高原病发生的分子机制

王 超，李梦馨，李永平

(1.青海大学，青海 西宁 810001；2.青海大学医学院中医系，青海 西宁 810001)

随着高原地区的开发和人类活动范围的扩大，其独特的地理环境使人体产生一系列生理病理改变和代偿性适应变化，其中又以缺氧最为突出和严重。了解高原缺氧的发病机制，以预防和治疗高原病对人体的损害，显得尤为重要。急性高山病(account mountain sickness，AMS)是指机体在缺氧条件下发生的低氧血症、高碳酸血症和呼吸性碱中毒，症状表现为头痛，胸闷，嗜睡等，严重的可导致肺水肿(high altitude pulmonary edema,HAPE)与脑水肿(high altitude brain edema ,HACE)。其患病率和严重程度随海拔的升高而增加。海拔大于2 500米时中约有10%～25%的人群发生急性高山病。当海拔达到4 500～5 500米时，高山病的发病率可到达到50%～85%，并危及生命[1]。高原脑水肿和肺水肿是急上高原人员死亡的高危因素。在一项针对朝圣者发生高原病的研究中，快速上升至4 380米的769人中，AMS的例数为226例，而发生HACE的例数为11例[2]。历年研究发现高原病的发生，可能与下列分子机制密切相关。本文就高原缺氧的相关发生机制予以综述，总结近年来低氧诱导因子，热休克蛋白，血管紧张素转还酶，炎症反应等与高原病发生的关系，为进一步了解和阐释高原病的发病机制，防治高原病提供依据。

1 热休克蛋白(HSPs)

HSPs是可以被诱导的进化过程中很保守的一类蛋白，通常有机体于高温下诱导，亦能在紫外线，损伤，缺氧，病毒和细菌性感染等条件下诱导。HSPs作为一种保护性蛋白，能够对细胞进行保护对抗缺氧、损伤刺激，提高耐受性，亦可在细胞受损后对其进行分解。HSPs在于细菌和哺乳动物之中广泛分布，当较大的环境压力作用于细胞时，会合成更多的热休克蛋白。HSPs为伴侣蛋白，其主要功能为对抗氧化，清理消除氧自由基，减少溶酶体、线粒体等一系列细胞器的损害。Snoecks等依照组成蛋白的分子质量，功能，氨基酸序列的结构的差别将HSPs分为sHSP、HSP10、HSP40、HSP60、HSP70、SP90家族。观察发现，HSP70-2B/B与HSP70-homB/B基因型更常见于发生AMS的患者中，并且与AMS发生的风险性相关[3]。在急性缺氧时，依赖ATP的HSP70和HSP90表达明显降低，不依赖ATP的HSP27和HSP40也会在缺氧时间延长后发生降低。提示这些伴侣蛋白会在缺氧后被优先表达，可能是帮助机体降低耗能，维持蛋白的稳定[4]，以进行低氧环境的适应。

2 低氧诱导因子-1(HIF-1)

在人类和各种哺乳动物的细胞中，HIF-1均能被证实广泛存在。在正常的氧环境下，细胞中的HIF-1会与泛素链接酶结合而迅速被降解，唯有在发生缺氧的条件时才能稳定表达。HIF-1是氧气在细胞水平上检测和适应的中央调节器，能够激活与缺氧，红细胞生成，血管生成和线粒体代谢的有关基因，以维持氧稳态。HIF-1是由HIF-1α亚单位和HIF-1β亚单位组成的异源二聚体，当细胞发生缺氧时，因为HIF-1的作用，糖酵解酶和葡萄糖转运蛋白被上调，使细胞更多地通过糖酵解来降低耗氧量而不是有氧代谢，除此之外还能够减少细胞分裂等过程中的养分消耗，以使机体更容易应对低氧环境。在一项高原习服的研究中，对在适应和未适应个体中差异表达的microRNA进行了通路分析，认为在未适应的个体中差异表达的上调的microRNA抑制了HIF通路，是发生高原缺氧和未习服的原因[5]。大多数报告显示，HIF-1α和HIF-2α是缺氧转录反应的主要调控原件，但存在差异的是，细胞中的HIF-1α更多地介导了急性快速的缺氧过程，且会随着时间的增加而逐步被降解，而HIF-2则会逐渐积累，骨髓有核红细胞中HIF-2α的异常升高被视为参与了CMS(慢性高山病)的发生和发展，推断其参与了下游缺氧基因的异常表达[6-7]。

3 血管紧张素转换酶(ACE)

血管紧张素转换酶可以帮助血管紧张素(ANG)I转换为血管紧张素Ⅱ，后者能够促进血管收缩，血管压力上升。亦能直接作用于肾上腺皮质，是RAAS激活的关键步骤。醛固酮会强化肾小管对Na+的再吸收，严重时形成水钠储留，循环血量增加也会升高血压，构成发生高原病的危险因素。RAAS系统和体液平衡是早期高原适应的关键，研究发现，布地奈德能够通过降低血管紧张素转还酶，从而降低RAAS系统肾素的分泌，认为这有助于对AMS的防治[8]。亦有研究表明，在高原缺氧的环境下ACE活性无变化，提示醛固酮的变化可能是通过非ACE机制形成的[9]。

4 血管内皮生长因子(VEGF)

