引用本文： 黃賽, 王瑞蘭, 陸倫根. 缺氧誘導因子1α在急性肺損傷中的作用. 中國呼吸與危重監護雜志, 2015, 14(1): 114-116. doi: 10.7507/1671-6205.2015030 復制
急性肺損傷(ALI)是機體在肺內或肺外(非心源性)的各種致病因素的作用下而發生的一類嚴重綜合征，具有較高的死亡率，并伴有并發癥。ALI的常見致病因素包括創傷、燒傷、膿毒癥、手術等。臨床上，ALI常表現為進行性低氧血癥和呼吸窘迫，根據柏林定義，當動脈血氧分壓/吸入氧氣分數比值(PaO2/FiO2)介于201~300 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)為輕度急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)，101~200 mm Hg則為中度ARDS，PaO2/FiO2≤100 mm Hg為重度ARDS。ALI/ARDS在臨床上有著很高的致殘率及死亡率，Meta分析顯示輕、中、重度ARDS患者的死亡風險分別達到27%、32%和45%[1-2]。近幾年，ALI的治療取得了突破，但其具體發病機制尚不十分明確。缺氧誘導因子1α(HIF-1α)是ALI發病中的重要轉錄因子，參與了組織細胞的凋亡、增殖、免疫、血管生成等多個病理過程。對HIF-1α深入的了解有助于臨床上對于急性肺損傷的認識，也能為未來ALI的臨床治療提供新的思路。
一 HIF-1
HIF-1是1992年Semenza等[3]在研究缺氧誘導的促紅細胞生成素基因表達時發現的一種DNA結合蛋白，主要存在于缺氧的細胞核中，是人類最早發現的一類氧依賴轉錄激活因子。HIF-1廣泛存在于各種細胞內，維持機體的氧穩態，并參與調節機體的炎癥反應。HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β兩個亞基所構成的異源二聚體。HIF-1β是一類芳香烴受體和轉運蛋白，在細胞內的表達量以及活性不受氧濃度的影響。而HIF-1α是HIF-1的活性亞基，該亞基有一個特殊的氧依賴性降解域(ODD)[4]，在常氧狀態下可通過泛素-蛋白酶體途徑迅速降解，而在缺氧條件下則由于降解被抑制而表達增加，從而與HIF-1β形成二聚體。這些可以協助降解HIF-1α的蛋白酶體叫做脯氨羥化酶(prolyl-hydroxylases，PHDs)[5]。HIF-1α含有兩個轉錄激活域(TAD)，它們可與激活蛋白CREB結合蛋白(CBP)和P300蛋白相作用并進入細胞核內，調節缺氧下的一系列基因表達[6]。HIF-1形成二聚體獲得活性后，可以特異性識別EPO、血管內皮生長因子(VEGF)、酪氨酸羥化酶等靶基因的DNA結合位點，發揮特異性轉錄激活特性，激活靶基因轉錄，引起細胞對缺氧的反應。在血管形成與重塑、能量代謝、細胞凋亡和增殖及炎性免疫反應等過程中，這些靶基因的蛋白產物也發揮重要作用。
二 HIF-1α在ALI中的作用機制
HIF-1α是機體缺氧反應中關鍵的轉錄激活因子，它的下游靶基因多達100余種，包括VEGF、轉化生長因子(TGF)、成纖維細胞生長因子、促紅細胞生成素等，它參與了血管生成、細胞凋亡、炎癥反應等一系列重要的病理生理學過程[7]。ALI時，肺處于缺氧狀態，肺泡上皮細胞由于應激因素以及缺氧的損傷激活了機體的炎癥反應鏈，而炎癥反應的迅速失控使得巨噬細胞、炎癥細胞大量聚集，最終使得毛細血管通透性增加伴微血栓形成，肺泡膜損傷，肺泡滲出增多并形成肺水腫。如果不及時治療而進展到ALI的后期，肺泡細胞則會反應性增生并發生肺纖維化，進一步加劇低氧血癥以及呼吸窘迫的癥狀，發生ARDS[8]。
