HIF-1α及其下游基因VEGF-A和MMP-9在血管源性腦水腫中的作用機(jī)制

王 超 綜述 豐育功 審校

腦水腫是多種神經(jīng)病變出現(xiàn)的嚴(yán)重并發(fā)癥，是導(dǎo)致病人死亡的常見原因[1]。傳統(tǒng)的腦水腫分類包括血管源性腦水腫、細(xì)胞毒性腦水腫、流體靜壓性腦積水、低滲性腦水腫、間質(zhì)性腦水腫，其中血管源性腦水腫在多種腦損傷所致的腦水腫中占重要地位。缺氧誘導(dǎo)因子1-α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）、血管內(nèi)皮生長因子-A（vascular endothelial growth factor-A，VEGF-A）、基質(zhì)金屬蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）在血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）的破壞和血管源性腦水腫的形成中起著關(guān)鍵作用。本文就HIF-1α、VEGF-A、MMP-9 在血管源性腦水腫中的作用機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 HIF-1α與血管源性腦水腫的關(guān)系

HIF 也被稱為芳烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，由兩個(gè)基本螺旋-環(huán)-螺旋家族的蛋白亞基組成：一個(gè)是氧調(diào)節(jié)的α亞基，另一個(gè)是氧獨(dú)立的β亞基[2]。HIF 的α亞基有三個(gè)亞型，在腦缺血缺氧性損傷中表達(dá)最廣泛并占功能主導(dǎo)地位的是HIF-1α。在常氧狀態(tài)下，HIF-1α亞基被脯氨酰4-羥化酶（prolyl 4-hydroxylase，PHD）和缺氧誘導(dǎo)因子抑制因子（hypoxia inducible factor inhibitor，F(xiàn)IH）羥基化，使其對(duì)希佩爾林道腫瘤抑制蛋白的結(jié)合敏感，并導(dǎo)致E3連接酶的募集，然后使HIF-1α亞基被泛素依賴性蛋白酶體降解，失去生理活性。在缺氧狀態(tài)下，PHD和FIH 活性受到抑制，使HIF-1α免于被酶解，從而保持穩(wěn)定。HIF-1α數(shù)量增加，并進(jìn)入細(xì)胞核與HIF-1β結(jié)合，形成異二聚體。這種異二聚體最終與缺氧反應(yīng)元件結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，調(diào)控轉(zhuǎn)錄多種下游基因[3]。Benita 等[4]報(bào)道HIF-1α調(diào)節(jié)缺氧時(shí)81 種基因表達(dá)，其中包括涉及血管生成、血管滲透性、糖酵解、線粒體功能和細(xì)胞存活和凋亡的多種基因。

HIF-1α具有雙峰表達(dá)模式和功能雙向性。在大鼠大腦中動(dòng)脈閉塞模型中，HIF-1α的mRNA和蛋白質(zhì)從缺血性卒中發(fā)作時(shí)開始增加，在大腦中動(dòng)脈閉塞后6 h 達(dá)到峰值，并逐漸降低直至24 h，在72 h觀察到第二個(gè)峰值，而后逐漸降低[5]。在初始峰值期，HIF-1α調(diào)節(jié)一系列下游基因，使疾病惡化。VEGF和MMP-9加重BBB破壞，增加血管通透性；纖溶酶原激活物抑制劑通過靶向t-PA延遲再灌注，從而惡化腦損傷，并增加腦血管通透性[5]。在HIF-1α活化的第二階段，與血管生成有關(guān)的基因表達(dá)顯著增多，促進(jìn)缺血半暗帶的再灌注，減輕腦水腫。Yeh等[6]發(fā)現(xiàn)在腦缺血后0.5 h 應(yīng)用HIF-1α抑制劑可減輕腦損傷，減輕腦水腫和減少凋亡細(xì)胞的數(shù)量；而在缺血后12 h 應(yīng)用，則增加神經(jīng)元損傷和腦水腫。Vangeison 等[7]對(duì)其功能雙向性解釋為細(xì)胞特異性雙重性質(zhì)：在星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)HIF-1α功能的選擇性喪失，可以提供缺氧后神經(jīng)保護(hù)功能；而神經(jīng)元HIF-1α功能的選擇性喪失，則導(dǎo)致神經(jīng)元損傷。HIF-1α的功能可能取決于特定類型細(xì)胞下游基因編碼蛋白質(zhì)功能。此外，還有研究認(rèn)為HIF-1α的雙重作用與缺氧程度有關(guān)，在輕度缺氧時(shí)，產(chǎn)生缺氧耐受性，發(fā)揮促進(jìn)血管生成、抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡、促進(jìn)紅細(xì)胞增殖等作用；重度缺氧時(shí)，則誘導(dǎo)BBB 破壞、促進(jìn)炎癥反應(yīng)、誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡，具有神經(jīng)毒性作用[8]。

