2021年缺氧誘導(dǎo)因子1在支氣管哮喘氣道炎癥機(jī)制中的研究進(jìn)展(全文)

1、2021年缺氧誘導(dǎo)因子1在支氣管哮喘氣道炎癥機(jī)制中 的研究進(jìn)展(全文)摘要缺氧誘導(dǎo)因子1 (HIF-1)是由婭基和亞基構(gòu)成的異二聚體缺氧反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因 子，可調(diào)節(jié)100多種基因的表達(dá)，參與機(jī)體的免疫反應(yīng)、細(xì)胞代謝' 誘導(dǎo)新 生血管形成等過程，并通過多種途徑引起支氣管哮喘氣道炎癥反應(yīng)。本文將 以此為切入點(diǎn)，對HIF-1在支氣管哮喘氣道炎癥反應(yīng)機(jī)制中 的研究作一綜 述。支氣管哮喘(哮喘)是一種以慢性氣道炎癥和氣道高反應(yīng)為特征的異質(zhì)性 疾 病，目前發(fā)病機(jī)制尚未完全明確，氣道免疫-炎癥機(jī)制作為最重要的發(fā) 病機(jī) 制之一，包括氣道炎癥形成機(jī)制、氣道高反應(yīng)性(airway hyper reactivit

2、y z AHR)和氣道重塑。研究發(fā)現(xiàn)哮喘患者的平滑肌細(xì)胞、黏膜下層和支氣管肺 泡灌洗液中缺氧誘導(dǎo)因子1 (hypoxia inducible factor-1 z HIF-1)的表達(dá)不僅 明顯增加123,4,而且能引起氣道炎性細(xì)胞浸潤、AHR及氣道重塑，參 與哮喘氣道炎癥反應(yīng)567。1 HIF-1概述HIF-1是機(jī)體在缺氧條件下產(chǎn)生的氧依賴性缺氧反應(yīng)元件，a亞基和p亞 基共同構(gòu)成穩(wěn)定的HIF-L HIF-lc (是一種功能性亞基，其編碼基因位于人 14號染色體q21-24區(qū)、小鼠12號染色體上。HIF-邛是一種結(jié)構(gòu)性 亞 基，又叫芳香繪受體核轉(zhuǎn)位子，其編碼基因位于人1號染色體q21區(qū)、小 鼠3

3、號染色體上。HIF-1在哺乳動物中均有表達(dá)，且廣泛分布于人體 各個(gè) 臟器和組織中。常氧下，HIF-1C (表達(dá)減少、活性及功能受抑制，并 通過 泛素-蛋白酶解系統(tǒng)降解處于低表達(dá)狀態(tài)，缺氧及炎癥條件下,HIF-l a較常 氧條件下表達(dá)增加，降解受阻。HIF-lo不受氧濃度影響，主要介導(dǎo)HIF- 100勺核轉(zhuǎn)運(yùn)z以形成穩(wěn)定的HIF-1來調(diào)節(jié)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。研究 發(fā)現(xiàn) 生長因子、 細(xì)胞因子、活性氧族和鐵離子鰲合劑等能通過多種機(jī)制調(diào)節(jié) HIF-1009活性和功能，同時(shí)香煙中的尼古丁也能激活 增加具表達(dá)9。2 HIF-1與哮喘氣道炎癥哮喘是一種由髓系炎癥細(xì)胞(嗜酸粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞、T淋巴細(xì)

4、胞、中性粒細(xì)胞等)，氣道結(jié)構(gòu)細(xì)胞如氣道上皮細(xì)胞(airway epithelial cells z AECs),氣道平滑肌細(xì)胞(airway smooth muscle cells , ASMCs),杯狀細(xì)胞 等和相關(guān)細(xì)胞因子，炎癥介質(zhì)等細(xì)胞組分共同參與的慢性氣道炎癥性疾 病。研究發(fā)現(xiàn)HIF-1可以調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞的能量代謝，使其進(jìn)行 有氧代謝向 無氧代謝的轉(zhuǎn)換，減少ATP耗竭，防止炎癥效應(yīng)細(xì)胞死亡，還能作為炎癥 細(xì)胞炎癥能力的主要調(diào)節(jié)因子，影響炎癥反應(yīng)10,111 OCrotty Alexander等12在卵清蛋白(ovalbumin , OVA)誘導(dǎo)的小鼠哮 喘模型中發(fā)現(xiàn)，髓系細(xì)胞中HIF-1

