低氧诱导下急性肺损伤的HIF-1α与VEGF相关性探析

张义超 洒玉萍 马积和 陈发章 吴俊松 吕李飞 刘菲菲 马忠义 李蜀娟

【摘要】 急性肺损伤（ALI）是各种原因导致的肺泡上皮细胞及毛细血管内皮细胞损伤，造成肺水肿和急性低氧性呼吸功能不全。在急性低氧条件下，肺血管收缩、肺动脉压力升高、肺泡水肿和塌陷，导致肺内分流显著增加，进而诱发低氧血症，造成肺血管痉挛及肺微小血栓，共同诱导肺动脉高压的形成。在低氧诱导下，肺组织的低氧诱导因子（HIF-1α）与血清的血管内皮生长因子（VEGF）表达量发生相应改变，这可能是导致ALI形成的原因之一，现就有关低氧诱导下ALI、HIF-1α与VEGF研究现状进行综述。

【关键词】 低氧 急性肺损伤 低氧诱导因子 血管内皮生长因子

A Brief Analysis of the Correlation between HIF-1α and VEGF in Hypoxia Induced Acute Lung Injury/ZHANG Yichao， SA Yuping， MA Jihe， CHEN Fazhang， WU Junsong， LYU Lifei， LIU Feifei， MA Zhongyi， LI Shujuan. //Medical Innovation of China， 2021， 18（35）： -170

[Abstract] Acute lung injury （ALI） is the injury of alveolar epithelial cells and capillary endothelial cells caused by various reasons， resulting in pulmonary edema and acute hypoxic respiratory insufficiency. Under the condition of acute hypoxia， pulmonary vasoconstriction， pulmonary artery pressure increase， and alveolar edema and collapse lead to significant increase of intrapulmonary shunt， and then induce hypoxemia， it can cause pulmonary vasospasm and pulmonary microthrombosis， and induce the formation of pulmonary hypertension. Hypoxia induced HIF-1α expression in lung tissue and the expression of VEGF in serum change accordingly， which may be one of the causes of ALI. The research status about HIF-1α， VEGF and ALI induced by hypoxia is summarized as follows.

[Key words] Hypoxia Acute lung injury HIF-1α VEGF

First-author’s address： Qinghai University， Xining 810000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.35.041

肺作为对外气体交换的门户，是呼吸系统的重要器官，保障人体的正常氧气供应和生命运行。在低氧环境下，肺组织容易产生一系列不良反应，导致急性肺损伤（acute lung injury，ALI），肺组织低氧诱导因子1α（hypoxia inducible factor 1α，HIF-1α）与血清血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）也会随之发生变化，它们与ALI有着不可分割的联系。

1 低氧与ALI

ALI是一种病情危重的临床综合征，其主要表现为呼吸衰竭和顽固性低氧血症[1]，毛细血管内皮与肺泡上皮存在急性弥漫性损伤的病理改变，具有起病急骤、病程进程较快、人体危害性大的特点，治疗不及时会进展为急性呼吸窘迫综合征（ARDS），甚至危及人体生命健康。从细胞水平上看，ALI可出现炎症细胞的聚集;从分子水平上看，ALI可出现大量释放的炎症介质与炎症因子，促抗压反应失调。感染、异物吸入、外伤、吸入有害气体、凝血功能紊乱、低氧等因素皆可导致ALI发生。ALI存在炎症和缺氧的生理病理过程，炎症和低氧又相互影响，炎症引起肺组织损害，影响肺的气体交换功能，导致氧分压快速下降，使机体发生低氧反应，HIF-1α表达升高并参与ALI的发生发展过程;低氧又可诱发并加重组织炎症反应，促进肺脏等器官释放炎症细胞因子，炎症细胞因子进入血液，使血液中表达升高，炎症细胞聚集增多，加重肺水肿，同时肺泡毛细血管内皮充血扩张，肺血管内皮组织受到损害，肺泡毛细血管屏障通透性增加，肺泡液体清除能力下降，富含蛋白质的液体进入肺间质和肺泡内亦会导致ALI的发病。当ALI发生时会出现肺泡上皮和肺毛细血管内皮通透性增加的病理生理改变[2]，进而可诱发非心源性肺水肿，肺内分流会显著增加，导致低氧血症、肺血管痉挛及肺微小血栓，引发肺动脉高压（pulmonary hypertension，PH） [3]。受低氧环境的影响，肺部组织细胞受到旁分泌的影响，引起细小血管增多;在持续低氧影响下，肺血管收縮、结构重塑，肺动脉压力和肺循环阻力升高，促使低氧性肺动脉高压（hypoxic pulmonary hypertension，HPH）形成[4]。正如经典造模中，低氧条件下可以建立PH模型[5]。

