缺氧誘導因子1在急性肺損傷中的研究進展

林紅衛 金發光

第四軍醫大學附屬唐都醫院呼吸與危重癥醫學科,西安710000

急性肺損傷 (acute lung injury,ALI)是由各種肺內和肺外致傷因素所致的急性低氧性呼吸功能不全。目前雖然特殊ICU 和肺保護性機械通氣策略已經出現,神經肌肉阻滯劑和干細胞治療正在開發中,但很少有其他方法在ARDS的治療中被證明是有效的,這仍然是一個亟待解決的臨床問題,迫切需要進一步研究ALI/ARDS 的發病機制,發展判斷疾病嚴重程度、治療反應和預后的生物標志物。缺氧誘導因子1 (hypoxia-inducible factor 1,HIF-1)是調節細胞缺氧應答的關鍵轉錄因子,是許多氧依賴性生理和病理生理過程的核心成分。ALI導致缺氧的發生,而缺氧也是調控HIF-1 的主要因素之一。實驗研究發現,HIF-1途徑與ALI密切相關。近年來,關于HIF-1與ALI的研究逐漸成為一個熱點。

1 ALI

1.1 概述 ALI 和更嚴重 [氧合指數＜200 mm Hg(1 mm Hg=0.133 k Pa)]的ARDS是急性全身炎癥過程的肺部表現,臨床表現為雙側肺浸潤和嚴重的低氧血癥。ALI/ARDS的病因很多,包括但不限于感染、創傷、藥物效應、膿毒血癥、攝入物、吸入物、淹溺、休克、急性嗜酸粒細胞肺炎、呼吸機使用、免疫介導的肺出血和血管炎以及放射性肺炎。ARDS的總發病率尚不清楚,據報道每年每10萬人中約有2～8 例ARDS;ALI則更為常見,每年每10萬人中約有25例[1]。另有文獻報道,在美國每年大約有15萬人被診斷為ARDS[2]。ALI和ARDS主要發生在年輕、以前體健的人群中,每年造成全世界數以萬計的成人和兒童死亡,給患者個人和社會帶來了極大的負擔。據統計,ARDS的病死率一直保持在40%左右[3]。

1.2 ALI的發病機制 ALI和ARDS的發展和嚴重程度與肺泡巨噬細胞活化后中性粒細胞向肺部遷移密切相關[4]。同時肺泡上皮和中性粒細胞釋放趨化因子 (如CXCL-8、ENA-78)、促炎細胞因子 [如IL-1、IL-6、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)]、急性期反應物 (如C反應蛋白)和基質金屬蛋白酶 (如基質金屬蛋白酶9),過度的中性粒細胞炎癥會導致肺泡上皮細胞外基質破壞和通透性增加,損傷肺泡-毛細血管屏障[5-6],引起非心源性肺水腫的發展。Takeuchi和Akira[7]的研究表明模式識別受體在ALI過程中可啟動炎癥信號級聯效應,釋放TNF-α、IL-8等促炎細胞因子,同時刺激細胞凋亡或自噬。在一項小鼠研究中,Toll樣受體 (Toll-like receptors,TLRs)信號通路已被證明參與ARDS的發展過程,組織損傷后產生的透明質酸降解產物與TLR4和TLR2相互作用,能夠誘導ALI的炎癥反應,該研究還報道了肺上皮細胞中高分子量透明質酸的過表達對肺損傷和細胞凋亡具有保護作用[8]。此外,補體的血管內活化可導致中性粒細胞活化、隔離并黏附于肺毛細血管內皮,導致血管內皮細胞損傷壞死和ALI。肺泡內補體的激活可導致補體和中性粒細胞依賴的ALI,引發細胞因子或趨化因子風暴,加重ALI[9]。值得注意的是,ARDS的后續過程是可變的。部分患者肺泡水腫液再吸收,肺泡上皮損傷區域修復,臨床呼吸衰竭恢復。其他患者肺泡水腫持續,隨后逐漸出現肺泡內纖維化和瘢痕[10]。

