造血相关因子在高原红细胞增多症中的作用

杜亚利,郭馨云,俞　平(综述),魏虎来(审校)

(1.兰州军区兰州总医院安宁分院血液科,兰州 730070； 2.兰州军区兰州总医院妇产科，兰州 730050; 3.兰州大学基础医学院,兰州 730000)

造血相关因子在高原红细胞增多症中的作用

杜亚利1※,郭馨云2,俞平1(综述),魏虎来3(审校)

(1.兰州军区兰州总医院安宁分院血液科,兰州 730070； 2.兰州军区兰州总医院妇产科，兰州 730050; 3.兰州大学基础医学院,兰州 730000)

高原红细胞增多症(high altitude polycythemia，HAPC)是由于高原低氧引起的人体红细胞过度代偿性增生的一种常见慢性高原病。与同海拔的健康人相比，HAPC患者单位容积循环血中红细胞计数超常增多、血黏度增高，从而对机体各组织器官造成损害，引起一系列头昏、头痛、气促等临床症状，甚至导致患者丧失生活和劳动能力。根据2004年第六届高原医学国际会议确定的HPAC诊断指南，长期居住于海拔>2500 m的人，男性血红蛋白(hemoglobin，Hb)>210 g/L，女性>190 g/L者应考虑为HAPC[1]。流行病学研究发现，HAPC的发病率与海拔高度、种族及性别有很大关系，发病随海拔的增加而增加，男性高于女性，移居人群高于世居人群。在海拔3000～4700 m的高原HAPC患病率为2.43%～37.5%[2]，素有“世界屋脊”之称的我国青藏高原地区平均海拔超过4000 m，该地区5%～18%的居民罹患HAPC[3]。在我国和南美洲安第斯山地区的一些国家，HAPC是一种严重的公共健康问题，它威胁着数以百万高原居民的身体健康。高原低压缺氧是HAPC的主要原因，但对其发病机制还不十分清楚，目前尚无有效的预防和治疗方法[4]。而红细胞的生成是多种细胞因子共同调控的结果，包括造血生长因子、转录因子及造血系统的微环境。一些造血相关因子如缺氧诱导因子(hypoxia induced factor，HIF)1、促红细胞生素(erythropoietin,EPO)、白细胞介素(interleukin，IL)3、IL-6及性激素对多种造血干祖细胞均有作用。HAPC患者红细胞的过度增生可能是多种造血调节因子共同参与所致[2]。现就相关造血调节因子在HAPC发病中的作用予以综述。

