低氧诱导因子在肾脏病中的作用研究进展

白瑞，赵云飞综述 张蕾审校

当前慢性肾脏疾病患者数量正在不断增长。据统计，中国的慢性肾脏病(chronic kidney disease，CKD)患病率约为10.8%，并逐年增加，已造成巨大的社会和经济负担[1-2]。低氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)是异二聚体转录因子，是细胞适应缺氧、维持氧稳态的主要因素。研究表明，目前已知的HIF-1靶基因超过100种，其编码产物在促进血管再生、调节铁代谢、促进促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)合成、刺激骨髓造血、调节脂质、能量代谢和细胞外基质(extracellular matrix，ECM)、诱导骨形成、炎性反应、肿瘤生长、浸润与转移等方面都起着重要作用。HIF在不同类型肾脏病中的作用机制不尽相同，以致对肾脏疾病发生发展的影响有所差别。本文就HIF在肾脏病中的基因表达调节，与疾病的发生发展关系及治疗进展做一总结，以期为肾脏病的机制研究及干预治疗提供新思路。

1 HIF概述

HIF是一种能对低氧环境做出反应并调控特定基因转录的蛋白质复合物。2019年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一的Semenza及其团队发现了HIF，并证实其结构及cDNA序列。HIF以异源二聚体和异源四聚体的形式存在，但主要形式是由α和β亚基组成的异源二聚体。其中，α亚基是对氧浓度变化敏感的活性功能性亚基；β亚基对氧浓度变化不敏感，仅在细胞内稳定表达于组成结构。HIF-α包括3种亚型，分别是HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α，三者有着极为相似的化学结构，均可与β亚基组合诱导不同靶基因转录，但发挥的生物学功能不尽相同。HIF-1α几乎在所有细胞中表达，在肾脏中主要表达于肾小管细胞，参与糖酵解和调节细胞凋亡，在调节造血干细胞的细胞周期中起关键作用[3-6]。HIF-2α表达局限于特定细胞，包括肾管周成纤维细胞、内皮细胞、脑、肺和神经嵴细胞[4,7-8]，是低氧应答反应的主要介导者，负责调控肾脏EPO的合成和铁代谢为主，还可调节肿瘤生长、细胞周期等。尤其在缺氧环境中，HIF-2α可促进EPO基因转录，增加红细胞生成，改善血液的携氧能力。相比之下，HIF-3α则较少报道，可能是因为其复杂的表达模式。已知HIF-3α缺乏氧依赖性降解和反式激活结构域，可抑制HIF转录反应和HIF-1α、HIF-2α的活性，参与包括低氧应激、组织和器官的分化和发育、糖代谢的过程等多种生理功能。Cockman等[9]研究显示，HIF-α蛋白会在目标脯氨酰残基的N端侧形成一个α螺旋，可能有助于提高HIF-α对调控下游靶基因的选择性。

HIF-1α随细胞内氧浓度的变化而变化。正常氧条件下，HIF-1α的半衰期极短，表达后随即被降解，这使其表达与降解处于动态平衡。缺氧条件下，HIF-1α降解途径受到抑制，表达增加，启动相关靶基因转录，介导多种细胞的突发低氧适应性反应。严重缺氧条件下，HIF抑制因子(FIH)抑制HIF-α的天冬酰胺基羟基化，增加FIH敏感的HIF目标基因的转录。

2 HIF在原发性肾脏疾病中的作用

2.1 肾小球肾炎(glomerulonephritis，GN) 在我国，GN是导致CKD的第一大病因，也是导致终末期肾病(ESRD)的重要原因[10]。在急进性肾小球肾炎—抗GBM型中，敲除VHL基因后肾脏细胞局部HIF-1α稳定表达，可延缓肾小球疾病进展，减轻肾损害[11]。

