间歇低氧相关信号通路研究进展

刘茹悦 刘维英 祁梦雷 闫燕羽

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS)是由于上呼吸道包括鼻、咽部位气道塌陷引起的以睡眠中打鼾、呼吸暂停等睡眠行为异常，白日疲乏、嗜睡为主要临床特点的呼吸系统疾病。OSAHS患者睡眠中间歇低氧(intermittent hypoxia，IH)是全身多系统损伤的主要生理病理机制，导致氧化失衡，氧自由基增加，炎症级联反应激活促炎性细胞介质的生成，如白介素-2(interleukin-2，IL-2)、IL-4、IL-6、IL-10等炎性细胞因子，以及肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、缺氧诱导转录因子(hypoxic inducible factor-1，HIF-1)、脂质过氧化物，血管相关内皮黏附分子等[1]。IH致机体损伤的机制中，IH引起的相关信号通路激活在损伤过程中发挥着重要作用。目前普遍认为炎性反应氧化应激是IH致机体损伤的主要原因，对IH相关氧化应激通路的研究也较多，随着近年来相关研究的深入，发现也可通过细胞凋亡、细胞自噬等信号通路多种途径引起系统损伤。现就IH与丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)通路、核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)通路、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(Akt)通路、核因子2(nuclea factor erythroid-2-related factor2，Nrf2)/抗氧化反应元件(antioxidant response element，ARE)等通路相关性综述如下。

一、MAPKs信号通路

由MAPK激酶激酶(MAP kinasekinase kinase，MKKK)、MAPK激酶(MAP kinase kinase，MKK)和MAPK组成的MAPK信号通路，分为4个亚族：ERK、p38、JNK和ERK5，相关通路也分别命名为ERK MAPK、p38 MAPK、JNK MAPK及ERK5 MAPK通路。这些通路可被多种细胞因子、激素、神经递质、细胞氧化应激等激活，激活后参与多种细胞生理病理过程，包括调控细胞生长分化，适应机体外环境刺激，调节细胞炎性反应氧化应激等。

IH致心血管系统损伤主要表现为血管内皮损伤、高血压、心肌重构、心室肥厚、心肌病等。大鼠IH处理30天后，所有大鼠均发生右心室肥厚，检测发现HIF-1α表达、p38αMAPK活性增加，同时凝集素样氧化低密度脂蛋白受体(lectin-like oxidized low-density lipoprotein receptor-1，LOX-1)、NADPH氧化酶表达上调，通过生成更多的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，增强脂质过氧化致组织结构破坏[2]。IH大鼠也可通过介导内皮素-1(endothelin-1，ET-1)上调颈动脉体p38 MAPK磷酸化水平，使其表达水平升高，IH暴露下颈动脉体可塑性增强，增加继发性高血压的发生[3]。ET-1可致颈动脉体化学感受器敏感度增强，进一步促进高血压的发生，但这种增强过程被p38 MAPK拮抗剂所抑制，提示IH处理后大鼠可通过激活p38 MAPK通路，介导机体高血压、心肌重构等发生、发展过程，参与心血管系统的损伤。

IH可致多系统损伤，神经系统损伤主要表现为记忆力下降，认知功能障碍。Zhao等[4]研究报道，IH氧化应激后抗氧化物质表达下降及活性降低，进一步触发MAPKs通路，使下游神经细胞Bcl-2和Bcl-2相关蛋白异常表达，导致海马神经细胞损伤缺失，说明MAPKs通路激活通过氧化应激失衡参与了多个系统的损伤过程。除了炎症损伤外，Guan等[5]研究发现，吸入氢气可以减轻IH大鼠的肾脏病理损伤，除了降低氧化应激反应外，还参与了细胞凋亡和自噬过程，氢气吸入后主要通过抑制p38、JNK磷酸化过程，防止该通路激活，使凋亡相关因子CHOP、GRP78、caspase-12表达下调，自噬相关蛋白Beclin-1表达升高，p62表达降低，起到保护作用，这一研究结果也证实了IH激活MAPK通路后通过细胞凋亡和细胞自噬作用引起多系统损伤。

