缺氧誘導(dǎo)因子-1α在腦缺血后對內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞作用的研究進(jìn)展

李棟，段淑榮

缺血性卒中是造成殘疾的主要原因之一，除在治療時間窗內(nèi)溶栓外，尚無有效的恢復(fù)患者神經(jīng)功能的治療方法。內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cells，NSCs）分布于腦內(nèi)多個區(qū)域，在正常狀態(tài)下處于靜息狀態(tài)，在缺血缺氧的刺激下，靜息態(tài)的NSCs可發(fā)生增殖，并向缺血損傷區(qū)遷移和分化[1]。內(nèi)源性NSCs的增殖、遷移、分化是腦梗死后神經(jīng)發(fā)生的連續(xù)環(huán)節(jié)，闡明其分子機(jī)制不僅有助于醫(yī)學(xué)科研工作者更好地理解神經(jīng)發(fā)生的過程，而且能夠為腦梗死的治療提供理論基礎(chǔ)。有研究結(jié)果表明，人腦缺血后激活了內(nèi)源性NSCs，可能與一些腦源性營養(yǎng)因子表達(dá)增高有關(guān)[2-4]，其中，缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）是缺血缺氧條件下，激活內(nèi)源性NSCs的重要因子之一。

1 內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞

研究發(fā)現(xiàn)，NSCs在神經(jīng)管壁增殖，新生細(xì)胞呈放射狀遷移至腦的特定位置，主要存在于腦室下區(qū)（subventricular zone，SVZ），在成腦生發(fā)區(qū)以外的區(qū)域也廣泛分布，是具有高度可塑性的神經(jīng)前體細(xì)胞[5]。

近年來，大量的動物實驗已經(jīng)證實，腦缺血后可以激活腦部多個區(qū)域的神經(jīng)干細(xì)胞，使其向病灶邊緣遷移，并誘導(dǎo)其分化為成熟的神經(jīng)元[6-8]，但內(nèi)源性NSCs對腦組織的修復(fù)作用非常有限。主要原因是內(nèi)源性NSCs數(shù)量不足，缺血局部微環(huán)境不利于內(nèi)源性NSCs的生長等[9]。移植外源性NSCs的治療方法有免疫排斥反應(yīng)、細(xì)胞來源、倫理問題和潛在的NSCs持續(xù)生長的危險及腫瘤形成等缺陷，因此其臨床應(yīng)用也受到了限制[10]。如何激活內(nèi)源性NSCs，促進(jìn)其在局部增殖、遷移，并通過調(diào)控神經(jīng)血管單元微環(huán)境促使其向特定神經(jīng)細(xì)胞組織分化是腦損傷治療的迫切研究方向之一。

2 缺氧誘導(dǎo)因子-1α

2.1 缺氧誘導(dǎo)因子-1α的低氧調(diào)節(jié) HIF-1α是學(xué)者在探索低氧調(diào)節(jié)促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）機(jī)制的過程中被發(fā)現(xiàn)的，它普遍存在于人和哺乳動物細(xì)胞內(nèi)，是各種低氧誘導(dǎo)基因調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因子[11]。在缺氧條件下，HIF-1α的羥基化被抑制從而被激活，進(jìn)一步與缺氧反應(yīng)元件中的增強子結(jié)合，激活相應(yīng)缺氧反應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[11]。低氧引起HIF-1α轉(zhuǎn)錄后，可以作用于一系列靶基因[11]，包括：EPO、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、酪氨酸脫氫酶和糖酵解基因等，參與無氧代謝和紅細(xì)胞生成，血管形成和呼吸低氧應(yīng)答反應(yīng)，提高細(xì)胞對低氧的耐受能力。Matsuda等[12-13]在大鼠腦缺血模型的腦表面接種HIF-1α基因，證實其能促進(jìn)血管新生和側(cè)支循環(huán)建立從而改善血循環(huán)。Turcotte等[14]研究發(fā)現(xiàn)，人腎癌細(xì)胞系Caki細(xì)胞在1%O2條件下培養(yǎng)2 h，HIF-1α信使核糖核酸（messenger ribonucleic acid，mRNA）表達(dá)即開始增加，一直到低氧72 h仍能檢測到HIF-1α mRNA的高表達(dá)，其表達(dá)峰度約為常氧組的3倍。

2.2 局灶性腦缺血缺氧損傷后HIF-1α在腦組織中的表達(dá)及其作用 近年來，用大鼠腦缺血模型進(jìn)行實驗發(fā)現(xiàn)，缺血前24 h給予常壓低氧預(yù)處理，低氧環(huán)境可以激活HIF-1α，低氧預(yù)處理的大鼠腦梗死的體積與對照組相比減少30%，提示HIF-1α在耐受缺血缺氧中可能發(fā)揮著重要的作用[15]。有研究用蛋白印跡法對腦缺血后HIF-1α表達(dá)的蛋白進(jìn)行測定，顯示其含量顯著增高的時間點分別是在缺血后的1 h，12 h和1 d，而3 d后表達(dá)呈下降趨勢；免疫組織化學(xué)測定顯示：HIF-1α陽性細(xì)胞在缺血后1 h后就可被發(fā)現(xiàn)，12 h開始顯著增多，1 d到達(dá)高峰，3 d開始減少，且在海馬齒狀回區(qū)域HIF-1α陽性細(xì)胞發(fā)現(xiàn)率較高；標(biāo)記NSCs的巢蛋白標(biāo)志物（Nestin）免疫組織化學(xué)染色結(jié)果顯示，海馬齒狀回附近Nestin的陽性細(xì)胞表達(dá)是在1 h開始增多，14 d到達(dá)高峰，從HIF-1α與Nestin的表達(dá)時間上分析，二者可能具有一定的相關(guān)性，提示腦缺血缺氧條件下HIF-1α的早期高度表達(dá)可能與神經(jīng)元有著密切的聯(lián)系[15]。Hamrick等[16]利用去鐵胺預(yù)處理，對大鼠腦缺血缺氧模型研究發(fā)現(xiàn)，模型組細(xì)胞凋亡與缺血對照組相比下降45%，而通過抗HIF-1α的轉(zhuǎn)染，阻斷HIF-1α的產(chǎn)生，這種保護(hù)作用則下降，提示HIF-1α對腦保護(hù)發(fā)揮著重要的作用。

