HIF-1α 在病理性瘢痕中的作用研究

（暨南大学附属广州红十字会医院烧伤整形科，广东 广州 510235）

病理性瘢痕（pathological scar）是发生于各种外伤，常见于各类手术后、烧烫伤后创面过度修复引流，是一种以真皮成纤维细胞过度增生、真皮层胶原纤维过度沉积、细胞外基质蛋白沉积和上皮间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）为特征的皮肤纤维增生性疾病。病理性瘢痕的发生不仅仅会影响患者的外形外观，严重者还伴随肢体功能障碍。缺氧现象广泛存在于哺乳动物的细胞和组织中，它的变化影响着机体内细胞的新陈代谢，机体为适应缺氧情况已形成了一套复杂的反应系统，其中缺氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）及其信号通路的下游因子在应对缺氧现象过程中扮演着重要角色。而在人体瘢痕组织的发生发展中，缺氧现象同样存在，HIF-1α 在其中同样发挥着重要的作用。为探究HIF-1α 在病理性瘢痕中形成过程中的作用，本文对近年来的相关研究进行综述。

1 HIF-1α 概况

在哺乳动物的正常生理及病理过程中，HIF-1α都具有重要作用[1]。早在1992 年，就有研究在缺氧状态下的肝癌细胞株的提取物中发现了HIF[2]。HIF-1 是一种由α-亚基和β-亚基组成异二聚体蛋白，分为HIF-1α 和HIF-1β 两种转录因子，HIF-1β主要存在于细胞核中，而HIF-1α 主要存在于细胞质中。每个HIF-1α 因子都含有螺旋环-（HLSPAS）结构域，这有利于DNA 的结合和异源二聚体的形成。HIF-1α 亚单位受HIF-脯氨酰羟化酶（PHDs）的调控[3]。近年来，研究普遍认为氧分压是调控HIF-1α 表达的主要因素[4]，HIF-1α 的表达一定程度上随氧分压的下降而升高。正常氧分压情况下，基本检测不到HIF-1α 的表达；但是当氧浓度降低于5%时，HIF-1α 则能在细胞中稳定表达，可检测到HIF-1α的相关核酸和蛋白的指标明显上升。正常氧分压条件下HIF-1α 的半衰期不超过5 min，因为在正常氧饱和度下HIF-1α 由氧依赖降解结构域（oxygen dependent degradation domain，ODDD）通过泛素蛋白酶体途径使其被有效地灭活。但在缺氧的病理条件下，泛素化水平下降，上述降解过程被大大抑制，不能被灭活的HIF-1α 在细胞内大量积聚，并与HIF-1β 结合形成HIF-1，HIF-1 与缺氧反应元件（hypoxia response element，HRE）结合，从而通过参与多条信号通路的方式使细胞对缺氧作出反应。

病理状态下，HIF-1α 可以通过各通路介导多种下游相关因子，包括血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、促红细胞生成素（EPO）、糖酵解酶、细胞存活因子、细胞外基质蛋白等[5]，从而介导缺氧状态下细胞周期和信号转导的调控。HIF-1 对缺氧环境的调控主要通过以下几条信号通路：API-3K/Akt/HIF-1α 通路、SENP1/HIF-1α 通路、HIF-1α/BNIP3/Bcline-1 通路、MAPK/HIF-1α 信号通路等。在病理性瘢痕组织内，HIF-1 介导的TGF/Smad 信号通路被认为发挥主要作用，HIF-1 通过该通路进而影响下游的TGFβ-1、sma-α 的表达，达到不同程度上影响瘢痕形成的结果[6]。有研究提示，HIF-1α 对于人类机体生理和病理状态下均有影响。生理状态下，HIF-1α 有利于细胞适应缺氧环境；而对于病理状态，如各种肿瘤、炎症等，HIF-1 的调控均有不同的影响[7]。在疾病治疗方面，早在2004 年，有研究提出HIF-1α 有可能作为非小细胞癌免疫学检测的分子标志物，并有治疗价值和应用前景，以HIF-1 作为作用因子的药物从此也陆续应用到肿瘤治疗的基础研究[8]。

2 创面愈合与HIF-1α 表达的关系

创面愈合是各种致伤因素造成相应组织破损后，创面基底组织通过再生、修复等方式进行修补的一系列过程，同时是一个由生长因子和细胞因子共同作用的复杂过程[9]。创面愈合的影响因素同时也影响着后期瘢痕的形成，如若创面愈合过程中出现局部严重感染，病原微生物的来袭致使创面受到二度损害，加深损伤深度，这亦可增加病理性瘢痕形成的几率。研究表明HIF-1α 在创面愈合过程的血管再生和细胞迁移中具有作用[10]。