IgA肾病(IgAN)在原发性肾小球疾病中的患病人数最多，尚无合适且成功的治疗方法。IgAN患者肾微血管内皮细胞的损伤和凋亡及管周毛细血管(PTC)的缺失会引起肾脏缺血缺氧、基质细胞活化和纤维化细胞因子分泌，从而导致纤维化相关基因的上调和ECM的累积。在所有影响IgAN预后的危险因素中，肾间质纤维化是独立因素之一。PTC为肾小管间质主要的血液供应源，PTC病变的一个主要特征是毛细血管内皮细胞数量减少。因此，修复或再生内皮细胞和减少微血管缺失将是治疗IgAN富有前景的方法。Guo等[12]将体外培养的大鼠骨髓单核细胞(BM-MNCs)，诱导进入内皮祖细胞(EPC)中，再将重新组合后的BM-EPCs移植于大鼠肾脏中。结果显示，HIF-1α在IgAN大鼠的肾脏组织中表达增加，而在EPCs大鼠的肾脏组织中表达减少，这表明EPCs移植可以改善肾小管间质的低氧状态，该结果与EPC大鼠中PTC密度增加的观察结果一致。该研究表明BM-EPCs移植显著降低了肾小球中ECM和IgA的沉积及炎性因子的表达，增加了PTC密度，改善缺血性肾组织的缺氧情况，可能为治疗IgAN患者提供了一种切实有效的方法，但具体治疗方案仍待进一步研究。

局灶节段性肾小球硬化症(FSGS)是肾病综合征的常见病理类型。据报道，FSGS约占成人肾病综合征的41%，占儿童肾病综合征的21%[13]。近期越来越多的研究已证实，过度强烈的炎性反应和氧化应激使HIF-1α过表达或长时间激活，可促进FSGS的发展、肾脏纤维化，最终导致ESRD。而一些药物可通过抑制HIF-1α表达，改善FSGS。Liu等[14]研究发现，在FSGS小鼠模型中，红景天苷(SAL，对羟基苯基-β-D-葡萄糖苷)主要通过磷脂酰肌醇3-激酶/p蛋白激酶B(PI3K/Akt)途径抑制HIF-1α的表达，从而抑制肾病综合征标志物(α-平滑肌肌动蛋白和纤维连接蛋白)的表达，改善蛋白尿和肾功能。另外，Epigallocatechin-3-gallate(EGCG)是一种生物活性成分，占绿茶中儿茶素总量的50%以上，具有抗氧化和抗凋亡作用。基于此，该团队研究发现，EGCG可通过抑制HIF-1α/ANGPTL4(血管生成素样4)途径，抑制氧化应激反应和凋亡，对阿霉素诱导的FSGS肾脏起保护作用[15]。目前临床中尚无治疗FSGS的有效药物，上述研究可能为治疗FSGS提供希望。

2.2 多囊肾病(polycystic kidney disease，PKD) PKD在临床中较常见的类型为常染色体显性遗传型(ADPKD)，常于青中年期发病，可导致ESRD。有实验在ADPKD的囊肿内皮细胞中发现了HIF，这可能是扩张性囊肿压缩肾脏组织引起缺血缺氧所致。囊肿上皮细胞表达HIF-1α，囊肿内皮的基质细胞表达HIF-2α[5]。小鼠肾小管中HIF-1α和编码多囊蛋白-1(PKD-1)共同缺失会抑制PKD-1相关囊肿的进展，而使用脯氨酰羟化酶抑制剂(HIF-PHI)治疗会加重囊肿进展[16]。因此，HIF-1α的激活可能会加速囊肿的发展，可能与囊肿的类型不同有关。Kocyigit等[17]研究发现，炎性反应和缺氧均是ADPKD患者高血压的相关因素，年龄增加、低eGFR、HIF-1α和IL-1β基因表达与ADPKD患者发生高血压独立相关。这提示HIF对PKD的发生发展起着重要作用，其具体机制仍需进一步研究。

