低氧诱导因子在主动脉瘤形成中的作用*

刘欣如，马雨涛，于宝琪，2△，曲爱娟，2

（1首都医科大学基础医学院生理学与病理生理学系，北京100069；2首都医科大学重塑相关心血管疾病教育部重点实验室，北京100069）

1 主动脉瘤概述

主动脉瘤（aortic aneurysm，AA）通常被定义为主动脉直径≥30 mm的永久性和不可逆的血管局部扩张［1］。根据病灶部位的不同，主动脉瘤可分为扩张位于膈肌以下的腹主动脉瘤（abdominal aortic aneurysm，AAA）和膈肌以上的胸主动脉瘤（thoracic aortic aneurysm，TAA）［2］。AA具有高发病率与高死亡率。近20年来，AAA在60岁以上男性发病率在4%～7.6%［3］，TAA每年10.4人/10万人［2］，在中国AAA破裂导致的死亡率高达80%以上［4］。目前临床上对于AA的治疗除了手术修复外，尚无特效药物可以根治。因此，深入探究其病理生理学发病机制，有助于定位该病的治疗靶点，并在发病早期就能起到有效的防治作用［5］。

主动脉血管壁中弹性纤维和胶原纤维的降解和断裂使腹主动脉壁弹性和扩张强度显著下降，导致动脉壁局限性膨出成瘤。降解弹性纤维和胶原纤维的酶类活性增高，以及分泌以上酶类的炎症细胞在动脉壁浸润增加，都是导致AAA形成的重要因素。TAA的发病常与某些遗传性疾病如马凡综合征、埃-当综合征、家族性动脉瘤等相关。此外，吸烟、高血压、慢性阻塞性肺疾病等也是主动脉瘤的易患因素［2，6］。目前大量研究发现导致TAA或AAA的通路有所不同，然而研究二者的相似之处与相互联系可能在探索疾病发病机制上更有意义。

2 AAA的发病机制

AAA的病理生理学机制主要包括弹性蛋白断裂、炎症反应与血管新生、氧化应激增加、血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）减少等［1，7-8］。

2.1 细胞外基质（extracellular matrix，ECM）与正常主动脉相比，AAA血管壁内膜增厚，中膜弹性纤维明显降解、退化［9］。早期研究发现，AAA病人瘤体组织中弹性蛋白酶活性升高，提示可能与AAA血管壁中弹性纤维降解有关［1，10］。目前认为基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）家族和丝氨酸蛋白酶家族［1］主要与AAA进展相关：除MMP-2和MMP-9早已被证实在AAA发病过程中起关键作用［11-12］，近期发现，Mmp-3-/-小鼠经血管紧张素II（angiotensin II，Ang II）诱导后，AAA的发病率较野生型小鼠大大降低，主动脉的扩张程度和弹性蛋白断裂程度均明显降低，提示MMP-3活性升高可能促进AAA的发生发展［13］。另外，丝氨酸蛋白酶，如纤溶酶不仅能通过黏附蛋白降解ECM，还能促进VSMCs的凋亡，并激活MMPs前体，从而促进AAA的发生发展［1］。

2.2 炎症反应与血管新生血管壁全层慢性炎症细胞浸润是AAA的典型特征之一。巨噬细胞、CD3+T淋巴细胞、CD19+B淋巴细胞和中性粒细胞等炎症细胞在AAA病变周围的内膜、中膜的微血管中浸润尤为明显。这些炎症细胞不仅分泌MMPs，还介导损伤性免疫反应，如巨噬细胞可以表达MMP-9、白细胞介素4（interleukin-4，IL-4）、IL-8等，从而造成ECM的损伤［1，9］。

生理条件下，主动脉中膜没有毛细血管，是免疫隔离部位。而在病理状态下，炎症细胞可以依靠新生毛细血管进入主动脉壁的ECM［1］。研究发现，AAA血管壁从内膜到中膜有大量微血管分布，微血管中血管内皮生长因子受体（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）——VEGFR-1、VEGFR-2和VEGFR-3表达增加，在微血管内部及周围可见血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）——VEGF-A+或VEGF-C+细胞，提示血管新生是AAA发病的重要机制之一［9］。