1HIFs

高原性慢性缺氧可通过多种途径诱发HAPC。慢性缺氧会对人类和动物的生理活动产生广泛的影响，机体会做出精确的、适应性应对低氧的反应，其中，HIFs扮演着关键性的角色。HIFs是介导低氧适应性反应的转录因子，广泛存在于哺乳动物和人体内[5]。其分子结构属异质二聚体，由一个独特的氧依赖亚基α和一个共用的基本亚基β组成。HIF-1α是调节及活性亚基，由氧浓度严格调控[6]，HIF-1β是结构亚基，无论低氧还是常氧，它的mRNA和蛋白表达均保持在一个恒定水平。HIF-1α和HIF-2α有着高度的序列一致性，因此在结构和生物学特性上有许多相似之处。研究发现HIF-1α在主要以糖酵解为能量来源的长期造血干细胞高度表达[7]，是重要的细胞代谢调节因子，它通过大量的下游靶基因调控着造血干细胞(hematopoietic stem cell，HSC)从氧化应激反应到糖酵解、线粒体呼吸等代谢的各个方面，调控着对造血干细胞活化状态、静息状态及信号蛋白相互作用起关键作用的多数基因的表达[8]，在红细胞的生成过程中起重要作用。HIF-2α是维持骨髓造血功能微环境的关键因素，HIF-2α的缺乏将导致严重的贫血、血细胞生成低下和全血细胞减少[9]。在血细胞的生成过程中，HIF-2α是造血干细胞增殖和分化的必需因素，而不仅仅是一个骨髓细胞因子[10]。在常氧情况下HIF-1α 是以脯氨酰羟化物的形式存在，并经脯氨酰羟化酶羟化降解而维持在稳定水平，但在缺氧的状态下，由于降低了脯氨酰基的羟化作用，HIF-1α降解受阻，在胞内积聚，并进入胞核和HIF-1β聚合成二聚体，HIF复合体形成后即转录激活，激活的HIF复合体与低氧反应元件上的HIF结合位点结合。低氧反应元件是位于低氧反应基因3′或5′端的一段DNA序列，是被调控基因的启动子或增强子，其核心序列为5′-TACGTGCT-3′。低氧反应元件与HIF-1α特异性结合，使HIF-1α及其蛋白水平和DNA表达活性均急剧上升，促进低氧反应基因的转录[11]。这些基因包括：血管内皮生长因子、EPO、葡萄糖转运体1、3-磷酸甘油醛脱氢酶等，引起细胞对低氧的一系列反应，如红细胞生成增多、糖酵解活性增强、组织新生的毛细血管增多、血管扩张、细胞增殖等，以维持机体的氧稳态，降低缺氧对组织的损伤，这些变化对HAPC具有重要的病理生理学意义。在南美安第斯山脉、北美落基山脉的一些矿区，由于钴、镍等重金属污染抑制脯氨酰羟化酶减少HIF-1α、HIF-2α降解而诱发HAPC[12]。李晓娜等[13]研究发现，与对照组相比，HAPC患者血清HIF-1α水平显著增高，并与Hb水平及红细胞计数显著相关，进一步表明HIF-1与HAPC的发病密切相关[14]。另外，Yu等[15]将HIF-1部分缺陷(HIF-1+/-)小鼠和无HIF-1缺陷(HIF-1+/+)小鼠暴露在10%的低氧环境下观察1～6周后，HIF-1+/-小鼠红细胞增多、右心室肥厚、肺动脉高压和肺血管肌化的发生明显迟于HIF-1+/+小鼠，提示HIF-1不仅作用于EPO的形成，而且对其他组织如肺动脉压、心肌肥厚等也有作用。这可能对HIF与HAPC的发病机制提供了新的思路。

2EPO

目前的研究显示，HIF-EPO 途径可能是HAPC的主要途径[10]。EPO是HIF的直接作用靶点，在缺氧环境下，HIFs通过改变细胞特异性基因表达，刺激肾脏和肝脏大量产生EPO[16]。EPO既是一种激素，又是目前已知最重要的造血调节因子，它是一种相对分子质量为3×107、含165个氨基酸的酸性唾液酸糖蛋白，对红细胞具有正调节作用。红系祖细胞是EPO的主要作用靶点，并对EPO分子非常敏感，体外研究发现，HAPC患者的红系祖细胞对EPO分子较正常人更敏感[2]。EPO通过与红系祖细胞和幼红细胞上的EPO 受体结合，调节红系祖细胞的生存、增殖、分化及幼红细胞的成熟，有助于循环红细胞的生存，抑制红细胞的凋亡[17]。在胚胎期EPO主要由肝脏合成，出生后及其他时期由肾小管上皮细胞及间质细胞合成。组织供氧的不足是刺激EPO合成和释放的最重要因素[18-20]。EPO的人体正常值为10 000～20 000 μm/L，当缺氧时升高至1×107μm/L以上[21]。有人发现，在低氧状况下2 h就会有EPO活性升高，4 h血中EPO水平增加50%[22]。有学者观察了10例(4例女性，6例男性)志愿者到达6542 m高原3周间的反应发现，在进入高原环境的早期EPO即出现迅速的升高，1周内各个体的EPO水平升高3～134倍不等，而到第2、3周时则开始下降，但仍显著高于平原环境的水平，并且EPO水平与动脉血氧饱和度(arterial oxygen saturation，SaO2)呈显著负相关；与此同时，网织红细胞、Hb也在从平原到高原的第1、2周持续升高，然后在第2、3周逐渐下降[23]，提示缺氧环境下，EPO最初均升高，经过1周左右时间的低氧习服(适应性改变)后下降，但不会降到平原值。可见，低氧时血清EPO增加为机体对低氧的一种代偿反应，增加了Hb的携氧能力，提高氧传递，改善组织缺氧；但如果红细胞比值超过65%时，则显著增加了血液黏度，使血流缓慢、氧的传递受阻加重了组织缺氧。因此认为，在低氧环境下，EPO的分泌过度可能是HAPC发生的重要因素[24]。但也有学者观察到HAPC患者血清中EPO浓度与世居或移居高原的非HAPC人群无明显差异，红细胞计数的增加并不与血清EPO水平相关，在低压缺氧的环境下，红细胞计数可以在血清EPO水平下降期继续增加[25]。León-Velarde等[26]在秘鲁(海拔4300 m)研究了世居高原正常人和HAPC患者的EPO及 Hb、SaO2水平，并与平原人进行比较，发现高原正常人和HAPC患者的EPO、Hb、SaO2水平显著高于平原组，且HAPC患者的Hb、SaO2水平高于高原正常人，但EPO水平在高原正常人和HAPC患者之间差异无统计学意义。而急进高原的健康人EPO则明显高于高原正常人及HAPC患者，提示EPO虽然是红细胞生成速率的主要调节因素，可能在急性缺氧中起更重要的作用[27]。可见，体内EPO水平的高低并不是HAPC的唯一发病因素，HAPC患者的红细胞计数过度增生可能是多种造血因子共同参与所致。

