低氧诱导因子-1α在生物性骨改建和骨病中的作用

唐 燚， 康非吾

（上海牙组织修复与再生工程技术研究中心，同济大学附属口腔医院口腔颌面外科，上海 200072）

氧对维持机体正常的生长、发育及代谢至关重要。各种原因引起的骨内血流的减少均会使骨组织和骨系细胞处于低氧状态。在这种异常的低氧状态下，低氧诱导因子（HIF）途径是各种组织、器官在对局部氧环境进行感受和应答过程中的核心途径。

1 HIF-1α的结构及生物学特征

低氧诱导因子-1（HIF-1）是1992年Semenza和Wang首先发现的，其能与促红细胞生成素基因的低氧反应元件发生特异性结合，随后HIF-1 cDNA的编码顺序被确立[1]。人和哺乳动物细胞普遍拥有保守的HIF-1序列，其转录受到严格的调控，提示了HIF-1对细胞生物学功能具有重要作用。低氧诱导因子（HIF）是通过调节低氧状态下细胞适应环境的氧分压变化，进而调控其分化和维护其存活的关键性调节因子[2]。HIF-1蛋白是一种异源二聚体，主要由120 000的HIF-1α和91 000～94 000的HIF-1β 2个亚基构成。人HIF-1α基因定位于14号染色体q21～24区，受缺氧信号的调控，起功能性作用；HIF-1β亚基又称芳香烃受体核转运子，不受环境低氧信号的调控，主要起结构性作用。HIF-1α既是HIF-1的调节亚基，又是活性亚基。因此，HIF-1的生物效应是由HIF-1α亚基实现的[3]。而在正常氧饱和度(21%O2)下，HIF-1α亚基在被翻译后随即被泛素-蛋白酶水解复合体降解。而在缺氧状态下，HIF-1α亚基的降解被抑制，HIF-1α和HIF-1β亚基聚合形成的异二聚体HIF-1，转移到细胞核内调节多种基因的转录，进而引发组织细胞发生缺氧适应性反应。HIF-1α是有转录活性的核蛋白，具有广泛的靶基因谱，其中包括与缺氧适应、炎症发展、血管形成、能量代谢及肿瘤生长等相关的100多种靶基因[4]。

2 HIF-1α在骨改建中的作用

2.1 骨折

骨折引起的血管破裂会造成局部骨组织的缺氧环境，导致损伤区域周围的氧分压降至0～10 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）。损伤部位血肿的形成将阻碍血流灌注，进一步加剧局部缺氧，位于骨折中心区组织的氧分压甚至可降至0 mmHg[5]。在骨折修复过程中，低氧可诱导骨膜、骨髓及周围软组织内间充质前体细胞增殖，并分化为成骨细胞和软骨细胞，HIF-1α参与成骨细胞糖酵解及血管生成以启动膜内骨过程；而软骨细胞处于低氧区中心，可直接启动软骨内成骨，促进软骨外基质的沉积与钙化[6]。许多研究已经证实了骨折部位的周围为低氧环境，这为局部药物促进血管新生，利用生物学或遗传学技术加速局部骨缺损修复的开展奠定了理论基础。与野生型对照组小鼠相比，Bglap-cre；Vhl cKO小鼠新生血管生成和骨骼修复速度增加；成骨细胞内HIF-1α缺失可减缓新生血管生成和骨修复[7]。这些研究结果表明，HIF-1α对软骨细胞和成骨细胞的存活、增殖及分化至关重要，是骨痂中启动血管生成、成骨及成软骨的关键调控因子。

2.2 骨质疏松

骨质疏松是代谢性骨病中最常见的一类疾病，其主要病理特征是全身骨量减少和骨组织微结构改变，从而导致骨强度下降。雌激素缺乏引起的骨质疏松症的机制仍不完全清楚，目前观点主要集中在破骨-成骨偶联失衡[8]。破骨细胞中HIF-1α敲除小鼠与破骨细胞内雌激素受体α缺陷小鼠，这2种小鼠模型均与去卵巢（ovariectomized,OVX）骨质疏松小鼠呈现相同的组织学表型[9]。在体外细胞生物学研究中，雌激素促进成骨细胞表达HIF-1α的分子机制主要在于，通过抑制HIF-1α蛋白在常氧条件下的降解，进而稳定其活性[10]。此外，HIF-1α还可调节绝经后骨质疏松患者成骨细胞的骨形成能力。与野生型小鼠相比，8周龄成骨细胞内HIF-1α条件性敲除雌性小鼠的骨小梁数量、体积、厚度，骨密度、骨代谢相关细胞因子和血管生成均发生不同程度的减少或降低[11]。在雌性小鼠成骨细胞中，HIF通路是通过降解HIF的von Hippel-Lindau（VHL）蛋白的破坏而被激活的，去卵巢小鼠的骨结构和机械质量参数没有发生显著变化[12]。因此，尽管骨髓环境是低氧环境，雌激素受体-α（estrogen receptor-α，ER-α）仍然会降低破骨细胞中HIF-1α蛋白的表达，进而保护机体骨质不被分解吸收。这些研究说明，破骨细胞中HIF-1α特异性的抑制剂可能是治疗骨质疏松症潜在的治疗手段。

