低氧環(huán)境中HIF-1α 影響骨代謝的分子學(xué)機制

寧浩馳，裴雪冬，陳海亮，趙瑞，潘靜, 張浩令，蔣宇航，王薇*，宋志靖*

（1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000；2.圣彼得堡國立大學(xué)，圣彼得堡 俄羅斯 190000）

0 引言

骨代謝包括骨形成與骨吸收兩個方面，在正常的氧氣濃度條件下，骨形成與骨吸收保持平衡狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)[1,2]，當(dāng)氧濃度產(chǎn)生變化時，這一平衡狀態(tài)就會被打破，造成骨代謝異常，進而導(dǎo)致一系列骨代謝異常疾病，比如骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等。低氧誘導(dǎo)因子[3]（HIF）是生物在低氧環(huán)境下的應(yīng)答因子，HIF 是由一個誘導(dǎo)型 α亞基和一個組成型表達的β 亞基組成，α 亞基由三個α 亞單位（HIF-1α，HIF-2α 和HIF-3α）構(gòu)成，β 亞基由兩個β 亞單位（HIF-1β 和ARNT2）構(gòu)成。HIF-1α 的表達和活性受氧氣調(diào)控，HIF-1α 在常氧條件下被脯氨酰羥化酶 (PHD) 羥基化，與von Hippel-Lindau 蛋白 (VHL) 結(jié)合后降解，低氧條件下由于PHD 酶活性喪失導(dǎo)致HIF-1α 穩(wěn)定。HIF-1α 對于骨穩(wěn)態(tài)具有調(diào)控作用，對成骨細胞誘導(dǎo)的骨形成，破骨細胞誘導(dǎo)的骨吸收均有影響[4]。在調(diào)控H 型血管數(shù)量、血管與骨形成方面也起著重要作用[5]。本文就以低氧環(huán)境下HIF-1α 對骨代謝的分子作用機制做一闡述。

1 HIF-1α 與骨代謝

骨骼是一種具有代謝功能的組織。骨組織在代謝過程中產(chǎn)生許多生化指標，這些生化指標在骨組織代謝的整個過程中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。骨代謝生化指標[6,7]主要包括鈣磷代謝調(diào)節(jié)指標、骨形成標志物、骨吸收標志物、激素及細胞因子，并存在于全身骨骼、血液、尿液以及其他體液中。臨床上常通過檢測骨代謝產(chǎn)物指標，以判斷骨骼的代謝狀態(tài)?，F(xiàn)臨床一般用于[7-9]骨質(zhì)疏松的診斷與鑒別，治療方案的制定，療效檢測，以及骨折風(fēng)險的預(yù)測。

HIF-1α 的調(diào)控作用在骨發(fā)育過程中始終存在。低氧環(huán)境下HIF-1α 會誘導(dǎo)血管生成因子的表達并促進糖酵解，增加氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的輸送，最終適應(yīng)代謝。HIF-1α 還具有靶向作用，通過增加骨保護素的表達來減少破骨細胞的生成，并通過表觀遺傳機制抑制硬化蛋白的表達，導(dǎo)致骨形成增加和骨吸收減少；另外還可通過調(diào)控成纖維細胞生長因子23（FGF23）的表達，從而影響礦物質(zhì)穩(wěn)態(tài)和維生素D 代謝[4]。最終實現(xiàn)對骨代謝的調(diào)控。HIF-1α 對軟骨退化和骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展具有保護作用，Okada[10]等發(fā)現(xiàn)，HIF-1α 通過抑制NF-κB-HIF-2α 軸來維持關(guān)節(jié)軟骨平衡。Stegen[11]等 研 究 發(fā) 現(xiàn)， HIF-1α 引 起PHD2 缺 乏導(dǎo)致軟骨細胞的代謝變化減少膠原蛋白合成，但增強膠原蛋白的改變，形成更密集的膠原蛋白基質(zhì)，阻礙軟骨退化。有研究發(fā)現(xiàn)，雌激素可以抑制HIF-1α 的表達，絕經(jīng)后小鼠骨質(zhì)疏松的發(fā)生與HIF-1α 穩(wěn)定表達激活破骨細胞骨吸收作用有關(guān)[12]。Xu[13]等發(fā)現(xiàn)HIF-1α 的過表達，可以減少糖皮質(zhì)激素對缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬的抑制，從而保護骨細胞免于凋亡。此外有研究表明，HIF-1α 在改善骨質(zhì)流失方面具有積極作用，這一作用與促進血管生成有關(guān)[14]。

