低氧在动脉粥样硬化发生中的研究进展

李红艳(综述)，贺　学，李旭光，孙正启(审校)

(西藏民族学院医学院形态学教研室，陕西 咸阳 712082)



低氧在动脉粥样硬化发生中的研究进展

李红艳※(综述)，贺学，李旭光，孙正启(审校)

(西藏民族学院医学院形态学教研室，陕西 咸阳 712082)

摘要：动脉粥样硬化(As)作为一种慢性炎性疾病，是许多心血管疾病的病理基础，同时也是疾病致死、致残的主要原因。低氧是造成AS的一个关键因素。我国高原低氧地域辽阔，潜在的成为As发病率高的国家，因此研究低氧在动脉粥样硬化发生中作用具有重要意义。该文详述在低氧条件下，巨噬细胞、血管内皮细胞、平滑肌细胞以及低氧诱导因子1α等在As发生中的作用，以期为阐明As的发病机制提供基础。

关键词：动脉粥样硬化；低氧；巨噬细胞；低氧诱导因子

动脉粥样硬化(atherosclerosis，As)是慢性血管炎性疾病的一种，也是多种心脑血管疾病的病理基础。慢性间歇低氧是诱发As的高危因素。过去一直没有直接证据证明As动脉壁内存在缺氧区，直到Björnheden等[1]使用缺氧标志物在兔子As斑块内发现了缺氧区，并证实这是由于血管弥漫性内膜增厚超过了最大氧扩散距离导致的血管壁缺氧。心脏的动脉粥样硬化主要发生在冠状动脉[2]。在As巨噬细胞区也检测到缺氧现象，这进一步证实了As确实存在缺氧[3]。巨噬细胞脂质代谢异常，血管内皮细胞损伤，平滑肌细胞增殖、迁移，低氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)表达异常以及血管再生等也是低氧诱发As的因素。该文综述低氧条件下这几种因素在As发生中的作用。

1低氧和巨噬细胞在As中的作用

研究发现，小鼠暴露在慢性低氧条件下，脂肪组织中脂蛋白的清除受到限制，与脂蛋白清除相关的酶——蛋白脂酶活性下降，而脂蛋白脂酶抑制剂——血管生成素样蛋白4水平升高[4]。由此可见，低氧刺激会引起脂代谢异常。低氧时，人巨噬细胞中三酰甘油聚积，脂肪分化相关蛋白表达增加，脂质聚积导致三酰甘油生物合成增加、脂肪酸β-氧化减少、脂肪辅酶A脱氢酶表达增加[5]，最终引起巨噬细胞中胆固醇和三酰甘油水平升高，游离胆固醇水平也升高[6]。

正常情况下，巨噬细胞能使胆固醇脂化为胆固醇酯，并以脂滴的形式储存起来；而缺氧时，巨噬细胞中的胆固醇脂化成胆固醇酯的水平降低，且流出巨噬细胞的胆固醇量也减少，最终导致大量胆固醇聚积在巨噬细胞内[7]。低氧刺激时氧自由基水平也会升高[8]。氧化应激是As发生的始动因素，其中低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL)在活性氧修饰下形成氧化型LDL(oxidized LDL,Ox-LDL)，Ox-LDL有诱导血管内皮损伤和促进炎性因子表达的作用，是As发生的重要事件。低氧时，巨噬细胞通过表面的清道夫受体摄取大量的Ox-LDL，在溶酶体中将其消化、降解为氨基酸和胆固醇。一旦降解的胆固醇超过巨噬细胞的转运能力，过多的胆固醇将以胆固醇酯的形式储存在细胞质中。储脂过多的巨噬细胞转化为泡沫细胞，泡沫细胞最终集聚并沉积在血管壁上，启动As[9]。巨噬细胞移动抑制因子有抑制巨噬细胞随机移动的作用，使巨噬细胞在炎症反应中发挥吞噬作用。胡晓琳等[10]发现，血管平滑肌细胞能表达巨噬细胞移动抑制因子，并分泌巨噬细胞移动抑制因子蛋白，其分泌量与缺氧时间呈正相关。

