缺氧誘導因子在腎臟損傷和修復(fù)中的作用

王寧　巴應(yīng)貴

摘要：急性和慢性腎臟疾病都會發(fā)生缺氧，即細胞和組織缺氧。缺氧誘導因子（HIF）是缺氧狀態(tài)下基因表達的“主”轉(zhuǎn)錄因子。研究表明，HIF通過調(diào)節(jié)HIF的靶基因在腎臟損傷和修復(fù)中發(fā)揮重要作用。然而關(guān)于HIF在腎臟損傷和修復(fù)中的病理作用還存在爭議，基于此，本文主要就HIF在腎臟中的分布及檢測、HIF的靶基因及其對腎臟內(nèi)分泌功能的影響、HIF在急性腎損傷（AKI）中的信號機制及在腎臟修復(fù)中的作用作一綜述，旨在為闡明HIF在腎臟損傷和修復(fù)中的病理作用提供幫助。

關(guān)鍵詞：缺氧;低氧誘導因子;腎損傷;腎臟修復(fù)

中圖分類號：R692? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.14.015

文章編號：1006-1959（2020）14-0047-04

The Role of Hypoxia-inducible Factor in Kidney Injury and Repair

WANG Ning，BA Ying-gui

（Qinghai University，Xining 810000，Qinghai，China）

Abstract：Both acute and chronic kidney disease can cause hypoxia，thatis，hypoxia in cells and tissues.Hypoxia-inducible factor（HIF）is the "master" transcription factor for gene expression under hypoxia.Studies have shown that HIF plays an important role in kidney injury and repair by regulating the target genes of HIF.However，there is still controversy about the pathological role of HIF in kidney injury and repair.Based on this，this article mainly focuses on the distribution and detection of HIF in the kidney，the target genes of HIF and their effects on renal endocrine function，and HIF in acute kidney injury（AKI）is a review of the signaling mechanism and its role in kidney repair，aiming to help elucidate the pathological role of HIF in kidney injury and repair.

Key words：Hypoxia;Hypoxia-induciblefactor;Kidneyinjury;Kidney repair

缺氧誘導因子（HIF）是一種蛋白質(zhì)復(fù)合物，由可誘導的α亞基（HIF-1α、HIF-2α或HIF-3α）和組成性表達的HIF-β亞基組成。其主要調(diào)節(jié)細胞對缺氧的適應(yīng)性，通常在細胞缺血、缺氧時產(chǎn)生并處于缺氧應(yīng)答的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。HIF通過調(diào)控其下游靶基因，如EPO基因、VEGF基因等的轉(zhuǎn)錄、表達，促進機體對缺氧產(chǎn)生一系列的適應(yīng)反應(yīng)[1，2]。在誘發(fā)腎臟疾病諸多因素中，缺氧是一個重要的潛在因素。多個研究表明[3，4]，在腎臟疾病的早期和晚期低氧信號在組織對損傷的反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。在腎臟疾病的早期階段，HIF的激活對損傷具有保護作用。有研究表明，HIF的誘導治療可預(yù)防慢性腎病（CKD）、急性腎損傷（AKI）、糖尿病腎病的貧血，也可通過轉(zhuǎn)錄和翻譯途徑改變HIF水平，從而影響腎臟功能。本文主要就HIF在腎臟中的分布及檢測、對內(nèi)分泌功能的調(diào)節(jié)、對腎臟損傷及修復(fù)的機制及在腎臟疾病中的應(yīng)用作一綜述。旨在闡明HIF在腎臟損傷和修復(fù)中的病理作用。

1 HIF在腎臟中的分布及檢測

在低氧情況下，HIF主要分布于腎皮質(zhì)的近端、遠端小管以及腎髓質(zhì)的集合管和髓袢的上皮細胞內(nèi)，并存在皮-髓質(zhì)梯度，HIF在髓質(zhì)中的表達明顯高于皮質(zhì)，可能與腎髓質(zhì)的低血流量和低氧壓有關(guān)[5]。HIF活性的定量研究具有一定的挑戰(zhàn)性，未降解的HIF蛋白主要通過腎臟組織的免疫測定或蛋白免疫印記（western blot）分析發(fā)現(xiàn)，具有不穩(wěn)定性。在人體研究中，腎臟組織的獲取只能通過腎臟活檢，其是一種侵入性方法。有研究通過收集納入對象尿液，檢測尿液中HIF的表達水平，結(jié)果顯示健康人群與慢性CKD患者尿液中HIF水平存在顯著差異。因此，尿液中HIF水平可作為腎臟疾病的診斷指標[6]。

