引用本文: 郭慶敏, 孟旭霞, 胡迭, 周賢慧, 余川. 缺氧誘導因子-2α在增生型糖尿病視網膜病變新生血管形成中的作用. 中華眼底病雜志, 2020, 36(2): 110-115. doi: 10.3760/cma.j.issn.1005-1015.2020.02.005 復制
缺氧誘導因子(HIF)是由氧敏感的α亞基和結構性穩定表達的β亞基組成的異源二聚體,主要有HIF-1、HIF-2、HIF-3三種亞型,其中參與調節細胞適應性缺氧的是HIF-1和HIF-2。生理情況下,當機體組織或細胞處于低氧環境時,HIF-1α、HIF-2α表達相應增加,介導細胞對缺氧的適應性反應,從而維持機體的內環境穩定[1-2]。既往研究發現,HIF-1α在增生型糖尿病視網膜病變(PDR)患者玻璃體及纖維血管膜中的表達顯著增加[3-4],并參與調控PDR新生血管的發生及發展過程[5-6]。然而,HIF-2α是否參與PDR新生血管的發生尚不清楚。因此,我們檢測了一組PDR患眼纖維血管膜病理標本中HIF-2α、Delta樣配體4(Dll4)、VEGF的表達,初步探討HIF-2α在PDR新生血管形成中的作用。現將結果報道如下。
1 對象和方法
回顧性臨床研究。本研究經青島大學附屬醫院倫理審查委員會審核(批準號:QYFYWZLL25645);所有患者或其家屬均獲知情并簽署書面知情同意書。
2014年7月至2015年7月于青島大學附屬醫院眼科行玻璃體切割手術(PPV)的PDR患者57例60只眼納入研究。其中,男性32例34只眼,女性25例26只眼。年齡36~73歲,平均年齡(54.93±6.42)歲。糖尿病病程8~20年,平均糖尿病病程(15.72±3.51)年。患者均符合2型糖尿病診斷標準[7]及PDR診斷標準[8]。排除肺部疾病、嚴重肝腎功能不全、心腦血管病變、惡性腫瘤及自身免疫性疾病者。
根據PPV前是否行玻璃體腔注射抗VEGF藥物治療將患者分為PDR未注藥組和PDR注藥組,分別為30例32只眼、27例28只眼。PDR注藥組患眼于PPV前2~7 d玻璃體腔注射10 mg/ml雷珠單抗0.05 ml(含雷珠單抗0.5 mg)治療。選取同期特發性黃斑前膜患者18例18只眼作為對照組。其中,男性5例5只眼,女性13例13只眼,均無糖尿病及糖尿病家族史;無全身感染、急性炎癥反應及缺血缺氧性疾病史以及全身系統性疾病。
所有患眼均行經睫狀體平坦部標準23G PPV。手術中應用視網膜剪和鑷獲得PDR纖維血管膜病理標本及黃斑前膜病理標本。采用隨機數字表法隨機分配標本。其中,30只眼病理標本4%多聚甲醛溶液固定,常規酒精脫水,二甲苯透明,浸蠟包埋,3 μm連續切片,行蛋白表達檢測;48只眼病理標本置于已消毒的離心管中,-80 ℃超低溫冰箱凍存,用于基因表達檢測。行蛋白表達檢測的30只眼病理標本中,PDR未注藥組、PDR注藥組、對照組分別為10、12、8只眼;行基因檢測的48只眼病理標本中,PDR未注藥組、PDR注藥組、對照組分別為22、16、10只眼。3組患者性別構成比、年齡、糖尿病病程、PDR病程、體重指數(BMI)比較,差異均無統計學意義(P>0.05)(表1,2)。


采用免疫組織化學染色法檢測各組病理標本中HIF-2α、Dll4、VEGF蛋白表達。每個病理標本選取截面最大處連續切片15張,各選取5張按照免疫組織化學試劑盒說明要求行HIF-2α、Dll4、VEGF蛋白的免疫組織化學染色,DAB顯色3 min,PBS代替一抗作為陰性對照。結果以細胞漿內出現黃色、棕黃色或棕褐色顆粒為弱陽性、陽性、強陽性。采用Image Pro Plus 6.0軟件計算每張切片相應蛋白免疫組織化學染色陽性部分的平均吸光度[A,舊稱光密度(OD)]值,最后統計各組病理標本中各種蛋白的平均值,代表相應蛋白的表達量。
