缺氧誘導(dǎo)因子-1α對腦梗死后內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞作用的研究進(jìn)展

林亞航，陳明，段淑榮

目前，臨床對腦梗死的治療主要圍繞在恢復(fù)腦循環(huán)及促進(jìn)神經(jīng)康復(fù)兩方面，但有關(guān)腦梗死后神經(jīng)細(xì)胞缺失和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受損的問題尚未解決。近年來內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cells，NSCs）在體外培養(yǎng)的成功為腦梗死的治療提供了新的方法和思路。NSCs能夠通過促進(jìn)神經(jīng)再生、抑制炎癥反應(yīng)、感知不同的微環(huán)境信號、向特定損傷部位遷移，整合不同的輸入信號和執(zhí)行復(fù)雜反應(yīng)來重塑受損的腦組織，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[1-2]。研究表明，低氧[3]、神經(jīng)營養(yǎng)因子[4]、某些藥物及毒物[5-6]、康復(fù)理療[7]等因素可以促進(jìn)NSCs的再生。缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）是組織在缺氧狀態(tài)下發(fā)揮保護(hù)作用的關(guān)鍵因子，在缺氧時HIF-1α可以調(diào)控相關(guān)靶基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯和表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)血管生成、細(xì)胞能量代謝、細(xì)胞存活及凋亡等，從而產(chǎn)生缺氧保護(hù)作用[8]。目前，有關(guān)HIF-1α在NSCs增殖、遷移、分化中的作用和機(jī)制尚未明確，本文就此領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 缺氧誘導(dǎo)因子-1α及其下游靶基因通路概述

目前已發(fā)現(xiàn)的受HIF-1α調(diào)控的下游靶基因有100余種，其中在腦缺血缺氧損傷后發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用的靶基因通路主要有促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）、血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、細(xì)胞基質(zhì)衍生因子-1（stromal cellderived factor 1，SDF-1）、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1、酪氨酸脫羧酶和糖酵解基因等[9]。低氧可引起HIF-1α轉(zhuǎn)錄水平增加，進(jìn)而作用于上述不同的靶基因，參與調(diào)控紅細(xì)胞生成、血管形成和細(xì)胞存活、凋亡，促進(jìn)葡萄糖酵解、增加轉(zhuǎn)運(yùn)及無氧代謝等不同的病理生理過程，不僅能使組織產(chǎn)生缺氧適應(yīng)，而且可進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)體功能的恢復(fù)[8-10]。

2 缺氧誘導(dǎo)因子-1α及其下游靶基因通路對神經(jīng)干細(xì)胞的影響

2.1 HIF-1α-EPO通路對NSCs的影響 EPO基因是HIF-1的靶基因之一，受HIF-1α調(diào)控，可以維持NSCs的生長和發(fā)育。神經(jīng)細(xì)胞在缺氧狀態(tài)下，通過HIF-1α的調(diào)控可使EPO的表達(dá)增加[11-12]。研究顯示，EPO可以促進(jìn)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）、VEGF等神經(jīng)營養(yǎng)因子的分泌，從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[13]。Shingo等[14]研究表明，EPO可在體外誘導(dǎo)刺激多功能干細(xì)胞向神經(jīng)祖細(xì)胞方向分化，在低氧條件下體外培養(yǎng)的大鼠神經(jīng)干細(xì)胞可分化產(chǎn)生出較正常情況下多2～3倍的神經(jīng)元，這一作用與EPO信使核糖核酸的表達(dá)增高相關(guān)。另外，EPO還具有抗凋亡作用，機(jī)制可能是通過抑制細(xì)胞色素C釋放，阻止大鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞株（pheochromocytoma cells，PC12）細(xì)胞凋亡實(shí)現(xiàn)的[15-16]。Liu等[17]研究發(fā)現(xiàn)，即使在常氧條件下，粒細(xì)胞集落刺激因子（granulocyte colony stimulating factor，G-CSF）也可激活HIF-1α，后者再結(jié)合至EPO啟動子，從而提高EPO的細(xì)胞表達(dá)水平。一項針對大鼠的動物實(shí)驗研究表明，神經(jīng)組織在缺氧、缺糖時，預(yù)先給予EPO聯(lián)合G-CSF處理組較單獨(dú)EPO或G-CSF處理組以及空白對照組表達(dá)更多的B淋巴細(xì)胞瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）抗凋亡蛋白，合成更多的BDNF等神經(jīng)營養(yǎng)因子和形成更多的新生血管，這項研究表明EPO聯(lián)合G-CSF可能通過上述機(jī)制發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[17]。

