低氧誘導(dǎo)因子-1在心血管疾病中的研究進(jìn)展

王倩倩 宋雙 程艷麗濱州醫(yī)學(xué)院，山東 56600；濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，山東 56600

《中國(guó)心血管病報(bào)告2018》概要顯示，當(dāng)前我國(guó)的心血管病患病率處于持續(xù)上升趨勢(shì)，并且其病死率也明顯高于其他系統(tǒng)性疾病，特別是近些年來心血管病病死率在農(nóng)村的占比顯著高于城市，心血管疾病已然成為威脅人類健康的重要?dú)⑹郑?］。低氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxiainducible factor-1，HIF-1）在心血管疾病發(fā)病中的作用越來越受到學(xué)者們的重視，已成為生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。HIF-1是一種負(fù)責(zé)調(diào)控缺氧反應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。既往研究顯示，心肌細(xì)胞供氧減少可影響心臟的新陳代謝、形態(tài)以及生理功能，而HIF-1調(diào)節(jié)的低氧適應(yīng)在心血管病的發(fā)病中發(fā)揮不可忽視的作用。因此，深入探索其作用機(jī)制可能為心血管疾病的預(yù)防和治療打開一扇新的大門。本文重點(diǎn)就HIF-1在動(dòng)脈粥樣硬化、心肌缺血/再灌注損傷以及心力衰竭等疾病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 HIF-1的調(diào)節(jié)機(jī)制及功能

HIF-1是由受氧調(diào)控的HIF-1α亞基以及發(fā)揮組成表達(dá)作用的HIF-1β亞基構(gòu)成的異二聚體，是堿性螺旋-環(huán)-螺旋蛋白家族的PER-ARNT-SIM亞家族成員［2］。正常氧濃度時(shí)，HIF-1α亞基中特定的脯氨酰殘基可以被脯氨酸羥化酶（PHD）快速羥基化，隨后由von Hippel-Lindau（VHL）E3泛素連接酶識(shí)別并泛素化，最后由26S蛋白酶體降解，從而可以使HIF-1α在細(xì)胞內(nèi)維持低濃度［3］。而缺氧時(shí)，PHD無法對(duì)HIF-1α亞基中特定脯氨酰殘基進(jìn)行羥基化，所以HIF-1α可保持穩(wěn)定不被蛋白酶體降解，并從胞質(zhì)轉(zhuǎn)位至胞核，與HIF-1β發(fā)生二聚形成HIF-1異二聚體轉(zhuǎn)錄因子，隨后HIF-1可以與靶基因的缺氧反應(yīng)元件結(jié)合，激活下游基因轉(zhuǎn)錄［4］。此外，研究表明HIF-1的抑制因子、Ca2+也可在氧濃度正常時(shí)對(duì)HIF-1α的降解起調(diào)節(jié)作用［5］。低氧時(shí)HIF-1在細(xì)胞內(nèi)過量累積可調(diào)節(jié)血管生成、能量代謝、細(xì)胞凋亡、自噬、增殖等多種目標(biāo)基因的表達(dá)，使細(xì)胞能夠適應(yīng)低氧環(huán)境，在動(dòng)脈粥樣硬化、心肌缺血/再灌注損傷以及心力衰竭等眾多心血管病的發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用。

2 HIF-1與心血管疾病

2.1 HIF-1與動(dòng)脈粥樣硬化 動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展的病理過程即為動(dòng)脈血管壁的慢性炎癥損傷性過程，其繼發(fā)于受損的動(dòng)脈內(nèi)膜，隨后出現(xiàn)脂質(zhì)積聚、纖維組織增生以及鈣質(zhì)沉著。其發(fā)病機(jī)制可主要涉及以下幾個(gè)方面，如血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙、脂質(zhì)沉積、單核-巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)、平滑肌細(xì)胞遷移與增殖等。其發(fā)展過程即反應(yīng)動(dòng)脈內(nèi)膜的缺氧性變化，隨著斑塊的逐漸演變，動(dòng)脈壁厚度逐漸增加，動(dòng)脈內(nèi)膜氧供逐漸減少［6］。