在创面修复阶段，HIF-1α 存在于创面基底当中，并在创面愈合过程中起着调控作用。有研究对烫伤皮肤在缺氧下根据空间变化和时间变化进行探索，发现VEGF、SDF-1、HIF-1α 表达相应部位及变化趋势与缺氧标记相似[11]。研究已证实HIF-1α 的丢失会导致皮肤创伤血管不畅和伤口愈合缓慢，而HIF-1α 的激活加速了伤口愈合[12]。在烧伤创面愈合过程中，HIF-1α 的产生与细胞的通透性增加存在相关性，同时更与紧密连接蛋白（ZO-1）含量的降低存在明显相关性，细胞的通透性增加能加速细胞的生长代谢过程，ZO-1 的表达与参与细胞通透性改变、细胞增殖等重要过程有关[13]，因此创面修复中HIF-1α 可能通过影响ZO-1 表达进而影响创面愈合的进程。

研究已证实HIF-1α 的丢失会导致皮肤创伤血管不畅和伤口愈合缓慢，而HIF-1α 的激活加速了伤口愈合。Duscher D 等[14]构建了一个条件HIF-1α 基因敲除小鼠模型，降低成纤维细胞中这个主转录因子的表达可以导致显著降低新血管反应，导致组织坏死增加和伤口愈合受损，因此可以得出，HIF-1α在创伤愈合的缺氧模型中起到相当重要的作用，HIF-1α 的表达的缺失将大大遏制创面修复进程。有研究在兔结膜愈合模型中检测出HIF-1α 在兔结膜、Tenon's 表达[12]，由此认为HIF-1α 的表达可能促进兔结膜伤口愈合，眼结膜上皮是一类富含血管的粘膜上皮，HIF-1 参与到结膜粘膜上皮的修复过程对身体其余部位的粘膜上皮的研究有较大的参考意义。

在创面相关疾病治疗中，HIF-1α 也起到重要作用。负压封闭治疗于近年来广泛应用于临床上各种伤口、创面的辅助治疗，被认为能促进伤口、创面的愈合，降低病理性瘢痕形成的几率，相关基础研究也陆续开展。目前认为其机制包括增加创面血流量、避免伤口与外界直接接触从而降低病原体感染的机会、减少换药的次数从而减少刺激等。在兔全层皮肤缺损模型中，应用负压创面治疗（negative pressure wound therapy，NPWT）可使HIF-1α 表达显著升高[15]。也有研究认为，应用NPWT 后会在创面床上形成一个正压力，并导致与填充敷料相接触得到组织血流快速减少，导致创面组织缺氧，使成纤维细胞合成HIF-1α。这些研究说明创伤创面可看似一缺氧模型，创伤创面修复过程伴随着HIF-1α 表达的升高，将有利于创面修复过程。因此对促进创面愈合的治疗方面的研究，可以以HIF-1α 作为研究靶点，从中选择较好的治疗方案供给临床参考。

3 病理性瘢痕与HIF-1α 表达的关系

病理性瘢痕则是一种由于烧伤及其他创伤后导致的创伤性疾病，目前认为转化生长因子β（transfer growth factor，TGF-β）、结缔组织生长因子、碱性成纤维细胞生长因子等参与到瘢痕形成的调控[16]。病理性瘢痕按照种类可分为增生性瘢痕、瘢痕疙瘩和萎缩性瘢痕，其中以增生性瘢痕较多见。增生性瘢痕组织伤口边缘和附件结构的角质形成细胞迁移、增殖，使伤口通过再上皮化愈合，其生物学特征是组织内成纤维细胞数量增加，合成和分泌大量胶原纤维[17]。瘢痕疙瘩是病理性瘢痕的另一种类型，其特征在于瘢痕组织会长出原始伤口的边缘，侵袭周围的正常皮肤。大概40%～70%的手术损伤和90%以上的烧伤会导致皮肤病理性瘢痕，而后出现的形态学和功能学上的变化。对患者来说是，其严重影响后期的手术治疗及其余综合性治疗，同样也给患者造成较大的经济负担[18]。低氧在增生性瘢痕的发生发展过程中起重要作用，随着增生性瘢痕发生发展，微血管和氧分压存在着动态改变，且这与瘢痕病理的改变有关；而瘢痕疙瘩形成的病生理基础是低氧和异常血管减少，HIF-1α 是增生性瘢痕异常启动因素[19]。在瘢痕形成阶段，研究提示HIF-1α 主要分布在瘢痕疙瘩的上皮层，尤其是与真皮相邻的基质层高度表达。缺氧条件下（1%O2），瘢痕角质形成细胞侵袭能力高于常氧状态下（21%O2）的瘢痕角质形成细胞的侵袭能力，但重度的氧分压降低，将诱导成纤维细胞凋亡[20]。因此，角质形成细胞侵袭能力的形成与缺氧现象存在密切的联系，随着氧浓度下降，角质形成细胞的侵袭能力增强；但氧浓度下降到较低浓度时，便会诱导组织细胞凋亡。胡强等[21]发现，病理性瘢痕的成纤维细胞HIF-1α 的表达水平较正常皮肤成纤维细胞升高，而在低氧环境下的成纤维细胞HIF-1α表达水平高于正常氧环境下细胞的表达，该研究还发现HIF-1α 在瘢痕成纤维细胞的增殖及活力中具有促进作用。

