金鴻錦 盧義 丁彥春

(大連醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院,遼寧 大連 116021)

低氧性肺動脈高壓(hypoxic pulmonary hypertension,HPH)是由缺氧引起的肺動脈壓力進行性升高的肺血管疾病。長期慢性HPH可引起右心室后負荷增加,最終導致不可逆性右心衰竭甚至死亡,嚴重威脅患者生命。肺血管受到低氧刺激時的早期反應(yīng)為肺血管收縮,稱為低氧性肺血管收縮(hypoxic pulmonary vasoconstriction,HPV),其生理意義在于減少缺氧肺組織的血流,將血流重新分配至通氣較好的肺組織,從而維持正常的通氣/血流比值,保持良好的氣體交換功能[1]。然而,長期暴露于低氧環(huán)境可引起機體慢性缺氧,慢性缺氧通過誘導肺動脈平滑肌細胞(pulmonary artery smooth muscle cells,PASMC)和肺動脈內(nèi)皮細胞(pulmonary artery endothelial cells,PAEC)增殖、凋亡失衡和代謝改變,引起不可逆性的低氧性肺血管重塑(hypoxic pulmonary vascular remodeling,HPVR),最終導致肺動脈高壓的形成和進展。因此,HPV和HPVR是HPH發(fā)生和發(fā)展過程中的關(guān)鍵病理生理機制。

低氧誘導因子(hypoxia inducible factor,HIF)-1是維持細胞氧穩(wěn)態(tài)的核心轉(zhuǎn)錄因子,可調(diào)控數(shù)百個氧依賴性靶基因的轉(zhuǎn)錄。HIF-1可促進細胞糖代謝模式的轉(zhuǎn)變,調(diào)節(jié)細胞膜表面離子通道活性、肺血管收縮及舒張因子活性等,調(diào)節(jié)機體對缺氧的適應(yīng)性反應(yīng),參與HPH的發(fā)生和進展?，F(xiàn)對HIF-1及其下游信號分子在HPH發(fā)生和發(fā)展中的作用機制進行綜述。

1 低氧狀態(tài)下HIF-1產(chǎn)生增多的機制

HIF-1是高度保守的轉(zhuǎn)錄因子,幾乎表達于所有的組織細胞中。HIF-1是由具有氧感知功能的HIF-1α亞基和組成性表達的HIF-1β亞基構(gòu)成的異源性二聚體。HIF-1α是HIF-1的活性亞基,其表達水平受細胞內(nèi)氧濃度的調(diào)節(jié)。HIF-1α中含有兩種不同的羥基化位點,分別是2個位于氧依賴性降解結(jié)構(gòu)域的脯氨酸殘基(Pro402和Pro564)和1個位于C端轉(zhuǎn)錄激活域的天冬酰胺殘基(Asn803),可分別被脯氨酸羥化酶(prolyl hydroxylase,PHD)及HIF抑制因子羥基化[2]。常氧狀態(tài)下,PHD能誘導HIF-1α脯氨酸殘基羥基化[3],然后與von Hippel-Lindau蛋白結(jié)合,招募E3泛素蛋白連接酶使其泛素化,最后通過蛋白酶體降解[4],導致HIF-1α的表達減少。HIF抑制因子是調(diào)節(jié)HIF-1α轉(zhuǎn)錄活性的關(guān)鍵蛋白,可促進HIF-1α天冬酰胺殘基羥基化,阻止HIF-1與缺氧反應(yīng)元件中輔助因子p300/CREB結(jié)合蛋白結(jié)合,從而抑制HIF下游靶基因的轉(zhuǎn)錄[5]。故常氧狀態(tài)下,HIF-1的表達水平及轉(zhuǎn)錄活性均較低。

低氧狀態(tài)下,PHD的活性降低,相關(guān)機制可能包括:(1)PHD誘導HIF-1α羥基化的過程需要氧氣參與,因此低氧狀態(tài)下PHD引起HIF-1α的羥基化減少。(2)低氧狀態(tài)下,三羧酸循環(huán)中琥珀酸脫氫酶活性降低,導致琥珀酸轉(zhuǎn)換為延胡索酸減少,線粒體中琥珀酸鹽水平升高,被琥珀酸轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運至細胞質(zhì)內(nèi)[6],琥珀酸鹽對PHD具有濃度依賴性的抑制作用[7]。(3)低氧可能誘導線粒體復(fù)合體Ⅲ產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)[8],大量的ROS從線粒體轉(zhuǎn)運至細胞質(zhì)內(nèi),ROS可能導致PHD3的活性降低[9]。故低氧狀態(tài)下PHD活性降低,引起HIF-1α羥基化減少,導致HIF-1α降解減少、穩(wěn)定性增加,HIF-1α進入細胞核內(nèi)與HIF-1β結(jié)合形成穩(wěn)定的HIF-1二聚體,HIF-1二聚體再與靶基因的缺氧反應(yīng)元件結(jié)合,通過p300/CREB結(jié)合蛋白輔助因子的銜接,形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物,與低氧反應(yīng)元件結(jié)合,激活下游靶基因的轉(zhuǎn)錄過程[10],參與HPH的發(fā)生和進展。

