低氧誘導(dǎo)肺間質(zhì)纖維化的相關(guān)機(jī)制

王玉波 崔社懷

肺間質(zhì)纖維化(pulmonary interstitial fibrosis, PIF)是一種組織學(xué)和/或影像學(xué)表現(xiàn)為尋常型間質(zhì)性肺炎，呈慢性進(jìn)行性加重的間質(zhì)性肺疾病[1-2]。目前其病因不明、發(fā)病機(jī)制尚不清楚，主要累及肺間質(zhì)、肺泡和 /或細(xì)支氣管。肺間質(zhì)纖維化主要病理改變?yōu)榉谓M織局灶性纖維細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)積聚、肺泡囊腔樣擴(kuò)張，導(dǎo)致肺正常結(jié)構(gòu)改建和遠(yuǎn)端的有效換氣面積減少，多數(shù)患者最終死于低氧性呼吸衰竭。其發(fā)病率逐年升高，但治療效果差，病死率高。隨著肺間質(zhì)纖維化病程的進(jìn)展，患者缺氧程度持續(xù)并逐漸加重，而缺氧可能又參與了肺間質(zhì)纖維化的疾病發(fā)生及其進(jìn)展過(guò)程，導(dǎo)致了低氧與致纖維化因素之間的惡性循環(huán)。現(xiàn)就低氧與肺間質(zhì)纖維化之間關(guān)系的研究進(jìn)行了綜述。

一、HIF與缺氧的關(guān)系

研究表明，低氧可引起低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor, HIF)的表達(dá)量明顯升高[3]。HIF-1是1992年由Semenza對(duì)經(jīng)缺氧處理HepG2和Hep3B細(xì)胞株的核提取物進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)的。HIF-1是由相對(duì)分子量約120×103的α亞基和(91～94)×103的β亞基構(gòu)成的異源二聚體轉(zhuǎn)錄因子。α亞基包括3個(gè)亞型，其中3個(gè)亞基中的任一個(gè)可與β亞基(又稱作ARNT)結(jié)合形成異源二聚體。α、β 亞基都屬于bHLH(basic-helix-loophelix)-PAS(per-arnt-sim)超家族蛋白，N-末端均含有bHLH-PAS同源區(qū)，PAS區(qū)與HLH區(qū)共同形成繼發(fā)二聚體界面。

HIF家族蛋白是缺氧誘導(dǎo)基因強(qiáng)有力的催化因子。低氧可增加HIF的穩(wěn)定性，促進(jìn)HIF與低氧反應(yīng)元件(hypoxia response element，HRE)的結(jié)合，從而誘導(dǎo)低氧靶基因的激活，參與機(jī)體系統(tǒng)性低氧狀態(tài)下組織的攜氧能力和缺氧后細(xì)胞代謝、細(xì)胞自噬、炎癥反應(yīng)、血管重塑、內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化等[4-5]。HIF-1α對(duì)氧濃度比較敏感，因此在缺氧的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)中起主要作用。HIF是低氧條件下廣泛存在于人體的一種轉(zhuǎn)錄因子，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一高度特異性的、在低氧條件下能夠發(fā)揮活性的核轉(zhuǎn)錄因子，是專一調(diào)節(jié)氧穩(wěn)態(tài)的重要介質(zhì)。HIF-1是引發(fā)缺氧耐受的重要蛋白質(zhì)分子，是哺乳動(dòng)物不同組織、細(xì)胞形成缺氧耐受的共同分子生物學(xué)機(jī)制。正常生理情況下，HIF-1受低氧誘導(dǎo)表達(dá)并激活下游基因轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)細(xì)胞適應(yīng)低氧環(huán)境[6]。HIF-1α在缺氧狀態(tài)下可被刺激活化，且可被多種因素刺激活化，從而影響細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、存活及凋亡。HIF-1由α和β兩個(gè)亞基組成，HIF-1α是氧調(diào)節(jié)蛋白，對(duì)氧的濃度十分敏感，被稱為“缺氧基因表達(dá)的總開(kāi)關(guān)”。α亞基是HIF-1所特有的，它既是HIF-1的調(diào)節(jié)亞基又是活性亞基，其蛋白穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性均受細(xì)胞內(nèi)氧濃度的調(diào)節(jié)。故HIF-1的生理活性主要取決于HIF-1α亞基的活性和表達(dá)。

