缺氧誘導(dǎo)因子-1α與阻塞性睡眠呼吸暫停相關(guān)高血壓的研究進展

黎 寧, 吳 峰, 胡 濤

(1. 大連醫(yī)科大學(xué)研究生院, 遼寧 大連, 116044;2. 揚州大學(xué)附屬醫(yī)院 呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科, 江蘇 揚州, 225000)

阻塞性睡眠呼吸暫停(OSA)的特征是反復(fù)發(fā)生完全性(呼吸暫停)和部分性(低通氣)上氣道阻塞事件,特征性表現(xiàn)是睡眠期間的間歇性低氧(IH)。國外研究[1]表明,睡眠呼吸障礙的患病率急劇上升,約50%的男性和24%的女性受到中度或重度睡眠呼吸障礙的影響。在一項調(diào)查樣本量為97 746例,其中OSA患者10 853例的研究[2]中,中國OSA的患病率為11%, 無顯著性別差異,在60～74歲人群中高發(fā)。而在高血壓、心力衰竭、冠狀動脈疾病、肺動脈高壓、房顫和中風(fēng)患者中OSA患病率為40%～80%[3]。OSA已明確為難治性高血壓的常見病因[4]。GABRYELSKA A等[5]研究發(fā)現(xiàn)OSA患者缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)水平升高,提出HIF-1α是診斷OSA的生物標(biāo)志物。PRABHAKAR N R等[6]分析了HIF與OSA相關(guān)高血壓、糖尿病以及認(rèn)知功能障礙之間的關(guān)系,提出HIF可作為OSA的新治療靶點。在動物實驗[7]中,將大鼠暴露于慢性間歇性缺氧環(huán)境誘導(dǎo)OSA相關(guān)高血壓狀態(tài),結(jié)果發(fā)現(xiàn)大鼠HIF-1α過表達(dá)。本研究從化學(xué)反射、壓力反射和血管內(nèi)皮功能障礙共3個方面綜述HIF-1α與OSA相關(guān)高血壓的關(guān)系; 目前晝夜節(jié)律改變與心血管系統(tǒng)多種疾病相關(guān),是OSA相關(guān)心血管疾病的新研究方向,因此進一步從HIF-1α與晝夜節(jié)律方面分析HIF-1α與OSA相關(guān)高血壓的關(guān)系。

1 HIF-1α概述

HIF-1轉(zhuǎn)錄因子是一種異二聚體,由α-亞單位(包括HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α亞型)和HIF-β亞單位組成[8]。在常氧條件下, HIF-α受到脯氨酸羥化酶(PHDs)和天冬酰胺酰羥化酶(FIH-1)的羥基化調(diào)節(jié),分別負(fù)責(zé)HIF的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性[9]。在低氧條件下, HIF-α亞基沒有羥基化,穩(wěn)定和激活的HIF-α亞基與HIF-1β異二聚,再結(jié)合低氧結(jié)合位點(HREs), 激活基因轉(zhuǎn)錄[10]。IH增加HIF-1α蛋白表達(dá),降低HIF-2α蛋白表達(dá),慢性間歇性缺氧大鼠表現(xiàn)出HIF-1α的增加, HIF-2α的下降以及NADPH氧化酶2 (NOX2)的表達(dá)增加,超氧化物歧化酶2(SOD2)表達(dá)降低[11]。而研究發(fā)現(xiàn), HIF-α亞型失調(diào)會導(dǎo)致ROS的生成增加,從而影響血壓化學(xué)反射、壓力反射調(diào)節(jié),氧化應(yīng)激使血管內(nèi)皮功能受損,引起OSA相關(guān)高血壓。

