低氧誘導(dǎo)因子-1α在生物性骨改建和骨病中的作用

唐 燚， 康非吾

（上海牙組織修復(fù)與再生工程技術(shù)研究中心，同濟大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科，上海 200072）

氧對維持機體正常的生長、發(fā)育及代謝至關(guān)重要。各種原因引起的骨內(nèi)血流的減少均會使骨組織和骨系細(xì)胞處于低氧狀態(tài)。在這種異常的低氧狀態(tài)下，低氧誘導(dǎo)因子（HIF）途徑是各種組織、器官在對局部氧環(huán)境進行感受和應(yīng)答過程中的核心途徑。

1 HIF-1α的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)特征

低氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1）是1992年Semenza和Wang首先發(fā)現(xiàn)的，其能與促紅細(xì)胞生成素基因的低氧反應(yīng)元件發(fā)生特異性結(jié)合，隨后HIF-1 cDNA的編碼順序被確立[1]。人和哺乳動物細(xì)胞普遍擁有保守的HIF-1序列，其轉(zhuǎn)錄受到嚴(yán)格的調(diào)控，提示了HIF-1對細(xì)胞生物學(xué)功能具有重要作用。低氧誘導(dǎo)因子（HIF）是通過調(diào)節(jié)低氧狀態(tài)下細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境的氧分壓變化，進而調(diào)控其分化和維護其存活的關(guān)鍵性調(diào)節(jié)因子[2]。HIF-1蛋白是一種異源二聚體，主要由120 000的HIF-1α和91 000～94 000的HIF-1β 2個亞基構(gòu)成。人HIF-1α基因定位于14號染色體q21～24區(qū)，受缺氧信號的調(diào)控，起功能性作用；HIF-1β亞基又稱芳香烴受體核轉(zhuǎn)運子，不受環(huán)境低氧信號的調(diào)控，主要起結(jié)構(gòu)性作用。HIF-1α既是HIF-1的調(diào)節(jié)亞基，又是活性亞基。因此，HIF-1的生物效應(yīng)是由HIF-1α亞基實現(xiàn)的[3]。而在正常氧飽和度(21%O2)下，HIF-1α亞基在被翻譯后隨即被泛素-蛋白酶水解復(fù)合體降解。而在缺氧狀態(tài)下，HIF-1α亞基的降解被抑制，HIF-1α和HIF-1β亞基聚合形成的異二聚體HIF-1，轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)調(diào)節(jié)多種基因的轉(zhuǎn)錄，進而引發(fā)組織細(xì)胞發(fā)生缺氧適應(yīng)性反應(yīng)。HIF-1α是有轉(zhuǎn)錄活性的核蛋白，具有廣泛的靶基因譜，其中包括與缺氧適應(yīng)、炎癥發(fā)展、血管形成、能量代謝及腫瘤生長等相關(guān)的100多種靶基因[4]。

2 HIF-1α在骨改建中的作用

2.1 骨折

骨折引起的血管破裂會造成局部骨組織的缺氧環(huán)境，導(dǎo)致?lián)p傷區(qū)域周圍的氧分壓降至0～10 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）。損傷部位血腫的形成將阻礙血流灌注，進一步加劇局部缺氧，位于骨折中心區(qū)組織的氧分壓甚至可降至0 mmHg[5]。在骨折修復(fù)過程中，低氧可誘導(dǎo)骨膜、骨髓及周圍軟組織內(nèi)間充質(zhì)前體細(xì)胞增殖，并分化為成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞，HIF-1α參與成骨細(xì)胞糖酵解及血管生成以啟動膜內(nèi)骨過程；而軟骨細(xì)胞處于低氧區(qū)中心，可直接啟動軟骨內(nèi)成骨，促進軟骨外基質(zhì)的沉積與鈣化[6]。許多研究已經(jīng)證實了骨折部位的周圍為低氧環(huán)境，這為局部藥物促進血管新生，利用生物學(xué)或遺傳學(xué)技術(shù)加速局部骨缺損修復(fù)的開展奠定了理論基礎(chǔ)。與野生型對照組小鼠相比，Bglap-cre；Vhl cKO小鼠新生血管生成和骨骼修復(fù)速度增加；成骨細(xì)胞內(nèi)HIF-1α缺失可減緩新生血管生成和骨修復(fù)[7]。這些研究結(jié)果表明，HIF-1α對軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的存活、增殖及分化至關(guān)重要，是骨痂中啟動血管生成、成骨及成軟骨的關(guān)鍵調(diào)控因子。