二、HIF致肺間質(zhì)纖維化的機(jī)制

1. HIF-1α與炎癥的關(guān)系： 已有研究證實(shí)，百草枯染毒的小鼠肺組織中HIF-1α表達(dá)呈明顯的升高趨勢(shì)。HIF-1α可能參與了肺間質(zhì)纖維化的發(fā)生，且HIF-1α的表達(dá)和肺間質(zhì)纖維化存在一定的時(shí)間相關(guān)性[7]。HIF-1α具有炎癥調(diào)節(jié)作用，HIF-1α是機(jī)體調(diào)節(jié)氧穩(wěn)態(tài)的重要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，通過(guò)調(diào)節(jié)多種基因表達(dá)而參與機(jī)體炎癥反應(yīng)。低氧是炎癥和修復(fù)的一個(gè)強(qiáng)有力的刺激因素，低氧可通過(guò)免疫應(yīng)答等途徑致大量的細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子及趨化因子表達(dá)而誘發(fā)肺間質(zhì)纖維化，其中低氧誘導(dǎo)的HIF-1α在其發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。iNOS基因增強(qiáng)子的DNA序列中存在與HIF-1α結(jié)合的特異性位點(diǎn)，在低氧條件下可促進(jìn)iNOS基因表達(dá)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)IL-1β對(duì)HIF-1α誘導(dǎo)iNOS 基因的表達(dá)有協(xié)同作用。HIF-1α能快速誘導(dǎo)iNOS基因的表達(dá)，并且產(chǎn)生大量的一氧化氮，從而參與炎癥反應(yīng)和免疫調(diào)節(jié)的過(guò)程。在缺氧條件下可能存在一個(gè)“炎癥─炎癥介質(zhì)─HIF-1α─炎癥介質(zhì)─炎癥”的正反循環(huán)圈，HIF-1α起著炎癥放大的作用。IL-1β、TNF-α、PGE2及 LPS等致炎性細(xì)胞因子能激活HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性。在纖維化形成方面，炎癥扮演著促纖維化途徑和抑制纖維化途徑兩面性的角色[8]。TNF-α、IL-1β可以激活核因子- κB (nuclear factor-κB, NF-κB)，基質(zhì)金屬蛋白酶-9(Matrix metallopeptidase 9, MMP-9)基因啟動(dòng)子上有NF-κB 結(jié)合位點(diǎn)，激活的NF-κB可直接調(diào)節(jié)的MMP-9表達(dá)。另外，NF-κB 還可跨膜激活p53，間接誘導(dǎo)MMP-2的轉(zhuǎn)錄，激活的NF-κB也可反饋性上調(diào)TNF-α、IL-1、IL-6，進(jìn)一步影響MMPs表達(dá)。一些炎癥因子如IL-1β，可通過(guò)NF-κB/COX-2 途徑上調(diào)HIF-1α。因此HIF-1α與炎癥因子之間可能以惡性循環(huán)的形式參與了肺間質(zhì)纖維化的發(fā)生。

2. HIF-1α 與TGF-β1、EMT的關(guān)系： 肺間質(zhì)纖維化的發(fā)病機(jī)制又主要與TGF-β1 表達(dá)和上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)變(epithelial-mesenchymal transition, EMT)的發(fā)生相關(guān)[9-10]。低氧可引起致纖維化因子HIF-1α及TGF-β1的表達(dá)量增高，同時(shí)發(fā)生EMT[11-12]；而HIF-1α又可誘導(dǎo)TGF-β1的表達(dá)及EMT的發(fā)生。由此，HIF-1α可能是導(dǎo)致肺間質(zhì)纖維化的上游因素。HIF-1α同時(shí)也是TGF-β1和EMT的重要調(diào)控因子。說(shuō)明低氧同時(shí)可引起TGF-β表達(dá)量增高及EMT的發(fā)生[13-14]。組織細(xì)胞的急慢性低氧會(huì)使TGF-β1的啟動(dòng)子活性增強(qiáng)，從而誘導(dǎo)TGF-β1 基因表達(dá)上調(diào)。TGF-β1是HIF-1α的下游因子，故HIF-1α 可顯著促進(jìn)TGF-β1的高表達(dá)[15]。而TGF-β1是最重要的致纖維化因子之一。

