硫代硫酸钠在钙化防御中的机制和临床应用

The Mechanism and Clinical Application of Sodium Thiosulfate in Treatment of Calciphylaxis

摘要: 钙化防御，又名钙性尿毒症性小动脉病(calcific uremic arteriopathy, CUA)，是一种发生于终末期肾脏病患者中的罕见的、致死性高的血管钙化性疾病，其早期临床症状不典型，预后差，且缺乏明确的临床指南。目前，在临床上，对于钙化防御的治疗主要是采用以硫代硫酸钠(Sodium thiosulfate, STS)为主的综合治疗。硫代硫酸钠治疗钙化防御主要通过钙螯合、抗氧化应激、酸中毒、舒张血管和抗炎镇痛作用及钙化抑制因子作用等机制，而随着临床研究的进展，关于这些治疗机制尚存在一些争议。

Abstract: Calciphylaxis, also known as calcium uremic arteriosis, is a special vascular calcification in patients with end-stage kidney disease which has atypical early clinical symptoms, poor prognosis, and unclear clinical guidelines. At present, sodium thiosulfate (STS) is the most commonly recommended drug in treatment of calciphylaxis which plays a role mainly through the mechanisms of calcium chelation, antioxidant stress, acidosis, vasodilation, anti-inflammatory and analgesic effects, and calcification inhibitors. However, there are still some controversies about these therapeutic mechanisms with the progress of clinical research.

1. 引言

钙化防御是一种罕见的、致死性高的血管钙化性疾病，主要发生在行血液透析和腹膜透析的终末期肾病患者。其最初表现为剧烈疼痛、皮肤网状青斑、紫罗兰色斑块样皮下结节，可进一步发展为缺血性皮肤坏死、溃疡乃至坏疽 [1] [2]。由于缺乏临床早期的特征性表现，容易漏诊且治疗困难，患者最终常常死于心血管疾病、重症感染及脓毒症。目前，关于该疾病的治疗主要集中在以下几个方面，即减少或去除诱因、疼痛管理、皮损管理、高压氧疗法以及药物治疗 [2]。其中，药物治疗包括硫代硫酸钠、双膦酸盐、西那卡塞、以及SNF472等，其中STS是主要用药 [3] [4] [5]。

近年来，国内外发表了诸多关于STS治疗钙化防御血管钙化的研究及案例。如2018年Ying WANG等进行的一项Meta分析中，对45篇文献中的358名患者的治疗情况进行了总结，发现使用STS治疗后，70.1%的钙化防御患者皮损改善、疼痛减轻 [6]。同年，Donlawat等发表的一篇前瞻性的随机对照研究也表明STS可以稳定血管钙化 [7]。国内相关研究提出的方案在实际应用中具有与国外疗法相似的疗效以及更好的耐受性 [3]。2020年我国一篇关于内脏钙化防御合并重度铁过载的案例中，患者在采用以STS为主的综合治疗后，腹泻缓解，腹痛减轻，病情明显好转 [8]。其中关于STS治疗钙化防御中血管钙化的作用机制也有了很大的进展，主要包括钙螯合、酸中毒、抗氧化应激、抗炎镇痛作用和舒张血管及钙化抑制因子作用。因此，本文主要阐明STS治疗钙化防御血管钙化过程中的机制研究进展及其争议，以及STS在临床应用上的注意事项，以利于未来可以优化治疗方案，在深入了解机制的基础上更好地掌握治疗靶点。

2. STS治疗CUA的作用机制

2.1. 钙螯合

硫代硫酸钠是一种钙螯合剂，可螯合沉淀于软组织中的钙，形成具有高溶解度的硫代硫酸钙，减轻血管钙化程度 [9]。Pasch A等应用STS治疗尿毒症小鼠的血管钙化，结果表明血液中游离钙的浓度在15 min后明显下降，30 min后恢复正常；同时，小鼠体内血液中PTH浓度与尿钙排泄亦明显上升。后续Pasch A等补充了体外实验，在体外STS浓度维持在20 mmol/L以上时，血液中游离钙浓度明显下降 [10]。然而，O’Neill WC的一项体外研究结果表明，硫代硫酸钠对游离钙的作用十分微弱，当STS浓度为5 mmol/L时，游离钙浓度下降小于4%。同时，为了检测钙离子微量下降是否为STS抑制血管钙化的主要因素，该研究在STS治疗组的主动脉培养基中设置了2种不同的钙浓度(分别为1.78 mmol/L、1.86 mmol/L)，然而两者间的钙化抑制程度无明显差异 [11]。

O’Neill WC的观点与既往研究观点相悖，但并未补充更加严谨的对照实验，关于STS抑制血管钙化是否与降低离子钙、硫代硫酸钙的高溶解度相关尚存在争议。

2.2. 酸中毒

在慢性肾脏病患者中，酸碱失衡是常见并发症，以代谢性酸中毒最常见。慢性肾脏病患者的代谢性酸中毒通常与机体代谢异常导致有机酸生成增多且排泄障碍有关 [12]。Pasch A等研究结果表明STS在体内与体外均可降低pH值，诱导慢性肾脏病患者发生酸中毒，但关于酸中毒是否可以抑制血管钙化尚存在争议 [10]。

