HIF-1α对TBI后继发性脑损伤影响的研究进展

靳春杰 综述，张建宁 审校

（1.天津市北辰医院神经外科 300400；2.天津医科大学总医院神经外科 300052）

创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）为神经外科的常见、多发病，是外伤患者致残和死亡的主要原因［1］。包括创伤部位的原发性脑损伤和创伤后的继发性脑损伤。TBI发生后数天至数个月内，继发脑损伤仍在持续进行，并且细胞水平继发性的脑损伤可导致不可逆的神经功能性损害。精细病理学研究证实，伤后脑毛细血管痉挛狭窄、管腔塌陷、血栓形成、血管断裂，24h达损伤高峰，使血脑屏障破坏，出现明显的脑供血不足，导致继发性脑损害［2］。脑组织缺血、缺氧是继发性脑损伤与缺血性脑损伤的共同病理生理基础。

低氧诱导因子-1（（hypoxia-inducible factor，HIF-1）是低氧条件下存在于人及哺乳动物的一种转录因子，可由组织中分子氧水平的变化诱导，能激活多数缺氧反应性基因表达，是人和哺乳动物于低氧条件下维持内环境平衡的关键物质。近几年，许多的研究表明，HIF-1α在脑的缺氧、缺血损伤中起到脑保护作用。然而，低氧诱导因子在TBI中的作用，却鲜有阐述。鉴于TBI后继发性脑损伤与缺血性脑损伤有着相似的病理生理基础，国内外学者借鉴HIF-1在缺氧、缺血性脑损伤中的脑保护作用，致力于寻找一种新途径来治疗TBI和促进脑功能恢复。本文就此相关研究进展进行综述。

1 HIF-1的结构及功能

1.1 HIF-1α的分子结构 HIF-1是由Semenza在研究低氧诱导红细胞生成素（erythropoietin，EPO）基因的表达时发现的。HIF-1是基因转录核调节因子，也是低氧适应与病理反应中的特异中介因子。多数低氧反应基因，例如诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、血红素加氧酶-1（heme oxygenase，HO-1）、内皮素-1（endothelin，ET-1）的基因表达调控区都有HIF-1结合位点［3］。HIF-l编码基因定位于染色体14q21-24，编码826个氨基酸，其氨基酸序列中含有碱性螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）与PER-ARNTSIM（PAS）结构域，两者与DNA 连接，为形成异源二聚体必需的结构［4］。HIF-1是一个异二聚体复合物，由HIF-1α与HIF-1β2个亚基构成，2 个亚基都是bHLH-PAS 蛋白，属于包含bHLH 与PER-ARNT-SIM 同源结构域的转录因子家族。HIF-1β（ANRT）是结构亚基，在细胞核内持续表达，不受氧体积分数影响；HIF-lα是功能亚基，在细胞质与细胞核内表达，它的mRNA 呈组成性表达，但蛋白表达不呈组成性表达，是受氧体积分数影响的，因此HIF-1的活性主要由HIF-1α活性所决定［5］。在正常氧体积分数下，细胞内的HIF-1α水平极低。但是，当细胞处于低氧状态时，HIF-1α稳定性逐渐增高、积累，然后进入胞核，与HIF-1β结合形成HIF-1，HIF-1和它的靶基因内启动子或增强子中的缺氧反应原件（HRE）内的核心序列5′-RCGTG-3′结合，从而激活下游基因的表达，发生一系列针对缺氧的适应性反应。

1.2 HIF-1α在神经系统的主要功能 HIF-1α是神经系统发育必要的生理条件。HIF-1缺失的胚胎干细胞无法增殖，完全缺失HIF-1α的鼠胚胎发育停止或迟缓，于E10.5 或E11 死亡，表现为神经管的缺陷与头侧细胞大量死亡［6］。神经元特异HIF-1α缺失的小鼠出现脑发育缺陷，并合并有神经元数量减少和 空 间 记 忆 受 影 响［7］。Milosevic 等［8］通 过 敲 除 中 鼠 脑NSCs的HIF-1α基因研究，发现该基因敲除鼠神经元存活及分化均受损。它对脑组织损伤的保护作用主要表现在：（1）HIF-1α促进其下游靶基因的表达，刺激血管新生、塑形和改建，促进缺血区脑血管形成和血管扩张，改善脑血流量［9］；（2）HIF-1α可以提高磷酸果糖激酶-1、葡萄糖转运酶-l、醛缩酶、乳酸脱氢酶水平，促进葡萄糖转移、利用及酵解，为神经元提供能量；（3）EPO 是HIF-1α的靶基因之一，它可抑制NMDA 受体介导的神经毒性，同时抑制脑缺血、缺氧时的兴奋性氨基酸释放；EPO 还可激活Jak2活化核转录因子KappaB（NF-κB），诱导其神经保护基因表达［10］；（4）HIF-1α下调促凋亡因子表达从而阻断缺血性脑损伤后的细胞凋亡［11］。

