缺氧诱导因子-1α在脑缺血后对内源性神经干细胞作用的研究进展

李栋，段淑荣

缺血性卒中是造成残疾的主要原因之一，除在治疗时间窗内溶栓外，尚无有效的恢复患者神经功能的治疗方法。内源性神经干细胞（neural stem cells，NSCs）分布于脑内多个区域，在正常状态下处于静息状态，在缺血缺氧的刺激下，静息态的NSCs可发生增殖，并向缺血损伤区迁移和分化[1]。内源性NSCs的增殖、迁移、分化是脑梗死后神经发生的连续环节，阐明其分子机制不仅有助于医学科研工作者更好地理解神经发生的过程，而且能够为脑梗死的治疗提供理论基础。有研究结果表明，人脑缺血后激活了内源性NSCs，可能与一些脑源性营养因子表达增高有关[2-4]，其中，缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）是缺血缺氧条件下，激活内源性NSCs的重要因子之一。

1 内源性神经干细胞

研究发现，NSCs在神经管壁增殖，新生细胞呈放射状迁移至脑的特定位置，主要存在于脑室下区（subventricular zone，SVZ），在成脑生发区以外的区域也广泛分布，是具有高度可塑性的神经前体细胞[5]。

近年来，大量的动物实验已经证实，脑缺血后可以激活脑部多个区域的神经干细胞，使其向病灶边缘迁移，并诱导其分化为成熟的神经元[6-8]，但内源性NSCs对脑组织的修复作用非常有限。主要原因是内源性NSCs数量不足，缺血局部微环境不利于内源性NSCs的生长等[9]。移植外源性NSCs的治疗方法有免疫排斥反应、细胞来源、伦理问题和潜在的NSCs持续生长的危险及肿瘤形成等缺陷，因此其临床应用也受到了限制[10]。如何激活内源性NSCs，促进其在局部增殖、迁移，并通过调控神经血管单元微环境促使其向特定神经细胞组织分化是脑损伤治疗的迫切研究方向之一。

2 缺氧诱导因子-1α

2.1 缺氧诱导因子-1α的低氧调节 HIF-1α是学者在探索低氧调节促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）机制的过程中被发现的，它普遍存在于人和哺乳动物细胞内，是各种低氧诱导基因调节的关键因子[11]。在缺氧条件下，HIF-1α的羟基化被抑制从而被激活，进一步与缺氧反应元件中的增强子结合，激活相应缺氧反应基因的转录和表达[11]。低氧引起HIF-1α转录后，可以作用于一系列靶基因[11]，包括：EPO、诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、酪氨酸脱氢酶和糖酵解基因等，参与无氧代谢和红细胞生成，血管形成和呼吸低氧应答反应，提高细胞对低氧的耐受能力。Matsuda等[12-13]在大鼠脑缺血模型的脑表面接种HIF-1α基因，证实其能促进血管新生和侧支循环建立从而改善血循环。Turcotte等[14]研究发现，人肾癌细胞系Caki细胞在1%O2条件下培养2 h，HIF-1α信使核糖核酸（messenger ribonucleic acid，mRNA）表达即开始增加，一直到低氧72 h仍能检测到HIF-1α mRNA的高表达，其表达峰度约为常氧组的3倍。

2.2 局灶性脑缺血缺氧损伤后HIF-1α在脑组织中的表达及其作用 近年来，用大鼠脑缺血模型进行实验发现，缺血前24 h给予常压低氧预处理，低氧环境可以激活HIF-1α，低氧预处理的大鼠脑梗死的体积与对照组相比减少30%，提示HIF-1α在耐受缺血缺氧中可能发挥着重要的作用[15]。有研究用蛋白印迹法对脑缺血后HIF-1α表达的蛋白进行测定，显示其含量显著增高的时间点分别是在缺血后的1 h，12 h和1 d，而3 d后表达呈下降趋势；免疫组织化学测定显示：HIF-1α阳性细胞在缺血后1 h后就可被发现，12 h开始显著增多，1 d到达高峰，3 d开始减少，且在海马齿状回区域HIF-1α阳性细胞发现率较高；标记NSCs的巢蛋白标志物（Nestin）免疫组织化学染色结果显示，海马齿状回附近Nestin的阳性细胞表达是在1 h开始增多，14 d到达高峰，从HIF-1α与Nestin的表达时间上分析，二者可能具有一定的相关性，提示脑缺血缺氧条件下HIF-1α的早期高度表达可能与神经元有着密切的联系[15]。Hamrick等[16]利用去铁胺预处理，对大鼠脑缺血缺氧模型研究发现，模型组细胞凋亡与缺血对照组相比下降45%，而通过抗HIF-1α的转染，阻断HIF-1α的产生，这种保护作用则下降，提示HIF-1α对脑保护发挥着重要的作用。