信号通路可通过网络化链接互相影响。研究报道IH可通过ERK1/2 MAPK、p38 MAPK和PI3K/Akt信号网络引起颏舌肌成肌细胞凋亡，导致颏舌肌功能缺陷，影响气道扩张和开放，抗氧化剂能通过调节这些通路相关因子减轻IH成肌细胞损伤及凋亡[6,7]。说明除了IH动物模型，体外IH细胞研究也通过p38 MAPK通路加重细胞凋亡，降低细胞活力及增殖能力，损伤细胞功能，抗氧化剂的应用，降低内质网应激诱导和细胞凋亡，同时下调炎性介质的表达，恢复细胞活力，明显改善细胞功能障碍，但目前IH通过多信号通路网络损伤的机制研究并不多见。

二、NF-κB通路

NF-κB存在于多种动物细胞中，参与机体对外界刺激、调节细胞反应，可被IL-1、IL-2、IL-6、IL-8、趋化因子、一氧化碳合酶(nitric oxide synthase，NOS)、黏附分子、集落刺激因子、TNF-α等多种物质激活。此外，血红素加氧酶-1 (heme oxygenase，HO-1)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)等抗炎分子在机体发挥抗炎性反应、免疫应答等过程中对抑制NF-κB通路活化起到重要作用。

有研究通过建立小鼠IH模型，检测主动脉中TLR4、NF-κB、p65及血清TNF-α、IL-6的表达，发现IH暴露可以促进TLR4的表达，激活NF-κB，增强炎性反应，加重小鼠动脉粥样硬化斑块的不稳定性；干预TLR4基因表达后的小鼠动脉粥样硬化病变减少，斑块面积较小，斑块不稳定性降低，体内炎性介质下调，血脂异常降低[8]。TLR4是NF-κB的上游基因，该研究证实了IH通过触发TLR4/NF-κB信号通路来促进动脉粥样硬化的进展。通过构建不同氧浓度的缺氧大鼠模型，检测各组大鼠肺组织中TLR4表达水平，发现随着缺氧程度加深，TLR4呈升梯度表达，并且随缺氧程度增加肺泡的损伤破坏程度加重[9]。TLR4的表达与缺氧程度呈正相关，通过TLR4/NF-κB通路诱导炎性细胞因子及趋化因子表达，触发一系列的肺部损伤，再次证实了IH下NF-κB通路通过炎症氧化应激参与了机体的多系统损伤。此外，越来越多的证据显示，OSAHS已成为代谢性疾病的独立危险因素。IH激活的TLR4/NF-κB信号通路在核苷酸结合结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat protein 3，NLRP3)信号通路协同作用下，下游IL-1、IL-6和TNF-α表达上调，这些因子作用于脂肪细胞受体，使胰岛素信号转导受阻，导致胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)和2型糖尿病；并且应用TLR4抑制剂或使NLRP3丢失或下调，可以减轻下游的促炎性反应，对代谢疾病有一定的预防和保护作用[10]。说明IH刺激下TLR4/NF-κB信号通路的促炎作用可能是OSAHS导致代谢性疾病的机制之一。

