缺氧诱导因子1在支气管哮喘气道炎症机制中的研究进展

梁丽霞 朱黎明 曾丹 戴爱国

1南华大学附属南华医院呼吸与危重症医学科,衡阳421002;2湖南省人民医院呼吸内科,长沙410016;3湖南省人民医院呼吸疾病研究所,长沙410016;4湖南中医药大学,长沙410208

支气管哮喘(哮喘)是一种以慢性气道炎症和气道高反应为特征的异质性疾病,目前发病机制尚未完全明确,气道免疫-炎症机制作为最重要的发病机制之一,包括气道炎症形成机制、气道高反应性(airway hyper reactivity,AHR)和气道重塑。研究发现哮喘患者的平滑肌细胞、黏膜下层和支气管肺泡灌洗液中缺氧诱导因子1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)的表达不仅明显增加[1-4],而且能引起气道炎性细胞浸润、AHR及气道重塑,参与哮喘气道炎症反应[5-7]。

1 HIF-1概述

HIF-1是机体在缺氧条件下产生的氧依赖性缺氧反应元件,α亚基和β亚基共同构成稳定的HIF-1。HIF-1α是一种功能性亚基,其编码基因位于人14号染色体q21-24区、小鼠12号染色体上。HIF-1β是一种结构性亚基,又叫芳香烃受体核转位子,其编码基因位于人1号染色体q21区、小鼠3号染色体上。HIF-1在哺乳动物中均有表达,且广泛分布于人体各个脏器和组织中。常氧下,HIF-1α表达减少、活性及功能受抑制,并通过泛素-蛋白酶解系统降解处于低表达状态,缺氧及炎症条件下,HIF-1α较常氧条件下表达增加,降解受阻。HIF-1β不受氧浓度影响,主要介导HIF-1α的核转运,以形成稳定的HIF-1来调节下游靶基因的转录。研究发现生长因子、细胞因子、活性氧族和铁离子鳌合剂等能通过多种机制调节HIF-1α的活性和功能[8],同时香烟中的尼古丁也能激活HIF-1α,增加其表达[9]。

2 HIF-1与哮喘气道炎症

哮喘是一种由髓系炎症细胞(嗜酸粒细胞、巨噬细胞、肥大细胞、T淋巴细胞、中性粒细胞等),气道结构细胞如气道上皮细胞(airway epithelial cells,AECs),气道平滑肌细胞(airway smooth muscle cells,ASMCs),杯状细胞等和相关细胞因子,炎症介质等细胞组分共同参与的慢性气道炎症性疾病。研究发现HIF-1可以调节炎症细胞的能量代谢,使其进行有氧代谢向无氧代谢的转换,减少ATP耗竭,防止炎症效应细胞死亡,还能作为炎症细胞炎症能力的主要调节因子,影响炎症反应[10-11]。Crotty Alexander等[12]在卵清蛋白(ovalbumin,OVA)诱导的小鼠哮喘模型中发现,髓系细胞中HIF-1的缺失减少了嗜酸粒细胞浸润、杯状细胞增生以及细胞因子IL-4、IL-5和IL-13在肺中的水平,HIF-1抑制剂Lificiguat(YC-1)应用后能降低哮喘小鼠支气管肺泡灌洗液、肺实质和血液中的嗜酸粒细胞、肺部整体炎症、IL-5和血清OVA特异性IgE的水平,同时髓系细胞中HIF-1的敲除将导致小鼠未发生AHR,进一步实验发现,减少嗜酸粒细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和肥大细胞中的HIF-1,将导致气道平滑肌对过敏性刺激的反应减弱,但又不能阻止所有的过敏性炎症的发生,这可能提示AECs、ASMCs等气道结构细胞中HIF-1的激活也有助于哮喘的发病。因此,接下来我将从以下3个方面来阐述HIF-1在哮喘气道炎症机制中的影响。

2.1 HIF-1与髓系炎症细胞

2.1.1 HIF-1与嗜酸粒细胞 嗜酸粒细胞是哮喘炎症过程中的核心炎症细胞,具有抗原提呈、终末效应细胞功能及免疫调节作用。HIF-1在嗜酸粒细胞中表达能调节嗜酸粒细胞趋化性和存活率[13-14],在哮喘患者中的研究发现HIF-1可诱导哮喘患者嗜酸粒细胞增多,体外嗜酸粒细胞实验进一步证实HIF-1主要是通过影响嗜酸粒细胞趋化因子1、巨噬细胞炎症蛋白1α,促使嗜酸粒细胞靶向过敏性炎症部位,而经过活化后的嗜酸粒细胞将释放碱性蛋白、嗜酸性阳离子蛋白、白三烯、前炎症细胞因子等造成气道上皮的损伤,导致气道高反应[12]。同时,嗜酸粒细胞中HIF-1的表达能促进血管内皮细胞增殖、诱导内皮细胞产生血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的直接促血管生成作用,并通过上调VEGF受体使这些细胞对VEGF更敏感,这可能与哮喘气道重塑相关[15]。

