低氧环境中HIF-1α 影响骨代谢的分子学机制

宁浩驰，裴雪冬，陈海亮，赵瑞，潘静, 张浩令，蒋宇航，王薇*，宋志靖*

（1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000；2.圣彼得堡国立大学，圣彼得堡 俄罗斯 190000）

0 引言

骨代谢包括骨形成与骨吸收两个方面，在正常的氧气浓度条件下，骨形成与骨吸收保持平衡状态。研究发现[1,2]，当氧浓度产生变化时，这一平衡状态就会被打破，造成骨代谢异常，进而导致一系列骨代谢异常疾病，比如骨质疏松症、骨关节炎、类风湿性关节炎等。低氧诱导因子[3]（HIF）是生物在低氧环境下的应答因子，HIF 是由一个诱导型 α亚基和一个组成型表达的β 亚基组成，α 亚基由三个α 亚单位（HIF-1α，HIF-2α 和HIF-3α）构成，β 亚基由两个β 亚单位（HIF-1β 和ARNT2）构成。HIF-1α 的表达和活性受氧气调控，HIF-1α 在常氧条件下被脯氨酰羟化酶 (PHD) 羟基化，与von Hippel-Lindau 蛋白 (VHL) 结合后降解，低氧条件下由于PHD 酶活性丧失导致HIF-1α 稳定。HIF-1α 对于骨稳态具有调控作用，对成骨细胞诱导的骨形成，破骨细胞诱导的骨吸收均有影响[4]。在调控H 型血管数量、血管与骨形成方面也起着重要作用[5]。本文就以低氧环境下HIF-1α 对骨代谢的分子作用机制做一阐述。

1 HIF-1α 与骨代谢

骨骼是一种具有代谢功能的组织。骨组织在代谢过程中产生许多生化指标，这些生化指标在骨组织代谢的整个过程中发挥着重要的调节作用。骨代谢生化指标[6,7]主要包括钙磷代谢调节指标、骨形成标志物、骨吸收标志物、激素及细胞因子，并存在于全身骨骼、血液、尿液以及其他体液中。临床上常通过检测骨代谢产物指标，以判断骨骼的代谢状态。现临床一般用于[7-9]骨质疏松的诊断与鉴别，治疗方案的制定，疗效检测，以及骨折风险的预测。

HIF-1α 的调控作用在骨发育过程中始终存在。低氧环境下HIF-1α 会诱导血管生成因子的表达并促进糖酵解，增加氧气和营养物质的输送，最终适应代谢。HIF-1α 还具有靶向作用，通过增加骨保护素的表达来减少破骨细胞的生成，并通过表观遗传机制抑制硬化蛋白的表达，导致骨形成增加和骨吸收减少；另外还可通过调控成纤维细胞生长因子23（FGF23）的表达，从而影响矿物质稳态和维生素D 代谢[4]。最终实现对骨代谢的调控。HIF-1α 对软骨退化和骨关节炎的发展具有保护作用，Okada[10]等发现，HIF-1α 通过抑制NF-κB-HIF-2α 轴来维持关节软骨平衡。Stegen[11]等 研 究 发 现， HIF-1α 引 起PHD2 缺 乏导致软骨细胞的代谢变化减少胶原蛋白合成，但增强胶原蛋白的改变，形成更密集的胶原蛋白基质，阻碍软骨退化。有研究发现，雌激素可以抑制HIF-1α 的表达，绝经后小鼠骨质疏松的发生与HIF-1α 稳定表达激活破骨细胞骨吸收作用有关[12]。Xu[13]等发现HIF-1α 的过表达，可以减少糖皮质激素对缺氧诱导的线粒体自噬的抑制，从而保护骨细胞免于凋亡。此外有研究表明，HIF-1α 在改善骨质流失方面具有积极作用，这一作用与促进血管生成有关[14]。

