HIF-1α調控糖酵解在RA炎癥發病機制中的研究

李福欣 杜小正* 張星華 張楓帆 陳平 劉強 劉莉梅 張小娜

1.甘肅中醫藥大學針灸推拿學院，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅省中醫院，甘肅 蘭州 730000

類風濕關節炎(rheumatoid arthritis, RA)是一種自身免疫性、炎癥性疾病，在臨床中以關節病變為主要特征，具有進行性、侵襲性以及致殘性，可并發多臟器侵害，嚴重危害人類健康[1]。該病多發于40～50歲人群，女性多于男性，數據[2]顯示女性RA患者在全球范圍內的發病率約為0.5%～1%，我國RA患病率約為 0.42%，其致殘率高達 61.3%，早期有效的治療是降低致殘率的關鍵[3]。因此，提高RA的早期療效對于改善預后、提高生活質量、減輕居民負擔等至關重要。盡管目前RA的確切發病機制尚不明確，但是諸多研究[4]表明RA患者滑膜組織和滑膜液中大量細胞炎癥因子通過一系列級聯反應最終導致關節炎癥和骨破壞。研究[5-6]表明，缺氧誘導因子1α (hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)與糖酵解在RA炎癥的發生與發展中起到了重要作用，下調糖酵解活性可以明顯改善RA炎癥程度。近年來的研究表明，HIF-1α可變構調控糖酵解來調節RA炎癥反應[7]，如實驗中運用HIF-1α抑制劑2 ME2或者敲除HIF-1α基因可下調糖酵解活性，繼而減輕RA炎癥反應[8]。這些研究提示HIF-1α調控糖酵解活性是抑制RA炎癥反應的關鍵。

1 RA滑膜炎癥反應

RA作為一種自身免疫性疾病，其主要發病特征是關節處的炎癥反應。炎癥過程中產生的多種化學物質能夠激活傷害感受器，產生痛感，而關節腫脹則由炎癥滲出導致。研究[4]證實，大量炎癥細胞因子存在于RA患者的滑膜組織和滑膜液中，如血清中腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor α，TNF-α)、細胞白介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)、IL-6和IL-17等，這些炎癥因子通過一系列級聯反應，最終導致關節炎癥和骨破壞。因此，RA的早期病理特征主要是病變關節的滑膜炎癥反應。在RA炎癥進展中，TNF-α對滑膜炎癥、血管翳生成等病理改變起重大作用。TNF-α會促使白細胞聚集，誘導IL-1β、IL-6的分泌，協同增強炎癥反應[9]。IL-6作為一個重要的促炎因子，主要由單核巨噬細胞產生，其可增強IL-1、TNF-α的致炎作用，加重RA炎癥反應。近年來新發現的IL-17也是一種促炎因子，可通過核轉錄因子κB(NF-κB)和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)等細胞通路來促進IL-6、IL-8及TNF-α等多種細胞因子的分泌[10]，在RA炎癥發展中處于網絡中心位置。

以上論述表明，炎癥細胞因子網絡參與了RA炎癥的進展，是維持和促進關節滑膜炎癥的重要因素。因此，尋找新的靶點來抑制炎癥細胞因子分泌和炎癥反應對RA的治療至關重要。

2 HIF-1α在RA發病中的作用

HIF-1α屬于基本螺旋-環-螺旋轉錄因子亞家族，在正常氧氣條件下被泛素-蛋白酶水解復合體降解，在缺氧條件下，HIF-1α變得穩定并在細胞質中積累。研究表明[11]，RA中存在著缺氧的情況，是一個潛在的發病因素，且滑膜缺氧在促進血管生成以及RA的病理生理反應中起著至關重要的作用。由于RA關節內微環境的改變, HIF-α被激活和過表達，以調節與炎癥、血管生成、能量代謝和其他過程相關的基因的轉錄和表達[12]。此外，研究[11]還證實HIF-α是一種核轉錄因子,可以刺激血管生成,促進血管腔形成,加重滑膜增生。

