缺氧诱导因子-1α对脑梗死后内源性神经干细胞作用的研究进展

林亚航，陈明，段淑荣

目前，临床对脑梗死的治疗主要围绕在恢复脑循环及促进神经康复两方面，但有关脑梗死后神经细胞缺失和神经网络受损的问题尚未解决。近年来内源性神经干细胞（neural stem cells，NSCs）在体外培养的成功为脑梗死的治疗提供了新的方法和思路。NSCs能够通过促进神经再生、抑制炎症反应、感知不同的微环境信号、向特定损伤部位迁移，整合不同的输入信号和执行复杂反应来重塑受损的脑组织，发挥神经保护作用[1-2]。研究表明，低氧[3]、神经营养因子[4]、某些药物及毒物[5-6]、康复理疗[7]等因素可以促进NSCs的再生。缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）是组织在缺氧状态下发挥保护作用的关键因子，在缺氧时HIF-1α可以调控相关靶基因的转录、翻译和表达，进而调节血管生成、细胞能量代谢、细胞存活及凋亡等，从而产生缺氧保护作用[8]。目前，有关HIF-1α在NSCs增殖、迁移、分化中的作用和机制尚未明确，本文就此领域的研究进展进行阐述。

1 缺氧诱导因子-1α及其下游靶基因通路概述

目前已发现的受HIF-1α调控的下游靶基因有100余种，其中在脑缺血缺氧损伤后发挥神经保护作用的靶基因通路主要有促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、细胞基质衍生因子-1（stromal cellderived factor 1，SDF-1）、诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、葡萄糖转运蛋白1、酪氨酸脱羧酶和糖酵解基因等[9]。低氧可引起HIF-1α转录水平增加，进而作用于上述不同的靶基因，参与调控红细胞生成、血管形成和细胞存活、凋亡，促进葡萄糖酵解、增加转运及无氧代谢等不同的病理生理过程，不仅能使组织产生缺氧适应，而且可进一步促进机体功能的恢复[8-10]。

2 缺氧诱导因子-1α及其下游靶基因通路对神经干细胞的影响

2.1 HIF-1α-EPO通路对NSCs的影响 EPO基因是HIF-1的靶基因之一，受HIF-1α调控，可以维持NSCs的生长和发育。神经细胞在缺氧状态下，通过HIF-1α的调控可使EPO的表达增加[11-12]。研究显示，EPO可以促进脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）、VEGF等神经营养因子的分泌，从而发挥神经保护作用[13]。Shingo等[14]研究表明，EPO可在体外诱导刺激多功能干细胞向神经祖细胞方向分化，在低氧条件下体外培养的大鼠神经干细胞可分化产生出较正常情况下多2～3倍的神经元，这一作用与EPO信使核糖核酸的表达增高相关。另外，EPO还具有抗凋亡作用，机制可能是通过抑制细胞色素C释放，阻止大鼠嗜铬细胞瘤细胞株（pheochromocytoma cells，PC12）细胞凋亡实现的[15-16]。Liu等[17]研究发现，即使在常氧条件下，粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony stimulating factor，G-CSF）也可激活HIF-1α，后者再结合至EPO启动子，从而提高EPO的细胞表达水平。一项针对大鼠的动物实验研究表明，神经组织在缺氧、缺糖时，预先给予EPO联合G-CSF处理组较单独EPO或G-CSF处理组以及空白对照组表达更多的B淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）抗凋亡蛋白，合成更多的BDNF等神经营养因子和形成更多的新生血管，这项研究表明EPO联合G-CSF可能通过上述机制发挥神经保护作用[17]。

2.2 HIF-1α-VEGF通路对NSCs的影响 神经干/祖细胞（neural stem/progenitor cells，NSPCs）可以通过持续表达HIF-1α的转录因子及其下游靶标VEGF来抵抗缺氧、缺糖环境，动物实验研究发现，其神经保护作用可被VEGF抑制剂SU1498阻断[18]。敲除小鼠NSPCs中HIF-1α基因后发现，与对照组相比，基因敲除组NSPCs中VEGF的表达减少超过了50%，神经元的凋亡增加，由NSPCs介导的神经保护作用减弱[18]。这些结果表明，NSPCs可通过HIF-1α-VEGF信号通路的激活来促进神经元存活。脑缺血缺氧后，HIF-1α可以通过调控下游VEGF靶基因来促进VEGF的表达，进而促使新生血管生成，改善脑的血流动力学，促进脑缺血缺氧损伤的恢复[19]。另外，HIF-1α可以上调VEGF受体Fit-1的转录，进而促进Fit-1的表达，还可稳定VEGF信使核糖核酸，通过这些途径增强VEGF的生物学效应[20]。

