林紅衛(wèi) 金發(fā)光

第四軍醫(yī)大學(xué)附屬唐都醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科,西安710000

急性肺損傷 (acute lung injury,ALI)是由各種肺內(nèi)和肺外致傷因素所致的急性低氧性呼吸功能不全。目前雖然特殊ICU 和肺保護(hù)性機械通氣策略已經(jīng)出現(xiàn),神經(jīng)肌肉阻滯劑和干細(xì)胞治療正在開發(fā)中,但很少有其他方法在ARDS的治療中被證明是有效的,這仍然是一個亟待解決的臨床問題,迫切需要進(jìn)一步研究ALI/ARDS 的發(fā)病機制,發(fā)展判斷疾病嚴(yán)重程度、治療反應(yīng)和預(yù)后的生物標(biāo)志物。缺氧誘導(dǎo)因子1 (hypoxia-inducible factor 1,HIF-1)是調(diào)節(jié)細(xì)胞缺氧應(yīng)答的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,是許多氧依賴性生理和病理生理過程的核心成分。ALI導(dǎo)致缺氧的發(fā)生,而缺氧也是調(diào)控HIF-1 的主要因素之一。實驗研究發(fā)現(xiàn),HIF-1途徑與ALI密切相關(guān)。近年來,關(guān)于HIF-1與ALI的研究逐漸成為一個熱點。

1 ALI

1.1 概述 ALI 和更嚴(yán)重 [氧合指數(shù)＜200 mm Hg(1 mm Hg=0.133 k Pa)]的ARDS是急性全身炎癥過程的肺部表現(xiàn),臨床表現(xiàn)為雙側(cè)肺浸潤和嚴(yán)重的低氧血癥。ALI/ARDS的病因很多,包括但不限于感染、創(chuàng)傷、藥物效應(yīng)、膿毒血癥、攝入物、吸入物、淹溺、休克、急性嗜酸粒細(xì)胞肺炎、呼吸機使用、免疫介導(dǎo)的肺出血和血管炎以及放射性肺炎。ARDS的總發(fā)病率尚不清楚,據(jù)報道每年每10萬人中約有2～8 例ARDS;ALI則更為常見,每年每10萬人中約有25例[1]。另有文獻(xiàn)報道,在美國每年大約有15萬人被診斷為ARDS[2]。ALI和ARDS主要發(fā)生在年輕、以前體健的人群中,每年造成全世界數(shù)以萬計的成人和兒童死亡,給患者個人和社會帶來了極大的負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計,ARDS的病死率一直保持在40%左右[3]。

1.2 ALI的發(fā)病機制 ALI和ARDS的發(fā)展和嚴(yán)重程度與肺泡巨噬細(xì)胞活化后中性粒細(xì)胞向肺部遷移密切相關(guān)[4]。同時肺泡上皮和中性粒細(xì)胞釋放趨化因子 (如CXCL-8、ENA-78)、促炎細(xì)胞因子 [如IL-1、IL-6、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)]、急性期反應(yīng)物 (如C反應(yīng)蛋白)和基質(zhì)金屬蛋白酶 (如基質(zhì)金屬蛋白酶9),過度的中性粒細(xì)胞炎癥會導(dǎo)致肺泡上皮細(xì)胞外基質(zhì)破壞和通透性增加,損傷肺泡-毛細(xì)血管屏障[5-6],引起非心源性肺水腫的發(fā)展。Takeuchi和Akira[7]的研究表明模式識別受體在ALI過程中可啟動炎癥信號級聯(lián)效應(yīng),釋放TNF-α、IL-8等促炎細(xì)胞因子,同時刺激細(xì)胞凋亡或自噬。在一項小鼠研究中,Toll樣受體 (Toll-like receptors,TLRs)信號通路已被證明參與ARDS的發(fā)展過程,組織損傷后產(chǎn)生的透明質(zhì)酸降解產(chǎn)物與TLR4和TLR2相互作用,能夠誘導(dǎo)ALI的炎癥反應(yīng),該研究還報道了肺上皮細(xì)胞中高分子量透明質(zhì)酸的過表達(dá)對肺損傷和細(xì)胞凋亡具有保護(hù)作用[8]。此外,補體的血管內(nèi)活化可導(dǎo)致中性粒細(xì)胞活化、隔離并黏附于肺毛細(xì)血管內(nèi)皮,導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷壞死和ALI。肺泡內(nèi)補體的激活可導(dǎo)致補體和中性粒細(xì)胞依賴的ALI,引發(fā)細(xì)胞因子或趨化因子風(fēng)暴,加重ALI[9]。值得注意的是,ARDS的后續(xù)過程是可變的。部分患者肺泡水腫液再吸收,肺泡上皮損傷區(qū)域修復(fù),臨床呼吸衰竭恢復(fù)。其他患者肺泡水腫持續(xù),隨后逐漸出現(xiàn)肺泡內(nèi)纖維化和瘢痕[10]。

