缺氧和HIF-1影响气道重塑的研究进展

文颖 郭永艳 霍如婕 田新瑞

作者单位：030001 山西 太原，山西医科大学第二医院呼吸与危重症医学科

哺乳动物细胞利用氧气进行有氧代谢和产生能量，因此它们需要依靠充足的氧气供应才能进行正常的生命活动[1-2]。但许多疾病包括癌症、心血管疾病、慢性呼吸道疾病能导致机体氧供不足，进而引起缺氧[2-3]。许多研究发现哺乳动物细胞内存在检测缺氧的直接氧传感系统，能通过增加HIF-1水平来调节一系列相关的复杂信号通路表达，以应对细胞的缺氧状态。

慢性呼吸道疾病的发病率和死亡率均高，其重要特征是气道重塑，会导致肺功能进行性下降[4]。气道重塑目前仍是呼吸道疾病治疗中最棘手的问题之一，也将可能是未来治疗的目标。研究发现在众多导致气道重塑的疾病中普遍存在缺氧和HIF-1升高，缺氧是促进气道重塑的一个强烈刺激因素。肿瘤的缺氧微环境和高水平的HIF-1是促进肿瘤生长和转移的重要因素，既往对HIF-1的研究主要集中在癌症上，而缺氧和HIF-1与慢性呼吸道疾病的相关性是目前研究热点之一。

一、缺氧和HIF-1

缺氧表明机体或细胞的氧供不足。HIF-1是机体细胞内的缺氧应答调控因子，能调控缺氧通路的特定基因表达，引起机体应对缺氧的一系列适应性反应。HIF-1α是HIF-1的一个主要活性亚基，缺氧通过调控氧浓度依赖的脯氨酸4-羟基酶(prolyl 4-hydroxylases，PHDs)和缺氧诱导因子抑制因子(factorinhibitingHIF，FIH)直接调节HIF-1α的稳定和活化[2]。这条氧依赖途径是HIF-1α的主要调节机制，但HIF-1α的形成和活化机制至今尚未完全阐明。

1.HIF-1的结构：HIF-1是一种由α亚基(HIF-1α，HIF-2α和HIF-3α)和β亚基(HIF-1β)组成的异二聚体，能结合HIF-1靶基因启动子上的特定DNA序列，这种特定序列叫缺氧反应元件(hypoxia response elements，HRE)[1]，然后启动相关基因的转录表达。大量研究表明氧浓度与HIF-1表达密切相关，它通过α亚基调控HIF-1的活性和稳定性，这归因于HIF-1的α亚基上存在氧依赖降解结构域(oxygen-dependent degradation domain，ODDD)，该结构域有氧依赖的不稳定性[2]，导致HIF-1α在氧气充足时会不稳定并被泛素化降解，使HIF-1水平明显降低。缺氧能增加HIF-1表达，诱导>100个基因的转录，其中许多基因与哮喘的炎症和重塑有潜在关系[5]。

2.HIF-1的调控：常氧状态下，PHDs利用氧气羟基化HIF-1α的ODDD区域内的脯氨酸残基，羟化后的HIF-1α能被泛素-蛋白酶解系统识别并降解[1]。缺氧时HIF-1α不能被PHDs羟基化，未羟化的HIF-1α不能被降解，HIF-1α积聚并易位入核，与HIF-1β形成异二聚体并结合靶基因的HRE，调控相关基因转录[6-7]。另一种调控方式是在常氧状态下，FIH通过羟基化HIF-1α的天冬酰胺残基抑制HIF-1转录，而缺氧时FIH不活跃，对HIF-1转录的抑制作用减弱，激活并增加HIF-1的转录[1]。

二、气道重塑

1.上皮：气道上皮参与损伤后的反应和修复，驱动气道重塑[8]。相邻上皮细胞通过紧密连接和黏附连接形成物理屏障。慢性损伤导致气道上皮屏障破坏和上皮细胞状态改变，诱导上皮一间质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)、成纤维细胞向肌成纤维细胞分化及黏膜通透性的增加，促进重塑[8-9]。缺氧会损伤气道上皮，可能诱导上皮的EMT促进气道重塑。