HIF-1及其蛋白家族通過調(diào)節(jié)氧依賴性信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，感知心臟供氧減少，并引發(fā)下游信號(hào)分子的一系列效應(yīng)。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，低氧時(shí)HIF-1過表達(dá)會(huì)促進(jìn)粥樣斑塊發(fā)展，特別是在內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞以及巨噬細(xì)胞、泡沫細(xì)胞等細(xì)胞中產(chǎn)生的細(xì)胞特異性反應(yīng)，更會(huì)加重動(dòng)脈粥樣硬化的相關(guān)性損傷［7］。Aarup等［6］研究證實(shí)低氧誘導(dǎo)的HIF-1在低密度脂蛋白受體基因敲除（Ldlr-/-）小鼠動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中廣泛表達(dá)，并且其表達(dá)通過調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞向M1或M2方向極化、遷移和凋亡，進(jìn)而影響巨噬細(xì)胞固有的炎癥特性，促進(jìn)小鼠發(fā)生病變。此外，Liu等［8］也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)組織特異性抑制血管平滑肌細(xì)胞中HIF-1α表達(dá)時(shí)，可顯著抑制載脂蛋白E基因敲除（ApoE-/-）小鼠的斑塊形成。Akhtar等［9］通過使用他莫昔芬注射液誘導(dǎo)ApoE-/-小鼠內(nèi)皮細(xì)胞HIF-1α基因表達(dá)缺失，并分組使用高脂飲食和正常飲食喂養(yǎng)小鼠12周，發(fā)現(xiàn)高脂血癥可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞HIF-1α活化，促使轉(zhuǎn)錄因子（NF-κB）激活，NF-κB通過建立正反饋可以上調(diào)HIF-1α表達(dá)，從而促使單核細(xì)胞聚集，加速動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展。陸衛(wèi)華等［10］也表示，脂肪組織缺氧時(shí)可導(dǎo)致HIF-1表達(dá)上調(diào)，而HIF-1作為低氧調(diào)節(jié)的重要標(biāo)志物，可以和其他炎癥因子及某些細(xì)胞因子作用，從而促使動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展。

動(dòng)脈粥樣硬化時(shí)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷以及血供減少造成的低氧均會(huì)誘導(dǎo)HIF-1激活，HIF-1可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）表達(dá)，并可上調(diào)基質(zhì)細(xì)胞衍生因子，從而可以促使形成新生的血管［9］，并且還研究表明，HIF-1α可以發(fā)揮抗血小板聚集的作用以及調(diào)控血管的舒縮等共同調(diào)節(jié)血管新生。新生血管形成即可意味側(cè)支循環(huán)的建立，便可為因冠狀動(dòng)脈粥樣硬化引起的缺血心肌恢復(fù)血供，進(jìn)而改變心肌代謝，提高心肌對(duì)缺血缺氧的耐受力，因此，HIF-1的研究可能為缺血性心臟病的臨床診療提供新的思路。但也有研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)脈粥樣硬化中HIF-1誘導(dǎo)形成的血管可加劇斑塊內(nèi)部的炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，甚至可以使得斑塊和血流動(dòng)力學(xué)的不穩(wěn)定性增加，是使穩(wěn)定斑塊向不穩(wěn)定斑塊發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此HIF-1α調(diào)控過遲時(shí)可能會(huì)觸發(fā)不穩(wěn)定斑塊的破裂，導(dǎo)致致命后果［7］。

然而，鑒于HIF-1在粥樣斑塊涉及的各種細(xì)胞中的效應(yīng)具有特異性或依賴性，所以尚無法嚴(yán)格描述HIF-1表達(dá)具有促進(jìn)或抑制動(dòng)脈粥樣硬化作用。例如，有研究證實(shí)HIF-1在Cd11c+抗原提呈細(xì)胞中過表達(dá)時(shí)對(duì)小鼠具有抗動(dòng)脈粥樣硬化作用［11］。研究還發(fā)現(xiàn)，口服HIF-脯氨酰4-羥化酶拮抗劑可增加HIF-1和HIF-2的表達(dá)，進(jìn)而抑制Ldlr-/-小鼠動(dòng)脈粥樣硬化［12］。