MicroRNAs（miRNA）也与增生性瘢痕的形成有着密切的联系。miRNA 是一类小分子RNA，在真核细胞生物的广泛存在，尽管不参与编码遗传信息，但其参与基因表达的调控[22]。另外，siRNA 也是不参与编码的另一类RNA，其同样具有调控基因表达的功能。Wu X 等[23]发现，miR-155 的过度表达可以通过PI3K/AKT 途径作用于HIF-1α，从而抑制成纤维细胞增殖相关的活性。徐志山等[24]发现hsa-miR31-5p通过调节HIF-1α 途径对增生性瘢痕的形成有重要作用，hsa-miR31-5p 可能是HS 的一个新的治疗靶点。不少研究发现，VEGF、TGF-β1、基质金属蛋白酶（MMP）等多种关键因子直接或间接参与到了病理性瘢痕形成[25]。吴晓燕等[26]的研究表明，瘢痕组织中VEGF 的表达水平与HIF-1α 呈正相关，说明VEGF可能与HIF-1α 共同促进病理性瘢痕的发生发展过程。目前认为激光疗法、冷冻疗法、糖皮质激素等瘢痕的治疗措施可调节其TGF-β1、MMP 等因子表达[22，27]，从而达到防治瘢痕的目的，但瘢痕治疗与HIF-1α相关研究仍较缺乏。

尽管更多研究关注的是瘢痕组织的成纤维细胞而不是间质形成细胞，但瘢痕角质形成细胞也参与到瘢痕疙瘩形成的病理过程，对瘢痕成纤维细胞的增殖、分化有重要作用[22]。Ma X 等[28]用免疫荧光染色和western blot 分析证实HIF-1αsiRNA 移植缺氧条件下瘢痕疙瘩角质形成细胞的EMT 过程，同时发现HIF-1α 的siRNA 可靶向抑制HIF-1α 的EMT信号，缺氧/ HIF-1α 微环境为瘢痕疙瘩来源的角质形成细胞通过EMT 获得纤维母细胞样的改变提供了良好的环境，这提示在瘢痕疙瘩组织中，角质形成细胞在其的发生发展过程发挥重要作用，而HIF-1α对其的EMT 过程提供了基础。敲除HIF-1α 基因，可极大地减少HIF-1α 蛋白的表达，进而降低角质形成细胞的侵袭能力，因此可以设想创面愈合后部分阻断HIF-1 的表达，进而降低瘢痕的侵袭能力，对预防异常突出于皮肤表面且有扩展趋势的瘢痕疙瘩有着较大的意义。

4 总结和展望

HIF-1 在哺乳动物的生理和病理过程中的作用相当重要，而通过各手段对HIF-1 活性的调节是许多疾病的治疗目标位点，如各器官的恶性肿瘤、各系统疾病等。烧伤创面、病理性瘢痕等疾病均有不同程度的HIF-1 及其下游因子的变化，所以目前已有越来越多的研究将关于HIF-1α 的探索置于重要地位。

对于瘢痕的治疗，因为单一的治疗方法存在局限性，所以联合运用多种治疗方法是目前公认为的安全且有效治疗策略。各种物理、药物治疗手段对HIF-1α 相关通路调控机制的研究依旧有待进行，相信明确HIF-1α 在各种治疗手段中发挥的作用机制，对于简化瘢痕治疗的程序、方便医患双方、节约医疗资源具有重要意义。另外，心脏、肝脏以及肾脏等器官的纤维化也可视为一种病理性的修复过程，HIF-1α 作为多种低氧适应性调节因子的上游调控因子，在病理性瘢痕的防治探索成果亦能给其他系统疾病的诊疗带来新的思路。