2 HIF-1

2.1 概述 HIF-1 最初是由Semenza和Wang[11]在1992年研究缺氧誘導(dǎo)的促紅細(xì)胞生成素基因表達(dá)時從細(xì)胞核中提取出的一種蛋白質(zhì),廣泛存在于機體細(xì)胞中。目前HIF-1作為調(diào)節(jié)細(xì)胞對氧張力變化反應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄因子被廣泛共識[12]。HIF-1調(diào)節(jié)參與能量代謝、增殖和細(xì)胞外基質(zhì)重組的基因,從而影響血管張力的調(diào)節(jié)、缺血性心血管功能障礙、低氧性肺動脈高壓、腫瘤的發(fā)生和發(fā)展、糖和能量的代謝、鐵的代謝、休克及炎癥等生理和病理生理過程。

2.2 HIF-1 的結(jié)構(gòu)與活性調(diào)節(jié) HIF-1 是一種異源二聚體,由功能亞基HIF-1α和被稱為芳香烴受體核轉(zhuǎn)運蛋白的結(jié)構(gòu)亞基HIF-1β組成[13]。HIF-1α活性亞基的C 末端含有2個反式激活結(jié)構(gòu)域、1個富含脯氨酸-絲氨酸-蘇氨酸的氧依賴性降解區(qū)以及1個抑制域。HIF-1有2種轉(zhuǎn)錄共激活因子：CREB結(jié)合蛋白和p300,這2種轉(zhuǎn)錄共激活因子與反式激活結(jié)構(gòu)域的相互作用是轉(zhuǎn)錄激活的必要條件[14]。HIF-1β亞基在細(xì)胞內(nèi)比較穩(wěn)定,HIF-1α亞基的穩(wěn)定性隨細(xì)胞內(nèi)氧含量的變化而波動,其機制與PHDs-HIFs-p VHL通路密切相關(guān)。脯氨酸羥化酶 (prolyl hydroxylase domain proteins,PHDs)是一類Fe2+依賴性、以氧分子為底物的蛋白質(zhì),目前只有PHD1、PHD2、PHD3 參與HIF-1α的羥基化作用。在常氧條件下,PHDs用氧分子羥化HIF-1α亞基中的2 個脯氨酸殘基,羥基化的脯氨酸殘基被希佩爾·林道病腫瘤抑制蛋白/E3泛素-連接酶復(fù)合物識別,導(dǎo)致HIF-1α亞基進(jìn)行蛋白酶體途徑水解[15]。在缺氧條件下,沒有足夠的氧氣供PHDs羥化HIF-1α亞基,HIF-1α亞基不能被希佩爾·林道病腫瘤抑制蛋白識別和進(jìn)一步降解,從而保持其含量的穩(wěn)定性。HIF-1α進(jìn)入細(xì)胞核后與HIF-1β結(jié)合形成HIF-1異源二聚體,結(jié)合目標(biāo)基因啟動子中的缺氧反應(yīng)原件,從而驅(qū)動HIF-1依賴的轉(zhuǎn)錄程序[16]。

