低氧致炎與低氧性肺動脈高壓

夏世金 吳俊珍 胡明冬

低氧致炎與低氧性肺動脈高壓

Hypoxia-induced inflammation and hypoxic pulmonary hypertension

夏世金1吳俊珍1胡明冬2

低氧； 肺動脈高壓； 炎癥

低氧性肺動脈高壓(hypoxic pulmonary hypertension, HPH)對人的長期嚴重危害依然未得到很好解決，是一治療極為棘手、高致死率和高致殘率的病理生理綜合征，被認為是“假惡性”腫瘤[1]。低氧性肺血管結構重建(hypoxic pulmonary vascular structural remodeling, HPVSR)和低氧性肺血管收縮(hypoxic pulmonary vasoconstriction, HPV)是HPH形成的兩大基本病理生理特征[2]。肺血管內皮細胞(pulmonary vascular endothelial cell, PVEC)、肺血管平滑肌細胞(pulmonary vascular smooth muscle cell, PVSMC)和肺成纖維細胞是構成肺血管壁的主要細胞，這些細胞結構和功能的異常變化是導致HPVSR和HPV的主要原因。目前，對HPH的機制：①HPH機制復雜，尚未完全闡明；②有關HPH機制理論可歸納為低氧性肺血管結構重建學說、低氧性肺血管收縮學說、低氧性肺血栓學說、低氧性細胞增殖學說、低氧性細胞凋亡學說和低氧性炎癥學說等。在HPH治療方面: HPH治療策略有降低肺動脈壓力、抑制血管異常增生、減輕肺血管肥厚及其結構重建和抗炎等。近年來，以前未被足夠重視的低氧性炎癥機制和抗炎治療策略在HPH研究中越來越受到高度關注，并可望成為研究的重點和熱點。

一、低氧性炎癥是HPH發生的主要原因之一

研究表明，低氧能誘發炎癥，可稱之為低氧性炎癥。低氧是HPH的獨立危險因素[2]。臨床研究顯示,肺動脈高壓(pulmonary artery hypertension, PAH)患者肺血管叢狀病變周圍存在T細胞、B細胞、巨噬細胞及樹突狀細胞等炎癥細胞浸潤[3]。PAH患者血清白細胞介素-1(interleukin-1, IL-1)、IL-6 、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、C反應蛋白(C-reactive protein, CRP)和單核細胞趨化因子1(monocyte chemotactic factor-1, MCP-1)等水平明顯升高[4]，且肺動脈叢狀病變處趨化因子CX3CLl和CCL5表達顯著升高，誘導縮血管物質血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、內皮素-l(endothelin, ET-1)、血小板衍化生長因子(platelet -derived growth factor, PDGF)等高表達[5]。炎性細胞及其分泌的炎性細胞因子、趨化因子、黏附分子等可導致PVEC損傷和PVSMC的增殖，從而參與HPV 和HPVSR進程[3]。這些研究結果提示炎癥是PAH形成的重要因素[3]。

動物實驗表明，在HPH大鼠PVSMC中，促炎細胞因子巨噬細胞移動抑制因子 (migration inhibitory factor, MIF)表達升高，進而增強肺動脈血管收縮，參與HPH發生[6]。PVSMC中的Rho/Rho-kinase (ROCK) 信號通路在PAH的發病機制中發揮著重要作用。Rho-kinase 有2個亞型，ROCK1 和 ROCK2，在不同細胞中發揮不同的作用，ROCK1主要在循環炎癥細胞，ROCK2主要在脈管系統中起作用[7]。在低氧培養的PVEC和HPH動物模型中可誘導出brahma-related gene 1 (Brg1) 和 brahma (Brm) 。Brg1/Brm過表達增強，同時其消耗減少，導致細胞黏附分子(cell adhesion molecule, CAM)的過量轉錄[8]。低氧時PVEC中15-脂氧合酶(15-lipoxygenase)出現高表達，后者可提高NK-κB的活性[9]。慢性HPH中，NALP3 炎癥小體激活，導致促炎癥細胞因子分泌，尤其是IL-1β，引起中性粒細胞炎癥，激活的炎癥細胞進一步招募更多的炎癥細胞并釋放大量的炎癥因子引起炎癥的瀑布反應，損傷血管內皮細胞[10]。

