HIF-1：高原肺水腫防治的新靶點(diǎn)*

吳 剛，高文祥，高鈺琪△

(1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)高原軍事醫(yī)學(xué)系高原特需藥品與器材研究室；2.極端環(huán)境醫(yī)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，軍隊(duì)高原醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400038)

高原肺水腫(High Altitude Pulmonary Edema，HAPE)是嚴(yán)重威脅急進(jìn)高原人群健康和生命安全的急性重癥高原病，其發(fā)病機(jī)制尚不十分清楚，越來越多的研究表明炎癥反應(yīng)在其發(fā)病中起到重要的作用。低氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia inducible factor 1，HIF-1)是細(xì)胞感知和適應(yīng)低氧刺激的核心轉(zhuǎn)錄因子，同時(shí)在炎癥反應(yīng)調(diào)控中具有重要作用。本文綜述了HAPE發(fā)生的炎癥機(jī)制、HIF-1參與炎癥反應(yīng)調(diào)控的研究進(jìn)展，以及使用HIF-1激動(dòng)劑靶向調(diào)控HIF-1防治HAPE的新方向。

HAPE是指從低海拔快速進(jìn)入高海拔地區(qū)后，短期內(nèi)出現(xiàn)的以過多的液體集聚在肺泡腔和/或肺間質(zhì)為特征的急性重癥高原病，本病起病急、進(jìn)展快，對(duì)初期進(jìn)入高原人群的健康和生命安全造成嚴(yán)重危害。HAPE的發(fā)生發(fā)展與種族、海拔高度和進(jìn)入高原的速度、勞動(dòng)強(qiáng)度、個(gè)體和家族易感性以及上呼吸道感染等多種因素有關(guān)。有關(guān)發(fā)病機(jī)制迄今仍未闡明，以往研究認(rèn)為肺血管不均一收縮和肺動(dòng)脈壓升高是其關(guān)鍵機(jī)制。近年來，越來越多的研究結(jié)果表明，炎癥反應(yīng)及其所導(dǎo)致的肺泡-毛細(xì)血管膜通透性增高在HAPE發(fā)生中具有重要作用。

1 炎癥反應(yīng)在HAPE發(fā)生中的作用

一般認(rèn)為，HAPE是一種由肺動(dòng)脈壓過度增加導(dǎo)致液體漏出而產(chǎn)生的非心源性肺水腫，但這顯然難以解釋HAPE的一些重要臨床特點(diǎn)，例如：①有些人在快速進(jìn)入高海拔地區(qū)后肺動(dòng)脈壓力明顯升高，但并未發(fā)生HAPE[1]；②重癥HAPE患者在治療前后的肺含水量與肺動(dòng)脈壓的變化無明顯相關(guān)或者弱相關(guān)，提示肺動(dòng)脈壓并不是反映患者肺水腫程度的敏感指標(biāo)[2]；③使用降低肺動(dòng)脈壓的藥物對(duì)于重癥HAPE患者治療效果不甚理想[3]。上述現(xiàn)象提示，至少在部分HAPE患者中，肺動(dòng)脈壓力增高可能不是其發(fā)病的唯一關(guān)鍵機(jī)制。

病理結(jié)果證實(shí)，HAPE患者肺泡-毛細(xì)血管膜出現(xiàn)損傷，通透性增高[3，4]：①尸檢發(fā)現(xiàn)，HAPE患者肺泡腔內(nèi)存在纖維素沉積和透明膜形成情況；②HAPE患者支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid，BALF)中蛋白含量顯著增高；③HAPE患者肺組織的超微結(jié)構(gòu)顯示，肺氣血屏障內(nèi)外側(cè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部缺損以及肺毛細(xì)血管細(xì)胞連接間隙增寬情況。以往認(rèn)為，HAPE是由于肺微血管壓力升高，導(dǎo)致的應(yīng)激衰竭(stress failur)引起的非炎癥性改變。然而，大量臨床證據(jù)表明，炎癥反應(yīng)可能在HAPE發(fā)生中具有重要作用：①HAPE患者常表現(xiàn)出明顯的炎癥反應(yīng)癥狀，如體溫升高和外周血白細(xì)胞計(jì)數(shù)增加等；②患者外周血中炎性介質(zhì)顯著升高；③尸檢發(fā)現(xiàn)HAPE患者肺泡腔內(nèi)的紅細(xì)胞、白細(xì)胞、蛋白質(zhì)含量顯著增多，炎癥介質(zhì)如白三烯B4、補(bǔ)體C5a顯著升高；④上呼吸道感染是HAPE發(fā)生的重要誘因；⑤分析HAPE的常見誘因，如寒冷、運(yùn)動(dòng)、疲勞等機(jī)體反應(yīng)的共同特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，這些因素均可引致機(jī)體炎癥反應(yīng)增強(qiáng)；⑥地塞米松對(duì)HAPE具有顯著的防治效果。