2 HIF-1

2.1 概述 HIF-1 最初是由Semenza和Wang[11]在1992年研究缺氧誘導的促紅細胞生成素基因表達時從細胞核中提取出的一種蛋白質,廣泛存在于機體細胞中。目前HIF-1作為調節細胞對氧張力變化反應的主要轉錄因子被廣泛共識[12]。HIF-1調節參與能量代謝、增殖和細胞外基質重組的基因,從而影響血管張力的調節、缺血性心血管功能障礙、低氧性肺動脈高壓、腫瘤的發生和發展、糖和能量的代謝、鐵的代謝、休克及炎癥等生理和病理生理過程。

2.2 HIF-1 的結構與活性調節 HIF-1 是一種異源二聚體,由功能亞基HIF-1α和被稱為芳香烴受體核轉運蛋白的結構亞基HIF-1β組成[13]。HIF-1α活性亞基的C 末端含有2個反式激活結構域、1個富含脯氨酸-絲氨酸-蘇氨酸的氧依賴性降解區以及1個抑制域。HIF-1有2種轉錄共激活因子：CREB結合蛋白和p300,這2種轉錄共激活因子與反式激活結構域的相互作用是轉錄激活的必要條件[14]。HIF-1β亞基在細胞內比較穩定,HIF-1α亞基的穩定性隨細胞內氧含量的變化而波動,其機制與PHDs-HIFs-p VHL通路密切相關。脯氨酸羥化酶 (prolyl hydroxylase domain proteins,PHDs)是一類Fe2+依賴性、以氧分子為底物的蛋白質,目前只有PHD1、PHD2、PHD3 參與HIF-1α的羥基化作用。在常氧條件下,PHDs用氧分子羥化HIF-1α亞基中的2 個脯氨酸殘基,羥基化的脯氨酸殘基被希佩爾·林道病腫瘤抑制蛋白/E3泛素-連接酶復合物識別,導致HIF-1α亞基進行蛋白酶體途徑水解[15]。在缺氧條件下,沒有足夠的氧氣供PHDs羥化HIF-1α亞基,HIF-1α亞基不能被希佩爾·林道病腫瘤抑制蛋白識別和進一步降解,從而保持其含量的穩定性。HIF-1α進入細胞核后與HIF-1β結合形成HIF-1異源二聚體,結合目標基因啟動子中的缺氧反應原件,從而驅動HIF-1依賴的轉錄程序[16]。

2.3 HIF-1在肺中的生物學效應 細胞對氧波動的反應在很大程度上由HIF所介導。氧氣被吸入后,第一個接觸到的器官是肺,但目前對肺HIF-1氧敏感通路的認識比較有限。在肺血管方面,Brusselmans等[17]的研究表明HIF-1α缺失的雜合子小鼠暴露于慢性缺氧環境中,其肺動脈高壓進程受阻,部分原因是肺血管重構受限。相反,攜帶R200W 突變VHL 的小鼠,因不能有效地降解HIF-1,導致其更容易發生肺動脈高壓[18]。其次,HIF-1在肺動脈平滑肌細胞的活性與缺氧誘導的肺血管重構密切相關。體外培養的肺動脈平滑肌細胞在常氧狀態下可以表達HIF-1α信號,而在缺氧狀態下HIF-1α信號的表達進一步增強。Ball等[19]的研究顯示他莫昔芬誘導的平滑肌特異性HIF-1缺失可減弱慢性缺氧條件下肺血管重構和肺動脈高壓。另一項研究顯示,當肺動脈平滑肌細胞特異性HIF-1α 失活的SM22-Cre小鼠暴露于缺氧狀態下,細動脈肌化程度有降低的趨勢,且HIF-1α可通過抑制肌球蛋白輕鏈磷酸化來減少血管張力[20]。關于HIF-1α在氣道上皮的作用機制方面,Sherman等[21]的研究證實了在缺氧的Ⅱ型肺泡上皮細胞中,HIF相關通路和炎性小體激活過程中相關蛋白的表達顯著增加。其次,有研究證實肺神經上皮小體對持續或慢性缺氧的反應與PHD-HIF 依賴機制有關。在人類和動物模型中,缺氧導致神經上皮小體的增生,PHD1 和PHD3被證實參與了這一反應[22]。此外,許多關于HIF-1在肺生物學作用的研究都側重于慢性缺氧方面,因此有必要進一步研究急性缺氧狀態下的HIF-1依賴性通路,以探索肺組織中新的氧敏感相關分子和細胞適應性機制。