2.3 骨关节炎

关节软骨在整个生命周期中都维持在低氧环境中，从关节软骨表面到深层存在约6%～1%的氧浓度梯度[13]。关节软骨细胞属低氧感应细胞，软骨细胞中相对较高的HIF-1α表达是软骨在无血管缺氧环境下生存的重要适应因素。HIF-1α通过维持软骨细胞的无氧糖酵解进而在细胞外基质合成中发挥重要作用，缺乏HIF-1α的软骨细胞无法在低氧微环境中维持腺苷三磷酸 （adenosine triphosphate，ATP）水平[14]。 骨关节炎（osteoarthritis,OA）发生的病理学基础为软骨细胞变性，软骨细胞外基质成分发生变化，引发关节软骨纤维化。目前有重要的证据表明，OA 中白细胞介素-1（interleukin-1，IL-1）和氧化应激诱导软骨细胞中HIF-1的表达。HIF-1α在正常和OA关节软骨细胞中均表达，HIF-1α及其靶基因Glut1和PGK-1在OA软骨中的表达与关节软骨退变的进展相关。HIF-1α升高可诱导热休克蛋白70（heat shock protein 70,HSP70）过表达，提高细胞通透性，抑制软骨细胞凋亡。同时，HIF-1α缺乏的软骨细胞在体外表现出细胞凋亡的加速。在OA发展过程中，软骨细胞可能依赖于HIF-1α的适应功能来维持ATP水平，从而维持基质的合成。在软骨特异性HIF-1α缺失的小鼠模型中，大量软骨细胞死亡[15]。

2.4 骨坏死

骨坏死是由于骨血供中断引起的，骨髓和骨小梁的缺血性细胞死亡导致软骨下骨塌陷及骨关节病[16]。研究发现，HIF-1α或血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）-C 的高表达与韩国男性特发性股骨头坏死具有高度相关性，尤其在靠近股骨头坏死组织的修复性水肿带中，VEGF-C的表达更强[17]。在糖皮质激素诱导的股骨头坏死小鼠模型中，股骨头中HIF-1α和VEGF的表达迅速降低，而股骨远端则未见此现象；在体外实验中，糖皮质激素也可迅速降低HIF-1α和VEGF的表达[18]。丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）的抑制剂可减少兔类固醇相关性骨坏死的发病率，并增强HIF-1α/VEGF信号[19]。糖皮质激素还可减少骨细胞介导的局部骨基质重建，从而导致骨坏死和软骨下骨退行性变，但此研究并未直接评估血管分布、氧分压和骨改建之间的相互作用关系[20]。

2.5 牙槽骨改建

低氧也可通过影响牙周韧带细胞（periodontal ligament stem cells,PDLs）的生物活性参与正畸牙移动。在低氧条件下，HIF-1α通过刺激破骨细胞和成骨细胞影响骨代谢的PDLs产生VEGF以调节牙槽骨的代谢。VEGF作为骨代谢细胞因子，刺激成骨细胞的分化和趋化迁移。此外，VEGF通过对成骨细胞和破骨细胞前体的作用来刺激牙槽骨重建。缺氧还可以刺激PDLs表达多种细胞因子[21]。有学者认为氧传感器位于牙龈和成纤维细胞的细胞膜内或线粒体内，氧传感器发出的信号被认为可以激活HIF-1α 和核因子-kappa B（NF-κB），促进白细胞介素-1b（IL-1b）、白细胞介素-6（IL-6）及肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的产生[22]。在牙周炎的牙周膜细胞模型中，HIF-1α可增强牙龈卟啉单胞菌的脂多糖，诱导促炎因子的生成，加快牙周组织的破坏[22]。此外，HIF及其模拟因子（或HIF稳定剂）被认为是血管形成的关键刺激因子，在口腔内骨修复和再生中起到重要作用。

2.6 牵张成骨

牵张成骨术(distraction osteogenesis，DO)用于延长肢体或通过膜内过程修复骨缺损。此外，它还被用作研究骨修复和再生过程中血管生成-成骨的细胞机制的模型。在DO过程中，通过在截骨过程中施加渐进机械牵张力的外部固定装置诱导膜内成骨[23]，使用血管内皮生长因子受体-1（vascular endothelial growth factor receptor-1，VEGFR-1）和血管内皮生长因子受体-2（VEGFR-2）的阻断剂会导致骨形成和血管体积、数量的减少[24]。兔下颌骨牵张成骨模型中，HIF-1α的表达在早期阶段增加，但随着新生骨的成熟而下降，这表明在下颌骨逐渐牵张的间隙中，HIF-1α的产生可能有助于新骨的形成[25]。Wan等[26]证明HIF-1α通路在骨修复过程中被激活并促进骨愈合，随后建立了一种在成骨细胞中缺乏pVHL突变的小鼠模型来激活HIF信号通路；经研究发现，在牵张成骨过程中，HIF-1α通路的激活促进血管生成和增强骨再生，牵张间隙随血管迅速扩张，骨体积和愈伤组织强度随之增加。Donneys等[27]指出，去铁胺（deferoxamine，DFO）显著增加了下颌骨牵张成骨期间的骨体积分数、骨密度及最终载荷等骨结构和机械质量参数。

综上所述，HIF-1α介导的多重通路对骨的发育、改建、修复和再生均有深远的影响。虽然目前有关HIF-1α参与调控成骨细胞、成软骨细胞分化及骨形成的研究较多，并取得了一些重大的研究进展，但在调控成骨细胞分化、抑制破骨细胞形成等深入的分子机制方面仍不十分明确。随着近年来关于HIF通路及低氧模拟治疗在骨发育、骨缺损修复和骨再生中作用的研究日益受到广泛关注，深入探究其分子机制必将为促进骨再生及骨组织工程策略的发展奠定理论基础。