2.1 HIF-1α在RA炎癥中的作用

滑膜炎癥是RA最主要的病理特征，越來越多研究[13]表明，HIF-1α作為RA中重要的影響因子，可通過不同途徑來調控RA滑膜炎癥。HIF-1α可通過PI3激酶/Akt/HIF-1通路使FLS中發生缺氧相關的上皮細胞-間充質細胞轉變，使細胞遷移和侵襲增加,加重滑膜炎癥。TNF作為炎癥瀑布性級聯反應的關鍵因子，在RA中過度表達，加重了炎癥反應[14]。Toll樣受體TLR作為典型的識別受體，也主要在RA中的免疫細胞和滑膜成纖維細胞中調節炎癥反應[15]。研究[16]發現，HIF-1α相關通路能夠上調巨噬細胞中TLR-4的表達,從而激活炎癥反應。作為促炎因子，TNF-α、IL-1和 IL-33在RA滑液和組織中產生增加。類風濕關節炎患者的IL-33水平升高，表明這種炎癥因子在類風濕關節炎的嚴重程度中起作用[17]。TNF-α是促進缺氧誘導因子堆積的關鍵因素。此外，IL-1和IL-33已被證明可增加滑膜成纖維細胞中HIF-1α亞型的表達[18]。同時，TNF-α/IL-33調節回路進一步增加HIF-1α的表達。Hu等[19]的研究證明HIF-1α過表達可能刺激PolyIC誘導的類風濕因子表達，導致類風濕關節炎向促炎狀態轉變。除了具有促炎功能外，HIF-1α還可以激活IL-10等抗炎細胞因子的產生。研究[20]表明，具有特定HIF--1α缺失的小鼠表現出產生IL-10的B細胞數量減少，并且輔助性T細胞1(T helper cell 1,Th1)和輔助性T細胞17(T helper cell 17,Th17)細胞的增強，這最終加劇了膠原誘導的關節炎反應。

2.2 HIF-1α在血管生成中的作用

在RA中，關節滑膜的內膜下層被大量免疫細胞浸潤，并進行新生血管形成。血管生成是新血管形成和多基因表達的復雜過程，新生的血管會導致滑膜炎癥的持續，因其內提供了大量的營養與氧，為炎癥細胞的增長提供了相應的環境，是RA的典型特征，新生血管形成被證明通常與缺氧有關[21]。滑膜組織的增生對于新生血管在肥厚的滑膜中提供充足氧氣和營養是必不可少的，然而，RA中新生血管的氧氣供給卻無法達到要求。研究[22]證明HIF-1α能夠調節促血管生成介質的表達，包括趨化因子8、趨化因子配體12、20和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)。其中，VEGF是HIF-1α的主要血管生成靶點,具有低氧依賴性表達,是RA中最有效的內皮特異性有絲分裂原。VEGF是一種作用于滑膜血管內皮的細胞因子,促進血管生成并與內皮細胞(ECs)上的同源受體結合,從而激活這些細胞產生更多的蛋白水解酶。HIF還可通過活化血管生成素、纖維母細胞生長因子和血小板源生長因子等使內皮細胞增殖、遷移和血管重建，增加血管重建[23-24]。抑制HIF-1α表達可顯著減少RA FLS中VEGF誘導的血管生成[25]。在RA炎癥導致缺氧環境中，HIF-1α顯著增加以促進細胞對低氧壓的耐受性，同時，HIF-1α和血管內皮生長因子在滑膜組織中的表達受到血管生成的影響[26]。

2.3 HIF-1α在軟骨破壞中的作用

在RA中，由于血管翳的過度增生，會侵入關節內軟骨，導致軟骨破壞、軟骨下骨等的骨侵蝕，是RA嚴重的病理表現，最終導致關節變形，功能活動受限，影響患者生活。關節內的滑膜細胞在低氧的條件下會分泌大量基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs) 如MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-12、MMP-13等破壞關節軟骨。HIF-1α能顯著促進滑膜細胞產生多種MMPs和聚蛋白多糖酶-1[27]。研究[28]證實，IL-6 能被HIF-1α誘導而產生，加重炎癥反應，并且IL-6能促進軟骨細胞分泌MMP-3和MMP-13,二者可誘導TNF-α的產生，加重MMPs和炎癥性介質在滑膜細胞的表達。HIF-1α是調節軟骨肥大抑制和維持軟骨生成特異性標志物(如聚合蛋白、SOX9)的關鍵成分。HIF-1α的失調會導致骨骼發育不良。由于破骨細胞在缺氧條件下活化，關節軟骨破壞加劇。Swales等[29]研究發現，血管生成素樣蛋白4在RA破骨細胞中以HIF-1α依賴性方式過度表達。刺激破骨細胞介導的骨吸收。以上研究提示低氧可促進骨破壞的發生,并且HIF-1α在其中起重要作用。