Sun等[21]把小鼠内皮细胞和含有NSCs的新生鼠脑切片进行共同培养发现，NSCs数目和由其分化而来的神经元和胶质细胞数目明显增加；通过核糖核酸干扰技术干扰VEGF的表达可以逆转内皮细胞介导的神经再生，微阵列分析表明这种共培养体系中多达112种基因的表达发生了明显改变，经核糖核酸干扰技术干扰VEGF的表达后发现，在发生改变的112种基因中有81种基因的表达恢复到正常水平；通路映射研究提示这些增强的基因表达主要在Notch和Pten基因通路上，表明内皮细胞促进NSCs的增殖和分化与VEGF相关，机制可能是通过激活Notch和Pten基因通路。

VEGF能增强血管内皮细胞的生长，促进脑损伤病灶的血管再生和微血管形成，改善脑循环，在脑损伤的修复和功能恢复中起到重要作用。有研究证实，VEGF可以促进NSCs的增殖，且VEGF作用后的NSCs具有更强的向神经元方向分化的潜能，此作用可能是通过激活MEK/ERK信号通路和上调Hesl基因的表达来实现[22]。

2.3 HIF-1α-SDF-1通路对NSCs的影响 脑损伤后NSCs在体内外因素的共同作用下迁移至损伤区域并分化为神经组织细胞。在众多炎症趋化因子中，研究最多的是SDF-1。SDF-1是CXC趋化因子家族的重要成员，可与其受体CXC趋化因子受体-4（CXC chemokine receptor-4，CXCR4）特异性结合，形成受HIF-1α调控的SDF1/CXCR4轴，在脑梗死后NSCs迁移过程中起着重要作用[23]。Carbajal等[24]研究显示，SDF-1可诱导移植的NSCs向脑白质脱髓鞘的区域迁移。Liu等[25]研究证实，SDF-1可以诱导NSCs向脑组织缺血的区域迁移。SDF-1/CXCR4轴在神经干细胞迁移至损伤区进行神经损伤修复的过程中发挥着重要作用，由损伤部位所分泌的SDF-1可以和CXCR4结合，诱导NSCs向损伤区迁移，进而通过NSCs的作用参与脑损伤区组织的修复。Itoh等[26]研究发现，巢蛋白（Nestin）在表达时间和程度上与SDF-1表达有一定的相关性，Nestin是NSCs特征性的生物学标志，这表明，SDF-1可能参与了NSCs的迁移过程。在胚胎发育早期的神经脊细胞内，HIF-1α可能通过调节CXCR4的表达，间接发挥调控SDF-1的功能[27]。在脑组织缺血时，SDF-1α可以上调侧脑室壁的室管膜下区（subventricular zone，SVZ）内源性NSCs的增殖，此外，还能上调表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）以及整合素α6的表达，从而刺激SVZ的NSCs向嗅球、梗死区迁移[28]。另有研究表明，SDF-1α对NSCs的趋化性随其浓度的增高而增高，并且证实了该趋化轴对NSCs趋化迁移的特异性[29]。

2.4 HIF-1α-iNOS一氧化氮通路对NSCs的影响 iNOS是HIF-1α的靶基因之一，其介导生成的内源性一氧化氮（nitric oxide，NO）是一种具有自由基性质的生物活性分子[30]。有研究表明，NO可以抑制哺乳动物脱氧核糖核酸的合成和NSCs的增殖，在神经系统发育的过程中起着重要的负性调控作用[31-32]。动物实验研究表明，经慢性iNOS抑制剂处理的大鼠齿状核和室管膜下区中神经再生能力较空白对照组增加了60%[33]。HIF-1α激活后，iNOS转录增加，组织NO合成增加，增加的NO可以促使NSCs从对称分裂向非对称分裂的方向转变，从而使NSCs产生分化[30]。HIF-1α诱导的iNOS的表达是干细胞从增殖向分化过渡的关键点。

综上所述，HIF-1α通过对其下游多靶基因的调控而对神经干细胞的增殖、迁移、分化产生重要影响，发挥其神经保护作用，随着对HIF-1α及其下游靶基因通路研究的进一步深入，其在脑缺血缺氧中神经保护的作用机制会更加透彻，HIF-1α及其下游靶基因有可能成为脑梗死治疗中的有效作用靶点，具有广阔的应用前景，但其具体机制尚未完全清楚，有待于进一步研究深入。

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