2低氧与血管内皮细胞在As中的作用

血管内皮细胞具有影响血管张力、招募炎性细胞、产生炎性细胞因子及抗血栓的作用，在维持血管稳态中起关键作用。当内皮细胞缺氧时，稳态将被打破。内皮细胞功能障碍是As发生、发展的一个重要环节[11]。白剑等[12]发现，低氧可引起血管内皮细胞内活性氧增加、细胞膜发生脂质过氧化、蛋白质和核酸变性，对血管造成不可逆性损伤。王萌等[13]发现，低氧时血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表达增加，VEGF与内皮细胞表面的特异性受体结合，通过促进内皮细胞释放多种血管活性物质，使血管通透性增加，血管内容物逸出，引发As。

一氧化氮主要有抗血小板聚集、抑制平滑肌细胞增殖、抑制单核-巨噬细胞与内皮细胞黏附等作用，一旦一氧化氮的合成降低，内皮细胞的功能将会受到影响。研究发现，低氧孵育大鼠胸动脉血管内皮细胞时，一氧化氮的释放量将显著降低，其合成的降低主要是由氧化应激介导的内皮型一氧化氮合酶降解导致的[14]。As时，ox-LDL和氧化型极低密度脂蛋白(oxidized very low-density lipoprotein，ox-VLDL)可进一步促进氧自由基的产生，进而降低一氧化氮合酶mRNA的合成[15]。增加的氧自由基激活核因子，促使血管内皮细胞表达活性因子，从而使单核细胞、中性粒细胞与血管内皮细胞黏附。由此可见，低氧引起一氧化氮合酶减少，致使一氧化氮释放量降低，最终促使As发生。血管内皮细胞低氧后最终可能以细胞凋亡的形式死亡。内皮细胞数量的减少，导致血管通透性增加，进而促进脂质迁移和沉积。同时单核细胞和平滑肌细胞迁移至内膜进一步损伤血管，促进斑块形成。

3低氧与血管再生在As中的作用

缺血低氧是斑块内血管新生的根本原因。缺血低氧使内皮丝裂原及其膜受体增加，细胞因子及生长因子尤其是VEGF、成纤维细胞生长因子家族某些成员表达的增加，促进了血管新生，而低氧-复氧可进一步促进心肌血管新生[16]。低氧引起血管再生理论认为，各种因素导致的胆固醇水平的升高以及血管壁受损内膜的增厚，最终使血管壁超过一个临界厚度，致使中膜以及新生内膜的氧气及其他营养物质供应受限，动脉内形成一个低氧环境，从而诱导了血管再生[17]。HIF在As发生中，与血管再生密切相关。低氧条件下，HIF-1通过与VEGF基因的低氧反应元件(hypoxia-response elements，HREs)结合，直接激活VEGF和VEGF受体的转录，从而促进血管再生[18]。也有研究认为，HIF-1α以激活Ets-1表达的方式诱导血管再生[19]，但其具体机制还有待进一步研究。

4低氧与平滑肌细胞在As中的作用

血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)是构成血管的主要细胞，血管损伤引起VSMC增殖和迁移导致的血管狭窄在As过程中起重要作用。缺氧可刺激VSMC增殖和迁移，进而造成血管重塑[20]。HIF-1α是缺氧时VSMC增殖必不可少的因子[21]。低氧时，人平滑肌细胞在HIF-1α诱导下可刺激低密度脂蛋白受体相关蛋白的表达，进而促进平滑肌细胞的增殖与迁移[22]。迁移过程中，平滑肌细胞因摄入大量的ox-LDL而转化为泡沫细胞，并分泌细胞外基质参与As斑块的形成。

5低氧与HIF在As中的作用

HIF是低氧刺激下的一个核心分子。卫华[14]发现，低氧时内皮细胞HIF-1α的表达量显著升高，同时VEGF也升高。正常氧含量下，过表达的HIF-1α突变体(M-HIF-1α)导致胆固醇流出减少；低氧时过表达的M-HIF-1α进一步使胆固醇流出减少。同时HIF-1α敲除伴有胆固醇合成关键酶——羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶，转录水平增加，致使细胞内胆固醇增加，表明HIF-1α有抑制缺氧时胆固醇流出的作用[23]。