目前大部分研究表明，酸性环境可以抑制血管钙化，碱性环境则相反。Mendoza等研究表明代谢性酸中毒在体内外均可以减少钙、磷在软组织中的沉积并抑制血管钙化 [13]。de Solis等则发现碱性环境在体外可以促进血管平滑肌的钙化，并且予尿毒症小鼠碳酸氢钠注射后，其主动脉发生钙化 [14]。关于STS诱导代谢性酸中毒进而抑制血管钙化，目前主要认为是通过下述机制：1) 代谢性酸中毒提高钙磷溶解度，减少钙磷在血管壁的沉积；2) 代谢性酸中毒使钠依赖性磷酸共转运体(sodium phosphate cotrans-porter, Pit-1)表达下调，从而减少磷摄取 [13]；3) 代谢性酸中毒通过抑制L型电压依赖性钙通道 [15] 或对ERK信号通路 [16] 的作用从而抑制血管钙化。但Schindler等提出代谢性酸中毒会诱发血管壁炎症与血管壁损伤，促进血管钙化 [17]。Oka M等对107例透析患者进行冠状动脉钙化评分(CACS)，结果显示血液透析患者透析前碳酸氢盐含量与CACS呈负相关，而血液透析前的pH与CACS无明显的相关性 [18]。此外，值得注意的是，STS治疗血管钙化时存在导致严重代谢性酸中毒的风险 [19]。Hunt GM曾报告一位患有CUA的老年女性在透析最后1小时注射25 g STS，第二天该患者出现谵妄、低血压、代谢性酸中毒并伴有阴离子间隙增高，分析病情后认为该患者严重的代谢性酸中毒与STS相关 [20]。Hundemer等对十年间的35名患者进行总结，亦发现其中33名患者的阴离子间隙上升明显 [21]。因此，关于STS诱导酸中毒进而抑制血管钙化尚存在一些争议，同时在使用STS过程中需要把控剂量以免引起严重代谢性酸中毒。

2.3. 氧化还原反应

在血管钙化过程中，促进血管平滑肌细胞表型改变的主要核心内容为血管的过早老化及血管平滑肌细胞的衰老。而氧化应激，以活性氧(reactive oxygen species, ROS)的产生与抗氧化机制的拮抗为特征，是细胞衰老的主要诱因 [22]。研究表明，氧化应激可以通过诱导内皮细胞功能障碍与凋亡、血管平滑肌细胞增殖与迁移、黏附分子表达增加和脂质氧化等途径激发血管钙化。因此，抗氧化治疗是治疗血管钙化的方法之一，而STS具有强抗氧化性能，是第一个用于治疗血管钙化的抗氧化剂 [22]。

根据目前研究的数据和结果可知，STS治疗血管钙化的氧化还原作用主要通过以下两种途径：1) 根据硫代硫酸钠(Na₂S₂O₃)的结构式分析，STS具有两个未配对电子，这两个未配对电子可清除内皮功能失调产生的ROS；(2)氧化型谷胱甘肽(GSSG)与硫代硫酸钠(STS)反应可以产生谷胱甘肽(GSH)，具体反应方程式如下：1 GSSG + 2 Na₂S₂O₃4 ® NaHSO₄ + 2 GSH + 2 H₂O,其中谷胱甘肽是一种天然的抗氧化剂 [9]。关于H₂S的抗氧化应激作用于下一节阐述。

2.4. 舒张血管作用及抗炎作用

2.4.1. 一氧化氮(Nitric Oxide, NO)

四氧生物蝶呤(BH4)氧化时，可以使得内皮性一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase enzyme, eNOs)解偶联，同时因内皮源性NO减少致内皮细胞超氧化物生成增多。而STS可以抑制BH4氧化，从而使得eNOs与内皮源性NO增多 [9]。2020年Jaap A. Joles等人的一项动物实验也印证了这一假说，该实验证实STS可以拮抗N-ω-硝基-L-精氨酸(L-NNA)所诱导的一氧化氮合酶活性降低 [23]。生物可利用的NO数量增多后，不仅可以舒张血管、改善血管内皮细胞功能，还可以保护血管内皮细胞完整性，从而减轻血管钙化 [9]。

2.4.2. 硫化氢(Hydrogen Sulfide, H₂S)

硫代硫酸钠除了通过影响一氧化氮(NO)扩张血管外，还可以通过血管平滑肌细胞内的各种硫醇反应，生成H₂S。H₂S是继NO和CO之后发现的第3种小分子气体信号分子 [24]，通过阻滞电压依赖的钙离子通道、开放K_ATP通道以及增强内皮衍生因子NO、PGI₂、EDHF的活性等机制介导外周血管扩张从而拮抗血管钙化 [25]。Wu SY等研究便表明在血管钙化的小鼠中，其血浆和主动脉H₂S水平随胱硫醚–裂解酶(cystathionine γ-lyase, CSE；某种参与内源性H₂S生成的酶)活性及CSE mRNA水平的下降而降低 [20]。