2 HIF-1α 影响成骨细胞的作用机制

成骨细胞是由骨髓间充质干细胞分化而来,经历了细胞增生、外基质成熟、外基质矿化和凋亡4个阶段。在骨形成过程中成骨细胞是重要的功能细胞。研究发现低氧影响成骨细胞成骨分化,在成骨细胞中氧感应通路相关蛋白均有表达，比如PHD、VHL、HIF 等。

研究发现， PHD 抑制剂可增强HIF-1α 的稳定性和活性，比如在甲磺酸去铁胺（DFM）处理的动物的长骨和颅骨中，骨祖细胞和成骨细胞标志物的表达水平显著增加[15]，提示HIF-1α 对成骨细胞骨形成具有促进作用。信号素3A（Sema3A）和HIF-1α 共同过表达有助于多能干细胞衍生的间充质干细胞或基质细胞存活，促进其成骨分化[16]。在低氧浓度条件下PI3K/Akt 和 MAPK/ERK 信号 通 路 可 以 激 活HIF-1α，通 过HIF-1α 促 进MC3T3-E1 细胞的增殖[17,18]； HIF-1α 的过表达增强缺氧后MC3T3-E1 细胞的活力，主要通过HIF-1α 强制表达抑制低氧诱导的细胞凋亡来实现[19]。HIF-1α 在钴模拟缺氧条件下通过抑制Notch 信号，激活Wnt 信号，影响Notch-Wnt 信号的串扰，进而促进成骨细胞的增殖[20]。另外，miR-135-5p 可直接靶向于HIF-1α 抑制剂来促进成骨细胞增殖分化[21]；且miRNA-1-3p 与HIF-1α 抑 制 剂 相 互 作用可增强成骨细胞的成骨分化[22]。在低氧环境中HIF-1α 还可以显著增加成骨细胞中IL-6 和IL-8的水平，IL-6 和IL-8 可能通过HIF-1α 途径参与血管生成-成骨偶联过程，促进成骨细胞增殖[23]。在低氧环境中，红景天苷通过HIF-1α 信号通路，增强成骨细胞活力，促进其分化和矿化[24,25]。也有研究发现，在机械刺激下HIF-1α 抑制成骨细胞的活性[26]，严重缺氧时，机械生长因子E 肽会抑制HIF-1α 的表达，促进成骨细胞增殖和分化[27]。

综上所述，HIF-1α 的激活对成骨细胞增殖与分化具有促进作用。但其作用机制复杂，且影响因素众多，有待更进一步研究以指导临床应用。

3 HIF-1α 影响破骨细胞的作用机制

破骨细胞来源于骨髓单核巨噬细胞系，是参与骨吸收的主要细胞，在代谢性骨病中发挥着重要作用。骨细胞相关细胞因子可以影响调节破骨细胞形成与骨吸收，如骨细胞分泌的 NF-κB 受体激活因子配体（RANKL）、骨保护素(OPG)是破骨细胞形成和病理性骨吸收的重要因素，骨细胞相关细胞因子直接作用于破骨细胞的形成和骨吸收。

低氧环境下HIF-1α 调控破骨细胞有着不同的作用。一方面，HIF-1α 可以抑制破骨细胞的活性，研究发现，HIF-1α 可以刺激OPG 上调，与其上游OPG1 结合位点相互作用，抑制破骨细胞活性[28]。基于IL-33 对小鼠骨髓来源的单核细胞的作用，发现成骨细胞HIF-1α 途径激活促进IL-33表达，调控IL-33 对破骨细胞形成起抑制作用[29]。抑制HIF-1α 诱导的糖酵解途径，可以减少缺氧导致的破骨细胞吸收[30]。另一方面，HIF-1α 对破骨细胞的分化无明显影响，但调节其介导的骨吸收作用。通过PHD 酶抑制剂激活HIF 通路，会抑制破骨细胞形成，并且破骨细胞介导的骨吸收作用会被增强[31]。人CD14+单核细胞分化为破骨细胞的过程中,抑制HIF-1α 不会影响破骨细胞的分化，但可以减少缺氧条件下的骨吸收[32]。最后，也有研究发现，HIF-1α 也会促进破骨细胞的分化；Zhu[33]等发现缺氧刺激的MloY4 细胞稳定表达HIF-1α，通过激活JAK2/SAT3 信号通路上调RANKL 的表达，促进RAW264.7 细胞在体外分化成破骨细胞。

