低氧誘導因子-1α在腦缺血再灌注損傷中的作用

賈穎 周藝蕉 楊春燕

腦組織是人體對缺血缺氧最敏感的器官，腦缺血是指供給腦組織的血流不足以提供足夠的氧氣和營養或去除有毒代謝產物，導致局部腦組織及其功能損害，從而形成的一種病理狀態。為防止腦缺血所導致的周圍腦組織損傷進一步加重，臨床上常采用動脈溶栓、機械取栓、球囊擴張、支架置入等血管內治療方法恢復周圍腦組織的血液供給。隨著研究的進展，發現上述血管再通治療會引起腦缺血再灌注損傷（Cerebral ischemia reperfusion injury，CIRI），包括腦血管通透性增高、血腦屏障（BBB）破壞、細胞水腫和凋亡等。低氧誘導因子-1α（HIF-1α）被 認為是CIRI的重要調節劑，并負責調節神經細胞的許多病理生理過程，包括炎癥反應過程中的細胞凋亡、能量代謝和基因轉錄等[1]。HIF-1α作為一種通用的分子主開關，它通過調控誘導型一氧化氮合酶（iNOS）、血管內皮生長因子（VEGF）、血管生成素-1（Ang-1）、促紅細胞生成素（EPO）、胰島素樣生長因子-2（IGF-Ⅱ）、糖酵解酶（GE）和葡萄糖轉運蛋白-1（GLUT-1）等恢復血液循環、葡萄糖運輸及介導缺氧后的低氧等，發揮促進細胞存活、抑制凋亡的保護作用[2]。因此，在CIRI中通過調控HIF-1α及其下游靶基因的表達減輕腦損傷，是臨床治療腦缺血缺氧相關疾病的重要目標基因途徑?，F針對HIF-1α在CIRI中的作用及相關機制進行綜述。

1 HIF-1α 的生物學特性

低氧誘導因子（HIF）是一種異源二聚體轉錄因子，在介導缺氧適應性反應中起關鍵作用。它是由氧敏感的HIF-α亞基和HIF-β亞基組成，HIF-β亞基又稱為芳烴受體核轉運蛋白（ARNT），HIF-α亞基在哺乳動物中發現3種同工型：HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α，HIF-1α可以在所有類型細胞中表達，被認為是體內低氧調控的主要功能亞基，對于維持哺乳動物細胞中的氧穩態尤為重要；HIF-2α由EPAS1基因編碼，與 HIF-1α 結構和功能類似，主要在胎盤、肺、肝和心臟等少數組織中表達，并且在血管生成和紅細胞生成中起著核心作用；HIF-3α作為多個剪接變體存在，可以通過負反饋的方式抑制HIF-1α和HIF-2α的活性，其功能研究較少[3]。

HIF-1α的穩定性及活性受其翻譯后修飾調節，包括羥基化、泛素化、乙?；土姿峄@種調節主要是通過氧依賴性降解域（ODDD）的獨特結構。在正常氧壓條件下，HIF-1α的ODDD上兩個脯氨酸殘基的羥基化和賴氨酸殘基的乙?；|發其與pVHL E3連接酶復合物的結合，導致HIF-1α通過泛素-蛋白酶體途徑迅速降解。在低氧壓條件下，泛素-蛋白酶體的降解途徑被抑制，HIF-1α在胞漿中聚積并轉移到細胞核中，與HIF-1β形成異源二聚體，在轉錄共激活因子CREB-結合蛋白/p300 等的作用下，結合到靶基因啟動子的低氧反應元件上，相互作用并調節下游靶基因的表達上調[4]，促進糖酵解、氧利用、紅細胞增生，增加葡萄糖轉運體等，起到對缺氧組織的保護效應。然而，HIF-1α的過表達也可導致氧自由基生成增多，過量的氧自由基促進細胞凋亡，加重器官功能損害。

2 HIF-1α在CIRI中的作用

CIRI由缺血期的原發性損傷和再灌注期的繼發性損傷組成，可形成腦水腫和其他繼發性病變。HIF-1α在CIRI中發揮重要作用，包括改善線粒體功能，降低細胞氧化應激，激活腦保護信號通路和下游保護基因，并與非編碼 RNA 相互作用等[5]。

