HIF-1α调控糖酵解在RA炎症发病机制中的研究

李福欣 杜小正* 张星华 张枫帆 陈平 刘强 刘莉梅 张小娜

1.甘肃中医药大学针灸推拿学院，甘肃 兰州 730000 2.甘肃省中医院，甘肃 兰州 730000

类风湿关节炎(rheumatoid arthritis, RA)是一种自身免疫性、炎症性疾病，在临床中以关节病变为主要特征，具有进行性、侵袭性以及致残性，可并发多脏器侵害，严重危害人类健康[1]。该病多发于40～50岁人群，女性多于男性，数据[2]显示女性RA患者在全球范围内的发病率约为0.5%～1%，我国RA患病率约为 0.42%，其致残率高达 61.3%，早期有效的治疗是降低致残率的关键[3]。因此，提高RA的早期疗效对于改善预后、提高生活质量、减轻居民负担等至关重要。尽管目前RA的确切发病机制尚不明确，但是诸多研究[4]表明RA患者滑膜组织和滑膜液中大量细胞炎症因子通过一系列级联反应最终导致关节炎症和骨破坏。研究[5-6]表明，缺氧诱导因子1α (hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)与糖酵解在RA炎症的发生与发展中起到了重要作用，下调糖酵解活性可以明显改善RA炎症程度。近年来的研究表明，HIF-1α可变构调控糖酵解来调节RA炎症反应[7]，如实验中运用HIF-1α抑制剂2 ME2或者敲除HIF-1α基因可下调糖酵解活性，继而减轻RA炎症反应[8]。这些研究提示HIF-1α调控糖酵解活性是抑制RA炎症反应的关键。

1 RA滑膜炎症反应

RA作为一种自身免疫性疾病，其主要发病特征是关节处的炎症反应。炎症过程中产生的多种化学物质能够激活伤害感受器，产生痛感，而关节肿胀则由炎症渗出导致。研究[4]证实，大量炎症细胞因子存在于RA患者的滑膜组织和滑膜液中，如血清中肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor α，TNF-α)、细胞白介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)、IL-6和IL-17等，这些炎症因子通过一系列级联反应，最终导致关节炎症和骨破坏。因此，RA的早期病理特征主要是病变关节的滑膜炎症反应。在RA炎症进展中，TNF-α对滑膜炎症、血管翳生成等病理改变起重大作用。TNF-α会促使白细胞聚集，诱导IL-1β、IL-6的分泌，协同增强炎症反应[9]。IL-6作为一个重要的促炎因子，主要由单核巨噬细胞产生，其可增强IL-1、TNF-α的致炎作用，加重RA炎症反应。近年来新发现的IL-17也是一种促炎因子，可通过核转录因子κB(NF-κB)和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)等细胞通路来促进IL-6、IL-8及TNF-α等多种细胞因子的分泌[10]，在RA炎症发展中处于网络中心位置。

以上论述表明，炎症细胞因子网络参与了RA炎症的进展，是维持和促进关节滑膜炎症的重要因素。因此，寻找新的靶点来抑制炎症细胞因子分泌和炎症反应对RA的治疗至关重要。

2 HIF-1α在RA发病中的作用

HIF-1α属于基本螺旋-环-螺旋转录因子亚家族，在正常氧气条件下被泛素-蛋白酶水解复合体降解，在缺氧条件下，HIF-1α变得稳定并在细胞质中积累。研究表明[11]，RA中存在着缺氧的情况，是一个潜在的发病因素，且滑膜缺氧在促进血管生成以及RA的病理生理反应中起着至关重要的作用。由于RA关节内微环境的改变, HIF-α被激活和过表达，以调节与炎症、血管生成、能量代谢和其他过程相关的基因的转录和表达[12]。此外，研究[11]还证实HIF-α是一种核转录因子,可以刺激血管生成,促进血管腔形成,加重滑膜增生。