2.基底膜：细胞外基质蛋白包括胶原蛋白、蛋白多糖和纤维连接蛋白等的沉积导致网状基底膜增厚，标志着气道重塑的发生。细胞外基质成分的主要来源是成纤维细胞和肌成纤维细胞，上皮细胞损伤可刺激成纤维细胞分化为肌成纤维细胞产生更多细胞外基质，导致网状基底膜增厚，增加哮喘气道壁厚度[8]。

3.上皮下层：肌成纤维细胞表达α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)和产生细胞外基质参与气道重塑[6]。缺氧诱导气道成纤维细胞分化为肌成纤维细胞，参与COPD的重塑[6]。在重塑过程中，成纤维细胞-肌成纤维细胞转化增强和细胞外基质积聚可导致上皮下纤维化[10]，上皮下纤维化影响上皮层的氧气和营养供应。

4.平滑肌：正常的气道平滑肌细胞在刺激下出现肥大、迁移和增生，是导致气道重塑的关键[11]。缺氧能使支气管周平滑肌肥大[5]。气道平滑肌肥大、增生与气道厚度的严重程度呈正相关，与肺功能负相关[12]，它能产生基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)和纤维化相关因子促进气道重塑。

5.血管生成：正常气道壁内存在微血管网为气道提供氧气和营养，但缺氧会促进气道重塑随之加剧机体细胞缺氧，血管生成能为细胞提供更多氧气。新生血管起源于上皮下黏膜的内皮细胞，导致气道壁血管数量和面积增加、血管扩张及渗漏，从而增加壁的厚度[8]。

三、缺氧及HIF-1对气道重塑的影响

如前所述，HIF-1α是细胞的直接氧感受器，是细胞应对缺氧必需的转录因子。实体肿瘤生长普遍存在细胞缺氧，目前已有大量研究证明HIF-1α在促进肿瘤生长和转移方面起重要作用。慢性呼吸道疾病也会导致细胞普遍出现缺氧，从而上调HIF-1表达，但至今尚未清楚地阐明HIF-1促进气道重塑的具体作用机制。研究发现缺氧明显增加哮喘鼠肺内[5, 13]和COPD患者体内[14]的HIF-1α表达。积聚的HIF-1α易位入核，启动相关靶基因转录，可能通过血管生成、细胞凋亡和上皮-间质转化等途径[15]促进慢性呼吸道疾病的气道重塑。

有许多研究表明缺氧和HIF-1与气道重塑密切相关，缺氧通过增加HIF-1促进气道重塑。在卵清蛋白诱导的哮喘小鼠内，缺氧能增加气道的嗜酸性粒细胞和中性粒细胞炎症、粘液产生、支气管周平滑肌和纤维化以及促重塑型细胞因子TGF-β1水平[5]，这些改变都是气道重塑的重要病理过程。在COPD患者血清中发现，HIF-1α蛋白升高水平与COPD患者病情严重程度正相关，与FEV1/FVC负相关[16]。上述研究提示HIF-1α促进气道重塑。HIF-1α可在基因、蛋白表达、组织等各方面诱导气道重塑。在基因方面，HIF-1α还可结合α-SMA基因上的HRE 诱导气道成纤维细胞分化为肌成纤维细胞，参与COPD的重塑[6]。在蛋白表达及组织方面，HIF-1可能通过促进哮喘大鼠血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表达和气道平滑肌细胞增殖[13]、增加OSA模型的细胞外基质重塑[7]刺激气道重塑；HIF-1α还可导致黏蛋白Muc5ac过度表达，Muc5ac是杯状细胞的主要呼吸黏液蛋白，从而引起粘液高分泌和气道阻塞[17]，加重缺氧和重塑。

总之，已经发现低氧与气道重塑密切相关，但潜在机制不清。

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四、HIF-1在气道重塑中可能的作用机制

1.炎症细胞：气道重塑一直被认为是慢性炎症的结果，但一些研究发现炎症和重塑似乎平行存在。缺氧通路与炎症过程联系复杂，缺氧可激活炎症通路诱导炎症和气道重塑，炎症微环境也可增加HIF-1加剧缺氧[18]，具体机制尚待探索。