1．HIF-1α與細胞因子：ALI所致的機體炎癥反應需要一系列細胞因子的相互作用，而HIF-1α是炎癥反應過程中基因調控的重要因子。Hellwig-Burgel等[9]發現關節炎中的巨噬細胞內含有大量的HIF-1α，揭示HIF-1α參與了機體炎癥反應。之后Jung等[10]報道，在ALI患者的肺泡細胞中，最先出現的是核因子κB(NF-κB)的活性升高，NF-κB激活后能調控大量帶有NF-κB位點的基因產物的生成，如腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白細胞介素1β(IL-1β)、環氧合酶2(COX-2)等。TNF-α與IL-1β作用于肺泡細胞的損傷處，誘導中性粒細胞的遷移聚集，最終激活HIF-1[11]，啟動了下游的各個靶基因。細菌脂多糖(LPS)是內毒素的一類重要特異性抗原，是革蘭陰性桿菌外膜的主要成分，LPS的持續和大量釋放是促進ALI發生發展的重要因素[12]。研究證實LPS能結合于單核細胞/巨噬細胞表面的CD14受體，增加HIF-1α的mRNA含量和蛋白翻譯，從而加重組織損傷[13]。Sakamoto等[14]報道了HIF-1α在ALI中能夠調節表面活性物質(SP)的表達，從而降低肺泡表面張力并獲得免疫活性。Eckel等[15-16]發現ALI中HIF-1α可以作用于腺苷酸受體，如A1、A2A、A2B、A3AR等，從而加重肺部損傷；其中HIF-1α調節通路中的A2BAR能夠有效減輕ALI的嚴重程度，延長患者生存期。各個細胞因子、炎癥因子相互作用，啟動了聚集的炎癥級聯反應，最終造成了ALI。
2．HIF-1α與肺泡Ⅱ型上皮細胞(AT-Ⅱ細胞)：AT-Ⅱ細胞是肺泡上皮細胞的干細胞，ALI在早期即可以引起AT-Ⅱ細胞凋亡，繼而導致大量肺泡上皮細胞丟失，最終促進ARDS的發展。HIF-1α在ALI所致的病理生理現象中，不同的條件下具有不同的作用，它同時具有促進凋亡和抑制凋亡的雙重作用，Eckle等[17]報道，在ALI中HIF-1α可以增加氣管上皮細胞糖代謝從而增加肺部通氣功能，改善肺水腫以及呼吸窘迫。Krick等[18]發現，在缺氧條件下用HIF-1αcDNA刺激細胞后，細胞凋亡增加；而干擾RNA對HIF-1α抑制后，細胞的凋亡也被相應阻斷。
3．HIF-1α與肺纖維化：一些ALI/ARDS患者的肺部滲出液難以被機體自身吸收，從而在疾病的后期發展為纖維化，使得疾病預后不良。ALI所致的機體炎癥反應進一步激活成纖維細胞、成肌纖維細胞、各類細胞因子、集落刺激因子、纖維素之間的相互作用，導致肺纖維化。近年，人們意識到上皮間質細胞轉化(EMT)在ALI所引起的肺部纖維化中具有重要作用[19-20]。EMT是指一種完全分化的上皮細胞經歷細胞表型改變轉化成完全分化的間質細胞的過程，通常轉化為成纖維細胞和肌成纖維細胞。在成熟細胞中，損傷可以誘導上皮細胞向間質細胞表型的轉化，因此促成了很多器官的纖維化。Zhou等[21]在體外細胞學實驗中證實肺泡上皮細胞缺氧時能夠增加線粒體內活性氧(ROS)含量，而ROS能夠上調HIF-1α和轉移生長因子β1(TGF-β1)的表達，促進EMT的發生。