5、的缺失減少了嗜酸粒細(xì)胞浸潤、杯狀 細(xì) 胞增生以及細(xì)胞因子IL-4.IL-5和IL-13在肺中的水平,HIF-1抑制 劑 Lificiguat(YCJ)應(yīng)用后能降低哮喘小鼠支氣管肺泡灌洗液、 肺實(shí)質(zhì)和血液中 的嗜酸粒細(xì)胞、肺部整體炎癥、IL-5和血清0VA特異性IgE的水 平，同 時(shí)髓系細(xì)胞中HIF-1的敲除將導(dǎo)致小鼠未發(fā)生AHR ,進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減少嗜酸粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和肥大細(xì)胞中的HIF-1,將導(dǎo)致氣道 平滑肌對過敏性刺激的反應(yīng)減弱，但又不能阻止所有的過敏 性炎癥的發(fā)生，這可能提示AECs、ASMCs等氣道結(jié)構(gòu)細(xì)胞中HIF-1的激活也有助于哮喘的發(fā)病。因此，接下來我將從以下3個(gè)

6、方面來闡述HIF-1在哮喘氣道炎 癥機(jī)制中的影響。2.1 HIF-1與髓系炎癥細(xì)胞2.1.1 HIF-1與嗜酸粒細(xì)胞嗜酸粒細(xì)胞是哮喘炎癥過程中的核心炎癥細(xì)胞,具有抗原提呈終末效應(yīng)細(xì)胞功能及免疫調(diào)節(jié)作用。HIF-1在嗜酸粒細(xì)胞中表達(dá)能調(diào)節(jié)嗜酸粒細(xì)胞趨化 性和存活率13,14,在哮喘患者中的研究發(fā)現(xiàn)HIF-1可誘導(dǎo)哮喘患者嗜 酸粒細(xì)胞增多，體外嗜酸粒細(xì)胞實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)HIF-1主要是通過影響嗜 酸粒細(xì)胞趨化因子L巨噬細(xì)胞炎癥蛋白la,促使嗜酸粒細(xì)胞靶向過敏性炎 癥部位，而經(jīng)過活化后的嗜酸粒細(xì)胞將釋放堿性蛋白、嗜酸性陽離子蛋白、 白三烯、 前炎癥細(xì)胞因子等造成氣道上皮的損傷，導(dǎo)致氣道高反應(yīng)12。同時(shí)

7、，嗜酸粒細(xì)胞中HIF-1的表達(dá)能促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞 產(chǎn)生血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)的直接 促血管生成作用，并通過上調(diào)VEGF受體使這些細(xì)胞對VEGF更敏感，這可 能與哮喘氣道重塑相關(guān)15 o2.1.2 HIF-1與巨噬細(xì)胞 巨噬細(xì)胞被認(rèn)為是非病變肺中免疫細(xì)胞類型最多 的一種，在哮喘發(fā)生過 程中主要起著抗原提呈、炎癥效應(yīng)細(xì)胞作用，參與 哮喘炎癥反應(yīng)和血管生成。研究發(fā)現(xiàn)在塵燒誘導(dǎo)的小鼠哮喘模型中，HIF-1 拮抗劑組中肺泡 巨噬細(xì)胞數(shù)量明顯增加，同時(shí)抑制了氣道炎癥和AHR,因 此HIF-1能抑制氣道巨噬細(xì)胞漫