3 HIF-1與ALI

3.1 HIF-1與ALI的發病機制

3.1.1 HIF-1與ALI缺氧 缺氧是ALI的表現之一,可以導致肺功能和肺損傷修復的失常。ALI的早期事件包括毛細血管內皮損傷、肺泡上皮細胞的凋亡和肺水腫,而晚期以Ⅱ型肺泡上皮細胞的反應性增生為主,進而導致肺纖維化。有研究指出,HIF-1在肺缺血再灌注損傷中可導致肺血管功能障礙[23],而在腦缺血再灌注損傷誘導的肺損傷研究過程中則發現,機體可能通過HIF-1α/血管內皮生長因子信號通路上調抗氧化應激活性,促進血管生成和修復內皮屏障,實現自我保護[24]。雖然這些研究都沒有測試HIF-1的缺失與檢測到的血管通透性變化是否直接相關,但從表面上看,這些結果意味著HIF-1可能同時發揮屏障保護和屏障破壞的作用。關于肺泡上皮細胞損傷和隨后的肺纖維化,肺挫傷后低氧Ⅱ型肺泡上皮細胞的分子特征表明HIF-1α在其凋亡過程中起著重要作用[21]。通過炎癥水平的NO 上調HIF-1可能是上皮細胞創傷修復受到抑制的原因[25]。此外,有研究證實,上皮-間充質轉化可以加劇ALI患者肺纖維化[26],這一過程中肺泡上皮細胞中的活性氧可以起到穩定HIF-1α的作用[27]。雖然這些研究為HIF參與ALI的發展提供了間接證據,但HIF-1在肺毛細血管通透性等方面的作用仍不乏爭議,因此目前還需要進一步在多種肺損傷模型中研究HIF-1α,以確定其在ALI中的確切作用。

3.1.2 HIF-1與ALI的炎癥反應 ALI過程中存在正反饋的促炎效應,大量的炎癥因子會提高HIF-1的表達,而增加的HIF-1又會刺激炎癥因子大量釋放,放大炎癥反應,加重肺損傷。Liu等[28]利用海水吸入性肺損傷大鼠模型研究證實,高滲通過激活ATM 和PI3K 促進HIF-1α 的m RNA 表達和激活p38 抑制HIF-1α的蛋白降解2 種方式增加HIF-1α的表達,HIF-1α的表達增加促進大鼠肺泡巨噬細胞 (NR8383)中炎癥因子的產生,促進大鼠肺組織炎癥。一項體外研究報道,由膿毒癥淋巴液培養的人Ⅱ型肺泡上皮細胞 (A549)和人肺微血管內皮細胞,其細胞活力顯著下降,炎癥細胞因子 (TNF-α、IL-6、IL-1)水平升高,利用免疫熒光定位及RT-PCR 檢測HIF-1的表達被激活[29]。這些結果初步表明,膿毒癥致急性肺炎癥損傷過程是通過HIF-1α依賴途徑發生的。此外,在ALI中HIF-1也可以作用到具體的炎癥因子,發揮促炎作用。Suresh等[30]的實驗表明,與野生型小鼠相比,Ⅱ型肺泡上皮細胞特異性HIF-1α條件敲除小鼠肺挫傷后各時間點肺損傷程度均顯著降低,促炎細胞因子如IL-1、IL-6、巨噬細胞炎性蛋白2的釋放明顯降低,這一過程是通過核轉錄因子κB介導的,且肺上皮細胞中的HIF-1被證明可以調節IL-1的啟動子活性,由此可以推斷Ⅱ型肺泡上皮細胞中HIF-1的活化是肺挫傷后急性炎癥的主要驅動因素。另一項研究顯示HIF-1α作用于TNF-α的下游,抑制血管擴張刺激磷蛋白的表達,調節急性肺部炎癥過程,這些分子在肺泡-毛細血管屏障的損傷中發揮重要作用[31]。