2 HIF-α亞型失調(diào)導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增加

IH會使ROS的產(chǎn)生增加,且與OSA相關(guān)高血壓有關(guān)。在心血管系統(tǒng)中, ROS的主要來源為非吞噬性NADPH氧化酶家族(NOXs), 包括NOX1、NOX2、NOX3和NOX4[12]。在高血壓研究模型[13]中,明確了NOX來源的ROS與血壓升高有關(guān)。YUAN G X等[14]研究發(fā)現(xiàn), IH會增加PC12細(xì)胞以及野生型小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中的NOX2mRNA及其蛋白表達(dá)和酶活性,通過RNA干擾或藥理學(xué)抑制阻斷HIF-1α活性,或通過基因敲除成纖維細(xì)胞中的HIF-1α, 可以消除或減弱這種效應(yīng)。用鐵螯合劑(去鐵胺)處理PC12細(xì)胞,增加HIF-1α的表達(dá),會以類似于IH的方式增加NOX2mRNA及其蛋白表達(dá)和酶活性,說明IH通過HIF-1α介導(dǎo)NOX2表達(dá)的增加。而NANDURI J等[15]研究發(fā)現(xiàn)IH 通過鈣蛋白酶降解HIF-2α導(dǎo)致SOD2的下調(diào),導(dǎo)致氧化應(yīng)激; 而HIF-2α的過度表達(dá)可防止IH誘發(fā)SOD2mRNA的減少,從而阻止ROS的增加; 以及用鈣蛋白酶抑制劑治療暴露于IH的大鼠,可阻斷HIF-2α降解,恢復(fù)SOD2酶活性,使ROS水平正常化,并阻斷高血壓的發(fā)展。以上表明HIF-α亞型失調(diào)引起化學(xué)反射中ROS的升高。ROS的產(chǎn)生增加會影響血管功能,醛固酮、鹽皮質(zhì)激素的作用以及免疫炎癥,這些都會影響血壓升高[16]。GRIENDLING K K等[17]從ROS的來源分析了氧化應(yīng)激在高血壓發(fā)展中的作用,并且分別從氧化應(yīng)激對心血管、腎臟、神經(jīng)、免疫系統(tǒng)各方面的影響講述了高血壓相關(guān)器官損傷也是氧化應(yīng)激的結(jié)果。

2.1 ROS氧化失活HO-2使H2S的產(chǎn)生增加激活化學(xué)反射

OSA相關(guān)性高血壓與化學(xué)感受器敏感性升高及慢波睡眠減少有關(guān)[18]。頸動脈體中I型細(xì)胞(也稱球細(xì)胞)是氧感應(yīng)的位點,分別表達(dá)血紅素加氧酶-2(HO-2)和胱硫醚-r-裂解酶(CSE), 這2種酶分別催化一氧化碳(CO)和硫化氫(H2S)的產(chǎn)生[19-20]。CB對缺氧的感知需要CO和H2S之間依賴于O2的相互作用。CO通過刺激蛋白激酶G(PKG)依賴性磷酸化CSE的絲氨酸377來抑制H2S合成[21]。

而H2S具有興奮性,通過缺氧介導(dǎo)感覺刺激。缺氧時, CB中HIF活性失調(diào)產(chǎn)生的ROS導(dǎo)致HO-2的氧化和抑制,由此產(chǎn)生的CO水平降低導(dǎo)致H2S產(chǎn)生增加,觸發(fā)球細(xì)胞去極化[22]。通過藥物或遺傳學(xué)方法阻斷CSE對H2S合成,可抑制IH引起的頸動脈體活化和高血壓[23]。以上說明, ROS通過氧化失活HO-2使頸動脈體中CSE依賴性H2S的產(chǎn)生增加,介導(dǎo)了IH誘導(dǎo)的頸動脈體過度活動和高血壓。

2.2 ROS激活內(nèi)皮素轉(zhuǎn)換酶產(chǎn)生ET-1減弱壓力反射

LOMBARDI C[24]發(fā)現(xiàn)OSA使壓力反射和心率變異性受損導(dǎo)致自主神經(jīng)功能障礙。頸動脈竇區(qū)是頸動脈壓力感受器的主要部位, IH增加頸動脈竇區(qū)的ROS水平[25]。研究發(fā)現(xiàn), ROS在觸發(fā)和維持血管收縮和心臟收縮中發(fā)揮重要作用,是血管活性因子如血管緊張素Ⅱ、內(nèi)皮素-1 (ET-1)、醛固酮和前列腺素介導(dǎo)細(xì)胞作用的關(guān)鍵信號分子。KOSACKA M等[26]發(fā)現(xiàn)在OSA患者中血清ET-1水平升高,在IH處理大鼠頸動脈竇區(qū)也發(fā)現(xiàn)ET-1水平升高,而ET-1水平的增加是由于ROS激活內(nèi)皮素轉(zhuǎn)換酶產(chǎn)生生物活性ET-1。ZHANG D等[27]發(fā)現(xiàn)ROS在冷誘導(dǎo)的血管反應(yīng)中介導(dǎo)血管收縮反應(yīng),血管組織中的ROS通過ROS/RhoA/ROCK1和ROS/PKC/ET-1通路參與血管收縮。過度表達(dá)ET-1的小鼠會出現(xiàn)高血壓,且NOX1和N0X2的表達(dá)增加[28]。ET-1還可通過環(huán)氧氧酶產(chǎn)物激活血管血栓素前列腺受體,以增加血管收縮和NOX產(chǎn)生的ROS,減少SOD2代謝ROS[29]。而抗氧化治療可以阻斷ET-1水平,逆轉(zhuǎn)減弱的頸動脈壓力感受器活動,并恢復(fù)大鼠的壓力反射功能[25]。