2 HIF的靶基因及其對腎臟內(nèi)分泌功能的影響

在缺氧條件下，HIF在其靶基因的增強子或啟動子區(qū)域積累并與缺氧反應(yīng)元件（HRE）結(jié)合，發(fā)生轉(zhuǎn)錄。HIF可通過刺激紅細胞生成、血管生成、厭氧葡萄糖代謝、鐵代謝、腺苷和NO代謝等多種細胞和組織反應(yīng)，促進氧傳遞和細胞對缺氧的適應(yīng)[7，8]。其中，紅細胞生成、血管生成和厭氧葡萄糖代謝分別受促紅細胞生成素（EPO）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和糖酵解基因調(diào)控，是腎臟損傷和修復(fù)過程中最重要的缺氧反應(yīng)。

2.1 EPO? EPO是一種由腎臟和肝臟分泌的造血生長因子，主要促進骨髓中紅細胞的生成，從而提高血液的攜氧能力[9]。缺氧時，HIF在30個增強子區(qū)域積累并與EPO的HRE結(jié)合。在紅細胞生成調(diào)節(jié)中，腎臟是最重要的氧傳感器，可對全身缺氧做出反應(yīng)，然后通過腎間質(zhì)成纖維細胞樣細胞迅速增加EPO的產(chǎn)生[10，11]。肝臟也可以產(chǎn)生EPO，在氧依賴模式下促進紅細胞生成，但生成的紅細胞不足以彌補終末期腎臟疾病中腎EPO的損失，需要重組EPO進行全身性治療[12]。此外，EPO還可以通過減少細胞凋亡和炎癥反應(yīng)，增加腎小管細胞增殖，從而保護腎臟不受損傷[13]。

2.2 VEGF? 缺氧或缺血誘導的VEGF主要通過激活受體酪氨酸激酶（VEGFR-1、VEGFR-2、VEGFR-3）在血管生成中發(fā)揮重要作用[14，15]。腎小球的功能依賴于VEGF維持的特殊血管系統(tǒng)，來源于足細胞的VEGF在腎小球中過表達導致腎小球病變，進而抑制足細胞表達，破壞其濾過屏障，導致蛋白滲漏和腎小球血栓性微血管病變（TMA）。

3 HIF在AKI中的信號機制

根據(jù)灌注的情況，腎臟的供氧，特別是皮質(zhì)的供氧可能存在較大差異。值得注意的是，腎近端小管細胞通過厭氧糖酵解產(chǎn)生ATP的能力有限，導致在維持氧化代謝時快速消耗并高度依賴氧，在這種高度依賴氧的情況下，腎臟更容易受到缺氧損傷。在缺氧（體內(nèi)缺血）時，HIF在AKI的發(fā)病機制中起著重要的作用。

3.1在IR誘導的AKI中出現(xiàn)HIF? 腎缺血-再灌注損傷（IR）是AKI的主要病因之一，與腎移植、腎血管閉塞、心臟驟停復(fù)蘇等相關(guān)。大量研究表明HIF參與了腎臟IR。無論是化學預(yù)處理（由短效化療引起）還是低氧調(diào)節(jié)（由一氧化碳引起，通過阻斷血紅蛋白的攜氧能力來降低組織的供氧量）均可誘導HIF，從而引起IR損傷的抵抗[34，35]。然而，使用藥物抑制劑進行缺血后治療的效果仍存在爭議。Jamadarkhana P等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在腎缺血后2、6、10 h給予HIF-PHD抑制劑可通過誘導熱休克蛋白70（HSP70）激活HIF-1的表達，減輕腎損傷。此外，在IR后6 h給予粒細胞集落刺激因子（G-CSF）和干細胞因子（SCF）也可激活HIF的表達，降低腎組織損傷程度[17]。另有研究表明[18，19]，在腎缺血后給予HIF-PHD抑制劑不能減輕AKI和腎纖維化。不同研究之間的差異可能與以下因素有關(guān)：①PHD抑制劑的使用頻率不同;②PHD抑制劑的給藥方式不同;③PHD抑制劑的給藥劑量不同;④PHD抑制劑的給藥時間不同。因此，腎臟缺血后，HIF-PHD抑制劑有一個狹窄的治療窗口。

