功能障碍及血脑屏障破坏。此外，本文还批判性评估了Klotho作为生物标志物及治疗靶点的潜在作用。阐明由Klotho介导的肾脏–脑轴（kidney–brain axis），有望为透析人群认知障碍的早期识别与靶向干预提供新的思路。
1 引言
慢性肾脏病（Chronic Kidney Disease, CKD），尤其是进展至尿毒症期的晚期阶段，是全球重大健康负担，以进行性肾功能下降及多系统并发症为特征。认知障碍在CKD及终末期肾病（ESRD）患者中日益被认为是一种常见且具有重要临床意义的并发症，在接受透析治疗的人群中尤为突出。流行病学研究估计，20%–70%的此类患者存在认知功能下降，范围涵盖轻度认知障碍至痴呆，并与治疗依从性降低、住院率升高及死亡率增加相关。CKD相关认知障碍的机制复杂且多因素，涉及尿毒症毒素蓄积、慢性炎症、氧化应激、内皮功能障碍及矿物质代谢紊乱。“肾脏–脑轴”概念强调了肾功能障碍与脑损伤之间的双向相互作用，包括血脑屏障破坏、神经炎症及微血管损伤。尽管透析治疗不断进步，认知障碍仍常被忽视且管理不足，凸显了识别关键分子介导因子的必要性。Klotho是一种主要在肾脏表达的抗衰老蛋白，在CKD早期即出现下降，并被证实参与血管、代谢及神经保护调控。值得注意的是，Klotho通过FGF23–Klotho轴是磷酸盐稳态的关键调节因子。早期Klotho缺乏会损害尿磷排泄并促进代偿性成纤维细胞生长因子23（Fibroblast Growth Factor 23, FGF23）升高；然而，随着CKD进展，即使在明显高磷血症出现之前，也会发生磷酸盐潴留。新兴证据表明，Klotho缺乏可能是肾功能障碍与认知障碍之间的关键机制联系。尿毒症毒素、高磷血症及血管钙化共同促进脑损伤，而Klotho缺乏则加剧这些过程。因此，本综述总结了当前关于Klotho在透析相关认知障碍中作用的证据，重点关注其潜在机制及作为生物标志物和治靶点的可能性，并结合临床、分子及遗传学证据，构建了连接Klotho缺乏与透析患者认知功能障碍的综合框架。
2 Klotho蛋白的生物学特征及其肾脏表达
2.1 Klotho的结构与亚型
Klotho主要存在两种形式：膜结合型Klotho（membrane-bound Klotho, mKlotho）和可溶性Klotho（soluble Klotho, sKlotho），二者发挥互补的生物学功能。mKlotho主要在肾脏表达，作为成纤维细胞生长因子23（FGF23）的共受体，调节磷酸盐代谢。FGF23–Klotho轴的破坏会导致高磷血症和血管钙化，这在CKD中十分常见。sKlotho通过蛋白水解脱落或可变剪接产生，可在循环中检测到，作为一种内分泌因子发挥抗氧化和抗炎特性，并调节肾脏以外的多种信号通路。mKlotho与sKlotho之间的平衡对于维持矿物质代谢和血管稳态至关重要，其失衡会促进CKD的全身并发症。
2.2 Klotho的肾脏表达与调控
Klotho主要在肾脏远端小管表达，是循环sKlotho的主要来源。在CKD中，Klotho表达随疾病严重程度呈早期进行性下降，这种减少不仅是肾功能损害的后果，更是导致肾功能恶化的原因。Klotho的表达受多种因素调控，包括炎症、氧化应激和表观遗传修饰。促炎细胞因子通过核因子κB（Nuclear Factor-κB, NF-κB）信号通路抑制Klotho转录，而氧化应激则在转录和翻译后水平降低Klotho表达。表观遗传机制，如组蛋白去乙酰化，进一步导致基因沉默，但这些过程可能是可逆的。此外，遗传多态性及转录因子（如Sp1）也会影响Klotho表达，导致CKD进展存在个体间差异。
2.3 Klotho的全身功能
Klotho在多个器官系统中发挥广泛的保护作用。它通过激活核因子E2相关因子2（Nuclear factor erythroid 2-related factor 2, Nrf2）通路减轻氧化应激，并通过抑制促炎信号级联反应来抑制炎症。Klotho还能调节Wnt/β-连环蛋白（Wnt/β-catenin）信号通路，从而减轻纤维化并维持组织完整性。在神经系统中，Klotho支持神经元存活、增强突触功能并减少神经炎症，有助于维持认知功能。此外，Klotho通过调节胰岛素和成纤维细胞生长因子信号通路来调节代谢稳态，影响葡萄糖代谢和能量平衡。