3 糖酵解在RA發病中的作用

3.1 糖酵解在RA滑膜炎癥、血管翳形成及軟骨破壞中的作用

在無氧的條件下，葡萄糖經過一系列酶的作用，如己糖激酶、磷酸果糖激酶等可轉化為丙酮酸和乳酸，并且生成腺苷三磷酸和還原型輔酶Ⅰ，該代謝過程稱為糖酵解，是生物體內葡萄糖分解代謝的必經階段。然而在有氧條件下，營養物質充足，葡萄糖則不需要通過無氧糖酵解這種方式獲得較少的能量，糖酵解途徑受到抑制，但對于腫瘤細胞和RA中活化的免疫細胞、滑膜細胞等人體內快速增殖的異常細胞，其為了能夠持續獲得能量，即使在有氧條件下，也快速地進行糖酵解，產生“Warburg效應”，是一種代謝重編程[30]。眾多研究[31]證實了糖酵解可促進RA滑膜炎癥。如糖酵解通過抑制p53以抗細胞凋亡，維持炎性細胞的分化和活性。另一方面，乳酸在RA關節滑膜中積聚，抑制CD4+T細胞凋亡，從而使IL-17等炎性細胞持續增殖[32]。在RA中，糖酵解磷酸戊糖途徑增強，產生大量還原型輔酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid, NADPH)[33]。NADPH促進T細胞過度增殖，分化成Th17。Th17分泌的IL-17可通過核轉錄因子κB(NF-κB)和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)等細胞通路促進IL-6、IL-8及TNF-α等多種細胞因子的分泌[34]，導致滑膜炎癥。進一步研究[5]發現在RA中糖酵解基因表達水平與FLS分化呈正相關。糖酵解產生大量乳酸，促使RA滑膜細胞異常分化增殖，導致滑膜細胞異常增生[35]。6-磷酸果糖激酶2/果糖-2，6-二磷酸果糖激酶3(6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3, PFKFB3)作為糖酵解過程中一個關鍵酶,可促進新生血管的生成。糖酵解的產物丙酮酸同樣可以促進組織中新血管的形成，提示糖酵解與血管新生密切相關[36]。新生的微血管、異常增生的滑膜細胞以及持續分化的炎性細胞共同造成了血管翳的生成，加重RA的病情。同時，Th17會促進RA破骨細胞的形成，導致軟骨的破壞，使關節炎癥發展至骨侵蝕[37]。這些研究提示糖酵解是促進RA滑膜炎癥、血管翳形成及軟骨破壞的一個重要因素。

3.2 抑制糖酵解能夠改善RA炎癥反應

糖酵解途徑異常是導致RA發生發展的一個重要原因，已有研究[38]證實糖酵解抑制劑可顯著改善RA小鼠關節的腫脹程度。糖酵解抑制劑2-DG、BrPa能夠通過抑制RA-FLS細胞中的促炎因子，緩解小鼠關節炎癥[39]。

糖酵解過程中有三個關鍵酶，包括己糖激酶(Hexokinase II,HK2)、PFKFB3、丙酮酸激酶2(pyruvate kinase2,PKM2)。已有研究[40]證明，敲除HK2可明顯改善小鼠關節炎癥；PFKFB3小分子抑制劑PFK15通過抑制糖酵解，降低RA-FLS的遷移、侵襲能力，明顯減輕RA炎癥反應[41]；抑制PKM2同樣可逆轉RA-FLS的侵襲、遷移及分泌功能[42]。

