吳昊 劉曉紅

隨著老齡化的加劇，心血管疾病的發(fā)病率急劇上升，是世界范圍內(nèi)導(dǎo)致死亡的主要原因之一[1]。血管和瓣膜鈣化是心血管疾病的高風(fēng)險(xiǎn)因素，通常預(yù)示著心血管疾病患者的不良預(yù)后[2]。關(guān)于血管鈣化和瓣膜鈣化的原因曾被認(rèn)為是一種退行性變，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)鈣化是一個(gè)很復(fù)雜的過程，涉及礦物質(zhì)的沉淀、內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙、成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)分化，還涉及嚴(yán)格調(diào)控的細(xì)胞介導(dǎo)過程。當(dāng)細(xì)胞外液的磷酸鹽和鈣離子過多時(shí)，會(huì)形成磷酸鈣晶體并沉積在血管壁、心臟瓣膜等組織中，導(dǎo)致血管和瓣膜彈性減小、形成狹窄，但具體機(jī)制尚不明確，目前仍無(wú)有效的預(yù)防和治療手段。心血管鈣化常見的類型主要有主動(dòng)脈內(nèi)膜鈣化和瓣膜鈣化，二者的發(fā)病原因可能不盡相同，但仍有不少相似之處[3]。血管內(nèi)膜鈣化與動(dòng)脈粥樣硬化密切相關(guān)，通常由高脂血癥引起，血清低密度脂蛋白(low density lipoprotein，LDL)在內(nèi)皮下腔聚集，招募單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞并導(dǎo)致炎癥，促進(jìn)成骨的發(fā)生[4]。同樣，在瓣膜鈣化中，由于高頻率高強(qiáng)度的震蕩流動(dòng)可產(chǎn)生利于異常物質(zhì)沉積的環(huán)境，而脂蛋白、脂質(zhì)、炎癥細(xì)胞的堆積均是鈣化性心臟瓣膜病的發(fā)病機(jī)制[5]。

1 鎂離子在心血管鈣化中的作用

鎂是人體重要的陽(yáng)離子，機(jī)體約60%的鎂存在于骨骼中，其余大部分在骨骼肌及其他組織器官細(xì)胞內(nèi)，僅有1%～2%在細(xì)胞外液中。鎂是人體內(nèi)多種代謝反應(yīng)的輔助因子，參與調(diào)節(jié)各種離子通道的電流，同時(shí)在調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)，維持心肌、骨骼肌興奮性等方面具有重要作用。近年來，人們發(fā)現(xiàn)鎂參與調(diào)節(jié)心血管功能的許多重要過程，鎂的穩(wěn)態(tài)失衡會(huì)導(dǎo)致高血壓、心律失常、動(dòng)脈粥樣硬化、動(dòng)脈鈣化、血管老化等一系列心血管疾病[6]。在以往的研究中鎂被認(rèn)為是天然的生理鈣阻滯劑，鎂缺乏似乎會(huì)促進(jìn)血管鈣化[7]。鎂補(bǔ)充劑在人類和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究中已被證實(shí)可抑制成骨基因的表達(dá)，因此，成骨基因被認(rèn)為是鎂的作用靶點(diǎn)從而阻止鈣化的發(fā)生。也有實(shí)驗(yàn)證明鎂可以通過影響鈣磷代謝、脂質(zhì)沉積、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)等過程調(diào)節(jié)鈣化進(jìn)展，但其抑制血管和瓣膜鈣化的具體機(jī)制目前仍不清晰[8]。

2 鎂與血管和瓣膜鈣化

2.1 促進(jìn)鈣磷代謝穩(wěn)態(tài)

血管和瓣膜鈣化的初期通常是由于血液中Ca2+、磷酸鹽和血清蛋白過度沉積形成無(wú)定形的可溶性鈣蛋白單體，隨后這些單體聚集形成初級(jí)鈣蛋白顆粒(calciprotein particle 1，CPP1)。CPP1分子量較小，最初無(wú)毒無(wú)害，但隨著胎球蛋白A(fetuin A)、骨橋蛋白(osteopontin，OPN)等大分子鈣化抑制蛋白表達(dá)的減少，CPP1逐漸成熟為次級(jí)鈣蛋白顆粒(CPP2)。CPP2分子量則相對(duì)較大，由蛋白質(zhì)覆蓋羥基磷灰石組成。CPP2是血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)轉(zhuǎn)分化和血管鈣化的重要驅(qū)動(dòng)因素，已被證實(shí)可在體外誘導(dǎo)VSMC中runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2，Runx2)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子(osterix，Osx)等成骨蛋白的表達(dá)上調(diào)[9]。鎂可以在此級(jí)聯(lián)反應(yīng)中發(fā)揮抑制作用，在早期阻斷CPP1向CPP2的轉(zhuǎn)變，降低成骨基因的表達(dá)[10]。羥基磷灰石是鈣化組織中最豐富的晶體類型，鎂可以取代羥基磷灰石中的Ca2+，形成含Mg2+的白磷灰石，降低了致病性并增加溶解度，從而減少羥基磷灰石的沉積。 鎂雖然能有效阻止CPP1向CPP2進(jìn)展，但并不能阻止CPP1的形成，且在CPP2形成后無(wú)法逆轉(zhuǎn)已經(jīng)形成的鈣化。鎂通過改變鈣穩(wěn)態(tài)發(fā)揮一定的保護(hù)作用，但不會(huì)改變血管和瓣膜的生長(zhǎng)、成分或結(jié)構(gòu)。