2.1 對線粒體功能的保護作用線粒體是有氧呼吸的主要場所，也是缺血性損傷的主要靶點。線粒體功能障礙在CIRI中起著非常重要的作用[6]。在缺血期間，氧含量降低會損害線粒體ATP的產生并誘導細胞內Ca2+的增加。在再灌注期間，細胞內Ca2+的濃度進一步增加，導致細胞質和線粒體中的鈣過載。同時，缺氧會破壞線粒體電子傳遞鏈（ETC）導致活性氧（ROS）產生增加。ROS和Ca2+的增加導致線粒體內膜中非選擇性、高導電性通透性轉換孔（PTP）的開放，以及線粒體膜通透性的變化。PTP開放進一步增加線粒體Ca2+和ROS水平，并刺激線粒體中蛋白質和脂質的氧化[7]。鈣超載和氧化應激可能導致線粒體功能障礙，進而誘導腦細胞出現凋亡或壞死。一方面，細胞內氧濃度的降低可以通過在缺血期間抑制PHD蛋白（脯氨酸羥化酶）來激活HIF-1α；另一方面，HIF-1α可以調節線粒體特異性基因的表達水平以適應缺氧應激，改善線粒體功能[8]。Du等[9]研究發現，HIF-1α可通過減少腦缺血再灌注時產生的ROS和Ca2+來抑制PTP，從而減輕腦細胞凋亡。Nanayakkara等[10]提出HIF-1α通過調節Frataxin表達水平來應對缺血缺氧性損傷。Frataxin水平的增加減輕了線粒體ROS產生，保持了線粒體膜的完整性。此外，HIF-1α 還可以通過激活不同的腦保護信號通路，如PI3K/AKT和Janus激酶2/STAT3通路來改善線粒體呼吸功能，以保護缺血再灌注后的大腦組織[11]。因此，優化線粒體和HIF-1α互利作用所需的氧水平可能為CIRI治療提供新的方向。

2.2 維持細胞氧化還原平衡ROS通常被認為是有氧代謝的天然副產物，并且在細胞信號傳導和體內平衡中具有重要作用，然而當線粒體受到刺激時，ROS水平會急劇增加，導致細胞結構嚴重損害。在CIRI中，缺血期開始產生ROS，再灌注期ROS大量產生（缺血期ROS異常增加導致琥珀酸的積累，ETC復合物活性降低；再灌注期琥珀酸被迅速氧化產生大量ROS）。細胞中過量的ROS積累是CIRI的主要原因之一，過量的ROS可使腦細胞正常的生物膜結構受損、細胞內蛋白功能抑制、核酸以及染色體破壞，最終導致不可控制的腦損傷[12]。 HIF-1α 通過多種機制減輕CIRI，如激活HIF及其下游的信號通路，從而激活了參與調節細胞氧化還原狀態以及減少細胞中ROS產生和凋亡的靶基因。Deshwal等[13]研究顯示，HIF-1α介導線粒體和NADPH氧化酶家族產生的 ROS 并調節細胞的氧化還原狀態，從而降低CIRI的嚴重程度。此外，Thomas等[14]研究顯示，HIF-1α介導從氧化代謝到糖酵解的轉變，從而減少線粒體氧化劑的產生，降低ETC活性并減弱線粒體ROS產生，避免細胞死亡。因此，這些研究支持 HIF-1α 對維持細胞氧化還原平衡的有益作用，但仍需要進一步研究。

2.3 HIF-1α信號通路自首次報道HIF-1α的靶基因（EPO）以來，已鑒定出數百個下游靶基因，證明了HIF-1α信號通路的復雜性和重要性[15]。在CIRI中，HIF-1α可以調節和參與許多信號通路。Fan等[16]研究顯示，機體可能通過Nrf2/HO-1和HIF-1α/VEGF信號通路上調抗氧化應激活性并促進血管生成修復內皮屏障，有效改善病灶缺氧，從而保護腦細胞。Yan等[17]研究表明異氟醚預處理后可能通過Akt/mTOR/s6K激活上調HIF-1α表達，從而提供潛在的神經保護作用，防止CIRI的發生。Li等[2]在大鼠中風模型研究中顯示，HIF-1α通過上調缺血后的EPO減輕神經元凋亡，發揮腦保護作用。Luo等[18]研究發現，當再灌注開始時用右美托咪定處理后可通過上調HIF-1α來誘導Bcl-1和p62表達，從而抑制神經元自噬，保護大腦免受缺血再灌注損傷。此外，血紅素加氧酶-1、IGF-Ⅱ、GLUT-1等位點也參與 HIF-1α對CIRI的保護作用。