2 HIF-1α在ALI中的作用及表达

1995年，美国学者雷格·塞门扎首次发现HIF-1。此后，美国学者威廉·凯林在研究希佩尔-林道综合征（VHL）时，发现VHL基因可以参与HIF的标记并抑制HIF的表达。1999年英国学者彼得·拉特克利夫发现VHL基因与HIF-1α互相作用，在氧浓度升高时，VHL标记HIF-1α后并使其降解，可以终结HIF-1α对低氧环境的反应。2016年，雷格·塞门扎、威廉·凯林、彼得·拉特克利夫最新的研究成果揭示，HIF可以感知细胞所处的低氧环境，并对机体做出反应[6]。HIF-1是一种引发缺氧耐受的DNA结合蛋白和上游调控因子，由α和β亚基组成的异二聚体，HIF-1β表达不受氧气影响，而HIF-1α是氧气调节蛋白，含氧量影响其稳定性[7]，在常氧环境下迅速降解，低氧状态下，抑制了脯氨酰羟化酶的活性，HIF-1α表达稳定，它是人体保持氧平衡最重要的调节因素。HIF-1α是一类缺氧应答因子[8]，在细胞水平上是氧气适应的中央调节器，参与低氧耐受的相同分子生物学机制。在低氧相关肺呼吸系统、心脑血管系统等疾病进程中，HIF-1α各信号通路互相影响并产生作用[9]。

在低氧的环境下，肺细胞内的HIF-1α表达稳定，并且激活与低氧相关线粒体代谢和血管生成的有关基因，保持氧稳态。HIF-1α可诱导VEGF和糖酵解相关酶的表达，增加提供血氧及能量的能力[10]，上调糖酵解酶和葡萄糖转运蛋白表达，使细胞通过糖酵解来减少耗氧量，HIF-1α肺保护的直接作用是通过其对肺泡上皮细胞内的糖代谢的调控作用产生的。此外，HIF-1α还可以减少细胞分裂等过程中的氧分消耗，使机体更能适应低氧环境的变化。HIF-1α引发下游靶基因血管生成内皮素1（ET-1）和一氧化氮合酶（iNOS）等物质的激活[11]，增多血流从而减轻缺血损伤。细胞中的HIF-1α更多介导急性快速的缺氧过程，HIF-1α及其靶基因表达升高共同参与了ALI发生发展过程[12];且随着时间的增加而逐步被降解，在多种缺血缺氧性及炎症疾病过程中发挥作用。研究表明，在急性低氧下，小泛素相关修饰物特异性蛋白酶1（SENP1）表达增加，显著上调HIF-1α表达，促进肺动脉平滑肌细胞（PASMC）增殖[13]。氧化应激可能上调HIF-1α转录和翻译，促进PASMC增殖，促进肺血管重塑，参与HPH形成[14]，进而加重ALI进程;在ALI早期，抑制HIF-1α的表达途径，进而使炎症因子、活性氧中介物的释放减少，可能会减轻ALI导致的机体损害。因此，对HIF-1α表达的深入研究，有助于认识机体为适应低氧环境发生的一系列变化。

3 VEGF在ALI中的作用及表达

1989年意大利教授纳波莱奥内·费拉拉获取了纯化蛋白的NH2-末端序列，并得出趋向血管内皮细胞的促生长活性，首次发现并命名了VEGF，又率先开发治疗血管生成疾病的新疗法，制造第一种VEGF抗体。后来VEGF被大量研究证实是血管发育和血管生成基本的效应分子，文献[15]表明，VEGF是血管生成的关键调节器。VEGF是低氧条件下有效的血管通透因子，也是人体组织调控血管生长的主要因子之一。有实验研究表明，低氧使大鼠肺组织VEGF表达升高，且在大鼠肺脏组织VEGF表达量最高[16]。

