缺氧和HIF-1影響氣道重塑的研究進展

文穎 郭永艷 霍如婕 田新瑞

作者單位：030001 山西 太原，山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科

哺乳動物細(xì)胞利用氧氣進行有氧代謝和產(chǎn)生能量，因此它們需要依靠充足的氧氣供應(yīng)才能進行正常的生命活動[1-2]。但許多疾病包括癌癥、心血管疾病、慢性呼吸道疾病能導(dǎo)致機體氧供不足，進而引起缺氧[2-3]。許多研究發(fā)現(xiàn)哺乳動物細(xì)胞內(nèi)存在檢測缺氧的直接氧傳感系統(tǒng)，能通過增加HIF-1水平來調(diào)節(jié)一系列相關(guān)的復(fù)雜信號通路表達，以應(yīng)對細(xì)胞的缺氧狀態(tài)。

慢性呼吸道疾病的發(fā)病率和死亡率均高，其重要特征是氣道重塑，會導(dǎo)致肺功能進行性下降[4]。氣道重塑目前仍是呼吸道疾病治療中最棘手的問題之一，也將可能是未來治療的目標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)在眾多導(dǎo)致氣道重塑的疾病中普遍存在缺氧和HIF-1升高，缺氧是促進氣道重塑的一個強烈刺激因素。腫瘤的缺氧微環(huán)境和高水平的HIF-1是促進腫瘤生長和轉(zhuǎn)移的重要因素，既往對HIF-1的研究主要集中在癌癥上，而缺氧和HIF-1與慢性呼吸道疾病的相關(guān)性是目前研究熱點之一。

一、缺氧和HIF-1

缺氧表明機體或細(xì)胞的氧供不足。HIF-1是機體細(xì)胞內(nèi)的缺氧應(yīng)答調(diào)控因子，能調(diào)控缺氧通路的特定基因表達，引起機體應(yīng)對缺氧的一系列適應(yīng)性反應(yīng)。HIF-1α是HIF-1的一個主要活性亞基，缺氧通過調(diào)控氧濃度依賴的脯氨酸4-羥基酶(prolyl 4-hydroxylases，PHDs)和缺氧誘導(dǎo)因子抑制因子(factorinhibitingHIF，F(xiàn)IH)直接調(diào)節(jié)HIF-1α的穩(wěn)定和活化[2]。這條氧依賴途徑是HIF-1α的主要調(diào)節(jié)機制，但HIF-1α的形成和活化機制至今尚未完全闡明。

1.HIF-1的結(jié)構(gòu)：HIF-1是一種由α亞基(HIF-1α，HIF-2α和HIF-3α)和β亞基(HIF-1β)組成的異二聚體，能結(jié)合HIF-1靶基因啟動子上的特定DNA序列，這種特定序列叫缺氧反應(yīng)元件(hypoxia response elements，HRE)[1]，然后啟動相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達。大量研究表明氧濃度與HIF-1表達密切相關(guān)，它通過α亞基調(diào)控HIF-1的活性和穩(wěn)定性，這歸因于HIF-1的α亞基上存在氧依賴降解結(jié)構(gòu)域(oxygen-dependent degradation domain，ODDD)，該結(jié)構(gòu)域有氧依賴的不穩(wěn)定性[2]，導(dǎo)致HIF-1α在氧氣充足時會不穩(wěn)定并被泛素化降解，使HIF-1水平明顯降低。缺氧能增加HIF-1表達，誘導(dǎo)>100個基因的轉(zhuǎn)錄，其中許多基因與哮喘的炎癥和重塑有潛在關(guān)系[5]。

2.HIF-1的調(diào)控：常氧狀態(tài)下，PHDs利用氧氣羥基化HIF-1α的ODDD區(qū)域內(nèi)的脯氨酸殘基，羥化后的HIF-1α能被泛素-蛋白酶解系統(tǒng)識別并降解[1]。缺氧時HIF-1α不能被PHDs羥基化，未羥化的HIF-1α不能被降解，HIF-1α積聚并易位入核，與HIF-1β形成異二聚體并結(jié)合靶基因的HRE，調(diào)控相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄[6-7]。另一種調(diào)控方式是在常氧狀態(tài)下，F(xiàn)IH通過羥基化HIF-1α的天冬酰胺殘基抑制HIF-1轉(zhuǎn)錄，而缺氧時FIH不活躍，對HIF-1轉(zhuǎn)錄的抑制作用減弱，激活并增加HIF-1的轉(zhuǎn)錄[1]。