4 HIF-1α 影响骨折愈合的作用机制

骨折是各种外力直接或间接作用于骨骼，使骨的连续性及完整性遭到破坏。骨折发生时局部软组织破坏，神经血管受损，局部处于缺氧状态。研究发现，在骨折愈合过程中，缺氧环境有助于骨血管生成，加快骨折愈合[34,35]。

体外研究发现，在体外低氧环境下，HIF-1α 与骨形态发生蛋白6（BMP-6）协同过表达骨髓间充质干细胞具有更强的血管生成及成骨分化能力[36]；二甲氧已二酰甘氨酸会上调HIF-1α 的表达，进而促进人牙周膜干细胞体外成骨分化和成血管能力[37]；体外HIF-1α 和Scleraxis 基因联合修饰后可促进人羊膜间充质干细胞表达肌腱细胞、软骨细胞和骨细胞的标志分子, 具有促进腱骨愈合的能力[38]；低氧有利于间充质基质细胞（MSCs）的生存，并且广泛诱导了骨折愈合相关基因的表达[39]。在大鼠实验研究中发现，观察大鼠胫骨干骨折的愈合，发现氯化钴能显著提高HIF-1α 在骨痂组织的含量, 并且增加骨钙素的表达, 促进骨折愈合[40]；大鼠骨折愈合过程中，低氧诱导因子-1α 在促进骨痂组织恢复中作用明显[41]。在临床观察中发现，间歇性缺氧训练会刺激患者HIF-1α 高表达，有助于老年患者骨折愈合[42]。缺氧预处理激活HIF-1α 表达，有助与MSCs 衍生的外泌体miR-126 的产生，进而促进骨折愈合；缺氧预处理促进骨折愈合是一种有效且有前途的方法[43]。HIF-1α 在局部和全身参与骨折愈合，创伤性脑损伤患者加速骨折修复可能与骨折血肿和血清 中HIF-1α 浓度升高有关[44]。骨折时局部组织缺氧是骨折愈合的有利条件，低氧环境下HIF-1α 被激活，HIF-1α 会影响成骨分化，并且诱导VEGF 高表达，VEGF 是促进新血管形成的关键因子。

此外，HIF-1α 在骨转移疾病、骨代谢疾病、溶骨性疾病的发生发展过程中起着一定作用[45-48]，这也为治疗以上疾病提供了新思路，有待临床及实验研究进一步验证。

5 总结与展望

HIF-1α 是机体缺氧应答的关键因子，可以直接或间接调控骨组织细胞，促进血管生成及成骨分化，影响骨代谢；而其对破骨细胞的作用不确定，有待更进一步的研究。HIF-1α 在骨转移疾病、骨代谢疾病、溶骨性疾病的病理发展过程中也发挥重要作用。对HIF-1α 的研究，为临床相关骨病的治疗提供了新方向，例如，HIF-1α 过表达可促进iPSCMSC 增殖[16]，氯化钴能显著提高HIF-1α 在骨痂组织的含量,促进骨折愈合[40]，基于骨组织工程，在骨再生材料上培养缺氧模拟物、iPSC-MSC 用于骨修复，miR-135-5p 可直接靶向于HIF-1α 抑制剂来促进成骨细胞增殖分化[21]，靶向作用于HIF-1α来治疗骨丢失，促进骨形成。在以后的研究过程中，对HIF-1α 更深入的探索，对高原低压低氧环境中骨代谢研究将是一个新的方向，也将为临床疾病诊治提供更宽阔的思路。