缺氧诱导因子-1α与阻塞性睡眠呼吸暂停相关高血压的研究进展
2023-09-02黎宁,吴峰,胡涛
黎 宁, 吴 峰, 胡 涛
(1. 大连医科大学研究生院, 辽宁 大连, 116044;2. 扬州大学附属医院 呼吸与危重症医学科, 江苏 扬州, 225000)
阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)的特征是反复发生完全性(呼吸暂停)和部分性(低通气)上气道阻塞事件,特征性表现是睡眠期间的间歇性低氧(IH)。国外研究[1]表明,睡眠呼吸障碍的患病率急剧上升,约50%的男性和24%的女性受到中度或重度睡眠呼吸障碍的影响。在一项调查样本量为97 746例,其中OSA患者10 853例的研究[2]中,中国OSA的患病率为11%, 无显著性别差异,在60~74岁人群中高发。而在高血压、心力衰竭、冠状动脉疾病、肺动脉高压、房颤和中风患者中OSA患病率为40%~80%[3]。OSA已明确为难治性高血压的常见病因[4]。GABRYELSKA A等[5]研究发现OSA患者缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)水平升高,提出HIF-1α是诊断OSA的生物标志物。PRABHAKAR N R等[6]分析了HIF与OSA相关高血压、糖尿病以及认知功能障碍之间的关系,提出HIF可作为OSA的新治疗靶点。在动物实验[7]中,将大鼠暴露于慢性间歇性缺氧环境诱导OSA相关高血压状态,结果发现大鼠HIF-1α过表达。本研究从化学反射、压力反射和血管内皮功能障碍共3个方面综述HIF-1α与OSA相关高血压的关系; 目前昼夜节律改变与心血管系统多种疾病相关,是OSA相关心血管疾病的新研究方向,因此进一步从HIF-1α与昼夜节律方面分析HIF-1α与OSA相关高血压的关系。
1 HIF-1α概述
HIF-1转录因子是一种异二聚体,由α-亚单位(包括HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α亚型)和HIF-β亚单位组成[8]。在常氧条件下, HIF-α受到脯氨酸羟化酶(PHDs)和天冬酰胺酰羟化酶(FIH-1)的羟基化调节,分别负责HIF的稳定性和转录活性[9]。在低氧条件下, HIF-α亚基没有羟基化,稳定和激活的HIF-α亚基与HIF-1β异二聚,再结合低氧结合位点(HREs), 激活基因转录[10]。IH增加HIF-1α蛋白表达,降低HIF-2α蛋白表达,慢性间歇性缺氧大鼠表现出HIF-1α的增加, HIF-2α的下降以及NADPH氧化酶2 (NOX2)的表达增加,超氧化物歧化酶2(SOD2)表达降低[11]。而研究发现, HIF-α亚型失调会导致ROS的生成增加,从而影响血压化学反射、压力反射调节,氧化应激使血管内皮功能受损,引起OSA相关高血压。
2 HIF-α亚型失调导致ROS产生增加
IH会使ROS的产生增加,且与OSA相关高血压有关。在心血管系统中, ROS的主要来源为非吞噬性NADPH氧化酶家族(NOXs), 包括NOX1、NOX2、NOX3和NOX4[12]。在高血压研究模型[13]中,明确了NOX来源的ROS与血压升高有关。YUAN G X等[14]研究发现, IH会增加PC12细胞以及野生型小鼠胚胎成纤维细胞中的NOX2mRNA及其蛋白表达和酶活性,通过RNA干扰或药理学抑制阻断HIF-1α活性,或通过基因敲除成纤维细胞中的HIF-1α, 可以消除或减弱这种效应。用铁螯合剂(去铁胺)处理PC12细胞,增加HIF-1α的表达,会以类似于IH的方式增加NOX2mRNA及其蛋白表达和酶活性,说明IH通过HIF-1α介导NOX2表达的增加。而NANDURI J等[15]研究发现IH 通过钙蛋白酶降解HIF-2α导致SOD2的下调,导致氧化应激; 而HIF-2α的过度表达可防止IH诱发SOD2mRNA的减少,从而阻止ROS的增加; 以及用钙蛋白酶抑制剂治疗暴露于IH的大鼠,可阻断HIF-2α降解,恢复SOD2酶活性,使ROS水平正常化,并阻断高血压的发展。以上表明HIF-α亚型失调引起化学反射中ROS的升高。ROS的产生增加会影响血管功能,醛固酮、盐皮质激素的作用以及免疫炎症,这些都会影响血压升高[16]。GRIENDLING K K等[17]从ROS的来源分析了氧化应激在高血压发展中的作用,并且分别从氧化应激对心血管、肾脏、神经、免疫系统各方面的影响讲述了高血压相关器官损伤也是氧化应激的结果。
