缺氧誘導因子-1α與阻塞性睡眠呼吸暫停相關高血壓的研究進展

黎 寧, 吳 峰, 胡 濤

(1. 大連醫科大學研究生院, 遼寧 大連, 116044;2. 揚州大學附屬醫院 呼吸與危重癥醫學科, 江蘇 揚州, 225000)

阻塞性睡眠呼吸暫停(OSA)的特征是反復發生完全性(呼吸暫停)和部分性(低通氣)上氣道阻塞事件,特征性表現是睡眠期間的間歇性低氧(IH)。國外研究[1]表明,睡眠呼吸障礙的患病率急劇上升,約50%的男性和24%的女性受到中度或重度睡眠呼吸障礙的影響。在一項調查樣本量為97 746例,其中OSA患者10 853例的研究[2]中,中國OSA的患病率為11%, 無顯著性別差異,在60～74歲人群中高發。而在高血壓、心力衰竭、冠狀動脈疾病、肺動脈高壓、房顫和中風患者中OSA患病率為40%～80%[3]。OSA已明確為難治性高血壓的常見病因[4]。GABRYELSKA A等[5]研究發現OSA患者缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)水平升高,提出HIF-1α是診斷OSA的生物標志物。PRABHAKAR N R等[6]分析了HIF與OSA相關高血壓、糖尿病以及認知功能障礙之間的關系,提出HIF可作為OSA的新治療靶點。在動物實驗[7]中,將大鼠暴露于慢性間歇性缺氧環境誘導OSA相關高血壓狀態,結果發現大鼠HIF-1α過表達。本研究從化學反射、壓力反射和血管內皮功能障礙共3個方面綜述HIF-1α與OSA相關高血壓的關系; 目前晝夜節律改變與心血管系統多種疾病相關,是OSA相關心血管疾病的新研究方向,因此進一步從HIF-1α與晝夜節律方面分析HIF-1α與OSA相關高血壓的關系。

1 HIF-1α概述

HIF-1轉錄因子是一種異二聚體,由α-亞單位(包括HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α亞型)和HIF-β亞單位組成[8]。在常氧條件下, HIF-α受到脯氨酸羥化酶(PHDs)和天冬酰胺酰羥化酶(FIH-1)的羥基化調節,分別負責HIF的穩定性和轉錄活性[9]。在低氧條件下, HIF-α亞基沒有羥基化,穩定和激活的HIF-α亞基與HIF-1β異二聚,再結合低氧結合位點(HREs), 激活基因轉錄[10]。IH增加HIF-1α蛋白表達,降低HIF-2α蛋白表達,慢性間歇性缺氧大鼠表現出HIF-1α的增加, HIF-2α的下降以及NADPH氧化酶2 (NOX2)的表達增加,超氧化物歧化酶2(SOD2)表達降低[11]。而研究發現, HIF-α亞型失調會導致ROS的生成增加,從而影響血壓化學反射、壓力反射調節,氧化應激使血管內皮功能受損,引起OSA相關高血壓。

2 HIF-α亞型失調導致ROS產生增加

IH會使ROS的產生增加,且與OSA相關高血壓有關。在心血管系統中, ROS的主要來源為非吞噬性NADPH氧化酶家族(NOXs), 包括NOX1、NOX2、NOX3和NOX4[12]。在高血壓研究模型[13]中,明確了NOX來源的ROS與血壓升高有關。YUAN G X等[14]研究發現, IH會增加PC12細胞以及野生型小鼠胚胎成纖維細胞中的NOX2mRNA及其蛋白表達和酶活性,通過RNA干擾或藥理學抑制阻斷HIF-1α活性,或通過基因敲除成纖維細胞中的HIF-1α, 可以消除或減弱這種效應。用鐵螯合劑(去鐵胺)處理PC12細胞,增加HIF-1α的表達,會以類似于IH的方式增加NOX2mRNA及其蛋白表達和酶活性,說明IH通過HIF-1α介導NOX2表達的增加。而NANDURI J等[15]研究發現IH 通過鈣蛋白酶降解HIF-2α導致SOD2的下調,導致氧化應激; 而HIF-2α的過度表達可防止IH誘發SOD2mRNA的減少,從而阻止ROS的增加; 以及用鈣蛋白酶抑制劑治療暴露于IH的大鼠,可阻斷HIF-2α降解,恢復SOD2酶活性,使ROS水平正常化,并阻斷高血壓的發展。以上表明HIF-α亞型失調引起化學反射中ROS的升高。ROS的產生增加會影響血管功能,醛固酮、鹽皮質激素的作用以及免疫炎癥,這些都會影響血壓升高[16]。GRIENDLING K K等[17]從ROS的來源分析了氧化應激在高血壓發展中的作用,并且分別從氧化應激對心血管、腎臟、神經、免疫系統各方面的影響講述了高血壓相關器官損傷也是氧化應激的結果。