2 HIF-1α 影響成骨細胞的作用機制

成骨細胞是由骨髓間充質(zhì)干細胞分化而來,經(jīng)歷了細胞增生、外基質(zhì)成熟、外基質(zhì)礦化和凋亡4個階段。在骨形成過程中成骨細胞是重要的功能細胞。研究發(fā)現(xiàn)低氧影響成骨細胞成骨分化,在成骨細胞中氧感應(yīng)通路相關(guān)蛋白均有表達，比如PHD、VHL、HIF 等。

研究發(fā)現(xiàn)， PHD 抑制劑可增強HIF-1α 的穩(wěn)定性和活性，比如在甲磺酸去鐵胺（DFM）處理的動物的長骨和顱骨中，骨祖細胞和成骨細胞標志物的表達水平顯著增加[15]，提示HIF-1α 對成骨細胞骨形成具有促進作用。信號素3A（Sema3A）和HIF-1α 共同過表達有助于多能干細胞衍生的間充質(zhì)干細胞或基質(zhì)細胞存活，促進其成骨分化[16]。在低氧濃度條件下PI3K/Akt 和 MAPK/ERK 信號 通 路 可 以 激 活HIF-1α，通 過HIF-1α 促 進MC3T3-E1 細胞的增殖[17,18]； HIF-1α 的過表達增強缺氧后MC3T3-E1 細胞的活力，主要通過HIF-1α 強制表達抑制低氧誘導(dǎo)的細胞凋亡來實現(xiàn)[19]。HIF-1α 在鈷模擬缺氧條件下通過抑制Notch 信號，激活Wnt 信號，影響Notch-Wnt 信號的串?dāng)_，進而促進成骨細胞的增殖[20]。另外，miR-135-5p 可直接靶向于HIF-1α 抑制劑來促進成骨細胞增殖分化[21]；且miRNA-1-3p 與HIF-1α 抑 制 劑 相 互 作用可增強成骨細胞的成骨分化[22]。在低氧環(huán)境中HIF-1α 還可以顯著增加成骨細胞中IL-6 和IL-8的水平，IL-6 和IL-8 可能通過HIF-1α 途徑參與血管生成-成骨偶聯(lián)過程，促進成骨細胞增殖[23]。在低氧環(huán)境中，紅景天苷通過HIF-1α 信號通路，增強成骨細胞活力，促進其分化和礦化[24,25]。也有研究發(fā)現(xiàn)，在機械刺激下HIF-1α 抑制成骨細胞的活性[26]，嚴重缺氧時，機械生長因子E 肽會抑制HIF-1α 的表達，促進成骨細胞增殖和分化[27]。

綜上所述，HIF-1α 的激活對成骨細胞增殖與分化具有促進作用。但其作用機制復(fù)雜，且影響因素眾多，有待更進一步研究以指導(dǎo)臨床應(yīng)用。

3 HIF-1α 影響破骨細胞的作用機制

破骨細胞來源于骨髓單核巨噬細胞系，是參與骨吸收的主要細胞，在代謝性骨病中發(fā)揮著重要作用。骨細胞相關(guān)細胞因子可以影響調(diào)節(jié)破骨細胞形成與骨吸收，如骨細胞分泌的 NF-κB 受體激活因子配體（RANKL）、骨保護素(OPG)是破骨細胞形成和病理性骨吸收的重要因素，骨細胞相關(guān)細胞因子直接作用于破骨細胞的形成和骨吸收。

低氧環(huán)境下HIF-1α 調(diào)控破骨細胞有著不同的作用。一方面，HIF-1α 可以抑制破骨細胞的活性，研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α 可以刺激OPG 上調(diào)，與其上游OPG1 結(jié)合位點相互作用，抑制破骨細胞活性[28]?；贗L-33 對小鼠骨髓來源的單核細胞的作用，發(fā)現(xiàn)成骨細胞HIF-1α 途徑激活促進IL-33表達，調(diào)控IL-33 對破骨細胞形成起抑制作用[29]。抑制HIF-1α 誘導(dǎo)的糖酵解途徑，可以減少缺氧導(dǎo)致的破骨細胞吸收[30]。另一方面，HIF-1α 對破骨細胞的分化無明顯影響，但調(diào)節(jié)其介導(dǎo)的骨吸收作用。通過PHD 酶抑制劑激活HIF 通路，會抑制破骨細胞形成，并且破骨細胞介導(dǎo)的骨吸收作用會被增強[31]。人CD14+單核細胞分化為破骨細胞的過程中,抑制HIF-1α 不會影響破骨細胞的分化，但可以減少缺氧條件下的骨吸收[32]。最后，也有研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α 也會促進破骨細胞的分化；Zhu[33]等發(fā)現(xiàn)缺氧刺激的MloY4 細胞穩(wěn)定表達HIF-1α，通過激活JAK2/SAT3 信號通路上調(diào)RANKL 的表達，促進RAW264.7 細胞在體外分化成破骨細胞。