HIF-1α也可通過(guò)多種途徑對(duì)EMT進(jìn)行調(diào)節(jié)[16]。其機(jī)制可能是HIF-1α通過(guò)下調(diào)E-鈣黏蛋白(E-cadherin)、上調(diào)波形蛋白(vimentin)而促進(jìn)細(xì)胞發(fā)生EMT 轉(zhuǎn)化，致使細(xì)胞間的黏附作用減弱從而促進(jìn)纖維化的發(fā)展。HIF-1α過(guò)表達(dá)可以封閉E-cadherin 編碼基因的轉(zhuǎn)錄，降低蛋白表達(dá)水平，導(dǎo)致細(xì)胞的上皮特性弱化。HIF-1α 能夠增強(qiáng) vimentin基因的轉(zhuǎn)錄活性，上調(diào)vimentin蛋白表達(dá)量，改變細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)。一方面使立方型上皮細(xì)胞變?yōu)榧忓N形纖維細(xì)胞態(tài)，更易于遷移游動(dòng)；另一方面干擾細(xì)胞骨架本身所承載的信號(hào)傳遞過(guò)程，操縱調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)分化。在特發(fā)性肺間質(zhì)纖維化患者的肺活檢標(biāo)本中，也觀察到EMT參與了肺間質(zhì)纖維化的形成[17]。HIF-1α誘導(dǎo)TGF-β高表達(dá)后，TGF-β可通過(guò)依賴Smad信號(hào)蛋白的方式參與EMT過(guò)程[18]。TGF-β/Smad 通路是EMT的主要通路之一，TGF-β 與細(xì)胞膜上的TGF-βⅡ型受體( TpRⅡ) 結(jié)合，在TpRⅡ激酶的作用下使TGF-βⅠ型受體( TpRⅠ) 發(fā)生磷酸化，從而激活下游的Smad2/3，磷酸化的Smad2/3與Smad4 結(jié)合形成有功能的三聚體，進(jìn)入細(xì)胞核后與DNA 作用促使EMT的形成，抑制TGF-β1或EMT的單一通道即可取得延緩肺纖維化進(jìn)展的一定的臨床效果[ 10, 17-18]。

3. HIF-1α與VEGF的關(guān)系： 血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothdlial growth factor, VEGF)是肺間質(zhì)纖維化發(fā)病的重要的細(xì)胞因子之一，其通過(guò)在肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞中的高表達(dá)而發(fā)揮作用。VEGF基因是低氧敏感基因，是HIF-1α的重要靶基因。HIF-1α可通過(guò)多個(gè)層面調(diào)控VEGF的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)組織毛細(xì)血管的增生。在低氧環(huán)境中，細(xì)胞核中的HIF-1被p24/p44MAPK直接活化，活化的HIF-1二聚體與HRE結(jié)合，導(dǎo)致VEGF基因活化并誘導(dǎo)VEGF轉(zhuǎn)錄水平的提高，即可直接啟動(dòng)VEGF的轉(zhuǎn)錄。其次，HIF-1α還可上調(diào)VEGF受體及Flt-1的轉(zhuǎn)錄，F(xiàn)lt-1 受體的高表達(dá)可有效的加強(qiáng)VEGF的轉(zhuǎn)錄活性，在新血管生成方面發(fā)揮了非常重要的作用[19]。另外HIF-1α還可通過(guò)誘導(dǎo)VEGF mRNA的穩(wěn)定性來(lái)誘導(dǎo)VEGF的高表達(dá)。最后，VEGF mRNA5′ 非轉(zhuǎn)錄區(qū)內(nèi)還含有一個(gè)固定核蛋白體輸入位點(diǎn)(internal ribosome entry site, IRES)，即使在缺氧狀態(tài)下HIF-1α仍能進(jìn)行VEGF mRNA的翻譯。VEGF 基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游的5′端有一長(zhǎng)28 bp的HRE，由HIF-1結(jié)合位點(diǎn)和上游激活蛋白1(activator protein 1, AP1)構(gòu)成，其中HIF-1結(jié)合位點(diǎn)序列為5′ CACAG 3′和5′TACGTGGGG 3′。HIF-1α與VEGF5′ 端增強(qiáng)子結(jié)合，進(jìn)一步調(diào)節(jié)對(duì)VEGF的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)HRE的活性被HIF-1α DNA誘導(dǎo)時(shí)，VEGF的轉(zhuǎn)錄活性和表達(dá)增強(qiáng)。