缺氧诱导ALI的发病机制与毛细血管通透性密切相关，首先，低氧可诱导VEGF表达增加，肺上皮细胞结构中高浓度VEGF能够抵达肺泡毛细血管内皮，并与内皮细胞VEGF受体相互结合，导致基底膜配合基破坏，增加毛细血管通透性。有研究发现，高原肺水肿患者血浆VEGF表达水平显著升高，VEGF升高肺血管通透性，毛细血管血浆渗漏，可能诱导肺水肿的发生[17-18]，缺氧诱发VEGF转录并增强VEGF mRNA的稳定性，间接提高VEGF活性，防止其降解，最后导致不可逆性肺血管重塑[19]。其次VEGF是促进血管新生的主要生长因子之一[20]，其表达影响血管的生成[21]，与其相结合的特异性受体胎肝激酶-1（fetal liver kinase-1，flk-1）可以促进内皮细胞的扩张、增殖与迁移;特别是急性低氧环境下，VEGF表达升高，促进肺组织微血管内皮细胞分裂，新生血管形成，伴随病情进展，肺血管内膜增厚，使肺血管发生狭窄、闭塞等肺血管重构的病理改变，可诱导HPH形成[22]。有动物实验表明，缺氧早期HPH大鼠的肺组织血管内皮生长因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGF-A）的表达过高，促使生存素（survivin，SVV）增多，减缓肺血管重塑过程，减轻肺动脉压力，对肺组织起到一定的保护作用[23]。VEGF表达升高，促进了侧支循环的建立和血管内皮的生成，能够减轻肺水肿带来ALI的损害，从而使肺组织最大限度地耐受低氧环境。因此，VEGF可能作为一个启动因子，对ALI早期的形成具有重大作用。研究表明，在急性低氧早期VEGF表达显著升高，随低氧时间延长，机体适应低氧环境时VEGF表达相对下降[24]。VEGF表达升高，新血管生成逐渐增多，后期有利于减轻ALI带来的不利影响，提高机体对高原缺氧的适应能力。

4 HIF-1α与VEGF的相关性及表达

HIF-1α与VEGF关系密切，低氧條件下，HIF-1α表达上调，可激动靶基因VEGF的转录调控，使下游的VEGF表达上调[25]，血管通透性升高，出现组织水肿及血管渗出物等现象，易引起炎症[26]，加重肺损伤。此外，HIF-1α可通过上调VEGF表达促进内皮细胞增殖和迁移，对缺氧细胞的存活起着重要作用[27]。

低氧状态时，HIF-1α蛋白降解受到抑制，HIF-1α与VEGF的低氧应答元件缺氧反应元件（hypoxia response element，HRE）结合，使VEGF表达升高，当缺氧进一步加重，HIF-1α亚基与P53基因结合，提高了P53基因稳定性[22]，进而促进泛素蛋白水解酶系统对HIF-1α的降解，导致HIF-1α表达下降。低表达HIF-1α下调下游靶基因ET-1、iNOS的表达，降低肺动脉压，缓解肺血管重塑，进而降低ALI的危害[28];此外，低表达HIF-1α减少了与HRE结合，使VEGF表达下降[22]。缺氧初期，低氧诱导肺组织HIF-1α表达增多，随时间延长，由于缺氧耐受等原因，肺组织HIF-1α降解表达下降;随HIF-1α表达变化，下游VEGF表达也协同变化，先升高后下降，考虑为缺氧导致HIF-1α表达变化并引起VEGF的转录。所以，对HIF-1α与VEGF的进行相关性探究，有助于从蛋白基因水平上认识机体为耐受低氧环境产生的变化。

5 展望

ALI与低氧关系密切，当前西医治疗ALI中，针对原发病进行呼吸支持和药物治疗，多采用氧气疗法、口服糖皮质激素、吸入一氧化氮、液体管理等综合治疗，治疗过程中长久性机械通气不可避免地造成一定程度的肺损伤，死亡率高达29%～42%[29]。深入探讨低氧诱导下ALI与HIF-1α、VEGF表达的相关性，为临床防治ALI的靶向治疗提供依据，此外，有关HIF-1α、VEGF表达随时间变化的趋势仍有待进一步研究。

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（收稿日期：2021-09-22） （本文编辑：占汇娟）

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