二、氣道重塑

1.上皮：氣道上皮參與損傷后的反應(yīng)和修復(fù)，驅(qū)動氣道重塑[8]。相鄰上皮細(xì)胞通過緊密連接和黏附連接形成物理屏障。慢性損傷導(dǎo)致氣道上皮屏障破壞和上皮細(xì)胞狀態(tài)改變，誘導(dǎo)上皮一間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)、成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化及黏膜通透性的增加，促進重塑[8-9]。缺氧會損傷氣道上皮，可能誘導(dǎo)上皮的EMT促進氣道重塑。

2.基底膜：細(xì)胞外基質(zhì)蛋白包括膠原蛋白、蛋白多糖和纖維連接蛋白等的沉積導(dǎo)致網(wǎng)狀基底膜增厚，標(biāo)志著氣道重塑的發(fā)生。細(xì)胞外基質(zhì)成分的主要來源是成纖維細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞，上皮細(xì)胞損傷可刺激成纖維細(xì)胞分化為肌成纖維細(xì)胞產(chǎn)生更多細(xì)胞外基質(zhì)，導(dǎo)致網(wǎng)狀基底膜增厚，增加哮喘氣道壁厚度[8]。

3.上皮下層：肌成纖維細(xì)胞表達α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)和產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)參與氣道重塑[6]。缺氧誘導(dǎo)氣道成纖維細(xì)胞分化為肌成纖維細(xì)胞，參與COPD的重塑[6]。在重塑過程中，成纖維細(xì)胞-肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化增強和細(xì)胞外基質(zhì)積聚可導(dǎo)致上皮下纖維化[10]，上皮下纖維化影響上皮層的氧氣和營養(yǎng)供應(yīng)。

4.平滑?。赫５臍獾榔交〖?xì)胞在刺激下出現(xiàn)肥大、遷移和增生，是導(dǎo)致氣道重塑的關(guān)鍵[11]。缺氧能使支氣管周平滑肌肥大[5]。氣道平滑肌肥大、增生與氣道厚度的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，與肺功能負(fù)相關(guān)[12]，它能產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)和纖維化相關(guān)因子促進氣道重塑。

5.血管生成：正常氣道壁內(nèi)存在微血管網(wǎng)為氣道提供氧氣和營養(yǎng)，但缺氧會促進氣道重塑隨之加劇機體細(xì)胞缺氧，血管生成能為細(xì)胞提供更多氧氣。新生血管起源于上皮下黏膜的內(nèi)皮細(xì)胞，導(dǎo)致氣道壁血管數(shù)量和面積增加、血管擴張及滲漏，從而增加壁的厚度[8]。

三、缺氧及HIF-1對氣道重塑的影響

如前所述，HIF-1α是細(xì)胞的直接氧感受器，是細(xì)胞應(yīng)對缺氧必需的轉(zhuǎn)錄因子。實體腫瘤生長普遍存在細(xì)胞缺氧，目前已有大量研究證明HIF-1α在促進腫瘤生長和轉(zhuǎn)移方面起重要作用。慢性呼吸道疾病也會導(dǎo)致細(xì)胞普遍出現(xiàn)缺氧，從而上調(diào)HIF-1表達，但至今尚未清楚地闡明HIF-1促進氣道重塑的具體作用機制。研究發(fā)現(xiàn)缺氧明顯增加哮喘鼠肺內(nèi)[5, 13]和COPD患者體內(nèi)[14]的HIF-1α表達。積聚的HIF-1α易位入核，啟動相關(guān)靶基因轉(zhuǎn)錄，可能通過血管生成、細(xì)胞凋亡和上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化等途徑[15]促進慢性呼吸道疾病的氣道重塑。