采用熒光定量PCR(RT-PCR)檢測各組病理標本中HIF-2α、Dll4、VEGF的mRNA表達。每50~100 mg纖維血管膜或黃斑前膜加入1 ml RNAiso plus進行裂解;提取總RNA,紫外分光光度計檢測其濃度和純度,A260/A280在1.7~2.1的樣本用于實驗。逆轉錄成cDNA,以GAPDH作為內參基因,采用雙鏈嵌合熒光染色法擴增相應基因。引物序列:HIF-2α:正向引物 5’- TCATGCGACTGGCAATCAGC-3’,反向引物5’- GTCACCACGG CAATGAAACC-3’;Dll4:正向引物5’-CCCTGGCAATGTACTTGTGAT-3’,反向引物5’-TGGTGGGTGCAGTAGTTGAG-3;VEGF:正向引物5’- ATCGAGACCCTGGTGGACA-3’,反向引物5’- CCGCCTCGGCTTGTCACA-3’;GAPDH:正向引物5’-CACGATGGAGGG GCCGGACTCATC-3’,反向引物5’- TAAAGACCTCTATGCCAACACAGT -3’。退火溫度60 ℃,40個循環后形成擴增曲線,記錄Ct值,結果采用2-ΔΔCt公式進行分析。
采用SPSS19.0軟件行統計學分析。所得數據經Kolmogoror-Smimor檢驗證實呈正態分布,以均數±標準差()表示。多組間相關因子表達差異比較采用Kruskal-Wallis檢驗。兩變量間關系采用Spearman相關性分析。校驗水準α=0.05。P<0.05為差異有統計學意義。
2 結果
免疫組織化學染色結果顯示,PDR未注藥組、PDR注藥組患眼纖維血管膜中HIF-2α、Dll4、VEGF蛋白表達均呈陽性,且主要表達在新生血管內皮組織(圖1)。PDR未注藥組、PDR注藥組患眼纖維血管膜中HIF-2α、Dll4、VEGF蛋白表達量比較,差異均有統計學意義(t=4.36、6.01、4.82,P=0.000、0.008、0.016)(圖2)。


RT-PCR檢測結果顯示,PDR未注藥組、PDR注藥組、對照組患眼纖維血管膜、黃斑前膜中HIF-2α、Dll4、VEGF mRNA相對表達量比較,差異均有統計學意義(H=18.81、19.60、20.50,P=0.000、0.000、0.000)(圖3)。其中,PDR未注藥組患眼纖維血管膜中HIF-2α、Dll4、VEGF mRNA相對表達量最高,對照組患眼黃斑前膜中相對表達量最低。對照組與PDR注藥組、PDR注藥組與PDR未注藥組、對照組與PDR未注藥組患眼病理標本中HIF-2α、Dll4、VEGF mRNA相對表達量比較,差異均有統計學意義(P<0.05)。

Spearman相關分析結果顯示,HIF-2α與Dll4、VEGF mRNA的表達均呈正相關(r=0.95、0.87,P<0.05)(圖4)。

3 討論
HIF作為主要調節細胞適應缺氧環境的轉錄因子,主要有HIF-1、HIF-2、HIF-3三種亞型。其中,HIF-1α與HIF-2α含有48%的同源氨基酸序列,然而兩者的差異正被越來越廣泛而深入地認知。研究發現,HIF-1α與HIF-2α調控病理性血管生成的機制存在差異[9]。在急性缺氧環境中,HIF-1α被激活且穩定表達,而隨著缺氧時間延長,HIF-1α的表達逐漸降低直至消失,而HIF-2α的含量持續增加,誘導新生血管形成,且激活和上調VEGF的表達[10-11]。HIF-2α在缺氧環境中和持續性低氧條件下對血管新生發揮關鍵作用[12]。
PDR是以缺氧導致視網膜前新生血管形成為最主要病理改變的眼底病變。由于視網膜微血管細胞受到損害,導致局部微血管閉塞及無灌注區形成,繼而引起組織缺血、缺氧,并最終引發新生血管生成。研究發現,HIF-2α主要在視網膜Müller細胞神經角質層對視網膜新生血管性疾病發揮直接調節作用,而通過調節星形細胞前體中HIF-2α的濃度則可控制視網膜新生血管的分化[13-14]。HIF-2α在缺氧環境中對新生血管的增生、遷移、成熟及代謝等均發揮重要調節作用[15]。本研究結果顯示,PDR未注藥組、PDR注藥組纖維血管膜中HIF-2α的表達量顯著高于對照組;PDR注藥組纖維血管膜中HIF-2α的表達量低于未注藥組。我們分析其原因,對照組黃斑前膜組織并未有缺氧環境的形成,而機體在常氧狀態下,HIF會不斷表達和降解,維持在較低水平[16];而在PDR注藥組,由于玻璃體腔注射抗VEGF藥物,導致部分視網膜新生血管衰退萎縮,眼底缺氧環境得到改善,HIF-2α的表達亦相應減少。另外,本研究還發現Dll4表達與HIF-2α呈顯著正相關,且在PDR未注藥組病理標本中表達顯著高于PDR注藥組及對照組。缺氧被認為是Notch信號通路的始動環節[17]。相關研究結果顯示,HIF-2α可通過特異性上調Notch配體Dll4而促進血管功能成熟,當特異性敲除HIF-2α基因后,Dll4的表達明顯被抑制,導致大量無功能血管生成[18]。本研究結果與上述理論相吻合。