3 缺氧誘導(dǎo)因子-1α與內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞

3.1 缺氧誘導(dǎo)因子-1α在內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞增殖、存活中的作用 EPO是HIF-1α的靶基因，近年來研究發(fā)現(xiàn)，EPO可通過調(diào)節(jié)NSCs的生長、發(fā)育、抗神經(jīng)細(xì)胞凋亡等對中樞神經(jīng)系統(tǒng)起到保護(hù)作用[17]。有研究顯示，EPO在動物缺血模型中有保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞作用，可阻止腦內(nèi)的細(xì)胞凋亡[18]。趙舒武等[19]研究發(fā)現(xiàn)，EPO能抑制NSCs凋亡并促進(jìn)其向神經(jīng)元分化。EPO還可作為神經(jīng)分化因子，影響神經(jīng)細(xì)胞的分化及再生，并可促進(jìn)NSCs分化為多巴胺能神經(jīng)[20]。

內(nèi)源性一氧化氮（nitric oxide，NO）是一種具有自由基性質(zhì)的生物活性分子，研究表明，NO可抑制脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）合成和NSCs增殖，在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中起著重要的負(fù)性調(diào)控作用[21-22]。在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，對NSCs增殖產(chǎn)生抑制作用的NO主要來自iNOS。NO可促使DNA從對稱分裂向非對稱分裂轉(zhuǎn)變，從而使NSCs向分化方向發(fā)展，因此認(rèn)為iNOS的表達(dá)是干細(xì)胞從增殖向分化過度的關(guān)鍵點[23]。iNOS是HIF-1α的靶基因，HIF-1α被激活后iNOS轉(zhuǎn)錄增加，促使NO合成增加，抑制了NSCs的增殖，卻促進(jìn)了NSCs的分化和成熟[24]。

3.2 缺氧誘導(dǎo)因子-1α在促進(jìn)血管新生方面的作用 VEGF能增強血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長，促進(jìn)腦損傷灶微血管形成和血管再生，改善腦循環(huán)，在腦損傷的修復(fù)和功能恢復(fù)中有重要作用[24-25]。缺血性卒中后神經(jīng)和血管新生有關(guān)聯(lián)性，對于血管的保護(hù)作用被認(rèn)為是神經(jīng)生成的關(guān)鍵[25]。腦缺血后，VEGF表達(dá)增加，進(jìn)而促使新生血管生成，改善血流動力學(xué)，使腦缺血得以部分恢復(fù)[25]。HIF-1α是缺氧狀態(tài)下血管生成的核心調(diào)控因子，通過影響其他因子的表達(dá)，而直接參與血管生成的全過程[26-27]。目前研究表明，HIF-1α對VEGF的調(diào)控表現(xiàn)在多個層面上[27-28]。首先，HIF-1α能夠啟動VEGF的轉(zhuǎn)錄，通過轉(zhuǎn)基因強制表達(dá)的HIF-1α可促使VEGF在體積分?jǐn)?shù)為1%或20%的O2環(huán)境中高度表達(dá)。其次是缺氧時VEGF mRNA的半衰期延長3～8倍，使其穩(wěn)定性增加，HIF-1α將其激活后，高度表時間可延長。Liu等[29]發(fā)現(xiàn)HIF-1α也有助于VEGF mRNA的穩(wěn)定，細(xì)胞轉(zhuǎn)染HIF-1α基因后，VEGF mRNA的半衰期將由42 min延長到2～7 h。另外，Kim等[30]證實VEGF具有促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞增殖的作用，且VEGF作用后的NSCs向神經(jīng)元方向分化潛能更大。提示VEGF能夠刺激成年NSCs增殖、分化，促進(jìn)神經(jīng)元再生。

總之，HIF-1α通過其靶基因通路促使內(nèi)源性NSCs增殖、遷移、分化，且對神經(jīng)具有保護(hù)作用，而HIF-1α對腦缺血缺氧性損傷的保護(hù)是多方面的，隨著對HIF-1α及其下游缺氧反應(yīng)基因研究的深入，其在腦缺血缺氧損傷中的作用會更加明確。HIF-1α有可能成為腦保護(hù)治療中有前途的靶基因之一，具有廣泛的應(yīng)用前景，可能為臨床治療腦缺血缺氧性損傷提供一種新的治療策略。

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【點睛】

內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞治療卒中被寄予厚望，但其對腦組織的修復(fù)作用非常有限。缺氧誘導(dǎo)因子-1α如何激活內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞，促進(jìn)其在局部增殖、遷移和分化是目前迫切研究的方向之一。