2.2 抑制脂質(zhì)沉積

血管和瓣膜鈣化的早期，高膽固醇血癥、脂蛋白(lipoprotein，Lp)a和LDL水平異常等均是相關(guān)危險(xiǎn)因素[11]。脂蛋白在血管和瓣膜的內(nèi)皮下腔聚集，在細(xì)胞代謝產(chǎn)物的作用下發(fā)生輕度氧化等非酶修飾，輕度氧化的磷脂是鈣化生物活性因子，可在體外促進(jìn)鈣化。研究表明，血清鎂濃度降低與人體脂質(zhì)代謝紊亂之間存在密切關(guān)聯(lián)，鎂可以通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝相關(guān)轉(zhuǎn)錄基因酶的活性和表達(dá)量參與控制脂質(zhì)的生成和分解[12]。鎂能競(jìng)爭(zhēng)性抑制內(nèi)源性膽固醇合成限速酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A，HMG-CoA)還原酶的磷酸化，激活卵磷脂膽固醇脂酰轉(zhuǎn)移酶(lecithin-cholesterol acyltransferase，LCAT)，阻斷羥甲戊酸代謝途徑，通過降低LDL控制膽固醇的生物合成[13]。氧化LDL(oxidized LDL，ox-LDL)可以促進(jìn)脂蛋白相關(guān)磷脂酶A2(lipoprotein-associated phospholipase A2，Lp-PLA2)的表達(dá)，Lp-PLA2能增加溶血磷脂酰膽堿( lyso-phosphatidylcholine，LPC)通過PKA信號(hào)通路激活鈣化[14]。Fazlali等[15]實(shí)驗(yàn)證明補(bǔ)充鎂補(bǔ)充可改善血脂，降低ox-LDL并下調(diào)凝集素樣低密度脂蛋白受體-1(lectin-like oxidized low-density lipoprotein receptor-1，LOX-1)。有研究表明，氧化的脂質(zhì)會(huì)通過骨形態(tài)發(fā)生蛋白2 (bone morphogenetic protein 2，BMP2) 介導(dǎo)瓣膜鈣化，而缺乏脂蛋白可抑制鈣化的發(fā)生[16]。鎂有助于上調(diào)脂蛋白脂肪酶活性，這種酶可以促進(jìn)生成高密度脂蛋白(high density lipoprotein，HDL)，而HDL是ALP表達(dá)的抑制劑，減少鎂攝入會(huì)增加極低密度脂蛋白(very LDL，VLDL)和LDL，并降低HDL。因此，維持脂質(zhì)代謝平衡可能是鎂抑制血管和瓣膜鈣化的一種潛在途徑。

2.3 抑制氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是血管和瓣膜鈣化的重要病理因素之一[17]。當(dāng)機(jī)體活性氧ROS生成增多超過了細(xì)胞的抗氧化能力時(shí)，會(huì)刺激細(xì)胞發(fā)生表型轉(zhuǎn)分化，上調(diào)成骨分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子RUNX2的表達(dá)，促進(jìn)鈣化的發(fā)生[18]。外源性H2O2可以通過IP3/AKT途徑上調(diào)核結(jié)合因子 α1(Cbfa1)的表達(dá)，促使ALP表達(dá)上調(diào)，并促進(jìn)成骨細(xì)胞表型轉(zhuǎn)分化。還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶是一些非吞噬細(xì)胞活性氧(reactive oxygen species，ROS)合成的主要酶體，其誘導(dǎo)生成的ROS可進(jìn)一步促進(jìn)其他來源的ROS生成。細(xì)胞內(nèi)鎂缺乏已被證實(shí)會(huì)通過改變耦合呼吸和下調(diào)電子傳遞鏈，增加ROS的生成，抑制抗氧化，導(dǎo)致由ATP減少引起的NADPH氧化酶活性增加[19]。另一方面，補(bǔ)充鎂后過量線粒體ROS生成被抑制，Bcl-2表達(dá)升高，Bax等表達(dá)降低，通過抑制低氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)α和p38/JNK信號(hào)通路，下調(diào)自噬[20]。這表明鎂可以通過調(diào)控氧化應(yīng)激抑制血管和瓣膜鈣化。

