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)

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 的研究作一综 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 reactivit

2、y z AHR)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 z HIF-1)的表达不仅 明显增加123,4,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-L 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

3、号染色体上。HIF-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-l a较常 氧条件下表达增加，降解受阻。HIF-lo不受氧浓度影响，主要介导HIF- 100勺核转运z以形成稳定的HIF-1来调节下游靶基因的转录。研究 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-1009活性和功能，同时香烟中的尼古丁也能激活 增加具表达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

4、胞、中性粒细胞等)，气道结构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。研究发现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10,111 OCrotty 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

5、的缺失减少了嗜酸粒细胞浸润、杯状 细 胞增生以及细胞因子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0VA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

6、方面来阐述HIF-1在哮喘气道炎 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L巨噬细胞炎症蛋白la,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

7、，嗜酸粒细胞中HIF-1的表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 o2.1.2 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。研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

8、润，促进气道炎症及气道高反应12。 同时，巨噬细 胞衍生的HIF-la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-la 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

9、哮喘，这与临床上难治性哮喘及重症哮 喘密切相关。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-la可抑制中性粒细胞凋亡，且增强中性 粒细胞灭菌能力18。HIF-la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-la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zHIF-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-lc八介导Thl7/Treg 失衡，使Thl7细胞过度增殖，Treg细胞合成

10、减少，最终导致吸烟哮喘小鼠 发生以中性粒细胞浚润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增厚z加重气道 重塑。Zhang等22研究发现HIF-la|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，影响平滑肌细胞增殖。在HIF- 1过度诱导条件下培养去上皮的气管条可增强其对乙酰胆碱(acetylcholine Z A

11、Ch)的收缩反应，提示HIF-1可能参与调节气道张力。进一步研究发现， HIF-lcV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-la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-laW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

12、尚未证实，同时AECs中HIF-la的激活能降低固有免 疫细胞的表面受 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 o 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-loW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-pl, TGF 叩 1)的表达，促进气 道重塑

13、261 o2.3 HIF-1与相关细胞组分CCL2是趋化因子CC亚家族成员之一，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。研究发现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-la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，研究

14、发现其表达 受到HIF- 1的调控28 o Park等29在甲苯二异鼠酸酯诱发的哮喘中发现下调 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，增强气道炎症反应。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

15、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VEGF ,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-la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进一步研究发现在模拟哮

16、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增强,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Bel-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 o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

17、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-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等用3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

18、/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 HIF-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(p

19、hosphatidylinositol-3-kinases z PI3K)/蛋白质丝氨酸苏氨酸激酶(protein-serine-threonine kinase z Akt)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- 100勺表达来影响哮喘发展。Lee等33发现0VA诱导的肥大细 胞中 HIFJc八达上调，同时VEGF的水平也相应上调，并增强了 Th2反应，该过 程是以PI3K/Akt通路实现的。在

20、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*B)途径NF-kB信号途径是指哺乳动物的转录因子NF-KB

21、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-二。HIF-l c 启动子的转录起始位点197/188位置含有一个NF*B结合位点，并能调 控HIF-1O0勺转录，同时HIF-la 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 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-la mRNA转 录 水平从而使勺表达增加，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表达乙上调哮喘 患者MUC5AC表达，引起杯状细胞中气道黏液分泌增加30 o 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。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 化蛋白水解，激活H吓-