4．HIF-1α與肺血管通透性：ALI的一個重要病理生理特點是血管通透性增加，肺血管滲出增加可引起急性肺水腫。而HIF1-α對于ALI中肺血管通透性的調節作用目前仍不明確。體外研究表明，在肺部組織缺氧時，HIF-1α能夠通過減少組織細胞中的腺苷酸環化酶從而減少ALI中的肺血管滲出[22]。VEGF是HIF-1α的一類重要靶基因，能夠促進血管內皮細胞的自我修復，增加纖維細胞等細胞外基質的分泌，在ALI的組織修復中扮演著重要的作用。在肺部急性感染時，VEGF的含量增加，提示HIF-1可能通過增加VEGF的表達參與炎癥損傷肺部組織后修復過程[23-24]。Becker等[25]在大鼠的肺部缺氧模型中，發現缺氧所引起的HIF-1α能夠增加VEGF的表達，降低肺血管的通透性。A2BAR是HIF-1α在ALI中轉錄激活的一類受體，研究顯示A2BAR被激活后的信號通路能夠有效減輕肺部損傷[16]。因此，A2BAR的選擇性抗體也被認為是臨床治療ALI的一個潛在靶點。Kim等[26]報道了在ROS誘導的ALI模型中應用血管緊張素1(Ang1)的試驗。結果表明Ang1能夠通過增加VEGF的表達而減少血管滲漏，同時，Ang1能夠降低組織中IL-4、TNF-α、IL-1β、HIF-1α、NF-κB等各種炎癥因子，從而減輕肺組織的炎癥反應。
三 腸道缺血再灌注與ALI
腸道缺血再灌注損傷被認為是發生ALI、多器官功能障礙綜合征(MODS)的常見初始誘因。腸道缺血再灌注損壞了上皮細胞，破壞了腸道天然的屏障功能，腸源性內毒素血癥使得全身性感染更易波及到其他器官，其中肺被認為是最易受到感染的部位。Koury等[27]首先發現了細胞核中的HIF-1α表達在腸道缺血再灌注模型中迅速增高，間接證明了HIF-1α在腸道缺血中的作用。Feinman等[28]研究了HIF-1α基因敲除的大鼠在出血性休克模型中的表現，結果表明部分HIF-1α基因的缺陷可以減輕休克模型所引起的腸道損傷，降低小腸上皮細胞中TNF-α、IL-1β、NO的含量，減少肺部損傷等并發癥。Kannan等[29]發現在腸道缺血再灌注大鼠模型中，HIF-1α基因敲除能夠降低因腸道感染所致的通透性，減少腸道上皮細胞脂質過氧化，降低Caspase-3、IL-1βmRNA的表達，減輕腸道損傷；同時對大鼠肺部進行的檢測，發現在HIF-1α基因缺陷大鼠中，腸道損傷的減輕與肺損傷的改善相關，肺部IL-6和IL-10等細胞因子相對非基因缺陷大鼠也顯著減少。這些研究均提示HIF-1α在腸道缺血再灌注和腸道相關肺損傷中是重要的調節因子，也為治療靶點的選擇開拓了思路。
四 以HIF-1α為靶點治療ALI
ALI的臨床治療近幾年取得了很大的突破，其中針對HIF-1α信號通路上的靶向治療尤為受到關注。白藜蘆醇是一種具有植物抗毒素功能的合成中成藥，該抗毒素具有抑制氧化應激和炎癥的功能。Ma等[30]報道了白藜蘆醇的前體藥物乙酰化白藜蘆醇能夠減少ALI中肺組織的HIF-1α以及NF-κB含量，這一藥物也有望用于臨床上的ALI治療。LPS誘導的HIF-1α通路在ALI中扮演著重要作用，Xu等[13]研究發現丹參酮ⅡA能夠顯著減輕大鼠中LPS誘導的ALI，并減少HIF-1α因子的含量。在另一項研究中，研究者則報道了丙泊酚能夠有效抑制LPS-HIF信號通路，從而減輕ALI的嚴重程度[31]。HIF-1α在ALI中通過多種信號通路誘導機體的一系列病理生理反應，針對這些信號通路靶點的靶向治療有望為ALI的臨床診治帶來新的思路與方法。
五 總結
ALI的發病機制錯綜復雜，涉及炎癥反應失控、細胞凋亡與增殖、細胞損傷與修復等多個環節，這些環節互相聯系，而HIF-1α在其中起到了至關重要的核心作用。HIF-1α是組織缺氧過程中重要轉錄激活因子，調節著近100個下游基因。確切掌握HIF-1α在ALI中的作用，干預HIF-1α的表達有可能成為治療ALI新的靶點，研究作用于HIF-1α通路上的靶點基因的藥物將會是未來治療ALI的重中之重。