3 缺氧诱导因子-1α与内源性神经干细胞

3.1 缺氧诱导因子-1α在内源性神经干细胞增殖、存活中的作用 EPO是HIF-1α的靶基因，近年来研究发现，EPO可通过调节NSCs的生长、发育、抗神经细胞凋亡等对中枢神经系统起到保护作用[17]。有研究显示，EPO在动物缺血模型中有保护神经细胞作用，可阻止脑内的细胞凋亡[18]。赵舒武等[19]研究发现，EPO能抑制NSCs凋亡并促进其向神经元分化。EPO还可作为神经分化因子，影响神经细胞的分化及再生，并可促进NSCs分化为多巴胺能神经[20]。

内源性一氧化氮（nitric oxide，NO）是一种具有自由基性质的生物活性分子，研究表明，NO可抑制脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）合成和NSCs增殖，在神经系统发育过程中起着重要的负性调控作用[21-22]。在神经系统发育过程中，对NSCs增殖产生抑制作用的NO主要来自iNOS。NO可促使DNA从对称分裂向非对称分裂转变，从而使NSCs向分化方向发展，因此认为iNOS的表达是干细胞从增殖向分化过度的关键点[23]。iNOS是HIF-1α的靶基因，HIF-1α被激活后iNOS转录增加，促使NO合成增加，抑制了NSCs的增殖，却促进了NSCs的分化和成熟[24]。

3.2 缺氧诱导因子-1α在促进血管新生方面的作用 VEGF能增强血管内皮细胞的生长，促进脑损伤灶微血管形成和血管再生，改善脑循环，在脑损伤的修复和功能恢复中有重要作用[24-25]。缺血性卒中后神经和血管新生有关联性，对于血管的保护作用被认为是神经生成的关键[25]。脑缺血后，VEGF表达增加，进而促使新生血管生成，改善血流动力学，使脑缺血得以部分恢复[25]。HIF-1α是缺氧状态下血管生成的核心调控因子，通过影响其他因子的表达，而直接参与血管生成的全过程[26-27]。目前研究表明，HIF-1α对VEGF的调控表现在多个层面上[27-28]。首先，HIF-1α能够启动VEGF的转录，通过转基因强制表达的HIF-1α可促使VEGF在体积分数为1%或20%的O2环境中高度表达。其次是缺氧时VEGF mRNA的半衰期延长3～8倍，使其稳定性增加，HIF-1α将其激活后，高度表时间可延长。Liu等[29]发现HIF-1α也有助于VEGF mRNA的稳定，细胞转染HIF-1α基因后，VEGF mRNA的半衰期将由42 min延长到2～7 h。另外，Kim等[30]证实VEGF具有促进神经干细胞增殖的作用，且VEGF作用后的NSCs向神经元方向分化潜能更大。提示VEGF能够刺激成年NSCs增殖、分化，促进神经元再生。

总之，HIF-1α通过其靶基因通路促使内源性NSCs增殖、迁移、分化，且对神经具有保护作用，而HIF-1α对脑缺血缺氧性损伤的保护是多方面的，随着对HIF-1α及其下游缺氧反应基因研究的深入，其在脑缺血缺氧损伤中的作用会更加明确。HIF-1α有可能成为脑保护治疗中有前途的靶基因之一，具有广泛的应用前景，可能为临床治疗脑缺血缺氧性损伤提供一种新的治疗策略。

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【点睛】

内源性神经干细胞治疗卒中被寄予厚望，但其对脑组织的修复作用非常有限。缺氧诱导因子-1α如何激活内源性神经干细胞，促进其在局部增殖、迁移和分化是目前迫切研究的方向之一。