急性肺損傷(Acute Lung Injury，ALI)是很多呼吸道重大疾病的病理基礎(chǔ)，也是發(fā)生全身炎癥反應(yīng)綜合征(systemic inflammatory response syndrome，SIRS)時(shí)最易出現(xiàn)的組織損傷。ALI是以炎癥反應(yīng)和肺毛細(xì)血管通透性增高為特征的臨床綜合征，其病理特點(diǎn)為肺毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞受損導(dǎo)致彌漫性肺間質(zhì)及肺泡水腫。高原低氧環(huán)境下，機(jī)體炎癥反應(yīng)的改變及其在高原低氧習(xí)服-適應(yīng)機(jī)制中的作用研究較少。低氧刺激機(jī)體能夠引起炎癥反應(yīng)，低氧可誘導(dǎo)肺血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌內(nèi)皮素-1(Endothelin，ET-1)等血管活性物質(zhì)和粘附分子，后者可介導(dǎo)炎癥細(xì)胞在血管內(nèi)皮細(xì)胞的粘附聚集，參與肺血管的改建和缺氧性肺動(dòng)脈高壓的發(fā)生[5]。Mishra等報(bào)道，HAPE易感者外周血單核細(xì)胞炎癥蛋白1α(Macrophage Inflammatory Protein-1α，MIP-1α)和人單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemo-attractant protein-1，MCP-1)在常氧時(shí)即顯著高于正常對(duì)照者，且在吸入低氧氣時(shí)進(jìn)一步增加，提示低氧時(shí)炎癥反應(yīng)增強(qiáng)可能參與HAPE發(fā)生，炎癥水平較高的個(gè)體進(jìn)入高原低氧環(huán)境后易發(fā)生HAPE[6]。我們新近研究發(fā)現(xiàn)，低氧可通過促進(jìn)Toll樣受體4(Toll like receptor 4，TLR4)信號(hào)通路激活，顯著增強(qiáng)低劑量脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)誘發(fā)的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致大鼠肺組織中出現(xiàn)大量炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，BALF蛋白濃度顯著升高，肺組織出現(xiàn)間質(zhì)性水腫，肺濕/干重比顯著增大，外周血和BALF中白介素1(interleukine 1，IL-1)、IL-6、腫瘤壞死因子(tumor necrotosis factor α，TNF-α)等炎癥因子水平顯著升高[7]。這些研究結(jié)果提示，呼吸道感染患者及其他存在有感染或炎癥性疾病者進(jìn)入高原時(shí)，機(jī)體的炎癥反應(yīng)水平可在低氧條件下顯著增強(qiáng)，更加容易誘發(fā)HAPE，這一研究為深入揭示HAPE的機(jī)制和尋求有效的防治措施提供了一個(gè)新的思路。

2 HIF-1調(diào)控炎癥反應(yīng)、參與HAPE發(fā)生

低氧是HAPE主要的發(fā)病因素。低氧誘導(dǎo)因子-1(Hypoxia Inducible Factors 1，HIF-1)普遍存在于機(jī)體各組織和細(xì)胞中。HIF-1由α和β亞基組成，其中HIF-1α是其關(guān)鍵的調(diào)節(jié)和活性亞基，其活性和穩(wěn)定性受組織中氧濃度的影響。HIF-1α蛋白在常氧條件下被快速降解，缺氧時(shí)其降解受到抑制。有報(bào)道認(rèn)為，外周血HIF-1α水平與HAPE易感性顯著相關(guān)，提示HIF-1α可以作為篩查HAPE易感性的標(biāo)志物[8]。低氧可刺激細(xì)胞的微泡/外泌體將HIF-1α分泌到血液中，HIF-1α參與細(xì)胞-細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)[9]。發(fā)生炎癥反應(yīng)時(shí)組織對(duì)氧的需求增加，同時(shí)由于血管血栓的形成或壓迫使來自血液的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)減少，氧氣的供應(yīng)和需求比率變化使炎癥組織低氧情況進(jìn)一步加重[10]。此外，炎性細(xì)胞，如巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和樹突細(xì)胞等在激活時(shí)消耗大量的氧氣，從而導(dǎo)致組織出現(xiàn)炎性低氧和穩(wěn)定表達(dá)的HIF-1α[11]。HIF-1α在炎癥性腸病和病原體感染及急性肺損傷等疾病相關(guān)的不良炎癥過程中，在缺血-再灌注損傷期間均能夠穩(wěn)定表達(dá)且活性增加，HIF-1α的穩(wěn)定表達(dá)對(duì)發(fā)生炎癥反應(yīng)的組織微環(huán)境和疾病轉(zhuǎn)歸都具有深遠(yuǎn)的影響[12]。