3.2在順鉑誘導的AKI中出現(xiàn)HIF? HIF的誘導和激活也參與了腎毒性AKI的發(fā)病機制。順鉑是一種廣泛用于治療各種惡性腫瘤的化療藥物，研究表明[20]，在順鉑治療癌癥期間，超過1/4的患者出現(xiàn)腎臟問題，尤其是AKI。順鉑除了引起腎小管細胞死亡外，還可引起血管功能障礙，導致腎臟低灌注或缺氧。在體外，近端小管細胞與缺氧預(yù)處理可減少細胞凋亡;在體內(nèi)，大鼠在給予順鉑前的一氧化碳預(yù)處理可以改善順鉑誘導的AKI。有研究認為通過使用鈷和FG-4592等抑制劑預(yù)處理來激活HIF系統(tǒng)，可以有效抑制線粒體信號通路，從而減弱順鉑誘導的AKIHIF靶基因[36]。綜上所述，在順鉑化療期間，HIF激活對腎臟有一定的影響。

4 HIF在腎臟疾病中的作用

損傷后，腎臟有修復(fù)的能力，腎小管尤為明顯。若起初損傷較為輕微，腎臟形態(tài)及功能均可以完全修復(fù);若起初損傷較為嚴重，則可能會導致慢性疾病的發(fā)生及腎功能的逐漸下降。在各種模型中，HIF與腎臟修復(fù)有關(guān)。

4.1 AKI后腎臟的修復(fù)情況? AKI后，腎臟有能力修復(fù)受損的小管。根據(jù)損傷的嚴重程度，修復(fù)可以是完全的，也可以是不完全的。完全修復(fù)（適應(yīng)性修復(fù)）可恢復(fù)腎小管的完整性和功能，而以未分化萎縮小管和持續(xù)性炎癥為特征的不完全修復(fù)（適應(yīng)性不良修復(fù)）可導致腎間質(zhì)纖維化，并可能進展為CKD[21，22]。腎小管間質(zhì)性缺氧被認為是進展性腎臟疾病的常見途徑。缺氧可抑制腎小管上皮細胞的生長，并通過加速去分化和凋亡而導致重構(gòu)失敗[23，24]。此外，缺氧還可將小管上皮細胞轉(zhuǎn)化為促纖維化表型，促進小管間質(zhì)炎癥反應(yīng)[25]。

4.2 HIF在腎細胞死亡、再分化和增殖中的作用? 適當?shù)哪I臟修復(fù)涉及到腎小管細胞死亡和增殖之間的精確平衡。缺氧可導致腎小管細胞死亡，在一定程度上可導致內(nèi)皮細胞死亡。HIF通過調(diào)節(jié)基因bcl-2家族，與p53交互、和/或針對線粒體酶影響細胞死亡，研究表明[26，27]，HIF激活可降低不同AKI模型的腎細胞凋亡。此外，通過調(diào)節(jié)HIF，可促進腎臟組織修復(fù)，從而降低急性腎小管壞死的發(fā)生率[28]。在非致死損傷中，近端小管細胞的增殖和再分化是腎小管修復(fù)的主要因素。當上皮細胞未完全再分化或在細胞周期的G2期被阻滯時，可能發(fā)生適應(yīng)性不良的管狀細胞的修復(fù)[29]。研究發(fā)現(xiàn)，存活的腎小管細胞可以瞬時上調(diào)腎小管上皮細胞脫分化標志物，如平滑肌肌動蛋白、波形蛋白等。在腎移植模型中，HIF的激活主要通過增加增生的腎小球和管周內(nèi)皮細胞的數(shù)量來維持管周毛細血管網(wǎng)。HIF可上調(diào)EPO水平，促進細胞再生，抑制凋亡細胞死亡，也可誘導雌激素細胞衍生因子-1（SDF-1），從而促進生殖細胞再生。同時，HIF還可以抑制細胞增殖。