急性肺損傷(ALI)是機體在肺內或肺外(非心源性)的各種致病因素的作用下而發生的一類嚴重綜合征，具有較高的死亡率，并伴有并發癥。ALI的常見致病因素包括創傷、燒傷、膿毒癥、手術等。臨床上，ALI常表現為進行性低氧血癥和呼吸窘迫，根據柏林定義，當動脈血氧分壓/吸入氧氣分數比值(PaO2/FiO2)介于201~300 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)為輕度急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)，101~200 mm Hg則為中度ARDS，PaO2/FiO2≤100 mm Hg為重度ARDS。ALI/ARDS在臨床上有著很高的致殘率及死亡率，Meta分析顯示輕、中、重度ARDS患者的死亡風險分別達到27%、32%和45%[1-2]。近幾年，ALI的治療取得了突破，但其具體發病機制尚不十分明確。缺氧誘導因子1α(HIF-1α)是ALI發病中的重要轉錄因子，參與了組織細胞的凋亡、增殖、免疫、血管生成等多個病理過程。對HIF-1α深入的了解有助于臨床上對于急性肺損傷的認識，也能為未來ALI的臨床治療提供新的思路。
一 HIF-1
HIF-1是1992年Semenza等[3]在研究缺氧誘導的促紅細胞生成素基因表達時發現的一種DNA結合蛋白，主要存在于缺氧的細胞核中，是人類最早發現的一類氧依賴轉錄激活因子。HIF-1廣泛存在于各種細胞內，維持機體的氧穩態，并參與調節機體的炎癥反應。HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β兩個亞基所構成的異源二聚體。HIF-1β是一類芳香烴受體和轉運蛋白，在細胞內的表達量以及活性不受氧濃度的影響。而HIF-1α是HIF-1的活性亞基，該亞基有一個特殊的氧依賴性降解域(ODD)[4]，在常氧狀態下可通過泛素-蛋白酶體途徑迅速降解，而在缺氧條件下則由于降解被抑制而表達增加，從而與HIF-1β形成二聚體。這些可以協助降解HIF-1α的蛋白酶體叫做脯氨羥化酶(prolyl-hydroxylases，PHDs)[5]。HIF-1α含有兩個轉錄激活域(TAD)，它們可與激活蛋白CREB結合蛋白(CBP)和P300蛋白相作用并進入細胞核內，調節缺氧下的一系列基因表達[6]。HIF-1形成二聚體獲得活性后，可以特異性識別EPO、血管內皮生長因子(VEGF)、酪氨酸羥化酶等靶基因的DNA結合位點，發揮特異性轉錄激活特性，激活靶基因轉錄，引起細胞對缺氧的反應。在血管形成與重塑、能量代謝、細胞凋亡和增殖及炎性免疫反應等過程中，這些靶基因的蛋白產物也發揮重要作用。
二 HIF-1α在ALI中的作用機制
HIF-1α是機體缺氧反應中關鍵的轉錄激活因子，它的下游靶基因多達100余種，包括VEGF、轉化生長因子(TGF)、成纖維細胞生長因子、促紅細胞生成素等，它參與了血管生成、細胞凋亡、炎癥反應等一系列重要的病理生理學過程[7]。ALI時，肺處于缺氧狀態，肺泡上皮細胞由于應激因素以及缺氧的損傷激活了機體的炎癥反應鏈，而炎癥反應的迅速失控使得巨噬細胞、炎癥細胞大量聚集，最終使得毛細血管通透性增加伴微血栓形成，肺泡膜損傷，肺泡滲出增多并形成肺水腫。如果不及時治療而進展到ALI的后期，肺泡細胞則會反應性增生并發生肺纖維化，進一步加劇低氧血癥以及呼吸窘迫的癥狀，發生ARDS[8]。