有許多研究表明缺氧和HIF-1與氣道重塑密切相關(guān)，缺氧通過增加HIF-1促進氣道重塑。在卵清蛋白誘導(dǎo)的哮喘小鼠內(nèi)，缺氧能增加氣道的嗜酸性粒細(xì)胞和中性粒細(xì)胞炎癥、粘液產(chǎn)生、支氣管周平滑肌和纖維化以及促重塑型細(xì)胞因子TGF-β1水平[5]，這些改變都是氣道重塑的重要病理過程。在COPD患者血清中發(fā)現(xiàn)，HIF-1α蛋白升高水平與COPD患者病情嚴(yán)重程度正相關(guān)，與FEV1/FVC負(fù)相關(guān)[16]。上述研究提示HIF-1α促進氣道重塑。HIF-1α可在基因、蛋白表達、組織等各方面誘導(dǎo)氣道重塑。在基因方面，HIF-1α還可結(jié)合α-SMA基因上的HRE 誘導(dǎo)氣道成纖維細(xì)胞分化為肌成纖維細(xì)胞，參與COPD的重塑[6]。在蛋白表達及組織方面，HIF-1可能通過促進哮喘大鼠血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表達和氣道平滑肌細(xì)胞增殖[13]、增加OSA模型的細(xì)胞外基質(zhì)重塑[7]刺激氣道重塑；HIF-1α還可導(dǎo)致黏蛋白Muc5ac過度表達，Muc5ac是杯狀細(xì)胞的主要呼吸黏液蛋白，從而引起粘液高分泌和氣道阻塞[17]，加重缺氧和重塑。

總之，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)低氧與氣道重塑密切相關(guān)，但潛在機制不清。

經(jīng)過計算l3的初始長度為552 mm，運動行程為380 mm滿足設(shè)計和實際使用要求；l4的初始長度為284 mm，運動行程為68 mm滿足設(shè)計和實際使用要求.而且，進過粗略計算l3的平均速度V3=0.253 m/s，l4的平均速度V4=0.045 3 m/s.由于以上的數(shù)據(jù)是更具正常人的坐起速度來得到的速度，對于整個產(chǎn)品設(shè)計來說，目標(biāo)用戶是老年人，所以將整個過程從1.5 s延長為7.5 s，降低其速度，所以最后得到l3的平均速度V3=0.050 6 m/s，l4的平均速度V4=0.009 04 m/s.

四、HIF-1在氣道重塑中可能的作用機制

1.炎癥細(xì)胞：氣道重塑一直被認(rèn)為是慢性炎癥的結(jié)果，但一些研究發(fā)現(xiàn)炎癥和重塑似乎平行存在。缺氧通路與炎癥過程聯(lián)系復(fù)雜，缺氧可激活炎癥通路誘導(dǎo)炎癥和氣道重塑，炎癥微環(huán)境也可增加HIF-1加劇缺氧[18]，具體機制尚待探索。

在慢性呼吸道疾病中，炎癥細(xì)胞和炎性因子是誘導(dǎo)氣道重塑的重要因素。缺氧時，HIF-1α能促進炎癥，增加炎癥因子產(chǎn)生，如：白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1、IL-9、IL-13、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)，促進粘液過多分泌，誘導(dǎo)COPD的氣道重塑[14]。增加的HIF-1α還有助于釋放IL-1β、IL-8、單核細(xì)胞趨化蛋白-1等炎性因子[19]。缺氧時TNF-α上調(diào)其他促炎性細(xì)胞因子和內(nèi)皮粘附因子，繼而增強白細(xì)胞向炎癥部位的募集，使炎癥持續(xù)存在[19]。持續(xù)存在的炎癥促進氣道重塑的發(fā)生發(fā)展。敲除HIF-1α或抑制磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/蛋白質(zhì)絲氨酸蘇氨酸激酶(protein serine-threonine kinase，Akt)/HIF-1α可減少缺氧誘導(dǎo)的炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生[19]，可能阻止COPD的發(fā)展。炎癥細(xì)胞產(chǎn)生的炎癥因子如IL-1β、TNF-α、活性氧(reactive oxygen species，ROS)、MMPs、中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶和髓過氧化物酶，都與氣道重塑有關(guān)[20]。許多促炎因子能通過激活STAT3途徑，上調(diào)促血管生成介質(zhì)誘導(dǎo)血管生成[21]，參與氣道重塑。

反過來，炎癥細(xì)胞和因子也能刺激HIF-1表達。中性粒細(xì)胞表達HIF-1維持中性粒細(xì)胞存活，巨噬細(xì)胞也表達HIF-1，不同的HIF-1亞型能誘導(dǎo)不同的巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)[18]。炎性因子如IL-6、TNF-α和干擾素(interferon，IFN)-γ等，主要通過核因子-κB(nuclear factorkappa-light-chain-enhancer of activated B cells，NF-κB)激活HIF-1α轉(zhuǎn)錄[22]。IL-1β激活NF-κB信號誘導(dǎo)HIF-1α表達后，HIF-1α能結(jié)合Muc5ac基因的啟動子，促進粘液產(chǎn)生[17]，參與氣道重塑。