2.3 氧化应激增加氧化应激是AAA免疫适应反应的主要决定因素。人类AAA相关氧化应激反应中自由基的主要来源有粒细胞分泌的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸和髓过氧化物酶，以及腹主动脉腔内血栓中残留的红细胞释放的还原性铁，它们可能导致主动脉内皮细胞和VSMCs的凋亡与坏死［1］。有研究报道，抑制氧化应激可以降低MMP-2的活性，从而降低Ang II诱导的低密度脂蛋白受体基因敲除（low-density lipoprotein receptor gene knockout，Ldlr-/-）小鼠AAA的病变严重程度［14］，提示强烈的氧化应激可通过提高MMP-2活性促进AAA的发展。

2.4 VSMCs凋亡VSMCs数量减少是AAA的关键组织学特征［15］。早期研究发现，AAA患者的瘤体组织中层存在大量凋亡的VSMCs。此外，浸润在AAA血管壁中的巨噬细胞和T淋巴细胞可以通过分泌细胞因子、穿孔素、Fas/FasL等细胞毒性介质促进VSMCs凋亡［16］，提示VSMCs的数量减少还与免疫细胞毒性作用相关。另外，前文所述纤溶酶、弹性蛋白酶等也能引起VSMCs凋亡［1］。由于VSMCs还可分泌弹性纤维和胶原纤维，ECM在VSMCs附近合成并成熟，所以在AAA中，上述引起VSMCs细胞数量减少的因素还可进一步导致ECM的修复受损［1，16］。

3 低氧诱导因子家族

在主动脉瘤形成及发展过程中，由于附壁血栓的形成与瘤壁动脉粥样硬化改变，影响血氧弥散，将不可避免的影响动脉壁的供氧。低氧诱导因子家族作为机体应对低氧过程的关键调控元件，其在主动脉瘤发病过程中的作用逐渐受到人们的关注。

低氧诱导因子（hypoxia-inducible factor，HIF）是一种与DNA特定序列相结合的转录因子，是诱导低氧基因表达的重要调节因子，能够促进机体细胞适应缺血性组织和实体肿瘤等多种缺氧环境［17-18］。HIF是由α亚基和β亚基组成的异二聚体，两种亚基都是basic helix-loop-helix（bHLH）-PAS超家族的成员［19］。HIF-α家族包括HIF1α、HIF2α和HIF3α三个成员，HIF-β亚基即HIF1β，又被称为芳香烃受体核转位子（aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT），其基因定位于人1号染色体q21区，在细胞内稳定表达，起结构性作用［20］。HIF1α和HIF2α都是典型的缺氧感受器［17］，包含2个专门的反式激活域NTAD和CTAD，可作为转录激活子［21］激活机体在缺氧状态下调节稳态的反应［22］。HIF1α主要通过激活编码胞浆和线粒体蛋白的基因转录，抑制线粒体的生物发生和氧化功能，促进线粒体的自噬清除，从而减少氧消耗［17］。HIF2α也称为内皮PAS结构域蛋白1（endothelial PASdomain protein 1，EPAS1），是促红细胞生成素合成的主要驱动因子，可以通过促进过氧化物酶体的自噬清除减少机体氧消耗［17］。HIF1α和HIF2α在急性缺氧时迅速积累，在缺氧后6～8 h之间显著升高，可能协同调控或竞争转录靶点［23］。HIF1由分子量为120 kD的HIF1α和分子量为91、93或94 kD的HIF1β组成［24］，HIF2由HIF2α和HIF1β组成，HIF1与HIF2参与基因的激活转录，在多种组织中广泛表达［20］。HIF3是由HIF3α和ARNT组成的异二聚体转录因子，与HIF1α和HIF2α相比，人们对HIF3α的了解更少，这在一定程度上是由于HIF3α存在多种变异体，因此阐明HIF3的功能也变得非常具有挑战性［21，25-26］。之前的研究认为HIF3α主要通过竞争性结合其他HIFα亚基来抑制缺氧反应［20，26］，近期的研究表明，当HIF3α的其中一个变异体HIF3α2与HIF1或HIF2共表达时，更有可能产生协同效应而不是抑制效应，提示HIF3可能是一个在缺氧反应中有双重作用的转录因子［26］。目前对HIF作用途径的研究主要集中在HIF1和HIF2上，HIF3是一个相对未知的缺氧反应调控因子。有证据表明，HIF3是最大化诱导EPO的mRNA和蛋白表达水平所必需的转录因子［26］，通常只在高度缺血的组织，如角膜中表达［20］。