4 HIF-1α 影響骨折愈合的作用機制

骨折是各種外力直接或間接作用于骨骼，使骨的連續(xù)性及完整性遭到破壞。骨折發(fā)生時局部軟組織破壞，神經(jīng)血管受損，局部處于缺氧狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，在骨折愈合過程中，缺氧環(huán)境有助于骨血管生成，加快骨折愈合[34,35]。

體外研究發(fā)現(xiàn)，在體外低氧環(huán)境下，HIF-1α 與骨形態(tài)發(fā)生蛋白6（BMP-6）協(xié)同過表達骨髓間充質(zhì)干細胞具有更強的血管生成及成骨分化能力[36]；二甲氧已二酰甘氨酸會上調(diào)HIF-1α 的表達，進而促進人牙周膜干細胞體外成骨分化和成血管能力[37]；體外HIF-1α 和Scleraxis 基因聯(lián)合修飾后可促進人羊膜間充質(zhì)干細胞表達肌腱細胞、軟骨細胞和骨細胞的標志分子, 具有促進腱骨愈合的能力[38]；低氧有利于間充質(zhì)基質(zhì)細胞（MSCs）的生存，并且廣泛誘導(dǎo)了骨折愈合相關(guān)基因的表達[39]。在大鼠實驗研究中發(fā)現(xiàn)，觀察大鼠脛骨干骨折的愈合，發(fā)現(xiàn)氯化鈷能顯著提高HIF-1α 在骨痂組織的含量, 并且增加骨鈣素的表達, 促進骨折愈合[40]；大鼠骨折愈合過程中，低氧誘導(dǎo)因子-1α 在促進骨痂組織恢復(fù)中作用明顯[41]。在臨床觀察中發(fā)現(xiàn)，間歇性缺氧訓(xùn)練會刺激患者HIF-1α 高表達，有助于老年患者骨折愈合[42]。缺氧預(yù)處理激活HIF-1α 表達，有助與MSCs 衍生的外泌體miR-126 的產(chǎn)生，進而促進骨折愈合；缺氧預(yù)處理促進骨折愈合是一種有效且有前途的方法[43]。HIF-1α 在局部和全身參與骨折愈合，創(chuàng)傷性腦損傷患者加速骨折修復(fù)可能與骨折血腫和血清 中HIF-1α 濃度升高有關(guān)[44]。骨折時局部組織缺氧是骨折愈合的有利條件，低氧環(huán)境下HIF-1α 被激活，HIF-1α 會影響成骨分化，并且誘導(dǎo)VEGF 高表達，VEGF 是促進新血管形成的關(guān)鍵因子。

此外，HIF-1α 在骨轉(zhuǎn)移疾病、骨代謝疾病、溶骨性疾病的發(fā)生發(fā)展過程中起著一定作用[45-48]，這也為治療以上疾病提供了新思路，有待臨床及實驗研究進一步驗證。

5 總結(jié)與展望

HIF-1α 是機體缺氧應(yīng)答的關(guān)鍵因子，可以直接或間接調(diào)控骨組織細胞，促進血管生成及成骨分化，影響骨代謝；而其對破骨細胞的作用不確定，有待更進一步的研究。HIF-1α 在骨轉(zhuǎn)移疾病、骨代謝疾病、溶骨性疾病的病理發(fā)展過程中也發(fā)揮重要作用。對HIF-1α 的研究，為臨床相關(guān)骨病的治療提供了新方向，例如，HIF-1α 過表達可促進iPSCMSC 增殖[16]，氯化鈷能顯著提高HIF-1α 在骨痂組織的含量,促進骨折愈合[40]，基于骨組織工程，在骨再生材料上培養(yǎng)缺氧模擬物、iPSC-MSC 用于骨修復(fù)，miR-135-5p 可直接靶向于HIF-1α 抑制劑來促進成骨細胞增殖分化[21]，靶向作用于HIF-1α來治療骨丟失，促進骨形成。在以后的研究過程中，對HIF-1α 更深入的探索，對高原低壓低氧環(huán)境中骨代謝研究將是一個新的方向，也將為臨床疾病診治提供更寬闊的思路。