2.4 抑制炎癥反應(yīng)

正常的心血管組織中不存在炎性細(xì)胞，而鈣化的血管和瓣膜中可觀察到明顯的炎性改變，浸潤(rùn)的炎性細(xì)胞可釋放大量的細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子，通過激活Notch、BMP、Wnt和核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)等信號(hào)通路促使鈣化的發(fā)生[21]。炎癥因子可以介導(dǎo)BMP2等促鈣化細(xì)胞因子的生成及釋放，還能下調(diào)基質(zhì)Gla蛋白(matrix Gla protein，MGP)等鈣化抑制蛋白的表達(dá)，誘導(dǎo)鈣磷結(jié)晶形成，進(jìn)一步導(dǎo)致異位鈣化的發(fā)生。TRPM7是主要的Mg2+通道受體，參與細(xì)胞內(nèi)鎂的調(diào)節(jié)、細(xì)胞的粘附和遷移等重要生理過程，同時(shí)具備蛋白激酶和離子通道雙重結(jié)構(gòu)，廣泛存在于機(jī)體組織中[22]。TRPM7激酶結(jié)構(gòu)缺失的細(xì)胞，表達(dá)促炎表型，促進(jìn)炎癥細(xì)胞的粘附以及環(huán)氧合酶和纖溶酶原激活物抑制劑的合成。Rios等[23]發(fā)現(xiàn)TRPM7激酶結(jié)構(gòu)缺失小鼠模型表現(xiàn)出心血管炎癥和纖維化，大量炎性細(xì)胞因子、巨噬細(xì)胞活化異常，中性粒細(xì)胞/內(nèi)皮細(xì)胞黏附增加等，補(bǔ)充鎂后可改善該狀況，證明了TRPM7缺失而引發(fā)的炎癥反應(yīng)和纖維化反應(yīng)具有鎂依賴性，其他相關(guān)鎂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族也參與了炎癥的調(diào)節(jié)。近年來，鎂與炎癥之間的高關(guān)聯(lián)度被廣泛報(bào)道，血漿鎂水平與單核細(xì)胞趨化蛋白1(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)、C反應(yīng)蛋白(C-reactive protein，CRP)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor α，TNF-α)呈負(fù)相關(guān)，而鎂含量升高可以抑制炎癥反應(yīng)[24]。除此之外，低鎂可以通過激活腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS)激活炎癥，增加Ca2+通道開放、活化吞噬細(xì)胞，激活NF-κB信號(hào)通路，促進(jìn)細(xì)胞因子和促炎因子的轉(zhuǎn)錄[6]。因此，鎂可以通過抑制炎癥反應(yīng)減緩血管和瓣膜鈣化的發(fā)生發(fā)展。

2.5 抑制成骨細(xì)胞樣表型轉(zhuǎn)分化

正常的VSMCs和瓣膜間質(zhì)細(xì)胞(valve interstitial cells，VICs)通常都表現(xiàn)為靜止的表型，但在一些刺激因素下會(huì)向成骨細(xì)胞樣表型轉(zhuǎn)分化，促使多種鈣化因子表達(dá)量增加，導(dǎo)致血管和瓣膜增厚變硬，最終發(fā)生鈣化[25]。Wnt/β-Catenin通路在介導(dǎo)血管和瓣膜鈣化過程中發(fā)揮重要作用，不但能促進(jìn)Runx2的表達(dá)，還能誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶2/9(matrix metalloproteinase-2/9，MMP-2/9)的生成，是成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)分化的重要信號(hào)通路[26]。鎂可以通過TRPM7抑制Wnt/β-Catenin通路阻止成骨細(xì)胞樣表型轉(zhuǎn)分化和鈣化的發(fā)生，非選擇性TRPM7阻斷劑2-氨基乙氧基硼酸二苯酯(2-aminoethoxydiphenylborate，2-APB)可以使鎂對(duì)成骨標(biāo)志物表達(dá)和鈣化的保護(hù)作用明顯被削弱[27]。研究發(fā)現(xiàn)鎂可以通過穩(wěn)定Ca2+感應(yīng)受體CaSR的活性，維持MGP的合成來防止成骨細(xì)胞樣表型轉(zhuǎn)分化導(dǎo)致的鈣化[28]。研究證實(shí)鎂可抑制高磷酸鹽誘導(dǎo)激活的Wnt/β-Catenin通路，降低成骨轉(zhuǎn)錄因子Cbfa-1及其下游因子osterix的表達(dá)，上調(diào)鈣化抑制劑MGP和骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)的表達(dá)。更有發(fā)現(xiàn)，在鈣化已經(jīng)建立后添加鎂，鈣化不僅會(huì)停止，甚至?xí)p少，并伴隨著 Cbfa-1、osterix、MGP和OPG基因表達(dá)量的顯著改變[29]。因此，鎂抑制成骨細(xì)胞樣表型轉(zhuǎn)分化是實(shí)現(xiàn)血管和瓣膜抗鈣化作用的一種潛在機(jī)制。