綜上，HIF-1與炎癥相互作用，通過多種途徑促進氣道重塑，具體機制有待研究。

2.TGF-β1：轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor，TGF)-β1既是最強的促纖維化因子，又是HIF-1的靶基因，主要由上皮細(xì)胞、肌成纖維細(xì)胞和炎性細(xì)胞產(chǎn)生。在慢性呼吸道疾病的缺氧微環(huán)境中，它是促進氣道重塑的一種重要調(diào)控因子。HIF-1可通過多種途徑調(diào)控TGF-β1的表達，TGF-β1通過Smad、非Smad和Wnt/β-catenin等途徑促進氣道內(nèi)的膠原合成、平滑肌細(xì)胞增生、細(xì)胞外基質(zhì)沉積等，導(dǎo)致纖維化和氣道重塑。有研究證明缺氧可激活TGF-β/smad 2/3途徑促進左心室纖維化[23]，后來在膀胱纖維化中發(fā)現(xiàn)缺氧促進TGF-β1受體(TGFβR1)和p-smad2/3高表達從而激活TGF-β/ smad通路[24]。HIF-1也可與Smad3信號協(xié)同增強VEGF轉(zhuǎn)錄[25]，參與氣道重塑。這些提示HIF-1/TGF-β1/Smad途徑可能是HIF-1促進氣道重塑的一條重要通路。在缺氧的人晶狀體上皮細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，缺氧時HIF-1α是導(dǎo)致EMT標(biāo)記蛋白過度表達的關(guān)鍵因子，抑制HIF-1α能下調(diào)EMT標(biāo)記蛋白的表達[26]。在缺氧的肝細(xì)胞癌中，HIF-1α能誘導(dǎo)TGF-β表達，缺氧可通過TGF-β增加EMT標(biāo)記蛋白表達[27]。TGF-β1啟動EMT是促進氣道重塑的重要過程，因此HIF-1α增加TGF-β、誘導(dǎo)EMT蛋白過表達，可能也同樣存在于氣道重塑過程。

另外，TGF-β1也能反過來調(diào)節(jié)HIF-1α水平，它通過影響HIF-1α的蛋白質(zhì)積累和核易位而非HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性來上調(diào)HIF-1α，二者間存在正反饋作用[28]。

綜上，HIF-1與TGF-β1相互影響，HIF-1可能通過TGF-β1/Smad參與血管生成和氣道重塑。有研究證明抑制TGF-β1/Smad途徑能減輕氣道重塑。

3. MMPs：MMPs是一類具有蛋白水解酶活性的鋅依賴性蛋白酶，主要參與ECM代謝。新研究發(fā)現(xiàn)該類蛋白酶也能參與氣道重塑，MMPs沉積于氣道壁，會促進氣道重塑。MMP-2和MMP-9都是該類蛋白酶家族的重要成員。HIF-1α能增加MMP-2和MMP-9表達，HIF-1α可與p300形成轉(zhuǎn)錄單位，增強MMP-9啟動子活性從而提高MMP-9的明膠酶活性[29]。MMP-2通過釋放與ECM生長有關(guān)的生長因子、降解血管膠原成分、促進血管形成參與氣道重塑，MMP-9通過維持細(xì)胞外基質(zhì)降解和重塑促進氣道重塑。Shen等人發(fā)現(xiàn)抑制HIF-1α能降低MMP-2活性、VEGF表達及血腦屏障的滲漏[30]。在哮喘小鼠中，抑制MMP-9活性可能降低VEGF和TGF-β的表達，減少膠原沉積，改善氣道重塑[31]。