2.1 HIF-1α在RA炎症中的作用

滑膜炎症是RA最主要的病理特征，越来越多研究[13]表明，HIF-1α作为RA中重要的影响因子，可通过不同途径来调控RA滑膜炎症。HIF-1α可通过PI3激酶/Akt/HIF-1通路使FLS中发生缺氧相关的上皮细胞-间充质细胞转变，使细胞迁移和侵袭增加,加重滑膜炎症。TNF作为炎症瀑布性级联反应的关键因子，在RA中过度表达，加重了炎症反应[14]。Toll样受体TLR作为典型的识别受体，也主要在RA中的免疫细胞和滑膜成纤维细胞中调节炎症反应[15]。研究[16]发现，HIF-1α相关通路能够上调巨噬细胞中TLR-4的表达,从而激活炎症反应。作为促炎因子，TNF-α、IL-1和 IL-33在RA滑液和组织中产生增加。类风湿关节炎患者的IL-33水平升高，表明这种炎症因子在类风湿关节炎的严重程度中起作用[17]。TNF-α是促进缺氧诱导因子堆积的关键因素。此外，IL-1和IL-33已被证明可增加滑膜成纤维细胞中HIF-1α亚型的表达[18]。同时，TNF-α/IL-33调节回路进一步增加HIF-1α的表达。Hu等[19]的研究证明HIF-1α过表达可能刺激PolyIC诱导的类风湿因子表达，导致类风湿关节炎向促炎状态转变。除了具有促炎功能外，HIF-1α还可以激活IL-10等抗炎细胞因子的产生。研究[20]表明，具有特定HIF--1α缺失的小鼠表现出产生IL-10的B细胞数量减少，并且辅助性T细胞1(T helper cell 1,Th1)和辅助性T细胞17(T helper cell 17,Th17)细胞的增强，这最终加剧了胶原诱导的关节炎反应。

2.2 HIF-1α在血管生成中的作用

在RA中，关节滑膜的内膜下层被大量免疫细胞浸润，并进行新生血管形成。血管生成是新血管形成和多基因表达的复杂过程，新生的血管会导致滑膜炎症的持续，因其内提供了大量的营养与氧，为炎症细胞的增长提供了相应的环境，是RA的典型特征，新生血管形成被证明通常与缺氧有关[21]。滑膜组织的增生对于新生血管在肥厚的滑膜中提供充足氧气和营养是必不可少的，然而，RA中新生血管的氧气供给却无法达到要求。研究[22]证明HIF-1α能够调节促血管生成介质的表达，包括趋化因子8、趋化因子配体12、20和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)。其中，VEGF是HIF-1α的主要血管生成靶点,具有低氧依赖性表达,是RA中最有效的内皮特异性有丝分裂原。VEGF是一种作用于滑膜血管内皮的细胞因子,促进血管生成并与内皮细胞(ECs)上的同源受体结合,从而激活这些细胞产生更多的蛋白水解酶。HIF还可通过活化血管生成素、纤维母细胞生长因子和血小板源生长因子等使内皮细胞增殖、迁移和血管重建，增加血管重建[23-24]。抑制HIF-1α表达可显著减少RA FLS中VEGF诱导的血管生成[25]。在RA炎症导致缺氧环境中，HIF-1α显著增加以促进细胞对低氧压的耐受性，同时，HIF-1α和血管内皮生长因子在滑膜组织中的表达受到血管生成的影响[26]。

2.3 HIF-1α在软骨破坏中的作用

在RA中，由于血管翳的过度增生，会侵入关节内软骨，导致软骨破坏、软骨下骨等的骨侵蚀，是RA严重的病理表现，最终导致关节变形，功能活动受限，影响患者生活。关节内的滑膜细胞在低氧的条件下会分泌大量基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs) 如MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-12、MMP-13等破坏关节软骨。HIF-1α能显著促进滑膜细胞产生多种MMPs和聚蛋白多糖酶-1[27]。研究[28]证实，IL-6 能被HIF-1α诱导而产生，加重炎症反应，并且IL-6能促进软骨细胞分泌MMP-3和MMP-13,二者可诱导TNF-α的产生，加重MMPs和炎症性介质在滑膜细胞的表达。HIF-1α是调节软骨肥大抑制和维持软骨生成特异性标志物(如聚合蛋白、SOX9)的关键成分。HIF-1α的失调会导致骨骼发育不良。由于破骨细胞在缺氧条件下活化，关节软骨破坏加剧。Swales等[29]研究发现，血管生成素样蛋白4在RA破骨细胞中以HIF-1α依赖性方式过度表达。刺激破骨细胞介导的骨吸收。以上研究提示低氧可促进骨破坏的发生,并且HIF-1α在其中起重要作用。

