低氧誘導因子-1在心血管疾病中的研究進展

王倩倩 宋雙 程艷麗濱州醫(yī)學院，山東 56600；濱州醫(yī)學院附屬醫(yī)院心血管內科，山東 56600

《中國心血管病報告2018》概要顯示，當前我國的心血管病患病率處于持續(xù)上升趨勢，并且其病死率也明顯高于其他系統(tǒng)性疾病，特別是近些年來心血管病病死率在農村的占比顯著高于城市，心血管疾病已然成為威脅人類健康的重要殺手［1］。低氧誘導因子-1（hypoxiainducible factor-1，HIF-1）在心血管疾病發(fā)病中的作用越來越受到學者們的重視，已成為生物醫(yī)學研究領域的熱點。HIF-1是一種負責調控缺氧反應的關鍵轉錄因子。既往研究顯示，心肌細胞供氧減少可影響心臟的新陳代謝、形態(tài)以及生理功能，而HIF-1調節(jié)的低氧適應在心血管病的發(fā)病中發(fā)揮不可忽視的作用。因此，深入探索其作用機制可能為心血管疾病的預防和治療打開一扇新的大門。本文重點就HIF-1在動脈粥樣硬化、心肌缺血/再灌注損傷以及心力衰竭等疾病中的研究進展進行綜述。

1 HIF-1的調節(jié)機制及功能

HIF-1是由受氧調控的HIF-1α亞基以及發(fā)揮組成表達作用的HIF-1β亞基構成的異二聚體，是堿性螺旋-環(huán)-螺旋蛋白家族的PER-ARNT-SIM亞家族成員［2］。正常氧濃度時，HIF-1α亞基中特定的脯氨酰殘基可以被脯氨酸羥化酶（PHD）快速羥基化，隨后由von Hippel-Lindau（VHL）E3泛素連接酶識別并泛素化，最后由26S蛋白酶體降解，從而可以使HIF-1α在細胞內維持低濃度［3］。而缺氧時，PHD無法對HIF-1α亞基中特定脯氨酰殘基進行羥基化，所以HIF-1α可保持穩(wěn)定不被蛋白酶體降解，并從胞質轉位至胞核，與HIF-1β發(fā)生二聚形成HIF-1異二聚體轉錄因子，隨后HIF-1可以與靶基因的缺氧反應元件結合，激活下游基因轉錄［4］。此外，研究表明HIF-1的抑制因子、Ca2+也可在氧濃度正常時對HIF-1α的降解起調節(jié)作用［5］。低氧時HIF-1在細胞內過量累積可調節(jié)血管生成、能量代謝、細胞凋亡、自噬、增殖等多種目標基因的表達，使細胞能夠適應低氧環(huán)境，在動脈粥樣硬化、心肌缺血/再灌注損傷以及心力衰竭等眾多心血管病的發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用。

2 HIF-1與心血管疾病

2.1 HIF-1與動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化進展的病理過程即為動脈血管壁的慢性炎癥損傷性過程，其繼發(fā)于受損的動脈內膜，隨后出現脂質積聚、纖維組織增生以及鈣質沉著。其發(fā)病機制可主要涉及以下幾個方面，如血管內皮細胞功能障礙、脂質沉積、單核-巨噬細胞的浸潤、平滑肌細胞遷移與增殖等。其發(fā)展過程即反應動脈內膜的缺氧性變化，隨著斑塊的逐漸演變，動脈壁厚度逐漸增加，動脈內膜氧供逐漸減少［6］。

HIF-1及其蛋白家族通過調節(jié)氧依賴性信號級聯(lián)反應，感知心臟供氧減少，并引發(fā)下游信號分子的一系列效應。多項研究發(fā)現，低氧時HIF-1過表達會促進粥樣斑塊發(fā)展，特別是在內皮細胞、平滑肌細胞以及巨噬細胞、泡沫細胞等細胞中產生的細胞特異性反應，更會加重動脈粥樣硬化的相關性損傷［7］。Aarup等［6］研究證實低氧誘導的HIF-1在低密度脂蛋白受體基因敲除（Ldlr-/-）小鼠動脈粥樣硬化斑塊中廣泛表達，并且其表達通過調節(jié)巨噬細胞向M1或M2方向極化、遷移和凋亡，進而影響巨噬細胞固有的炎癥特性，促進小鼠發(fā)生病變。此外，Liu等［8］也發(fā)現，當組織特異性抑制血管平滑肌細胞中HIF-1α表達時，可顯著抑制載脂蛋白E基因敲除（ApoE-/-）小鼠的斑塊形成。Akhtar等［9］通過使用他莫昔芬注射液誘導ApoE-/-小鼠內皮細胞HIF-1α基因表達缺失，并分組使用高脂飲食和正常飲食喂養(yǎng)小鼠12周，發(fā)現高脂血癥可誘導內皮細胞HIF-1α活化，促使轉錄因子（NF-κB）激活，NF-κB通過建立正反饋可以上調HIF-1α表達，從而促使單核細胞聚集，加速動脈粥樣硬化進展。陸衛(wèi)華等［10］也表示，脂肪組織缺氧時可導致HIF-1表達上調，而HIF-1作為低氧調節(jié)的重要標志物，可以和其他炎癥因子及某些細胞因子作用，從而促使動脈粥樣硬化進展。

