缺氧和HIF-1影響氣道重塑的研究進展

文穎 郭永艷 霍如婕 田新瑞

作者單位：030001 山西 太原，山西醫科大學第二醫院呼吸與危重癥醫學科

哺乳動物細胞利用氧氣進行有氧代謝和產生能量，因此它們需要依靠充足的氧氣供應才能進行正常的生命活動[1-2]。但許多疾病包括癌癥、心血管疾病、慢性呼吸道疾病能導致機體氧供不足，進而引起缺氧[2-3]。許多研究發現哺乳動物細胞內存在檢測缺氧的直接氧傳感系統，能通過增加HIF-1水平來調節一系列相關的復雜信號通路表達，以應對細胞的缺氧狀態。

慢性呼吸道疾病的發病率和死亡率均高，其重要特征是氣道重塑，會導致肺功能進行性下降[4]。氣道重塑目前仍是呼吸道疾病治療中最棘手的問題之一，也將可能是未來治療的目標。研究發現在眾多導致氣道重塑的疾病中普遍存在缺氧和HIF-1升高，缺氧是促進氣道重塑的一個強烈刺激因素。腫瘤的缺氧微環境和高水平的HIF-1是促進腫瘤生長和轉移的重要因素，既往對HIF-1的研究主要集中在癌癥上，而缺氧和HIF-1與慢性呼吸道疾病的相關性是目前研究熱點之一。

一、缺氧和HIF-1

缺氧表明機體或細胞的氧供不足。HIF-1是機體細胞內的缺氧應答調控因子，能調控缺氧通路的特定基因表達，引起機體應對缺氧的一系列適應性反應。HIF-1α是HIF-1的一個主要活性亞基，缺氧通過調控氧濃度依賴的脯氨酸4-羥基酶(prolyl 4-hydroxylases，PHDs)和缺氧誘導因子抑制因子(factorinhibitingHIF，FIH)直接調節HIF-1α的穩定和活化[2]。這條氧依賴途徑是HIF-1α的主要調節機制，但HIF-1α的形成和活化機制至今尚未完全闡明。

1.HIF-1的結構：HIF-1是一種由α亞基(HIF-1α，HIF-2α和HIF-3α)和β亞基(HIF-1β)組成的異二聚體，能結合HIF-1靶基因啟動子上的特定DNA序列，這種特定序列叫缺氧反應元件(hypoxia response elements，HRE)[1]，然后啟動相關基因的轉錄表達。大量研究表明氧濃度與HIF-1表達密切相關，它通過α亞基調控HIF-1的活性和穩定性，這歸因于HIF-1的α亞基上存在氧依賴降解結構域(oxygen-dependent degradation domain，ODDD)，該結構域有氧依賴的不穩定性[2]，導致HIF-1α在氧氣充足時會不穩定并被泛素化降解，使HIF-1水平明顯降低。缺氧能增加HIF-1表達，誘導>100個基因的轉錄，其中許多基因與哮喘的炎癥和重塑有潛在關系[5]。

2.HIF-1的調控：常氧狀態下，PHDs利用氧氣羥基化HIF-1α的ODDD區域內的脯氨酸殘基，羥化后的HIF-1α能被泛素-蛋白酶解系統識別并降解[1]。缺氧時HIF-1α不能被PHDs羥基化，未羥化的HIF-1α不能被降解，HIF-1α積聚并易位入核，與HIF-1β形成異二聚體并結合靶基因的HRE，調控相關基因轉錄[6-7]。另一種調控方式是在常氧狀態下，FIH通過羥基化HIF-1α的天冬酰胺殘基抑制HIF-1轉錄，而缺氧時FIH不活躍，對HIF-1轉錄的抑制作用減弱，激活并增加HIF-1的轉錄[1]。

二、氣道重塑

1.上皮：氣道上皮參與損傷后的反應和修復，驅動氣道重塑[8]。相鄰上皮細胞通過緊密連接和黏附連接形成物理屏障。慢性損傷導致氣道上皮屏障破壞和上皮細胞狀態改變，誘導上皮一間質轉化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)、成纖維細胞向肌成纖維細胞分化及黏膜通透性的增加，促進重塑[8-9]。缺氧會損傷氣道上皮，可能誘導上皮的EMT促進氣道重塑。

2.基底膜：細胞外基質蛋白包括膠原蛋白、蛋白多糖和纖維連接蛋白等的沉積導致網狀基底膜增厚，標志著氣道重塑的發生。細胞外基質成分的主要來源是成纖維細胞和肌成纖維細胞，上皮細胞損傷可刺激成纖維細胞分化為肌成纖維細胞產生更多細胞外基質，導致網狀基底膜增厚，增加哮喘氣道壁厚度[8]。