2.1.2 HIF-1与巨噬细胞 巨噬细胞被认为是非病变肺中免疫细胞类型最多的一种,在哮喘发生过程中主要起着抗原提呈、炎症效应细胞作用,参与哮喘炎症反应和血管生成。研究发现在尘螨诱导的小鼠哮喘模型中,HIF-1拮抗剂组中肺泡巨噬细胞数量明显增加,同时抑制了气道炎症和AHR,因此HIF-1能抑制气道巨噬细胞浸润,促进气道炎症及气道高反应[12]。同时,巨噬细胞衍生的HIF-1α在促进变应原激发的炎症和血管生成中起关键作用,通过产生血管生成因子和向内皮募集内皮祖细胞(endothelial progenitor cells,EPCs),促进血管生成[16],同时HIF-1α在EPCs中的过度表达又能导致EPCs的动员、募集及其功能的增加,进一步导致血管生成增加[17],促进气道重塑。

2.1.3 HIF-1与其他炎症细胞 中性粒细胞作为早期炎症细胞,在哮喘发病过程中主要参与气道炎症细胞浸润及AHR等相关炎症反应,中性粒细胞在气道中的浸润增加,已形成一种新的哮喘炎症表型——中性粒细胞性哮喘,这与临床上难治性哮喘及重症哮喘密切相关。研究发现缺氧和HIF-1是中性粒细胞存活和功能调节的关键途径的一部分,炎症状态下,HIF-1α可抑制中性粒细胞凋亡,且增强中性粒细胞灭菌能力[18]。HIF-1α可使嗜碱粒细胞适应IgE介导的免疫刺激,提高IL-4的表达,介导Th2相关反应[19],这与哮喘炎症初期反应相关。而炎症状态下HIF-1α的水平对于树突状细胞的成熟活化也起着很重要的作用,能促进变态反应中的抗原提呈[20]。同时,HIF-1能使免疫调节失衡,刘巧维[21]在烟雾暴露的哮喘气道模型中发现,HIF-1α能介导Th17/Treg失衡,使Th17细胞过度增殖,Treg细胞合成减少,最终导致吸烟哮喘小鼠发生以中性粒细胞浸润为主的慢性气道炎症。

2.2 HIF-1与气道结构细胞

2.2.1 HIF-1与ASMCs 在哮喘发病过程中,ASMCs不仅能作为收缩细胞调节AHR,还可以释放细胞因子和趋化因子,表达细胞黏附分子,促进免疫细胞的募集和相互作用,加重气道炎症反应,同时气道平滑肌的增殖将导致气道壁的增厚,加重气道重塑。Zhang等[22]研究发现HIF-1α能促进体外大鼠平滑肌细胞增殖,MiRNA类似物MiR-199a-5p能下调其表达,影响平滑肌细胞增殖。在HIF-1过度诱导条件下培养去上皮的气管条可增强其对乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)的收缩反应,提示HIF-1可能参与调节气道张力。进一步研究发现,HIF-1α能选择性介导ACh诱导的ASMCs的收缩增强,且可能是以促进细胞内钙释放及胞外钙转移机制影响ASMCs收缩[23]。

2.2.2 HIF-1与AECs AECs作为气道保护细胞,其在哮喘的发病过程中能通过分泌相关细胞因子及炎症介质参与气道炎症,而上皮细胞的脱落-重建过程又会引起炎症细胞浸润、黏膜渗出和气道结构变化。过去,HIF-1α被认为在先天免疫反应中能促进炎症反应,而近来的研究发现AECs中HIF-1α的表达具有组织特异性,能抑制缺氧情况下的初级炎症反应,其机制可能与优化糖代谢有关,但目前尚未证实,同时AECs中HIF-1α的激活能降低固有免疫细胞的表面受体的表达,如Toll样受体(Toll-like receptors,TLR)、肿瘤坏死因子及IL-8,抑制黏膜免疫的激活和TLR依赖的信号级联反应[24]。HIF-1α还能保护AECs免受氧化应激诱导的屏障功能受损,其机制主要是诱导抗氧化蛋白sestrin-2的表达及减少过氧化物还原酶的过氧化[25]。最后,缺氧情况下,上皮细胞HIF-1α的表达能上调气道重塑相关因子基质金属蛋白酶-9和转化生长因子 β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)的 表 达,促进气道重塑[26]。

