低氧誘導(dǎo)下急性肺損傷的HIF-1α與VEGF相關(guān)性探析

張義超 灑玉萍 馬積和 陳發(fā)章 吳俊松 呂李飛 劉菲菲 馬忠義 李蜀娟

【摘要】 急性肺損傷（ALI）是各種原因?qū)е碌姆闻萆掀ぜ毎懊氀軆?nèi)皮細胞損傷，造成肺水腫和急性低氧性呼吸功能不全。在急性低氧條件下，肺血管收縮、肺動脈壓力升高、肺泡水腫和塌陷，導(dǎo)致肺內(nèi)分流顯著增加，進而誘發(fā)低氧血癥，造成肺血管痙攣及肺微小血栓，共同誘導(dǎo)肺動脈高壓的形成。在低氧誘導(dǎo)下，肺組織的低氧誘導(dǎo)因子（HIF-1α）與血清的血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）表達量發(fā)生相應(yīng)改變，這可能是導(dǎo)致ALI形成的原因之一，現(xiàn)就有關(guān)低氧誘導(dǎo)下ALI、HIF-1α與VEGF研究現(xiàn)狀進行綜述。

【關(guān)鍵詞】 低氧 急性肺損傷 低氧誘導(dǎo)因子 血管內(nèi)皮生長因子

A Brief Analysis of the Correlation between HIF-1α and VEGF in Hypoxia Induced Acute Lung Injury/ZHANG Yichao， SA Yuping， MA Jihe， CHEN Fazhang， WU Junsong， LYU Lifei， LIU Feifei， MA Zhongyi， LI Shujuan. //Medical Innovation of China， 2021， 18（35）： -170

[Abstract] Acute lung injury （ALI） is the injury of alveolar epithelial cells and capillary endothelial cells caused by various reasons， resulting in pulmonary edema and acute hypoxic respiratory insufficiency. Under the condition of acute hypoxia， pulmonary vasoconstriction， pulmonary artery pressure increase， and alveolar edema and collapse lead to significant increase of intrapulmonary shunt， and then induce hypoxemia， it can cause pulmonary vasospasm and pulmonary microthrombosis， and induce the formation of pulmonary hypertension. Hypoxia induced HIF-1α expression in lung tissue and the expression of VEGF in serum change accordingly， which may be one of the causes of ALI. The research status about HIF-1α， VEGF and ALI induced by hypoxia is summarized as follows.

[Key words] Hypoxia Acute lung injury HIF-1α VEGF

First-author’s address： Qinghai University， Xining 810000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.35.041

肺作為對外氣體交換的門戶，是呼吸系統(tǒng)的重要器官，保障人體的正常氧氣供應(yīng)和生命運行。在低氧環(huán)境下，肺組織容易產(chǎn)生一系列不良反應(yīng)，導(dǎo)致急性肺損傷（acute lung injury，ALI），肺組織低氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia inducible factor 1α，HIF-1α）與血清血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）也會隨之發(fā)生變化，它們與ALI有著不可分割的聯(lián)系。

1 低氧與ALI

ALI是一種病情危重的臨床綜合征，其主要表現(xiàn)為呼吸衰竭和頑固性低氧血癥[1]，毛細血管內(nèi)皮與肺泡上皮存在急性彌漫性損傷的病理改變，具有起病急驟、病程進程較快、人體危害性大的特點，治療不及時會進展為急性呼吸窘迫綜合征（ARDS），甚至危及人體生命健康。從細胞水平上看，ALI可出現(xiàn)炎癥細胞的聚集;從分子水平上看，ALI可出現(xiàn)大量釋放的炎癥介質(zhì)與炎癥因子，促抗壓反應(yīng)失調(diào)。感染、異物吸入、外傷、吸入有害氣體、凝血功能紊亂、低氧等因素皆可導(dǎo)致ALI發(fā)生。ALI存在炎癥和缺氧的生理病理過程，炎癥和低氧又相互影響，炎癥引起肺組織損害，影響肺的氣體交換功能，導(dǎo)致氧分壓快速下降，使機體發(fā)生低氧反應(yīng)，HIF-1α表達升高并參與ALI的發(fā)生發(fā)展過程;低氧又可誘發(fā)并加重組織炎癥反應(yīng)，促進肺臟等器官釋放炎癥細胞因子，炎癥細胞因子進入血液，使血液中表達升高，炎癥細胞聚集增多，加重肺水腫，同時肺泡毛細血管內(nèi)皮充血擴張，肺血管內(nèi)皮組織受到損害，肺泡毛細血管屏障通透性增加，肺泡液體清除能力下降，富含蛋白質(zhì)的液體進入肺間質(zhì)和肺泡內(nèi)亦會導(dǎo)致ALI的發(fā)病。當(dāng)ALI發(fā)生時會出現(xiàn)肺泡上皮和肺毛細血管內(nèi)皮通透性增加的病理生理改變[2]，進而可誘發(fā)非心源性肺水腫，肺內(nèi)分流會顯著增加，導(dǎo)致低氧血癥、肺血管痙攣及肺微小血栓，引發(fā)肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH） [3]。受低氧環(huán)境的影響，肺部組織細胞受到旁分泌的影響，引起細小血管增多;在持續(xù)低氧影響下，肺血管收縮、結(jié)構(gòu)重塑，肺動脈壓力和肺循環(huán)阻力升高，促使低氧性肺動脈高壓（hypoxic pulmonary hypertension，HPH）形成[4]。正如經(jīng)典造模中，低氧條件下可以建立PH模型[5]。