3.上皮下層：肌成纖維細胞表達α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)和產生細胞外基質參與氣道重塑[6]。缺氧誘導氣道成纖維細胞分化為肌成纖維細胞，參與COPD的重塑[6]。在重塑過程中，成纖維細胞-肌成纖維細胞轉化增強和細胞外基質積聚可導致上皮下纖維化[10]，上皮下纖維化影響上皮層的氧氣和營養供應。

4.平滑肌：正常的氣道平滑肌細胞在刺激下出現肥大、遷移和增生，是導致氣道重塑的關鍵[11]。缺氧能使支氣管周平滑肌肥大[5]。氣道平滑肌肥大、增生與氣道厚度的嚴重程度呈正相關，與肺功能負相關[12]，它能產生基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)和纖維化相關因子促進氣道重塑。

5.血管生成：正常氣道壁內存在微血管網為氣道提供氧氣和營養，但缺氧會促進氣道重塑隨之加劇機體細胞缺氧，血管生成能為細胞提供更多氧氣。新生血管起源于上皮下黏膜的內皮細胞，導致氣道壁血管數量和面積增加、血管擴張及滲漏，從而增加壁的厚度[8]。

三、缺氧及HIF-1對氣道重塑的影響

如前所述，HIF-1α是細胞的直接氧感受器，是細胞應對缺氧必需的轉錄因子。實體腫瘤生長普遍存在細胞缺氧，目前已有大量研究證明HIF-1α在促進腫瘤生長和轉移方面起重要作用。慢性呼吸道疾病也會導致細胞普遍出現缺氧，從而上調HIF-1表達，但至今尚未清楚地闡明HIF-1促進氣道重塑的具體作用機制。研究發現缺氧明顯增加哮喘鼠肺內[5, 13]和COPD患者體內[14]的HIF-1α表達。積聚的HIF-1α易位入核，啟動相關靶基因轉錄，可能通過血管生成、細胞凋亡和上皮-間質轉化等途徑[15]促進慢性呼吸道疾病的氣道重塑。

有許多研究表明缺氧和HIF-1與氣道重塑密切相關，缺氧通過增加HIF-1促進氣道重塑。在卵清蛋白誘導的哮喘小鼠內，缺氧能增加氣道的嗜酸性粒細胞和中性粒細胞炎癥、粘液產生、支氣管周平滑肌和纖維化以及促重塑型細胞因子TGF-β1水平[5]，這些改變都是氣道重塑的重要病理過程。在COPD患者血清中發現，HIF-1α蛋白升高水平與COPD患者病情嚴重程度正相關，與FEV1/FVC負相關[16]。上述研究提示HIF-1α促進氣道重塑。HIF-1α可在基因、蛋白表達、組織等各方面誘導氣道重塑。在基因方面，HIF-1α還可結合α-SMA基因上的HRE 誘導氣道成纖維細胞分化為肌成纖維細胞，參與COPD的重塑[6]。在蛋白表達及組織方面，HIF-1可能通過促進哮喘大鼠血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表達和氣道平滑肌細胞增殖[13]、增加OSA模型的細胞外基質重塑[7]刺激氣道重塑；HIF-1α還可導致黏蛋白Muc5ac過度表達，Muc5ac是杯狀細胞的主要呼吸黏液蛋白，從而引起粘液高分泌和氣道阻塞[17]，加重缺氧和重塑。

總之，已經發現低氧與氣道重塑密切相關，但潛在機制不清。

經過計算l3的初始長度為552 mm，運動行程為380 mm滿足設計和實際使用要求；l4的初始長度為284 mm，運動行程為68 mm滿足設計和實際使用要求.而且，進過粗略計算l3的平均速度V3=0.253 m/s，l4的平均速度V4=0.045 3 m/s.由于以上的數據是更具正常人的坐起速度來得到的速度，對于整個產品設計來說，目標用戶是老年人，所以將整個過程從1.5 s延長為7.5 s，降低其速度，所以最后得到l3的平均速度V3=0.050 6 m/s，l4的平均速度V4=0.009 04 m/s.