2.3 HIF-1在肺中的生物學(xué)效應(yīng) 細(xì)胞對氧波動的反應(yīng)在很大程度上由HIF所介導(dǎo)。氧氣被吸入后,第一個接觸到的器官是肺,但目前對肺HIF-1氧敏感通路的認(rèn)識比較有限。在肺血管方面,Brusselmans等[17]的研究表明HIF-1α缺失的雜合子小鼠暴露于慢性缺氧環(huán)境中,其肺動脈高壓進(jìn)程受阻,部分原因是肺血管重構(gòu)受限。相反,攜帶R200W 突變VHL 的小鼠,因不能有效地降解HIF-1,導(dǎo)致其更容易發(fā)生肺動脈高壓[18]。其次,HIF-1在肺動脈平滑肌細(xì)胞的活性與缺氧誘導(dǎo)的肺血管重構(gòu)密切相關(guān)。體外培養(yǎng)的肺動脈平滑肌細(xì)胞在常氧狀態(tài)下可以表達(dá)HIF-1α信號,而在缺氧狀態(tài)下HIF-1α信號的表達(dá)進(jìn)一步增強。Ball等[19]的研究顯示他莫昔芬誘導(dǎo)的平滑肌特異性HIF-1缺失可減弱慢性缺氧條件下肺血管重構(gòu)和肺動脈高壓。另一項研究顯示,當(dāng)肺動脈平滑肌細(xì)胞特異性HIF-1α 失活的SM22-Cre小鼠暴露于缺氧狀態(tài)下,細(xì)動脈肌化程度有降低的趨勢,且HIF-1α可通過抑制肌球蛋白輕鏈磷酸化來減少血管張力[20]。關(guān)于HIF-1α在氣道上皮的作用機制方面,Sherman等[21]的研究證實了在缺氧的Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞中,HIF相關(guān)通路和炎性小體激活過程中相關(guān)蛋白的表達(dá)顯著增加。其次,有研究證實肺神經(jīng)上皮小體對持續(xù)或慢性缺氧的反應(yīng)與PHD-HIF 依賴機制有關(guān)。在人類和動物模型中,缺氧導(dǎo)致神經(jīng)上皮小體的增生,PHD1 和PHD3被證實參與了這一反應(yīng)[22]。此外,許多關(guān)于HIF-1在肺生物學(xué)作用的研究都側(cè)重于慢性缺氧方面,因此有必要進(jìn)一步研究急性缺氧狀態(tài)下的HIF-1依賴性通路,以探索肺組織中新的氧敏感相關(guān)分子和細(xì)胞適應(yīng)性機制。

3 HIF-1與ALI

3.1 HIF-1與ALI的發(fā)病機制

3.1.1 HIF-1與ALI缺氧 缺氧是ALI的表現(xiàn)之一,可以導(dǎo)致肺功能和肺損傷修復(fù)的失常。ALI的早期事件包括毛細(xì)血管內(nèi)皮損傷、肺泡上皮細(xì)胞的凋亡和肺水腫,而晚期以Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞的反應(yīng)性增生為主,進(jìn)而導(dǎo)致肺纖維化。有研究指出,HIF-1在肺缺血再灌注損傷中可導(dǎo)致肺血管功能障礙[23],而在腦缺血再灌注損傷誘導(dǎo)的肺損傷研究過程中則發(fā)現(xiàn),機體可能通過HIF-1α/血管內(nèi)皮生長因子信號通路上調(diào)抗氧化應(yīng)激活性,促進(jìn)血管生成和修復(fù)內(nèi)皮屏障,實現(xiàn)自我保護(hù)[24]。雖然這些研究都沒有測試HIF-1的缺失與檢測到的血管通透性變化是否直接相關(guān),但從表面上看,這些結(jié)果意味著HIF-1可能同時發(fā)揮屏障保護(hù)和屏障破壞的作用。關(guān)于肺泡上皮細(xì)胞損傷和隨后的肺纖維化,肺挫傷后低氧Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞的分子特征表明HIF-1α在其凋亡過程中起著重要作用[21]。通過炎癥水平的NO 上調(diào)HIF-1可能是上皮細(xì)胞創(chuàng)傷修復(fù)受到抑制的原因[25]。此外,有研究證實,上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化可以加劇ALI患者肺纖維化[26],這一過程中肺泡上皮細(xì)胞中的活性氧可以起到穩(wěn)定HIF-1α的作用[27]。雖然這些研究為HIF參與ALI的發(fā)展提供了間接證據(jù),但HIF-1在肺毛細(xì)血管通透性等方面的作用仍不乏爭議,因此目前還需要進(jìn)一步在多種肺損傷模型中研究HIF-1α,以確定其在ALI中的確切作用。

