HIF-1α調(diào)控糖酵解在RA炎癥發(fā)病機制中的研究

李福欣 杜小正* 張星華 張楓帆 陳平 劉強 劉莉梅 張小娜

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis, RA)是一種自身免疫性、炎癥性疾病，在臨床中以關(guān)節(jié)病變?yōu)橹饕卣鳎哂羞M行性、侵襲性以及致殘性，可并發(fā)多臟器侵害，嚴(yán)重危害人類健康[1]。該病多發(fā)于40～50歲人群，女性多于男性，數(shù)據(jù)[2]顯示女性RA患者在全球范圍內(nèi)的發(fā)病率約為0.5%～1%，我國RA患病率約為 0.42%，其致殘率高達 61.3%，早期有效的治療是降低致殘率的關(guān)鍵[3]。因此，提高RA的早期療效對于改善預(yù)后、提高生活質(zhì)量、減輕居民負(fù)擔(dān)等至關(guān)重要。盡管目前RA的確切發(fā)病機制尚不明確，但是諸多研究[4]表明RA患者滑膜組織和滑膜液中大量細(xì)胞炎癥因子通過一系列級聯(lián)反應(yīng)最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎癥和骨破壞。研究[5-6]表明，缺氧誘導(dǎo)因子1α (hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)與糖酵解在RA炎癥的發(fā)生與發(fā)展中起到了重要作用，下調(diào)糖酵解活性可以明顯改善RA炎癥程度。近年來的研究表明，HIF-1α可變構(gòu)調(diào)控糖酵解來調(diào)節(jié)RA炎癥反應(yīng)[7]，如實驗中運用HIF-1α抑制劑2 ME2或者敲除HIF-1α基因可下調(diào)糖酵解活性，繼而減輕RA炎癥反應(yīng)[8]。這些研究提示HIF-1α調(diào)控糖酵解活性是抑制RA炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵。

1 RA滑膜炎癥反應(yīng)

RA作為一種自身免疫性疾病，其主要發(fā)病特征是關(guān)節(jié)處的炎癥反應(yīng)。炎癥過程中產(chǎn)生的多種化學(xué)物質(zhì)能夠激活傷害感受器，產(chǎn)生痛感，而關(guān)節(jié)腫脹則由炎癥滲出導(dǎo)致。研究[4]證實，大量炎癥細(xì)胞因子存在于RA患者的滑膜組織和滑膜液中，如血清中腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor α，TNF-α)、細(xì)胞白介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)、IL-6和IL-17等，這些炎癥因子通過一系列級聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎癥和骨破壞。因此，RA的早期病理特征主要是病變關(guān)節(jié)的滑膜炎癥反應(yīng)。在RA炎癥進展中，TNF-α對滑膜炎癥、血管翳生成等病理改變起重大作用。TNF-α?xí)偈拱准?xì)胞聚集，誘導(dǎo)IL-1β、IL-6的分泌，協(xié)同增強炎癥反應(yīng)[9]。IL-6作為一個重要的促炎因子，主要由單核巨噬細(xì)胞產(chǎn)生，其可增強IL-1、TNF-α的致炎作用，加重RA炎癥反應(yīng)。近年來新發(fā)現(xiàn)的IL-17也是一種促炎因子，可通過核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)等細(xì)胞通路來促進IL-6、IL-8及TNF-α等多種細(xì)胞因子的分泌[10]，在RA炎癥發(fā)展中處于網(wǎng)絡(luò)中心位置。

以上論述表明，炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)參與了RA炎癥的進展，是維持和促進關(guān)節(jié)滑膜炎癥的重要因素。因此，尋找新的靶點來抑制炎癥細(xì)胞因子分泌和炎癥反應(yīng)對RA的治療至關(guān)重要。