HIF在调节巨噬细胞与As形成以及血管生成中也起重要作用。缺氧时，巨噬细胞中的HIF高表达。高表达的 HIF-1 能促进巨噬细胞形成泡沫细胞，进而诱导As发生，并且HIF-1α是巨噬细胞成熟所必需的。另外，低氧环境下积聚的HIF-1可直接激活VEGF和VEGFR的转录以及Ets-1的表达，调节血管新生的发生，并且该过程中VEGF和Ets-1可以协同作用，增强表达[19]。

已有研究表明，低氧时HIF-1α表达增多，其迁移到核与HIF-1β结合形成复合物，后者与HREs结合，启动转录[24]。HIF-1α、HIF-1β以及HREs复合物与As的发生、发展密切相关，其促进了As易损斑块形成，增加了血管渗透性以及炎性相关基因的表达[25]。酵母双杂交实验证明，HIF-1α与组蛋白去乙酰化酶7结合后形成复合物，从而抑制HIF-1α的转录和功能[26]。另外，吴悦陶等[27]研究发现，组蛋白去乙酰化酶7 可能是间歇低氧诱导As的一个新基因，以调控HIF-1α活性起作用。关于HIF-1α与组蛋白去乙酰化酶在As中的作用还需进一步研究。

6低氧诱导As发生的可能机制

关于低氧诱发As的机制，目前说法不一。已知JAK激酶(janus kinase，JAK)和信号传导子及转录激活子(signal transducer and activator of transcription,STAT)信号通路是多种细胞因子和生长因子诱导VSMCs增殖和迁移的共同途径，抑制JAK/STAT通路的激活能阻止炎性介质诱导的VSMCs的增殖和迁移[28]。Bellik等[29]研究证实，缺氧通过激活JAK2/STAT3通路，促进VSMCs增殖，抑制JAK几乎完全终止了VSMCs的增殖。由此可见，低氧可能通过JAK/STAT信号通路激活VSMCs的增殖和迁移，进而诱导As的发生。另外，神经导向蛋白netrins在引导或排斥轴突生长、介导细胞迁移、黏附和存活中起重要作用[30]。研究发现，缺氧诱导netrin-1在肠黏膜表面表达以减轻中性粒细胞的跨膜迁移，保护缺血组织[31]。Netrin-1与HIF-1α缺氧区共定位在一起，低氧刺激下，体外巨噬细胞的netrin-1及受体Unc5b表达升高，LDL被氧化，该过程依赖HIF-1α，并且过表达的HIF-1α可通过阻断netrin-1降低巨噬细胞的迁移[32]。netrin-1在缺氧条件下通过影响巨噬细胞而发挥功能。

核因子κB (nuclear factor-κB，NF-κB)参与了许多生理和病理过程，包括肥胖、高血压、糖尿病以及胰岛素抵抗，这些均是诱发As的因素。Ryan等[33]证明，间歇缺氧、复氧可选择性地激活NF-κB。Arnaud等[34]研究表明，间歇低氧可以激活血管组织中NF-κB的表达，且NF-κB的表达呈时间依赖性。NF-κB通路可能是导致As发生的一个共同路径。Song等[35]进一步证实，慢性间歇低氧+高脂饮食诱导的As是通过激活NF-κB途径实现的。

7小结

低氧刺激在As的发生、发展中起着重要作用，低氧可导致脂质代谢异常、巨噬细胞过度聚脂、血管内皮细胞功能失调、血管再生、VSMC增殖和迁移以及炎性相关因子的表达，其中HIF在As的发生、发展中发挥着关键作用。另外，JAK/STAT信号通路、NF-κB以及netrin-1也是低氧环境下As发生所涉及到通路或蛋白。

参考文献

[1]Björnheden T,Levin M,Evaldsson M,etal.Evidence of hypoxic areas within the arterial wall in vivo[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,1999,19(4):870-876.

[2]Nakashima Y,Fujii H,Sumiyoshi S,etal.Early human atherosclerosis:accumulation of lipid and proteoglycans in intimal thickenings followed by macrophage infiltration[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2007,27(5):1159-1165.