2.2 骨質(zhì)疏松

骨質(zhì)疏松是代謝性骨病中最常見的一類疾病，其主要病理特征是全身骨量減少和骨組織微結(jié)構(gòu)改變，從而導(dǎo)致骨強度下降。雌激素缺乏引起的骨質(zhì)疏松癥的機制仍不完全清楚，目前觀點主要集中在破骨-成骨偶聯(lián)失衡[8]。破骨細(xì)胞中HIF-1α敲除小鼠與破骨細(xì)胞內(nèi)雌激素受體α缺陷小鼠，這2種小鼠模型均與去卵巢（ovariectomized,OVX）骨質(zhì)疏松小鼠呈現(xiàn)相同的組織學(xué)表型[9]。在體外細(xì)胞生物學(xué)研究中，雌激素促進成骨細(xì)胞表達(dá)HIF-1α的分子機制主要在于，通過抑制HIF-1α蛋白在常氧條件下的降解，進而穩(wěn)定其活性[10]。此外，HIF-1α還可調(diào)節(jié)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者成骨細(xì)胞的骨形成能力。與野生型小鼠相比，8周齡成骨細(xì)胞內(nèi)HIF-1α條件性敲除雌性小鼠的骨小梁數(shù)量、體積、厚度，骨密度、骨代謝相關(guān)細(xì)胞因子和血管生成均發(fā)生不同程度的減少或降低[11]。在雌性小鼠成骨細(xì)胞中，HIF通路是通過降解HIF的von Hippel-Lindau（VHL）蛋白的破壞而被激活的，去卵巢小鼠的骨結(jié)構(gòu)和機械質(zhì)量參數(shù)沒有發(fā)生顯著變化[12]。因此，盡管骨髓環(huán)境是低氧環(huán)境，雌激素受體-α（estrogen receptor-α，ER-α）仍然會降低破骨細(xì)胞中HIF-1α蛋白的表達(dá)，進而保護機體骨質(zhì)不被分解吸收。這些研究說明，破骨細(xì)胞中HIF-1α特異性的抑制劑可能是治療骨質(zhì)疏松癥潛在的治療手段。

2.3 骨關(guān)節(jié)炎

關(guān)節(jié)軟骨在整個生命周期中都維持在低氧環(huán)境中，從關(guān)節(jié)軟骨表面到深層存在約6%～1%的氧濃度梯度[13]。關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞屬低氧感應(yīng)細(xì)胞，軟骨細(xì)胞中相對較高的HIF-1α表達(dá)是軟骨在無血管缺氧環(huán)境下生存的重要適應(yīng)因素。HIF-1α通過維持軟骨細(xì)胞的無氧糖酵解進而在細(xì)胞外基質(zhì)合成中發(fā)揮重要作用，缺乏HIF-1α的軟骨細(xì)胞無法在低氧微環(huán)境中維持腺苷三磷酸 （adenosine triphosphate，ATP）水平[14]。 骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis,OA）發(fā)生的病理學(xué)基礎(chǔ)為軟骨細(xì)胞變性，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)成分發(fā)生變化，引發(fā)關(guān)節(jié)軟骨纖維化。目前有重要的證據(jù)表明，OA 中白細(xì)胞介素-1（interleukin-1，IL-1）和氧化應(yīng)激誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞中HIF-1的表達(dá)。HIF-1α在正常和OA關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中均表達(dá)，HIF-1α及其靶基因Glut1和PGK-1在OA軟骨中的表達(dá)與關(guān)節(jié)軟骨退變的進展相關(guān)。HIF-1α升高可誘導(dǎo)熱休克蛋白70（heat shock protein 70,HSP70）過表達(dá)，提高細(xì)胞通透性，抑制軟骨細(xì)胞凋亡。同時，HIF-1α缺乏的軟骨細(xì)胞在體外表現(xiàn)出細(xì)胞凋亡的加速。在OA發(fā)展過程中，軟骨細(xì)胞可能依賴于HIF-1α的適應(yīng)功能來維持ATP水平，從而維持基質(zhì)的合成。在軟骨特異性HIF-1α缺失的小鼠模型中，大量軟骨細(xì)胞死亡[15]。