2.1 ROS氧化失活HO-2使H2S的產生增加激活化學反射

OSA相關性高血壓與化學感受器敏感性升高及慢波睡眠減少有關[18]。頸動脈體中I型細胞(也稱球細胞)是氧感應的位點,分別表達血紅素加氧酶-2(HO-2)和胱硫醚-r-裂解酶(CSE), 這2種酶分別催化一氧化碳(CO)和硫化氫(H2S)的產生[19-20]。CB對缺氧的感知需要CO和H2S之間依賴于O2的相互作用。CO通過刺激蛋白激酶G(PKG)依賴性磷酸化CSE的絲氨酸377來抑制H2S合成[21]。

而H2S具有興奮性,通過缺氧介導感覺刺激。缺氧時, CB中HIF活性失調產生的ROS導致HO-2的氧化和抑制,由此產生的CO水平降低導致H2S產生增加,觸發球細胞去極化[22]。通過藥物或遺傳學方法阻斷CSE對H2S合成,可抑制IH引起的頸動脈體活化和高血壓[23]。以上說明, ROS通過氧化失活HO-2使頸動脈體中CSE依賴性H2S的產生增加,介導了IH誘導的頸動脈體過度活動和高血壓。

2.2 ROS激活內皮素轉換酶產生ET-1減弱壓力反射

LOMBARDI C[24]發現OSA使壓力反射和心率變異性受損導致自主神經功能障礙。頸動脈竇區是頸動脈壓力感受器的主要部位, IH增加頸動脈竇區的ROS水平[25]。研究發現, ROS在觸發和維持血管收縮和心臟收縮中發揮重要作用,是血管活性因子如血管緊張素Ⅱ、內皮素-1 (ET-1)、醛固酮和前列腺素介導細胞作用的關鍵信號分子。KOSACKA M等[26]發現在OSA患者中血清ET-1水平升高,在IH處理大鼠頸動脈竇區也發現ET-1水平升高,而ET-1水平的增加是由于ROS激活內皮素轉換酶產生生物活性ET-1。ZHANG D等[27]發現ROS在冷誘導的血管反應中介導血管收縮反應,血管組織中的ROS通過ROS/RhoA/ROCK1和ROS/PKC/ET-1通路參與血管收縮。過度表達ET-1的小鼠會出現高血壓,且NOX1和N0X2的表達增加[28]。ET-1還可通過環氧氧酶產物激活血管血栓素前列腺受體,以增加血管收縮和NOX產生的ROS,減少SOD2代謝ROS[29]。而抗氧化治療可以阻斷ET-1水平,逆轉減弱的頸動脈壓力感受器活動,并恢復大鼠的壓力反射功能[25]。

2.3 ROS引起內皮功能障礙

研究[30]發現,在沒有顯著心血管疾病的成年人中,重度的OSA患者與血管內皮功能障礙的風險增加獨立相關,后者可能導致晚期心血管事件發生。HE J等[31]研究發現,內皮祖細胞線粒體ROS增加導致高血壓患者內皮修復能力受損,線粒體氧化應激誘導的內皮功能障礙是由于Sirtuin3 (SIRT3)介導的SOD2信號的減少, SOD2可與一氧化氮結合,形成有害產物過氧亞硝酸鹽,對脂質和蛋白質有破壞作用,導致內皮損傷。而在高血壓動物中,基因缺失的NOX、ROS清除物或抗氧化劑可抑制血管重構、減少炎癥并使內皮功能正常化,血壓升高也隨之減弱[32]。

3 OSA引起時鐘基因失調導致晝夜節律紊亂

OSA使時鐘基因表達失調,導致晝夜節律紊亂。研究發現,晝夜節律改變與心血管系統多種疾病相關。CANALES M T等[33]研究發現睡眠呼吸暫停及夜間低氧血癥與Clock基因表達可能相互關聯,在重度OSA患者中,有8個晝夜節律時鐘基因(Per1除外)的表達顯著下調,提出時鐘基因是重度OSA的潛在預測因子[34], 在患有原發性醛固酮增多癥的OSA患者中發現嚴重缺氧時Cry1濃度降低[35]。而研究發現 OSA患者有發生晝夜節律紊亂的風險,此過程可能由HIF-1α介導[36], HIF-1α可與時鐘基因互相作用導致病理生理學改變。