HIF-1α參與炎癥反應(yīng)調(diào)控的機(jī)制在不同的細(xì)胞、動(dòng)物和疾病模型中報(bào)道不一。例如，HIF-1α能夠通過促進(jìn)T細(xì)胞中FoxP3的表達(dá)[13]和在單核細(xì)胞中上調(diào)IL-1受體相關(guān)的激酶(IRAKM)而起到抗炎作用[14]；HIF-1α能夠直接調(diào)節(jié)骨髓譜系的粒細(xì)胞和單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞在炎癥微環(huán)境中的存活能力和功能。在HIF-1α控制下的轉(zhuǎn)錄途徑對(duì)肺組織具有保護(hù)和抗炎的作用，例如在發(fā)生ALI的肺組織中，由于炎性細(xì)胞聚集、細(xì)胞分泌增加、組織供氧不足等原因使局部組織形成低氧微環(huán)境，促使HIF-1α穩(wěn)定表達(dá)并激活其下游各種抗炎靶基因，從而對(duì)肺損傷起到保護(hù)作用[15]。我們的研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控巨噬細(xì)胞內(nèi)的HIF-1α表達(dá)水平，能夠影響其TLR4啟動(dòng)子活性和炎癥反應(yīng)水平，采用過表達(dá)的方法，或用二甲基肟基甘氨酸(DMOG)使細(xì)胞內(nèi)HIF-1α表達(dá)增加以后，肺泡巨噬細(xì)胞的TLR4啟動(dòng)子活性降低、IL-1β、IL6、TNF α等炎癥因子表達(dá)降低[7]，提示HIF-1α可能通過抑制TLR4信號(hào)通路及其下游炎癥反應(yīng)被激活，從而在HAPE發(fā)生中發(fā)揮保護(hù)作用。

3 靶向HIF-1防治HAPE的應(yīng)用前景

HIF-1在多種低氧相關(guān)疾病中發(fā)揮關(guān)鍵作用，比如HIF-1能夠影響腫瘤適應(yīng)微環(huán)境低氧時(shí)的血管生成和腫瘤生長(zhǎng)。在各種慢性肺部疾病中，肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間暴露在低氧時(shí)，HIF-1能夠使細(xì)胞基礎(chǔ)Ca2+和內(nèi)皮素-1(Endothelin-1，ET-1)升高，而ET-1具有強(qiáng)效血管收縮作用，并且ET-1對(duì)肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的HIF-1具有激活作用，能夠引起肺血管結(jié)構(gòu)的改建，導(dǎo)致肺動(dòng)脈高壓[16]。因此，靶向HIF-1的防治措施可能成為這些疾病救治的全新解決方案，如Gong J等人報(bào)道，HIF-1α的抑制劑香草酸可抑制血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和促紅細(xì)胞生成素的表達(dá)，破壞腫瘤血管的形成[17]；缺氧誘導(dǎo)因子脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase domain-containing proteins，PHD)-HIF途徑在腸道炎癥期間發(fā)揮作用，HIF的激動(dòng)劑可用于治療炎癥性腸病[18]；在基底亞型乳腺癌患者活組織檢查中HIF-1α或HIF靶基因的表達(dá)增加與總體存活率降低有關(guān)，所以使用細(xì)胞毒性化療和HIF抑制劑聯(lián)合治療三陰性乳腺癌患者可提高患者的生存率[19]。盡管機(jī)體啟動(dòng)HIF穩(wěn)定化的機(jī)制可能不同，比如常氧時(shí)缺氧誘導(dǎo)因子1抑制因子(FIH)可抑制HIF-1α轉(zhuǎn)錄激活，而PHD和腫瘤抑制因子(The Von Hippel-Lindau tumor suppressor，pVHL)可協(xié)同作用經(jīng)泛素-蛋白酶體途徑降解HIF-1α蛋白，但控制HIF穩(wěn)定表達(dá)的最終分子步驟聚集在PHD的作用中[18]，所以能夠調(diào)控FIH或PHD活性的化學(xué)物質(zhì)即可產(chǎn)生調(diào)控HIF-1α活性的藥理作用。

目前尚無使用HIF激動(dòng)劑防治HAPE的研究報(bào)道，我們最近的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，HIF-1α可能成為預(yù)防和治療HAPE的新靶點(diǎn)[7]。目前已有大量關(guān)于HIF激動(dòng)劑的研究，例如使用DMOG能夠增強(qiáng)腸上皮細(xì)胞中誘導(dǎo)HIF-1和NF-κB的活性，從而減少小鼠結(jié)腸炎模型腸上皮屏障功能障礙；使用PHD抑制劑(FG-2216)能夠使終末期腎病患者HIF-1α穩(wěn)定表達(dá)及促紅細(xì)胞生成素水平升高；使用PHD抑制劑(FG-4497)能夠通過VEGFR2/KDR增強(qiáng)小鼠造血干細(xì)胞的動(dòng)員[20]等。此外，目前臨床上使用HIF激動(dòng)劑對(duì)炎癥性疾病進(jìn)行治療研究，比如HIF穩(wěn)定劑的I期臨床研究正在進(jìn)行，對(duì)HIF-1激動(dòng)劑進(jìn)行了不斷改進(jìn)；第二代PHD抑制劑(FG-4592)正在進(jìn)行III期臨床研究。綜上所述，基于HIF激動(dòng)劑的研究現(xiàn)狀和HIF-1α在低氧和炎癥疾病中的關(guān)鍵性作用，采用HIF-1α激動(dòng)劑可能成為HAPE防治研究的一個(gè)新方向。