HIF-1α對TBI后繼發(fā)性腦損傷影響的研究進展

靳春杰 綜述，張建寧 審校

（1.天津市北辰醫(yī)院神經(jīng)外科 300400；2.天津醫(yī)科大學總醫(yī)院神經(jīng)外科 300052）

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）為神經(jīng)外科的常見、多發(fā)病，是外傷患者致殘和死亡的主要原因［1］。包括創(chuàng)傷部位的原發(fā)性腦損傷和創(chuàng)傷后的繼發(fā)性腦損傷。TBI發(fā)生后數(shù)天至數(shù)個月內(nèi)，繼發(fā)腦損傷仍在持續(xù)進行，并且細胞水平繼發(fā)性的腦損傷可導致不可逆的神經(jīng)功能性損害。精細病理學研究證實，傷后腦毛細血管痙攣狹窄、管腔塌陷、血栓形成、血管斷裂，24h達損傷高峰，使血腦屏障破壞，出現(xiàn)明顯的腦供血不足，導致繼發(fā)性腦損害［2］。腦組織缺血、缺氧是繼發(fā)性腦損傷與缺血性腦損傷的共同病理生理基礎。

低氧誘導因子-1（（hypoxia-inducible factor，HIF-1）是低氧條件下存在于人及哺乳動物的一種轉錄因子，可由組織中分子氧水平的變化誘導，能激活多數(shù)缺氧反應性基因表達，是人和哺乳動物于低氧條件下維持內(nèi)環(huán)境平衡的關鍵物質。近幾年，許多的研究表明，HIF-1α在腦的缺氧、缺血損傷中起到腦保護作用。然而，低氧誘導因子在TBI中的作用，卻鮮有闡述。鑒于TBI后繼發(fā)性腦損傷與缺血性腦損傷有著相似的病理生理基礎，國內(nèi)外學者借鑒HIF-1在缺氧、缺血性腦損傷中的腦保護作用，致力于尋找一種新途徑來治療TBI和促進腦功能恢復。本文就此相關研究進展進行綜述。

1 HIF-1的結構及功能

1.1 HIF-1α的分子結構 HIF-1是由Semenza在研究低氧誘導紅細胞生成素（erythropoietin，EPO）基因的表達時發(fā)現(xiàn)的。HIF-1是基因轉錄核調(diào)節(jié)因子，也是低氧適應與病理反應中的特異中介因子。多數(shù)低氧反應基因，例如誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、血紅素加氧酶-1（heme oxygenase，HO-1）、內(nèi)皮素-1（endothelin，ET-1）的基因表達調(diào)控區(qū)都有HIF-1結合位點［3］。HIF-l編碼基因定位于染色體14q21-24，編碼826個氨基酸，其氨基酸序列中含有堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）與PER-ARNTSIM（PAS）結構域，兩者與DNA 連接，為形成異源二聚體必需的結構［4］。HIF-1是一個異二聚體復合物，由HIF-1α與HIF-1β2個亞基構成，2 個亞基都是bHLH-PAS 蛋白，屬于包含bHLH 與PER-ARNT-SIM 同源結構域的轉錄因子家族。HIF-1β（ANRT）是結構亞基，在細胞核內(nèi)持續(xù)表達，不受氧體積分數(shù)影響；HIF-lα是功能亞基，在細胞質與細胞核內(nèi)表達，它的mRNA 呈組成性表達，但蛋白表達不呈組成性表達，是受氧體積分數(shù)影響的，因此HIF-1的活性主要由HIF-1α活性所決定［5］。在正常氧體積分數(shù)下，細胞內(nèi)的HIF-1α水平極低。但是，當細胞處于低氧狀態(tài)時，HIF-1α穩(wěn)定性逐漸增高、積累，然后進入胞核，與HIF-1β結合形成HIF-1，HIF-1和它的靶基因內(nèi)啟動子或增強子中的缺氧反應原件（HRE）內(nèi)的核心序列5′-RCGTG-3′結合，從而激活下游基因的表達，發(fā)生一系列針對缺氧的適應性反應。

1.2 HIF-1α在神經(jīng)系統(tǒng)的主要功能 HIF-1α是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育必要的生理條件。HIF-1缺失的胚胎干細胞無法增殖，完全缺失HIF-1α的鼠胚胎發(fā)育停止或遲緩，于E10.5 或E11 死亡，表現(xiàn)為神經(jīng)管的缺陷與頭側細胞大量死亡［6］。神經(jīng)元特異HIF-1α缺失的小鼠出現(xiàn)腦發(fā)育缺陷，并合并有神經(jīng)元數(shù)量減少和 空 間 記 憶 受 影 響［7］。Milosevic 等［8］通 過 敲 除 中 鼠 腦NSCs的HIF-1α基因研究，發(fā)現(xiàn)該基因敲除鼠神經(jīng)元存活及分化均受損。它對腦組織損傷的保護作用主要表現(xiàn)在：（1）HIF-1α促進其下游靶基因的表達，刺激血管新生、塑形和改建，促進缺血區(qū)腦血管形成和血管擴張，改善腦血流量［9］；（2）HIF-1α可以提高磷酸果糖激酶-1、葡萄糖轉運酶-l、醛縮酶、乳酸脫氫酶水平，促進葡萄糖轉移、利用及酵解，為神經(jīng)元提供能量；（3）EPO 是HIF-1α的靶基因之一，它可抑制NMDA 受體介導的神經(jīng)毒性，同時抑制腦缺血、缺氧時的興奮性氨基酸釋放；EPO 還可激活Jak2活化核轉錄因子KappaB（NF-κB），誘導其神經(jīng)保護基因表達［10］；（4）HIF-1α下調(diào)促凋亡因子表達從而阻斷缺血性腦損傷后的細胞凋亡［11］。

