梁麗霞 朱黎明 曾丹 戴愛國

1南華大學附屬南華醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科,衡陽421002;2湖南省人民醫(yī)院呼吸內(nèi)科,長沙410016;3湖南省人民醫(yī)院呼吸疾病研究所,長沙410016;4湖南中醫(yī)藥大學,長沙410208

支氣管哮喘(哮喘)是一種以慢性氣道炎癥和氣道高反應為特征的異質(zhì)性疾病,目前發(fā)病機制尚未完全明確,氣道免疫-炎癥機制作為最重要的發(fā)病機制之一,包括氣道炎癥形成機制、氣道高反應性(airway hyper reactivity,AHR)和氣道重塑。研究發(fā)現(xiàn)哮喘患者的平滑肌細胞、黏膜下層和支氣管肺泡灌洗液中缺氧誘導因子1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)的表達不僅明顯增加[1-4],而且能引起氣道炎性細胞浸潤、AHR及氣道重塑,參與哮喘氣道炎癥反應[5-7]。

1 HIF-1概述

HIF-1是機體在缺氧條件下產(chǎn)生的氧依賴性缺氧反應元件,α亞基和β亞基共同構(gòu)成穩(wěn)定的HIF-1。HIF-1α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-1β是一種結(jié)構(gòu)性亞基,又叫芳香烴受體核轉(zhuǎn)位子,其編碼基因位于人1號染色體q21區(qū)、小鼠3號染色體上。HIF-1在哺乳動物中均有表達,且廣泛分布于人體各個臟器和組織中。常氧下,HIF-1α表達減少、活性及功能受抑制,并通過泛素-蛋白酶解系統(tǒng)降解處于低表達狀態(tài),缺氧及炎癥條件下,HIF-1α較常氧條件下表達增加,降解受阻。HIF-1β不受氧濃度影響,主要介導HIF-1α的核轉(zhuǎn)運,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、細胞因子、活性氧族和鐵離子鰲合劑等能通過多種機制調(diào)節(jié)HIF-1α的活性和功能[8],同時香煙中的尼古丁也能激活HIF-1α,增加其表達[9]。

2 HIF-1與哮喘氣道炎癥

哮喘是一種由髓系炎癥細胞(嗜酸粒細胞、巨噬細胞、肥大細胞、T淋巴細胞、中性粒細胞等),氣道結(jié)構(gòu)細胞如氣道上皮細胞(airway epithelial cells,AECs),氣道平滑肌細胞(airway smooth muscle cells,ASMCs),杯狀細胞等和相關(guān)細胞因子,炎癥介質(zhì)等細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)炎癥細胞的能量代謝,使其進行有氧代謝向無氧代謝的轉(zhuǎn)換,減少ATP耗竭,防止炎癥效應細胞死亡,還能作為炎癥細胞炎癥能力的主要調(diào)節(jié)因子,影響炎癥反應[10-11]。Crotty Alexander等[12]在卵清蛋白(ovalbumin,OVA)誘導的小鼠哮喘模型中發(fā)現(xiàn),髓系細胞中HIF-1的缺失減少了嗜酸粒細胞浸潤、杯狀細胞增生以及細胞因子IL-4、IL-5和IL-13在肺中的水平,HIF-1抑制劑Lificiguat(YC-1)應用后能降低哮喘小鼠支氣管肺泡灌洗液、肺實質(zhì)和血液中的嗜酸粒細胞、肺部整體炎癥、IL-5和血清OVA特異性IgE的水平,同時髓系細胞中HIF-1的敲除將導致小鼠未發(fā)生AHR,進一步實驗發(fā)現(xiàn),減少嗜酸粒細胞、巨噬細胞、中性粒細胞和肥大細胞中的HIF-1,將導致氣道平滑肌對過敏性刺激的反應減弱,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個方面來闡述HIF-1在哮喘氣道炎癥機制中的影響。

2.1 HIF-1與髓系炎癥細胞

2.1.1 HIF-1與嗜酸粒細胞 嗜酸粒細胞是哮喘炎癥過程中的核心炎癥細胞,具有抗原提呈、終末效應細胞功能及免疫調(diào)節(jié)作用。HIF-1在嗜酸粒細胞中表達能調(diào)節(jié)嗜酸粒細胞趨化性和存活率[13-14],在哮喘患者中的研究發(fā)現(xiàn)HIF-1可誘導哮喘患者嗜酸粒細胞增多,體外嗜酸粒細胞實驗進一步證實HIF-1主要是通過影響嗜酸粒細胞趨化因子1、巨噬細胞炎癥蛋白1α,促使嗜酸粒細胞靶向過敏性炎癥部位,而經(jīng)過活化后的嗜酸粒細胞將釋放堿性蛋白、嗜酸性陽離子蛋白、白三烯、前炎癥細胞因子等造成氣道上皮的損傷,導致氣道高反應[12]。同時,嗜酸粒細胞中HIF-1的表達能促進血管內(nèi)皮細胞增殖、誘導內(nèi)皮細胞產(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受體使這些細胞對VEGF更敏感,這可能與哮喘氣道重塑相關(guān)[15]。