2 HIF-1α在ALI中的作用及表達

1995年，美國學(xué)者雷格·塞門扎首次發(fā)現(xiàn)HIF-1。此后，美國學(xué)者威廉·凱林在研究希佩爾-林道綜合征（VHL）時，發(fā)現(xiàn)VHL基因可以參與HIF的標(biāo)記并抑制HIF的表達。1999年英國學(xué)者彼得·拉特克利夫發(fā)現(xiàn)VHL基因與HIF-1α互相作用，在氧濃度升高時，VHL標(biāo)記HIF-1α后并使其降解，可以終結(jié)HIF-1α對低氧環(huán)境的反應(yīng)。2016年，雷格·塞門扎、威廉·凱林、彼得·拉特克利夫最新的研究成果揭示，HIF可以感知細胞所處的低氧環(huán)境，并對機體做出反應(yīng)[6]。HIF-1是一種引發(fā)缺氧耐受的DNA結(jié)合蛋白和上游調(diào)控因子，由α和β亞基組成的異二聚體，HIF-1β表達不受氧氣影響，而HIF-1α是氧氣調(diào)節(jié)蛋白，含氧量影響其穩(wěn)定性[7]，在常氧環(huán)境下迅速降解，低氧狀態(tài)下，抑制了脯氨酰羥化酶的活性，HIF-1α表達穩(wěn)定，它是人體保持氧平衡最重要的調(diào)節(jié)因素。HIF-1α是一類缺氧應(yīng)答因子[8]，在細胞水平上是氧氣適應(yīng)的中央調(diào)節(jié)器，參與低氧耐受的相同分子生物學(xué)機制。在低氧相關(guān)肺呼吸系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)等疾病進程中，HIF-1α各信號通路互相影響并產(chǎn)生作用[9]。

在低氧的環(huán)境下，肺細胞內(nèi)的HIF-1α表達穩(wěn)定，并且激活與低氧相關(guān)線粒體代謝和血管生成的有關(guān)基因，保持氧穩(wěn)態(tài)。HIF-1α可誘導(dǎo)VEGF和糖酵解相關(guān)酶的表達，增加提供血氧及能量的能力[10]，上調(diào)糖酵解酶和葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白表達，使細胞通過糖酵解來減少耗氧量，HIF-1α肺保護的直接作用是通過其對肺泡上皮細胞內(nèi)的糖代謝的調(diào)控作用產(chǎn)生的。此外，HIF-1α還可以減少細胞分裂等過程中的氧分消耗，使機體更能適應(yīng)低氧環(huán)境的變化。HIF-1α引發(fā)下游靶基因血管生成內(nèi)皮素1（ET-1）和一氧化氮合酶（iNOS）等物質(zhì)的激活[11]，增多血流從而減輕缺血損傷。細胞中的HIF-1α更多介導(dǎo)急性快速的缺氧過程，HIF-1α及其靶基因表達升高共同參與了ALI發(fā)生發(fā)展過程[12];且隨著時間的增加而逐步被降解，在多種缺血缺氧性及炎癥疾病過程中發(fā)揮作用。研究表明，在急性低氧下，小泛素相關(guān)修飾物特異性蛋白酶1（SENP1）表達增加，顯著上調(diào)HIF-1α表達，促進肺動脈平滑肌細胞（PASMC）增殖[13]。氧化應(yīng)激可能上調(diào)HIF-1α轉(zhuǎn)錄和翻譯，促進PASMC增殖，促進肺血管重塑，參與HPH形成[14]，進而加重ALI進程;在ALI早期，抑制HIF-1α的表達途徑，進而使炎癥因子、活性氧中介物的釋放減少，可能會減輕ALI導(dǎo)致的機體損害。因此，對HIF-1α表達的深入研究，有助于認識機體為適應(yīng)低氧環(huán)境發(fā)生的一系列變化。

3 VEGF在ALI中的作用及表達

1989年意大利教授納波萊奧內(nèi)·費拉拉獲取了純化蛋白的NH2-末端序列，并得出趨向血管內(nèi)皮細胞的促生長活性，首次發(fā)現(xiàn)并命名了VEGF，又率先開發(fā)治療血管生成疾病的新療法，制造第一種VEGF抗體。后來VEGF被大量研究證實是血管發(fā)育和血管生成基本的效應(yīng)分子，文獻[15]表明，VEGF是血管生成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器。VEGF是低氧條件下有效的血管通透因子，也是人體組織調(diào)控血管生長的主要因子之一。有實驗研究表明，低氧使大鼠肺組織VEGF表達升高，且在大鼠肺臟組織VEGF表達量最高[16]。

