缺氧诱导因子1在支气管哮喘气道炎症机制中的研究进展(全文)

1、2021年缺氧诱导因子1在支气管哮喘气道炎症机制中 的研究进展(全文)摘要缺氧诱导因子1 (HIF-1)是由娅基和卩亚基构成的异二聚体缺氧反应转录 因子，可调节100多种基因的表达，参与机体的免疫反应、细胞代谢、 诱导新生血管形成等过程，并通过多种途径引起支气管哮喘气道炎症反 应。本文将以此为切入点，对HIF-1在支气管哮喘气道炎症反应机制中 的硏究作一综述。支气管哮喘(哮喘)是一种以慢性气道炎症和气道高反应为特征的异质性 疾病，目前发病机制尚未完全明确，气道免疫-炎症机制作为最重要的发 病机制之一，包括气道炎症形成机制、气道高反应性(airway hyper reactivity z AHR

2、)和气道重塑。研究发现哮喘患者的平滑肌细胞、黏膜 下层和支气管肺泡灌洗液中缺氧诱导因子1 (hypoxia inducible factor-1 , HIF-1)的表达不仅明显增加1,2,3,4,而且能引起气道炎性细 胞浸润、AHR及气道重塑，参与哮喘气道炎症反应567。1 HIF-1概述HIF-1是机体在缺氧条件下产生的氧依赖性缺氧反应元件，a亚基和p亚 基共同构成稳定的HIF-1。HIF-lc(是一种功能性亚基，其编码基因位于 人14号染色体q21-24区、小鼠12号染色体上。HIF-邛是一种结构性 亚基，又叫芳香绘受体核转位子，其编码基因位于人1号染色体q21区、 小鼠3号染色体上。HI

3、F-1在哺乳动物中均有表达，且广泛分布于人体 各个脏器和组织中。常氧下，HIF-1C(表达减少、活性及功能受抑制，并 通过泛素-蛋白酶解系统降解处于低表达状态，缺氧及炎症条件下,HIF-1 a较常氧条件下表达增加，降解受阻。HIF-1。不受氧浓度影响，主要介导 HIF-1O0勺核转运z以形成稳定的HIF-1来调节下游靶基因的转录。硏究 发现生长因子、细胞因子、活性氧族和铁离子鳌合剂等能通过多种机制 调节HIF-1O09活性和功能，同时香烟中的尼古丁也能激活 増加具表达9。2 HIF-1与哮喘气道炎症哮喘是一种由髓系炎症细胞(嗜酸粒细胞、巨噬细胞、肥大细胞、T淋巴 细胞、中性粒细胞等)，气道结构

4、细胞如气道上皮细胞(airway epithelial cells z AECs)，气道平滑肌细胞(airway smooth muscle cells , ASMCs), 杯状细胞等和相关细胞因子，炎症介质等细胞组分共同参与的慢性气道 炎症性疾病。硏究发现HIF-1可以调节炎症细胞的能量代谢，使其进行 有氧代谢向无氧代谢的转换，减少ATP耗竭，防止炎症效应细胞死亡， 还能作为炎症细胞炎症能力的主要调节因子，影响炎症反应10,11。Crotty Alexander等12在卵清蛋白(ovalbumin , OVA)诱导的小鼠哮 喘模型中发现，髓系细胞中HIF-1的缺失减少了嗜酸粒细胞浸润、杯状

5、细胞増生以及细胞因子IL-4. IL-5和IL-13在肺中的水平，HIF-1抑制 剂Lificiguat(YCJ)应用后能降低哮喘小鼠支气管肺泡灌洗液、肺实质和 血液中的嗜酸粒细胞、肺部整体炎症、IL-5和血清OVA特异性IgE的水 平，同时髓系细胞中HIF-1的敲除将导致小鼠未发生AHR ,进一步实验 发现，减少嗜酸粒细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和肥大细胞中的HIF-1 , 将导致气道平滑肌对过敏性刺激的反应减弱，但又不能阻止所有的过敏 性炎症的发生，这可能提示AECs、ASMCs等气道结构细胞中HIF-1的 激活也有助于哮喘的发病。因此,接下来我将从以下3个方面来阐述 HIF-1在哮喘气道炎