3 HIF在继发性肾脏疾病中的作用

3.1 糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN) 在我国，随着糖尿病患病人数的不断攀升，DN已成为导致CKD的第二大原因。DN作为糖尿病的严重并发症之一，极易导致ESRD。越来越多的证据表明，足细胞损伤是蛋白尿性肾脏疾病的关键决定因素，与DN的进展有关[18]。缺氧与足细胞损伤密不可分，是DN发生进行性肾损伤的关键原因。HIF-1α表达增加可减轻糖尿病引起的肾脏结构和功能的改变，从而改善肾缺氧和蛋白尿，保护肾功能。肾纤维化是DN的最终病理阶段。肾间质中的成纤维细胞逐渐转化为肌成纤维细胞，产生过量的胶原纤维，胶原纤维沉积会中断实质细胞之间的相互作用，最终使肾功能丧失。HIF-1α和转化生长因子-β1(TGF-β1)在肾脏纤维化中起关键作用。HIF-1α可介导TGF-β1诱导的信号传导途径，增加胶原转录，减轻肾脏纤维化。有研究发现，糖尿病动物模型的肾脏组织中糖酵解和三羧酸循环的代谢产物累积，氨基酸减少，HIF稳定剂Enarodustat(JTZ-951)可以减轻这些代谢障碍。此外，JTZ-951可增加糖尿病动物肾脏组织中谷胱甘肽与谷胱甘肽二硫化物的比例，缓解氧化应激,从而对DN早期阶段肾脏能量代谢产生积极影响[19]。另一项研究显示，在2型糖尿病小鼠模型中，使用JTZ-951后可减轻体质量，降低总胆固醇、高密度脂蛋白水平，减少脂肪组织；降低血糖水平，改善胰岛素敏感性；并且有减少巨噬细胞浸润的趋势；还表现出蛋白尿减少和肾小球上皮、内皮细胞损伤减轻[20]。这些结果表明，JTZ-951除了具有调节代谢异常的潜力外，还具有潜在的肾脏保护作用，目前该药正在进行3期临床试验，为DN的治疗及改善预后提供了希望。

3.2 梗阻性肾病 Kalucka等[21]在结扎单侧输尿管导致肾脏纤维化的小鼠模型中，将肾小球内皮细胞中的HIF-1特异性敲除后发现，不会引起肾脏功能改变，而在体外实验中特异性敲除HIF-1能增加因缺氧而引起的细胞死亡，说明HIF-1在梗阻性肾病体内外发挥的作用有所差别。EPO转录基因是HIF的靶基因，HIF-PHI可以诱导EPO的产生。有实验证实，在单侧输尿管梗阻小鼠模型中，EPO转录基因会强烈诱导具有EPO产生能力的肾脏细胞，这些细胞占肾内肌纤维母细胞样群的绝大部分。尽管EPO mRNA只在未处理的梗阻肾中低水平表达，但在这群细胞中EPO mRNA被强烈诱导，并且其数目超过对侧肾脏[22]，这说明肾脏肌纤维母细胞样群增多的患者可能对HIF-PHI的反应较好。

3.3 狼疮性肾炎(lupus nephritis，LN) LN是系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus，SLE)较常见且严重的并发症，50%以上的SLE患者在临床上有肾脏受累的证据[23]。目前导致LN的机制尚不完全清楚。HIF-1α在LN患者和小鼠中高表达，可诱导系膜细胞(MCs)增殖。随着MCs数量增加，肾脏中的氧气消耗量增加，打破氧供需平衡，使HIF-1α表达增加，导致更多的MCs增殖和恶性循环，从而加速肾间质纤维化和组织破坏。HIF-1α也可能通过调控细胞周期蛋白参与LN细胞的增殖，影响免疫调节。过表达的HIF-1α可加速B淋巴细胞发育、T淋巴细胞分化和先天免疫反应，持续的炎性反应和免疫反应导致病变内局部组织缺氧，加速LN的恶化。有学者在LN小鼠的肾脏中发现，低氧环境使浸润性T细胞的活性升高，导致肾组织损伤，抑制HIF-1α后，小鼠的T细胞浸润和肾损伤减轻[24]。此外，HIF-1α依赖的糖酵解途径有助于Th17细胞的分化。上述研究表明，HIF-1α可能是导致LN进展的关键因素。因此，HIF-1α可能成为治疗LN患者的潜在和有价值的靶目标。