研究表明，正常主动脉未见HIF1α表达，但在AAA血管壁内膜、中膜的细胞核及细胞质中HIF1α均有表达，且胞核、胞浆强表达HIF1α的巨噬细胞同时也表达VEGF-C、MMP-9等，提示HIF在AAA的发病通路中可能起到重要作用［9，15］。

4 HIF与AAA

4.1 HIF1α与ECM在Ang II和β-氨基丙腈诱导的小鼠主动脉瘤模型中，与野生型小鼠相比，平滑肌细胞Hif1a特异性敲除小鼠的AA（包括AAA和TAA）发生率更高，腹主动脉弹性纤维的断裂和破坏更为广泛，主动脉中的总弹性蛋白（包括交联弹性蛋白和非交联弹性蛋白）、成熟交联弹性蛋白的体积更小。其机制可能是在平滑肌细胞Hif1a特异性敲除的小鼠中调控弹性蛋白交联和凝聚的关键酶——赖氨酰氧化酶（lysyloxidase，LOX）的活性受到抑制。然而，MMP-2活性及金属蛋白酶组织抑制物（tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs）的表达在两组中没有明显差异，提示在VSMCs中特异性敲除Hif1a可以通过抑制VSMCs功能、抑制LOX活性等方式，破坏弹性纤维的形成，增加AA的发生率，但不改变弹性纤维的降解能力［27］。

4.2 HIF1α与MMPsMMP-2在远离氧源的部位表达，意味着缺氧条件可能使MMP-2活化。研究发现，在正常人主动脉血管壁中HIF1α几乎不表达，而在AAA患者中，HIF1α的表达主要集中在主动脉中膜及炎症浸润区，与MMP-2的定位一致［28］。当人主动脉内皮细胞中过表达HIF1α时，可明显上调MMP-2和MMP-9水平。因此，临床上对AAA患者应谨慎使用增强HIF1α的药物。反之，应用HIF1α抑制剂——2-甲氧基雌二醇（2-methoxyestradiol，2-ME）或地高辛后，Ang II诱导的HIF1α、VEGF、MMP-2和MMP-9的高表达水平明显被抑制，高脂血症小鼠AAA的发生率和严重程度也随之降低［29］。

在Ang II诱导载脂蛋白E基因敲除（apolipoprotein Egene knockout，ApoE-/-）小鼠AAA模型中，体内水平沉默Hif1a基因后，MMP-2和MMP-9活性、弹性纤维断裂和ECM破坏程度均明显减低，AAA瘤体直径减小，提示沉默Hif1a基因可通过降低MMPs活性减轻Ang II诱导的AAA的发生发展［15］。而在髓系Hif1a特异性敲除小鼠AAA模型中，瘤体直径更大，发生严重AAA的比例更高，主动脉弹性纤维的断裂程度和降解程度更高，组织中TIMPs的表达明显下调。TIMPs可以抑制MMPs活性，尽管该研究未显示MMPs的活性出现对应上调，但TIMP1和TIMP3表达下调可能与AAA形成加剧有关，说明髓系HIF1α对ECM的保护作用主要是通过调节TIMPs实现的［30］。但是，如上文所述平滑肌细胞源性HIF1α的缺乏不影响MMP-2的活性［27］，提示在AA形成过程中，不同细胞源性的HIF1α作用是不同的，有待更深入的研究。

4.3 HIF与炎症反应和血管新生在许多疾病中，HIF1α都扮演一个调节炎症反应和血管新生的重要角色。研究发现，在AAA小鼠模型中沉默Hif1a，其巨噬细胞浸润于主动脉中膜和外膜的数量明显减少，炎症细胞因子IL-1β、IL-6、MCP-1和TNF-α的表达明显降低，主动脉血管壁内的新生血管数量明显减少，其中VEGF-A以及血管内皮生长因子相关的酪氨酸激酶1的分泌降低，提示Hif1a基因沉默减弱了AAA中炎症反应及抑制新生血管的形成。由此推测，应用HIF1α抑制剂可能通过以上机制抑制AAA的发生发展［15］。同理，尽管髓系Hif1a特异性敲除小鼠的AAA组织中巨噬细胞浸润程度高，但其可抑制AAA发病进程，提示髓系HIF1α可能通过降低炎症反应发挥对主动脉的保护作用［30］。

