低氧誘導(dǎo)因子1對心臟保護(hù)作用的研究進(jìn)展

郝 瀟，李樹仁

(河北醫(yī)科大學(xué)附屬河北省人民醫(yī)院 心臟一科， 河北 石家莊 050051)

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短篇綜述

低氧誘導(dǎo)因子1對心臟保護(hù)作用的研究進(jìn)展

郝 瀟，李樹仁*

(河北醫(yī)科大學(xué)附屬河北省人民醫(yī)院 心臟一科， 河北 石家莊 050051)

低氧誘導(dǎo)因子1可調(diào)控其下游相關(guān)因子表達(dá)，從而促進(jìn)心肌梗死區(qū)局部血管形成、促進(jìn)細(xì)胞增殖、改善細(xì)胞能量代謝并能抑制細(xì)胞凋亡，進(jìn)而增加有效心肌細(xì)胞數(shù)量，改善心肌梗死后心室重構(gòu)。為缺血性心臟病的治療提供了新的思路。

低氧誘導(dǎo)因子-1；干細(xì)胞；缺血性心臟病

急性心肌梗死后，梗死區(qū)及邊緣區(qū)處于非常惡劣的缺血低氧的環(huán)境，對殘存的心肌細(xì)胞的生存及功能都非常不利。因此，改善局部微環(huán)境，減少細(xì)胞凋亡，增加心肌細(xì)胞數(shù)量，對治療心肌梗死后心室重構(gòu)有著極大意義。

低氧環(huán)境誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生由低氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)，并通過其介導(dǎo)的一系列適應(yīng)性反應(yīng)，這些反應(yīng)使細(xì)胞能夠適應(yīng)低氧的環(huán)境。HIF-1α在低氧條件下能夠調(diào)控下游100多種基因的表達(dá)，參與紅細(xì)胞生成和血管生成，調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝和細(xì)胞存活、凋亡等，維持組織及細(xì)胞在低氧條件下內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。

1 低氧誘導(dǎo)因子-1α簡介

HIF-1α在低氧條件下能夠促進(jìn)促紅細(xì)胞生成素的表達(dá)，故命名為低氧誘導(dǎo)因子。隨后的研究證明，HIF與胚胎發(fā)育、組織生長、新陳代謝以及凋亡有關(guān)[1]。

HIF-1α在低氧條件下表達(dá)上調(diào)，并與HIF-1β結(jié)合成異質(zhì)二聚體，HIF-1β在細(xì)胞內(nèi)持續(xù)表達(dá)，因此，HIF-1α是HIF-1起作用的限速因子。常氧狀態(tài)，HIF-1α正常表達(dá)，但其氧依賴降解區(qū)(ODD)被脯氨酸羥化酶(PHD)修飾，隨后迅速被希佩爾林道病腫瘤抑制蛋白(Von Hippel Lindau protein， pVHL)以及E3泛素化連接酶介導(dǎo)的蛋白酶體降解[2]。在缺乏VHL基因的患者體內(nèi)，依賴HIF-1α的血管生成因子在常氧狀態(tài)下也表達(dá)。上述的酶都是氧依賴的，因此，在低氧條件下HIF-1α積聚，并與HIF-1β結(jié)合，形成有功能的HIF-1。

2 低氧誘導(dǎo)因子-1的心臟保護(hù)功能

HIF-1對心臟的保護(hù)性作用最早于2003年提出，隨后在多種動物實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。HIF-1的心肌保護(hù)性作用大致包括促進(jìn)血管生成、改善心肌細(xì)胞能量代謝及減少心肌細(xì)胞凋亡等，HIF-1在心肌缺血預(yù)適應(yīng)中也發(fā)揮著重要作用。

2.1 HIF-1在缺血心肌局部具有促血管生成作用

在體外培養(yǎng)多種與心肌缺血和梗死相關(guān)的細(xì)胞時，發(fā)現(xiàn)HIF-1α基因的過表達(dá)可以增加血管生成相關(guān)基因的表達(dá)。有報道在豬心肌梗死區(qū)域注射攜帶有HIF-1α基因的腺病毒，可以改善短期內(nèi)豬的心臟功能，推測可能與HIF-1α介導(dǎo)的新生血管增多有關(guān)[3]。在低氧條件下，HIF-1在內(nèi)皮細(xì)胞中積聚，并與VEGF基因啟動子結(jié)合從而誘導(dǎo)后者的表達(dá)。其他細(xì)胞因子如干細(xì)胞因子等，可通過與其同種受體結(jié)合而發(fā)揮促血管作用，作為HIF-1的下游因子受其調(diào)控[4]。HIF-1α可直接調(diào)控SENP-1轉(zhuǎn)錄，從而形成一個正反饋，作用于低氧血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)，可增加VEGF的表達(dá)和血管新生[5]。