綜上表明HIF-1α能增加MMP-2和MM9表達誘導(dǎo)氣道重塑，具體機制有待探索。

4.VEGF：VEGF是已知作用最強的促血管生成因子，也是一種促血管滲漏因子，同時還是HIF-1的靶基因，其受體包括 VEGFR-1、-2、-3。在11例哮喘患者中發(fā)現(xiàn)HIF-1α和VEGF水平升高[32]，缺氧時增加的HIF-1能促進VEGF產(chǎn)生，激活內(nèi)皮細(xì)胞的VEGF受體增殖，啟動血管生成[33]，刺激氣道重塑。VEGF濃度與哮喘嚴(yán)重程度正相關(guān)[34]，VEGF的促血管滲漏和促血管生成作用，導(dǎo)致血管面積和氣道壁增厚程度隨HIF-1α和VEGF的表達而增加。吸煙COPD患者肺組織內(nèi)HIF-1α、VEGF和VEGFR2表達水平的增加程度能反映COPD的嚴(yán)重程度[35]。HIF-1激活產(chǎn)生的VEGF不僅能通過促進血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和分化而增加血管數(shù)目、大小、面積，誘導(dǎo)血管生成[36]，還能增加血管通透性引起炎癥細(xì)胞、炎癥因子和炎性蛋白的滲漏而導(dǎo)致氣道炎癥，抑制VEGF能明顯降低血管通透性和氣道炎癥[37]。VEGF還可誘導(dǎo)氣道平滑肌細(xì)胞增殖，促進重塑[36]。

近年研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞釋放的內(nèi)皮細(xì)胞特異性分子-1(endothelial‐cell‐specific molecule-1，ESM-1)是一種與血管重塑相關(guān)的新型調(diào)節(jié)因子。ESM-1是VEGF的下游因子，HIF-1α/VEGF可激活ESM-1促進單核細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞間的黏附，誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的內(nèi)皮功能障礙和血管重塑[38]，可能參與氣道重塑的發(fā)生。

綜上，HIF-1能增加VEGF 及其下游因子表達，促進血管生成和炎癥反應(yīng)，誘導(dǎo)氣道重塑。

5.ROS：ROS是細(xì)胞線粒體利用氧氣時制造的副產(chǎn)物，是非缺氧條件下激活HIF-1的必要中間信號傳導(dǎo)子。人體肺部有多種天然的抗氧化機制清除產(chǎn)生的ROS，維持ROS與抗氧化系統(tǒng)的平衡。缺氧除了激活HIF-1轉(zhuǎn)錄外，其另一個重要特征是會導(dǎo)致線粒體呼吸鏈功能紊亂，產(chǎn)生過多的ROS，ROS可損害線粒體功能進一步產(chǎn)生更多的ROS。持續(xù)產(chǎn)生的過多ROS導(dǎo)致細(xì)胞持續(xù)處于氧化應(yīng)激下[39]，激活許多細(xì)胞信號通路引起相關(guān)的蛋白表達。增多的ROS能誘導(dǎo)抗蛋白酶失活、缺氧、粘液高分泌、細(xì)胞外基質(zhì)重塑和肺泡上皮損傷，促進組織損傷和氣道重塑[22]。ROS與抗氧化系統(tǒng)的失衡還能增加杯狀細(xì)胞增生、激活TGF-β1促進上皮下纖維化的發(fā)生[40]。ROS在缺氧條件下會參與維持HIF-1的穩(wěn)定和活化，HIF-1的表達隨ROS水平升高而增加。ROS可激活NF-κB途徑，活化的NF-κB直接激活HIF-1α通路[41]，誘導(dǎo)產(chǎn)生多種炎癥因子，參與氣道重塑。ROS能通過抑制PHD活性增強HIF-1α的穩(wěn)定性，誘導(dǎo)HIF-1的表達[39]，能激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)靶向增加哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)依賴的HIF-1α的合成[42]，還能通過ROS/AKT/S6K激活環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)與HIF-1α啟動子結(jié)合增加HIF-1α的表達[43]。

綜上表明缺氧促進HIF-1和ROS產(chǎn)生，ROS參與HIF-1的穩(wěn)定和表達，二者相互促進誘導(dǎo)氣道重塑的發(fā)生。

五、結(jié)語

缺氧通路在機體細(xì)胞內(nèi)普遍存在，缺氧依賴的HIF-1活化調(diào)節(jié)著許多生理和病理過程。在呼吸道疾病中，氣道重塑導(dǎo)致氣道結(jié)構(gòu)的進行性改變，使患者對藥物敏感度下降，療效不佳。盡管大量研究證明在慢性呼吸道疾病中HIF-1促進氣道重塑的發(fā)展，但相關(guān)機制尚未清楚。抑制氣道重塑可以防止肺功能進一步下降，因此通過抑制HIF-1，減輕氣道重塑可能是治療重塑的一種有效靶點。針對HIF-1誘導(dǎo)氣道重塑的相關(guān)機制和靶向該機制的藥物可能是未來的研究方向。