2.4 骨壞死

骨壞死是由于骨血供中斷引起的，骨髓和骨小梁的缺血性細(xì)胞死亡導(dǎo)致軟骨下骨塌陷及骨關(guān)節(jié)病[16]。研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α或血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）-C 的高表達(dá)與韓國男性特發(fā)性股骨頭壞死具有高度相關(guān)性，尤其在靠近股骨頭壞死組織的修復(fù)性水腫帶中，VEGF-C的表達(dá)更強[17]。在糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的股骨頭壞死小鼠模型中，股骨頭中HIF-1α和VEGF的表達(dá)迅速降低，而股骨遠(yuǎn)端則未見此現(xiàn)象；在體外實驗中，糖皮質(zhì)激素也可迅速降低HIF-1α和VEGF的表達(dá)[18]。丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）的抑制劑可減少兔類固醇相關(guān)性骨壞死的發(fā)病率，并增強HIF-1α/VEGF信號[19]。糖皮質(zhì)激素還可減少骨細(xì)胞介導(dǎo)的局部骨基質(zhì)重建，從而導(dǎo)致骨壞死和軟骨下骨退行性變，但此研究并未直接評估血管分布、氧分壓和骨改建之間的相互作用關(guān)系[20]。

2.5 牙槽骨改建

低氧也可通過影響牙周韌帶細(xì)胞（periodontal ligament stem cells,PDLs）的生物活性參與正畸牙移動。在低氧條件下，HIF-1α通過刺激破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞影響骨代謝的PDLs產(chǎn)生VEGF以調(diào)節(jié)牙槽骨的代謝。VEGF作為骨代謝細(xì)胞因子，刺激成骨細(xì)胞的分化和趨化遷移。此外，VEGF通過對成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞前體的作用來刺激牙槽骨重建。缺氧還可以刺激PDLs表達(dá)多種細(xì)胞因子[21]。有學(xué)者認(rèn)為氧傳感器位于牙齦和成纖維細(xì)胞的細(xì)胞膜內(nèi)或線粒體內(nèi)，氧傳感器發(fā)出的信號被認(rèn)為可以激活HIF-1α 和核因子-kappa B（NF-κB），促進白細(xì)胞介素-1b（IL-1b）、白細(xì)胞介素-6（IL-6）及腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的產(chǎn)生[22]。在牙周炎的牙周膜細(xì)胞模型中，HIF-1α可增強牙齦卟啉單胞菌的脂多糖，誘導(dǎo)促炎因子的生成，加快牙周組織的破壞[22]。此外，HIF及其模擬因子（或HIF穩(wěn)定劑）被認(rèn)為是血管形成的關(guān)鍵刺激因子，在口腔內(nèi)骨修復(fù)和再生中起到重要作用。

2.6 牽張成骨

牽張成骨術(shù)(distraction osteogenesis，DO)用于延長肢體或通過膜內(nèi)過程修復(fù)骨缺損。此外，它還被用作研究骨修復(fù)和再生過程中血管生成-成骨的細(xì)胞機制的模型。在DO過程中，通過在截骨過程中施加漸進機械牽張力的外部固定裝置誘導(dǎo)膜內(nèi)成骨[23]，使用血管內(nèi)皮生長因子受體-1（vascular endothelial growth factor receptor-1，VEGFR-1）和血管內(nèi)皮生長因子受體-2（VEGFR-2）的阻斷劑會導(dǎo)致骨形成和血管體積、數(shù)量的減少[24]。兔下頜骨牽張成骨模型中，HIF-1α的表達(dá)在早期階段增加，但隨著新生骨的成熟而下降，這表明在下頜骨逐漸牽張的間隙中，HIF-1α的產(chǎn)生可能有助于新骨的形成[25]。Wan等[26]證明HIF-1α通路在骨修復(fù)過程中被激活并促進骨愈合，隨后建立了一種在成骨細(xì)胞中缺乏pVHL突變的小鼠模型來激活HIF信號通路；經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在牽張成骨過程中，HIF-1α通路的激活促進血管生成和增強骨再生，牽張間隙隨血管迅速擴張，骨體積和愈傷組織強度隨之增加。Donneys等[27]指出，去鐵胺（deferoxamine，DFO）顯著增加了下頜骨牽張成骨期間的骨體積分?jǐn)?shù)、骨密度及最終載荷等骨結(jié)構(gòu)和機械質(zhì)量參數(shù)。

綜上所述，HIF-1α介導(dǎo)的多重通路對骨的發(fā)育、改建、修復(fù)和再生均有深遠(yuǎn)的影響。雖然目前有關(guān)HIF-1α參與調(diào)控成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞分化及骨形成的研究較多，并取得了一些重大的研究進展，但在調(diào)控成骨細(xì)胞分化、抑制破骨細(xì)胞形成等深入的分子機制方面仍不十分明確。隨著近年來關(guān)于HIF通路及低氧模擬治療在骨發(fā)育、骨缺損修復(fù)和骨再生中作用的研究日益受到廣泛關(guān)注，深入探究其分子機制必將為促進骨再生及骨組織工程策略的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。