2 HIF-1α在RA發(fā)病中的作用

HIF-1α屬于基本螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子亞家族，在正常氧氣條件下被泛素-蛋白酶水解復(fù)合體降解，在缺氧條件下，HIF-1α變得穩(wěn)定并在細(xì)胞質(zhì)中積累。研究表明[11]，RA中存在著缺氧的情況，是一個潛在的發(fā)病因素，且滑膜缺氧在促進血管生成以及RA的病理生理反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。由于RA關(guān)節(jié)內(nèi)微環(huán)境的改變, HIF-α被激活和過表達，以調(diào)節(jié)與炎癥、血管生成、能量代謝和其他過程相關(guān)的基因的轉(zhuǎn)錄和表達[12]。此外，研究[11]還證實HIF-α是一種核轉(zhuǎn)錄因子,可以刺激血管生成,促進血管腔形成,加重滑膜增生。

2.1 HIF-1α在RA炎癥中的作用

滑膜炎癥是RA最主要的病理特征，越來越多研究[13]表明，HIF-1α作為RA中重要的影響因子，可通過不同途徑來調(diào)控RA滑膜炎癥。HIF-1α可通過PI3激酶/Akt/HIF-1通路使FLS中發(fā)生缺氧相關(guān)的上皮細(xì)胞-間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)變，使細(xì)胞遷移和侵襲增加,加重滑膜炎癥。TNF作為炎癥瀑布性級聯(lián)反應(yīng)的關(guān)鍵因子，在RA中過度表達，加重了炎癥反應(yīng)[14]。Toll樣受體TLR作為典型的識別受體，也主要在RA中的免疫細(xì)胞和滑膜成纖維細(xì)胞中調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[15]。研究[16]發(fā)現(xiàn)，HIF-1α相關(guān)通路能夠上調(diào)巨噬細(xì)胞中TLR-4的表達,從而激活炎癥反應(yīng)。作為促炎因子，TNF-α、IL-1和 IL-33在RA滑液和組織中產(chǎn)生增加。類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者的IL-33水平升高，表明這種炎癥因子在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的嚴(yán)重程度中起作用[17]。TNF-α是促進缺氧誘導(dǎo)因子堆積的關(guān)鍵因素。此外，IL-1和IL-33已被證明可增加滑膜成纖維細(xì)胞中HIF-1α亞型的表達[18]。同時，TNF-α/IL-33調(diào)節(jié)回路進一步增加HIF-1α的表達。Hu等[19]的研究證明HIF-1α過表達可能刺激PolyIC誘導(dǎo)的類風(fēng)濕因子表達，導(dǎo)致類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎向促炎狀態(tài)轉(zhuǎn)變。除了具有促炎功能外，HIF-1α還可以激活I(lǐng)L-10等抗炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生。研究[20]表明，具有特定HIF--1α缺失的小鼠表現(xiàn)出產(chǎn)生IL-10的B細(xì)胞數(shù)量減少，并且輔助性T細(xì)胞1(T helper cell 1,Th1)和輔助性T細(xì)胞17(T helper cell 17,Th17)細(xì)胞的增強，這最終加劇了膠原誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎反應(yīng)。

2.2 HIF-1α在血管生成中的作用

在RA中，關(guān)節(jié)滑膜的內(nèi)膜下層被大量免疫細(xì)胞浸潤，并進行新生血管形成。血管生成是新血管形成和多基因表達的復(fù)雜過程，新生的血管會導(dǎo)致滑膜炎癥的持續(xù)，因其內(nèi)提供了大量的營養(yǎng)與氧，為炎癥細(xì)胞的增長提供了相應(yīng)的環(huán)境，是RA的典型特征，新生血管形成被證明通常與缺氧有關(guān)[21]?；そM織的增生對于新生血管在肥厚的滑膜中提供充足氧氣和營養(yǎng)是必不可少的，然而，RA中新生血管的氧氣供給卻無法達到要求。研究[22]證明HIF-1α能夠調(diào)節(jié)促血管生成介質(zhì)的表達，包括趨化因子8、趨化因子配體12、20和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)。其中，VEGF是HIF-1α的主要血管生成靶點,具有低氧依賴性表達,是RA中最有效的內(nèi)皮特異性有絲分裂原。VEGF是一種作用于滑膜血管內(nèi)皮的細(xì)胞因子,促進血管生成并與內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)上的同源受體結(jié)合,從而激活這些細(xì)胞產(chǎn)生更多的蛋白水解酶。HIF還可通過活化血管生成素、纖維母細(xì)胞生長因子和血小板源生長因子等使內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移和血管重建，增加血管重建[23-24]。抑制HIF-1α表達可顯著減少RA FLS中VEGF誘導(dǎo)的血管生成[25]。在RA炎癥導(dǎo)致缺氧環(huán)境中，HIF-1α顯著增加以促進細(xì)胞對低氧壓的耐受性，同時，HIF-1α和血管內(nèi)皮生長因子在滑膜組織中的表達受到血管生成的影響[26]。