2.2 HIF-1α-VEGF通路對NSCs的影響 神經(jīng)干/祖細(xì)胞（neural stem/progenitor cells，NSPCs）可以通過持續(xù)表達(dá)HIF-1α的轉(zhuǎn)錄因子及其下游靶標(biāo)VEGF來抵抗缺氧、缺糖環(huán)境，動物實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn)，其神經(jīng)保護(hù)作用可被VEGF抑制劑SU1498阻斷[18]。敲除小鼠NSPCs中HIF-1α基因后發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，基因敲除組NSPCs中VEGF的表達(dá)減少超過了50%，神經(jīng)元的凋亡增加，由NSPCs介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)作用減弱[18]。這些結(jié)果表明，NSPCs可通過HIF-1α-VEGF信號通路的激活來促進(jìn)神經(jīng)元存活。腦缺血缺氧后，HIF-1α可以通過調(diào)控下游VEGF靶基因來促進(jìn)VEGF的表達(dá)，進(jìn)而促使新生血管生成，改善腦的血流動力學(xué)，促進(jìn)腦缺血缺氧損傷的恢復(fù)[19]。另外，HIF-1α可以上調(diào)VEGF受體Fit-1的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而促進(jìn)Fit-1的表達(dá)，還可穩(wěn)定VEGF信使核糖核酸，通過這些途徑增強(qiáng)VEGF的生物學(xué)效應(yīng)[20]。

Sun等[21]把小鼠內(nèi)皮細(xì)胞和含有NSCs的新生鼠腦切片進(jìn)行共同培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，NSCs數(shù)目和由其分化而來的神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)目明顯增加；通過核糖核酸干擾技術(shù)干擾VEGF的表達(dá)可以逆轉(zhuǎn)內(nèi)皮細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)再生，微陣列分析表明這種共培養(yǎng)體系中多達(dá)112種基因的表達(dá)發(fā)生了明顯改變，經(jīng)核糖核酸干擾技術(shù)干擾VEGF的表達(dá)后發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生改變的112種基因中有81種基因的表達(dá)恢復(fù)到正常水平；通路映射研究提示這些增強(qiáng)的基因表達(dá)主要在Notch和Pten基因通路上，表明內(nèi)皮細(xì)胞促進(jìn)NSCs的增殖和分化與VEGF相關(guān)，機(jī)制可能是通過激活Notch和Pten基因通路。

VEGF能增強(qiáng)血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長，促進(jìn)腦損傷病灶的血管再生和微血管形成，改善腦循環(huán)，在腦損傷的修復(fù)和功能恢復(fù)中起到重要作用。有研究證實(shí)，VEGF可以促進(jìn)NSCs的增殖，且VEGF作用后的NSCs具有更強(qiáng)的向神經(jīng)元方向分化的潛能，此作用可能是通過激活MEK/ERK信號通路和上調(diào)Hesl基因的表達(dá)來實(shí)現(xiàn)[22]。