在CIRI中，HIF-1α還可以通過直接或間接調節多種信號通路發揮作用[14]。在線粒體方面，HIF-1α可以直接或間接影響線粒體功能，減少線粒體損傷，減輕CIRI的嚴重程度。HIF-1α可以通過HIF-1α/Bcl-2和BNIP3信號通路誘導線粒體自噬，從而促進CIRI后神經細胞存活[19]。然而，HIF-1α介導的保護作用僅限于缺血再灌注的早期，持續自噬也可能會促進神經細胞死亡。在氧化應激方面，HIF-1α也起著重要作用，如HIF-1α可以上調Nrf2，然后激活抗氧化酶，通過增強內在ROS清除來保護神經細胞[16]。在炎癥方面，缺氧時IκBα磷酸化導致IκBα的降解和NF-κB的激活。然而HIF-1α的激活可以抑制NF-κB通路并誘導HO-1，從而減少促炎細胞因子的產生，抑制組織炎癥并降低CIRI的嚴重程度[20]。此外，HIF-1α還可以調節多種信號通路，如GSK3β/線粒體PTP、ERK1/2、Bcl-2、PI3K/AKT和mTOR等參與多種細胞功能的調控，從而可以降低CIRI的嚴重程度。

2.4 HIF-1α與非編碼RNA之間的關系MicroRNA （miRNA或miR）是一種小型非編碼RNA分子，長度約為22個核苷酸。它們主要與mRNA的3'非翻譯區結合以控制穩定性和翻譯，從而降低蛋白質水平。人類基因組中超過30%的基因被miRNA所調控。一些研究報道miRNA在腦血管疾病中起著非常重要的作用。Li等[21]研究miRNA在CIRI神經元凋亡中的作用，發現在CIRI的體內和體外模型中，miR-186的水平顯著降低。進一步研究發現miR-186通過與該mRNA的3'非翻譯區相互作用直接靶向HIF-1α，當敲低HIF-1α則克服了因細胞缺血再灌注損傷及miR-186下調而導致的細胞凋亡。因此，miR-186能夠通過部分下調HIF-1α來減少神經元的缺血及再灌注損傷。Wang等[22]研究顯示敲低miR-34a通過激活HIF-1α信號通路在大鼠CIRI中發揮保護作用。該研究顯示在腦缺血再灌注過程中miR-34a的表達水平顯著升高，當抑制miR-34a表達可有效減輕CIRI，增加尼氏小體數量，減少病灶區凋亡細胞數量。Yi等[23]在研究KCNQ1OT1（鉀離子電壓門控通道）通過靶向抑制 miR-140-3P加劇CIRI時，證明miR-140-3p 和HIF-1α之間存在相互作用，包括HIF-1α參與了miR-140-3p的細胞保護作用。此外，有研究證明 HIF-1α可與miRNA（如miR-140-3p和miR-144-3p） 相互作用，在CIRI時發揮抗氧化應激及細胞保護作用[24]。盡管與HIF-1α相關的已知miRNA數量正在增加，但大多數研究都集中在癌細胞系上，而對其在神經系統尤其是CIRI中的作用知之甚少。

3 HIF-1α參與天然化合物對CIRI的腦保護作用

多項研究表明，某些天然化合物可緩解 CIRI，其治療效果通過HIF-1α介導。Cao等[25]研究證明柚皮苷可以通過調節HIF-1α/AKT/mTOR信號通路來預防缺血再灌注誘導的神經細胞體外損傷，這可能為CIRI治療提供新的思路。Janyou等[26]研究發現二氫辣椒素可增加HIF-1α及其下游靶基因VEGF的表達，在不增加BBB滲漏的情況下誘導功能性血管生成，并在CIRI后14天改善神經功能。Hou等[1]研究表明姜黃素也對CIRI具有保護作用且與抑制HIF-1α和自噬密切相關。其他幾種天然化合物，如人參皂甙Rg1、川芎嗪、當歸、紅景天苷、黃連解毒湯和葛根素，可以通過影響HIF-1α表達水平影響線粒體、ROS、血管生成和細胞存活等，防止CIRI的發生。