2.3 HIF-1α在軟骨破壞中的作用

在RA中，由于血管翳的過度增生，會侵入關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨，導(dǎo)致軟骨破壞、軟骨下骨等的骨侵蝕，是RA嚴(yán)重的病理表現(xiàn)，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)變形，功能活動受限，影響患者生活。關(guān)節(jié)內(nèi)的滑膜細(xì)胞在低氧的條件下會分泌大量基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs) 如MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-12、MMP-13等破壞關(guān)節(jié)軟骨。HIF-1α能顯著促進滑膜細(xì)胞產(chǎn)生多種MMPs和聚蛋白多糖酶-1[27]。研究[28]證實，IL-6 能被HIF-1α誘導(dǎo)而產(chǎn)生，加重炎癥反應(yīng)，并且IL-6能促進軟骨細(xì)胞分泌MMP-3和MMP-13,二者可誘導(dǎo)TNF-α的產(chǎn)生，加重MMPs和炎癥性介質(zhì)在滑膜細(xì)胞的表達。HIF-1α是調(diào)節(jié)軟骨肥大抑制和維持軟骨生成特異性標(biāo)志物(如聚合蛋白、SOX9)的關(guān)鍵成分。HIF-1α的失調(diào)會導(dǎo)致骨骼發(fā)育不良。由于破骨細(xì)胞在缺氧條件下活化，關(guān)節(jié)軟骨破壞加劇。Swales等[29]研究發(fā)現(xiàn)，血管生成素樣蛋白4在RA破骨細(xì)胞中以HIF-1α依賴性方式過度表達。刺激破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收。以上研究提示低氧可促進骨破壞的發(fā)生,并且HIF-1α在其中起重要作用。

