低氧誘導肺間質纖維化的相關機制

王玉波 崔社懷

肺間質纖維化(pulmonary interstitial fibrosis, PIF)是一種組織學和/或影像學表現為尋常型間質性肺炎，呈慢性進行性加重的間質性肺疾病[1-2]。目前其病因不明、發病機制尚不清楚，主要累及肺間質、肺泡和 /或細支氣管。肺間質纖維化主要病理改變為肺組織局灶性纖維細胞增殖、細胞外基質積聚、肺泡囊腔樣擴張，導致肺正常結構改建和遠端的有效換氣面積減少，多數患者最終死于低氧性呼吸衰竭。其發病率逐年升高，但治療效果差，病死率高。隨著肺間質纖維化病程的進展，患者缺氧程度持續并逐漸加重，而缺氧可能又參與了肺間質纖維化的疾病發生及其進展過程，導致了低氧與致纖維化因素之間的惡性循環。現就低氧與肺間質纖維化之間關系的研究進行了綜述。

一、HIF與缺氧的關系

研究表明，低氧可引起低氧誘導因子(hypoxia inducible factor, HIF)的表達量明顯升高[3]。HIF-1是1992年由Semenza對經缺氧處理HepG2和Hep3B細胞株的核提取物進行分析時發現的。HIF-1是由相對分子量約120×103的α亞基和(91～94)×103的β亞基構成的異源二聚體轉錄因子。α亞基包括3個亞型，其中3個亞基中的任一個可與β亞基(又稱作ARNT)結合形成異源二聚體。α、β 亞基都屬于bHLH(basic-helix-loophelix)-PAS(per-arnt-sim)超家族蛋白，N-末端均含有bHLH-PAS同源區，PAS區與HLH區共同形成繼發二聚體界面。

HIF家族蛋白是缺氧誘導基因強有力的催化因子。低氧可增加HIF的穩定性，促進HIF與低氧反應元件(hypoxia response element，HRE)的結合，從而誘導低氧靶基因的激活，參與機體系統性低氧狀態下組織的攜氧能力和缺氧后細胞代謝、細胞自噬、炎癥反應、血管重塑、內皮-間質轉化等[4-5]。HIF-1α對氧濃度比較敏感，因此在缺氧的轉錄調節中起主要作用。HIF是低氧條件下廣泛存在于人體的一種轉錄因子，是目前發現的唯一高度特異性的、在低氧條件下能夠發揮活性的核轉錄因子，是專一調節氧穩態的重要介質。HIF-1是引發缺氧耐受的重要蛋白質分子，是哺乳動物不同組織、細胞形成缺氧耐受的共同分子生物學機制。正常生理情況下，HIF-1受低氧誘導表達并激活下游基因轉錄，介導細胞適應低氧環境[6]。HIF-1α在缺氧狀態下可被刺激活化，且可被多種因素刺激活化，從而影響細胞生長、分化、存活及凋亡。HIF-1由α和β兩個亞基組成，HIF-1α是氧調節蛋白，對氧的濃度十分敏感，被稱為“缺氧基因表達的總開關”。α亞基是HIF-1所特有的，它既是HIF-1的調節亞基又是活性亞基，其蛋白穩定性和轉錄活性均受細胞內氧濃度的調節。故HIF-1的生理活性主要取決于HIF-1α亞基的活性和表達。

