低氧诱导因子-1在心血管疾病中的研究进展

2021-04-18王倩倩宋双程艳丽滨州医学院山东56600滨州医学院附属医院心血管内科山东56600

国际医药卫生导报 2021年22期

王倩倩宋双程艳丽滨州医学院，山东 56600；滨州医学院附属医院心血管内科，山东 56600

《中国心血管病报告2018》概要显示，当前我国的心血管病患病率处于持续上升趋势，并且其病死率也明显高于其他系统性疾病，特别是近些年来心血管病病死率在农村的占比显著高于城市，心血管疾病已然成为威胁人类健康的重要杀手［1］。低氧诱导因子-1（hypoxiainducible factor-1，HIF-1）在心血管疾病发病中的作用越来越受到学者们的重视，已成为生物医学研究领域的热点。HIF-1是一种负责调控缺氧反应的关键转录因子。既往研究显示，心肌细胞供氧减少可影响心脏的新陈代谢、形态以及生理功能，而HIF-1调节的低氧适应在心血管病的发病中发挥不可忽视的作用。因此，深入探索其作用机制可能为心血管疾病的预防和治疗打开一扇新的大门。本文重点就HIF-1在动脉粥样硬化、心肌缺血/再灌注损伤以及心力衰竭等疾病中的研究进展进行综述。

1 HIF-1的调节机制及功能

HIF-1是由受氧调控的HIF-1α亚基以及发挥组成表达作用的HIF-1β亚基构成的异二聚体，是碱性螺旋-环-螺旋蛋白家族的PER-ARNT-SIM亚家族成员［2］。正常氧浓度时，HIF-1α亚基中特定的脯氨酰残基可以被脯氨酸羟化酶（PHD）快速羟基化，随后由von Hippel-Lindau（VHL）E3泛素连接酶识别并泛素化，最后由26S蛋白酶体降解，从而可以使HIF-1α在细胞内维持低浓度［3］。而缺氧时，PHD无法对HIF-1α亚基中特定脯氨酰残基进行羟基化，所以HIF-1α可保持稳定不被蛋白酶体降解，并从胞质转位至胞核，与HIF-1β发生二聚形成HIF-1异二聚体转录因子，随后HIF-1可以与靶基因的缺氧反应元件结合，激活下游基因转录［4］。此外，研究表明HIF-1的抑制因子、Ca2+也可在氧浓度正常时对HIF-1α的降解起调节作用［5］。低氧时HIF-1在细胞内过量累积可调节血管生成、能量代谢、细胞凋亡、自噬、增殖等多种目标基因的表达，使细胞能够适应低氧环境，在动脉粥样硬化、心肌缺血/再灌注损伤以及心力衰竭等众多心血管病的发病过程中发挥重要作用。

2 HIF-1与心血管疾病

2.1 HIF-1与动脉粥样硬化动脉粥样硬化进展的病理过程即为动脉血管壁的慢性炎症损伤性过程，其继发于受损的动脉内膜，随后出现脂质积聚、纤维组织增生以及钙质沉着。其发病机制可主要涉及以下几个方面，如血管内皮细胞功能障碍、脂质沉积、单核-巨噬细胞的浸润、平滑肌细胞迁移与增殖等。其发展过程即反应动脉内膜的缺氧性变化，随着斑块的逐渐演变，动脉壁厚度逐渐增加，动脉内膜氧供逐渐减少［6］。

HIF-1及其蛋白家族通过调节氧依赖性信号级联反应，感知心脏供氧减少，并引发下游信号分子的一系列效应。多项研究发现，低氧时HIF-1过表达会促进粥样斑块发展，特别是在内皮细胞、平滑肌细胞以及巨噬细胞、泡沫细胞等细胞中产生的细胞特异性反应，更会加重动脉粥样硬化的相关性损伤［7］。Aarup等［6］研究证实低氧诱导的HIF-1在低密度脂蛋白受体基因敲除（Ldlr-/-）小鼠动脉粥样硬化斑块中广泛表达，并且其表达通过调节巨噬细胞向M1或M2方向极化、迁移和凋亡，进而影响巨噬细胞固有的炎症特性，促进小鼠发生病变。此外，Liu等［8］也发现，当组织特异性抑制血管平滑肌细胞中HIF-1α表达时，可显著抑制载脂蛋白E基因敲除（ApoE-/-）小鼠的斑块形成。Akhtar等［9］通过使用他莫昔芬注射液诱导ApoE-/-小鼠内皮细胞HIF-1α基因表达缺失，并分组使用高脂饮食和正常饮食喂养小鼠12周，发现高脂血症可诱导内皮细胞HIF-1α活化，促使转录因子（NF-κB）激活，NF-κB通过建立正反馈可以上调HIF-1α表达，从而促使单核细胞聚集，加速动脉粥样硬化进展。陆卫华等［10］也表示，脂肪组织缺氧时可导致HIF-1表达上调，而HIF-1作为低氧调节的重要标志物，可以和其他炎症因子及某些细胞因子作用，从而促使动脉粥样硬化进展。