2 TBI后HIF-1α的表达变化

低氧诱导因子在TBI中的作用，现代研究对此了解不多。税林等［12］探讨大鼠脑干损伤后脑组织HIF-1α的表达特点时发现，HIF-1α在损伤后3h阳性表达增加，24h达到高峰（与正常对照组及假损伤组比较差异有统计学意义），7d降至正常（与正常对照组及假损伤组比较差异无统计学意义）。刘垚炜等［13］研究发现脑外伤后与损伤临近区域的HIF-1α表达变化规律为：12h时增多，72h时达到高峰，1周表达下降，至2周时恢复正常。说明脑外伤后非损伤区域也有缺血、缺氧的改变，可能与脑外伤后的脑萎缩有相关性。李建华等［14］发现HIF-1α蛋白在脑损伤后3h表达显著增高，且一直呈高表达态势，直到损伤后期才逐渐下降。Huang等［15］发现TBI后转化生长因子β（TGF-β）和HIF-1α的表达明显增高，且分别于3 d和12h检测到TGF-β和HIF-1α的mRNA 表达增加。

3 HIF-1α对TBI后继发性颅脑损伤的双重影响

3.1 HIF-1α对TBI后继发性颅脑损伤可能的保护作用 于如同等［11］通过腺病毒介导HIF-1α海马CA3区微量注射发现脑损伤后Ad-HIF-1α注射能促进Bcl-2表达，抑制Bax表达，阻断脑缺血后的细胞凋亡。Anderson等［16］研究了老年大鼠和成年大鼠的差异，发现TBI后老年鼠HIF-1α、血管内皮生长因子（VEGF）和EPO 的表达明显低于成年鼠，而老年大鼠TBI后病死率远远大于成年鼠，分析其原因可能主要是老年鼠的HIF-1α神经保护被削弱所致。Du等［17］研究证实，体温过高预处理能够保护星形胶质细胞的缺氧／再灌注损伤，这种保护作用是通过上调HIF-1α的表达实现的。

3.2 HIF-1α对TBI后继发性颅脑损伤可能的损伤机制 Shenaq等［18］研究显示，水通道蛋白（AQP）和HIF-1α在TBI早期加剧了脑水肿的发生，而AQP 和HIF-1α各自抑制剂的早期治疗能够减轻脑水肿，提高神经行为学评分。Higashida等［19］研究证实，TBI后HIF-1α、AQP-4和MMP-9的表达明显增加，而层粘连蛋白和紧密连接蛋白的量明显下降。应用MMP-9或者HIF-1α抑制剂能明显减轻脑水肿和血脑屏障的渗漏，尤其是HIF-1α抑制剂能够抑制AQP-4和MMP-9的表达，同时提高层粘连蛋白和紧密连接蛋白的表达，从而抑制血脑屏障的破坏、减轻TBI后的脑水肿。Cheng等［20］研究显示，过表达的HIF-1α和NICD（notch intracellular domain）能加速缺氧条件下培养的人神经元细胞的死亡，而HIF-1α抑制剂能够保护这些缺氧条件下培养的人神经元细胞对抗缺氧。

4 问题与展望

目前，HIF-1α对TBI后继发性颅脑损伤的影响机制还没有定论，早期的干预治疗对TBI的影响是积极改善脑组织血液循环、保护神经元细胞，还是加重脑水肿，对此众说纷纭，是不是HIF-1α的剂量或者作用时机可能会影响它对TBI后继发性颅脑损伤的作用效果？或者TBI损伤的程度也影响HIF-1α的作用呢？鉴于HIF-1α的重要功能，以及它在缺血性脑损伤中积极有效的治疗作用，HIF-1α对TBI后继发性颅脑损伤的影响机制值得进一步研究。

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