VEGF-VEGF受體信號被認為是調控血管發育的最主要信號,VEGF是刺激血管新生的主要細胞因子之一,是HIF最主要的靶基因。越來越多的研究發現,相對于HIF-1α,HIF-2α更易于與VEGF的啟動子結合,調控VEGF mRNA的表達,而當特異性敲除HIF-2α后,VEGF濃度隨之降低[19]。Wei等[20]在神經母細胞瘤研究中發現,VEGF mRNA的表達緊隨HIF-2A(編碼HIF-2α)基因表達,進一步說明VEGF的表達主要由HIF-2α調控。本研究結果顯示,VEGF與HIF-2α的表達呈顯著正相關,且PDR未注藥組、PDR注藥組患眼纖維血管膜中VEGF表達量較對照組顯著升高。其原因可能與對照組黃斑前膜組織并未有新生血管的出芽和形成有關,因此亦未有VEGF信號通路的過度激活。PDR未注藥組患眼纖維血管膜中VEGF表達量較PDR注藥組升高。其原因,一方面緣于玻璃體腔注射抗VEGF藥物治療;另一方面眼底新生血管減少,缺氧環境得到改善,HIF-2α的表達降低,對VEGF表達的調控作用亦隨之減弱。此外,免疫組織化學染色顯示,HIF-2α主要表達于新生血管內皮組織,與Dll4、VEGF的表達部位大體一致,進一步說明HIF-2α可能與Dll4及VEGF發揮協同作用,促進新生血管的發育和成熟。
本研究結果顯示,HIF-2α可通過對Notch信號通路及VEGF信號通路相關因子的調控,在PDR新生血管的發生中發揮一定作用。PDR致盲率高,預后差,發病機制復雜,探討HIF-2α在PDR發病過程中的表達,有助于為PDR的臨床防治提供新的思路和靶點。
缺氧誘導因子(HIF)是由氧敏感的α亞基和結構性穩定表達的β亞基組成的異源二聚體,主要有HIF-1、HIF-2、HIF-3三種亞型,其中參與調節細胞適應性缺氧的是HIF-1和HIF-2。生理情況下,當機體組織或細胞處于低氧環境時,HIF-1α、HIF-2α表達相應增加,介導細胞對缺氧的適應性反應,從而維持機體的內環境穩定[1-2]。既往研究發現,HIF-1α在增生型糖尿病視網膜病變(PDR)患者玻璃體及纖維血管膜中的表達顯著增加[3-4],并參與調控PDR新生血管的發生及發展過程[5-6]。然而,HIF-2α是否參與PDR新生血管的發生尚不清楚。因此,我們檢測了一組PDR患眼纖維血管膜病理標本中HIF-2α、Delta樣配體4(Dll4)、VEGF的表達,初步探討HIF-2α在PDR新生血管形成中的作用。現將結果報道如下。
1 對象和方法
回顧性臨床研究。本研究經青島大學附屬醫院倫理審查委員會審核(批準號:QYFYWZLL25645);所有患者或其家屬均獲知情并簽署書面知情同意書。
2014年7月至2015年7月于青島大學附屬醫院眼科行玻璃體切割手術(PPV)的PDR患者57例60只眼納入研究。其中,男性32例34只眼,女性25例26只眼。年齡36~73歲,平均年齡(54.93±6.42)歲。糖尿病病程8~20年,平均糖尿病病程(15.72±3.51)年。患者均符合2型糖尿病診斷標準[7]及PDR診斷標準[8]。排除肺部疾病、嚴重肝腎功能不全、心腦血管病變、惡性腫瘤及自身免疫性疾病者。
根據PPV前是否行玻璃體腔注射抗VEGF藥物治療將患者分為PDR未注藥組和PDR注藥組,分別為30例32只眼、27例28只眼。PDR注藥組患眼于PPV前2~7 d玻璃體腔注射10 mg/ml雷珠單抗0.05 ml(含雷珠單抗0.5 mg)治療。選取同期特發性黃斑前膜患者18例18只眼作為對照組。其中,男性5例5只眼,女性13例13只眼,均無糖尿病及糖尿病家族史;無全身感染、急性炎癥反應及缺血缺氧性疾病史以及全身系統性疾病。