动脉粥样硬化时血管内皮细胞损伤以及血供减少造成的低氧均会诱导HIF-1激活，HIF-1可诱导血管内皮生长因子（VEGF）表达，并可上调基质细胞衍生因子，从而可以促使形成新生的血管［9］，并且还研究表明，HIF-1α可以发挥抗血小板聚集的作用以及调控血管的舒缩等共同调节血管新生。新生血管形成即可意味侧支循环的建立，便可为因冠状动脉粥样硬化引起的缺血心肌恢复血供，进而改变心肌代谢，提高心肌对缺血缺氧的耐受力，因此，HIF-1的研究可能为缺血性心脏病的临床诊疗提供新的思路。但也有研究发现，动脉粥样硬化中HIF-1诱导形成的血管可加剧斑块内部的炎性细胞浸润，甚至可以使得斑块和血流动力学的不稳定性增加，是使稳定斑块向不稳定斑块发展的关键因素。因此HIF-1α调控过迟时可能会触发不稳定斑块的破裂，导致致命后果［7］。

然而，鉴于HIF-1在粥样斑块涉及的各种细胞中的效应具有特异性或依赖性，所以尚无法严格描述HIF-1表达具有促进或抑制动脉粥样硬化作用。例如，有研究证实HIF-1在Cd11c+抗原提呈细胞中过表达时对小鼠具有抗动脉粥样硬化作用［11］。研究还发现，口服HIF-脯氨酰4-羟化酶拮抗剂可增加HIF-1和HIF-2的表达，进而抑制Ldlr-/-小鼠动脉粥样硬化［12］。

2.2 HIF-1与心肌缺血/再灌注损伤目前心血管疾病是影响人类健康的关键疾病之一，而心肌梗死更是独占鳌头。尽管介入治疗及溶栓等技术的发展显著降低了心梗病死率，但再灌注所导致的心肌细胞凋亡以及梗死面积的扩大等额外损伤也不容小觑。1960年Jennings等人提出了心肌缺血/再灌注损伤假说，指由于冠脉闭塞导致心肌缺血，当恢复血液灌流后由于Ca2+超载、细胞凋亡、免疫炎性反应、氧自由基生成等机制，导致心肌损伤进一步加重甚至产生不可逆性改变。研究表明，当心肌发生缺血/再灌注损伤时，HIF-1高表达是心肌在分子水平上最早的适应性反应之一，可介导多种渠道来对心脏产生保护作用［13］。

Murry等［14］在1986年报道，当对狗的在体心脏实行多次的冠状动脉结扎时，并且每次结扎后间隔5 min给予再灌注，最后再灌注组的心肌梗死面积明显较非再灌注组降低75%。后来人们提出缺血预处理这一概念，指在心肌长时间缺血前反复多次予以短暂的缺血/再灌注处理，进而提高心肌对缺血的耐受能力。腺苷学说是缺血预处理的可能机制之一，Semenza［15］发现缺血预处理能诱导血管内皮细胞的HIF-1依赖性CD39和CD73表达，导致腺苷水平升高，进而发挥心脏保护作用；并且在预处理前注射吖啶（HIF-1α和HIF-1β二聚化抑制剂）时，则预处理的心脏保护作用可被阻断，从而表明HIF-1是缺血预处理过程中的必需介质。