3IL-3和IL-6

Klansen[28]报道了健康人进入海拔4350 m高原4 d期间血清IL-1、IL-6、肿瘤坏死因子、C反应蛋白等细胞因子水平变化情况。在进入高原的1、2、3 d，SaO2的平均值分别为78.6%、82.6%及83.4%，血清IL-6水平分别从平原时的1.36 ng/L上升到3.1 ng/L、4.71 ng/L、3.54 ng/L，在第4日达到9.96 ng/L，并与SaO2、血清EPO水平显著相关，而其他因子IL-1、肿瘤坏死因子及C反应蛋白水平无明显变化，提示IL-6起一个共刺激EPO产生的作用，说明在高原低氧环境下IL-6似乎不像炎性介质，而是在高原缺氧地区起促进红细胞增殖的作用。Li等[25]的研究发现高原缺氧可通过上调IL-3、IL-6而诱导非EPO依赖性红细胞增生。IL-3、IL-6在HAPC发病过程中可能起一定作用[25]。IL-3是由活化的T淋巴细胞、自然杀伤细胞和巨噬细胞产生，能和其他造血因子协同作用刺激多系造血干祖细胞增殖的特异性因子[29]。在其他细胞因子如IL-5、粒-巨细胞集落刺激因子、粒细胞集落刺激因子、血栓素和EPO的协同下，刺激红系、巨核系、粒系和单核系细胞克隆的形成。和EPO相互协作刺激红系细胞的发育，刺激早期红系祖细胞的增殖和分化。在接受化疗的患者中观察到IL-3有刺激嗜中性粒细胞、网织红细胞和血小板形成的作用，还能调节辅助T淋巴细胞发育、提高炎性因子干扰素γ的水平，刺激血管平滑肌迁移和增殖[30]。IL-6主要由巨噬细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞等多种细胞产生，可调节多种细胞的生长与分化，能调节免疫应答、急性炎症反应及造血功能。刘舒等[31]研究发现，在造血因子方面藏族和汉族的HAPC患者略有些不同：藏族HAPC患者有较高的IL-6水平，EPO和IL-3起协同作用；汉族HAPC患者EPO水平高，IL-3和IL-6起协同作用。提示HAPC的发病机制是多方面的，EPO、IL-3、IL-6等因子在HAPC发病中的作用有明显的个体差异，值得进一步探讨。