2.1 ROS氧化失活HO-2使H2S的产生增加激活化学反射
OSA相关性高血压与化学感受器敏感性升高及慢波睡眠减少有关[18]。颈动脉体中I型细胞(也称球细胞)是氧感应的位点,分别表达血红素加氧酶-2(HO-2)和胱硫醚-r-裂解酶(CSE), 这2种酶分别催化一氧化碳(CO)和硫化氢(H2S)的产生[19-20]。CB对缺氧的感知需要CO和H2S之间依赖于O2的相互作用。CO通过刺激蛋白激酶G(PKG)依赖性磷酸化CSE的丝氨酸377来抑制H2S合成[21]。
而H2S具有兴奋性,通过缺氧介导感觉刺激。缺氧时, CB中HIF活性失调产生的ROS导致HO-2的氧化和抑制,由此产生的CO水平降低导致H2S产生增加,触发球细胞去极化[22]。通过药物或遗传学方法阻断CSE对H2S合成,可抑制IH引起的颈动脉体活化和高血压[23]。以上说明, ROS通过氧化失活HO-2使颈动脉体中CSE依赖性H2S的产生增加,介导了IH诱导的颈动脉体过度活动和高血压。
2.2 ROS激活内皮素转换酶产生ET-1减弱压力反射
LOMBARDI C[24]发现OSA使压力反射和心率变异性受损导致自主神经功能障碍。颈动脉窦区是颈动脉压力感受器的主要部位, IH增加颈动脉窦区的ROS水平[25]。研究发现, ROS在触发和维持血管收缩和心脏收缩中发挥重要作用,是血管活性因子如血管紧张素Ⅱ、内皮素-1 (ET-1)、醛固酮和前列腺素介导细胞作用的关键信号分子。KOSACKA M等[26]发现在OSA患者中血清ET-1水平升高,在IH处理大鼠颈动脉窦区也发现ET-1水平升高,而ET-1水平的增加是由于ROS激活内皮素转换酶产生生物活性ET-1。ZHANG D等[27]发现ROS在冷诱导的血管反应中介导血管收缩反应,血管组织中的ROS通过ROS/RhoA/ROCK1和ROS/PKC/ET-1通路参与血管收缩。过度表达ET-1的小鼠会出现高血压,且NOX1和N0X2的表达增加[28]。ET-1还可通过环氧氧酶产物激活血管血栓素前列腺受体,以增加血管收缩和NOX产生的ROS,减少SOD2代谢ROS[29]。而抗氧化治疗可以阻断ET-1水平,逆转减弱的颈动脉压力感受器活动,并恢复大鼠的压力反射功能[25]。
2.3 ROS引起内皮功能障碍
研究[30]发现,在没有显著心血管疾病的成年人中,重度的OSA患者与血管内皮功能障碍的风险增加独立相关,后者可能导致晚期心血管事件发生。HE J等[31]研究发现,内皮祖细胞线粒体ROS增加导致高血压患者内皮修复能力受损,线粒体氧化应激诱导的内皮功能障碍是由于Sirtuin3 (SIRT3)介导的SOD2信号的减少, SOD2可与一氧化氮结合,形成有害产物过氧亚硝酸盐,对脂质和蛋白质有破坏作用,导致内皮损伤。而在高血压动物中,基因缺失的NOX、ROS清除物或抗氧化剂可抑制血管重构、减少炎症并使内皮功能正常化,血压升高也随之减弱[32]。
3 OSA引起时钟基因失调导致昼夜节律紊乱
OSA使时钟基因表达失调,导致昼夜节律紊乱。研究发现,昼夜节律改变与心血管系统多种疾病相关。CANALES M T等[33]研究发现睡眠呼吸暂停及夜间低氧血症与Clock基因表达可能相互关联,在重度OSA患者中,有8个昼夜节律时钟基因(Per1除外)的表达显著下调,提出时钟基因是重度OSA的潜在预测因子[34], 在患有原发性醛固酮增多症的OSA患者中发现严重缺氧时Cry1浓度降低[35]。而研究发现 OSA患者有发生昼夜节律紊乱的风险,此过程可能由HIF-1α介导[36], HIF-1α可与时钟基因互相作用导致病理生理学改变。
3.1 HIF-1α与时钟基因结合