研究發現，低氧誘導因子-1(hypoxia-inducible factor 1, HIF-1)是介導低氧性炎癥的信號通路。低氧使巨噬細胞和中性粒細胞中HIF-1 激活。HIF-1可上調VEGF及其受體表達,使局部血管通透性增強，導致更多的免疫細胞到達炎癥部位，引起PVEC的炎癥性損傷[11]。低氧時HIF-1α過度表達可增強NF-κB p65核定位與轉錄活性，導致上皮細胞釋放大量的趨化因子和細胞因子(TNF-α等)[12]。而TNF-α可誘導成纖維細胞大量表達NF-κB[13]，低氧時小鼠PVSMC中NF-κB表達增強，促進HIF-1α轉錄[14]。低氧所誘導細胞產生和釋放的炎癥細胞因子可強化NF-κB通路，增加HIF表達，反過來又加劇細胞低氧[15]。上述研究提示HIF-1與NF-κB會話信號通路(cross talk)可能在調控HPH炎癥發生中處于重要地位[16]，是維系低氧與炎癥惡性循環的紐帶，可望成為有效干預HPH的理想靶標，值得深入研究。此外，環磷酸腺苷應答元件結合蛋白(CAMP response element binding protein, CREB)是一種重要的核轉錄因子，參與炎癥細胞因子(如IL-6等)等基因的轉錄，與NF-κB存在“cross talk”關系[17]，與低氧損傷及HPH密切相關[18]，近年來受到極大的關注，可能在HPH炎癥中發揮重要作用。

二、炎癥性低氧是HPH發展的一個重要因素

在HPH中，炎癥反應可導致肺組織的氧供需失衡，肺組織細胞代謝需氧量劇增，肺微循環血栓等阻斷氧的供給。炎癥是肺組織對損害因子的一種防御反應，但侵入肺部的炎性細胞耗氧量增加，炎癥部位形成低氧環境，加重低氧程度[12]。低氧可誘發炎癥，炎癥又可加重低氧，于是2012年著名雜志刊文提出“inflammatory hypoxia，炎癥性低氧”新概念[19]。

動物實驗表明,早期發現炎癥細胞因子受體拮抗劑對PAH大鼠模型有一定的效果[20-21]，近期發現間質干細胞移植能逆轉HPH[12]。但HPH的抗炎研究主要集中于動物模型，而抗炎藥物對HPH早期有效，可是存在有免疫抑制問題[22]，臨床應用已受到嚴格的限制。因此，尋求安全有效的HPH抗炎策略已成為當務之急。

上述研究提示，低氧性炎癥與炎癥性低氧二者共處一體即HPH共同體，且低氧與炎癥存在著惡性循環關系，但其機制尚未闡明。就某種意義而言，炎癥既是低氧的“果”，又是加重低氧的“因”，炎癥在HPH發生中起著關鍵作用。低氧與炎癥的惡性循環可能是HPH防治困難的主因之一，而要打破這種惡性循環的關鍵環節的策略就是抗炎，見圖1。

圖1 低氧導致HPH發生過程的簡要模擬圖

目前，由于炎癥在HPH發生發展的作用與機制尚未闡明，嚴重制約了抗炎在HPH臨床中的應用。因此，積極篩選并明確機體的內源性基因，作為干預HPH的目標基因，調控目標基因的內源性表達，從而達到安全有效防治HPH之目的是防治HPH的新方向與新策略。

三、表觀遺傳學是闡明HPH炎癥機制的有效策略

在HPH中炎癥細胞因子基因表達出現上調或下調，那么這些基因的表達變化是一過性的？還是在一定時間內維持穩定？又能持續多久？需要從表觀遺傳學入手解答這些問題。

表觀遺傳學調控是一類不涉及遺傳物質改變的基因調節方式，發現其幾乎存在于生物調控的所有環節[23]。表觀遺傳學調控的一個最常見、最清楚和最重要的機制是DNA甲基化。DNA甲基化可調控基因表達的開啟、關閉與水平。甲基化常導致基因表達沉默或降低，去甲基化則使基因表達重新激活。DNA甲基化主要由DNA甲基化轉移酶(DNA methyltrasferases, DNMTs)所控制。已鑒定的人類具有催化活性的DNMTs有三種：DNMT1、DNMT3A和DNMT3B[24]。表觀遺傳修飾一旦形成，即使撤除干預因素，也可長時間保持穩定，維持對基因表達水平的調控，從而參與細胞和機體形成與環境相適應的穩態。