4 HIF在急性肾损伤中的作用

急性肾损伤(acute kidney injury，AKI)以炎性反应和细胞死亡为特点使肾功能快速丧失，表现为GFR和尿量的急剧下降，最终导致ESRD。Basile等[25]提出，缺氧是AKI的起始因素，甚至可能是其发展为CKD的驱动力。在缺血性和非缺血性AKI时，往往会引起肾脏缺氧进而激活HIF-1。在AKI中，HIF诱导肾保护作用的分子机制是复杂的，涉及多个过程和因素，包括肾血管生成、抗炎和血管舒缩反应等，还可能对其他器官产生远期影响。然而，日本的一项研究显示，缺氧条件下HIF-1诱导的葡萄糖摄取和糖酵解增加使糖原合成增加，可以预测糖原储存量和细胞存活率之间的直接相关性，即AKI的临床结果，这可能是AKI中起关键作用的机制[26]。既往研究已经观察到，HIF在AKI向CKD转化过程中发挥适应缺氧环境的重要作用。据报道，在动物模型肾切除术后5～9周进行钴治疗可以保留毛细血管网，降低残余肾脏的肾小球和肾小管通透性。HIF-1和HIF-2在肾小管上皮细胞中的表达可以促进内皮细胞的增殖和迁移。有研究进一步阐明了钴的应用不仅增加了HIF相关基因(如EPO、VEGF、GLUT-1和HO-1)的上调，而且还减轻了肾炎模型中肾小管间质损伤。综上所述，HIF活化通过血管生成和可能的抗纤维化和抗凋亡机制减轻了AKI向CKD转化过程中的肾脏损伤[27]。AKI对慢性心力衰竭(CHF)患者的短期和远期预后均产生不利影响。一项研究纳入了84例CHF急性失代偿期合并AKI的患者，随访12个月，观察到死亡组患者的HIF-1高于存活组，研究发现HIF-1水平与CHF患者的预测之间存在关联，这表明HIF-1可能是CHF急性失代偿期患者AKI的生物学标志物[28]。

5 HIF在CKD合并症中的作用

肾性贫血会增加肾脏病患者的心脑事件发生率和死亡风险，并可能增加透析患者血管通路形成血栓的机会，是ESRD常见的并发症。有报道显示，eGFR<60 ml·min-1·1.73m-2时，21.5%的患者存在不同程度的贫血。而随着病情进展至维持性血液透析(MHD)阶段，肾性贫血的患病率更高。据统计，我国进入MHD的CKD患者贫血的发生率为61.2%[29]，对我国的肾脏健康事业造成巨大威胁。既往认为，EPO生成不足是导致肾性贫血的主要原因。后来研究发现，导致肾性贫血的原因有很多，血清铁调素增加就是其中之一。低氧条件下，HIF-2α可促进红细胞生成，增加铁的利用率，并且可增加对红系细胞中血红蛋白合成的铁需求，下调铁调素的表达，有利于铁吸收和动员铁储存，以充分代偿缺氧，改善贫血。另外，在CKD患者中肾小球滤过能力丧失导致尿毒症毒素积累。尿毒症毒素与炎性产物结合，能够诱导红细胞膜的功能改变并将其破坏，且可通过减少红细胞的寿命干扰红细胞生成，加重贫血，可能还会抑制骨髓中红系祖细胞的增殖[30]。目前临床试验证实，HIF-PHI 罗沙司他(FG-4592)，对透析与非透析肾性贫血患者均能够有效升高血红蛋白(Hb)水平，降低铁调素水平，且不需要静脉补铁、不受患者体内炎性反应状态影响，到目前为止未发现心血管事件风险升高的证据[31]。肾性贫血也是一种慢性炎性反应性贫血，已有临床试验表明，罗沙司他的促红细胞生成似乎与炎性反应无关，这说明罗沙司他可能是治疗因高炎性反应状态而对重组人促红细胞生成素反应低的肾性贫血患者的合适临床策略之一[32]。在一项荟萃分析中显示，与对照组相比，罗沙司他可有效提高Hb、血清转铁蛋白、肠道铁的吸收，并降低铁调素[33]。2018年末罗沙司他在中国获得批准上市，目前已取得较好的临床治疗效果。虽然HIF-PHI对于治疗肾性贫血疗效较好，但其安全性仍需进一步评估，长期的安全隐患涉及理论上的致癌风险及某些心血管疾病的风险，例如易患肺动脉高压和栓塞性疾病，血管生成的增加可能促进糖尿病性视网膜病变进展、代谢改变及对CKD和囊肿进展有着潜在的负面影响等[34]。