2 HIF-1參與HPH的機制

2.1 HIF-1引起細胞糖代謝模式的轉(zhuǎn)變

在HPH中觀察到,PASMC及PAEC表現(xiàn)出與腫瘤細胞相似的糖代謝模式的轉(zhuǎn)變,即使在有氧條件下也會表現(xiàn)為糖酵解途徑增強而糖有氧氧化減弱,該現(xiàn)象稱為Warburg效應(yīng)[11]。HIF-1可調(diào)控多種與糖酵解過程相關(guān)的酶的活性,促進細胞糖代謝模式由糖有氧氧化轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒?其機制包括:(1)HIF-1上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的表達,促進細胞對葡萄糖的攝取,但由于糖有氧氧化減少,細胞內(nèi)葡萄糖含量的增加為糖酵解途徑提供了更多的底物,促進了糖酵解途徑[12]。(2)HIF-1促進糖酵解關(guān)鍵酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸脫氫酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase,PDK)-1的表達,促進糖酵解過程。PDK-1可通過磷酸化抑制丙酮酸脫氫酶的活性,使得丙酮酸分解為乙酰輔酶A的數(shù)量減少,進入三羧酸循環(huán)的乙酰輔酶A不足,抑制了糖有氧氧化過程,并將丙酮酸重新導向糖酵解過程[5]。此外,HIF-1可促進6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3(6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase 3,PFKFB3)基因的表達,PFKFB3 可促進果糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為果糖-2,6-二磷酸,而果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶-1最有效的變構(gòu)激活劑[13],PFKFB3介導的糖酵解過程促進PAEC釋放生長因子和促炎細胞因子,促進PASMC的增殖和肺血管的炎癥反應(yīng)[14]。(3)HIF-1促進乳酸脫氫酶的表達,加速丙酮酸分解為乳酸,促進細胞的糖酵解過程。HIF-1對于糖酵解過程中關(guān)鍵酶的調(diào)節(jié)如圖1。

注:GLUT,葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白;HK,己糖激酶;PFK-1,磷酸果糖激酶-1;PDH,丙酮酸脫氫酶;LDH,乳酸脫氫酶。圖1 HIF-1調(diào)控糖酵解過程相關(guān)酶的示意圖

HIF-1參與Warburg效應(yīng)的機制可能與磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B/mammalian target of rapamycin,PI3K/Akt/mTOR)信號通路有關(guān)。PI3K/Akt/mTOR信號通路在調(diào)節(jié)Warburg效應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,mTOR通過促進HIF-1的表達放大Warburg效應(yīng)[15],血小板源性生長因子可通過激活PASMC增殖中的PI3K/Akt/mTOR/HIF-1α通路促進Warburg效應(yīng)[16]。HIF-1可能作為PI3K/Akt/mTOR通路的下游信號分子,調(diào)節(jié)糖酵解過程中關(guān)鍵酶的活性,促進細胞攝取葡萄糖,提高糖酵解過程中關(guān)鍵酶的活性,從而促進葡萄糖的糖酵解過程。且HIF-1可使丙酮酸分解為乙酰輔酶A的數(shù)量減少,減少了三羧酸循環(huán)的原料,抑制了糖有氧氧化的過程。因此,HIF-1的激活是促進細胞糖代謝模式轉(zhuǎn)變的重要開關(guān)。糖有氧氧化途徑受到抑制能減少缺氧引起的ROS產(chǎn)生,降低了ROS對于細胞內(nèi)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA等大分子的毒性作用[17]。糖酵解途徑的增強導致PASMC能量產(chǎn)生效率降低,能量供應(yīng)相對不足,使PASMC表現(xiàn)出過度增殖及抗凋亡的特性[18],糖酵解途徑導致乳酸堆積,通過上調(diào)組蛋白乳酸化而促進PASMC的增殖[9]。HIF促進細胞糖代謝模式的轉(zhuǎn)變,其意義在于減少細胞耗氧量,適應(yīng)HPH引起的低氧環(huán)境,但也同時引起PASMC的增殖和凋亡失衡,導致了肺血管重塑的發(fā)生。