2.3 HIF-1与相关细胞组分 CCL2是趋化因子CC亚家族成员之一,它能够招募嗜酸粒细胞和单核细胞,激活嗜碱粒细胞和肥大细胞,并诱导白三烯C4释放到气道中,还可以引导未分化的T淋巴细胞向IL-4产生的Th2细胞转移,从而参与哮喘气道炎症发生。研究发现HIF-1可以在转录水平上调节CCL2,而哮喘患者AECs中CCL2将过度表达,且急性发作的哮喘患者中更为显著,Baay-Guzman等[27]的研究最后也证实了HIF-1α介导的过敏性炎症反应可能通过CCL2发挥重要作用。HIF-1对于免疫细胞的黏附功能也是非常重要的,CD18β2整合素能介导白细胞黏附作用,研究发现其表达受到HIF-1的调控[28]。Park等[29]在甲苯二异氰酸酯诱发的哮喘中发现下调的HIF-1/VEGFA通路能减少血管通透性及气道炎症,抑制IL-10的表达及活性氧的生成,从而减轻氧化应激反应,减少气道炎症损伤。因此,HIF-1能调节相关细胞因子,增强气道炎症反应。最后,HIF-1的表达增加,能上调哮喘患者黏蛋白MUC5AC表达,引起气道黏液高分泌[30],加重气道炎症反应。

3 HIF-1与哮喘气道炎症低氧微环境

过敏性疾病通常以炎症为特征,炎症组织微环境主要表现为高浓度的乳酸、还原性代谢物以及低水平的葡萄糖和氧的聚集,哮喘急性发作的同时又可能出现气道痉挛进一步加剧气道炎症缺氧微环境。HIF-1作为氧稳态的主要调节者,能介导缺氧系列反应,同时其调控的VEGF,能促进血管重塑和血管生成,从而增加组织血液供应及改善组织氧含量。因此,HIF-1在低氧哮喘气道炎症微环境中可能具有重要作用。

Ahmad等[31]在哮喘小鼠的急性和慢性变态反应模型中分别在AECS中使用PHD-2抑制剂(DHB)及HIF-1α沉默,发现在没有真正缺氧的情况下,HIF-1α可在过敏性哮喘反应中诱发低氧反应,而低氧反应在哮喘中的作用是复杂且与环境相关的,轻度低氧反应仅限于气道上皮,具有保护作用,而夸张的弥漫性低氧反应具有高度促炎性和促哮喘性。Baek等[14]进一步研究发现在模拟哮喘低氧的小鼠模型中发现低氧联合过敏原激发比单独过敏原刺激HIF-1的表达显著增加,且其主要在支气管周围炎性细胞和气道上皮中表达,同时趋化因子、气道炎症、TGF-β1和气道重塑也显著增强,其气道炎症也主要表现为中性粒细胞炎症的增强,而哮喘恶化在成人中与中性粒细胞炎症有关,在儿童中与嗜酸粒细胞及中性粒细胞有关,因此这可能对成人哮喘以及大约50%的儿童尤为重要。同时,低氧环境下嗜酸粒细胞HIF-1表达将上调,而抗凋亡Bcl-x L蛋白表达水平高于促凋亡Bax蛋白水平,引起嗜酸粒细胞凋亡延迟[13]。因此,HIF-1在哮喘气道炎症低氧微环境中的表达不仅增加,而且能加剧气道炎症反应。

4 哮喘中调节HIF-1表达的三大信号转导途径

4.1 HIF-1与丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPKs)途径 MAPKs是一类丝/苏氨酸蛋白激酶,广泛存在于生物体内,参与了HIF-1翻译后的磷酸化修饰过程,且能通过级联信号转导途径增加HIF-1活性,而在哮喘的发病过程中能调节气道炎症细胞中HIF-1的表达,发挥不同作用。Nissim Ben Efraim等[13]研究发现人外周血嗜酸粒细胞中的粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子能诱导细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK1/2)磷酸化,促进其迁移和脱颗粒,且在缺氧状态下更明显,而抑制ERK1/2磷酸化降低了HIF-1α的表达,并减少了嗜酸粒细胞迁移和脱颗粒作用,因此MAPKs信号途径能上调嗜酸粒细胞HIF-1的表达,促进嗜酸粒细胞迁移和脱颗粒作用,参与气道炎症。Sumbayev等[19]发现了人嗜碱粒细胞中HIF-1α蛋白的表达通过MAPKs途径且呈IgE依赖式增加,Viemann等[32]又发现镍诱导的哮喘小鼠模型中嗜碱粒细胞HIF-1α蛋白积聚增加,而MAPKs途径能调控其转录激活,进一步证实了HIF-1能在哮喘中通过调控嗜碱粒细胞影响气道炎症反应。

