低氧诱导因子1对心脏保护作用的研究进展

郝 潇，李树仁

(河北医科大学附属河北省人民医院 心脏一科， 河北 石家庄 050051)



短篇综述

低氧诱导因子1对心脏保护作用的研究进展

郝 潇，李树仁*

(河北医科大学附属河北省人民医院 心脏一科， 河北 石家庄 050051)

低氧诱导因子1可调控其下游相关因子表达，从而促进心肌梗死区局部血管形成、促进细胞增殖、改善细胞能量代谢并能抑制细胞凋亡，进而增加有效心肌细胞数量，改善心肌梗死后心室重构。为缺血性心脏病的治疗提供了新的思路。

低氧诱导因子-1；干细胞；缺血性心脏病

急性心肌梗死后，梗死区及边缘区处于非常恶劣的缺血低氧的环境，对残存的心肌细胞的生存及功能都非常不利。因此，改善局部微环境，减少细胞凋亡，增加心肌细胞数量，对治疗心肌梗死后心室重构有着极大意义。

低氧环境诱导细胞产生由低氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)，并通过其介导的一系列适应性反应，这些反应使细胞能够适应低氧的环境。HIF-1α在低氧条件下能够调控下游100多种基因的表达，参与红细胞生成和血管生成，调节细胞代谢和细胞存活、凋亡等，维持组织及细胞在低氧条件下内环境的稳定。

1 低氧诱导因子-1α简介

HIF-1α在低氧条件下能够促进促红细胞生成素的表达，故命名为低氧诱导因子。随后的研究证明，HIF与胚胎发育、组织生长、新陈代谢以及凋亡有关[1]。

HIF-1α在低氧条件下表达上调，并与HIF-1β结合成异质二聚体，HIF-1β在细胞内持续表达，因此，HIF-1α是HIF-1起作用的限速因子。常氧状态，HIF-1α正常表达，但其氧依赖降解区(ODD)被脯氨酸羟化酶(PHD)修饰，随后迅速被希佩尔林道病肿瘤抑制蛋白(Von Hippel Lindau protein， pVHL)以及E3泛素化连接酶介导的蛋白酶体降解[2]。在缺乏VHL基因的患者体内，依赖HIF-1α的血管生成因子在常氧状态下也表达。上述的酶都是氧依赖的，因此，在低氧条件下HIF-1α积聚，并与HIF-1β结合，形成有功能的HIF-1。

2 低氧诱导因子-1的心脏保护功能

HIF-1对心脏的保护性作用最早于2003年提出，随后在多种动物实验中得到证实。HIF-1的心肌保护性作用大致包括促进血管生成、改善心肌细胞能量代谢及减少心肌细胞凋亡等，HIF-1在心肌缺血预适应中也发挥着重要作用。

2.1 HIF-1在缺血心肌局部具有促血管生成作用

在体外培养多种与心肌缺血和梗死相关的细胞时，发现HIF-1α基因的过表达可以增加血管生成相关基因的表达。有报道在猪心肌梗死区域注射携带有HIF-1α基因的腺病毒，可以改善短期内猪的心脏功能，推测可能与HIF-1α介导的新生血管增多有关[3]。在低氧条件下，HIF-1在内皮细胞中积聚，并与VEGF基因启动子结合从而诱导后者的表达。其他细胞因子如干细胞因子等，可通过与其同种受体结合而发挥促血管作用，作为HIF-1的下游因子受其调控[4]。HIF-1α可直接调控SENP-1转录，从而形成一个正反馈，作用于低氧血管内皮细胞内，可增加VEGF的表达和血管新生[5]。