動脈粥樣硬化時血管內皮細胞損傷以及血供減少造成的低氧均會誘導HIF-1激活，HIF-1可誘導血管內皮生長因子（VEGF）表達，并可上調基質細胞衍生因子，從而可以促使形成新生的血管［9］，并且還研究表明，HIF-1α可以發(fā)揮抗血小板聚集的作用以及調控血管的舒縮等共同調節(jié)血管新生。新生血管形成即可意味側支循環(huán)的建立，便可為因冠狀動脈粥樣硬化引起的缺血心肌恢復血供，進而改變心肌代謝，提高心肌對缺血缺氧的耐受力，因此，HIF-1的研究可能為缺血性心臟病的臨床診療提供新的思路。但也有研究發(fā)現，動脈粥樣硬化中HIF-1誘導形成的血管可加劇斑塊內部的炎性細胞浸潤，甚至可以使得斑塊和血流動力學的不穩(wěn)定性增加，是使穩(wěn)定斑塊向不穩(wěn)定斑塊發(fā)展的關鍵因素。因此HIF-1α調控過遲時可能會觸發(fā)不穩(wěn)定斑塊的破裂，導致致命后果［7］。

然而，鑒于HIF-1在粥樣斑塊涉及的各種細胞中的效應具有特異性或依賴性，所以尚無法嚴格描述HIF-1表達具有促進或抑制動脈粥樣硬化作用。例如，有研究證實HIF-1在Cd11c+抗原提呈細胞中過表達時對小鼠具有抗動脈粥樣硬化作用［11］。研究還發(fā)現，口服HIF-脯氨酰4-羥化酶拮抗劑可增加HIF-1和HIF-2的表達，進而抑制Ldlr-/-小鼠動脈粥樣硬化［12］。

2.2 HIF-1與心肌缺血/再灌注損傷 目前心血管疾病是影響人類健康的關鍵疾病之一，而心肌梗死更是獨占鰲頭。盡管介入治療及溶栓等技術的發(fā)展顯著降低了心梗病死率，但再灌注所導致的心肌細胞凋亡以及梗死面積的擴大等額外損傷也不容小覷。1960年Jennings等人提出了心肌缺血/再灌注損傷假說，指由于冠脈閉塞導致心肌缺血，當恢復血液灌流后由于Ca2+超載、細胞凋亡、免疫炎性反應、氧自由基生成等機制，導致心肌損傷進一步加重甚至產生不可逆性改變。研究表明，當心肌發(fā)生缺血/再灌注損傷時，HIF-1高表達是心肌在分子水平上最早的適應性反應之一，可介導多種渠道來對心臟產生保護作用［13］。

Murry等［14］在1986年報道，當對狗的在體心臟實行多次的冠狀動脈結扎時，并且每次結扎后間隔5 min給予再灌注，最后再灌注組的心肌梗死面積明顯較非再灌注組降低75%。后來人們提出缺血預處理這一概念，指在心肌長時間缺血前反復多次予以短暫的缺血/再灌注處理，進而提高心肌對缺血的耐受能力。腺苷學說是缺血預處理的可能機制之一，Semenza［15］發(fā)現缺血預處理能誘導血管內皮細胞的HIF-1依賴性CD39和CD73表達，導致腺苷水平升高，進而發(fā)揮心臟保護作用；并且在預處理前注射吖啶（HIF-1α和HIF-1β二聚化抑制劑）時，則預處理的心臟保護作用可被阻斷，從而表明HIF-1是缺血預處理過程中的必需介質。

