高原病發(fā)生的分子機制

王 超，李夢馨，李永平

(1.青海大學，青海 西寧 810001；2.青海大學醫(yī)學院中醫(yī)系，青海 西寧 810001)

隨著高原地區(qū)的開發(fā)和人類活動范圍的擴大，其獨特的地理環(huán)境使人體產(chǎn)生一系列生理病理改變和代償性適應變化，其中又以缺氧最為突出和嚴重。了解高原缺氧的發(fā)病機制，以預防和治療高原病對人體的損害，顯得尤為重要。急性高山病(account mountain sickness，AMS)是指機體在缺氧條件下發(fā)生的低氧血癥、高碳酸血癥和呼吸性堿中毒，癥狀表現(xiàn)為頭痛，胸悶，嗜睡等，嚴重的可導致肺水腫(high altitude pulmonary edema,HAPE)與腦水腫(high altitude brain edema ,HACE)。其患病率和嚴重程度隨海拔的升高而增加。海拔大于2 500米時中約有10%～25%的人群發(fā)生急性高山病。當海拔達到4 500～5 500米時，高山病的發(fā)病率可到達到50%～85%，并危及生命[1]。高原腦水腫和肺水腫是急上高原人員死亡的高危因素。在一項針對朝圣者發(fā)生高原病的研究中，快速上升至4 380米的769人中，AMS的例數(shù)為226例，而發(fā)生HACE的例數(shù)為11例[2]。歷年研究發(fā)現(xiàn)高原病的發(fā)生，可能與下列分子機制密切相關。本文就高原缺氧的相關發(fā)生機制予以綜述，總結(jié)近年來低氧誘導因子，熱休克蛋白，血管緊張素轉(zhuǎn)還酶，炎癥反應等與高原病發(fā)生的關系，為進一步了解和闡釋高原病的發(fā)病機制，防治高原病提供依據(jù)。

1 熱休克蛋白(HSPs)

HSPs是可以被誘導的進化過程中很保守的一類蛋白，通常有機體于高溫下誘導，亦能在紫外線，損傷，缺氧，病毒和細菌性感染等條件下誘導。HSPs作為一種保護性蛋白，能夠?qū)毎M行保護對抗缺氧、損傷刺激，提高耐受性，亦可在細胞受損后對其進行分解。HSPs在于細菌和哺乳動物之中廣泛分布，當較大的環(huán)境壓力作用于細胞時，會合成更多的熱休克蛋白。HSPs為伴侶蛋白，其主要功能為對抗氧化，清理消除氧自由基，減少溶酶體、線粒體等一系列細胞器的損害。Snoecks等依照組成蛋白的分子質(zhì)量，功能，氨基酸序列的結(jié)構(gòu)的差別將HSPs分為sHSP、HSP10、HSP40、HSP60、HSP70、SP90家族。觀察發(fā)現(xiàn)，HSP70-2B/B與HSP70-homB/B基因型更常見于發(fā)生AMS的患者中，并且與AMS發(fā)生的風險性相關[3]。在急性缺氧時，依賴ATP的HSP70和HSP90表達明顯降低，不依賴ATP的HSP27和HSP40也會在缺氧時間延長后發(fā)生降低。提示這些伴侶蛋白會在缺氧后被優(yōu)先表達，可能是幫助機體降低耗能，維持蛋白的穩(wěn)定[4]，以進行低氧環(huán)境的適應。

2 低氧誘導因子-1(HIF-1)