2.4 Klotho与慢性肾脏病
Klotho缺乏是CKD的特征之一，可导致矿物质代谢紊乱、血管钙化和肾纤维化。新兴证据表明，循环Klotho水平可能因CKD的基础病因不同而存在差异。特别是糖尿病肾病（Diabetic Kidney Disease, DKD）患者的Klotho表达下降比非糖尿病CKD患者更为显著，这很可能是由于高血糖、氧化应激、晚期糖基化终末产物和慢性炎症的共同作用所致。这些代谢紊乱抑制肾脏Klotho表达，加速内皮功能障碍、血管损伤和肾纤维化。相比之下，肾小球肾炎和高血压肾等其他CKD病因，其Klotho下降的模式和速度可能因疾病机制和进展而异。这种变异性表明，循环Klotho水平不仅反映肾功能下降，还反映了疾病特异性的病理生理过程。重要的是，由于糖尿病是血管性认知障碍和神经退行性变的既定风险因素，DKD中观察到的更严重的Klotho缺乏可能部分导致了该人群较高的认知负担。此外，与糖尿病相关的代谢和血管异常可能会放大Klotho缺乏对肾脏–脑轴的不良影响。总体而言，这些发现表明肾脏疾病的类型可能影响循环Klotho水平，并可能导致CKD患者心血管和神经认知结局的异质性。
3 尿毒症患者的Klotho蛋白与认知功能障碍的临床关联
3.1 尿毒症认知障碍的流行病学
认知障碍在尿毒症患者中患病率极高，尤其是在接受透析治疗的人群中。约60%–75%的血液透析患者存在认知功能障碍，范围从轻度损害到痴呆，并与生活质量下降、治疗依从性差及死亡率增加相关。其病因是多因素的，涉及尿毒症毒素蓄积、慢性炎症、氧化应激、血管疾病和代谢紊乱。透析相关因素，包括血流动力学不稳定和脑灌注不足，进一步促进了神经血管损伤。临床上，认知障碍影响多个领域，特别是记忆力、执行功能和注意力。抑郁常与认知障碍共存并加重认知结局。神经影像学研究表明，海马萎缩和微血管损伤支持了神经血管功能障碍在尿毒症相关认知能力下降中的核心作用。
3.2 尿毒症患者Klotho水平的变化
CKD和尿毒症患者的血清和脑脊液中Klotho水平均显著降低，这反映了肾脏生成受损和全身性炎症。较低的Klotho浓度与较差的认知表现持续相关，提示其可能作为认知障碍的生物标志物。这些发现支持了Klotho缺乏导致尿毒症神经认知功能障碍的假设。
3.3 Klotho作为认知障碍的生物标志物
Klotho已成为CKD及相关疾病认知障碍的潜在生物标志物。较高的循环Klotho水平通常与较好的认知表现相关，而降低的水平则与轻度认知障碍和不良神经系统结局相关。蒙特利尔认知评估量表（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）和简易精神状态检查表（Mini-Mental State Examination, MMSE）等标准化认知评估工具广泛应用于CKD人群，对早期认知功能下降具有敏感性。多项研究一致表明，与健康对照组相比，CKD患者和血液透析患者的MoCA和MMSE评分较低，突显了该人群认知功能障碍的巨大负担。
新兴证据进一步支持循环α-Klotho水平与认知表现之间的关联。观察性研究表明，在校正混杂因素后，较低的血清Klotho浓度与较差的认知结局独立相关，提示Klotho缺乏可能在认知功能障碍中发挥作用。基于人群的分析还表明，较高的Klotho水平与包括记忆力和执行功能在内的多个认知领域的较好表现相关。然而，在同一CKD队列中直接结合血清Klotho测量与MoCA或MMSE等标准化认知评估的研究仍然有限。因此，尽管现有证据支持Klotho缺乏与认知障碍之间存在潜在的临床联系，但仍需要大规模前瞻性研究来明确循环sKlotho是否能独立预测CKD和透析人群的认知能力下降。循环Klotho的精确测量也是一个主要的方法学挑战。酶联免疫吸附测定（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA）是目前临床研究中最常用的方法，因其方便且可扩展性强。然而，越来越多的证据表明，基于ELISA的检测可能特异性有限且批间差异大，可能导致不同研究结果不一致。相比之下，免疫沉淀-免疫印迹法（Immunoprecipitation–Immunoblotting, IP–IB）被认为是可溶性Klotho测量的金标准，因其特异性更高且能更可靠地检测全长Klotho蛋白。因此，检测平台的差异可能部分解释了评估循环Klotho水平与认知结局之间关联的研究中观察到的异质性。