过去许多研究均表明H₂S在炎症反应中起重要作用。H₂S可以诱导中性粒细胞凋亡，从而拮抗炎症反应。Zanardo RC等研究表明H₂S是急性炎症反应的重要内源性抑制因子，它可以通过激活K_ATP通道来减少白细胞黏附、白细胞浸润及水肿形成，从而达到抗炎及镇痛作用 [26]。Distrutti E等在内脏疼痛模型中亦证明H₂S具有镇痛作用 [27]。

然而，Whiteman等指出NaSH (提供外源性H₂S)在脂多糖诱导的巨噬细胞炎症介质的形成上具有促炎及抗炎双重作用。当NaSH 100~500 μmmol/L时，抗炎症因子分泌增加；而NaSH 500~1000 μmmol/L时，促炎症因子分泌增加，如IL-1β、PGE₂、TNF-α等 [28]。虽然关于H₂S在炎症过程中的作用尚存在争议，但至目前为止，相关文献报告均支持H₂S在血管钙化过程中的抗炎作用 [26]。

2.5. 钙化抑制因子

STS可以通过上调钙化抑制因子来治疗血管钙化，钙化抑制因子包括基质Gla蛋白(matrix Gla protein, MGP)、胎球蛋白A、骨桥蛋白、骨形态发生蛋白7等。MGP是一种高效的软骨及血管钙化抑制剂，主要表达于软骨与心血管组织。MGP敲除的小鼠很快进展为广泛主动脉钙化，于6~8周时死于主动脉破裂与继发内出血 [29]。MGP表达的下降甚至早于血管钙化的发生。因此，MGP的缺乏也许会导致血管钙化的发生。

Pasch A等研究表明STS治疗尿毒症小鼠后其血液中的MGP较对照组明显上升 [10]。Zhong H等研究发现STS可以通过上调MGP表达、下调骨形态发生蛋白2 (bone morphogenetic protein-2, BMP-2)与核心结合因子α-1 (core binding factor α-1, Cbfα-1)表达来抑制人主动脉血管平滑肌细胞向成骨样细胞的转分化 [30]。其中BMP-2与Cbfα-1为成骨细胞标志物，为钙化促进因子。MGP可以结合和抑制BMP-2，MGP是BMP信号途径的关键抑制因子。

目前，关于STS通过上调钙化抑制因子抑制血管钙化的相关机制尚不十分明确，需要更多的研究来进行验证。

3. STS在CUA患者中的临床应用

STS分子量为248 Da，肠道吸收较差，大约20%~50%的硫代硫酸盐经尿液迅速排除，其余被代谢为亚硫酸盐，进而生成硫酸盐被排出体外 [31]。肾功能正常时其半衰期为15分钟，肾功能衰竭时主要经胆汁排泄，其半衰期增加约5倍。由于STS分子量很小，可被血液透析清除 [6]。静脉注射是STS最常见的用药途径，相关病例报告中70.3%患者采用静脉注射 [32]。病灶内给药能迅速缓解疼痛，且患者耐受性良好 [33]。口服STS生物利用度较差，仅为7.6%，但仍有病例报道口服有效 [34]。在腹膜透析患者中有腹腔使用STS的报道，但有发生化学性腹膜炎的风险 [35]。

静脉用药不良反应是恶心、呕吐和代谢性酸中毒 [6]。输液速度过快是导致恶心、呕吐的主要原因。少数患者会出现严重的阴离子间隙升高的代谢性酸中毒 [36]。严重的酸中毒可以导致谵妄、虚弱或心律失常，甚至癫痫发作。其他少见的不良反应包括流鼻涕、鼻窦充血、QT间期延长 [37]。有病例报道STS还增加了败血症的风险 [6]。发生这些不良反应时需要调整使用剂量或改变用药途径甚至停药。

4. 结论

目前钙化防御还未作为适应症写入STS说明书，但美国注射剂协会(Parenteral Drug Association, PDA)已将STS列为治疗钙化防御的超说明书用药，STS对于钙化防御的疗效已得到临床数据的支持与相关专家的认同。硫代硫酸钠主要通过钙螯合、抗氧化应激、诱导酸中毒、舒张血管、抗炎镇痛及上调钙化抑制因子等途径治疗血管钙化，用药途径主要是静脉注射，病灶内给药也显示出疗效，但其使用的最佳剂量、用药时间及途径仍需进一步研究明确。此外，钙螯合、抗氧化应激、诱导酸中毒等机制尚存在一定争议，需要进一步的研究加以验证。

基金项目

国家自然科学基金(国家自然科学基金81770659)，上海市科委西医引导项目(17411972100)。

NOTES

^*通讯作者。