2.2 HIF-1與心肌缺血/再灌注損傷 目前心血管疾病是影響人類健康的關(guān)鍵疾病之一，而心肌梗死更是獨(dú)占鰲頭。盡管介入治療及溶栓等技術(shù)的發(fā)展顯著降低了心梗病死率，但再灌注所導(dǎo)致的心肌細(xì)胞凋亡以及梗死面積的擴(kuò)大等額外損傷也不容小覷。1960年Jennings等人提出了心肌缺血/再灌注損傷假說，指由于冠脈閉塞導(dǎo)致心肌缺血，當(dāng)恢復(fù)血液灌流后由于Ca2+超載、細(xì)胞凋亡、免疫炎性反應(yīng)、氧自由基生成等機(jī)制，導(dǎo)致心肌損傷進(jìn)一步加重甚至產(chǎn)生不可逆性改變。研究表明，當(dāng)心肌發(fā)生缺血/再灌注損傷時(shí)，HIF-1高表達(dá)是心肌在分子水平上最早的適應(yīng)性反應(yīng)之一，可介導(dǎo)多種渠道來對(duì)心臟產(chǎn)生保護(hù)作用［13］。

Murry等［14］在1986年報(bào)道，當(dāng)對(duì)狗的在體心臟實(shí)行多次的冠狀動(dòng)脈結(jié)扎時(shí)，并且每次結(jié)扎后間隔5 min給予再灌注，最后再灌注組的心肌梗死面積明顯較非再灌注組降低75%。后來人們提出缺血預(yù)處理這一概念，指在心肌長(zhǎng)時(shí)間缺血前反復(fù)多次予以短暫的缺血/再灌注處理，進(jìn)而提高心肌對(duì)缺血的耐受能力。腺苷學(xué)說是缺血預(yù)處理的可能機(jī)制之一，Semenza［15］發(fā)現(xiàn)缺血預(yù)處理能誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞的HIF-1依賴性CD39和CD73表達(dá)，導(dǎo)致腺苷水平升高，進(jìn)而發(fā)揮心臟保護(hù)作用；并且在預(yù)處理前注射吖啶（HIF-1α和HIF-1β二聚化抑制劑）時(shí)，則預(yù)處理的心臟保護(hù)作用可被阻斷，從而表明HIF-1是缺血預(yù)處理過程中的必需介質(zhì)。

此外，HIF-1可以調(diào)節(jié)糖酵解代謝和氧化代謝之間的平衡以發(fā)揮對(duì)缺血心臟的保護(hù)作用。HIF-1可以協(xié)同激活編碼葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1和糖酵解途徑相關(guān)酶基因的轉(zhuǎn)錄，從而增加糖酵解通量，允許心肌細(xì)胞在缺氧條件下維持腺苷三磷酸（ATP）水平，維持心肌正常的能量供給［16］。大量研究表明，在心肌缺血/再灌注損傷中HIF-1過表達(dá)可以通過多種途徑誘導(dǎo)腺病毒E1B 19 kDa相互作用蛋白3（BNIP3）、BNIP3L、3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1（PDK1）、PDK3、MicroRNA-210、乳酸脫氫酶A（LDHA）等激活，抑制線粒體氧化代謝，誘導(dǎo)線粒體自噬，減少再灌注時(shí)活性氧的產(chǎn)生，進(jìn)而明顯減弱氧化應(yīng)激，對(duì)缺血心肌發(fā)揮保護(hù)作用［15］。HIF-1還可上調(diào)VEGF表達(dá)，介導(dǎo)缺氧時(shí)的血管生成反應(yīng)，改善病變部位缺血缺氧［17］。

再灌注過程中，由于Ca2+超載、氧自由基大量生成等均會(huì)促進(jìn)線粒體膜通透性轉(zhuǎn)化孔（MPTP）的開放，致使細(xì)胞代謝紊亂，最終引起細(xì)胞壞死和凋亡等不可逆性改變。多項(xiàng)研究證明，缺血/再灌注時(shí)期心肌細(xì)胞內(nèi)HIF-1大量表達(dá)可減少Ca2+及氧自由基等代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，從而抑制MPTP的開放，恢復(fù)細(xì)胞能量代謝水平，防止心肌受損加重。