3 糖酵解在RA发病中的作用

3.1 糖酵解在RA滑膜炎症、血管翳形成及软骨破坏中的作用

在无氧的条件下，葡萄糖经过一系列酶的作用，如己糖激酶、磷酸果糖激酶等可转化为丙酮酸和乳酸，并且生成腺苷三磷酸和还原型辅酶Ⅰ，该代谢过程称为糖酵解，是生物体内葡萄糖分解代谢的必经阶段。然而在有氧条件下，营养物质充足，葡萄糖则不需要通过无氧糖酵解这种方式获得较少的能量，糖酵解途径受到抑制，但对于肿瘤细胞和RA中活化的免疫细胞、滑膜细胞等人体内快速增殖的异常细胞，其为了能够持续获得能量，即使在有氧条件下，也快速地进行糖酵解，产生“Warburg效应”，是一种代谢重编程[30]。众多研究[31]证实了糖酵解可促进RA滑膜炎症。如糖酵解通过抑制p53以抗细胞凋亡，维持炎性细胞的分化和活性。另一方面，乳酸在RA关节滑膜中积聚，抑制CD4+T细胞凋亡，从而使IL-17等炎性细胞持续增殖[32]。在RA中，糖酵解磷酸戊糖途径增强，产生大量还原型辅酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid, NADPH)[33]。NADPH促进T细胞过度增殖，分化成Th17。Th17分泌的IL-17可通过核转录因子κB(NF-κB)和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)等细胞通路促进IL-6、IL-8及TNF-α等多种细胞因子的分泌[34]，导致滑膜炎症。进一步研究[5]发现在RA中糖酵解基因表达水平与FLS分化呈正相关。糖酵解产生大量乳酸，促使RA滑膜细胞异常分化增殖，导致滑膜细胞异常增生[35]。6-磷酸果糖激酶2/果糖-2，6-二磷酸果糖激酶3(6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3, PFKFB3)作为糖酵解过程中一个关键酶,可促进新生血管的生成。糖酵解的产物丙酮酸同样可以促进组织中新血管的形成，提示糖酵解与血管新生密切相关[36]。新生的微血管、异常增生的滑膜细胞以及持续分化的炎性细胞共同造成了血管翳的生成，加重RA的病情。同时，Th17会促进RA破骨细胞的形成，导致软骨的破坏，使关节炎症发展至骨侵蚀[37]。这些研究提示糖酵解是促进RA滑膜炎症、血管翳形成及软骨破坏的一个重要因素。

3.2 抑制糖酵解能够改善RA炎症反应

糖酵解途径异常是导致RA发生发展的一个重要原因，已有研究[38]证实糖酵解抑制剂可显著改善RA小鼠关节的肿胀程度。糖酵解抑制剂2-DG、BrPa能够通过抑制RA-FLS细胞中的促炎因子，缓解小鼠关节炎症[39]。

糖酵解过程中有三个关键酶，包括己糖激酶(Hexokinase II,HK2)、PFKFB3、丙酮酸激酶2(pyruvate kinase2,PKM2)。已有研究[40]证明，敲除HK2可明显改善小鼠关节炎症；PFKFB3小分子抑制剂PFK15通过抑制糖酵解，降低RA-FLS的迁移、侵袭能力，明显减轻RA炎症反应[41]；抑制PKM2同样可逆转RA-FLS的侵袭、迁移及分泌功能[42]。