2.2 HIF-1能夠改善缺血心肌細(xì)胞的能量代謝

HIF-1的另一心臟保護(hù)機(jī)制是調(diào)節(jié)葡萄糖有氧代謝和無氧酵解之間的平衡[6]。目前已證實(shí)，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、己糖激酶1和2、6-磷酸果糖激酶-2、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶以及介導(dǎo)乳酸向組織外轉(zhuǎn)運(yùn)的單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4，都受HIF-1的調(diào)控。而己糖激酶2在細(xì)胞的糖代謝以及細(xì)胞凋亡中具有很重要的地位[7]。HIF-1還通過激活丙酮酸脫氫酶激酶-1(PDK1)基因的激活從而抑制細(xì)胞的新陳代謝[8]。后者又可以通過抑制丙酮酸脫氫酶的作用，減少乙酰輔酶A的合成。目前已經(jīng)明確HIF-1參與生長因子介導(dǎo)的糖代謝過程。當(dāng)缺乏生長因子信號時，造血細(xì)胞既不能進(jìn)行HIF-1α基因的轉(zhuǎn)錄，也不能進(jìn)行生長因子相關(guān)的糖代謝[9]。

2.3 HIF-1在低氧心肌具有抗凋亡的作用

在低氧導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡過程中可出現(xiàn)caspase-3的激活、促凋亡基因(如Bax)表達(dá)上調(diào)以及抗凋亡基因(如Bcl-2)表達(dá)下調(diào)。在凋亡過程中，編碼重要蛋白的基因(如Bcl-2家族)，受到HIF-1的調(diào)控。Bax/Bcl-2介導(dǎo)的caspase-3相關(guān)通路也受到HIF-1的調(diào)控[10]。給予在體外培養(yǎng)的心臟成纖維細(xì)胞低氧的環(huán)境(1% O2)，可以導(dǎo)致細(xì)胞凋亡增加、caspase-3激活、Bax上調(diào)及Bcl-2下調(diào)，上述現(xiàn)象可以由過表達(dá)的HIF-1α所改善，從而發(fā)揮抗凋亡的作用；在低氧時細(xì)胞膜Ca2+內(nèi)流增加，而HIF-1α可以抑制這一現(xiàn)象[11]。在低氧引起的心臟肥大過程中，HIF-1α起到重要作用，其機(jī)制為瞬時受體電位通道(transient receptor potential channels，TRPC)的上調(diào)，隨后導(dǎo)致鈣調(diào)磷酸酶(calcineurin，CaN)通路的激活[12]。HIF-1還可以通過抑制抑癌基因P53上游因子HIPK2[13]來發(fā)揮抗凋亡作用。

2.4 HIF-1在心肌缺血預(yù)適應(yīng)中的作用

給予心肌短時間的(<5 min)缺血-再灌注的處理，可以使心肌耐受隨后的長時間(>30 min)的缺血，即缺血預(yù)適應(yīng)(ischemia preconditioning, IPC)。在HIF-1α基因敲除的小鼠，其心臟在經(jīng)IPC處理后缺乏心臟保護(hù)功能[14]。在小鼠心臟受到IPC處理后立即注入吖啶黃(一種可以抑制HIF-1的α亞基和β亞基結(jié)合的藥物)，也可以阻斷心臟保護(hù)作用。說明在IPC處理中，HIF-1處于關(guān)鍵性的地位。

在IPC中，ATP轉(zhuǎn)化為腺苷，腺苷受體拮抗劑可以對抗IPC的心臟保護(hù)功能，同時心肌注射腺苷也可以產(chǎn)生心臟保護(hù)功能。目前已經(jīng)證實(shí)在IPC中，腺苷的產(chǎn)生受到CD39和CD73兩種酶的催化。這兩種酶受到HIF-1的調(diào)控[14]。同時腺苷A2B受體也受到HIF-1的調(diào)控[15]。提示HIF-1是IPC發(fā)揮心臟保護(hù)作用的機(jī)制之一。

HIF-1還可以通過其他機(jī)制在IPC中發(fā)揮作用。用HIF-1α轉(zhuǎn)錄激活劑(如氯化鈷等)處理小鼠，或使心肌暴露于低氧-復(fù)氧的環(huán)境中，可以誘導(dǎo)心臟保護(hù)功能[16]。而在一氧化氮合酶(NOS)缺乏的小鼠體內(nèi)則沒有上述心臟保護(hù)作用，NOS可以催化生成NO，對IPC的心臟保護(hù)作用是很有必要的。NOS在缺血的大鼠心臟受到HIF-1α的調(diào)控而表達(dá)增加[17]。

3 HIF-1與干細(xì)胞

干細(xì)胞療法是近十年來興起的一種新型治療方法，旨在使干細(xì)胞分化為心肌樣細(xì)胞并移植到體內(nèi)，代替梗死的心肌，并通過旁分泌途徑增加局部血管生成。

干細(xì)胞增殖能力的提高對再生療法至關(guān)重要。體外研究發(fā)現(xiàn)，在3% O2含量中培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells, MSCs)較正常氧含量培養(yǎng)的MSCs，其壽命延長及增殖能力增強(qiáng)[18]。也有其他報道，在體外低氧環(huán)境中培養(yǎng)的細(xì)胞，擴(kuò)增效率增高[ 19]。同時，低氧的培養(yǎng)環(huán)境也使細(xì)胞的增殖能力保持較長時間[20]。