[3]Hultén LM,Levin M.The role of hypoxia in atherosclerosis[J].Curr Opin lipidol,2009,20(5):409-414.

[4]Drager LF,Li J,Shin MK,etal.Intermittent hypoxia inhibits clearance of triglyceride-rich lipoproteins and inactivates adipose lipoprotein lipase in a mouse model of sleep apnoea[J].Eur Heart J,2012,33(6):783-790.

[5]Boström P,Magnusson B,Svensson PA,etal.Hypoxia converts human macrophages into triglyceride-loaded foam cells[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2006,26(8):1871-1876.

[6]Parathatha S,Yang Y,Micka S,etal.Hypoxia in murine atherosclerotic plaques and its adverse effects on macrophages[J].Trends Cardiovasc Med,2013,23(3):80-84.

[7]Pallottini V,Guantario B,Martini C,etal.Regulation of HMG-CoA reductase expression by hypoxia[J].J Cell Biochem,2008,104(3):701-709.

[8]Thompson JA,Hess ML.The oxygen free radical system:a fundamental mechanism in the production of myocradial necrosis[J].Prog Cardivasc Dis,1986,289(6):449-462.

[9]Etzion Y,Hackett A,Proctor BM,etal.An unbiased chemical biology screen identifies agents that modulate uptake of oxidized LDL by macrophages[J].Circ Res,2009,105(2):148-157.

[10]胡晓琳,潘平喜,杨丽,等.缺氧对大鼠血管平滑肌细胞表达巨噬细胞游走抑制因子的影响[J].四川大学学报：医学版,2009,40(2):260-262.

[11]Gao L,Chen Q,Zhou X,etal.The role of hypoxia-inducible factor 1 in atherosclerosis[J].J Clin Pathol,2012,65(10):872-876.

[12]白剑,迟戈,张俊,等.肌肽对低氧所致大鼠血管内皮细胞损伤的保护作用[J].中国应用生理学杂志,2010,26(1):30-32.

[13]王萌,李志超,王剑波.虎杖苷对低氧所致大鼠肺微血管内皮细胞损伤的保护作用[J].西北药学杂志,2011,26(3):185-189.

[14]卫华.高原高寒环境因素对内皮细胞的损伤作用及其保护作用化合物研究[D].天津:军事医学科学院，2012.

[15]Colomé C,Martínez-González J,Vidal F,etal.Small oxidative changes in atherogenic LDL concentrations irreversibly regulate adhesiveness of human endothelial cells:effect of the lazaroid U74500A[J].Atherosclerosis,2000,149(2):295-302.

[16]Wang Y,Gabrielsen A,Lawler PR,etal.Myocardial gene expression of angiogenic factors in human chronic ischemic myocardium:influence of acute ischemia /cardioplegia and reperfusion[J].Microcirculation,2006,13(3):187-197.

[17]张立平,杨永健.低氧及其低氧诱导因子-1对动脉粥样硬化的影响[J].心血管病学进展，2013,34(5):668-671.

[18]Paul SA,Simons JW,Mabjeesh NJ.HIF at the crossroads between ischemia and carcinogenesis[J].J Cell Physiol,2004,200(1):20-30.

[19]Oda N,Abe M,Sato Y.ETS-1 converts endothelial cells to the angiogenic phenotype by inducing the expression of matrix metalloproteinases and integrin beta3[J].J Cell Physiol,1999,178(2):121-132.

[20]Zhang R,Wu Y,Zhao M,etal.Role of HIF-1alpha in the regulation ACE and ACE2 expression in hypoxic human pulmonary artery smooth muscle cells[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2009,297(4):L631-640.

[21]Schultz K,Murthy V,Tatro JB,etal.Prolyl hydroxylase 2 deficiency limits proliferation of vascular smooth muscle cells by hypoxia-inducible factor-1{alpha}-dependent mechanisms[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2009,296(6):L921-927.

[22]Feng B,Yao PM,Li YK,etal.The endoplasmic reticulum is the site of cholesterol-induced cytotoxicity in macrophages[J].Nature Cell Biology,2003,5(9):781-792.