6、症机制中的影响。2.1 HIF-1与髓系炎症细胞2.1.1 HIF-1与嗜酸粒细胞嗜酸粒细胞是哮喘炎症过程中的核心炎症细胞，具有抗原提呈、终末效 应细胞功能及免疫调节作用。HIF-1在嗜酸粒细胞中表达能调节嗜酸粒 细胞趋化性和存活率13,14，在哮喘患者中的研究发现HIF-1可诱导哮 喘患者嗜酸粒细胞增多，体外嗜酸粒细胞实验进一步证实HIF-1主要是 通过影响嗜酸粒细胞趋化因子1、巨噬细胞炎症蛋白1a,促使嗜酸粒细 胞靶向过敏性炎症部位，而经过活化后的嗜酸粒细胞将释放碱性蛋白、 嗜酸性阳离子蛋白、白三烯、前炎症细胞因子等造成气道上皮的损伤， 导致气道高反应12。同时，嗜酸粒细胞中HIF-1的表

7、达能促进血管内 皮细胞增殖、诱导内皮细胞产生血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor , VEGF)的直接促血管生成作用，并通过上 调VEGF受体使这些细胞对VEGF更敏感，这可能与哮喘气道重塑相关 15。2.1.2 HIF-1与巨噬细胞 巨噬细胞被认为是非病变肺中免疫细胞类型最多的一种，在哮喘发生过 程中主要起着抗原提呈、炎症效应细胞作用，参与哮喘炎症反应和血管 生成。硏究发现在尘烧诱导的小鼠哮喘模型中，HIF-1拮抗剂组中肺泡 巨噬细胞数量明显增加，同时抑制了气道炎症和AHR ,因此HIF-1能抑 制气道巨噬细胞漫润，促进气道炎症及气道高反应1

8、2。同时,巨噬细 胞衍生的HIF-1a在促进变应原激发的炎症和血管生成中起关键作用，通 过产生血管生成因子和向内皮募集内皮祖细胞(endothelial progenitor cells z EPCs) z促进血管生成16,同时HIF-1a在EPCs中的过度表达 又能导致EPCs的动员、募集及其功能的增加，进一步导致血管生成增 加17 z促进气道重塑。2.1.3 HIF-1与其他炎症细胞中性粒细胞作为早期炎症细胞，在哮喘发病过程中主要参与气道炎症细 胞浸润及AHR等相关炎症反应，中性粒细胞在气道中的漫润增加，已形 成一种新的哮喘炎症表型一一中性粒细胞性哮喘，这与临床上难治性哮 喘及重症哮喘密切

9、相关。研究发现缺氧和HIF-1是中性粒细胞存活和功 能调节的关键途径的一部分，炎症状态下，HIF-1a可抑制中性粒细胞凋 亡，且增强中性粒细胞灭菌能力18。HIF-1a可使嗜碱粒细胞适应IgE 介导的免疫刺激，提高IL-4的表达,介导Th2相关反应19 z这与哮喘 炎症初期反应相关。而炎症状态下HIF-1a的水平对于树突状细胞的成熟 活化也起着很重要的作用，能促进变态反应中的抗原提呈20。同时z HIF-1能使免疫调节失衡,刘巧维21在烟雾暴露的哮喘气道模型中发 现，HIF-1c介导Th17/Treg失衡，使Th17细胞过度增殖，Treg细 胞合成减少,最终导致吸烟哮喘小鼠发生以中性粒细胞浚润

10、为主的慢性 气道炎症。2.2 HIF-1与气道结构细胞2.2.1 HIF-1 与 ASMCs在哮喘发病过程中，ASMCs不仅能作为收缩细胞调节AHR ,还可以释 放细胞因子和趋化因子，表达细胞黏附分子，促进免疫细胞的募集和相 互作用,加重气道炎症反应，同时气道平滑肌的增殖将导致气道壁的増 厚z加重气道重塑。Zhang等22硏究发现HIF-1a|g促进体外大鼠平滑 肌细胞增殖，MiRNA类似物MiR-199a-5p能下调其表达，影响平滑肌 细胞増殖。在HIF-1过度诱导条件下培养去上皮的气管条可増强其对乙 酰胆碱(acetylcholine z ACh)的收缩反应，提示HIF-1可能参与调节气

11、道张力。进一步研究发现，HIF-1c选择性介导ACh诱导的ASMCs的 收缩增强，且可能是以促进细胞内钙释放及胞外钙转移机制影响ASMCs 收缩23。2.2.2 HIF-1 与 AECsAECs作为气道保护细胞，具在哮喘的发病过程中能通过分泌相关细胞因 子及炎症介质参与气道炎症，而上皮细胞的脱落-重建过程又会引起炎症 细胞浚润、黏膜渗出和气道结构变化。过去，HIF-1a被认为在先天免疫 反应中能促进炎症反应，而近来的研究发现AECs中HIF-1aW表达具有 组织特异性,能抑制缺氧情况下的初级炎症反应，其机制可能与优化糖 代谢有关，但目前尚未证实，同时AECs中HIF-1a的激活能降低固有免 疫