2.3 HIF-1α-SDF-1通路對NSCs的影響 腦損傷后NSCs在體內(nèi)外因素的共同作用下遷移至損傷區(qū)域并分化為神經(jīng)組織細(xì)胞。在眾多炎癥趨化因子中，研究最多的是SDF-1。SDF-1是CXC趨化因子家族的重要成員，可與其受體CXC趨化因子受體-4（CXC chemokine receptor-4，CXCR4）特異性結(jié)合，形成受HIF-1α調(diào)控的SDF1/CXCR4軸，在腦梗死后NSCs遷移過程中起著重要作用[23]。Carbajal等[24]研究顯示，SDF-1可誘導(dǎo)移植的NSCs向腦白質(zhì)脫髓鞘的區(qū)域遷移。Liu等[25]研究證實(shí)，SDF-1可以誘導(dǎo)NSCs向腦組織缺血的區(qū)域遷移。SDF-1/CXCR4軸在神經(jīng)干細(xì)胞遷移至損傷區(qū)進(jìn)行神經(jīng)損傷修復(fù)的過程中發(fā)揮著重要作用，由損傷部位所分泌的SDF-1可以和CXCR4結(jié)合，誘導(dǎo)NSCs向損傷區(qū)遷移，進(jìn)而通過NSCs的作用參與腦損傷區(qū)組織的修復(fù)。Itoh等[26]研究發(fā)現(xiàn)，巢蛋白（Nestin）在表達(dá)時間和程度上與SDF-1表達(dá)有一定的相關(guān)性，Nestin是NSCs特征性的生物學(xué)標(biāo)志，這表明，SDF-1可能參與了NSCs的遷移過程。在胚胎發(fā)育早期的神經(jīng)脊細(xì)胞內(nèi)，HIF-1α可能通過調(diào)節(jié)CXCR4的表達(dá)，間接發(fā)揮調(diào)控SDF-1的功能[27]。在腦組織缺血時，SDF-1α可以上調(diào)側(cè)腦室壁的室管膜下區(qū)（subventricular zone，SVZ）內(nèi)源性NSCs的增殖，此外，還能上調(diào)表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）以及整合素α6的表達(dá)，從而刺激SVZ的NSCs向嗅球、梗死區(qū)遷移[28]。另有研究表明，SDF-1α對NSCs的趨化性隨其濃度的增高而增高，并且證實(shí)了該趨化軸對NSCs趨化遷移的特異性[29]。

2.4 HIF-1α-iNOS一氧化氮通路對NSCs的影響 iNOS是HIF-1α的靶基因之一，其介導(dǎo)生成的內(nèi)源性一氧化氮（nitric oxide，NO）是一種具有自由基性質(zhì)的生物活性分子[30]。有研究表明，NO可以抑制哺乳動物脫氧核糖核酸的合成和NSCs的增殖，在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的過程中起著重要的負(fù)性調(diào)控作用[31-32]。動物實(shí)驗研究表明，經(jīng)慢性iNOS抑制劑處理的大鼠齒狀核和室管膜下區(qū)中神經(jīng)再生能力較空白對照組增加了60%[33]。HIF-1α激活后，iNOS轉(zhuǎn)錄增加，組織NO合成增加，增加的NO可以促使NSCs從對稱分裂向非對稱分裂的方向轉(zhuǎn)變，從而使NSCs產(chǎn)生分化[30]。HIF-1α誘導(dǎo)的iNOS的表達(dá)是干細(xì)胞從增殖向分化過渡的關(guān)鍵點(diǎn)。

綜上所述，HIF-1α通過對其下游多靶基因的調(diào)控而對神經(jīng)干細(xì)胞的增殖、遷移、分化產(chǎn)生重要影響，發(fā)揮其神經(jīng)保護(hù)作用，隨著對HIF-1α及其下游靶基因通路研究的進(jìn)一步深入，其在腦缺血缺氧中神經(jīng)保護(hù)的作用機(jī)制會更加透徹，HIF-1α及其下游靶基因有可能成為腦梗死治療中的有效作用靶點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，但其具體機(jī)制尚未完全清楚，有待于進(jìn)一步研究深入。

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