综上所述，现有证据支持Klotho作为CKD相关认知障碍的潜在生物标志物。然而，仍需开展结合标准化认知评估、经过验证的Klotho测量技术和稳健多变量分析的大规模前瞻性研究，以确定Klotho是否能独立预测CKD和透析人群的认知能力下降。
3.4 Klotho、血清磷酸盐与透析患者的脑血管病变
脑血管疾病是导致透析患者认知障碍的主要原因。Klotho通过调节矿物质代谢、氧化应激、内皮功能和磷酸盐平衡，在血管稳态中发挥重要作用。Klotho水平降低与血管钙化相关，而血管钙化是CKD脑血管损伤的关键因素。较低的血清Klotho浓度也与透析患者的颈动脉钙化独立相关。此外，Klotho的抗氧化和血管保护作用有助于维持内皮和微血管功能。血清磷酸盐可能是连接Klotho缺乏与CKD及透析人群痴呆风险的关键介质。磷酸盐潴留发生在CKD进展的早期，并受到FGF23–Klotho轴的严格调控。肾脏Klotho表达下降会减少尿磷排泄并触发代偿性FGF23升高以维持磷酸盐稳态。然而，进行性肾单位丢失和持续的Klotho缺乏最终会损害磷酸盐排泄，导致慢性磷酸盐超负荷和CKD-矿物质骨病（CKD–Mineral Bone Disorder, CKD-MBD）。血清磷酸盐升高不仅促进血管钙化，还会导致神经血管和神经退行性损伤。高磷血症促进内皮功能障碍、氧化应激、炎症和血管平滑肌细胞的成骨转化，从而加速动脉僵硬和血管钙化。这些变化会损害脑灌注，导致脑小血管病、白质病变、腔隙性梗死和慢性脑低灌注，这些是透析患者血管性认知障碍的主要病理基础。升高的磷酸盐水平还与颈动脉内膜中层厚度增加和颅内血管钙化相关，这两者均与痴呆风险相关。除血管损伤外，磷酸盐毒性还可能产生直接的神经毒性作用。实验研究表明，过量的磷酸盐会破坏血脑屏障的完整性，激活神经炎症通路，并加剧神经元损伤。鉴于Klotho具有抗氧化和抗炎特性，Klotho缺乏可能会进一步放大磷酸盐介导的脑血管损伤和突触功能障碍。升高的循环FGF23水平也与认知受损和脑血管风险增加相关，尽管这些效应是通过磷酸盐失调直接介导还是间接介导尚不清楚。
临床证据进一步支持了这一关联。基于人群的研究表明，较高的血清磷水平与增加的痴呆风险独立相关。在CKD和透析队列中，升高的血清磷酸盐与较差的认知表现相关，提示慢性磷酸盐潴留促进了进行性神经认知能力下降。透析启动和肾移植也可能影响Klotho相关的神经血管病变。虽然透析部分纠正了尿毒症环境，但循环Klotho水平通常仍保持低位，且尽管进行了肾脏替代治疗，神经血管风险往往仍然存在。血液透析期间的血流动力学不稳定、反复脑灌注不足、氧化应激和慢性炎症可能进一步促进内皮功能障碍和认知能力下降。透析方式、治疗充分性和残余肾功能也可能影响循环Klotho水平和血管结局。相比之下，肾移植与循环Klotho水平的部分恢复以及矿物质代谢、血管功能和炎症状态的改善相关。移植还可能减轻血管钙化和内皮功能障碍，可能带来比长期透析更好的神经认知结局。移植后肾脏Klotho表达的恢复可能部分纠正Klotho–FGF23–磷酸盐轴的异常并减少神经血管损伤。然而，目前的证据主要是观察性的，认知和脑血管功能的改善是否直接由Klotho恢复介导仍不清楚。
总体而言，现有证据表明，血清磷酸盐不仅仅是CKD-MBD的生化标志物，更是连接Klotho缺乏、FGF23失调、脑血管损伤和痴呆发展的潜在致病介质。因此，早期控制磷酸盐和恢复Klotho稳态可能有助于维持CKD和透析人群的认知功能，但仍需进一步的纵向和干预性研究。
4 连接Klotho缺乏与认知障碍的分子机制
4.1 氧化应激与神经保护
氧化应激是尿毒症认知障碍的核心机制。活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的过度蓄积导致脂质过氧化、DNA损伤、突触功能障碍和神经元凋亡。Klotho在维持氧化还原稳态和保护神经元完整性方面发挥关键作用。实验研究表明，Klotho通过激活Nrf2通路和上调锰超氧化物歧化酶（MnSOD）等抗氧化酶来增强抗氧化防御，从而减少海马区的氧化损伤并改善认知功能。相反，Klotho缺乏与氧化应激增加和神经元凋亡相关，导致认知能力下降。Klotho还调节一氧化氮合酶活性，减少亚硝化应激并维持血管和神经元功能。鉴于尿毒症毒素和慢性炎症会放大CKD中的氧化应激，Klotho水平降低可能加剧透析患者的神经元损伤并加速认知障碍。