4.2 HIF-1与磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinases,PI3K)/蛋白质丝氨酸苏氨酸激酶(proteinserine-threonine kinase,Akt)途径 HIF-1 mRNA的翻译被认为是由PI3K通路调控的,同时HIF-1α作为一种磷酸化蛋白,缺氧条件下,多种信号分子能通过PI3K/Akt途径激活Akt,上调其表达并磷酸化,在哮喘的发病过程中该转导途径也能通过调节HIF-1α的表达来影响哮喘发展。Lee等[33]发现OVA诱导的肥大细胞中HIF-1α表达上调,同时VEGF的水平也相应上调,并增强了Th2反应,该过程是以PI3K/Akt通路实现的。在兔气道平滑肌体外实验中,Wang等[34]在哮喘小鼠ASMCs中发现肌动蛋白和Ⅰ型胶原蛋白表达水平的变化与Akt磷酸化水平呈正相关,气道内给予Akt抑制剂后能下调气道平滑肌肌动蛋白、Ⅰ型胶原蛋白、纤维蛋白原的表达,上调钙黏蛋白的表达及减轻气道炎症,因此阻断该信号通路能减轻哮喘气道炎症并在早期阶段不利于气道重塑。Choi等[35]发现蛋白激酶Cδ能抑制PI3k/Akt途径相关的m TOR的表达,下调HIF-1α/VEGF,减轻气道变应性炎症。

4.3 HIF-1与核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)途径 NF-κB信号途径是指哺乳动物的转录因子NF-κB家族,由p50、p52、REL、REL-A和REL-B组成,其二聚化后将形成有功能的NF-κB。HIF-1α启动子的转录起始位点197/188位置含有一个NF-κB结合位点,并能调控HIF-1α的转录,同时HIF-1αm RNA主要由NF-κB、特异性蛋白1和转录激活因子3合成[36-39]。Tsapournioti等[40]研究发现在人ASMCs中肿瘤坏死因子α能通过NF-κB途径上调HIF-1αmRNA转录水平从而使HIF-1α的表达增加,而Jiang等[41]在AECs中也有类似发现。此外,又有研究者发现IL-1β能通过NF-κB途径诱导HIF-1表达,上调哮喘患者MUC5AC表达,引起杯状细胞中气道黏液分泌增加[30]。因此,NF-κB信号途径可能主要与气道结构细胞中HIF-1的表达有关。

5 HIF-1抑制剂与哮喘气道炎症

布地奈德作为常见的哮喘控制药物,不仅具有抗炎能力还能通过非特异性的抑制HIF-1/VEGF的表达抑制哮喘小鼠气道新生血管的生成[42],而HIF-1α特异性抑制剂在哮喘中的研究主要有2种：YC-1是一种已应用于体内的HIF-1抑制剂,通过降低HIF-1 m RNA的翻译,促进HIF-1α泛素化蛋白水解,激活HIF-1的C末端反式激活域并防止转录激活子P300向哺乳动物细胞中HIF-1靶基因募集刺激因子从而抑制HIF-1。Wang等[43]发现YC-1能降低OVA诱导的大鼠肺和鼻黏膜嗜酸粒细胞浸润,抑制NF-κB和过氧化物酶体增殖物激活受体介导的炎症通路,从而在哮喘的治疗中可能具有临床价值。2-甲基雌二醇(2-Mercaptoethanol,2-ME)是雌激素代谢产物,由儿茶酚-O-甲基转移酶介导的2-羟基雌二醇O-甲基化生成,具有抑制HIF-1α和HIF-2α的蛋白合成,并影响核易位抑制其转录活性。Eltzschig等[5]研究发现在OVA诱导的哮喘小鼠模型中,2-ME组小鼠肺组织血管周围、支气管周围、间质组织HIF-1、VEGF表达显著降低,而OVA特异性IgE抗体也显著降低,减少了血管周围和支气管周围肺组织的细胞浸润、杯状细胞黏液的产生、气道纤维化、平滑肌增生和血管的厚度以及嗜酸粒细胞的浸润,对抗原诱导的气道重塑的逆转和预防是有效的。

6 小结与展望

综上所述,HIF-1α在哮喘发病过程中不仅能调节炎症细胞存活还能调控其炎症能力,参与炎症细胞浸润、免疫失衡及氧化应激等气道炎症反应,引起气道高反应及气道重塑。而哮喘气道炎症引发的低氧环境中,HIF-1α的表达能加剧炎症反应。MAPKs、PI3K/Akt、NF-κB三大转导途径能调节哮喘发病过程中HIF-1α的表达,抑制HIF-1α表达的抑制剂在哮喘中的研究虽然不多,但其将具有重要的临床应用价值,尤其在嗜酸粒细胞表型及中性粒细胞表型中。因此,有效、生物利用度高、不良反应少的HIF-1α抑制剂研究可能成为哮喘控制的新思路。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突