8、潤，促進(jìn)氣道炎癥及氣道高反應(yīng)12。 同時(shí)，巨噬細(xì) 胞衍生的HIF-la在促進(jìn)變應(yīng)原激發(fā)的炎癥和血管生成中起關(guān) 鍵作用，通過產(chǎn)生血管生成因子和向內(nèi)皮募集內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial progenitor cells z EPCs) z促進(jìn)血管生成16,同時(shí) HIF-la 在 EPCs 中的 過度表達(dá) 又能導(dǎo)致EPCs的動員、募集及其功能的增加，進(jìn)一步導(dǎo)致血管 生成增加17 z促進(jìn)氣道重塑。2.1.3 HIF-1與其他炎癥細(xì)胞中性粒細(xì)胞作為早期炎癥細(xì)胞，在哮喘發(fā)病過程中主要參與氣道炎癥細(xì)胞浸 潤及AHR等相關(guān)炎癥反應(yīng)，中性粒細(xì)胞在氣道中的漫潤增加，已形成一種 新的哮喘炎癥表型一一中性粒細(xì)胞性

9、哮喘，這與臨床上難治性哮喘及重癥哮 喘密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)缺氧和HIF-1是中性粒細(xì)胞存活和功 能調(diào)節(jié)的關(guān)鍵 途徑的一部分，炎癥狀態(tài)下，HIF-la可抑制中性粒細(xì)胞凋亡，且增強(qiáng)中性 粒細(xì)胞滅菌能力18。HIF-la可使嗜堿粒細(xì)胞適應(yīng)IgE介導(dǎo)的免疫刺激, 提高IL-4的表達(dá)，介導(dǎo)Th2相關(guān)反應(yīng)19 z這與哮喘 炎癥初期反應(yīng)相關(guān)。 而炎癥狀態(tài)下HIF-la的水平對于樹突狀細(xì)胞的成熟活化也起著很重要的作 用，能促進(jìn)變態(tài)反應(yīng)中的抗原提呈20。同時(shí)zHIF-1能使免疫調(diào)節(jié)失衡, 劉巧維21在煙霧暴露的哮喘氣道模型中發(fā)現(xiàn)，HIF-lc八介導(dǎo)Thl7/Treg 失衡，使Thl7細(xì)胞過度增殖，Treg細(xì)胞合成

10、減少，最終導(dǎo)致吸煙哮喘小鼠 發(fā)生以中性粒細(xì)胞浚潤為主的慢性氣道炎癥。2.2 HIF-1與氣道結(jié)構(gòu)細(xì)胞2.2.1 HIF-1 與 ASMCs在哮喘發(fā)病過程中，ASMCs不僅能作為收縮細(xì)胞調(diào)節(jié)AHR,還可以釋 放細(xì) 胞因子和趨化因子，表達(dá)細(xì)胞黏附分子，促進(jìn)免疫細(xì)胞的募集和相互作用， 加重氣道炎癥反應(yīng)，同時(shí)氣道平滑肌的增殖將導(dǎo)致氣道壁的增厚z加重氣道 重塑。Zhang等22研究發(fā)現(xiàn)HIF-la|g促進(jìn)體外大鼠平滑 肌細(xì)胞增殖, MiRNA類似物MiR- 199a-5P能下調(diào)其表達(dá)，影響平滑肌細(xì)胞增殖。在HIF- 1過度誘導(dǎo)條件下培養(yǎng)去上皮的氣管條可增強(qiáng)其對乙酰膽堿(acetylcholine Z A

11、Ch)的收縮反應(yīng)，提示HIF-1可能參與調(diào)節(jié)氣道張力。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， HIF-lcV選擇性介導(dǎo)ACh誘導(dǎo)的ASMCs的 收縮增強(qiáng)，且可能是以促進(jìn)細(xì) 胞內(nèi)鈣釋放及胞外鈣轉(zhuǎn)移機(jī)制影響ASMCs收縮23。2.2.2 HIF-1 與 AECsAECs作為氣道保護(hù)細(xì)胞，具在哮喘的發(fā)病過程中能通過分泌相關(guān)細(xì)胞因子 及炎癥介質(zhì)參與氣道炎癥，而上皮細(xì)胞的脫落-重建過程又會引起炎癥 細(xì)胞 浚潤、黏膜滲出和氣道結(jié)構(gòu)變化。過去，HIF-la被認(rèn)為在先天免疫 反應(yīng)中 能促進(jìn)炎癥反應(yīng)，而近來的研究發(fā)現(xiàn)AECs中HIF-laW表達(dá)具有 組織特異 性，能抑制缺氧情況下的初級炎癥反應(yīng)，其機(jī)制可能與優(yōu)化糖 代謝有關(guān)，但 目前