所有患眼均行經睫狀體平坦部標準23G PPV。手術中應用視網膜剪和鑷獲得PDR纖維血管膜病理標本及黃斑前膜病理標本。采用隨機數字表法隨機分配標本。其中,30只眼病理標本4%多聚甲醛溶液固定,常規酒精脫水,二甲苯透明,浸蠟包埋,3 μm連續切片,行蛋白表達檢測;48只眼病理標本置于已消毒的離心管中,-80 ℃超低溫冰箱凍存,用于基因表達檢測。行蛋白表達檢測的30只眼病理標本中,PDR未注藥組、PDR注藥組、對照組分別為10、12、8只眼;行基因檢測的48只眼病理標本中,PDR未注藥組、PDR注藥組、對照組分別為22、16、10只眼。3組患者性別構成比、年齡、糖尿病病程、PDR病程、體重指數(BMI)比較,差異均無統計學意義(P>0.05)(表1,2)。


采用免疫組織化學染色法檢測各組病理標本中HIF-2α、Dll4、VEGF蛋白表達。每個病理標本選取截面最大處連續切片15張,各選取5張按照免疫組織化學試劑盒說明要求行HIF-2α、Dll4、VEGF蛋白的免疫組織化學染色,DAB顯色3 min,PBS代替一抗作為陰性對照。結果以細胞漿內出現黃色、棕黃色或棕褐色顆粒為弱陽性、陽性、強陽性。采用Image Pro Plus 6.0軟件計算每張切片相應蛋白免疫組織化學染色陽性部分的平均吸光度[A,舊稱光密度(OD)]值,最后統計各組病理標本中各種蛋白的平均值,代表相應蛋白的表達量。
采用熒光定量PCR(RT-PCR)檢測各組病理標本中HIF-2α、Dll4、VEGF的mRNA表達。每50~100 mg纖維血管膜或黃斑前膜加入1 ml RNAiso plus進行裂解;提取總RNA,紫外分光光度計檢測其濃度和純度,A260/A280在1.7~2.1的樣本用于實驗。逆轉錄成cDNA,以GAPDH作為內參基因,采用雙鏈嵌合熒光染色法擴增相應基因。引物序列:HIF-2α:正向引物 5’- TCATGCGACTGGCAATCAGC-3’,反向引物5’- GTCACCACGG CAATGAAACC-3’;Dll4:正向引物5’-CCCTGGCAATGTACTTGTGAT-3’,反向引物5’-TGGTGGGTGCAGTAGTTGAG-3;VEGF:正向引物5’- ATCGAGACCCTGGTGGACA-3’,反向引物5’- CCGCCTCGGCTTGTCACA-3’;GAPDH:正向引物5’-CACGATGGAGGG GCCGGACTCATC-3’,反向引物5’- TAAAGACCTCTATGCCAACACAGT -3’。退火溫度60 ℃,40個循環后形成擴增曲線,記錄Ct值,結果采用2-ΔΔCt公式進行分析。
采用SPSS19.0軟件行統計學分析。所得數據經Kolmogoror-Smimor檢驗證實呈正態分布,以均數±標準差()表示。多組間相關因子表達差異比較采用Kruskal-Wallis檢驗。兩變量間關系采用Spearman相關性分析。校驗水準α=0.05。P<0.05為差異有統計學意義。
2 結果
免疫組織化學染色結果顯示,PDR未注藥組、PDR注藥組患眼纖維血管膜中HIF-2α、Dll4、VEGF蛋白表達均呈陽性,且主要表達在新生血管內皮組織(圖1)。PDR未注藥組、PDR注藥組患眼纖維血管膜中HIF-2α、Dll4、VEGF蛋白表達量比較,差異均有統計學意義(t=4.36、6.01、4.82,P=0.000、0.008、0.016)(圖2)。


RT-PCR檢測結果顯示,PDR未注藥組、PDR注藥組、對照組患眼纖維血管膜、黃斑前膜中HIF-2α、Dll4、VEGF mRNA相對表達量比較,差異均有統計學意義(H=18.81、19.60、20.50,P=0.000、0.000、0.000)(圖3)。其中,PDR未注藥組患眼纖維血管膜中HIF-2α、Dll4、VEGF mRNA相對表達量最高,對照組患眼黃斑前膜中相對表達量最低。對照組與PDR注藥組、PDR注藥組與PDR未注藥組、對照組與PDR未注藥組患眼病理標本中HIF-2α、Dll4、VEGF mRNA相對表達量比較,差異均有統計學意義(P<0.05)。