2.2 HIF-1調(diào)節(jié)細胞膜表面離子通道活性

細胞內(nèi)鈣離子濃度增加是引起PASMC收縮的主要因素,也是PASMC增殖的重要刺激因子。細胞內(nèi)鈣離子濃度的變化主要由細胞膜表面不同類型的鈣通道介導,包括電壓依賴性鈣通道(voltage-dependent calcium channels,VDCC)、鈣庫操縱性鈣通道及受體門控性鈣通道等。HIF-1可調(diào)節(jié)PASMC細胞膜表面鈣通道及鉀通道的活性,引起PASMC細胞膜內(nèi)外鈣離子和鉀離子濃度的改變,導致PASMC收縮和異常增殖,進而導致HPV和HPVR的發(fā)生。

細胞膜去極化是引起VDCC開放的重要因素,電壓門控鉀通道(voltage-gated potassium channel,KV)的表達變化可導致PASMC膜電位的改變。Whitman等[19]研究發(fā)現(xiàn)低氧狀態(tài)下HIF-1通過促進內(nèi)皮素(endothelin,ET)-1的表達,導致PASMC中KV1.5、KV2.1的表達減少及細胞內(nèi)鈣離子濃度的增加,通過ET-1受體抑制劑BQ123治療可削弱上述效應(yīng)。芹菜素通過抑制HIF-1α-KV1.5途徑,誘導PASMC線粒體依賴性凋亡,從而減輕缺氧誘導的肺動脈高壓的進展[20]。因此,HIF-1可能通過抑制KV的開放,導致鉀離子外流減少,細胞內(nèi)鉀離子濃度增加,PASMC膜去極化,進一步引起VDCC開放、細胞外鈣離子內(nèi)流、細胞內(nèi)鈣離子濃度增加,從而導致肺血管收縮。

鈣庫操縱性鈣通道是由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和肌質(zhì)網(wǎng)中鈣離子濃度降低而被激活的細胞膜表面的鈣通道。瞬時受體電位通道(transient receptor potential channel,TRPC)是鈣庫操縱性鈣通道的重要組成部分,其中包括TRPC1～7 七個成員[21]。通過抑制TRPC1、TRPC3、TRPC4和TRPC6能抑制PASMC的增殖,抑制TRPC1可減少PASMC的遷移能力,抑制TRPC1、TRPC3、TRPC4和TRPC6可促進細胞凋亡,表明TRPC參與了肺動脈高壓過程中PASMC的增殖、遷移及凋亡抵抗過程[22]。BI-749327是一種具有高選擇性的TRPC6拮抗劑,可抑制PASMC中PI3K/Akt/mTOR信號通路,阻斷TRPC6介導的鈣離子內(nèi)流,從而抑制PASMC的增殖,進而降低肺動脈壓力并部分逆轉(zhuǎn)肺血管重塑[23]。HIF-1在調(diào)節(jié)PASMC中TRPC表達和鈣離子穩(wěn)態(tài)方面具有重要作用,HIF-1可促進TRPC的表達,引起細胞外鈣離子內(nèi)流,導致細胞內(nèi)鈣離子濃度增加。低氧狀態(tài)下,HIF-1可能通過誘導PASMC中骨形態(tài)發(fā)生蛋白4的表達,通過ERK1/2和p38MAPK信號通路誘導TRPC1、TRPC6的表達增加及細胞內(nèi)鈣離子濃度增加,參與HPH的發(fā)生[24]。

2.3 HIF-1調(diào)節(jié)肺血管收縮及舒張因子活性

肺血管收縮及舒張因子的平衡失調(diào)是肺動脈高壓的特征之一。HPH中HIF-1可調(diào)節(jié)PAEC分泌的血管收縮及舒張因子的活性,導致血管收縮因子包括ET、5-羥色胺、血管緊張素、血栓素等增加,而血管舒張因子包括一氧化氮(nitric oxide,NO)、前列環(huán)素和血管活性腸多肽減少,并通過旁分泌的方式作用于PASMC[25-26]。其中,ET-1和NO二者之間的平衡失調(diào)在HPH的發(fā)生過程中具有重要作用。HIF-1通過在轉(zhuǎn)錄水平上誘導下游靶基因ET-1及誘導型一氧化氮合成酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)的表達,影響了ET-1與NO的平衡,從而導致持續(xù)的肺血管收縮。