12、尚未證實(shí)，同時(shí)AECs中HIF-la的激活能降低固有免 疫細(xì)胞的表面受 體的表達(dá),如Toll樣受體(Toll-like receptors , TLR)、腫瘤壞死因子及IL-8 , 抑制黏膜免疫的激活和TLR依賴的信號級聯(lián)反應(yīng)24 o HIF-IcqJ能保護(hù) AECs免受氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的屏障功能受損，其機(jī)制主要是誘導(dǎo)抗氧化蛋白 sestrin-2的表達(dá)及減少過氧化物還原酶的過氧化25。最后,缺氧情況下， 上皮細(xì)胞HIF-loW表達(dá)能上調(diào)氣道重塑 相關(guān)因子基質(zhì)全屬蛋白酶-9和轉(zhuǎn) 化生長因子 pi (transforming growth factor-pl, TGF 叩 1)的表達(dá)，促進(jìn)氣 道重塑

13、261 o2.3 HIF-1與相關(guān)細(xì)胞組分CCL2是趨化因子CC亞家族成員之一，它能夠招募嗜酸粒細(xì)胞和單核細(xì) 胞，激活嗜堿粒細(xì)胞和肥大細(xì)胞，并誘導(dǎo)白三烯C4釋放到氣道中，還可 以引導(dǎo)未分化的T淋巴細(xì)胞向IL-4產(chǎn)生的Th2細(xì)胞轉(zhuǎn)移，從而參與哮 喘 氣道炎癥發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)HIF-1可以在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)CCL2 ,而哮 喘患者 AECs中CCL2將過度表達(dá)，且急性發(fā)作的哮喘患者中更為顯著，Baay- Guzman等27的研究最后也證實(shí)了 HIF-la介導(dǎo)的過敏性炎癥反 應(yīng)可 能通過CCL2發(fā)揮重要作用。HIF-1對于免疫細(xì)胞的黏附功能也是 非常重 要的，CD18P2整合素能介導(dǎo)白細(xì)胞黏附作用，研究

14、發(fā)現(xiàn)其表達(dá) 受到HIF- 1的調(diào)控28 o Park等29在甲苯二異鼠酸酯誘發(fā)的哮喘中發(fā)現(xiàn)下調(diào) 的HIF-1/VEGFA通路能減少血管通透性及氣道炎癥，抑制IL-10的表達(dá)及 活性氧的生成，從而減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)，減少氣道炎癥損傷。因此z HIF-1 能調(diào)節(jié)相關(guān)細(xì)胞因子，增強(qiáng)氣道炎癥反應(yīng)。最后，HIF-1的表達(dá)增加，能上 調(diào)哮喘患者黏蛋白MUC5AC表達(dá)，引起氣道黏液高分泌30,加重氣道 炎癥反應(yīng)。3 HIF-1與哮喘氣道炎癥低氧微環(huán)境過敏性疾病通常以炎癥為特征，炎癥組織微環(huán)境主要表現(xiàn)為高濃度的乳酸、 還原性代謝物以及低水平的葡萄糖和氧的聚集，哮喘急性發(fā)作的同時(shí)又可能出現(xiàn)氣道痙攣進(jìn)一步加劇氣道炎