2 VEGF-A與血管源性腦水腫的關(guān)系

VEGF 參與調(diào)節(jié)血管生成、神經(jīng)保護(hù)、神經(jīng)發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)VEGF-A在血管內(nèi)皮的調(diào)節(jié)中具有雙重作用，即功能雙向性[9]，在腦缺血性損傷早期，VEGF-A 通過破壞BBB 增加血管通透性，導(dǎo)致血管源性腦水腫，增加顱內(nèi)壓；在腦缺血性損傷后期，VEGF-A 可以刺激內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移，促進(jìn)新血管的形成，從而形成更有效的側(cè)支循環(huán)，挽救缺血半暗帶組織，發(fā)揮具有神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)發(fā)生作用。Zhang等[10]發(fā)現(xiàn)，在大鼠局灶性腦栓塞模型中早期缺血后（1 h），靜脈內(nèi)輸注VEGF顯著增加BBB的滲漏、出血性轉(zhuǎn)化和腦缺血性病變；而在缺血晚期（48 h）VEGF 可增強(qiáng)缺血半暗帶血管生成，顯著改善神經(jīng)功能。

腦缺血性損傷后，VEGF-A 及其主要受體胎肝激酶-1在缺血核心及半影區(qū)域內(nèi)的星形膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元和血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)顯著增加。在VEGF早期所致的BBB 破壞中，Src 途徑起至關(guān)重要的作用。當(dāng)VEGF-A 與其受體VEGFR-2 結(jié)合后，Src 激酶活化，使血管內(nèi)皮細(xì)胞間的間隙連接蛋白-43磷酸化，阻斷內(nèi)皮細(xì)胞間的間隙連接通訊；通過Src依賴性途徑改變緊密連接蛋白-1 和閉合蛋白的磷酸化來破壞內(nèi)皮細(xì)胞間的緊密連接[11]。因此，Src信號(hào)傳導(dǎo)可以提供新的治療靶標(biāo)，用于減輕由VEGF 導(dǎo)致血管通透性增高造成的腦水腫。在腦缺血后期，VEGF則可以激活VEGFR-2/PI3K/Akt 途徑促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移，誘導(dǎo)血管生成[9]。

3 MMP-9與血管源性腦水腫的關(guān)系

MMP 是鋅和鈣依賴性內(nèi)肽酶家族。在正常生理狀態(tài)下，MMP參與各種生理過程中細(xì)胞外基質(zhì)的分解，如血管生成、細(xì)胞遷移，并且與神經(jīng)系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)記憶有關(guān)。在病理狀態(tài)下，MMP-9表達(dá)增強(qiáng)與多種并發(fā)癥相關(guān)，包括BBB 的破壞、血管源性腦水腫、出血性轉(zhuǎn)化、神經(jīng)元損傷、神經(jīng)細(xì)胞凋亡等[12]。

MMP-9的細(xì)胞來源主要為中性粒細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)元[13]。缺血早期，在缺血核心腦組織，浸潤的中性粒細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞釋放MMP-9，作用于基底膜成分，降解Ⅳ型明膠原、層粘連蛋白和纖粘連蛋白，導(dǎo)致基底膜破壞；還通過降解閉合蛋白、緊密連接蛋白，破壞內(nèi)皮細(xì)胞間緊密連接，使BBB破壞，血管內(nèi)液體滲漏造成血管源性腦水腫，并增加出血性轉(zhuǎn)化的風(fēng)險(xiǎn)。在缺血后期，恢復(fù)血流后，缺血半暗帶內(nèi)的膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)元可以以低水平釋放MMP和其他蛋白酶，以重塑基底膜并恢復(fù)內(nèi)皮細(xì)胞間接觸，從而促進(jìn)血管生成以重建BBB。MMP-9在腦卒中作為治療靶標(biāo)時(shí)，因其不同時(shí)期的雙重作用決定了給藥時(shí)間窗口的不同會(huì)導(dǎo)致其預(yù)后不同。Gu 等[14]在缺血再灌注后2 h 對(duì)小鼠應(yīng)用MMP-9 特異性抑制劑發(fā)現(xiàn)層粘連蛋白降解減少，BBB破壞減輕，腦水含量減少。Zhao等[15]在大鼠中風(fēng)后7 d 用MMP 抑制劑可抑制神經(jīng)血管重塑，增加缺血性腦損傷。