目前关于HIF2α与主动脉瘤的相关研究还较少。有研究发现，共转染HIF1α和HIF2α可明显促进牛主动脉内皮细胞的活化，增强细胞黏附能力，促进黏附分子的表达，同时活化的内皮细胞可通过旁分泌的形式促进野生型内皮细胞的迁移和成管能力，并在体内促进血管新生，提示HIF1α和HIF2α在血管形成过程中具有累积作用［31］。此外，有研究报道，在肺动脉高压患者和动物模型中均发现HIF2α及其靶基因表达水平上调，给予HIF2α抑制剂C76可明显抑制肺动脉高压动物的血管重塑进程，由此推论HIF2α抑制剂有望成为治疗存在严重血管重构的肺动脉高压患者的新型药物［32］。

4.4 HIF1α与VSMCs与正常主动脉相比，病人的主动脉中膜HIF1α的表达明显上调，与人主动脉VSMCs的凋亡率呈正相关，而与增殖相关的星形胶质细胞升高基因1（astrocyte elevated gene-1，AEG-1）的表达水平降低，提示HIF1α可能通过下调AEG-1的表达促进VSMCs的凋亡［33］。另有体外实验证实，缺氧（3%O2）刺激能诱导HIF1α在人脐动脉血管平滑肌细胞中的表达与活化，而抑制HIF1α可以下调巨噬细胞游走抑制因子的表达，从而抑制VSMCs的迁移和增殖［34］。因此，HIF1α可能通过促进VSMCs的凋亡，影响ECM结构的完整性而加剧主动脉瘤的发生发展。

VSMCs有收缩型和分泌型2种表型，收缩型VSMC的增殖和迁移能力较差，标志物有α-平滑肌肌动蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）和平滑肌蛋白22α（smooth muscle 22α，SM22α）等；分泌型VSMC增殖、迁移和合成细胞外基质的能力强，生物标志物包括骨桥蛋白（osteopontin，OPN）等。VSMCs的表型转化是影响主动脉血管壁结构与功能的重要因素。正常成人动脉中以收缩型VSMC为主。研究发现，过表达HIF1α后，收缩型VSMCs标志物α-SMA和SM22α的表达明显降低，而分泌型标志物OPN明显升高，提示HIF1α能改变VSMCs的表型，使其从收缩型转为分泌型，从而影响主动脉壁结构，参与主动脉瘤的发病过程［33］。

5 TAA的发病机制

在TAA的病理组织学特征中，除了弹性纤维的破坏、丢失等，还有蛋白多糖沉积明显增加［2］，尤其是聚集蛋白聚糖（aggrecan）和多能蛋白聚糖（versican）［35］。大约20%的TAA表现为家族性、常染色体单基因显性遗传，而AAA则未明显表现出这种遗传特征［36］。一些基因的突变已被认为是导致TAA形成的 原 因，包 括ACTA2、TGFBR1、TGFBR2、FBN1、MYH11、SMAD3、MLCK和TGFB2等［37］。

有研究显示，TAA患者血清中长链非编码RNA HIF1α反义RNA 1（HIF1α-antisense RNA 1，HIF1AAS1）的表达较对照组显著增高，而主动脉中膜和VSMCs中brahma-related gene 1（BRG1）的水平明显增高，在VSMCs过表达BRG1，HIF1A-AS1的表达水平也随之上调，导致促凋亡蛋白caspase-3上调，抗凋亡蛋白Bcl-2下调，VSMCs凋亡更为显著，说明在TAA中HIF1A-AS1的表达受BRG1正性调节，在VSMCs的增殖和凋亡中起关键作用，从而影响TAA的发生发展［38-40］。

6 前景展望

目前，大量研究证实HIF1α可以通过调节弹性纤维的形成、基质金属蛋白酶的表达及活性、血管平滑肌细胞的数量与表型、炎症反应与血管新生等多种途径参与腹主动脉瘤的发生发展过程。由于目前的研究表明系统性HIF1α活性降低对腹主动脉瘤的发生发展有抑制作用，故HIF1α抑制剂有望在未来主动脉瘤的防治工作中起到关键作用。值得注意的是，不同细胞源性的HIF1α对主动脉瘤的形成与发展可能有不同的作用，这一点有待更加深入的研究。此外，在血管领域，HIF2α与血管新生及血管重塑的研究日臻成熟，而HIF3作为低氧诱导因子家族中具有负向调节能力的因子，均使二者在主动脉瘤的发病机制中成为重要的靶标因子，很可能成为临床上的防治主动脉瘤发生发展的新靶点。