15、癥缺氧微環(huán)境。HIF-1作為氧穩(wěn)態(tài)的主要調(diào) 節(jié)者,能介導(dǎo)缺氧系列反應(yīng)，同時(shí)其調(diào)控的VEGF ,能促進(jìn)血管重塑和血管生成，從而增加組織血液供應(yīng)及改善組織氧含量。因此，HIF-1在低氧哮喘氣 道炎癥微環(huán)境中可能具有重要作用。Ahmad等31 在哮喘小鼠的急性和慢性變態(tài)反應(yīng)模型中分別在AECS中使用PHD-2抑制劑(DHB)及HIF- 1C (沉默,發(fā)現(xiàn)在沒有真正缺氧的情況 下, HIF-la可在過敏性哮喘反應(yīng)中誘發(fā)低氧反應(yīng)，而低氧反應(yīng)在哮喘中 的作用 是復(fù)雜且與環(huán)境相關(guān)的，輕度低氧反應(yīng)僅限于氣道上皮，具有保護(hù)作用，而夸張的彌漫性低氧反應(yīng)具有高度促炎性和促哮喘性。Baek等14進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在模擬哮

16、喘低氧的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)低氧聯(lián)合過敏原 激發(fā)比單獨(dú)過敏原刺激HIF-1的表達(dá)顯著增加,且具主要在支氣管周圍炎性細(xì)胞和氣道上皮中表達(dá)，同時(shí)趨化因子、氣道炎癥、TGF-P1和氣道 重塑也顯著增強(qiáng),其氣道炎癥也主要表現(xiàn)為中性粒細(xì)胞炎癥的增強(qiáng),而 哮喘惡化在成人中與中 性粒細(xì)胞炎癥有關(guān),在兒童中與嗜酸粒細(xì)胞及中 性粒細(xì)胞有關(guān)，因此這可能 對成人哮喘以及大約50%的兒童尤為重要。同時(shí)，低氧環(huán)境下嗜酸粒細(xì)胞HIF-1表達(dá)將上調(diào)z而抗凋亡Bel-xL蛋白 表達(dá)水平高于促凋亡Bax蛋白水平，引起嗜酸粒細(xì)胞凋亡延遲13 o因此，HIF-1在哮喘氣道炎癥低氧微環(huán)境中的表達(dá)不僅增加，而且能加劇 氣道炎癥反應(yīng)。4哮喘中

17、調(diào)節(jié)HIF-1表達(dá)的三大信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑4.1 HIF-1 與絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated proteinkinases, MAPKs）途徑MAPKs是一類絲/蘇氨酸蛋白激酶，廣泛存在于生物體內(nèi)，參與了 HIF-1 翻譯后的磷酸化修飾過程，且能通過級聯(lián)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑增加HIF-1活性， 而在哮喘的發(fā)病過程中能調(diào)節(jié)氣道炎癥細(xì)胞中HIF-1的表達(dá)，發(fā)揮不同作 用。Nissim Ben Efraim等用3研究發(fā)現(xiàn)人外周血嗜酸粒細(xì)胞中的粒細(xì) 胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子能誘導(dǎo)細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases f ERK1

18、/2)磷酸化，促進(jìn)其遷移和脫顆粒f且在缺 氧狀態(tài)下更明顯，而抑制ERK1/2磷酸化降低了 HIF-lofi勺表達(dá)，并減少 了嗜酸粒細(xì)胞遷移和脫顆粒作用，因此MAPKs信號途徑能上調(diào) 嗜酸粒細(xì) 胞HIF-1的表達(dá)，促進(jìn)嗜酸粒細(xì)胞遷移和脫顆粒作用，參與氣 道炎癥。 Sumbayev等19發(fā)現(xiàn)了人嗜堿粒細(xì)胞中HIF-1。蛋白的表達(dá)通 過 MAPKs途徑且呈IgE依賴式增加，Viemann等32又發(fā)現(xiàn)鎮(zhèn)誘導(dǎo)的 哮 喘小鼠模型中嗜堿粒細(xì)胞白積聚增加，而MAPKs途徑能調(diào) 控其轉(zhuǎn)錄激 活，進(jìn)一步證實(shí)了 HIF-1能在哮喘中通過調(diào)控嗜堿粒細(xì)胞影響氣道炎癥反 應(yīng)。4.2 HIF-1 與磷脂酰肌醇 3-激酶(p