3 糖酵解在RA發(fā)病中的作用

3.1 糖酵解在RA滑膜炎癥、血管翳形成及軟骨破壞中的作用

在無氧的條件下，葡萄糖經(jīng)過一系列酶的作用，如己糖激酶、磷酸果糖激酶等可轉(zhuǎn)化為丙酮酸和乳酸，并且生成腺苷三磷酸和還原型輔酶Ⅰ，該代謝過程稱為糖酵解，是生物體內(nèi)葡萄糖分解代謝的必經(jīng)階段。然而在有氧條件下，營養(yǎng)物質(zhì)充足，葡萄糖則不需要通過無氧糖酵解這種方式獲得較少的能量，糖酵解途徑受到抑制，但對于腫瘤細(xì)胞和RA中活化的免疫細(xì)胞、滑膜細(xì)胞等人體內(nèi)快速增殖的異常細(xì)胞，其為了能夠持續(xù)獲得能量，即使在有氧條件下，也快速地進行糖酵解，產(chǎn)生“Warburg效應(yīng)”，是一種代謝重編程[30]。眾多研究[31]證實了糖酵解可促進RA滑膜炎癥。如糖酵解通過抑制p53以抗細(xì)胞凋亡，維持炎性細(xì)胞的分化和活性。另一方面，乳酸在RA關(guān)節(jié)滑膜中積聚，抑制CD4+T細(xì)胞凋亡，從而使IL-17等炎性細(xì)胞持續(xù)增殖[32]。在RA中，糖酵解磷酸戊糖途徑增強，產(chǎn)生大量還原型輔酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid, NADPH)[33]。NADPH促進T細(xì)胞過度增殖，分化成Th17。Th17分泌的IL-17可通過核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)等細(xì)胞通路促進IL-6、IL-8及TNF-α等多種細(xì)胞因子的分泌[34]，導(dǎo)致滑膜炎癥。進一步研究[5]發(fā)現(xiàn)在RA中糖酵解基因表達水平與FLS分化呈正相關(guān)。糖酵解產(chǎn)生大量乳酸，促使RA滑膜細(xì)胞異常分化增殖，導(dǎo)致滑膜細(xì)胞異常增生[35]。6-磷酸果糖激酶2/果糖-2，6-二磷酸果糖激酶3(6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3, PFKFB3)作為糖酵解過程中一個關(guān)鍵酶,可促進新生血管的生成。糖酵解的產(chǎn)物丙酮酸同樣可以促進組織中新血管的形成，提示糖酵解與血管新生密切相關(guān)[36]。新生的微血管、異常增生的滑膜細(xì)胞以及持續(xù)分化的炎性細(xì)胞共同造成了血管翳的生成，加重RA的病情。同時，Th17會促進RA破骨細(xì)胞的形成，導(dǎo)致軟骨的破壞，使關(guān)節(jié)炎癥發(fā)展至骨侵蝕[37]。這些研究提示糖酵解是促進RA滑膜炎癥、血管翳形成及軟骨破壞的一個重要因素。

3.2 抑制糖酵解能夠改善RA炎癥反應(yīng)

糖酵解途徑異常是導(dǎo)致RA發(fā)生發(fā)展的一個重要原因，已有研究[38]證實糖酵解抑制劑可顯著改善RA小鼠關(guān)節(jié)的腫脹程度。糖酵解抑制劑2-DG、BrPa能夠通過抑制RA-FLS細(xì)胞中的促炎因子，緩解小鼠關(guān)節(jié)炎癥[39]。

糖酵解過程中有三個關(guān)鍵酶，包括己糖激酶(Hexokinase II,HK2)、PFKFB3、丙酮酸激酶2(pyruvate kinase2,PKM2)。已有研究[40]證明，敲除HK2可明顯改善小鼠關(guān)節(jié)炎癥；PFKFB3小分子抑制劑PFK15通過抑制糖酵解，降低RA-FLS的遷移、侵襲能力，明顯減輕RA炎癥反應(yīng)[41]；抑制PKM2同樣可逆轉(zhuǎn)RA-FLS的侵襲、遷移及分泌功能[42]。

綜上，通過抑制糖酵解途徑中的三個關(guān)鍵酶，改善糖酵解，進一步抑制RA-FLS的侵襲、遷移及分泌功能，從而減輕RA炎癥反應(yīng)。

4 HIF-1α調(diào)控糖酵解活性，抑制RA炎癥反應(yīng)

既往的研究表明，HIF-1α可調(diào)控糖酵解活性從而治療某些疾病。宋玲等[43]研究發(fā)現(xiàn)天然黃酮類物質(zhì)紫云英苷是一種具有潛在抗人卵巢癌作用的活性成分, 可通過抑制HIF-1α誘導(dǎo)的糖酵解等通路來抑制卵巢癌細(xì)胞的增殖、促進卵巢癌細(xì)胞的凋亡。張冬艷等[44]通過在不同含氧量條件下的研究認(rèn)為，HIF-1α可以與下游糖酵解相關(guān)基因(GLUT1、HK1、HK2、PGK1等)的啟動子區(qū)HRE反應(yīng)元件結(jié)合，促進上述基因的轉(zhuǎn)錄激活，從而增強缺氧誘導(dǎo)的肝癌細(xì)胞糖酵解能力。汪宇涵等[45]在對肺癌的研究中發(fā)現(xiàn)，中藥湯劑可通過抑制肺腺癌細(xì)胞的糖酵解途徑中的HIF-1α表達來控制肺腺癌細(xì)胞的能量攝取, 從而抑制其增殖過程。