4 HIF-1α與VEGF-A和MMP-9的相互作用

在多種病理損傷后，腦組織早期表達(dá)增加的HIF-1α、VEGF-A、MMP-9 共同導(dǎo)致BBB 的破壞和血管源性腦水腫。最近的研究發(fā)現(xiàn)，三者之間存在著一定的轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系。在缺氧條件下，HIF-1α可以直接調(diào)控包括VEGF-A 和MMP-9 在內(nèi)的多種下游基因。Liu等[5]在大鼠大腦中動(dòng)脈閉塞模型中應(yīng)用miR-335導(dǎo)致HIF-1α蛋白水平降低，并發(fā)現(xiàn)VEGFA、MMP-9、Angpt-2 基因的表達(dá)水平降低。由于這些基因沒有miR-335 的結(jié)合位點(diǎn)，因此這些基因的表達(dá)是通過miR-335調(diào)節(jié)HIF-1α引起的間接效應(yīng)。

在缺氧期，HIF-1α在VEGF-A 的表達(dá)中具有重要作用。HIF-1作用于VEGF-A 轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的5'端第985～939堿基對(duì)的堿基序列。HIF-1α具有雙峰表達(dá)模式和雙重作用。Zan 等[16]發(fā)現(xiàn)VEGF-A 也具有雙峰表達(dá)模式：在缺血再灌注后6 h，VEGF-A 達(dá)到第一個(gè)峰值，在12 h恢復(fù)正常，然后在第7天達(dá)到第二個(gè)峰值，并在兩周內(nèi)恢復(fù)正常水平；并且VEGF的雙重作用與HIF-1α的細(xì)胞特異性雙重性質(zhì)相一致。除了HIF-1α對(duì)VEGF-A 的直接調(diào)控外，HIF-1α調(diào)控的下游基因?qū)EGF-A 也有間接調(diào)節(jié)作用。促紅細(xì)胞生成素作為HIF-1α的下游基因，其表達(dá)上調(diào)可以增加腦VEGF 表達(dá)和VEGFR-2的磷酸化，不過其作用主要在腦損傷后期，可以誘導(dǎo)與神經(jīng)保護(hù)相關(guān)的途徑，包括血管生成、細(xì)胞增殖和神經(jīng)發(fā)生。

MMP-9 為HIF-1α下游基因。在腦缺血缺氧性損傷后，受到HIF-1α的調(diào)控，并具有雙峰表達(dá)模式。Higashida 等[17]發(fā)現(xiàn)，在腦損傷模型中，應(yīng)用HIF-1α抑制劑后，MMP-9 表達(dá)顯著下降，并且層粘連蛋白、閉合蛋白、緊密連接蛋白-1 水平顯著升高。但HIF-1α對(duì)MMP-9的直接調(diào)控作用仍需要進(jìn)一步研究。有研究報(bào)道稱多種炎性細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素-20、白細(xì)胞介素-1β受HIF-1調(diào)節(jié)，而白細(xì)胞介素-1β和腫瘤壞死因子-α參與MMP-9的調(diào)控，因此，HIF-1α可能通過其介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)間接調(diào)控MMP-9的表達(dá)。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)，缺氧時(shí)，Müller 細(xì)胞分泌的VEGF 增加內(nèi)皮細(xì)胞MMP 的活性，早期VEGF 抑制通過調(diào)節(jié)MMP 的表達(dá)減弱缺血性大鼠BBB 的破壞[18]。VEGF/MMP途徑在孕激素對(duì)延遲t-PA治療誘導(dǎo)的出血性轉(zhuǎn)化的保護(hù)作用中起重要作用[19]。因此，HIF-1α與VEGF-A 和MMP-9 的相互作用在BBB 損傷以及血管源性腦水腫的形成中起著重要的作用。

綜上所述，HIF-1α、VEGF-A、MMP-9在血管源性腦水腫中具有雙峰表達(dá)模式及功能雙向性，在腦損傷早期促進(jìn)BBB 破壞和血管源性腦水腫的形成，在腦損傷后期則有利于血管生成、神經(jīng)保護(hù)。它們在腦損傷后的雙重作用導(dǎo)致了不同時(shí)間窗給藥將導(dǎo)致不同的預(yù)后，因此，詳細(xì)了解其雙峰表達(dá)模式下的作用機(jī)制、相互關(guān)系及其細(xì)胞特異性，有助于針對(duì)其原理開發(fā)新的治療靶標(biāo)、確定合適的給藥時(shí)間窗以及給藥途徑，減輕腦損傷后腦水腫，改善病人預(yù)后。