四、HIF-1在氣道重塑中可能的作用機制

1.炎癥細胞：氣道重塑一直被認為是慢性炎癥的結果，但一些研究發現炎癥和重塑似乎平行存在。缺氧通路與炎癥過程聯系復雜，缺氧可激活炎癥通路誘導炎癥和氣道重塑，炎癥微環境也可增加HIF-1加劇缺氧[18]，具體機制尚待探索。

在慢性呼吸道疾病中，炎癥細胞和炎性因子是誘導氣道重塑的重要因素。缺氧時，HIF-1α能促進炎癥，增加炎癥因子產生，如：白細胞介素(interleukin，IL)-1、IL-9、IL-13、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)，促進粘液過多分泌，誘導COPD的氣道重塑[14]。增加的HIF-1α還有助于釋放IL-1β、IL-8、單核細胞趨化蛋白-1等炎性因子[19]。缺氧時TNF-α上調其他促炎性細胞因子和內皮粘附因子，繼而增強白細胞向炎癥部位的募集，使炎癥持續存在[19]。持續存在的炎癥促進氣道重塑的發生發展。敲除HIF-1α或抑制磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/蛋白質絲氨酸蘇氨酸激酶(protein serine-threonine kinase，Akt)/HIF-1α可減少缺氧誘導的炎性細胞因子產生[19]，可能阻止COPD的發展。炎癥細胞產生的炎癥因子如IL-1β、TNF-α、活性氧(reactive oxygen species，ROS)、MMPs、中性粒細胞彈性蛋白酶和髓過氧化物酶，都與氣道重塑有關[20]。許多促炎因子能通過激活STAT3途徑，上調促血管生成介質誘導血管生成[21]，參與氣道重塑。

反過來，炎癥細胞和因子也能刺激HIF-1表達。中性粒細胞表達HIF-1維持中性粒細胞存活，巨噬細胞也表達HIF-1，不同的HIF-1亞型能誘導不同的巨噬細胞極化狀態[18]。炎性因子如IL-6、TNF-α和干擾素(interferon，IFN)-γ等，主要通過核因子-κB(nuclear factorkappa-light-chain-enhancer of activated B cells，NF-κB)激活HIF-1α轉錄[22]。IL-1β激活NF-κB信號誘導HIF-1α表達后，HIF-1α能結合Muc5ac基因的啟動子，促進粘液產生[17]，參與氣道重塑。

綜上，HIF-1與炎癥相互作用，通過多種途徑促進氣道重塑，具體機制有待研究。

2.TGF-β1：轉化生長因子(transforming growth factor，TGF)-β1既是最強的促纖維化因子，又是HIF-1的靶基因，主要由上皮細胞、肌成纖維細胞和炎性細胞產生。在慢性呼吸道疾病的缺氧微環境中，它是促進氣道重塑的一種重要調控因子。HIF-1可通過多種途徑調控TGF-β1的表達，TGF-β1通過Smad、非Smad和Wnt/β-catenin等途徑促進氣道內的膠原合成、平滑肌細胞增生、細胞外基質沉積等，導致纖維化和氣道重塑。有研究證明缺氧可激活TGF-β/smad 2/3途徑促進左心室纖維化[23]，后來在膀胱纖維化中發現缺氧促進TGF-β1受體(TGFβR1)和p-smad2/3高表達從而激活TGF-β/ smad通路[24]。HIF-1也可與Smad3信號協同增強VEGF轉錄[25]，參與氣道重塑。這些提示HIF-1/TGF-β1/Smad途徑可能是HIF-1促進氣道重塑的一條重要通路。在缺氧的人晶狀體上皮細胞中發現，缺氧時HIF-1α是導致EMT標記蛋白過度表達的關鍵因子，抑制HIF-1α能下調EMT標記蛋白的表達[26]。在缺氧的肝細胞癌中，HIF-1α能誘導TGF-β表達，缺氧可通過TGF-β增加EMT標記蛋白表達[27]。TGF-β1啟動EMT是促進氣道重塑的重要過程，因此HIF-1α增加TGF-β、誘導EMT蛋白過表達，可能也同樣存在于氣道重塑過程。

另外，TGF-β1也能反過來調節HIF-1α水平，它通過影響HIF-1α的蛋白質積累和核易位而非HIF-1α的轉錄活性來上調HIF-1α，二者間存在正反饋作用[28]。

綜上，HIF-1與TGF-β1相互影響，HIF-1可能通過TGF-β1/Smad參與血管生成和氣道重塑。有研究證明抑制TGF-β1/Smad途徑能減輕氣道重塑。

3. MMPs：MMPs是一類具有蛋白水解酶活性的鋅依賴性蛋白酶，主要參與ECM代謝。新研究發現該類蛋白酶也能參與氣道重塑，MMPs沉積于氣道壁，會促進氣道重塑。MMP-2和MMP-9都是該類蛋白酶家族的重要成員。HIF-1α能增加MMP-2和MMP-9表達，HIF-1α可與p300形成轉錄單位，增強MMP-9啟動子活性從而提高MMP-9的明膠酶活性[29]。MMP-2通過釋放與ECM生長有關的生長因子、降解血管膠原成分、促進血管形成參與氣道重塑，MMP-9通過維持細胞外基質降解和重塑促進氣道重塑。Shen等人發現抑制HIF-1α能降低MMP-2活性、VEGF表達及血腦屏障的滲漏[30]。在哮喘小鼠中，抑制MMP-9活性可能降低VEGF和TGF-β的表達，減少膠原沉積，改善氣道重塑[31]。