12、细胞的表面受体的表达,如Toll样受体(Toll-like receptors , TLR)、 肿瘤坏死因子及IL-8 ,抑制黏膜免疫的激活和TLR依赖的信号级联反应 24。HIF-IcqJ能保护AECs免受氧化应激诱导的屏障功能受损，其机 制主要是诱导抗氧化蛋白sestrin-2的表达及减少过氧化物还原酶的过 氧化25。最后,缺氧情况下，上皮细胞HIF-1oW表达能上调气道重塑 相关因子基质全属蛋白酶-9和转化生长因子pi (transforming growth factor-p1 , TGF叩1)的表达，促进气道重塑26。2.3 HIF-1与相关细胞组分CCL2是趋化因子CC亚家族成员之

13、一，它能够招募嗜酸粒细胞和单核细 胞，激活嗜碱粒细胞和肥大细胞，并诱导白三烯C4释放到气道中，还 可以引导未分化的T淋巴细胞向IL-4产生的Th2细胞转移，从而参与哮 喘气道炎症发生。硏究发现HIF-1可以在转录水平上调节CCL2 ,而哮 喘患者AECs中CCL2将过度表达，且急性发作的哮喘患者中更为显著， Baay-Guzman等27的研究最后也证实了 HIF-1a介导的过敏性炎症反 应可能通过CCL2发挥重要作用。HIF-1对于免疫细胞的黏附功能也是 非常重要的，CD18p2整合素能介导白细胞黏附作用，硏究发现其表达 受到HIF-1的调控28。Park等29在甲苯二异鼠酸酯诱发的哮喘中发

14、现下调的HIF-1/VEGFA通路能减少血管通透性及气道炎症，抑制IL-10 的表达及活性氧的生成,从而减轻氧化应激反应，减少气道炎症损伤。 因此z HIF-1能调节相关细胞因子，増强气道炎症反应。最后，HIF-1 的表达增加，能上调哮喘患者黏蛋白MUC5AC表达,引起气道黏液高 分泌30，加重气道炎症反应。3 HIF-1与哮喘气道炎症低氧微环境过敏性疾病通常以炎症为特征，炎症组织微环境主要表现为高浓度的乳 酸、还原性代谢物以及低水平的葡萄糖和氧的聚集，哮喘急性发作的同 时又可能出现气道痉挛进一步加剧气道炎症缺氧微环境。HIF-1作为氧 稳态的主要调节者,能介导缺氧系列反应，同时其调控的VEG

15、F ,能促进 血管重塑和血管生成，从而增加组织血液供应及改善组织氧含量。因此， HIF-1在低氧哮喘气道炎症微环境中可能具有重要作用。Ahmad等31 在哮喘小鼠的急性和慢性变态反应模型中分别在AECS中 使用PHD-2抑制剂(DHB)及HIF-1C(沉默,发现在没有真正缺氧的情况 下，HIF-1a可在过敏性哮喘反应中诱发低氧反应，而低氧反应在哮喘中 的作用是复杂且与环境相关的，轻度低氧反应仅限于气道上皮，具有保 护作用，而夸张的弥漫性低氧反应具有高度促炎性和促哮喘性。Baek等 14进一步硏究发现在模拟哮喘低氧的小鼠模型中发现低氧联合过敏原 激发比单独过敏原刺激HIF-1的表达显著增加，且具

16、主要在支气管周围 炎性细胞和气道上皮中表达，同时趋化因子、气道炎症、TGF-P1和气道 重塑也显著增强,其气道炎症也主要表现为中性粒细胞炎症的増强,而 哮喘恶化在成人中与中性粒细胞炎症有关,在儿童中与嗜酸粒细胞及中 性粒细胞有关，因此这可能对成人哮喘以及大约50%的儿童尤为重要。同时，低氧环境下嗜酸粒细胞HIF-1表达将上调z而抗凋亡Bcl-xL蛋白 表达水平高于促凋亡Bax蛋白水平，引起嗜酸粒细胞凋亡延迟13。因此，HIF-1在哮喘气道炎症低氧微环境中的表达不仅增加，而且能加剧气道炎症反应。4哮喘中调节HIF-1表达的三大信号转导途径4.1 HIF-1 与丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-