在慢性呼吸道疾病中，炎症细胞和炎性因子是诱导气道重塑的重要因素。缺氧时，HIF-1α能促进炎症，增加炎症因子产生，如：白细胞介素(interleukin，IL)-1、IL-9、IL-13、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)，促进粘液过多分泌，诱导COPD的气道重塑[14]。增加的HIF-1α还有助于释放IL-1β、IL-8、单核细胞趋化蛋白-1等炎性因子[19]。缺氧时TNF-α上调其他促炎性细胞因子和内皮粘附因子，继而增强白细胞向炎症部位的募集，使炎症持续存在[19]。持续存在的炎症促进气道重塑的发生发展。敲除HIF-1α或抑制磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/蛋白质丝氨酸苏氨酸激酶(protein serine-threonine kinase，Akt)/HIF-1α可减少缺氧诱导的炎性细胞因子产生[19]，可能阻止COPD的发展。炎症细胞产生的炎症因子如IL-1β、TNF-α、活性氧(reactive oxygen species，ROS)、MMPs、中性粒细胞弹性蛋白酶和髓过氧化物酶，都与气道重塑有关[20]。许多促炎因子能通过激活STAT3途径，上调促血管生成介质诱导血管生成[21]，参与气道重塑。

反过来，炎症细胞和因子也能刺激HIF-1表达。中性粒细胞表达HIF-1维持中性粒细胞存活，巨噬细胞也表达HIF-1，不同的HIF-1亚型能诱导不同的巨噬细胞极化状态[18]。炎性因子如IL-6、TNF-α和干扰素(interferon，IFN)-γ等，主要通过核因子-κB(nuclear factorkappa-light-chain-enhancer of activated B cells，NF-κB)激活HIF-1α转录[22]。IL-1β激活NF-κB信号诱导HIF-1α表达后，HIF-1α能结合Muc5ac基因的启动子，促进粘液产生[17]，参与气道重塑。

综上，HIF-1与炎症相互作用，通过多种途径促进气道重塑，具体机制有待研究。

2.TGF-β1：转化生长因子(transforming growth factor，TGF)-β1既是最强的促纤维化因子，又是HIF-1的靶基因，主要由上皮细胞、肌成纤维细胞和炎性细胞产生。在慢性呼吸道疾病的缺氧微环境中，它是促进气道重塑的一种重要调控因子。HIF-1可通过多种途径调控TGF-β1的表达，TGF-β1通过Smad、非Smad和Wnt/β-catenin等途径促进气道内的胶原合成、平滑肌细胞增生、细胞外基质沉积等，导致纤维化和气道重塑。有研究证明缺氧可激活TGF-β/smad 2/3途径促进左心室纤维化[23]，后来在膀胱纤维化中发现缺氧促进TGF-β1受体(TGFβR1)和p-smad2/3高表达从而激活TGF-β/ smad通路[24]。HIF-1也可与Smad3信号协同增强VEGF转录[25]，参与气道重塑。这些提示HIF-1/TGF-β1/Smad途径可能是HIF-1促进气道重塑的一条重要通路。在缺氧的人晶状体上皮细胞中发现，缺氧时HIF-1α是导致EMT标记蛋白过度表达的关键因子，抑制HIF-1α能下调EMT标记蛋白的表达[26]。在缺氧的肝细胞癌中，HIF-1α能诱导TGF-β表达，缺氧可通过TGF-β增加EMT标记蛋白表达[27]。TGF-β1启动EMT是促进气道重塑的重要过程，因此HIF-1α增加TGF-β、诱导EMT蛋白过表达，可能也同样存在于气道重塑过程。

另外，TGF-β1也能反过来调节HIF-1α水平，它通过影响HIF-1α的蛋白质积累和核易位而非HIF-1α的转录活性来上调HIF-1α，二者间存在正反馈作用[28]。

综上，HIF-1与TGF-β1相互影响，HIF-1可能通过TGF-β1/Smad参与血管生成和气道重塑。有研究证明抑制TGF-β1/Smad途径能减轻气道重塑。

3. MMPs：MMPs是一类具有蛋白水解酶活性的锌依赖性蛋白酶，主要参与ECM代谢。新研究发现该类蛋白酶也能参与气道重塑，MMPs沉积于气道壁，会促进气道重塑。MMP-2和MMP-9都是该类蛋白酶家族的重要成员。HIF-1α能增加MMP-2和MMP-9表达，HIF-1α可与p300形成转录单位，增强MMP-9启动子活性从而提高MMP-9的明胶酶活性[29]。MMP-2通过释放与ECM生长有关的生长因子、降解血管胶原成分、促进血管形成参与气道重塑，MMP-9通过维持细胞外基质降解和重塑促进气道重塑。Shen等人发现抑制HIF-1α能降低MMP-2活性、VEGF表达及血脑屏障的渗漏[30]。在哮喘小鼠中，抑制MMP-9活性可能降低VEGF和TGF-β的表达，减少胶原沉积，改善气道重塑[31]。