此外，HIF-1可以調節(jié)糖酵解代謝和氧化代謝之間的平衡以發(fā)揮對缺血心臟的保護作用。HIF-1可以協(xié)同激活編碼葡萄糖轉運蛋白1和糖酵解途徑相關酶基因的轉錄，從而增加糖酵解通量，允許心肌細胞在缺氧條件下維持腺苷三磷酸（ATP）水平，維持心肌正常的能量供給［16］。大量研究表明，在心肌缺血/再灌注損傷中HIF-1過表達可以通過多種途徑誘導腺病毒E1B 19 kDa相互作用蛋白3（BNIP3）、BNIP3L、3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1（PDK1）、PDK3、MicroRNA-210、乳酸脫氫酶A（LDHA）等激活，抑制線粒體氧化代謝，誘導線粒體自噬，減少再灌注時活性氧的產生，進而明顯減弱氧化應激，對缺血心肌發(fā)揮保護作用［15］。HIF-1還可上調VEGF表達，介導缺氧時的血管生成反應，改善病變部位缺血缺氧［17］。

再灌注過程中，由于Ca2+超載、氧自由基大量生成等均會促進線粒體膜通透性轉化孔（MPTP）的開放，致使細胞代謝紊亂，最終引起細胞壞死和凋亡等不可逆性改變。多項研究證明，缺血/再灌注時期心肌細胞內HIF-1大量表達可減少Ca2+及氧自由基等代謝產物的產生，從而抑制MPTP的開放，恢復細胞能量代謝水平，防止心肌受損加重。

2.3 HIF-1與心力衰竭 心力衰竭是多種心血管疾病的終末期臨床階段和主要死因，當前全球的心衰患病率居高不下，已成為本世紀心血管領域挑戰(zhàn)之一。心衰時組織器官血液灌注不足可導致多種器官缺血缺氧，諸多基礎試驗以及臨床試驗均驗證出HIF-1過表達與心衰進展有密切關系。心室重塑是心衰發(fā)生發(fā)展的基本病理機制。研究人員通過構建小鼠的主動脈縮窄模型以增加左心室壓力負荷，探索心衰的病理生理機制。組織學分析顯示，在心肌代償性肥大期間，心肌毛細血管密度增加，但當心肌發(fā)生失代償時，毛細血管密度降低，導致心臟缺氧，提示心肌毛細血管生成在心功能代償時發(fā)揮重要作用［18］。

如前所述，缺氧可誘發(fā)HIF-1過表達，進而激活VEGF、C-X-C基序趨化因子配體1（CXCL1）等表達促使新生血管的形成。研究發(fā)現，心衰時心臟代償期間HIF-1表達顯著上調，而失代償期明顯減少；而在HIF-1缺失的小鼠中，即使在代償期，心肌收縮功能也明顯受到抑制，從而表明HIF-1是心臟維持正常功能的重要介質，有效介導心肌細胞對缺氧的代償性適應反應［19］。Wang等［11］研究發(fā)現，芪藶強心也是以HIF-1依賴性的方式促進心肌微血管內皮細胞增殖，并且可上調HIF-1α和一系列糖酵解相關酶改善葡萄糖利用和代謝。可見，心衰時HIF-1過表達對心肌細胞內的代謝調節(jié)也可發(fā)揮明顯的有益作用。有研究表明地高辛（HIF-1抑制劑）治療主動脈縮窄（TAC）誘導的野生型小鼠時，會引起心臟快速失代償，表明該藥物具有抗治療作用。或許這也可以解釋盡管地高辛可作為強心劑治療心衰患者，但應用后患者生存率并未相應增加。Li等［20］通過臨床試驗觀察，血清HIF-1水平可有效反應急性失代償性心衰患者病情的嚴重狀態(tài)，研究發(fā)現，與射血分數保留型心衰和病情好轉患者相比，射血分數降低型心衰和死亡患者的HIF-1顯著升高，由此可見，HIF-1在預測心衰患者病死率方面價值頗高。值得注意的是，HIF-1過表達可能會損害心肌正常舒縮功能。Warbrick和Rabkin［21］發(fā)現肥胖和代謝綜合征與射血分數保留型心衰發(fā)病有密切關系，肥胖患者的脂肪組織中HIF-1α表達增加，一方面可導致促纖維化轉錄程序的表達，包括膠原I、Ⅲ、Ⅳ、金屬蛋白酶組織抑制因子（TIMP）以及賴氨酸氧化酶，另一方面HIF-1α還可募集介導肥胖相關炎癥的巨噬細胞釋放炎癥因子，進而致使心肌纖維化，損害心臟舒張功能。因此，抑制肥胖患者HIF-1α的表達可能是射血分數保留型心衰的潛在治療策略。

3 展 望

綜上所述，HIF-1調節(jié)的低氧適應在諸如動脈粥樣硬化、心肌缺血/再灌注損傷、心力衰竭等多種心血管疾病中發(fā)揮了重要的作用。HIF-1作為目前生物醫(yī)學研究領域的熱點分子之一，進一步深入探索其作用機制，了解其不同程度表達在疾病不同階段、不同類型的利與弊，從而做到有的放矢，為心血管疾病的治療提供更優(yōu)策略。