4.3 HIF在腎纖維化中的作用? HIF是各種病理狀態(tài)下腎臟纖維化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。2007年，Higgins DF等[30]研究證明了腎小管HIF在單側(cè)輸尿管梗阻（UUO）時腎纖維化中的重要作用。在殘腎模型中，藥理激活HIF可改善腎小管間質(zhì)損傷，減少纖維化[31]。進一步研究表明[32]，HIF對殘腎模型的保護作用依賴于HIF活化的時間和亞型。在早期給藥脯氨酸羥化酶抑制劑-HIF穩(wěn)定劑，可加速腎纖維化，而在晚期給藥可降低腎纖維化。在高血壓、2型糖尿病模型中，激活HIF也可減輕腎纖維化[33]。另有研究表明HIF在腎臟中是促進纖維化的[34]。研究發(fā)現(xiàn)，注射一種藥理學HIF抑制劑可降低患者的腎纖維化[35]。因此，HIF在腎纖維形成中的重要調(diào)控作用。

[13]Vesey DA.Erythropoietin protects against ischaemic acute renal injury[J].Nephrology Dialysis Transplantation，2004，19（2）：348-355.

[14]Forsythe JA，Jiang BH，Iyer NV，et al.Activation of vascular endothelial growth factor gene transcription by hypoxia-inducible factor 1[J].Molecular&Cellular Biology，16（9）：4604-4613.

[15]Markovic-Mueller S，Stuttfeld E，Asthana M，et al.Structure of the Full-length VEGFR-1 Extracellular Domain in Complex with VEGF-A[J].Structure，2017，25（2）：341-352.

[16]Jamadarkhana P，Chaudhary A，Chhipa L，et al.Treatment with a novel hypoxia-inducible factor hydroxylase inhibitor（TRC160334）ameliorates ischemic acute kidney injury[J].American Journal of Nephrology，2012，36（3）：208-218.

[17]Bi LY，Zhao DA，Yang DS，et al.Effects of autologous SCF-and G-CSF-mobilized bone marrow stem cells on hypoxia-inducible factor-1 in rats with ischemia-reperfusion renal injury[J].Genetics&Molecular Research，2015，14（2）：4102-4112.

[18]Kobuchi S，Tanaka R，Shintani T，et al.Mechanisms underlying the renoprotective effect of GABA against ischaemia/reperfusion-induced renal injury in rats[J].Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology，2015，42（3）：278-286.

[19]Kapitsinou PP，Jaffe J，Michael M，et al.Preischemic targeting of HIF prolyl hydroxylation inhibits fibrosis associated with acute kidney injury[J].Ajp Renal Physiology，2012，302（9）：F1172-F1179.

[20]Wu CH，Song JS，Chang KH，et al.Stem Cell Mobilizers Targeting Chemokine Receptor CXCR4：Renoprotective Application in Acute Kidney Injury[J].Journal of Medicinal Chemistry，2015，58（5）：2315-2325.

[21]Venkatachalam MA，Geng H，Rongpei L，et al.14.08-Maladaptive Repair and AKI to CKD Transition[J].Comprehensive Toxicology，2018（14）：164-188.

[22]Ferenbach DA，Bonventre JV.Mechanisms of maladaptive repair after AKI leading to accelerated kidney ageing and CKD[J].Nature Reviews Nephrology，2015，11（5）：264-276.

[23]Wei L，Qin Y，Jiang L，et al.PPARγ and mitophagy are involved in hypoxia/reoxygenation-induced renal tubular epithelial cells injury[J].Journal of Receptor&Signal Transduction Research，2019（2）：1-8.

[24]Tanaka T，Hanafusa N，Ingelfinger JR，et al.Hypoxia induces apoptosis in SV40-immortalized rat proximal tubular cells through the mitochondrial pathways，devoid of HIF1-mediated upregulation of Bax[J].Biochemical and Biophysical Research Communications，2003，309（1）：0-231.