缺氧誘導(dǎo)ALI的發(fā)病機制與毛細血管通透性密切相關(guān)，首先，低氧可誘導(dǎo)VEGF表達增加，肺上皮細胞結(jié)構(gòu)中高濃度VEGF能夠抵達肺泡毛細血管內(nèi)皮，并與內(nèi)皮細胞VEGF受體相互結(jié)合，導(dǎo)致基底膜配合基破壞，增加毛細血管通透性。有研究發(fā)現(xiàn)，高原肺水腫患者血漿VEGF表達水平顯著升高，VEGF升高肺血管通透性，毛細血管血漿滲漏，可能誘導(dǎo)肺水腫的發(fā)生[17-18]，缺氧誘發(fā)VEGF轉(zhuǎn)錄并增強VEGF mRNA的穩(wěn)定性，間接提高VEGF活性，防止其降解，最后導(dǎo)致不可逆性肺血管重塑[19]。其次VEGF是促進血管新生的主要生長因子之一[20]，其表達影響血管的生成[21]，與其相結(jié)合的特異性受體胎肝激酶-1（fetal liver kinase-1，flk-1）可以促進內(nèi)皮細胞的擴張、增殖與遷移;特別是急性低氧環(huán)境下，VEGF表達升高，促進肺組織微血管內(nèi)皮細胞分裂，新生血管形成，伴隨病情進展，肺血管內(nèi)膜增厚，使肺血管發(fā)生狹窄、閉塞等肺血管重構(gòu)的病理改變，可誘導(dǎo)HPH形成[22]。有動物實驗表明，缺氧早期HPH大鼠的肺組織血管內(nèi)皮生長因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGF-A）的表達過高，促使生存素（survivin，SVV）增多，減緩肺血管重塑過程，減輕肺動脈壓力，對肺組織起到一定的保護作用[23]。VEGF表達升高，促進了側(cè)支循環(huán)的建立和血管內(nèi)皮的生成，能夠減輕肺水腫帶來ALI的損害，從而使肺組織最大限度地耐受低氧環(huán)境。因此，VEGF可能作為一個啟動因子，對ALI早期的形成具有重大作用。研究表明，在急性低氧早期VEGF表達顯著升高，隨低氧時間延長，機體適應(yīng)低氧環(huán)境時VEGF表達相對下降[24]。VEGF表達升高，新血管生成逐漸增多，后期有利于減輕ALI帶來的不利影響，提高機體對高原缺氧的適應(yīng)能力。

4 HIF-1α與VEGF的相關(guān)性及表達

HIF-1α與VEGF關(guān)系密切，低氧條件下，HIF-1α表達上調(diào)，可激動靶基因VEGF的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，使下游的VEGF表達上調(diào)[25]，血管通透性升高，出現(xiàn)組織水腫及血管滲出物等現(xiàn)象，易引起炎癥[26]，加重肺損傷。此外，HIF-1α可通過上調(diào)VEGF表達促進內(nèi)皮細胞增殖和遷移，對缺氧細胞的存活起著重要作用[27]。

低氧狀態(tài)時，HIF-1α蛋白降解受到抑制，HIF-1α與VEGF的低氧應(yīng)答元件缺氧反應(yīng)元件（hypoxia response element，HRE）結(jié)合，使VEGF表達升高，當(dāng)缺氧進一步加重，HIF-1α亞基與P53基因結(jié)合，提高了P53基因穩(wěn)定性[22]，進而促進泛素蛋白水解酶系統(tǒng)對HIF-1α的降解，導(dǎo)致HIF-1α表達下降。低表達HIF-1α下調(diào)下游靶基因ET-1、iNOS的表達，降低肺動脈壓，緩解肺血管重塑，進而降低ALI的危害[28];此外，低表達HIF-1α減少了與HRE結(jié)合，使VEGF表達下降[22]。缺氧初期，低氧誘導(dǎo)肺組織HIF-1α表達增多，隨時間延長，由于缺氧耐受等原因，肺組織HIF-1α降解表達下降;隨HIF-1α表達變化，下游VEGF表達也協(xié)同變化，先升高后下降，考慮為缺氧導(dǎo)致HIF-1α表達變化并引起VEGF的轉(zhuǎn)錄。所以，對HIF-1α與VEGF的進行相關(guān)性探究，有助于從蛋白基因水平上認識機體為耐受低氧環(huán)境產(chǎn)生的變化。

5 展望

ALI與低氧關(guān)系密切，當(dāng)前西醫(yī)治療ALI中，針對原發(fā)病進行呼吸支持和藥物治療，多采用氧氣療法、口服糖皮質(zhì)激素、吸入一氧化氮、液體管理等綜合治療，治療過程中長久性機械通氣不可避免地造成一定程度的肺損傷，死亡率高達29%～42%[29]。深入探討低氧誘導(dǎo)下ALI與HIF-1α、VEGF表達的相關(guān)性，為臨床防治ALI的靶向治療提供依據(jù)，此外，有關(guān)HIF-1α、VEGF表達隨時間變化的趨勢仍有待進一步研究。

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（收稿日期：2021-09-22） （本文編輯：占匯娟）

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