此外，HIF-1可以调节糖酵解代谢和氧化代谢之间的平衡以发挥对缺血心脏的保护作用。HIF-1可以协同激活编码葡萄糖转运蛋白1和糖酵解途径相关酶基因的转录，从而增加糖酵解通量，允许心肌细胞在缺氧条件下维持腺苷三磷酸（ATP）水平，维持心肌正常的能量供给［16］。大量研究表明，在心肌缺血/再灌注损伤中HIF-1过表达可以通过多种途径诱导腺病毒E1B 19 kDa相互作用蛋白3（BNIP3）、BNIP3L、3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1（PDK1）、PDK3、MicroRNA-210、乳酸脱氢酶A（LDHA）等激活，抑制线粒体氧化代谢，诱导线粒体自噬，减少再灌注时活性氧的产生，进而明显减弱氧化应激，对缺血心肌发挥保护作用［15］。HIF-1还可上调VEGF表达，介导缺氧时的血管生成反应，改善病变部位缺血缺氧［17］。

再灌注过程中，由于Ca2+超载、氧自由基大量生成等均会促进线粒体膜通透性转化孔（MPTP）的开放，致使细胞代谢紊乱，最终引起细胞坏死和凋亡等不可逆性改变。多项研究证明，缺血/再灌注时期心肌细胞内HIF-1大量表达可减少Ca2+及氧自由基等代谢产物的产生，从而抑制MPTP的开放，恢复细胞能量代谢水平，防止心肌受损加重。

2.3 HIF-1与心力衰竭心力衰竭是多种心血管疾病的终末期临床阶段和主要死因，当前全球的心衰患病率居高不下，已成为本世纪心血管领域挑战之一。心衰时组织器官血液灌注不足可导致多种器官缺血缺氧，诸多基础试验以及临床试验均验证出HIF-1过表达与心衰进展有密切关系。心室重塑是心衰发生发展的基本病理机制。研究人员通过构建小鼠的主动脉缩窄模型以增加左心室压力负荷，探索心衰的病理生理机制。组织学分析显示，在心肌代偿性肥大期间，心肌毛细血管密度增加，但当心肌发生失代偿时，毛细血管密度降低，导致心脏缺氧，提示心肌毛细血管生成在心功能代偿时发挥重要作用［18］。

如前所述，缺氧可诱发HIF-1过表达，进而激活VEGF、C-X-C基序趋化因子配体1（CXCL1）等表达促使新生血管的形成。研究发现，心衰时心脏代偿期间HIF-1表达显著上调，而失代偿期明显减少；而在HIF-1缺失的小鼠中，即使在代偿期，心肌收缩功能也明显受到抑制，从而表明HIF-1是心脏维持正常功能的重要介质，有效介导心肌细胞对缺氧的代偿性适应反应［19］。Wang等［11］研究发现，芪苈强心也是以HIF-1依赖性的方式促进心肌微血管内皮细胞增殖，并且可上调HIF-1α和一系列糖酵解相关酶改善葡萄糖利用和代谢。可见，心衰时HIF-1过表达对心肌细胞内的代谢调节也可发挥明显的有益作用。有研究表明地高辛（HIF-1抑制剂）治疗主动脉缩窄（TAC）诱导的野生型小鼠时，会引起心脏快速失代偿，表明该药物具有抗治疗作用。或许这也可以解释尽管地高辛可作为强心剂治疗心衰患者，但应用后患者生存率并未相应增加。Li等［20］通过临床试验观察，血清HIF-1水平可有效反应急性失代偿性心衰患者病情的严重状态，研究发现，与射血分数保留型心衰和病情好转患者相比，射血分数降低型心衰和死亡患者的HIF-1显著升高，由此可见，HIF-1在预测心衰患者病死率方面价值颇高。值得注意的是，HIF-1过表达可能会损害心肌正常舒缩功能。Warbrick和Rabkin［21］发现肥胖和代谢综合征与射血分数保留型心衰发病有密切关系，肥胖患者的脂肪组织中HIF-1α表达增加，一方面可导致促纤维化转录程序的表达，包括胶原I、Ⅲ、Ⅳ、金属蛋白酶组织抑制因子（TIMP）以及赖氨酸氧化酶，另一方面HIF-1α还可募集介导肥胖相关炎症的巨噬细胞释放炎症因子，进而致使心肌纤维化，损害心脏舒张功能。因此，抑制肥胖患者HIF-1α的表达可能是射血分数保留型心衰的潜在治疗策略。