19、hosphatidylinositol-3-kinases z PI3K)/蛋白質(zhì)絲氨酸蘇氨酸激酶(protein-serine-threonine kinase z Akt)途徑HIF-1 mRNA的翻譯被認(rèn)為是由PI3K通路調(diào)控的，同時(shí)HIF-1&乍為一種 磷酸化蛋白，缺氧條件下，多種信號分子能通過PI3K/Akt途徑激活A(yù)kt,上 調(diào)其表達(dá)并磷酸化，在哮喘的發(fā)病過程中該轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑也能通過調(diào)節(jié)HIF- 100勺表達(dá)來影響哮喘發(fā)展。Lee等33發(fā)現(xiàn)0VA誘導(dǎo)的肥大細(xì) 胞中 HIFJc八達(dá)上調(diào)，同時(shí)VEGF的水平也相應(yīng)上調(diào)，并增強(qiáng)了 Th2反應(yīng)，該過 程是以PI3K/Akt通路實(shí)現(xiàn)的。在

20、兔氣道平滑肌體外實(shí)驗(yàn)中，Wang等34在哮喘小鼠ASMCs中發(fā)現(xiàn)肌動蛋白和I型膠原蛋白表達(dá) 水平的變 化與Akt磷酸化水平呈正相關(guān)，氣道內(nèi)給予Akt抑制劑后能下 調(diào)氣道平滑 肌肌動蛋白、I型膠原蛋白、纖維蛋白原的表達(dá)，上調(diào)鈣黏 蛋白的表達(dá)及減 輕氣道炎癥，因此阻斷該信號通路能減輕哮喘氣道炎癥并在早期階段不利 于氣道重塑。Choi等35發(fā)現(xiàn)蛋白激酶C6能抑制PI3k/Akt途徑相關(guān)的 mTOR的表達(dá),下調(diào)HIF-13VEGF，減輕氣道變 應(yīng)性炎癥。4.3 HIF-1 與核因子 KB(nuclear factor kappa-B , NF*B)途徑NF-kB信號途徑是指哺乳動物的轉(zhuǎn)錄因子NF-KB

21、家族，由p50、p52、 REL、REL-A和REL-B組成，其二聚化后將形成有功能的NF-二。HIF-l c 啟動子的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)197/188位置含有一個(gè)NF*B結(jié)合位點(diǎn)，并能調(diào) 控HIF-1O0勺轉(zhuǎn)錄，同時(shí)HIF-la mRNA主要由NF-kB,特異性蛋白1和轉(zhuǎn) 錄激活因子3合成36,37,38,39。Tsapournioti 40研究發(fā)現(xiàn)在 人ASMCs中腫瘤壞死因子atE通過NF-kB途徑上調(diào)HIF-la mRNA轉(zhuǎn) 錄 水平從而使勺表達(dá)增加，而Jiang等41在AECs中也有類似 發(fā)現(xiàn)。此 外，又有研究者發(fā)現(xiàn)IL-1 p能通過NF-kB途徑誘導(dǎo)HIF-1表達(dá)乙上調(diào)哮喘 患者M(jìn)UC5AC表達(dá)，引起杯狀細(xì)胞中氣道黏液分泌增加30 o 因此z NF-kB信號途徑可能主要與氣道結(jié)構(gòu)細(xì)胞中HIF-1的表達(dá)有關(guān)。布地奈德作為常見的哮喘控制藥物，不僅具有抗炎能力還能通過非特異性 的抑制HIF-1/VEGF的表達(dá)抑制哮喘小鼠氣道新生血管的生成42 z而 HIF-1Q特異性抑制劑在哮喘中的研究主要有2種：YC-1是一種已應(yīng)用于 體內(nèi)的HIF-1抑制劑，通過降低HIF-1 mRNA的翻譯，促進(jìn)HIF-1 a泛素 化蛋白水解，激活H嚇-