17、activated proteinkinases , MAPKs)途径MAPKs是一类丝/苏氨酸蛋白激酶，广泛存在于生物体内，参与了 HIF-1翻译后的磷酸化修饰过程，且能通过级联信号转导途径增加HIF-1活性， 而在哮喘的发病过程中能调节气道炎症细胞中HIF-1的表达，发挥不同 作用。Nissim Ben Efraim等13研究发现人外周血嗜酸粒细胞中的粒 细胞-巨噬细胞集落刺激因子能诱导细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases f ERK1/2)磷酸化，促进其迁移和脱颗粒f 且在缺氧状态下更明显，而抑制ERK1/2磷酸化降低了 HI

18、F-lofi勺表达， 并减少了嗜酸粒细胞迁移和脱颗粒作用，因此MAPKs信号途径能上调 嗜酸粒细胞HIF-1的表达，促进嗜酸粒细胞迁移和脱颗粒作用，参与气 道炎症。Sumbayev等19发现了人嗜碱粒细胞中HIF-1。蛋白的表达通 过MAPKs途径且呈IgE依赖式增加，Viemann等32又发现镇诱导的 哮喘小鼠模型中嗜碱粒细胞白积聚增加，而MAPKs途径能调 控其转录激活，进一步证实了 HIF-1能在哮喘中通过调控嗜碱粒细胞影 响气道炎症反应。4.2 HIF-1 与磷脂酰肌醇 3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinases zPI3K)/蛋白质丝氨酸苏氨酸激酶(pro

19、tein-serine-threonine kinase zAkt)途径HIF-1 mRNA的翻译被认为是由PI3K通路调控的，同时HIF-1&乍为一 种磷酸化蛋白，缺氧条件下,多种信号分子能通过PI3K/Akt途径激活 Akt ,上调其表达并磷酸化，在哮喘的发病过程中该转导途径也能通过调 节HIF-1O0勺表达来影响哮喘发展。Lee等33发现OVA诱导的肥大细 胞中HIFJc达上调，同时VEGF的水平也相应上调，并増强了 Th2 反应，该过程是以PI3K/Akt通路实现的。在兔气道平滑肌体外实验中， Wang等34在哮喘小鼠ASMCs中发现肌动蛋白和I型胶原蛋白表达 水平的变化与Akt磷酸化

20、水平呈正相关，气道内给予Akt抑制剂后能下 调气道平滑肌肌动蛋白、I型胶原蛋白、纤维蛋白原的表达，上调钙黏 蛋白的表达及减轻气道炎症，因此阻断该信号通路能减轻哮喘气道炎症 并在早期阶段不利于气道重塑。Choi等35发现蛋白激酶C6能抑制 PI3k/Akt途径相关的mTOR的表达,下调HIF-13VEGF ,减轻气道变 应性炎症。4.3 HIF-1 与核因子KB(nuclear factor kappa-B , NF-kB)途径NF-kB信号途径是指哺乳动物的转录因子NF-kB家族，由p50、p52、REL、REL-A和REL-B组成，其二聚化后将形成有功能的NF-kB。HIF-1 c启动子的转

21、录起始位点197/188位置含有一个NF-kB结合位点，并能 调控HIF-1O0勺转录，同时HIF-1a mRNA主要由NF-kB、特异性蛋白1 和转录激活因子3合成36,37,38,39。Tsapournioti等40研究发现在 人ASMCs中肿瘤坏死因子atE通过NF-kB途径上调HIF-1a mRNA转 录水平从而使勺表达増加，而Jiang等41在AECs中也有类似 发现。此外，又有研究者发现IL-1 p能通过NF-kB途径诱导HIF-1表达z 上调哮喘患者MUC5AC表达，引起杯状细胞中气道黏液分泌增加30。因此z NF-kB信号途径可能主要与气道结构细胞中HIF-1的表达有关。5 HIF-1抑制剂与哮喘气道炎症布地奈德作为常见的哮喘控制药物，不仅具有抗炎能力还能通过非特异 性的抑制HIF-1/VEGF的表达抑制哮喘小鼠气道新生血管的生成42 z 而HIF-1Q特异性抑制剂在哮喘中的研究主要有2种：YC-1是一种已应 用于体内的HIF-1抑制剂，通过降低HIF-1 mRNA的翻译，促进HIF-1 a泛素化