1．HIF-1α與細胞因子：ALI所致的機體炎癥反應需要一系列細胞因子的相互作用，而HIF-1α是炎癥反應過程中基因調控的重要因子。Hellwig-Burgel等[9]發現關節炎中的巨噬細胞內含有大量的HIF-1α，揭示HIF-1α參與了機體炎癥反應。之后Jung等[10]報道，在ALI患者的肺泡細胞中，最先出現的是核因子κB(NF-κB)的活性升高，NF-κB激活后能調控大量帶有NF-κB位點的基因產物的生成，如腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白細胞介素1β(IL-1β)、環氧合酶2(COX-2)等。TNF-α與IL-1β作用于肺泡細胞的損傷處，誘導中性粒細胞的遷移聚集，最終激活HIF-1[11]，啟動了下游的各個靶基因。細菌脂多糖(LPS)是內毒素的一類重要特異性抗原，是革蘭陰性桿菌外膜的主要成分，LPS的持續和大量釋放是促進ALI發生發展的重要因素[12]。研究證實LPS能結合于單核細胞/巨噬細胞表面的CD14受體，增加HIF-1α的mRNA含量和蛋白翻譯，從而加重組織損傷[13]。Sakamoto等[14]報道了HIF-1α在ALI中能夠調節表面活性物質(SP)的表達，從而降低肺泡表面張力并獲得免疫活性。Eckel等[15-16]發現ALI中HIF-1α可以作用于腺苷酸受體，如A1、A2A、A2B、A3AR等，從而加重肺部損傷；其中HIF-1α調節通路中的A2BAR能夠有效減輕ALI的嚴重程度，延長患者生存期。各個細胞因子、炎癥因子相互作用，啟動了聚集的炎癥級聯反應，最終造成了ALI。
2．HIF-1α與肺泡Ⅱ型上皮細胞(AT-Ⅱ細胞)：AT-Ⅱ細胞是肺泡上皮細胞的干細胞，ALI在早期即可以引起AT-Ⅱ細胞凋亡，繼而導致大量肺泡上皮細胞丟失，最終促進ARDS的發展。HIF-1α在ALI所致的病理生理現象中，不同的條件下具有不同的作用，它同時具有促進凋亡和抑制凋亡的雙重作用，Eckle等[17]報道，在ALI中HIF-1α可以增加氣管上皮細胞糖代謝從而增加肺部通氣功能，改善肺水腫以及呼吸窘迫。Krick等[18]發現，在缺氧條件下用HIF-1αcDNA刺激細胞后，細胞凋亡增加；而干擾RNA對HIF-1α抑制后，細胞的凋亡也被相應阻斷。
3．HIF-1α與肺纖維化：一些ALI/ARDS患者的肺部滲出液難以被機體自身吸收，從而在疾病的后期發展為纖維化，使得疾病預后不良。ALI所致的機體炎癥反應進一步激活成纖維細胞、成肌纖維細胞、各類細胞因子、集落刺激因子、纖維素之間的相互作用，導致肺纖維化。近年，人們意識到上皮間質細胞轉化(EMT)在ALI所引起的肺部纖維化中具有重要作用[19-20]。EMT是指一種完全分化的上皮細胞經歷細胞表型改變轉化成完全分化的間質細胞的過程，通常轉化為成纖維細胞和肌成纖維細胞。在成熟細胞中，損傷可以誘導上皮細胞向間質細胞表型的轉化，因此促成了很多器官的纖維化。Zhou等[21]在體外細胞學實驗中證實肺泡上皮細胞缺氧時能夠增加線粒體內活性氧(ROS)含量，而ROS能夠上調HIF-1α和轉移生長因子β1(TGF-β1)的表達，促進EMT的發生。