炎癥細胞因子DNA甲基化與炎癥相關疾病密切關聯[25]。DNA甲基化在炎癥領域的研究進展較快[26]。TNF-α的DNA甲基化修飾與非腫瘤胃黏膜病變[27]，IL-6的DNA甲基化修飾與口腔癌[28]，IL-10甲基化修飾與乳腺癌密切相關[29]。可以推測，低氧作為一種干預因素，可能會影響炎癥因子基因表達的表觀遺傳修飾調控。

總之，低氧誘發炎癥，炎癥又加重低氧，共同參與HPH的發生和發展。低氧性炎癥、炎癥性低氧與HPH形成惡性循環，而抗炎是打破這種惡性循環的有效策略。抗炎策略的確立依賴于HPH炎癥機制的闡明，而表觀遺傳學(如DNA甲基化等)為闡明HPH炎癥機制提供了理論依據和有效方法。

1 McLaughlin VV, Archer SL, Badesch DB, et al. ACCF/AHA 2009 expert consensus document on pulmonary hypertension a report of the American College of Cardiology Foundation Task Force on Expert Consensus Documents and the American Heart Association developed in collaboration with the American College of Chest Physicians; American Thoracic Society, Inc.; and the Pulmonary Hypertension Association[J]. J Am Coll Cardiol, 2009, 53(17): 1573-1619.

2 Lahm T, Albrecht M, Fisher AJ, et al. 17β-Estradiol attenuates hypoxic pulmonary hypertension via estrogen receptor-mediated effects [J]. Am J Respir Crit Care Med, 2012, 185(9): 965-980.

3 Price LC, Wort SJ, Perros F, et al. Inflammation in pulmonary arterial hypertension[J]. Chest, 2012, 141(1): 210-221.

4 Humbert M, Monti G, Brenot F, et al. Increased interleukin-1 and interleukin-6 serum concentrations in severe primary pulmonary hypertension[J]. Am J Respir Crit Care Med, 1995, 151(5): 1628-1631.

5 Balabanian K, Foussat A, Dorfmüller P, et al. CX(3)C chemokine fractalkine in pulmonary arterial hypertension[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2002, 165(10): 1419-1425.

6 Zhang B, Luo Y, Liu ML, et al. Macrophage migration inhibitory factor contributes to hypoxic pulmonary vasoconstriction in rats [J]. Microvasc Res, 2012, 83(2): 205-212.

7 Shimizu T, Fukumoto Y, Tanaka S, et al. Crucial role of ROCK2 in vascular smooth muscle cells for hypoxia-induced pulmonary hypertension in mice[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2013, 33(12): 2780-2791.

8 Chen D, Fang F, Yang Y, et al. Brahma-related gene 1 (Brg1) epigenetically regulates CAM activation during hypoxic pulmonary hypertension[J]. Cardiovasc Res, 2013, 100(3): 363-373.

9 Li J, Rao J, Liu Y, et al. 15-Lipoxygenase promotes chronic hypoxia- induced pulmonary artery inflammation via positive interaction with nuclear factor-κB[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2013, 33(5): 971-979.

10 Villegas LR, Kluck D, Field C, et al. Superoxide dismutase mimetic, MnTE-2-PyP, attenuates chronic hypoxia-induced pulmonary hypertension, pulmonary vascular remodeling, and activation of the NALP3 inflammasome[J]. Antioxid Redox Signal, 2013, 18(14): 1753-1764.

11 Wang PP, Kong FP, Chen XQ, et al. HIF-1 signal pathway in cellular response to hypoxia[J]. J Zhejiang Univ (Medical Sci), 2011, 40(5): 559-566.

12 Lee C, Mitsialis SA, Aslam M, et al. Exosomes mediate the cytoprotective action of mesenchymal stromal cells on hypoxia-induced pulmonary hypertension[J]. Circulation, 2012, 126(22): 2601-2611.