2.2 HIF-1能够改善缺血心肌细胞的能量代谢

HIF-1的另一心脏保护机制是调节葡萄糖有氧代谢和无氧酵解之间的平衡[6]。目前已证实，葡萄糖转运蛋白、己糖激酶1和2、6-磷酸果糖激酶-2、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶以及介导乳酸向组织外转运的单羧酸转运蛋白4，都受HIF-1的调控。而己糖激酶2在细胞的糖代谢以及细胞凋亡中具有很重要的地位[7]。HIF-1还通过激活丙酮酸脱氢酶激酶-1(PDK1)基因的激活从而抑制细胞的新陈代谢[8]。后者又可以通过抑制丙酮酸脱氢酶的作用，减少乙酰辅酶A的合成。目前已经明确HIF-1参与生长因子介导的糖代谢过程。当缺乏生长因子信号时，造血细胞既不能进行HIF-1α基因的转录，也不能进行生长因子相关的糖代谢[9]。

2.3 HIF-1在低氧心肌具有抗凋亡的作用

在低氧导致的细胞凋亡过程中可出现caspase-3的激活、促凋亡基因(如Bax)表达上调以及抗凋亡基因(如Bcl-2)表达下调。在凋亡过程中，编码重要蛋白的基因(如Bcl-2家族)，受到HIF-1的调控。Bax/Bcl-2介导的caspase-3相关通路也受到HIF-1的调控[10]。给予在体外培养的心脏成纤维细胞低氧的环境(1% O2)，可以导致细胞凋亡增加、caspase-3激活、Bax上调及Bcl-2下调，上述现象可以由过表达的HIF-1α所改善，从而发挥抗凋亡的作用；在低氧时细胞膜Ca2+内流增加，而HIF-1α可以抑制这一现象[11]。在低氧引起的心脏肥大过程中，HIF-1α起到重要作用，其机制为瞬时受体电位通道(transient receptor potential channels，TRPC)的上调，随后导致钙调磷酸酶(calcineurin，CaN)通路的激活[12]。HIF-1还可以通过抑制抑癌基因P53上游因子HIPK2[13]来发挥抗凋亡作用。

2.4 HIF-1在心肌缺血预适应中的作用

给予心肌短时间的(<5 min)缺血-再灌注的处理，可以使心肌耐受随后的长时间(>30 min)的缺血，即缺血预适应(ischemia preconditioning, IPC)。在HIF-1α基因敲除的小鼠，其心脏在经IPC处理后缺乏心脏保护功能[14]。在小鼠心脏受到IPC处理后立即注入吖啶黄(一种可以抑制HIF-1的α亚基和β亚基结合的药物)，也可以阻断心脏保护作用。说明在IPC处理中，HIF-1处于关键性的地位。

在IPC中，ATP转化为腺苷，腺苷受体拮抗剂可以对抗IPC的心脏保护功能，同时心肌注射腺苷也可以产生心脏保护功能。目前已经证实在IPC中，腺苷的产生受到CD39和CD73两种酶的催化。这两种酶受到HIF-1的调控[14]。同时腺苷A2B受体也受到HIF-1的调控[15]。提示HIF-1是IPC发挥心脏保护作用的机制之一。

HIF-1还可以通过其他机制在IPC中发挥作用。用HIF-1α转录激活剂(如氯化钴等)处理小鼠，或使心肌暴露于低氧-复氧的环境中，可以诱导心脏保护功能[16]。而在一氧化氮合酶(NOS)缺乏的小鼠体内则没有上述心脏保护作用，NOS可以催化生成NO，对IPC的心脏保护作用是很有必要的。NOS在缺血的大鼠心脏受到HIF-1α的调控而表达增加[17]。

3 HIF-1与干细胞

干细胞疗法是近十年来兴起的一种新型治疗方法，旨在使干细胞分化为心肌样细胞并移植到体内，代替梗死的心肌，并通过旁分泌途径增加局部血管生成。

干细胞增殖能力的提高对再生疗法至关重要。体外研究发现，在3% O2含量中培养的骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)较正常氧含量培养的MSCs，其寿命延长及增殖能力增强[18]。也有其他报道，在体外低氧环境中培养的细胞，扩增效率增高[ 19]。同时，低氧的培养环境也使细胞的增殖能力保持较长时间[20]。