4. HIF-1α與其它致肺間質(zhì)纖維化的可能途徑： HIF-1α 可通過(guò)多種途徑調(diào)節(jié)人體許多組織的纖維化過(guò)程，包括肝、腎、心臟和肺，甚至有脂肪和皮膚組織。近期有研究發(fā)現(xiàn)，在博來(lái)霉素誘導(dǎo)的小鼠肺間質(zhì)纖維化模型中，缺氧可導(dǎo)致HIF-1α的表達(dá)上升，其與CXCR4相互作用，在肺間質(zhì)纖維化的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程中起著重要作用[20]。同時(shí)有研究也發(fā)現(xiàn)，HIF-1α 也可通過(guò)誘導(dǎo)纖溶酶原激活劑抑制物-1(plasminogen activator inhibitor-1, PAI-1)參與了肺間質(zhì)纖維化的發(fā)病過(guò)程[21]。同樣有研究也指出，HIF-1α可以通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)氧合酶-2(cyclo-oxygen-ase-2, COX-2)的mRNA 和蛋白，釋放促進(jìn)纖維化的物質(zhì)，介導(dǎo)肺間質(zhì)纖維化過(guò)程[22]。

綜上所述，HIF-1α在肺間質(zhì)纖維化疾病發(fā)展的機(jī)制中扮演著重要角色。而抑制HIF-1α的表達(dá)能在一定程度上減輕組織器官發(fā)生纖維化的程度[23]。有研究指出，抑制 HIF-1α的活性可延續(xù)纖維組織及肺泡上皮細(xì)胞的缺氧反應(yīng)，HIF-1α抑制劑可有效治療早期肺間質(zhì)纖維化[24]。敲除HIF-1α基因能減輕小鼠肝纖維化的程度，也可抑制腎小管上皮間質(zhì)纖維化[25-26]，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)肺間質(zhì)纖維化的研究目前還較少，有待進(jìn)一步的基礎(chǔ)及臨床研究去證實(shí)。已有相關(guān)的Meta 分析證實(shí)HIF-1α 基因的過(guò)表達(dá)在肺間質(zhì)纖維化組織中確實(shí)有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[24]。HIF-1α 可與缺氧誘導(dǎo)基因的HRE結(jié)合并激活其轉(zhuǎn)錄，引起一系列細(xì)胞對(duì)缺氧的反應(yīng)。抑制HIF-1α的活性的可延續(xù)纖維組織及肺泡上皮細(xì)胞缺氧反應(yīng)。隨著肺間質(zhì)纖維化的病情進(jìn)展，患者低氧與致纖維化因素之間的惡性循環(huán)逐漸形成。缺氧是肺間質(zhì)纖維化發(fā)生機(jī)制中的一個(gè)重要因素，其參與了肺間質(zhì)纖維化疾病的發(fā)生及其發(fā)展過(guò)程。積極改善機(jī)體低氧可能將有效地治療并延緩肺間質(zhì)纖維化的進(jìn)展。

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