2.1.2 HIF-1與巨噬細胞 巨噬細胞被認為是非病變肺中免疫細胞類型最多的一種,在哮喘發(fā)生過程中主要起著抗原提呈、炎癥效應細胞作用,參與哮喘炎癥反應和血管生成。研究發(fā)現(xiàn)在塵螨誘導的小鼠哮喘模型中,HIF-1拮抗劑組中肺泡巨噬細胞數(shù)量明顯增加,同時抑制了氣道炎癥和AHR,因此HIF-1能抑制氣道巨噬細胞浸潤,促進氣道炎癥及氣道高反應[12]。同時,巨噬細胞衍生的HIF-1α在促進變應原激發(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)皮祖細胞(endothelial progenitor cells,EPCs),促進血管生成[16],同時HIF-1α在EPCs中的過度表達又能導致EPCs的動員、募集及其功能的增加,進一步導致血管生成增加[17],促進氣道重塑。

2.1.3 HIF-1與其他炎癥細胞 中性粒細胞作為早期炎癥細胞,在哮喘發(fā)病過程中主要參與氣道炎癥細胞浸潤及AHR等相關(guān)炎癥反應,中性粒細胞在氣道中的浸潤增加,已形成一種新的哮喘炎癥表型——中性粒細胞性哮喘,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-1α可抑制中性粒細胞凋亡,且增強中性粒細胞滅菌能力[18]。HIF-1α可使嗜堿粒細胞適應IgE介導的免疫刺激,提高IL-4的表達,介導Th2相關(guān)反應[19],這與哮喘炎癥初期反應相關(guān)。而炎癥狀態(tài)下HIF-1α的水平對于樹突狀細胞的成熟活化也起著很重要的作用,能促進變態(tài)反應中的抗原提呈[20]。同時,HIF-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-1α能介導Th17/Treg失衡,使Th17細胞過度增殖,Treg細胞合成減少,最終導致吸煙哮喘小鼠發(fā)生以中性粒細胞浸潤為主的慢性氣道炎癥。

2.2 HIF-1與氣道結(jié)構(gòu)細胞

2.2.1 HIF-1與ASMCs 在哮喘發(fā)病過程中,ASMCs不僅能作為收縮細胞調(diào)節(jié)AHR,還可以釋放細胞因子和趨化因子,表達細胞黏附分子,促進免疫細胞的募集和相互作用,加重氣道炎癥反應,同時氣道平滑肌的增殖將導致氣道壁的增厚,加重氣道重塑。Zhang等[22]研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α能促進體外大鼠平滑肌細胞增殖,MiRNA類似物MiR-199a-5p能下調(diào)其表達,影響平滑肌細胞增殖。在HIF-1過度誘導條件下培養(yǎng)去上皮的氣管條可增強其對乙酰膽堿(acetylcholine,ACh)的收縮反應,提示HIF-1可能參與調(diào)節(jié)氣道張力。進一步研究發(fā)現(xiàn),HIF-1α能選擇性介導ACh誘導的ASMCs的收縮增強,且可能是以促進細胞內(nèi)鈣釋放及胞外鈣轉(zhuǎn)移機制影響ASMCs收縮[23]。

2.2.2 HIF-1與AECs AECs作為氣道保護細胞,其在哮喘的發(fā)病過程中能通過分泌相關(guān)細胞因子及炎癥介質(zhì)參與氣道炎癥,而上皮細胞的脫落-重建過程又會引起炎癥細胞浸潤、黏膜滲出和氣道結(jié)構(gòu)變化。過去,HIF-1α被認為在先天免疫反應中能促進炎癥反應,而近來的研究發(fā)現(xiàn)AECs中HIF-1α的表達具有組織特異性,能抑制缺氧情況下的初級炎癥反應,其機制可能與優(yōu)化糖代謝有關(guān),但目前尚未證實,同時AECs中HIF-1α的激活能降低固有免疫細胞的表面受體的表達,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[24]。HIF-1α還能保護AECs免受氧化應激誘導的屏障功能受損,其機制主要是誘導抗氧化蛋白sestrin-2的表達及減少過氧化物還原酶的過氧化[25]。最后,缺氧情況下,上皮細胞HIF-1α的表達能上調(diào)氣道重塑相關(guān)因子基質(zhì)金屬蛋白酶-9和轉(zhuǎn)化生長因子 β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)的 表 達,促進氣道重塑[26]。