3.1.2 HIF-1與ALI的炎癥反應(yīng) ALI過程中存在正反饋的促炎效應(yīng),大量的炎癥因子會提高HIF-1的表達(dá),而增加的HIF-1又會刺激炎癥因子大量釋放,放大炎癥反應(yīng),加重肺損傷。Liu等[28]利用海水吸入性肺損傷大鼠模型研究證實,高滲通過激活A(yù)TM 和PI3K 促進(jìn)HIF-1α 的m RNA 表達(dá)和激活p38 抑制HIF-1α的蛋白降解2 種方式增加HIF-1α的表達(dá),HIF-1α的表達(dá)增加促進(jìn)大鼠肺泡巨噬細(xì)胞 (NR8383)中炎癥因子的產(chǎn)生,促進(jìn)大鼠肺組織炎癥。一項體外研究報道,由膿毒癥淋巴液培養(yǎng)的人Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞 (A549)和人肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞,其細(xì)胞活力顯著下降,炎癥細(xì)胞因子 (TNF-α、IL-6、IL-1)水平升高,利用免疫熒光定位及RT-PCR 檢測HIF-1的表達(dá)被激活[29]。這些結(jié)果初步表明,膿毒癥致急性肺炎癥損傷過程是通過HIF-1α依賴途徑發(fā)生的。此外,在ALI中HIF-1也可以作用到具體的炎癥因子,發(fā)揮促炎作用。Suresh等[30]的實驗表明,與野生型小鼠相比,Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞特異性HIF-1α條件敲除小鼠肺挫傷后各時間點肺損傷程度均顯著降低,促炎細(xì)胞因子如IL-1、IL-6、巨噬細(xì)胞炎性蛋白2的釋放明顯降低,這一過程是通過核轉(zhuǎn)錄因子κB介導(dǎo)的,且肺上皮細(xì)胞中的HIF-1被證明可以調(diào)節(jié)IL-1的啟動子活性,由此可以推斷Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞中HIF-1的活化是肺挫傷后急性炎癥的主要驅(qū)動因素。另一項研究顯示HIF-1α作用于TNF-α的下游,抑制血管擴(kuò)張刺激磷蛋白的表達(dá),調(diào)節(jié)急性肺部炎癥過程,這些分子在肺泡-毛細(xì)血管屏障的損傷中發(fā)揮重要作用[31]。

3.2 HIF-1與ALI的治療

3.2.1 HIF-1 抑制與ALI ALI的缺氧及炎癥反應(yīng)都與HIF-1密切相關(guān)。實驗證據(jù)表明,HIF-1參與了ALI的急性期與慢性期的全過程,目前很多研究都致力于通過藥物抑制HIF-1 途徑來治療ALI。阿托伐他汀可以通過下調(diào)HIF-1α-連環(huán)蛋白通路,降低百草枯中毒誘導(dǎo)的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化,減輕大鼠百草枯中毒引起的肺損傷和肺纖維化,且這種效應(yīng)與劑量有關(guān)[32]。鹽酸戊乙奎醚可以抑制HIF-1α、IL-1β和IL-6表達(dá)水平,減弱大鼠的重癥急性胰腺炎相關(guān)ALI的嚴(yán)重程度[33]。缺血前給予右美托咪定可通過調(diào)控PI3K/Akt/HIF-1α信號通路,在大鼠肺缺血再灌注損傷中起到保護(hù)作用[34-35]。5，7-二羥基-8-甲氧基黃酮對內(nèi)毒素誘導(dǎo)的ALI的保護(hù)機制與上調(diào)抗氧化酶、抑制核轉(zhuǎn)錄因子κB磷酸化和HIF-1的上調(diào)有關(guān)[36]。丙泊酚通過降低HIF-1α、Bcl-2/E1B-19k Da相互作用蛋白3 和細(xì)胞因子的產(chǎn)生,減少脂多糖誘導(dǎo)的大鼠肺上皮細(xì)胞凋亡,預(yù)防膿毒癥所致ALI[37]。此外,一些傳統(tǒng)中草藥也被證明可以通過抑制HIF-1 途徑治療ALI。大花紅景天萃取物通過下調(diào)HIF-1α的靶基因血漿內(nèi)皮素1 和血管內(nèi)皮生長因子的水平,保持肺泡-毛細(xì)血管屏障的完整性,減輕高原肺水腫[38]。丹參、白藜蘆醇等也被證明可以通過抑制HIF-1途徑來治療ALI[39-41],這為傳統(tǒng)中醫(yī)藥治療ALI提供了科學(xué)依據(jù),同時在ALI的藥物治療方面提供了新的研究思路。