IH通过激活NF-κB通路加重机体各系统损伤，得到了大量研究结果的证实。但是，有一些研究表现出不同的结果。万雅琦等[11]用IH预处理7天的大鼠模型行大脑中动脉栓塞处理，相较于对照组大鼠残存神经元增多，梗死面积减小，TLR4及NF-κB表达下调，提示IH预处理后可能通过抑制NF-κB通路活化减轻神经系统损伤，起到了一定的保护作用。这种结果可能与该研究使用IH的同时采用类似于高海拔地区缺氧的低气压(53.5kPa)，IH低氧处理过程中氧浓度较高(最低12%)，IH暴露时间较短均可能与这种正向的保护结果相关。Yang等[12]在诱导大鼠再生障碍性贫血(aplastic anemia，AA)实验模型中，同样也给予IH低气压(约70kPa)每天5h预处理28天后，再给予诱导AA，炎症应激反应较对照组减轻，NF-κB及HIF-1的表达较对照组降低，血管细胞黏附因子(vascular cell adhesion molecule，VCAM-1)及晚期抗原4(very late antigen，VLA-4)表达较对照组升高，促进骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cell，BMMSC)分泌因子升高，提高骨髓能力，降低AA的发生率。众所周知，缺氧可以刺激红细胞的生成，促进造血干细胞和BMMSC的增殖，提前的短期IH低气压干预，刺激机体分泌应激因子，机体处于代偿状态，对缺氧存在一定的耐受性，后续再给予缺氧刺激时机体的相关信号通路及炎性因子表达较低，从而在一定程度上起到对机体的保护作用，但这种保护作用是适度的，若长期暴露于IH环境，缺氧程度加深，最终导致机体的损伤。

三、PI3K/Akt信号通路

PI3K/Akt通路在调控细胞增殖、分化、凋亡、葡萄糖转运等细胞功能方面发挥重要作用，一般情况下，PI3K可被多种因子激活，如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、胰岛素等，激活后产生第二信使三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol 3,4,5 trisphosphate，PIP3)，PIP3参与Akt磷酸化激活过程，激活后的Akt可再通过磷酸化反应作用于下游的靶蛋白，如Bad、HIF-1α、NOS、caspase-9等，进一步介导与之相关的生物学效应。

有研究表明，IH干预下的小鼠miR-218表达上调后，参与正向调控PI3K/Akt通路，使下游HIF-1α和VEGF表达增加，增加小鼠主动脉内皮细胞炎症损伤的同时加重内皮细胞凋亡，同样的，应用miR-218抑制剂使其表达下调后，HIF-1α、VEGF及凋亡相关因子表达下降，减轻IH下内皮细胞损伤[13]。证明了PI3K/Akt通路参与了IH诱导的血管内皮炎性反应及内皮细胞凋亡过程。另有研究给予抗氧化剂干预，发现其可减轻对体外缺氧/复氧心肌细胞的损伤，抑制线粒体介导的心肌细胞凋亡，提高细胞活力，减轻细胞损伤，并且这种保护作用可以被PI3K/Akt通路抑制剂所逆转[14]。这些结果都再次证实了IH暴露通过活化PI3K/Akt通路参与氧化应激和细胞凋亡途径实现对机体的损伤作用。Guan 等[15]研究发现IH后心肌细胞的凋亡指数、氧化标志物及自噬标志物Beclin-1的表达与PI3K/Akt/mTOR信号通路的调控相关，通过PI3K/Akt/mTOR过度激活增加心脏氧化应激、促进心肌细胞凋亡及损害心肌细胞自噬，导致心肌肥厚和功能障碍。miR-17-5p可通过负向调控IH暴露后PI3K/Akt/mTOR信号通路活化，抑制该通路蛋白及下游炎性因子和抗凋亡因子表达，减轻PI3K/Akt/mTOR通路激活细胞凋亡所致的损伤。这些研究结果都正面或侧面证实了IH下PI3K/Akt/mTOR通路参与多种途径介导的系统损伤。

但是，值得强调的是，在公认的IH可通过各种途径导致多系统损伤的前提下，与上文NF-κB通路类似，有研究者通过检测心肌细胞凋亡指数及Akt、NOS蛋白，发现大鼠每天在接受低氧浓度6%～8%环境下暴露约2h，14天的短期干预后，再构造急性心肌缺血/再灌注损伤模型， IH干预组大鼠较对照组凋亡指数降低，磷酸化Akt蛋白、磷酸化NOS蛋白表达升高[16]。提示短期的IH干预下，急性心肌缺血/再灌注损伤机体可通过PI3K/Akt/NOS通路抑制心肌细胞凋亡和炎症应激反应来减轻机体的损伤，可能与短期缺氧适应性调节，下游抗炎性细胞因子表达升高有关。