2.3 ROS引起內(nèi)皮功能障礙

研究[30]發(fā)現(xiàn),在沒有顯著心血管疾病的成年人中,重度的OSA患者與血管內(nèi)皮功能障礙的風(fēng)險增加獨立相關(guān),后者可能導(dǎo)致晚期心血管事件發(fā)生。HE J等[31]研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)皮祖細(xì)胞線粒體ROS增加導(dǎo)致高血壓患者內(nèi)皮修復(fù)能力受損,線粒體氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的內(nèi)皮功能障礙是由于Sirtuin3 (SIRT3)介導(dǎo)的SOD2信號的減少, SOD2可與一氧化氮結(jié)合,形成有害產(chǎn)物過氧亞硝酸鹽,對脂質(zhì)和蛋白質(zhì)有破壞作用,導(dǎo)致內(nèi)皮損傷。而在高血壓動物中,基因缺失的NOX、ROS清除物或抗氧化劑可抑制血管重構(gòu)、減少炎癥并使內(nèi)皮功能正常化,血壓升高也隨之減弱[32]。

3 OSA引起時鐘基因失調(diào)導(dǎo)致晝夜節(jié)律紊亂

OSA使時鐘基因表達(dá)失調(diào),導(dǎo)致晝夜節(jié)律紊亂。研究發(fā)現(xiàn),晝夜節(jié)律改變與心血管系統(tǒng)多種疾病相關(guān)。CANALES M T等[33]研究發(fā)現(xiàn)睡眠呼吸暫停及夜間低氧血癥與Clock基因表達(dá)可能相互關(guān)聯(lián),在重度OSA患者中,有8個晝夜節(jié)律時鐘基因(Per1除外)的表達(dá)顯著下調(diào),提出時鐘基因是重度OSA的潛在預(yù)測因子[34], 在患有原發(fā)性醛固酮增多癥的OSA患者中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺氧時Cry1濃度降低[35]。而研究發(fā)現(xiàn) OSA患者有發(fā)生晝夜節(jié)律紊亂的風(fēng)險,此過程可能由HIF-1α介導(dǎo)[36], HIF-1α可與時鐘基因互相作用導(dǎo)致病理生理學(xué)改變。

3.1 HIF-1α與時鐘基因結(jié)合

晝夜節(jié)律由下丘腦視交叉上核的時鐘基因控制。核心時鐘轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子(Bmal1、Clock和Per1-3)屬于bHLH-PAS結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子超家族,還包括同源的氧敏感轉(zhuǎn)錄因子HIF-1/2α和ARNT1(又稱HIF-1β/EPAS1)[37]。EDWARDS H E等[38]講述了bHLH-PAS蛋白的一般結(jié)構(gòu)和功能, bHLH-PAS家族成員由Ⅰ類和Ⅱ類亞家族成員組成,以Ⅰ/Ⅱ類對相互異二聚,例如Clock (Ⅰ類)異聚體與Bmal1 (Ⅱ類)及HIF1/2α (Ⅰ類)二聚體與ARNT1 (HIF-1β) (Ⅱ類)。HIF-1α和Bmal1能夠直接相互結(jié)合[39], 并能形成異二聚體,通過Bmal1-HIF-1α回路可調(diào)節(jié)線粒體的代謝和巨噬細(xì)胞的激活[40]。HIF-1α能夠與一些晝夜節(jié)律基因的E-box結(jié)合。在一項口腔鱗狀細(xì)胞癌研究[41]中發(fā)現(xiàn), ChIP-seq和雙熒光素酶報告基因分析證明HIF-1α與Per1的E-box結(jié)合導(dǎo)致Per1轉(zhuǎn)錄的反饋抑制。在成肌細(xì)胞和U20S細(xì)胞中,予以HIF -1α激活性藥物,可延長Per2和Bmal1的周期并降低振幅,表明HIF-1α與E-box結(jié)合導(dǎo)致晝夜節(jié)律中斷[42-43]。HIF-1α基因啟動子區(qū)包含一個E-box序列,在U20S細(xì)胞中使用ChIP-seq可以觀察到Bmal1/Clock與HIF-1α啟動子區(qū)直接結(jié)合[43]。此外,缺氧時酸中毒也會改變時鐘基因。研究[44]發(fā)現(xiàn), HIF驅(qū)動的代謝變化和酸化參與了紊亂,缺氧誘導(dǎo)的酸化通過抑制關(guān)鍵翻譯調(diào)控因子mTORC1來抑制蛋白質(zhì)的翻譯, mTORC1因此影響晝夜節(jié)律的轉(zhuǎn)錄-翻譯循環(huán),改變晝夜節(jié)律。