低氧可以促進(jìn)胚胎發(fā)育、維持干細(xì)胞的多能性、誘導(dǎo)分化、并能調(diào)控包括血管生成在內(nèi)的信號通路。在低氧的環(huán)境中，上述功能受到一些細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，主要包括HIF-1、脯氨酸羥化酶(PHDs)、HIF-1抑制因子(FIH-1)、NF-κb、P53以及c-Myc等[21]。這些因子是相互作用增強(qiáng)細(xì)胞的增殖能力，而其中HIF-1是最主要的調(diào)控因子。HIF-1α等位基因失活的小鼠胚胎發(fā)育的第10天會死于心臟畸形、血管受損以及紅細(xì)胞生成障礙[22]。

在低氧環(huán)境中，HIF-1蓄積，抑制三羧酸循環(huán)，減少活性氧(ROS)的產(chǎn)生。ROS的減少可以減慢端粒的縮短，從而延遲細(xì)胞的衰老。另外，低氧可以通過HIF-1-Notch通路阻斷干細(xì)胞的分化，在這一過程中HIF-1與Notch基因相互作用，使Notch下游基因表達(dá)上調(diào)，維持干細(xì)胞的去分化狀態(tài)，從而增加其增殖能力[23]。

干細(xì)胞治療缺血性心臟病的另一難題為移植效率。梗死區(qū)以及梗死邊緣區(qū)處于缺血低氧狀態(tài)，局部微環(huán)境極其惡劣，對移植后的干細(xì)胞存活及功能的發(fā)揮有很大影響。而低氧預(yù)處理的MSCs生長增快，自我修復(fù)能力增強(qiáng)[20]。

4 展望

近來有研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α在體外氧含量不同的培養(yǎng)環(huán)境中，可以起促進(jìn)凋亡和抑制凋亡等不同的作用。在體心臟缺血時，HIF-1α能否發(fā)揮抗凋亡作用，以及HIF-1對凋亡的作用是否有其他機(jī)制，仍需更多的研究證實(shí)。以腺病毒為載體冠脈內(nèi)注射轉(zhuǎn)染心肌細(xì)胞的方法，目前已在實(shí)驗(yàn)動物中明確可以促進(jìn)局部血管新生。但冠脈內(nèi)注射含有HIF-1α的病毒液，病毒隨血液循環(huán)至外周器官，轉(zhuǎn)染局部細(xì)胞，造成局部細(xì)胞異常增殖，產(chǎn)生不良后果，這是該方法的缺點(diǎn)之一。以HIF-1α轉(zhuǎn)染干細(xì)胞后，進(jìn)行移植，可以保證轉(zhuǎn)基因治療的安全性又能保證干細(xì)胞的存活，同時分泌各種生長因子，改善局部微環(huán)境，為缺血性心臟病的干細(xì)胞治療以及轉(zhuǎn)基因治療提供一個新的策略。

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新聞點(diǎn)擊

腹部脂肪堆積會增加心臟病和癌癥風(fēng)險

2013年7月11日《美國新聞與世界報道·每日健康新聞》(U.S.News & World Report·HealthDay Reporter)報道，新的研究發(fā)現(xiàn)，脂肪堆在哪兒也別堆在腹部，因?yàn)槎言谀抢锘疾〉母怕矢哂谥径言谏眢w的其他部位。比起那些身體其他部位有脂肪的，腹部脂肪過多的人有心臟疾病和癌癥的風(fēng)險更大。這項研究結(jié)果于2013年7月10日在線發(fā)表于美國心臟病學(xué)院雜志(Journal of the American College of Cardiology)。

研究報告的作者波士頓布里格姆婦女醫(yī)院的醫(yī)學(xué)講師凱瑟琳·布里頓博士(Kathryn Britton)和他的團(tuán)隊用CT掃描3 000多名美國人心臟周圍組織和周圍的主動脈，以評估堆積脂肪在腹部的情況，這些人平均年齡50歲。在隨后長達(dá)7年的隨訪期間，有90例心血管事件，141例癌癥病例和71例死亡病例。研究者發(fā)現(xiàn)，腹部脂肪——這通常指內(nèi)部器官周圍的脂肪——與心臟疾病和癌癥的風(fēng)險增加密切相關(guān)。

Advances on the cardiac protective effects of hypoxia inducible factor-1

HAO Xiao, LI Shu-ren*

(Dept. of Cadiology, Hebei General Hospital, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050051, China)

Hypoxia-inducible factor 1(HIF-1) regulates certain downstream gene expression, thus promotes angiogenesis, proliferation, metastasis and inhibits apoptosis, then increase the quantity of effective myocardial cells and improve ventricular remodeling after myocardial infarction. This may provide a novel strategy for the therapy of ischemic heart disease.

hypoxia inducible factor 1; stem cells; ischemic heart disease

2014- 09- 09

2014- 12- 02

1001-6325(2015)04-0554-04

R541.4

A

*通信作者(corresponding author)：lsr64@126.com