3.1 HIF-1α與時鐘基因結合

晝夜節律由下丘腦視交叉上核的時鐘基因控制。核心時鐘轉錄調控因子(Bmal1、Clock和Per1-3)屬于bHLH-PAS結構域轉錄因子超家族,還包括同源的氧敏感轉錄因子HIF-1/2α和ARNT1(又稱HIF-1β/EPAS1)[37]。EDWARDS H E等[38]講述了bHLH-PAS蛋白的一般結構和功能, bHLH-PAS家族成員由Ⅰ類和Ⅱ類亞家族成員組成,以Ⅰ/Ⅱ類對相互異二聚,例如Clock (Ⅰ類)異聚體與Bmal1 (Ⅱ類)及HIF1/2α (Ⅰ類)二聚體與ARNT1 (HIF-1β) (Ⅱ類)。HIF-1α和Bmal1能夠直接相互結合[39], 并能形成異二聚體,通過Bmal1-HIF-1α回路可調節線粒體的代謝和巨噬細胞的激活[40]。HIF-1α能夠與一些晝夜節律基因的E-box結合。在一項口腔鱗狀細胞癌研究[41]中發現, ChIP-seq和雙熒光素酶報告基因分析證明HIF-1α與Per1的E-box結合導致Per1轉錄的反饋抑制。在成肌細胞和U20S細胞中,予以HIF -1α激活性藥物,可延長Per2和Bmal1的周期并降低振幅,表明HIF-1α與E-box結合導致晝夜節律中斷[42-43]。HIF-1α基因啟動子區包含一個E-box序列,在U20S細胞中使用ChIP-seq可以觀察到Bmal1/Clock與HIF-1α啟動子區直接結合[43]。此外,缺氧時酸中毒也會改變時鐘基因。研究[44]發現, HIF驅動的代謝變化和酸化參與了紊亂,缺氧誘導的酸化通過抑制關鍵翻譯調控因子mTORC1來抑制蛋白質的翻譯, mTORC1因此影響晝夜節律的轉錄-翻譯循環,改變晝夜節律。

3.2 時鐘基因對血壓的影響

晝夜節律是心血管生理和病理的重要調節因素,時鐘基因在心血管細胞和器官中,參與調節各種生理功能,如內皮功能、血壓和心率,以及急性心肌梗死和心律失常的發作[45]。

Bmal1缺失可通過與轉錄激活蛋白6相互作用加劇小鼠高血壓血管重構[46]。在腎臟遠端Bmal1對血壓的調節研究[47]中發現, Bmal1敲除雄性小鼠的基礎收縮壓明顯降低,而雌性小鼠基礎收縮壓沒有表現出基因型差異,表明腎臟遠端Bmal1以性別特異性方式參與血壓調節。CHANG L等[48]及GOLLASCH M等[49]研究了血管周圍脂肪組織時鐘基因在血壓調節中的作用,發現Bmal1調節血管緊張素原的轉錄,導致血管緊張素Ⅱ的增加,調節血管張力和血壓節律。與Bmal1的基因缺失相反, Cry基因(Cry1/Cry2)的缺失導致鹽敏感性高血壓的發展[50]。除了Bmal1和Cry, Per也參與血壓調控,Per1的缺失也會導致鹽敏性高血壓的進展[51]。ALLI A等[52]在研究抑制Per1對上皮鈉通道和血壓的影響中,發現減少Per1表達與上皮鈉通道活性降低有關。

使用腎臟特異性鈣粘蛋白Cre敲除Per1會導致腎臟鈉重吸收增加、醛固酮水平增加,以及腎臟和腎上腺基因表達的變化[53]。COSTELLO H M等[54]講述了肝臟、腎臟、腎上腺和平滑肌、血管周圍脂肪組織中的時鐘基因與血壓節律的調節有關,提出血壓晝夜節律失調導致心腎不良預后和心血管死亡風險增加。目前,調節晝夜節律被認為是一種潛在的心血管疾病治療策略。

4 總結與展望

目前,隨著生活水平提高,肥胖患者逐漸增加, OSA患病率上升,上述分析了HIF-1α與OSA相關高血壓的機制, IH的動物實驗已經表明, IH使HIF-α亞型表達失衡, ROS信號激活。然而, HIF-α亞型失衡是否發生在OSA患者中仍有待確定。另一方面, OSA患者的血壓晝夜變化及時鐘基因與HIF-1α的臨床研究較少,需進一步分析OSA患者HIF-1α與時鐘基因、睡眠監測相關指標及血壓晝夜變化的關系。目前,由于CPAP治療OSA合并癥的效果適度,且多數患者CPAP治療依從性較差,因此提出HIF-1α相關抑制劑的研究, LIU M X等[55]研究提出HIF-1是低氧相關心血管疾病的治療新靶點。在一項缺血再灌注研究[56]中提出, BNIP3作為HIF-1α的下游調節子,其過表達可逆轉HIF-1α基因,敲除對缺氧/復氧誘導的細胞凋亡和ROS作用。鈉-葡萄糖共轉運蛋白2抑制劑,作用于HIF,特別是HIF-1α和HIF-2α, 可減輕腎臟的缺氧和細胞應激[57]。在動物實驗[7]中,發現miR-199a-5p可能通過靶向HIF-1α緩解OSA相關高血壓。因此提出HIF-1α抑制性靶點或可用于預防或治療OSA相關高血壓,并且應進一步研究HIF-1α與OSA合并癥的關系, HIF-1α可能成為預防OSA合并癥的新靶點。