3.2 HIF-1與ALI的治療

3.2.1 HIF-1 抑制與ALI ALI的缺氧及炎癥反應都與HIF-1密切相關。實驗證據表明,HIF-1參與了ALI的急性期與慢性期的全過程,目前很多研究都致力于通過藥物抑制HIF-1 途徑來治療ALI。阿托伐他汀可以通過下調HIF-1α-連環蛋白通路,降低百草枯中毒誘導的上皮-間充質轉化,減輕大鼠百草枯中毒引起的肺損傷和肺纖維化,且這種效應與劑量有關[32]。鹽酸戊乙奎醚可以抑制HIF-1α、IL-1β和IL-6表達水平,減弱大鼠的重癥急性胰腺炎相關ALI的嚴重程度[33]。缺血前給予右美托咪定可通過調控PI3K/Akt/HIF-1α信號通路,在大鼠肺缺血再灌注損傷中起到保護作用[34-35]。5，7-二羥基-8-甲氧基黃酮對內毒素誘導的ALI的保護機制與上調抗氧化酶、抑制核轉錄因子κB磷酸化和HIF-1的上調有關[36]。丙泊酚通過降低HIF-1α、Bcl-2/E1B-19k Da相互作用蛋白3 和細胞因子的產生,減少脂多糖誘導的大鼠肺上皮細胞凋亡,預防膿毒癥所致ALI[37]。此外,一些傳統中草藥也被證明可以通過抑制HIF-1 途徑治療ALI。大花紅景天萃取物通過下調HIF-1α的靶基因血漿內皮素1 和血管內皮生長因子的水平,保持肺泡-毛細血管屏障的完整性,減輕高原肺水腫[38]。丹參、白藜蘆醇等也被證明可以通過抑制HIF-1途徑來治療ALI[39-41],這為傳統中醫藥治療ALI提供了科學依據,同時在ALI的藥物治療方面提供了新的研究思路。

3.2.2 HIF-1在ALI中的保護作用 雖然目前大多數研究都證實可以通過抑制HIF-1途徑減輕ALI,但在一些研究中,HIF-1卻被發現可以在多種病因導致的ALI中起到保護作用。骨髓間充質干細胞可以在損傷肺組織內分化為肺毛細血管內皮細胞和肺泡上皮細胞,增加肺泡表面活性物質的分泌,減少炎癥反應,抑制炎癥介質的釋放。百草枯中毒后肺組織中HIF-1α的表達上調,通過血管內皮生長因子的介導對骨髓間充質干細胞發揮顯著的增殖動員作用[42]。在脂多糖聯合急性缺氧誘導ALI大鼠模型中,缺氧可通過激活肺泡巨噬細胞TLR4 信號通路加重ALI炎癥,靶向上調HIF-1α可以抑制TLR4基因啟動子活性,從而抑制TLR4表達和巨噬細胞炎癥,提示HIF-1α與TLR4的交互作用通路在ALI中的潛在治療和預防價值[43]。Eckle等[44]報道了HIF-1α通過優化肺泡上皮碳水化合物代謝來減輕ALI。Magnani等[45]報道了HIF-1 介導的蛋白激酶Czeta降解可以穩定質膜鈉鉀ATP酶,以防止缺氧引起的肺損傷。這些研究揭示了HIF-1在ALI期肺保護中的驚人作用,為研究HIF-1 與ALI的治療提供了另一個重要的方向。

4 結語

ALI與ARDS的病理生理學表現為過度炎癥反應,通過破壞肺泡-毛細血管屏障導致富含蛋白的肺水腫液積聚,HIF-1是這些過程中的重要參與者,且參與過程是復雜的,尤其是關于HIF-1在肺血管滲漏方面的作用還存在爭議。此外,進一步闡明HIF-1 在肺多種氧敏感通路中的作用,探索肺泡上皮細胞的凋亡機制都可能成為下一步研究的方向。在ALI的治療方面,雖然目前大多數研究都證實可以通過抑制HIF-1途徑減輕ALI,但在肺挫傷、移植和其他肺損傷的病例中卻發現,HIF-1的升高對恢復和生存是有利的[14],這些都為HIF-1在ALI乃至危重癥醫學治療中的應用提供了新思路。總之,更全面深入地了解HIF-1 在ALI/ARDS中的作用,有助于更好地理解這種常見肺部疾病的發病機制,并為新的治療方法提供新的靶點和預后生物標志物。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突