綜上，通過抑制糖酵解途徑中的三個關鍵酶，改善糖酵解，進一步抑制RA-FLS的侵襲、遷移及分泌功能，從而減輕RA炎癥反應。

4 HIF-1α調控糖酵解活性，抑制RA炎癥反應

既往的研究表明，HIF-1α可調控糖酵解活性從而治療某些疾病。宋玲等[43]研究發現天然黃酮類物質紫云英苷是一種具有潛在抗人卵巢癌作用的活性成分, 可通過抑制HIF-1α誘導的糖酵解等通路來抑制卵巢癌細胞的增殖、促進卵巢癌細胞的凋亡。張冬艷等[44]通過在不同含氧量條件下的研究認為，HIF-1α可以與下游糖酵解相關基因(GLUT1、HK1、HK2、PGK1等)的啟動子區HRE反應元件結合，促進上述基因的轉錄激活，從而增強缺氧誘導的肝癌細胞糖酵解能力。汪宇涵等[45]在對肺癌的研究中發現，中藥湯劑可通過抑制肺腺癌細胞的糖酵解途徑中的HIF-1α表達來控制肺腺癌細胞的能量攝取, 從而抑制其增殖過程。

糖酵解的發生與HIF-1α密切相關。糖酵解途徑中一些關鍵酶作為自身抗原參與了免疫反應，對RA提供了新的研究思路。在RA中，由于組織內缺氧會促使HIF-1α形成，在此過程中，糖酵解途徑中的一些關鍵酶的結合位點又能被HIF-1α激活，促進糖酵解的進行[46]。現代研究[47]發現HIF-1α與包括RA在內的多種疾病密切相關，其可調節免疫細胞的發育和功能，并參與RA的發病。眾多研究證實了HIF-1α與RA炎癥反應密切。如RA滑膜增生伴隨著滑膜供氧不足，從而導致缺氧環境及HIF-1α的積累[48]；HIF-1α水平在RA患者滑膜組織中與炎癥因子(IL-1β、IL-6、TNF-11α等)水平呈正相關[49]；且使用TNF-α抑制劑可以降低HIF-1α的水平[50]。進一步研究[51]發現，HIF-1α可以在缺氧反應中激活糖酵解來加重RA炎癥反應。HIF-1α通過激活PKM2與乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase, LDH)以調節糖酵解及其下游產物來影響炎癥，并參與炎癥反應等生物過程[52]。HIF-1α不僅誘導葡萄糖轉運蛋白GLUT1和GLUT3表達的增加，還升高炎癥滑膜內HK2、3-磷酸甘油醛脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,3-GAPDH)、LDH、PKM2和線粒體細胞色素氧化酶的水平，增強糖酵解活性，加重RA的病情[53]。同時研究[54]發現，在缺氧條件下，敲除HIF-1后，LDHA與PKM2受到抑制，乳酸含量明顯減少，進而緩解誘導型關節炎小鼠關節的腫脹，減輕滑膜炎癥。

綜上所述,在缺氧條件下, HIF-1α可以激活多種低氧適應性基因的表達,調節糖酵解。因此，抑制HIF-1α是改善糖酵解的重要方法。

5 總結與展望

盡管目前RA的發病機制尚不完全清楚，仍有許多科學問題丞待解決，但越來越多的證據表明HIF-1α與糖酵解參與了RA許多重要的病理生理過程，二者間的調控機制與RA的發病息息相關。HIF-1α可通過調控糖酵影響RA炎癥機制，其中包括滑膜炎癥、血管生成和軟骨破壞，提示HIF-1α調控糖酵解過程可能是RA潛在的治療靶點。滑膜缺氧可改變代謝環境，通過直接和間接作用于RA的某些致病過程，HIF-1α是其中一基本因素。因此，闡明RA關節內HIF-1α的表達將有助于更好地了解其激活以及調控糖酵解促進RA炎癥進展的機制。缺氧并不是RA的一個顯著特征，它可以在各種疾病中發現，尤其是在炎癥性自身免疫性疾病中。然而，HIF-1α在自身免疫性疾病發病機制或疾病發展中的確切功能仍不清楚，HIF-1α是否在疾病的不同階段發揮不同的作用仍需進一步證明。隨著代謝重編程與缺氧環境對疾病影響的機制研究不斷深入，在未來的研究中將以二者為突破口，與HIF-1α調控糖酵解途徑中關鍵酶緊密結合，研發治療RA或其他自身免疫性疾病的新療法，提高相關疾病的的治愈率。