Spearman相關分析結果顯示,HIF-2α與Dll4、VEGF mRNA的表達均呈正相關(r=0.95、0.87,P<0.05)(圖4)。

3 討論
HIF作為主要調節細胞適應缺氧環境的轉錄因子,主要有HIF-1、HIF-2、HIF-3三種亞型。其中,HIF-1α與HIF-2α含有48%的同源氨基酸序列,然而兩者的差異正被越來越廣泛而深入地認知。研究發現,HIF-1α與HIF-2α調控病理性血管生成的機制存在差異[9]。在急性缺氧環境中,HIF-1α被激活且穩定表達,而隨著缺氧時間延長,HIF-1α的表達逐漸降低直至消失,而HIF-2α的含量持續增加,誘導新生血管形成,且激活和上調VEGF的表達[10-11]。HIF-2α在缺氧環境中和持續性低氧條件下對血管新生發揮關鍵作用[12]。
PDR是以缺氧導致視網膜前新生血管形成為最主要病理改變的眼底病變。由于視網膜微血管細胞受到損害,導致局部微血管閉塞及無灌注區形成,繼而引起組織缺血、缺氧,并最終引發新生血管生成。研究發現,HIF-2α主要在視網膜Müller細胞神經角質層對視網膜新生血管性疾病發揮直接調節作用,而通過調節星形細胞前體中HIF-2α的濃度則可控制視網膜新生血管的分化[13-14]。HIF-2α在缺氧環境中對新生血管的增生、遷移、成熟及代謝等均發揮重要調節作用[15]。本研究結果顯示,PDR未注藥組、PDR注藥組纖維血管膜中HIF-2α的表達量顯著高于對照組;PDR注藥組纖維血管膜中HIF-2α的表達量低于未注藥組。我們分析其原因,對照組黃斑前膜組織并未有缺氧環境的形成,而機體在常氧狀態下,HIF會不斷表達和降解,維持在較低水平[16];而在PDR注藥組,由于玻璃體腔注射抗VEGF藥物,導致部分視網膜新生血管衰退萎縮,眼底缺氧環境得到改善,HIF-2α的表達亦相應減少。另外,本研究還發現Dll4表達與HIF-2α呈顯著正相關,且在PDR未注藥組病理標本中表達顯著高于PDR注藥組及對照組。缺氧被認為是Notch信號通路的始動環節[17]。相關研究結果顯示,HIF-2α可通過特異性上調Notch配體Dll4而促進血管功能成熟,當特異性敲除HIF-2α基因后,Dll4的表達明顯被抑制,導致大量無功能血管生成[18]。本研究結果與上述理論相吻合。
VEGF-VEGF受體信號被認為是調控血管發育的最主要信號,VEGF是刺激血管新生的主要細胞因子之一,是HIF最主要的靶基因。越來越多的研究發現,相對于HIF-1α,HIF-2α更易于與VEGF的啟動子結合,調控VEGF mRNA的表達,而當特異性敲除HIF-2α后,VEGF濃度隨之降低[19]。Wei等[20]在神經母細胞瘤研究中發現,VEGF mRNA的表達緊隨HIF-2A(編碼HIF-2α)基因表達,進一步說明VEGF的表達主要由HIF-2α調控。本研究結果顯示,VEGF與HIF-2α的表達呈顯著正相關,且PDR未注藥組、PDR注藥組患眼纖維血管膜中VEGF表達量較對照組顯著升高。其原因可能與對照組黃斑前膜組織并未有新生血管的出芽和形成有關,因此亦未有VEGF信號通路的過度激活。PDR未注藥組患眼纖維血管膜中VEGF表達量較PDR注藥組升高。其原因,一方面緣于玻璃體腔注射抗VEGF藥物治療;另一方面眼底新生血管減少,缺氧環境得到改善,HIF-2α的表達降低,對VEGF表達的調控作用亦隨之減弱。此外,免疫組織化學染色顯示,HIF-2α主要表達于新生血管內皮組織,與Dll4、VEGF的表達部位大體一致,進一步說明HIF-2α可能與Dll4及VEGF發揮協同作用,促進新生血管的發育和成熟。
本研究結果顯示,HIF-2α可通過對Notch信號通路及VEGF信號通路相關因子的調控,在PDR新生血管的發生中發揮一定作用。PDR致盲率高,預后差,發病機制復雜,探討HIF-2α在PDR發病過程中的表達,有助于為PDR的臨床防治提供新的思路和靶點。