4.2 炎症与免疫失调
慢性低度炎症是CKD的标志，也是认知功能障碍的关键驱动因素。Klotho主要通过抑制NF-κB信号通路发挥抗炎作用，从而减少肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-6（IL-6）等促炎细胞因子的产生。Klotho缺乏会增强NF-κB活化并促进全身性和神经炎症，导致血脑屏障破坏、突触功能障碍和神经元凋亡。此外，Klotho抑制NLRP3炎性体的活化，进一步限制炎症性损伤。临床证据表明，循环Klotho水平与炎症标志物呈负相关，表明Klotho缺乏促进了CKD的促炎状态。这种持续性炎症在尿毒症患者的认知能力下降中起着关键作用。
4.3 血管功能障碍与脑灌注不足
血管功能障碍是CKD认知障碍的主要促成因素。Klotho通过维持内皮功能、减少氧化应激、抑制血管钙化和调节磷酸盐代谢，在维持血管稳态中发挥关键作用。Klotho水平降低与内皮功能障碍、动脉僵硬和磷酸盐潴留相关，所有这些都会损害脑血流并促进微血管损伤。高磷血症作为Klotho–FGF23轴失调的早期结果，进一步加速血管钙化和内皮损伤，从而导致脑小血管病和慢性脑灌注不足。
4.4 神经退行性变与突触功能障碍
Klotho在维持神经元存活和突触功能方面发挥着重要作用。它通过调节N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体活性，增强突触可塑性并支持神经元信号传导。Klotho还通过减少氧化应激和炎症来减轻神经退行性变。它抑制NLRP3炎性体的活化并减少促炎细胞因子的产生，从而保护神经元免受损伤。此外，Klotho通过促进β-淀粉样蛋白的清除和减少其蓄积来影响淀粉样蛋白代谢，这与阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）等神经退行性疾病相关。Klotho水平降低与淀粉样蛋白负荷增加、tau蛋白病理改变和认知能力下降相关。此外，Klotho缺乏会破坏细胞内信号通路，包括磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）和Wnt信号通路，导致神经元存活受损和突触功能障碍。这些改变促进了CKD中的进行性神经退行性变和认知障碍。
总体而言，Klotho缺乏通过氧化应激、慢性炎症、血管功能障碍和神经退行性变等相互关联的机制促进认知障碍。这些通路形成了一个将肾功能障碍与脑损伤联系起来的机制网络。靶向Klotho相关通路可能为减轻CKD和尿毒症患者的认知能力下降提供一种有前景的策略。
5 Klotho基因多态性与尿毒症患者的认知功能障碍
5.1 常见的Klotho多态性及其功能效应
Klotho基因中的几个单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms, SNPs）会影响其表达和生物学活性，从而可能影响对CKD和认知障碍的易感性。其中，位于启动子区域的G395A多态性（rs1207568）调节转录活性和循环Klotho水平。A等位基因与Klotho表达改变及代谢和血管疾病风险增加相关，而这些疾病与CKD进展和认知能力下降密切相关。C1818T多态性位于外显子4，似乎产生的影响较小或具有环境依赖性。尽管其与疾病结局的独立关联并不一致，但当与其他变异组合时，可能促成复杂的表型，提示单倍型相互作用的存在。KL-VS单倍型（rs9536314和rs9527025）是衰老和神经认知研究中研究最广泛的变异。在某些人群中，KL-VS杂合性与改善的认知表现和减少的神经退行性变相关，这可能通过增强Klotho活性实现。然而，研究结果并不一致，表明其功能效应受人群特征和疾病背景的影响。
5.2 Klotho基因多态性与认知功能障碍的临床研究