高原缺氧的发病机制被认为与毛细血管通透性密切相关，VEGF及VEGF受体sFLt-1增高是脑水肿、肺水肿血管通透性增加的最可能原因，VEGF是一种在低氧条件下有效的血管通透因子，低氧能够诱导VEGF的分泌增加，与内皮细胞结合后，通过破坏基底膜配合基来增加毛细血管通透性，导致血浆从毛细血管渗漏。sFLt-1能够拮抗多种血管通透因子，与VEGF结合并降低其自由循环和生物活性。在大多数研究中，发生高原缺氧时VEGF水平升高。2018年一项研究中，HAPE患者血浆中VEGF和sFLt-1水平均显著升高，目前尚不能清楚两者同时升高的原因和机制[10]。

5 内皮素(ET)

ET具有强烈的缩血管作用，其意义是维持血管的张力，在高原环境下，也会更容易引起肺动脉高压和脑组织的损伤，发生HACE和HAPE。ET-1、ET-2、ET-3是内皮素的3个异构体，分别于不同的组织表达，血管内皮细胞主要表达ET-1，而ET-2和ET-3则主要位于神经组织。利尿有助于高原适应，能够增加单位体积内的血细胞比容和氧气运输，以减轻低氧代偿性呼吸增快导致的呼吸性碱中毒。AMS患者利尿减少，可能的机制是精氨酸升压素(AVP)和肽素的上调或周围化学感受器敏感性改变导致的[11]，AVP能够刺激ET-1的释放，而ET-1能够拮抗AVP，促进利尿维持体液平衡，减轻AMS。Boos等实验和分析认为ET-1是AMS的独立预测因子，但也说明了ET-1的总体风险预测较低[12]。

6 微囊泡(MVs)

MVs是一类直径为0.11 μm的亚细胞因子，在一般情况下，细胞会保持少量的MVs，当受到缺氧环境和氧化应激时，细胞产生的MVs会大大增加，MVs主要的来源是活化或凋亡的细胞。在一些缺氧性疾病中 ，如缺血性中风 ，或脑组织出血造成的局部缺血缺氧，MVs的测得量均显著上升。MV会被多种类型的细胞释放当被激活，损伤或者正在经历凋亡时，它从被释放的细胞中携带物质，并转运到相邻的正常细胞中，产生一系列的反应，包括诱导细胞凋亡，这一过程扩大了损伤。MVs携带的可能是一些独立的促凋亡信号，有研究表明，MVs可以携带ROS并转移至靶细胞以介导细胞凋亡[13]，也有研究认为MVs携带的促凋亡蛋白Bax和抗凋亡蛋白Bcl-2的失衡是细胞凋亡的关键[14]。近年来，MVs亦被认为在某些组织、细胞中在应对缺氧环境下具有保护作用。

7 一氧化氮合酶(NOS)

NO分子质量很小，能很轻松穿过细胞膜作用于平滑肌细胞，可溶性鸟苷酸环化酶被激活，生成3 ′,5′环状单磷酸脂，使血管扩张，增加血液和氧气供应。NO的产生，依赖于NOS与O2及L-精氨酸发生反应从而生成L-瓜氨酸和NO。由于底物的减少，血管内皮的缺氧会造成NO生成减少和ROS活性增高，从而增强血管通透性和发生水肿。同时，当发生缺氧时，HIF-1，HIF-2会上调eNOS(内皮型一氧化氮合酶)与iNOS(诱导型一氧化氮合酶)的产生，以生成更多的NO[15]，这可能是一种保护机制。在慢性缺氧的高原适应中，研究发现藏族人血液中NO的水平要比平原人低很多，认为这可能与较高的血流量有关[16]。在一项针对NOS亚型的动物实验中，得出结论认为较高的nNOS和iNOS microRNA表达，较低的iNOS活性和NO代谢产物水平可能更有助于红尾沙蜥进行高原适应[17]。

8 炎性反应

炎性反应与高原缺氧的关系主要体现在两个方面，一是机体本身存在的炎性会诱导和增加AMS等的发生。Mishra等通过比较HAPE既往史和无既往史受试者血清中MCP-1、MIP-1α、lp-8的测得显著上升，认为具有HAPE既往史受试者较高的基线慢性炎性反应，可能是升高HAPE易感性的因素[18]。二是高原病本身的炎性改变，与高原低氧最相关的疾病，如AMS、CMS、HACE等的发生发展中，均可见相关组织细胞的炎性改变和炎性标志物检测的上升。研究发现，高海拔缺氧会诱导人体TNF-α、lp-1β、lp-6的升高，且上述促炎因子与AMS的症状呈现正相关[19]。炎性反应与高原病发病机制的关系仍是推测性的，有待讨论。高钰琪等认为低氧引起lp-1β、lp-6等炎性反应因子和内皮细胞ICAM1等细胞粘附分子(CAMs)水平的上升，MKL1，Brg1/Brm介导细胞粘附分子CAMs的转录和激活，进而导致血管收缩舒张失衡，通透性改变是HAPE发病的重要机制[20]。

此外，促红细胞生成素，谷胱甘肽转移酶等亦被认为与高原病的发生存在联系，已有多篇文章对此进行论述和总结，概不赘述。

随着越来越多的人群进入高原，出于工作或者娱乐等目的，研究高原对人体的损害及防治十分必要。高原缺氧的发病机制目前尚不能明确，存在争议，有待研究者们进一步证明和阐释，以上总结的相关分子机制对高原病的发生存在着重要意义，可能对相关的实验和临床研究提供一定的基础依据，为高原病的防治提供指导。