肌肉的损伤和身体机能的下降会导致CKD发病率和病死率增加，目前尚无有效的治疗方法。许多研究证据表明，在CKD大鼠模型的肌肉中会发生受损的血管新生。因此，血管新生治疗被认为是限制CKD相关肌病的潜在有效策略。HIF-PHI可稳定HIF并增强急性缺血期间的肌肉血管生成，但在CKD大鼠模型中几乎没有相关证据支持。Qian等[35]评估了一种新型口服活性HIF-PHI(即MK-8617)，是否能够改善CKD相关肌病，结果表明，HIF-PHI为改善CKD相关性肌病提供了一种潜在的治疗策略。

6 HIF在肾透明细胞癌(clear-cell renal cell carcinoma，ccRCC)中的作用

肾癌占全身所有恶性肿瘤的2%～3%，是世界上普遍存在的癌症之一[36]。肾细胞癌(RCC)是其中最常见的类型(85%)，而透明细胞亚型肿瘤占RCC的大部分[37]。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表达可促进血管形成，而HIF-1α参与了RCC的血管形成和发展，因此HIF-1α与VEGF的关系十分密切。曾有研究发现，HIF-1α可促进VEGF表达，促进血管生成，改善肾脏血流动力学，减轻肾脏缺氧。研究表明，大多数ccRCC是由体细胞VHL失活和HIF(尤其是HIF-2α)失控引发的[38]。近期的一项研究显示，HIF-2α表达是RCC患者整体存活率的惟一独立预测因子[39]。因此，增加HIF-2α表达可能对改善RCC的预后有积极作用。抗VEGF和哺乳动物靶向药物-雷帕霉素、VEGFR-1、2和3的选择性酪氨酸激酶抑制剂(TKI)——替沃扎尼(tivozanib)等，使RCC患者的生存率有所提高[40]。Nicholson等[41]研究发现，在人和果蝇、不同人的ccRCC细胞系之间，细胞周期蛋白依赖性激酶4和6(CDK4/6)的活性降低和VHL失活后具有联合致死性。尽管HIF-2α转录诱导了CDK4/6伴侣细胞周期蛋白D1，但HIF-2α转录并不需要增加CDK4/6。因此，在依赖HIF-2α的VHL ccRCC细胞中，CDK4/6抑制的抗增殖作用与HIF-2α的抑制有协同作用，而在不依赖HIF-2α的细胞中其与HIF-2α的抑制没有拮抗作用。这些发现将支持CDK4/6抑制剂单独或与HIF-2α抑制剂联用作为ccRCC的新型治疗方法。目前，HIF-2α抑制剂对治疗ccRCC显示出一定的效果，但仅在某些患者中有效，还需进一步研究。

7 HIF在移植肾脏中的作用

在肾移植手术过程中，供肾很有可能会发生缺血/再灌注(I/R)损伤。HIF-1α作为对低氧反应至关重要的转录激活因子，在I/R损伤期间可被迅速激活,通过多种途径介导供肾适应缺氧环境,可预防或减少供肾I/R损伤,并且参与损伤修复,进而提高肾移植的疗效[42]。在实验性肾移植模型中，一项研究观察到HIF-PHI对同种异体移植物的短期功能和长期功能均有影响。此外，在移植后不久发生的急性排斥反应中观察到人移植肾的肾小管细胞中HIF具有稳定性。因此，除了在器官保存中发挥作用外，HIF的激活可能会影响同种异体肾移植的免疫反应。然而，这些结果都需要在进一步的研究中得到证实[5]。

8 展望

细胞感知和对氧水平反应机制的阐明为医学开辟了新的领域。HIF在低氧适应性反应中的作用，为了解肾脏病理状况和治疗肾脏疾病提供了许多机遇和挑战。随着对疾病的病理生理学及其与缺氧信号的关系了解加深，将能够对特定疾病进行干预。然而，HIF在多种细胞、多系统均发挥作用，除肾脏外，HIF在其他系统中(如心、肺、肝等)与各个疾病的关联及HIF在人体内的一系列动态演变仍需进一步探索。近年来已有较多的文献提出HIF参与了肿瘤的发生发展，HIF及其下游靶目标正成为治疗各种器官损伤的新选择。