2.3 HIF-1與相關(guān)細胞組分 CCL2是趨化因子CC亞家族成員之一,它能夠招募嗜酸粒細胞和單核細胞,激活嗜堿粒細胞和肥大細胞,并誘導白三烯C4釋放到氣道中,還可以引導未分化的T淋巴細胞向IL-4產(chǎn)生的Th2細胞轉(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,且急性發(fā)作的哮喘患者中更為顯著,Baay-Guzman等[27]的研究最后也證實了HIF-1α介導的過敏性炎癥反應可能通過CCL2發(fā)揮重要作用。HIF-1對于免疫細胞的黏附功能也是非常重要的,CD18β2整合素能介導白細胞黏附作用,研究發(fā)現(xiàn)其表達受到HIF-1的調(diào)控[28]。Park等[29]在甲苯二異氰酸酯誘發(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的表達及活性氧的生成,從而減輕氧化應激反應,減少氣道炎癥損傷。因此,HIF-1能調(diào)節(jié)相關(guān)細胞因子,增強氣道炎癥反應。最后,HIF-1的表達增加,能上調(diào)哮喘患者黏蛋白MUC5AC表達,引起氣道黏液高分泌[30],加重氣道炎癥反應。

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)作的同時又可能出現(xiàn)氣道痙攣進一步加劇氣道炎癥缺氧微環(huán)境。HIF-1作為氧穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)者,能介導缺氧系列反應,同時其調(diào)控的VEGF,能促進血管重塑和血管生成,從而增加組織血液供應及改善組織氧含量。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)反應模型中分別在AECS中使用PHD-2抑制劑(DHB)及HIF-1α沉默,發(fā)現(xiàn)在沒有真正缺氧的情況下,HIF-1α可在過敏性哮喘反應中誘發(fā)低氧反應,而低氧反應在哮喘中的作用是復雜且與環(huán)境相關(guān)的,輕度低氧反應僅限于氣道上皮,具有保護作用,而夸張的彌漫性低氧反應具有高度促炎性和促哮喘性。Baek等[14]進一步研究發(fā)現(xiàn)在模擬哮喘低氧的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)低氧聯(lián)合過敏原激發(fā)比單獨過敏原刺激HIF-1的表達顯著增加,且其主要在支氣管周圍炎性細胞和氣道上皮中表達,同時趨化因子、氣道炎癥、TGF-β1和氣道重塑也顯著增強,其氣道炎癥也主要表現(xiàn)為中性粒細胞炎癥的增強,而哮喘惡化在成人中與中性粒細胞炎癥有關(guān),在兒童中與嗜酸粒細胞及中性粒細胞有關(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,低氧環(huán)境下嗜酸粒細胞HIF-1表達將上調(diào),而抗凋亡Bcl-x L蛋白表達水平高于促凋亡Bax蛋白水平,引起嗜酸粒細胞凋亡延遲[13]。因此,HIF-1在哮喘氣道炎癥低氧微環(huán)境中的表達不僅增加,而且能加劇氣道炎癥反應。

4 哮喘中調(diào)節(jié)HIF-1表達的三大信號轉(zhuǎn)導途徑

4.1 HIF-1與絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,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)氣道炎癥細胞中HIF-1的表達,發(fā)揮不同作用。Nissim Ben Efraim等[13]研究發(fā)現(xiàn)人外周血嗜酸粒細胞中的粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子能誘導細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK1/2)磷酸化,促進其遷移和脫顆粒,且在缺氧狀態(tài)下更明顯,而抑制ERK1/2磷酸化降低了HIF-1α的表達,并減少了嗜酸粒細胞遷移和脫顆粒作用,因此MAPKs信號途徑能上調(diào)嗜酸粒細胞HIF-1的表達,促進嗜酸粒細胞遷移和脫顆粒作用,參與氣道炎癥。Sumbayev等[19]發(fā)現(xiàn)了人嗜堿粒細胞中HIF-1α蛋白的表達通過MAPKs途徑且呈IgE依賴式增加,Viemann等[32]又發(fā)現(xiàn)鎳誘導的哮喘小鼠模型中嗜堿粒細胞HIF-1α蛋白積聚增加,而MAPKs途徑能調(diào)控其轉(zhuǎn)錄激活,進一步證實了HIF-1能在哮喘中通過調(diào)控嗜堿粒細胞影響氣道炎癥反應。