临床证据表明，Klotho多态性可能影响认知结局，但结果仍存在异质性。一些研究报告称，G395A变异与CKD风险增加相关，但其与认知障碍的直接关系不太一致。在非CKD人群中，KL-VS杂合性与特定领域的认知效应相关，这表明Klotho变异对认知功能的影响可能因疾病状态和人群特征而异。人群异质性起着重要作用，因为等位基因频率、环境暴露和合并症的差异可能导致研究结果不一。总体而言，现有证据支持Klotho遗传学与认知之间存在潜在关联，但因果关系尚不清楚。
5.3 Klotho与其他遗传标记的交互作用
Klotho多态性可能与其他遗传变异相互作用，影响CKD进展和认知能力下降。例如，调节血管功能的一氧化氮合酶基因（NOS3）变异已被证明与CKD和认知障碍均相关。NOS3和Klotho变异的联合效应可能调节内皮功能和脑灌注，从而影响认知结局。此外，炎症基因（如IL6和MIF）的多态性可能通过促进全身性炎症来放大Klotho缺乏的影响，而炎症是尿毒症认知障碍的关键驱动因素。与认知相关基因（特别是载脂蛋白E（Apolipoprotein E, APOE））的相互作用进一步凸显了遗传影响的复杂性。虽然APOE ε4是神经退行性变的强决定因素，但Klotho变异似乎对认知能力下降发挥调节作用而非独立作用。
5.4 基因-环境交互效应对Klotho功能的影响
环境因素在调节Klotho表达和功能中起着至关重要的作用。CKD中常见的慢性炎症和氧化应激会下调Klotho表达并加剧认知障碍。环境毒素如镉已被证明可通过激活应激相关信号通路降低Klotho表达，从而促进神经毒性和认知功能障碍。表观遗传机制，包括Klotho启动子的DNA甲基化，进一步介导环境对基因表达的影响。生活方式和代谢因素也可能调节Klotho活性。针对氧化应激、炎症和表观遗传调控的干预措施有可能恢复Klotho表达并减缓疾病进展。
总之，Klotho基因多态性导致了CKD进展和认知结局的个体间差异。然而，它们的效应是复杂的，并受到基因–基因和基因–环境相互作用的影响。尽管Klotho遗传学在风险分层方面显示出前景，但目前的证据有限且不一致。需要进一步的大规模纵向研究来阐明其在尿毒症相关认知障碍中的临床相关性。
6 临床意义与未来方向
尽管越来越多的证据表明Klotho缺乏与透析患者的认知障碍有关，但仍存在一些局限性。大多数研究是观察性或实验性的，尚未确立因果关系。关于循环Klotho水平的不一致发现可能反映了检测方法、患者特征和透析方式的差异。特别是，缺乏标准化的可溶性Klotho测量方法限制了其作为生物标志物的临床应用。此外，外周Klotho是否能准确反映中枢神经系统的活性仍不清楚。从治疗角度来看，旨在恢复Klotho表达的策略——包括磷酸盐控制、维生素D类似物和重组Klotho补充——在临床前研究中已显示出前景，但缺乏来自大规模临床试验的有力证据。未来的研究应从横断面关联转向纵向和机制研究，以更好地定义肾脏–脑轴内的因果途径。
重要的是，未来的研究应在纵向CKD队列中整合循环Klotho测量与标准化认知评估（如MoCA和MMSE）。这可能有助于更好地表征Klotho缺乏与认知能力下降之间的关系，并帮助确立Klotho作为临床相关生物标志物。
此外，结合神经影像学、血管功能评估和多组学分析的多模式方法可能进一步阐明Klotho缺乏、神经血管功能障碍和神经退行性变之间的相互作用。此类策略可能有助于识别高风险亚群并支持靶向干预措施的开发。最终，深入理解由Klotho介导的肾脏–脑轴可能促进精准医疗方法的发展，并改善CKD和透析人群的认知预后。
7 结论
Klotho缺乏是尿毒症患者慢性肾脏病与认知障碍之间的关键分子联系。越来越多的证据表明，Klotho水平降低通过氧化应激、炎症、血管功能障碍、磷酸盐失调和神经退行性变等相互关联的机制促进认知能力下降。新出现的数据进一步表明，血清磷酸盐可能作为连接Klotho缺乏、FGF23失调、脑血管损伤和痴呆发展的重要介质。由于磷酸盐潴留发生在CKD早期，并导致血管钙化、内皮功能障碍、神经炎症和脑灌注不足，磷酸盐超负荷可能是透析人群认知下降的可改变风险因素。因此，靶向Klotho–FGF23–磷酸盐轴可能提供一种新的治疗策略。然而，目前的证据主要是观察性的，需要进一步的纵向和干预性研究来阐明因果关系并确定最佳治疗方案。