综上表明HIF-1α能增加MMP-2和MM9表达诱导气道重塑，具体机制有待探索。

4.VEGF：VEGF是已知作用最强的促血管生成因子，也是一种促血管渗漏因子，同时还是HIF-1的靶基因，其受体包括 VEGFR-1、-2、-3。在11例哮喘患者中发现HIF-1α和VEGF水平升高[32]，缺氧时增加的HIF-1能促进VEGF产生，激活内皮细胞的VEGF受体增殖，启动血管生成[33]，刺激气道重塑。VEGF浓度与哮喘严重程度正相关[34]，VEGF的促血管渗漏和促血管生成作用，导致血管面积和气道壁增厚程度随HIF-1α和VEGF的表达而增加。吸烟COPD患者肺组织内HIF-1α、VEGF和VEGFR2表达水平的增加程度能反映COPD的严重程度[35]。HIF-1激活产生的VEGF不仅能通过促进血管内皮细胞的增殖和分化而增加血管数目、大小、面积，诱导血管生成[36]，还能增加血管通透性引起炎症细胞、炎症因子和炎性蛋白的渗漏而导致气道炎症，抑制VEGF能明显降低血管通透性和气道炎症[37]。VEGF还可诱导气道平滑肌细胞增殖，促进重塑[36]。

近年研究发现内皮细胞释放的内皮细胞特异性分子-1(endothelial‐cell‐specific molecule-1，ESM-1)是一种与血管重塑相关的新型调节因子。ESM-1是VEGF的下游因子，HIF-1α/VEGF可激活ESM-1促进单核细胞与内皮细胞间的黏附，诱导内皮细胞的内皮功能障碍和血管重塑[38]，可能参与气道重塑的发生。

综上，HIF-1能增加VEGF 及其下游因子表达，促进血管生成和炎症反应，诱导气道重塑。

5.ROS：ROS是细胞线粒体利用氧气时制造的副产物，是非缺氧条件下激活HIF-1的必要中间信号传导子。人体肺部有多种天然的抗氧化机制清除产生的ROS，维持ROS与抗氧化系统的平衡。缺氧除了激活HIF-1转录外，其另一个重要特征是会导致线粒体呼吸链功能紊乱，产生过多的ROS，ROS可损害线粒体功能进一步产生更多的ROS。持续产生的过多ROS导致细胞持续处于氧化应激下[39]，激活许多细胞信号通路引起相关的蛋白表达。增多的ROS能诱导抗蛋白酶失活、缺氧、粘液高分泌、细胞外基质重塑和肺泡上皮损伤，促进组织损伤和气道重塑[22]。ROS与抗氧化系统的失衡还能增加杯状细胞增生、激活TGF-β1促进上皮下纤维化的发生[40]。ROS在缺氧条件下会参与维持HIF-1的稳定和活化，HIF-1的表达随ROS水平升高而增加。ROS可激活NF-κB途径，活化的NF-κB直接激活HIF-1α通路[41]，诱导产生多种炎症因子，参与气道重塑。ROS能通过抑制PHD活性增强HIF-1α的稳定性，诱导HIF-1的表达[39]，能激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)靶向增加哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)依赖的HIF-1α的合成[42]，还能通过ROS/AKT/S6K激活环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)与HIF-1α启动子结合增加HIF-1α的表达[43]。

综上表明缺氧促进HIF-1和ROS产生，ROS参与HIF-1的稳定和表达，二者相互促进诱导气道重塑的发生。

五、结语

缺氧通路在机体细胞内普遍存在，缺氧依赖的HIF-1活化调节着许多生理和病理过程。在呼吸道疾病中，气道重塑导致气道结构的进行性改变，使患者对药物敏感度下降，疗效不佳。尽管大量研究证明在慢性呼吸道疾病中HIF-1促进气道重塑的发展，但相关机制尚未清楚。抑制气道重塑可以防止肺功能进一步下降，因此通过抑制HIF-1，减轻气道重塑可能是治疗重塑的一种有效靶点。针对HIF-1诱导气道重塑的相关机制和靶向该机制的药物可能是未来的研究方向。