4.2 HIF-1與磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinases,PI3K)/蛋白質(zhì)絲氨酸蘇氨酸激酶(proteinserine-threonine kinase,Akt)途徑 HIF-1 mRNA的翻譯被認為是由PI3K通路調(diào)控的,同時HIF-1α作為一種磷酸化蛋白,缺氧條件下,多種信號分子能通過PI3K/Akt途徑激活Akt,上調(diào)其表達并磷酸化,在哮喘的發(fā)病過程中該轉(zhuǎn)導途徑也能通過調(diào)節(jié)HIF-1α的表達來影響哮喘發(fā)展。Lee等[33]發(fā)現(xiàn)OVA誘導的肥大細胞中HIF-1α表達上調(diào),同時VEGF的水平也相應上調(diào),并增強了Th2反應,該過程是以PI3K/Akt通路實現(xiàn)的。在兔氣道平滑肌體外實驗中,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,上調(diào)鈣黏蛋白的表達及減輕氣道炎癥,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Cδ能抑制PI3k/Akt途徑相關(guān)的m TOR的表達,下調(diào)HIF-1α/VEGF,減輕氣道變應性炎癥。

4.3 HIF-1與核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)途徑 NF-κB信號途徑是指哺乳動物的轉(zhuǎn)錄因子NF-κB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-κB。HIF-1α啟動子的轉(zhuǎn)錄起始位點197/188位置含有一個NF-κB結(jié)合位點,并能調(diào)控HIF-1α的轉(zhuǎn)錄,同時HIF-1αm RNA主要由NF-κB、特異性蛋白1和轉(zhuǎn)錄激活因子3合成[36-39]。Tsapournioti等[40]研究發(fā)現(xiàn)在人ASMCs中腫瘤壞死因子α能通過NF-κB途徑上調(diào)HIF-1αmRNA轉(zhuǎn)錄水平從而使HIF-1α的表達增加,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-1β能通過NF-κB途徑誘導HIF-1表達,上調(diào)哮喘患者MUC5AC表達,引起杯狀細胞中氣道黏液分泌增加[30]。因此,NF-κB信號途徑可能主要與氣道結(jié)構(gòu)細胞中HIF-1的表達有關(guān)。

5 HIF-1抑制劑與哮喘氣道炎癥

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的表達抑制哮喘小鼠氣道新生血管的生成[42],而HIF-1α特異性抑制劑在哮喘中的研究主要有2種：YC-1是一種已應用于體內(nèi)的HIF-1抑制劑,通過降低HIF-1 m RNA的翻譯,促進HIF-1α泛素化蛋白水解,激活HIF-1的C末端反式激活域并防止轉(zhuǎn)錄激活子P300向哺乳動物細胞中HIF-1靶基因募集刺激因子從而抑制HIF-1。Wang等[43]發(fā)現(xiàn)YC-1能降低OVA誘導的大鼠肺和鼻黏膜嗜酸粒細胞浸潤,抑制NF-κB和過氧化物酶體增殖物激活受體介導的炎癥通路,從而在哮喘的治療中可能具有臨床價值。2-甲基雌二醇(2-Mercaptoethanol,2-ME)是雌激素代謝產(chǎn)物,由兒茶酚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶介導的2-羥基雌二醇O-甲基化生成,具有抑制HIF-1α和HIF-2α的蛋白合成,并影響核易位抑制其轉(zhuǎn)錄活性。Eltzschig等[5]研究發(fā)現(xiàn)在OVA誘導的哮喘小鼠模型中,2-ME組小鼠肺組織血管周圍、支氣管周圍、間質(zhì)組織HIF-1、VEGF表達顯著降低,而OVA特異性IgE抗體也顯著降低,減少了血管周圍和支氣管周圍肺組織的細胞浸潤、杯狀細胞黏液的產(chǎn)生、氣道纖維化、平滑肌增生和血管的厚度以及嗜酸粒細胞的浸潤,對抗原誘導的氣道重塑的逆轉(zhuǎn)和預防是有效的。

6 小結(jié)與展望

綜上所述,HIF-1α在哮喘發(fā)病過程中不僅能調(diào)節(jié)炎癥細胞存活還能調(diào)控其炎癥能力,參與炎癥細胞浸潤、免疫失衡及氧化應激等氣道炎癥反應,引起氣道高反應及氣道重塑。而哮喘氣道炎癥引發(fā)的低氧環(huán)境中,HIF-1α的表達能加劇炎癥反應。MAPKs、PI3K/Akt、NF-κB三大轉(zhuǎn)導途徑能調(diào)節(jié)哮喘發(fā)病過程中HIF-1α的表達,抑制HIF-1α表達的抑制劑在哮喘中的研究雖然不多,但其將具有重要的臨床應用價值,尤其在嗜酸粒細胞表型及中性粒細胞表型中。因此,有效、生物利用度高、不良反應少的HIF-1α抑制劑研究可能成為哮喘控制的新思路。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突