二、HIF致肺間質纖維化的機制

1. HIF-1α與炎癥的關系： 已有研究證實，百草枯染毒的小鼠肺組織中HIF-1α表達呈明顯的升高趨勢。HIF-1α可能參與了肺間質纖維化的發生，且HIF-1α的表達和肺間質纖維化存在一定的時間相關性[7]。HIF-1α具有炎癥調節作用，HIF-1α是機體調節氧穩態的重要轉錄調節因子，通過調節多種基因表達而參與機體炎癥反應。低氧是炎癥和修復的一個強有力的刺激因素，低氧可通過免疫應答等途徑致大量的細胞因子、生長因子及趨化因子表達而誘發肺間質纖維化，其中低氧誘導的HIF-1α在其發病機制中發揮著至關重要的作用。iNOS基因增強子的DNA序列中存在與HIF-1α結合的特異性位點，在低氧條件下可促進iNOS基因表達，同時還發現IL-1β對HIF-1α誘導iNOS 基因的表達有協同作用。HIF-1α能快速誘導iNOS基因的表達，并且產生大量的一氧化氮，從而參與炎癥反應和免疫調節的過程。在缺氧條件下可能存在一個“炎癥─炎癥介質─HIF-1α─炎癥介質─炎癥”的正反循環圈，HIF-1α起著炎癥放大的作用。IL-1β、TNF-α、PGE2及 LPS等致炎性細胞因子能激活HIF-1α的轉錄活性。在纖維化形成方面，炎癥扮演著促纖維化途徑和抑制纖維化途徑兩面性的角色[8]。TNF-α、IL-1β可以激活核因子- κB (nuclear factor-κB, NF-κB)，基質金屬蛋白酶-9(Matrix metallopeptidase 9, MMP-9)基因啟動子上有NF-κB 結合位點，激活的NF-κB可直接調節的MMP-9表達。另外，NF-κB 還可跨膜激活p53，間接誘導MMP-2的轉錄，激活的NF-κB也可反饋性上調TNF-α、IL-1、IL-6，進一步影響MMPs表達。一些炎癥因子如IL-1β，可通過NF-κB/COX-2 途徑上調HIF-1α。因此HIF-1α與炎癥因子之間可能以惡性循環的形式參與了肺間質纖維化的發生。

2. HIF-1α 與TGF-β1、EMT的關系： 肺間質纖維化的發病機制又主要與TGF-β1 表達和上皮細胞-間充質轉變(epithelial-mesenchymal transition, EMT)的發生相關[9-10]。低氧可引起致纖維化因子HIF-1α及TGF-β1的表達量增高，同時發生EMT[11-12]；而HIF-1α又可誘導TGF-β1的表達及EMT的發生。由此，HIF-1α可能是導致肺間質纖維化的上游因素。HIF-1α同時也是TGF-β1和EMT的重要調控因子。說明低氧同時可引起TGF-β表達量增高及EMT的發生[13-14]。組織細胞的急慢性低氧會使TGF-β1的啟動子活性增強，從而誘導TGF-β1 基因表達上調。TGF-β1是HIF-1α的下游因子，故HIF-1α 可顯著促進TGF-β1的高表達[15]。而TGF-β1是最重要的致纖維化因子之一。

HIF-1α也可通過多種途徑對EMT進行調節[16]。其機制可能是HIF-1α通過下調E-鈣黏蛋白(E-cadherin)、上調波形蛋白(vimentin)而促進細胞發生EMT 轉化，致使細胞間的黏附作用減弱從而促進纖維化的發展。HIF-1α過表達可以封閉E-cadherin 編碼基因的轉錄，降低蛋白表達水平，導致細胞的上皮特性弱化。HIF-1α 能夠增強 vimentin基因的轉錄活性，上調vimentin蛋白表達量，改變細胞骨架結構。一方面使立方型上皮細胞變為紡錘形纖維細胞態，更易于遷移游動；另一方面干擾細胞骨架本身所承載的信號傳遞過程，操縱調節細胞的生長分化。在特發性肺間質纖維化患者的肺活檢標本中，也觀察到EMT參與了肺間質纖維化的形成[17]。HIF-1α誘導TGF-β高表達后，TGF-β可通過依賴Smad信號蛋白的方式參與EMT過程[18]。TGF-β/Smad 通路是EMT的主要通路之一，TGF-β 與細胞膜上的TGF-βⅡ型受體( TpRⅡ) 結合，在TpRⅡ激酶的作用下使TGF-βⅠ型受體( TpRⅠ) 發生磷酸化，從而激活下游的Smad2/3，磷酸化的Smad2/3與Smad4 結合形成有功能的三聚體，進入細胞核后與DNA 作用促使EMT的形成，抑制TGF-β1或EMT的單一通道即可取得延緩肺纖維化進展的一定的臨床效果[ 10, 17-18]。