4性激素

流行病学研究发现，HAPC发病率在种族、性别方面存在差异[32]。张朝霞等[33]的一项调查显示，青海海西州地区男性HAPC患病率(6.14%)显著高于女性(1.03%)(P<0.01)。Gonzales[34]发现,HAPC患者和短期暴露于高原的健康男性血清睾丸酮水平和Hb均高于平原人，认为血清睾丸酮水平增加既是高原习服所需，也与高原红细胞过度增高有关，提示HAPC发病可能与睾酮水平有关。睾丸酮又称睾酮，主要由男性睾丸分泌，是一种能调节红细胞生成的雄性激素。其在前列腺细胞内经5α-还原酶的作用，形成更具活力的5α-双氢睾酮，促使肾脏EPO分泌增加和红系祖细胞对EPO的反应，促使巨噬细胞产生粒-巨细胞集落刺激因子；在肝脏内经5β-还原酶作用生成5β-双氢睾酮和本胆烷睾酮，后两者对造血干细胞均具有直接刺激作用，促进其增殖和分化。然而，又有研究显示，低氧环境可致人体睾酮水平下降[35]。最近有研究在鱼类中观察到，雌、雄鱼卵巢和睾丸功能随低氧的发生受到损伤，在低氧环境下，雌、雄鱼血中分别出现雌激素和睾酮水平下降[36]。牟信兵等[37]曾观察HAPC患者血清睾酮及雌二醇水平变化，与对照组比较差异无统计学意义。可见，性激素睾酮在HAPC发病中的作用有待进一步研究。

5结语

HAPC是高海拔地区的常见慢性疾病，严重影响患者的身心健康。其发病率存在明显的族群和性别差异，并随海拔增高而增高。缺氧是引起HAPC的根本原因，目前对该病发病机制还不十分清楚。而红细胞的生成是多种细胞因子共同调控的结果，如HIF-1α在缺氧时表达增加，导致了HIF-1调控基因的转录激活，刺激肾脏和肝脏大量产生EPO，并与EPO等低氧反应基因上的HER结合，引起红细胞计数生成增多；IL-3和IL-6对多种造血干祖细胞均有作用，对红系祖细胞作用主要是促进细胞的增殖和分化；雄激素睾丸酮具有增强红细胞的生成作用。它们与HAPC患者的红细胞过度增生及HAPC的发生、发展存在着一定关系。更深入地研究HAPC的发病机制将为HAPC的防治开辟新途径。

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摘要：高原红细胞增多症(HAPC)是高海拔地区或长期居住高海拔地区人群的常见病，严重影响患者的健康。缺氧是引起HAPC的根本原因，但其病理机制还不清楚。在高原低氧环境下，低氧诱导因子1通过与促红细胞生成素(EPO)的启动子结合，提高EPO-mRNA活性，致EPO的分泌增加。增加的EPO对缺氧性红细胞增生具有重要作用。但在HAPC患者中EPO水平不总是和红细胞增生的数量相一致。其他可能性因素包括遗传适应性、对EPO的反应性、造血生长因子、转录因子及造血系统微环境的调控等。

关键词：红细胞增多症；高原；缺氧；造血相关因子

The Effects of Hematopoiesis Related Factors in High Altitude PolycythemiaDUYa-li1，GUOXin-yun2，YUPing1，WEIHu-lai3. (1.DepartmentofHematology，AnningBranchofLanzhouGeneralHospitalofLanzhouMilitaryCommand，Lanzhou730070，China; 2.DepartmentofGynaecologyandObstetrics,LanzhouGeneralHospitalofLanzhouMilitaryCommand,Lanzhou730050,China; 3.BasicMedicineCollege,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Abstract:High altitude polycythemia(HAPC) is a common disease for people residing in or visiting high altitude.It has a badly effect on the health of patients.High altitude hypobaric hypoxia is the primary cause of HAPC,but the pathogenesis is not clear yet.Under exposure to high altitude,hypoxia inducible factor 1 increases erythropoietin(EPO) mRNA levels by binding the EPO promoter,resulting in increased EPO secretion.The prominent role of hypoxia-induced EPO increase in hypoxic erythrocytosis has been established.But erythropoietin level does not always correlate well with the amount of RBC production at high altitude,and other possible factors related to HAPC include genetic adaptartion,reactivity to EPO,regulation of hematopoietic factors,transcription factors and hematopoietic microenviroment etc.

Key words:Polycythemia； High altitude； Hypoxia； Hematopoiesis related factors

收稿日期：2014-03-30修回日期：2015-04-20编辑：相丹峰

基金项目：兰州军区医药卫生科研计划(CLZ14JB24)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.15.006

中图分类号：R555.1

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)15-2703-04