4．HIF-1α與肺血管通透性：ALI的一個重要病理生理特點是血管通透性增加，肺血管滲出增加可引起急性肺水腫。而HIF1-α對于ALI中肺血管通透性的調節作用目前仍不明確。體外研究表明，在肺部組織缺氧時，HIF-1α能夠通過減少組織細胞中的腺苷酸環化酶從而減少ALI中的肺血管滲出[22]。VEGF是HIF-1α的一類重要靶基因，能夠促進血管內皮細胞的自我修復，增加纖維細胞等細胞外基質的分泌，在ALI的組織修復中扮演著重要的作用。在肺部急性感染時，VEGF的含量增加，提示HIF-1可能通過增加VEGF的表達參與炎癥損傷肺部組織后修復過程[23-24]。Becker等[25]在大鼠的肺部缺氧模型中，發現缺氧所引起的HIF-1α能夠增加VEGF的表達，降低肺血管的通透性。A2BAR是HIF-1α在ALI中轉錄激活的一類受體，研究顯示A2BAR被激活后的信號通路能夠有效減輕肺部損傷[16]。因此，A2BAR的選擇性抗體也被認為是臨床治療ALI的一個潛在靶點。Kim等[26]報道了在ROS誘導的ALI模型中應用血管緊張素1(Ang1)的試驗。結果表明Ang1能夠通過增加VEGF的表達而減少血管滲漏，同時，Ang1能夠降低組織中IL-4、TNF-α、IL-1β、HIF-1α、NF-κB等各種炎癥因子，從而減輕肺組織的炎癥反應。
三 腸道缺血再灌注與ALI
腸道缺血再灌注損傷被認為是發生ALI、多器官功能障礙綜合征(MODS)的常見初始誘因。腸道缺血再灌注損壞了上皮細胞，破壞了腸道天然的屏障功能，腸源性內毒素血癥使得全身性感染更易波及到其他器官，其中肺被認為是最易受到感染的部位。Koury等[27]首先發現了細胞核中的HIF-1α表達在腸道缺血再灌注模型中迅速增高，間接證明了HIF-1α在腸道缺血中的作用。Feinman等[28]研究了HIF-1α基因敲除的大鼠在出血性休克模型中的表現，結果表明部分HIF-1α基因的缺陷可以減輕休克模型所引起的腸道損傷，降低小腸上皮細胞中TNF-α、IL-1β、NO的含量，減少肺部損傷等并發癥。Kannan等[29]發現在腸道缺血再灌注大鼠模型中，HIF-1α基因敲除能夠降低因腸道感染所致的通透性，減少腸道上皮細胞脂質過氧化，降低Caspase-3、IL-1βmRNA的表達，減輕腸道損傷；同時對大鼠肺部進行的檢測，發現在HIF-1α基因缺陷大鼠中，腸道損傷的減輕與肺損傷的改善相關，肺部IL-6和IL-10等細胞因子相對非基因缺陷大鼠也顯著減少。這些研究均提示HIF-1α在腸道缺血再灌注和腸道相關肺損傷中是重要的調節因子，也為治療靶點的選擇開拓了思路。
四 以HIF-1α為靶點治療ALI
ALI的臨床治療近幾年取得了很大的突破，其中針對HIF-1α信號通路上的靶向治療尤為受到關注。白藜蘆醇是一種具有植物抗毒素功能的合成中成藥，該抗毒素具有抑制氧化應激和炎癥的功能。Ma等[30]報道了白藜蘆醇的前體藥物乙酰化白藜蘆醇能夠減少ALI中肺組織的HIF-1α以及NF-κB含量，這一藥物也有望用于臨床上的ALI治療。LPS誘導的HIF-1α通路在ALI中扮演著重要作用，Xu等[13]研究發現丹參酮ⅡA能夠顯著減輕大鼠中LPS誘導的ALI，并減少HIF-1α因子的含量。在另一項研究中，研究者則報道了丙泊酚能夠有效抑制LPS-HIF信號通路，從而減輕ALI的嚴重程度[31]。HIF-1α在ALI中通過多種信號通路誘導機體的一系列病理生理反應，針對這些信號通路靶點的靶向治療有望為ALI的臨床診治帶來新的思路與方法。
五 總結
ALI的發病機制錯綜復雜，涉及炎癥反應失控、細胞凋亡與增殖、細胞損傷與修復等多個環節，這些環節互相聯系，而HIF-1α在其中起到了至關重要的核心作用。HIF-1α是組織缺氧過程中重要轉錄激活因子，調節著近100個下游基因。確切掌握HIF-1α在ALI中的作用，干預HIF-1α的表達有可能成為治療ALI新的靶點，研究作用于HIF-1α通路上的靶點基因的藥物將會是未來治療ALI的重中之重。