[25]Manotham K，Tanaka T，Matsumoto M，et al.Transdifferentiation of cultured tubular cells induced by hypoxia[J].Kidney International，2004，65（3）：871-880.

[26]Provenzano R，Besarab A，Sun CH，et al.Oral Hypoxia-Inducible Factor Prolyl Hydroxylase Inhibitor Roxadustat（FG-4592） for the Treatment of Anemia in Patients with CKD[J].Clin J Am Soc Nephrol，2016，11（6）：982.

[27]De VB，Matthijsen RA，Wolfs TG，et al.Inhibition of complement factor C5 protects against renal ischemia-reperfusion injury：inhibition of late apoptosis and inflammation[J].Transplantation，2015，75（3）：375.

[28]姜雪，李世軍.急性腎損傷腎小管上皮細胞修復(fù)的分子機制[J].腎臟病與透析腎移植雜志，2019，28（1）：89-93.

[29]Kim J，Padanilam BJ.Renal denervation prevents long-term sequelae of ischemic renal injury[J].Kidney International，2015，87（2）：350-358.

[30]Higgins DF，Kimura K，Bernhardt WM，et al.Hypoxia promotes fibrogenesis in vivo via HIF-1 stimulation of epithelial-to-mesenchymal transition[J].Journal of Clinical Investigation，2007，27（12）：157-169.

[31]Kushida N，Nomura S，Mimura I，et al.Hypoxia-Inducible Factor-1α Activates the Transforming Growth Factor-β/SMAD3 Pathway in Kidney Tubular Epithelial Cells[J].American Journal of Nephrology，2016，44（4）：276-285.

[32]Kawamorita Y，Shiraishi T，Tamura Y，et al.Renoprotective effect of topiroxostat via antioxidant activity in puromycin aminonucleoside nephrosis rats[J].Physiological Reports，2017，5（15）：e13358.

[33]Shu S，Wang Y，Zheng M，et al.Hypoxia and Hypoxia-Inducible Factors in Kidney Injury and Repair[J].Renal Replacement Therapy，2016，2（1）：1-8.

[34]Xu X，Jiao X，Song N，et al.Role of miR 21 on vascular endothelial cells in the protective effect of renal delayed ischemic preconditioning[J].Molecular Medicine Reports，2017，16（3）：2627-2635.

[35]Bernhardt WM.Preconditional Activation of Hypoxia-Inducible Factors Ameliorates Ischemic Acute Renal Failure[J].Journal of the American Society of Nephrology，2006，17（7）：1970-1978.

[36]Yang Y，Yu X，Zhang Y，et al.Hypoxia-inducible factor prolyl hydroxylase inhibitor roxadustat（FG-4592）protects against cisplatin-induced acute kidney injury[J].Clinical Science，2018，132（7）：825-838.

[37]Song YR，You SJ，Lee YM，et al.Activation of hypoxia-inducible factor attenuates renal injury in rat remnant kidney[J].Nephrol Dial Transplant，2010，25（1）：77-85.

[38]Akizawa T，Tsubakihara Y，Nangaku M，et al.Effects of Daprodustat，a Novel Hypoxia-Inducible Factor Prolyl Hydroxylase Inhibitor on Anemia Management in Japanese Hemodialysis Subjects[J].American Journal of Nephrology，2016，45（2）：127-135.

[39]Shuichi O，Masaomi N，Yuko I，et al.Cobalt ameliorates renal injury in an obese，hypertensive type 2 diabetes rat model[J].Nephrology Dialysis Transplantation，2008，23（4）：1166-1172.

[40]Hou W，Leong KG，Ozols E，et al.Cyclophilin D promotes tubular cell damage and the development of interstitial fibrosis in the obstructed kidney[J].Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology，2018，45（3）：250-260.

收稿日期：2020-03-28;修回日期：2020-05-10

編輯/錢洪飛

作者簡介：王寧（1991.4-），女，河南周口人，碩士，住院醫(yī)師，主要從事腎臟病學的研究

通訊作者：巴應(yīng)貴（1971.10-），男，青海西寧人，碩士，主任醫(yī)師，主要從事腎臟病學的研究