在人類和各種哺乳動物的細胞中，HIF-1均能被證實廣泛存在。在正常的氧環(huán)境下，細胞中的HIF-1會與泛素鏈接酶結(jié)合而迅速被降解，唯有在發(fā)生缺氧的條件時才能穩(wěn)定表達。HIF-1是氧氣在細胞水平上檢測和適應的中央調(diào)節(jié)器，能夠激活與缺氧，紅細胞生成，血管生成和線粒體代謝的有關基因，以維持氧穩(wěn)態(tài)。HIF-1是由HIF-1α亞單位和HIF-1β亞單位組成的異源二聚體，當細胞發(fā)生缺氧時，因為HIF-1的作用，糖酵解酶和葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白被上調(diào)，使細胞更多地通過糖酵解來降低耗氧量而不是有氧代謝，除此之外還能夠減少細胞分裂等過程中的養(yǎng)分消耗，以使機體更容易應對低氧環(huán)境。在一項高原習服的研究中，對在適應和未適應個體中差異表達的microRNA進行了通路分析，認為在未適應的個體中差異表達的上調(diào)的microRNA抑制了HIF通路，是發(fā)生高原缺氧和未習服的原因[5]。大多數(shù)報告顯示，HIF-1α和HIF-2α是缺氧轉(zhuǎn)錄反應的主要調(diào)控原件，但存在差異的是，細胞中的HIF-1α更多地介導了急性快速的缺氧過程，且會隨著時間的增加而逐步被降解，而HIF-2則會逐漸積累，骨髓有核紅細胞中HIF-2α的異常升高被視為參與了CMS(慢性高山病)的發(fā)生和發(fā)展，推斷其參與了下游缺氧基因的異常表達[6-7]。

3 血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)

血管緊張素轉(zhuǎn)換酶可以幫助血管緊張素(ANG)I轉(zhuǎn)換為血管緊張素Ⅱ，后者能夠促進血管收縮，血管壓力上升。亦能直接作用于腎上腺皮質(zhì)，是RAAS激活的關鍵步驟。醛固酮會強化腎小管對Na+的再吸收，嚴重時形成水鈉儲留，循環(huán)血量增加也會升高血壓，構(gòu)成發(fā)生高原病的危險因素。RAAS系統(tǒng)和體液平衡是早期高原適應的關鍵，研究發(fā)現(xiàn)，布地奈德能夠通過降低血管緊張素轉(zhuǎn)還酶，從而降低RAAS系統(tǒng)腎素的分泌，認為這有助于對AMS的防治[8]。亦有研究表明，在高原缺氧的環(huán)境下ACE活性無變化，提示醛固酮的變化可能是通過非ACE機制形成的[9]。

4 血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)

高原缺氧的發(fā)病機制被認為與毛細血管通透性密切相關，VEGF及VEGF受體sFLt-1增高是腦水腫、肺水腫血管通透性增加的最可能原因，VEGF是一種在低氧條件下有效的血管通透因子，低氧能夠誘導VEGF的分泌增加，與內(nèi)皮細胞結(jié)合后，通過破壞基底膜配合基來增加毛細血管通透性，導致血漿從毛細血管滲漏。sFLt-1能夠拮抗多種血管通透因子，與VEGF結(jié)合并降低其自由循環(huán)和生物活性。在大多數(shù)研究中，發(fā)生高原缺氧時VEGF水平升高。2018年一項研究中，HAPE患者血漿中VEGF和sFLt-1水平均顯著升高，目前尚不能清楚兩者同時升高的原因和機制[10]。

5 內(nèi)皮素(ET)

ET具有強烈的縮血管作用，其意義是維持血管的張力，在高原環(huán)境下，也會更容易引起肺動脈高壓和腦組織的損傷，發(fā)生HACE和HAPE。ET-1、ET-2、ET-3是內(nèi)皮素的3個異構(gòu)體，分別于不同的組織表達，血管內(nèi)皮細胞主要表達ET-1，而ET-2和ET-3則主要位于神經(jīng)組織。利尿有助于高原適應，能夠增加單位體積內(nèi)的血細胞比容和氧氣運輸，以減輕低氧代償性呼吸增快導致的呼吸性堿中毒。AMS患者利尿減少，可能的機制是精氨酸升壓素(AVP)和肽素的上調(diào)或周圍化學感受器敏感性改變導致的[11]，AVP能夠刺激ET-1的釋放，而ET-1能夠拮抗AVP，促進利尿維持體液平衡，減輕AMS。Boos等實驗和分析認為ET-1是AMS的獨立預測因子，但也說明了ET-1的總體風險預測較低[12]。

6 微囊泡(MVs)