2.6 維持內(nèi)皮細(xì)胞屏障功能

內(nèi)皮細(xì)胞位于血液和血管或瓣膜之間的交界面，直接接觸血液，通過調(diào)節(jié)滲透、炎癥以及血栓的形成保護(hù)組織結(jié)構(gòu)[30]。內(nèi)皮細(xì)胞可以快速感受到血流動(dòng)力學(xué)以及血液成分的病理改變等異常刺激，并引起相應(yīng)變化，在血管和瓣膜的鈣化過程中至關(guān)重要。近期有研究表明，內(nèi)皮細(xì)胞自身可通過內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)分化(endothelial-mesenchymal transition，EndMT)去分化成為間質(zhì)細(xì)胞，獲得多分化潛能后為鈣化的發(fā)生提供了細(xì)胞基礎(chǔ)[31]。內(nèi)皮細(xì)胞可以通過釋放相關(guān)信號(hào)分子和細(xì)胞因子等刺激成骨樣轉(zhuǎn)分化，并分泌胞外囊泡為鈣化提供成核位點(diǎn)[32]。既往研究表明，血清鎂濃度與內(nèi)皮功能呈負(fù)相關(guān)，低鎂會(huì)影響內(nèi)皮屏障完整性和穩(wěn)定性，并進(jìn)一步影響相關(guān)組織的通透性、張力等性質(zhì)[33]。鎂可以通過TRPM7和鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(magnesium transporter 1，MagT1)調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞的活性以及增殖能力，進(jìn)而調(diào)整內(nèi)皮屏障的完整性[34]。細(xì)胞外鎂濃度增加可以與部分Ca2+結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，減少細(xì)胞膜表面的Ca2+-Na+交換從而減少細(xì)胞膜的內(nèi)向電流，輕度增加外向電流造成細(xì)胞膜超極化，使細(xì)胞膜狀態(tài)更加穩(wěn)定。PI3K/Akt 通路有助于各種病理?xiàng)l件下內(nèi)皮細(xì)胞的存活并有助于激活Nrf2，Nrf2有調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞的作用，鎂通過PI3K/Akt 信號(hào)通路可能是一種潛在的保護(hù)機(jī)制[35]?？梢?，鎂可以通過維持內(nèi)皮細(xì)胞屏障產(chǎn)生抑制血管和瓣膜鈣化的作用(圖1)。

鎂可以通過維持鈣磷代謝平衡、抑制脂質(zhì)異常沉積、降低氧化應(yīng)激水平、抑制炎癥反應(yīng)、抑制成骨細(xì)胞樣表型轉(zhuǎn)分化和維持內(nèi)皮細(xì)胞功能穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而延緩或減輕血管和瓣膜的鈣化圖1 鎂在心血管鈣化中的作用

3 展望與總結(jié)

血管和瓣膜的鈣化在臨床上尚無(wú)有效的預(yù)防和治療方法，闡明其發(fā)生的具體機(jī)制，尋找一個(gè)合適的干預(yù)靶點(diǎn)有著十分重要的臨床意義。目前越來越多的證據(jù)表明，鎂可以通過多種途徑直接或間接參與血管和瓣膜鈣化的過程，并改善鈣化傾向，而且各個(gè)機(jī)制之間存在相互交叉的作用。因此，鎂的多途徑作用特征使其有望成為一種鈣化防治的新方法。然而，關(guān)于鎂抑制鈣化的具體機(jī)制、細(xì)胞通路等的研究仍然十分有限，未來應(yīng)該就此方面開展深入的研究，補(bǔ)鎂可能延緩或減輕血管和瓣膜鈣化的進(jìn)展，成為一個(gè)全新可靠的預(yù)防及治療靶點(diǎn)。

利益沖突：無(wú)