3. HIF-1α與VEGF的關系： 血管內皮生長因子(vascular endothdlial growth factor, VEGF)是肺間質纖維化發病的重要的細胞因子之一，其通過在肺泡Ⅱ型上皮細胞中的高表達而發揮作用。VEGF基因是低氧敏感基因，是HIF-1α的重要靶基因。HIF-1α可通過多個層面調控VEGF的表達，進而誘導組織毛細血管的增生。在低氧環境中，細胞核中的HIF-1被p24/p44MAPK直接活化，活化的HIF-1二聚體與HRE結合，導致VEGF基因活化并誘導VEGF轉錄水平的提高，即可直接啟動VEGF的轉錄。其次，HIF-1α還可上調VEGF受體及Flt-1的轉錄，Flt-1 受體的高表達可有效的加強VEGF的轉錄活性，在新血管生成方面發揮了非常重要的作用[19]。另外HIF-1α還可通過誘導VEGF mRNA的穩定性來誘導VEGF的高表達。最后，VEGF mRNA5′ 非轉錄區內還含有一個固定核蛋白體輸入位點(internal ribosome entry site, IRES)，即使在缺氧狀態下HIF-1α仍能進行VEGF mRNA的翻譯。VEGF 基因轉錄起始點上游的5′端有一長28 bp的HRE，由HIF-1結合位點和上游激活蛋白1(activator protein 1, AP1)構成，其中HIF-1結合位點序列為5′ CACAG 3′和5′TACGTGGGG 3′。HIF-1α與VEGF5′ 端增強子結合，進一步調節對VEGF的轉錄。當HRE的活性被HIF-1α DNA誘導時，VEGF的轉錄活性和表達增強。

4. HIF-1α與其它致肺間質纖維化的可能途徑： HIF-1α 可通過多種途徑調節人體許多組織的纖維化過程，包括肝、腎、心臟和肺，甚至有脂肪和皮膚組織。近期有研究發現，在博來霉素誘導的小鼠肺間質纖維化模型中，缺氧可導致HIF-1α的表達上升，其與CXCR4相互作用，在肺間質纖維化的發生與發展過程中起著重要作用[20]。同時有研究也發現，HIF-1α 也可通過誘導纖溶酶原激活劑抑制物-1(plasminogen activator inhibitor-1, PAI-1)參與了肺間質纖維化的發病過程[21]。同樣有研究也指出，HIF-1α可以通過調節環氧合酶-2(cyclo-oxygen-ase-2, COX-2)的mRNA 和蛋白，釋放促進纖維化的物質，介導肺間質纖維化過程[22]。

綜上所述，HIF-1α在肺間質纖維化疾病發展的機制中扮演著重要角色。而抑制HIF-1α的表達能在一定程度上減輕組織器官發生纖維化的程度[23]。有研究指出，抑制 HIF-1α的活性可延續纖維組織及肺泡上皮細胞的缺氧反應，HIF-1α抑制劑可有效治療早期肺間質纖維化[24]。敲除HIF-1α基因能減輕小鼠肝纖維化的程度，也可抑制腎小管上皮間質纖維化[25-26]，但國內外學者對肺間質纖維化的研究目前還較少，有待進一步的基礎及臨床研究去證實。已有相關的Meta 分析證實HIF-1α 基因的過表達在肺間質纖維化組織中確實有明顯的統計學意義[24]。HIF-1α 可與缺氧誘導基因的HRE結合并激活其轉錄，引起一系列細胞對缺氧的反應。抑制HIF-1α的活性的可延續纖維組織及肺泡上皮細胞缺氧反應。隨著肺間質纖維化的病情進展，患者低氧與致纖維化因素之間的惡性循環逐漸形成。缺氧是肺間質纖維化發生機制中的一個重要因素，其參與了肺間質纖維化疾病的發生及其發展過程。積極改善機體低氧可能將有效地治療并延緩肺間質纖維化的進展。

參 考 文 獻

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