4 HIF-1α在腦缺血預處理和后處理中的作用

缺血預處理（IPC）指在組織長時間缺血前對其進行短暫的缺血處理，是一種內源性的對器官隨后出現持續性缺血損傷的保護作用。大腦擁有能夠防御缺血性損傷的內源性機制，這些先天的生存途徑可以被IPC激活，從而暴露于亞致死應激源觸發基因和蛋白質表達的變化，導致機體耐受性基因表達。然而，大腦缺血耐受的機制尚未完全闡明，但Lee等[27]已研究證實IPC介導的神經保護作用可能涉及對HIF-1α及其下游蛋白VEGF的調節。Feng等[28]發現低氧預適應可能通過上調HIF-1α的表達來增強對缺氧缺血性腦損傷的耐受性并減少神經細胞的凋亡。Li等[29]也發現長期暴露于中度缺氧，通過HIF-1α獨立機制對CIRI產生強大的保護作用。因此，IPC或低氧預適應可減輕缺血再灌注后的腦損傷，而HIF-1α是其中的關鍵因子。但在臨床實際中，由于各種缺血性腦疾病如急性腦梗死等發病時間難以預測，IPC方法并不適用。在患者腦組織出現缺血后且再灌注前進行短暫、多次的缺血再灌注處理也可有效減輕CIRI，被稱為缺血后處理（IPTC）。與IPC相比，IPTC更具靈活性且可能在臨床實踐中發揮更重要的作用。HIF-1α是與缺血缺氧性腦損傷密切相關的轉錄因子，實驗表明IPTC往往伴隨HIF-1α及其下游靶基因iNOS和VEGF的表達增強，提示HIF-1α在IPTC中也發揮一定作用[30]。此外，Zong 等[31]研究顯示，IPTC可顯著減輕CIRI，其機制與抑制HIF-1α過表達、降低炎癥反應有關。因此，HIF-1α在 IPC和IPTC 中發揮關鍵作用，可能成為CIRI治療的重要目標。

5 HIF-1α與CIRI腦保護作用的其他研究

隨著對CIRI相關機制和HIF-1α及其下游基因的不斷研究，HIF-1α相關CIRI干預也在不斷探索。Wang等[5]在大鼠模型中研究發現，HIF-1α的激活可以阻斷右美托咪定對缺血再灌注大鼠神經元凋亡的抑制作用，證明右美托咪定可以抑制CIRI后神經元凋亡，從而產生神經保護作用，且這種神經保護作用與HIF-1α表達抑制有關。Li等[32]研究重組腺病毒介導HIF-1α表達的腦保護作用，結果顯示HIF-1α可以緩解局灶性CIRI的神經功能缺損，具有明顯的神經保護作用，這種保護作用可能與CIRI周圍HSP90表達增加和Caspase-3表達降低有關（抑制神經細胞凋亡），因此，HIF-1α可作為治療缺血性腦損傷的候選基因。Zhang等[33]研究發現依達拉奉可以有效降低缺血同側腦組織中ROS的產生和HIF-1α及VEGF蛋白水平，發揮腦保護作用。Wang等[19]研究高壓氧改善大鼠CIRI的機制，發現早期高壓氧治療可以減少CIRI引起的腦損傷，可能是通過抑制自噬及其上游分子HIF-1α來防止缺血半暗帶中的神經元死亡，這一機制可能是高壓氧誘導神經保護、改善神經功能的重要途徑之一。

6 結語

CIRI是腦血管疾病發生后出現的一種嚴重并發癥，對患者神經功能造成不可逆損傷，具有較高的致殘率和死亡率。然而，HIF-1α可以通過各種復雜的機制減輕 CIRI，包括參與糖酵解、線粒體功能、細胞存活、細胞凋亡和氧化應激等，具體機制仍不清楚。HIF-1α作為在機體內廣泛分布的轉錄調控因子，通過控制下游上百個靶基因的表達對機體結構、功能和代謝產生重要的調節作用。因此，HIF-1α可能通過不同的機制在CIRI進展的不同階段發揮作用，同時也可能是治療CIRI的有效靶點。但HIF-1α及其靶基因的種類及功能十分復雜，還需要更深入研究 HIF-1α在 CIRI 病理生理學中的作用及其潛在機制。