3.2 時鐘基因?qū)ρ獕旱挠绊?/h3>

晝夜節(jié)律是心血管生理和病理的重要調(diào)節(jié)因素,時鐘基因在心血管細(xì)胞和器官中,參與調(diào)節(jié)各種生理功能,如內(nèi)皮功能、血壓和心率,以及急性心肌梗死和心律失常的發(fā)作[45]。

Bmal1缺失可通過與轉(zhuǎn)錄激活蛋白6相互作用加劇小鼠高血壓血管重構(gòu)[46]。在腎臟遠(yuǎn)端Bmal1對血壓的調(diào)節(jié)研究[47]中發(fā)現(xiàn), Bmal1敲除雄性小鼠的基礎(chǔ)收縮壓明顯降低,而雌性小鼠基礎(chǔ)收縮壓沒有表現(xiàn)出基因型差異,表明腎臟遠(yuǎn)端Bmal1以性別特異性方式參與血壓調(diào)節(jié)。CHANG L等[48]及GOLLASCH M等[49]研究了血管周圍脂肪組織時鐘基因在血壓調(diào)節(jié)中的作用,發(fā)現(xiàn)Bmal1調(diào)節(jié)血管緊張素原的轉(zhuǎn)錄,導(dǎo)致血管緊張素Ⅱ的增加,調(diào)節(jié)血管張力和血壓節(jié)律。與Bmal1的基因缺失相反, Cry基因(Cry1/Cry2)的缺失導(dǎo)致鹽敏感性高血壓的發(fā)展[50]。除了Bmal1和Cry, Per也參與血壓調(diào)控,Per1的缺失也會導(dǎo)致鹽敏性高血壓的進展[51]。ALLI A等[52]在研究抑制Per1對上皮鈉通道和血壓的影響中,發(fā)現(xiàn)減少Per1表達(dá)與上皮鈉通道活性降低有關(guān)。

使用腎臟特異性鈣粘蛋白Cre敲除Per1會導(dǎo)致腎臟鈉重吸收增加、醛固酮水平增加,以及腎臟和腎上腺基因表達(dá)的變化[53]。COSTELLO H M等[54]講述了肝臟、腎臟、腎上腺和平滑肌、血管周圍脂肪組織中的時鐘基因與血壓節(jié)律的調(diào)節(jié)有關(guān),提出血壓晝夜節(jié)律失調(diào)導(dǎo)致心腎不良預(yù)后和心血管死亡風(fēng)險增加。目前,調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律被認(rèn)為是一種潛在的心血管疾病治療策略。

4 總結(jié)與展望

目前,隨著生活水平提高,肥胖患者逐漸增加, OSA患病率上升,上述分析了HIF-1α與OSA相關(guān)高血壓的機制, IH的動物實驗已經(jīng)表明, IH使HIF-α亞型表達(dá)失衡, ROS信號激活。然而, HIF-α亞型失衡是否發(fā)生在OSA患者中仍有待確定。另一方面, OSA患者的血壓晝夜變化及時鐘基因與HIF-1α的臨床研究較少,需進一步分析OSA患者HIF-1α與時鐘基因、睡眠監(jiān)測相關(guān)指標(biāo)及血壓晝夜變化的關(guān)系。目前,由于CPAP治療OSA合并癥的效果適度,且多數(shù)患者CPAP治療依從性較差,因此提出HIF-1α相關(guān)抑制劑的研究, LIU M X等[55]研究提出HIF-1是低氧相關(guān)心血管疾病的治療新靶點。在一項缺血再灌注研究[56]中提出, BNIP3作為HIF-1α的下游調(diào)節(jié)子,其過表達(dá)可逆轉(zhuǎn)HIF-1α基因,敲除對缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和ROS作用。鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運蛋白2抑制劑,作用于HIF,特別是HIF-1α和HIF-2α, 可減輕腎臟的缺氧和細(xì)胞應(yīng)激[57]。在動物實驗[7]中,發(fā)現(xiàn)miR-199a-5p可能通過靶向HIF-1α緩解OSA相關(guān)高血壓。因此提出HIF-1α抑制性靶點或可用于預(yù)防或治療OSA相關(guān)高血壓,并且應(yīng)進一步研究HIF-1α與OSA合并癥的關(guān)系, HIF-1α可能成為預(yù)防OSA合并癥的新靶點。