低氧可以促进胚胎发育、维持干细胞的多能性、诱导分化、并能调控包括血管生成在内的信号通路。在低氧的环境中，上述功能受到一些细胞转录因子的调控，主要包括HIF-1、脯氨酸羟化酶(PHDs)、HIF-1抑制因子(FIH-1)、NF-κb、P53以及c-Myc等[21]。这些因子是相互作用增强细胞的增殖能力，而其中HIF-1是最主要的调控因子。HIF-1α等位基因失活的小鼠胚胎发育的第10天会死于心脏畸形、血管受损以及红细胞生成障碍[22]。

在低氧环境中，HIF-1蓄积，抑制三羧酸循环，减少活性氧(ROS)的产生。ROS的减少可以减慢端粒的缩短，从而延迟细胞的衰老。另外，低氧可以通过HIF-1-Notch通路阻断干细胞的分化，在这一过程中HIF-1与Notch基因相互作用，使Notch下游基因表达上调，维持干细胞的去分化状态，从而增加其增殖能力[23]。

干细胞治疗缺血性心脏病的另一难题为移植效率。梗死区以及梗死边缘区处于缺血低氧状态，局部微环境极其恶劣，对移植后的干细胞存活及功能的发挥有很大影响。而低氧预处理的MSCs生长增快，自我修复能力增强[20]。

4 展望

近来有研究发现HIF-1α在体外氧含量不同的培养环境中，可以起促进凋亡和抑制凋亡等不同的作用。在体心脏缺血时，HIF-1α能否发挥抗凋亡作用，以及HIF-1对凋亡的作用是否有其他机制，仍需更多的研究证实。以腺病毒为载体冠脉内注射转染心肌细胞的方法，目前已在实验动物中明确可以促进局部血管新生。但冠脉内注射含有HIF-1α的病毒液，病毒随血液循环至外周器官，转染局部细胞，造成局部细胞异常增殖，产生不良后果，这是该方法的缺点之一。以HIF-1α转染干细胞后，进行移植，可以保证转基因治疗的安全性又能保证干细胞的存活，同时分泌各种生长因子，改善局部微环境，为缺血性心脏病的干细胞治疗以及转基因治疗提供一个新的策略。

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新闻点击

腹部脂肪堆积会增加心脏病和癌症风险

2013年7月11日《美国新闻与世界报道·每日健康新闻》(U.S.News & World Report·HealthDay Reporter)报道，新的研究发现，脂肪堆在哪儿也别堆在腹部，因为堆在那里患病的概率高于脂肪堆在身体的其他部位。比起那些身体其他部位有脂肪的，腹部脂肪过多的人有心脏疾病和癌症的风险更大。这项研究结果于2013年7月10日在线发表于美国心脏病学院杂志(Journal of the American College of Cardiology)。

研究报告的作者波士顿布里格姆妇女医院的医学讲师凯瑟琳·布里顿博士(Kathryn Britton)和他的团队用CT扫描3 000多名美国人心脏周围组织和周围的主动脉，以评估堆积脂肪在腹部的情况，这些人平均年龄50岁。在随后长达7年的随访期间，有90例心血管事件，141例癌症病例和71例死亡病例。研究者发现，腹部脂肪——这通常指内部器官周围的脂肪——与心脏疾病和癌症的风险增加密切相关。

Advances on the cardiac protective effects of hypoxia inducible factor-1

HAO Xiao, LI Shu-ren*

(Dept. of Cadiology, Hebei General Hospital, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050051, China)

Hypoxia-inducible factor 1(HIF-1) regulates certain downstream gene expression, thus promotes angiogenesis, proliferation, metastasis and inhibits apoptosis, then increase the quantity of effective myocardial cells and improve ventricular remodeling after myocardial infarction. This may provide a novel strategy for the therapy of ischemic heart disease.

hypoxia inducible factor 1; stem cells; ischemic heart disease

2014- 09- 09

2014- 12- 02

1001-6325(2015)04-0554-04

R541.4

A

*通信作者(corresponding author)：lsr64@126.com