综上，通过抑制糖酵解途径中的三个关键酶，改善糖酵解，进一步抑制RA-FLS的侵袭、迁移及分泌功能，从而减轻RA炎症反应。

4 HIF-1α调控糖酵解活性，抑制RA炎症反应

既往的研究表明，HIF-1α可调控糖酵解活性从而治疗某些疾病。宋玲等[43]研究发现天然黄酮类物质紫云英苷是一种具有潜在抗人卵巢癌作用的活性成分, 可通过抑制HIF-1α诱导的糖酵解等通路来抑制卵巢癌细胞的增殖、促进卵巢癌细胞的凋亡。张冬艳等[44]通过在不同含氧量条件下的研究认为，HIF-1α可以与下游糖酵解相关基因(GLUT1、HK1、HK2、PGK1等)的启动子区HRE反应元件结合，促进上述基因的转录激活，从而增强缺氧诱导的肝癌细胞糖酵解能力。汪宇涵等[45]在对肺癌的研究中发现，中药汤剂可通过抑制肺腺癌细胞的糖酵解途径中的HIF-1α表达来控制肺腺癌细胞的能量摄取, 从而抑制其增殖过程。

糖酵解的发生与HIF-1α密切相关。糖酵解途径中一些关键酶作为自身抗原参与了免疫反应，对RA提供了新的研究思路。在RA中，由于组织内缺氧会促使HIF-1α形成，在此过程中，糖酵解途径中的一些关键酶的结合位点又能被HIF-1α激活，促进糖酵解的进行[46]。现代研究[47]发现HIF-1α与包括RA在内的多种疾病密切相关，其可调节免疫细胞的发育和功能，并参与RA的发病。众多研究证实了HIF-1α与RA炎症反应密切。如RA滑膜增生伴随着滑膜供氧不足，从而导致缺氧环境及HIF-1α的积累[48]；HIF-1α水平在RA患者滑膜组织中与炎症因子(IL-1β、IL-6、TNF-11α等)水平呈正相关[49]；且使用TNF-α抑制剂可以降低HIF-1α的水平[50]。进一步研究[51]发现，HIF-1α可以在缺氧反应中激活糖酵解来加重RA炎症反应。HIF-1α通过激活PKM2与乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase, LDH)以调节糖酵解及其下游产物来影响炎症，并参与炎症反应等生物过程[52]。HIF-1α不仅诱导葡萄糖转运蛋白GLUT1和GLUT3表达的增加，还升高炎症滑膜内HK2、3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,3-GAPDH)、LDH、PKM2和线粒体细胞色素氧化酶的水平，增强糖酵解活性，加重RA的病情[53]。同时研究[54]发现，在缺氧条件下，敲除HIF-1后，LDHA与PKM2受到抑制，乳酸含量明显减少，进而缓解诱导型关节炎小鼠关节的肿胀，减轻滑膜炎症。

综上所述,在缺氧条件下, HIF-1α可以激活多种低氧适应性基因的表达,调节糖酵解。因此，抑制HIF-1α是改善糖酵解的重要方法。

5 总结与展望

尽管目前RA的发病机制尚不完全清楚，仍有许多科学问题丞待解决，但越来越多的证据表明HIF-1α与糖酵解参与了RA许多重要的病理生理过程，二者间的调控机制与RA的发病息息相关。HIF-1α可通过调控糖酵影响RA炎症机制，其中包括滑膜炎症、血管生成和软骨破坏，提示HIF-1α调控糖酵解过程可能是RA潜在的治疗靶点。滑膜缺氧可改变代谢环境，通过直接和间接作用于RA的某些致病过程，HIF-1α是其中一基本因素。因此，阐明RA关节内HIF-1α的表达将有助于更好地了解其激活以及调控糖酵解促进RA炎症进展的机制。缺氧并不是RA的一个显著特征，它可以在各种疾病中发现，尤其是在炎症性自身免疫性疾病中。然而，HIF-1α在自身免疫性疾病发病机制或疾病发展中的确切功能仍不清楚，HIF-1α是否在疾病的不同阶段发挥不同的作用仍需进一步证明。随着代谢重编程与缺氧环境对疾病影响的机制研究不断深入，在未来的研究中将以二者为突破口，与HIF-1α调控糖酵解途径中关键酶紧密结合，研发治疗RA或其他自身免疫性疾病的新疗法，提高相关疾病的的治愈率。