3.2.2 HIF-1在ALI中的保護(hù)作用 雖然目前大多數(shù)研究都證實可以通過抑制HIF-1途徑減輕ALI,但在一些研究中,HIF-1卻被發(fā)現(xiàn)可以在多種病因?qū)е碌腁LI中起到保護(hù)作用。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以在損傷肺組織內(nèi)分化為肺毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞,增加肺泡表面活性物質(zhì)的分泌,減少炎癥反應(yīng),抑制炎癥介質(zhì)的釋放。百草枯中毒后肺組織中HIF-1α的表達(dá)上調(diào),通過血管內(nèi)皮生長因子的介導(dǎo)對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞發(fā)揮顯著的增殖動員作用[42]。在脂多糖聯(lián)合急性缺氧誘導(dǎo)ALI大鼠模型中,缺氧可通過激活肺泡巨噬細(xì)胞TLR4 信號通路加重ALI炎癥,靶向上調(diào)HIF-1α可以抑制TLR4基因啟動子活性,從而抑制TLR4表達(dá)和巨噬細(xì)胞炎癥,提示HIF-1α與TLR4的交互作用通路在ALI中的潛在治療和預(yù)防價值[43]。Eckle等[44]報道了HIF-1α通過優(yōu)化肺泡上皮碳水化合物代謝來減輕ALI。Magnani等[45]報道了HIF-1 介導(dǎo)的蛋白激酶Czeta降解可以穩(wěn)定質(zhì)膜鈉鉀ATP酶,以防止缺氧引起的肺損傷。這些研究揭示了HIF-1在ALI期肺保護(hù)中的驚人作用,為研究HIF-1 與ALI的治療提供了另一個重要的方向。

4 結(jié)語

ALI與ARDS的病理生理學(xué)表現(xiàn)為過度炎癥反應(yīng),通過破壞肺泡-毛細(xì)血管屏障導(dǎo)致富含蛋白的肺水腫液積聚,HIF-1是這些過程中的重要參與者,且參與過程是復(fù)雜的,尤其是關(guān)于HIF-1在肺血管滲漏方面的作用還存在爭議。此外,進(jìn)一步闡明HIF-1 在肺多種氧敏感通路中的作用,探索肺泡上皮細(xì)胞的凋亡機制都可能成為下一步研究的方向。在ALI的治療方面,雖然目前大多數(shù)研究都證實可以通過抑制HIF-1途徑減輕ALI,但在肺挫傷、移植和其他肺損傷的病例中卻發(fā)現(xiàn),HIF-1的升高對恢復(fù)和生存是有利的[14],這些都為HIF-1在ALI乃至危重癥醫(yī)學(xué)治療中的應(yīng)用提供了新思路。總之,更全面深入地了解HIF-1 在ALI/ARDS中的作用,有助于更好地理解這種常見肺部疾病的發(fā)病機制,并為新的治療方法提供新的靶點和預(yù)后生物標(biāo)志物。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突