2 TBI后HIF-1α的表達變化

低氧誘導因子在TBI中的作用，現(xiàn)代研究對此了解不多。稅林等［12］探討大鼠腦干損傷后腦組織HIF-1α的表達特點時發(fā)現(xiàn)，HIF-1α在損傷后3h陽性表達增加，24h達到高峰（與正常對照組及假損傷組比較差異有統(tǒng)計學意義），7d降至正常（與正常對照組及假損傷組比較差異無統(tǒng)計學意義）。劉垚煒等［13］研究發(fā)現(xiàn)腦外傷后與損傷臨近區(qū)域的HIF-1α表達變化規(guī)律為：12h時增多，72h時達到高峰，1周表達下降，至2周時恢復正常。說明腦外傷后非損傷區(qū)域也有缺血、缺氧的改變，可能與腦外傷后的腦萎縮有相關性。李建華等［14］發(fā)現(xiàn)HIF-1α蛋白在腦損傷后3h表達顯著增高，且一直呈高表達態(tài)勢，直到損傷后期才逐漸下降。Huang等［15］發(fā)現(xiàn)TBI后轉化生長因子β（TGF-β）和HIF-1α的表達明顯增高，且分別于3 d和12h檢測到TGF-β和HIF-1α的mRNA 表達增加。

3 HIF-1α對TBI后繼發(fā)性顱腦損傷的雙重影響

3.1 HIF-1α對TBI后繼發(fā)性顱腦損傷可能的保護作用 于如同等［11］通過腺病毒介導HIF-1α海馬CA3區(qū)微量注射發(fā)現(xiàn)腦損傷后Ad-HIF-1α注射能促進Bcl-2表達，抑制Bax表達，阻斷腦缺血后的細胞凋亡。Anderson等［16］研究了老年大鼠和成年大鼠的差異，發(fā)現(xiàn)TBI后老年鼠HIF-1α、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和EPO 的表達明顯低于成年鼠，而老年大鼠TBI后病死率遠遠大于成年鼠，分析其原因可能主要是老年鼠的HIF-1α神經(jīng)保護被削弱所致。Du等［17］研究證實，體溫過高預處理能夠保護星形膠質細胞的缺氧／再灌注損傷，這種保護作用是通過上調(diào)HIF-1α的表達實現(xiàn)的。

3.2 HIF-1α對TBI后繼發(fā)性顱腦損傷可能的損傷機制 Shenaq等［18］研究顯示，水通道蛋白（AQP）和HIF-1α在TBI早期加劇了腦水腫的發(fā)生，而AQP 和HIF-1α各自抑制劑的早期治療能夠減輕腦水腫，提高神經(jīng)行為學評分。Higashida等［19］研究證實，TBI后HIF-1α、AQP-4和MMP-9的表達明顯增加，而層粘連蛋白和緊密連接蛋白的量明顯下降。應用MMP-9或者HIF-1α抑制劑能明顯減輕腦水腫和血腦屏障的滲漏，尤其是HIF-1α抑制劑能夠抑制AQP-4和MMP-9的表達，同時提高層粘連蛋白和緊密連接蛋白的表達，從而抑制血腦屏障的破壞、減輕TBI后的腦水腫。Cheng等［20］研究顯示，過表達的HIF-1α和NICD（notch intracellular domain）能加速缺氧條件下培養(yǎng)的人神經(jīng)元細胞的死亡，而HIF-1α抑制劑能夠保護這些缺氧條件下培養(yǎng)的人神經(jīng)元細胞對抗缺氧。

4 問題與展望

目前，HIF-1α對TBI后繼發(fā)性顱腦損傷的影響機制還沒有定論，早期的干預治療對TBI的影響是積極改善腦組織血液循環(huán)、保護神經(jīng)元細胞，還是加重腦水腫，對此眾說紛紜，是不是HIF-1α的劑量或者作用時機可能會影響它對TBI后繼發(fā)性顱腦損傷的作用效果？或者TBI損傷的程度也影響HIF-1α的作用呢？鑒于HIF-1α的重要功能，以及它在缺血性腦損傷中積極有效的治療作用，HIF-1α對TBI后繼發(fā)性顱腦損傷的影響機制值得進一步研究。

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