MVs是一類直徑為0.11 μm的亞細胞因子，在一般情況下，細胞會保持少量的MVs，當受到缺氧環(huán)境和氧化應激時，細胞產(chǎn)生的MVs會大大增加，MVs主要的來源是活化或凋亡的細胞。在一些缺氧性疾病中 ，如缺血性中風 ，或腦組織出血造成的局部缺血缺氧，MVs的測得量均顯著上升。MV會被多種類型的細胞釋放當被激活，損傷或者正在經(jīng)歷凋亡時，它從被釋放的細胞中攜帶物質(zhì)，并轉(zhuǎn)運到相鄰的正常細胞中，產(chǎn)生一系列的反應，包括誘導細胞凋亡，這一過程擴大了損傷。MVs攜帶的可能是一些獨立的促凋亡信號，有研究表明，MVs可以攜帶ROS并轉(zhuǎn)移至靶細胞以介導細胞凋亡[13]，也有研究認為MVs攜帶的促凋亡蛋白Bax和抗凋亡蛋白Bcl-2的失衡是細胞凋亡的關鍵[14]。近年來，MVs亦被認為在某些組織、細胞中在應對缺氧環(huán)境下具有保護作用。

7 一氧化氮合酶(NOS)

NO分子質(zhì)量很小，能很輕松穿過細胞膜作用于平滑肌細胞，可溶性鳥苷酸環(huán)化酶被激活，生成3 ′,5′環(huán)狀單磷酸脂，使血管擴張，增加血液和氧氣供應。NO的產(chǎn)生，依賴于NOS與O2及L-精氨酸發(fā)生反應從而生成L-瓜氨酸和NO。由于底物的減少，血管內(nèi)皮的缺氧會造成NO生成減少和ROS活性增高，從而增強血管通透性和發(fā)生水腫。同時，當發(fā)生缺氧時，HIF-1，HIF-2會上調(diào)eNOS(內(nèi)皮型一氧化氮合酶)與iNOS(誘導型一氧化氮合酶)的產(chǎn)生，以生成更多的NO[15]，這可能是一種保護機制。在慢性缺氧的高原適應中，研究發(fā)現(xiàn)藏族人血液中NO的水平要比平原人低很多，認為這可能與較高的血流量有關[16]。在一項針對NOS亞型的動物實驗中，得出結(jié)論認為較高的nNOS和iNOS microRNA表達，較低的iNOS活性和NO代謝產(chǎn)物水平可能更有助于紅尾沙蜥進行高原適應[17]。

8 炎性反應

炎性反應與高原缺氧的關系主要體現(xiàn)在兩個方面，一是機體本身存在的炎性會誘導和增加AMS等的發(fā)生。Mishra等通過比較HAPE既往史和無既往史受試者血清中MCP-1、MIP-1α、lp-8的測得顯著上升，認為具有HAPE既往史受試者較高的基線慢性炎性反應，可能是升高HAPE易感性的因素[18]。二是高原病本身的炎性改變，與高原低氧最相關的疾病，如AMS、CMS、HACE等的發(fā)生發(fā)展中，均可見相關組織細胞的炎性改變和炎性標志物檢測的上升。研究發(fā)現(xiàn)，高海拔缺氧會誘導人體TNF-α、lp-1β、lp-6的升高，且上述促炎因子與AMS的癥狀呈現(xiàn)正相關[19]。炎性反應與高原病發(fā)病機制的關系仍是推測性的，有待討論。高鈺琪等認為低氧引起lp-1β、lp-6等炎性反應因子和內(nèi)皮細胞ICAM1等細胞粘附分子(CAMs)水平的上升，MKL1，Brg1/Brm介導細胞粘附分子CAMs的轉(zhuǎn)錄和激活，進而導致血管收縮舒張失衡，通透性改變是HAPE發(fā)病的重要機制[20]。

此外，促紅細胞生成素，谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶等亦被認為與高原病的發(fā)生存在聯(lián)系，已有多篇文章對此進行論述和總結(jié)，概不贅述。

隨著越來越多的人群進入高原，出于工作或者娛樂等目的，研究高原對人體的損害及防治十分必要。高原缺氧的發(fā)病機制目前尚不能明確，存在爭議，有待研究者們進一步證明和闡釋，以上總結(jié)的相關分子機制對高原病的發(fā)生存在著重要意義，可能對相關的實驗和臨床研究提供一定的基礎依據(jù)，為高原病的防治提供指導。