昼夜节律由下丘脑视交叉上核的时钟基因控制。核心时钟转录调控因子(Bmal1、Clock和Per1-3)属于bHLH-PAS结构域转录因子超家族,还包括同源的氧敏感转录因子HIF-1/2α和ARNT1(又称HIF-1β/EPAS1)[37]。EDWARDS H E等[38]讲述了bHLH-PAS蛋白的一般结构和功能, bHLH-PAS家族成员由Ⅰ类和Ⅱ类亚家族成员组成,以Ⅰ/Ⅱ类对相互异二聚,例如Clock (Ⅰ类)异聚体与Bmal1 (Ⅱ类)及HIF1/2α (Ⅰ类)二聚体与ARNT1 (HIF-1β) (Ⅱ类)。HIF-1α和Bmal1能够直接相互结合[39], 并能形成异二聚体,通过Bmal1-HIF-1α回路可调节线粒体的代谢和巨噬细胞的激活[40]。HIF-1α能够与一些昼夜节律基因的E-box结合。在一项口腔鳞状细胞癌研究[41]中发现, ChIP-seq和双荧光素酶报告基因分析证明HIF-1α与Per1的E-box结合导致Per1转录的反馈抑制。在成肌细胞和U20S细胞中,予以HIF -1α激活性药物,可延长Per2和Bmal1的周期并降低振幅,表明HIF-1α与E-box结合导致昼夜节律中断[42-43]。HIF-1α基因启动子区包含一个E-box序列,在U20S细胞中使用ChIP-seq可以观察到Bmal1/Clock与HIF-1α启动子区直接结合[43]。此外,缺氧时酸中毒也会改变时钟基因。研究[44]发现, HIF驱动的代谢变化和酸化参与了紊乱,缺氧诱导的酸化通过抑制关键翻译调控因子mTORC1来抑制蛋白质的翻译, mTORC1因此影响昼夜节律的转录-翻译循环,改变昼夜节律。
3.2 时钟基因对血压的影响
昼夜节律是心血管生理和病理的重要调节因素,时钟基因在心血管细胞和器官中,参与调节各种生理功能,如内皮功能、血压和心率,以及急性心肌梗死和心律失常的发作[45]。
Bmal1缺失可通过与转录激活蛋白6相互作用加剧小鼠高血压血管重构[46]。在肾脏远端Bmal1对血压的调节研究[47]中发现, Bmal1敲除雄性小鼠的基础收缩压明显降低,而雌性小鼠基础收缩压没有表现出基因型差异,表明肾脏远端Bmal1以性别特异性方式参与血压调节。CHANG L等[48]及GOLLASCH M等[49]研究了血管周围脂肪组织时钟基因在血压调节中的作用,发现Bmal1调节血管紧张素原的转录,导致血管紧张素Ⅱ的增加,调节血管张力和血压节律。与Bmal1的基因缺失相反, Cry基因(Cry1/Cry2)的缺失导致盐敏感性高血压的发展[50]。除了Bmal1和Cry, Per也参与血压调控,Per1的缺失也会导致盐敏性高血压的进展[51]。ALLI A等[52]在研究抑制Per1对上皮钠通道和血压的影响中,发现减少Per1表达与上皮钠通道活性降低有关。
使用肾脏特异性钙粘蛋白Cre敲除Per1会导致肾脏钠重吸收增加、醛固酮水平增加,以及肾脏和肾上腺基因表达的变化[53]。COSTELLO H M等[54]讲述了肝脏、肾脏、肾上腺和平滑肌、血管周围脂肪组织中的时钟基因与血压节律的调节有关,提出血压昼夜节律失调导致心肾不良预后和心血管死亡风险增加。目前,调节昼夜节律被认为是一种潜在的心血管疾病治疗策略。
4 总结与展望
目前,随着生活水平提高,肥胖患者逐渐增加, OSA患病率上升,上述分析了HIF-1α与OSA相关高血压的机制, IH的动物实验已经表明, IH使HIF-α亚型表达失衡, ROS信号激活。然而, HIF-α亚型失衡是否发生在OSA患者中仍有待确定。另一方面, OSA患者的血压昼夜变化及时钟基因与HIF-1α的临床研究较少,需进一步分析OSA患者HIF-1α与时钟基因、睡眠监测相关指标及血压昼夜变化的关系。目前,由于CPAP治疗OSA合并症的效果适度,且多数患者CPAP治疗依从性较差,因此提出HIF-1α相关抑制剂的研究, LIU M X等[55]研究提出HIF-1是低氧相关心血管疾病的治疗新靶点。在一项缺血再灌注研究[56]中提出, BNIP3作为HIF-1α的下游调节子,其过表达可逆转HIF-1α基因,敲除对缺氧/复氧诱导的细胞凋亡和ROS作用。钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂,作用于HIF,特别是HIF-1α和HIF-2α, 可减轻肾脏的缺氧和细胞应激[57]。在动物实验[7]中,发现miR-199a-5p可能通过靶向HIF-1α缓解OSA相关高血压。因此提出HIF-1α抑制性靶点或可用于预防或治疗OSA相关高血压,并且应进一步研究HIF-1α与OSA合并症的关系, HIF-1α可能成为预防OSA合并症的新靶点。