綜上表明HIF-1α能增加MMP-2和MM9表達誘導氣道重塑，具體機制有待探索。

4.VEGF：VEGF是已知作用最強的促血管生成因子，也是一種促血管滲漏因子，同時還是HIF-1的靶基因，其受體包括 VEGFR-1、-2、-3。在11例哮喘患者中發現HIF-1α和VEGF水平升高[32]，缺氧時增加的HIF-1能促進VEGF產生，激活內皮細胞的VEGF受體增殖，啟動血管生成[33]，刺激氣道重塑。VEGF濃度與哮喘嚴重程度正相關[34]，VEGF的促血管滲漏和促血管生成作用，導致血管面積和氣道壁增厚程度隨HIF-1α和VEGF的表達而增加。吸煙COPD患者肺組織內HIF-1α、VEGF和VEGFR2表達水平的增加程度能反映COPD的嚴重程度[35]。HIF-1激活產生的VEGF不僅能通過促進血管內皮細胞的增殖和分化而增加血管數目、大小、面積，誘導血管生成[36]，還能增加血管通透性引起炎癥細胞、炎癥因子和炎性蛋白的滲漏而導致氣道炎癥，抑制VEGF能明顯降低血管通透性和氣道炎癥[37]。VEGF還可誘導氣道平滑肌細胞增殖，促進重塑[36]。

近年研究發現內皮細胞釋放的內皮細胞特異性分子-1(endothelial‐cell‐specific molecule-1，ESM-1)是一種與血管重塑相關的新型調節因子。ESM-1是VEGF的下游因子，HIF-1α/VEGF可激活ESM-1促進單核細胞與內皮細胞間的黏附，誘導內皮細胞的內皮功能障礙和血管重塑[38]，可能參與氣道重塑的發生。

綜上，HIF-1能增加VEGF 及其下游因子表達，促進血管生成和炎癥反應，誘導氣道重塑。

5.ROS：ROS是細胞線粒體利用氧氣時制造的副產物，是非缺氧條件下激活HIF-1的必要中間信號傳導子。人體肺部有多種天然的抗氧化機制清除產生的ROS，維持ROS與抗氧化系統的平衡。缺氧除了激活HIF-1轉錄外，其另一個重要特征是會導致線粒體呼吸鏈功能紊亂，產生過多的ROS，ROS可損害線粒體功能進一步產生更多的ROS。持續產生的過多ROS導致細胞持續處于氧化應激下[39]，激活許多細胞信號通路引起相關的蛋白表達。增多的ROS能誘導抗蛋白酶失活、缺氧、粘液高分泌、細胞外基質重塑和肺泡上皮損傷，促進組織損傷和氣道重塑[22]。ROS與抗氧化系統的失衡還能增加杯狀細胞增生、激活TGF-β1促進上皮下纖維化的發生[40]。ROS在缺氧條件下會參與維持HIF-1的穩定和活化，HIF-1的表達隨ROS水平升高而增加。ROS可激活NF-κB途徑，活化的NF-κB直接激活HIF-1α通路[41]，誘導產生多種炎癥因子，參與氣道重塑。ROS能通過抑制PHD活性增強HIF-1α的穩定性，誘導HIF-1的表達[39]，能激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)靶向增加哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)依賴的HIF-1α的合成[42]，還能通過ROS/AKT/S6K激活環磷腺苷效應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)與HIF-1α啟動子結合增加HIF-1α的表達[43]。

綜上表明缺氧促進HIF-1和ROS產生，ROS參與HIF-1的穩定和表達，二者相互促進誘導氣道重塑的發生。

五、結語

缺氧通路在機體細胞內普遍存在，缺氧依賴的HIF-1活化調節著許多生理和病理過程。在呼吸道疾病中，氣道重塑導致氣道結構的進行性改變，使患者對藥物敏感度下降，療效不佳。盡管大量研究證明在慢性呼吸道疾病中HIF-1促進氣道重塑的發展，但相關機制尚未清楚。抑制氣道重塑可以防止肺功能進一步下降，因此通過抑制HIF-1，減輕氣道重塑可能是治療重塑的一種有效靶點。針對HIF-1誘導氣道重塑的相關機制和靶向該機制的藥物可能是未來的研究方向。