[23]Castellano J,Aledo R,Sendra J,etal.Hypoxia stimulates low-density lipoprotein receptor-related protein-1 expression through hypoxia-inducible factor-1 in human vascular smooth muscle cells[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2011,31(6):1411-1420.

[24]Losso JN,Bawadi HAJ.Hypoxia inducible factor pathways as targets for functional foods [J].Agric Food Chem,2005,53(10):3751-3768.

[25]Woo KJ,Lee TJ,Park JW,etal.Desferrioxamine,an iron chelator,enhances HIF-1 alpha accumulation via cyclooxygenase-2 signaling pathway[J].Biochem Biophys Res Commun,2006,343(1):8-14.

[26]Kato H,Tamamizu-Kato S,Shibasaki F.Histone feacetylase7 associates with hypoxia-inducible actor 1alpha and increases transcriptional activity[J].J Biol Chem,2004,279(40):41966-41974.

[27]吴悦陶,刘瑞洪,黄谷香,等.HDAC7基因参与兔高脂间歇低氧诱发动脉粥样硬化[J].基础医学与临床,2008,28(10):1052-1056.

[28]Lv L,Zhang J,Huang X,etal.Lentivirus-mediated RNA interference targeting STAT4 inhibits the proliferation of vascular smooth muscle cells[J].Arch Med Res,2008,39(6):582-589.

[29]Bellik L,Vinci MC,Filippi S,etal.Intracellular pathways triggered by the selective FLT-1-agonist placental growth factor in vascular smooth muscle cells exposed to hypoxia[J].Br J Pharmacol,2005,146(4):568-575.

[30]Van Gils JM,Derby MC,Fernandes LR,etal.The neuroimmune guidance cue netrin-1 promotes atherosclerosis by inhibiting the emigration of macrophages from plaques[J].Nat Immunol,2012,13(2):136-143.

[31]Rosenberger P,Schwab JM,Mirakaj V,etal.Hypoxia-inducible factor-dependent induction of netrin-1 dampens inflammation caused by hypoxia[J].Nat Immunol,2009,10(2):195-202.

[32]Ramkhelawon B,Yang Y,van Gils JM,etal.Hypoxia induces netrin-1 and Unc5b in atherosclerotic plaques:mechanism for macrophage retention and survival [J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2013,33(6):1180-1188.

[33]Ryan S,Taylor CT,McNicholas WT.Selective activation of inflammatory pathways by intermittent hypoxia in obstructive sleep apnea syndrome[J].Circulation,2005,112(17):2660-2667.

[34]Arnaud C,Beguin PC,Lantuejoul S,etal.The inflammatory preatherosclerotic remodeling induced by intermittent hypoxia is attenuated by RANTES/CCL5 inhibition[J].Am J Respir Crit Care Med,2011,184(6):724-731.

[35]Song D,Fang G,Mao SZ,etal.Chronic intermittent hypoxia induces atherosclerosis by NF-κB-dependent mechanisms[J].Biochim Biophys Acta,2012,1822(11):1650-1659.

Research Progress of Low Oxygen in AtherosclerosisLIHong-yan,HEXue,LIXu-guang,SUNZheng-qi.(DepartmentofMorphology,SchoolofMedicine,TibetUniversityforNationalities,Xianyang712082,China)

Abstract:Atherosclerosis(As),as a chronic inflammatory disease,is the most important pathological basis for many cardiovascular diseases,which is also the main cause of death and disability in patients.Hypoxia is a key factor in causing As.China is a potential country of high incidence of As because of its high altitude hypoxic territory,so it is of great significance to study the effect of As under hypoxic condition.Here reviews the role of macrophages,vascular endothelial cells,smooth muscle cells and hypoxia inducible factor-1α in the pathogenesis of As under hypoxic condition,in order to clarify the pathogenesis of As.

Key words:Atherosclerosis; Hypoxia; Macrophages; Hypoxia inducible factor

收稿日期：2014-11-21修回日期：2015-03-25编辑：辛欣

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.20.014

中图分类号:R543

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)20-3683-03