13 Werner SL, Barken D, Hoffmann A. Stimulus specificity of gene expression programs determined by temporal control of IKK activity[J]. Science, 2005, 309(5742): 1857-1861.

14 Belaiba RS, Bonello S, Z?hringer C, et al. Hypoxia up-regulates hypoxia-inducible factor-1alpha transcription by involving phosphatidylinositol 3-kinase and nuclear factor kappaB in pulmonary artery smooth muscle cells[J]. Mol Biol Cell, 2007, 18(12): 4691-4697.

15 Rius J, Guma M, Schachtrup C, et al. NF-kappaB links innate immunity to the hypoxic response through transcriptional regulation of HIF-1alpha[J]. Nature, 2008, 453(7196): 807-811.

16 Nizet V, Johnson RS. Interdependence of hypoxic and innate immune responses[J]. Nat Rev Immunol, 2009, 9(9): 609-617.

17 Wei Z, Wang F, Song J, et al. Norisoboldine inhibits the production of interleukin-6 in fibroblast-like synoviocytes from adjuvant arthritis rats through PKC/MAPK/NF-κB-p65/CREB pathways[J]. J Cell Biochem, 2012, 113(8): 2785-2795.

18 Garat CV, Crossno JT Jr, Sullivan TM, et al. Inhibition of phosphatidylinositol 3-kinase/Akt signaling attenuates hypoxia-induced pulmonary artery remodeling and suppresses CREB depletion in arterial smooth muscle cells[J]. J Cardiovasc Pharmacol, 2013, 62(6): 539-548.

19 Clambey ET, McNamee EN, Westrich JA, et al. Hypoxia-inducible factor-1 alpha-dependent induction of FoxP3 drives regulatory T-cell abundance and function during inflammatory hypoxia of the mucosa [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2012, 109(41): E2784-2793.

20 Voelkel NF, Tuder RM, Bridges J, et al. Interleukin-1 receptor antagonist treatment reduces pulmonary hypertension generated in rats by monocrotaline[J]. Am J Respir Cell Mol Biol, 1994, 11(6): 664-675.

21 Kimura H, Kasahara Y, Kurosu K, et al. Alleviation of monocrotaline- induced pulmonary hypertension by antibodies to monocyte chemotactic and activating factor/monocyte chemoattractant protein-1[J]. Lab Invest, 1998, 78(5): 571-581.

22 Vergadi E, Chang MS, Lee C, et al. Early macrophage recruitment and alternative activation are critical for the later development of hypoxia-induced pulmonary hypertension[J]. Circulation, 2011, 123(18): 1986-1995.

23 Zhao S, Xu W, Jiang W, et al. Regulation of cellular metabolism by protein lysine acetylation[J]. Science, 2010, 327(5968): 1000-1004.

24 LaPlant Q, Vialou V, Covington HE 3rd, et al. Dnmt3a regulates emotional behavior and spine plasticity in the nucleus accumbens[J]. Nat Neurosci, 2010, 13(9): 1137-1143.

25 Shanmugam MK, Sethi G. Role of epigenetics in inflammation-associated diseases[J]. Subcell Biochem, 2012, 61: 627-657.

26 Hartnett L, Egan LJ. Inflammation, DNA methylation and colitis-associated cancer[J]. Carcinogenesis. 2012, 33(4): 723-731.

27 Tahara T, Shibata T, Nakamura M, et al. Effect of polymorphisms of IL-1β and TNF-α genes on CpG island hyper methylation (CIHM) in the nonneoplastic gastric mucosa[J]. Mol Carcinog, 2011, 50(11): 835-845.

28 Gasche JA, Hoffmann J, Boland CR, et al. Interleukin-6 promotes tumorigenesis by altering DNA methylation in oral cancer cells[J]. Int J Cancer, 2011, 129(5): 1053-1063.

29 Son KS, Kang HS, Kim SJ, et al. Hypomethylation of the interleukin-10 gene in breast cancer tissues[J]. Breast, 2010, 19(6): 484-488.

(本文編輯：王亞南)

夏世金，吳俊珍，胡明冬. 低氧致炎與低氧性肺動脈高壓[J/CD]. 中華肺部疾病雜志： 電子版， 2014， 7(5)： 563-565.

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