ET-1通過與ET-1受體結(jié)合發(fā)揮作用,包括ET-A受體及ET-B受體。ET-A受體主要表達于PASMC,介導PASMC的增殖和血管收縮,而ET-B受體主要位于PAEC,通過釋放NO等血管舒張因子導致血管舒張。ET主要由PAEC產(chǎn)生,通過旁分泌的途徑作用于PASMC[27]。ET-1基因的啟動子區(qū)域有HIF-1α的特異性結(jié)合位點,低氧可能通過促進HIF-1α產(chǎn)生增多而誘導ET-1基因的表達,使ET-1分泌增加。ET-1亦可通過增加細胞內(nèi)鈣內(nèi)流、促進ROS的產(chǎn)生及激活ERK1/2通路等機制,上調(diào)大鼠PASMC中HIF-1的合成并下調(diào)PHD2介導的HIF-1α的降解,從而促進PASMC中HIF-1的表達[28]。因此,HIF-1和ET-1形成一個雙向調(diào)節(jié)回路,在肺血管重塑中起重要作用[29]。

NO是PAEC合成及釋放的具有強擴血管作用的內(nèi)皮源性血管活性因子,iNOS是NO合成過程中的限速酶。低氧狀態(tài)下HIF-1表達增多,進而與iNOS基因啟動子區(qū)域的相應(yīng)位點結(jié)合,誘導iNOS mRNA的表達,促進NO的合成。當ET-1與PAEC上的ET-B受體結(jié)合后,亦可促進PAEC釋放NO,發(fā)揮血管舒張作用。然而,當機體長期處于慢性缺氧狀態(tài)時,PAEC分泌NO減少,其可能機制包括:(1)大量的ET-1可抑制 HIF-1與iNOS靶基因的特異性位點結(jié)合,抑制HIF-1誘導的iNOS mRNA表達,導致PAEC合成NO減少[30]。(2)慢性缺氧可產(chǎn)生大量的ROS,直接損傷PAEC,導致PAEC合成NO減少。以上機制均可導致ET-1與NO之間的平衡失調(diào),引起肺血管收縮,進而導致HPH的發(fā)生。

3 針對HIF-1治療HPH的靶點

目前已有多項研究發(fā)現(xiàn),針對HIF-1及其下游信號分子途徑的藥物能降低肺動脈壓力、延緩肺血管及右心室重塑。二氯乙酸是PDK抑制劑,能促進丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A,抑制糖酵解進而促進糖有氧氧化過程。Li等[31]發(fā)現(xiàn),使用二氯乙酸處理人PASMC可減少HIF-1α的表達,并抑制PDK-1和己糖激酶-2的活性,從而逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng),導致PASMC的增殖減少和凋亡增加。法舒地爾是選擇性Rho激酶抑制劑,通過法舒地爾抑制PASMC中HIF-1α的表達可顯著抑制缺氧誘導的TRPC1和TRPC6的表達[32],且法舒地爾可抑制HPH大鼠的HIF-1α及ET-1表達,促進NO的表達,延緩右心室重塑,抑制HPH的進展[33]。拓撲替康為拓撲異構(gòu)酶Ⅰ抑制劑,能抑制HIF-1的轉(zhuǎn)錄,拓撲替康通過抑制缺氧誘導的大鼠PASMC中HIF-1α、TRPC1、TRPC4、TRPC6的表達和鈣離子內(nèi)流,從而抑制PASMC的增殖、遷移和收縮合成表型轉(zhuǎn)換,減輕肺血管重塑和右心室肥厚[34]。Dai等[35]首次發(fā)現(xiàn)了針對ET-A受體的免疫療法(包括ETRQβ-002疫苗和針對ETR-002的特異性抗體),該療法可顯著使HPH小鼠右心室收縮壓降低10 mm Hg(1 mm Hg=0.133 3 kPa),有效抑制HPH小鼠的肺小動脈及右心室重塑,降低右心室收縮壓,且不引起肝腎功能損害。

4 結(jié)語和展望

HPH是一種嚴重的肺血管疾病。目前臨床上針對HPH的藥物治療主要是通過增強NO和前列環(huán)素途徑的信號轉(zhuǎn)導或減弱ET途徑的信號轉(zhuǎn)導,恢復(fù)血管收縮因子和血管舒張因子的平衡[36],達到擴張肺血管、降低肺動脈壓的目的。雖然擴血管藥物能改善HPH患者癥狀,但不能抑制或延緩肺血管重塑,而肺血管重塑是HPH發(fā)展且難以治愈的主要原因,故目前尚不能通過藥物治療治愈HPH。HIF-1是維持細胞氧穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,本文對于HIF-1及其下游信號分子途徑在HPH發(fā)生和發(fā)展過程中的作用進行綜述,表明HIF-1可通過促進細胞糖代謝模式的轉(zhuǎn)變,調(diào)節(jié)細胞膜表面離子通道活性、血管收縮及舒張因子活性等,參與HPH的發(fā)生和進展,其機制可能涉及PI3K/Akt/mTOR信號通路的異常激活,但其具體機制仍有待于進一步探究,仍需更多的研究驗證HIF-1及其下游信號分子途徑在HPH患者中的作用機制及治療效果。