糖酵解的發(fā)生與HIF-1α密切相關(guān)。糖酵解途徑中一些關(guān)鍵酶作為自身抗原參與了免疫反應(yīng)，對RA提供了新的研究思路。在RA中，由于組織內(nèi)缺氧會促使HIF-1α形成，在此過程中，糖酵解途徑中的一些關(guān)鍵酶的結(jié)合位點又能被HIF-1α激活，促進糖酵解的進行[46]?，F(xiàn)代研究[47]發(fā)現(xiàn)HIF-1α與包括RA在內(nèi)的多種疾病密切相關(guān)，其可調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的發(fā)育和功能，并參與RA的發(fā)病。眾多研究證實了HIF-1α與RA炎癥反應(yīng)密切。如RA滑膜增生伴隨著滑膜供氧不足，從而導(dǎo)致缺氧環(huán)境及HIF-1α的積累[48]；HIF-1α水平在RA患者滑膜組織中與炎癥因子(IL-1β、IL-6、TNF-11α等)水平呈正相關(guān)[49]；且使用TNF-α抑制劑可以降低HIF-1α的水平[50]。進一步研究[51]發(fā)現(xiàn)，HIF-1α可以在缺氧反應(yīng)中激活糖酵解來加重RA炎癥反應(yīng)。HIF-1α通過激活PKM2與乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase, LDH)以調(diào)節(jié)糖酵解及其下游產(chǎn)物來影響炎癥，并參與炎癥反應(yīng)等生物過程[52]。HIF-1α不僅誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT1和GLUT3表達的增加，還升高炎癥滑膜內(nèi)HK2、3-磷酸甘油醛脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,3-GAPDH)、LDH、PKM2和線粒體細(xì)胞色素氧化酶的水平，增強糖酵解活性，加重RA的病情[53]。同時研究[54]發(fā)現(xiàn)，在缺氧條件下，敲除HIF-1后，LDHA與PKM2受到抑制，乳酸含量明顯減少，進而緩解誘導(dǎo)型關(guān)節(jié)炎小鼠關(guān)節(jié)的腫脹，減輕滑膜炎癥。

綜上所述,在缺氧條件下, HIF-1α可以激活多種低氧適應(yīng)性基因的表達,調(diào)節(jié)糖酵解。因此，抑制HIF-1α是改善糖酵解的重要方法。

5 總結(jié)與展望

盡管目前RA的發(fā)病機制尚不完全清楚，仍有許多科學(xué)問題丞待解決，但越來越多的證據(jù)表明HIF-1α與糖酵解參與了RA許多重要的病理生理過程，二者間的調(diào)控機制與RA的發(fā)病息息相關(guān)。HIF-1α可通過調(diào)控糖酵影響RA炎癥機制，其中包括滑膜炎癥、血管生成和軟骨破壞，提示HIF-1α調(diào)控糖酵解過程可能是RA潛在的治療靶點?；と毖蹩筛淖兇x環(huán)境，通過直接和間接作用于RA的某些致病過程，HIF-1α是其中一基本因素。因此，闡明RA關(guān)節(jié)內(nèi)HIF-1α的表達將有助于更好地了解其激活以及調(diào)控糖酵解促進RA炎癥進展的機制。缺氧并不是RA的一個顯著特征，它可以在各種疾病中發(fā)現(xiàn)，尤其是在炎癥性自身免疫性疾病中。然而，HIF-1α在自身免疫性疾病發(fā)病機制或疾病發(fā)展中的確切功能仍不清楚，HIF-1α是否在疾病的不同階段發(fā)揮不同的作用仍需進一步證明。隨著代謝重編程與缺氧環(huán)境對疾病影響的機制研究不斷深入，在未來的研究中將以二者為突破口，與HIF-1α調(diào)控糖酵解途徑中關(guān)鍵酶緊密結(jié)合，研發(fā)治療RA或其他自身免疫性疾病的新療法，提高相關(guān)疾病的的治愈率。