2.3 HIF-1與心力衰竭 心力衰竭是多種心血管疾病的終末期臨床階段和主要死因，當(dāng)前全球的心衰患病率居高不下，已成為本世紀(jì)心血管領(lǐng)域挑戰(zhàn)之一。心衰時(shí)組織器官血液灌注不足可導(dǎo)致多種器官缺血缺氧，諸多基礎(chǔ)試驗(yàn)以及臨床試驗(yàn)均驗(yàn)證出HIF-1過表達(dá)與心衰進(jìn)展有密切關(guān)系。心室重塑是心衰發(fā)生發(fā)展的基本病理機(jī)制。研究人員通過構(gòu)建小鼠的主動(dòng)脈縮窄模型以增加左心室壓力負(fù)荷，探索心衰的病理生理機(jī)制。組織學(xué)分析顯示，在心肌代償性肥大期間，心肌毛細(xì)血管密度增加，但當(dāng)心肌發(fā)生失代償時(shí)，毛細(xì)血管密度降低，導(dǎo)致心臟缺氧，提示心肌毛細(xì)血管生成在心功能代償時(shí)發(fā)揮重要作用［18］。

如前所述，缺氧可誘發(fā)HIF-1過表達(dá)，進(jìn)而激活VEGF、C-X-C基序趨化因子配體1（CXCL1）等表達(dá)促使新生血管的形成。研究發(fā)現(xiàn)，心衰時(shí)心臟代償期間HIF-1表達(dá)顯著上調(diào)，而失代償期明顯減少；而在HIF-1缺失的小鼠中，即使在代償期，心肌收縮功能也明顯受到抑制，從而表明HIF-1是心臟維持正常功能的重要介質(zhì)，有效介導(dǎo)心肌細(xì)胞對(duì)缺氧的代償性適應(yīng)反應(yīng)［19］。Wang等［11］研究發(fā)現(xiàn)，芪藶強(qiáng)心也是以HIF-1依賴性的方式促進(jìn)心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖，并且可上調(diào)HIF-1α和一系列糖酵解相關(guān)酶改善葡萄糖利用和代謝。可見，心衰時(shí)HIF-1過表達(dá)對(duì)心肌細(xì)胞內(nèi)的代謝調(diào)節(jié)也可發(fā)揮明顯的有益作用。有研究表明地高辛（HIF-1抑制劑）治療主動(dòng)脈縮窄（TAC）誘導(dǎo)的野生型小鼠時(shí)，會(huì)引起心臟快速失代償，表明該藥物具有抗治療作用。或許這也可以解釋盡管地高辛可作為強(qiáng)心劑治療心衰患者，但應(yīng)用后患者生存率并未相應(yīng)增加。Li等［20］通過臨床試驗(yàn)觀察，血清HIF-1水平可有效反應(yīng)急性失代償性心衰患者病情的嚴(yán)重狀態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)，與射血分?jǐn)?shù)保留型心衰和病情好轉(zhuǎn)患者相比，射血分?jǐn)?shù)降低型心衰和死亡患者的HIF-1顯著升高，由此可見，HIF-1在預(yù)測(cè)心衰患者病死率方面價(jià)值頗高。值得注意的是，HIF-1過表達(dá)可能會(huì)損害心肌正常舒縮功能。Warbrick和Rabkin［21］發(fā)現(xiàn)肥胖和代謝綜合征與射血分?jǐn)?shù)保留型心衰發(fā)病有密切關(guān)系，肥胖患者的脂肪組織中HIF-1α表達(dá)增加，一方面可導(dǎo)致促纖維化轉(zhuǎn)錄程序的表達(dá)，包括膠原I、Ⅲ、Ⅳ、金屬蛋白酶組織抑制因子（TIMP）以及賴氨酸氧化酶，另一方面HIF-1α還可募集介導(dǎo)肥胖相關(guān)炎癥的巨噬細(xì)胞釋放炎癥因子，進(jìn)而致使心肌纖維化，損害心臟舒張功能。因此，抑制肥胖患者HIF-1α的表達(dá)可能是射血分?jǐn)?shù)保留型心衰的潛在治療策略。

3 展 望

綜上所述，HIF-1調(diào)節(jié)的低氧適應(yīng)在諸如動(dòng)脈粥樣硬化、心肌缺血/再灌注損傷、心力衰竭等多種心血管疾病中發(fā)揮了重要的作用。HIF-1作為目前生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)分子之一，進(jìn)一步深入探索其作用機(jī)制，了解其不同程度表達(dá)在疾病不同階段、不同類型的利與弊，從而做到有的放矢，為心血管疾病的治療提供更優(yōu)策略。