四、Keap1/Nrf2/ARE信号通路

Keap1/Nrf2/ARE通路是机体抗炎症氧化应激损伤的关键性保护通路，其中Nrf2是细胞调节抗氧化应激反应的关键因子，在Keap1的调控下，Nrf2与ARE结合后，激活下游基因包括HO-1、谷胱甘肽硫基转移酶(glutathione S-transferase，GST)、醌氧化还原酶1(quinine oxidoreductasel，NQO1)等的转录程序，影响下游过氧化氢酶(catalase，CAT)、SOD、谷胱甘肽(glutathione，GSH)等抗氧化物质的表达。

金属硫蛋白(metallothionein，MT)是Nrf2通路上的靶基因，接受Nrf2的调控，实验干预MT基因，发现MT基因敲除的小鼠，长期IH后肺损伤更为显著；Nrf2诱导剂应用后增强Nrf2表达的同时增加下游MT含量，IH所致肺部一系列损伤也较对照组减轻[17]。除了针对Nrf2通路上具体MT基因靶点的调控，IH大鼠直接给予抗氧化剂也可以减轻肺组织损伤，这一过程与Nrf2/HO1通路相关[18]。除肺损伤外，心脏过表达Nrf2蛋白和敲除Nrf2基因的小鼠分别对IH引起的心肌病存在高抵抗性和高易感性。推测Nrf2可作为上游介质，上调抗氧化靶基因MT，通过对下游抗氧化物质NQO-1、SOD等正向调控，来拮抗IH引起的心脏损伤。另有研究表明，小鼠暴露于IH环境中，通过计算胰岛β细胞功能指数及测定血清中炎性因子的表达，发现炎症氧化应激是IH小鼠胰岛功能损伤的机制之一，但Keap1/Nrf2信号通路及其下游所调控的抗氧化蛋白在抑制胰腺组织损伤过程中发挥重要作用[19]。这些研究成果都进一步说明了Nrf2通路以保护机制参与IH相关多系统靶器官损害病理过程。

除了大鼠IH模型研究，在体外细胞缺氧/复氧实验发现，miR-141可通过介导Keap1/Nrf2信号通路减轻细胞氧化应激，改善细胞活力，抑制细胞凋亡，达到减轻细胞损伤的效果，相对应的使用miR-141抑制剂可加重这种细胞损伤[20]。所以，无论体内IH模型，或体外细胞IH培养，经典的抗氧化信号通路Keap1/Nrf2/ARE都通过减轻应激损伤、抑制细胞凋亡来拮抗IH诱导的损伤。

五、其他通路

除了上述经典的信号通路外，还有一些其他信号通路也参与了IH机体的调控，如Song等[21]将SOD2基因敲除的小鼠暴露于IH环境下，相较于正常IH小鼠，SOD2基因敲除小鼠肺内巨噬细胞浸润及氧化应激程度更重，肺重构程度更显著，这与SOD2下调后激活NLRP3炎性小体介导的通路增加氧化应激、诱导线粒体功能障碍参与肺部炎症损伤和血管重构过程有关。Bcl-2/Beclin-1通路激活后自噬相关蛋白表达升高，通过促进细胞自噬、细胞凋亡途径参与IH下冠状动脉内皮细胞的损伤过程[22]。在短期IH联合低气压的预处理下，活化Wnt/β-catenin通路可减少癫痫大鼠神经元丢失及受损，改善大鼠认知功能的作用[23]。但信号通路之间的激活都是复杂交互的，这些通路的研究报道并不多见。

六、展 望

综上所述，短期的IH干预可能在一定程度上通过缺氧耐受和代偿增加对机体起到一定的保护作用，但长期暴露于IH环境终会导致机体的多系统损伤，随着IH损伤研究越来越深入，研究者发现IH环境下MAPKs通路、NF-κB通路、PI3K/Akt通路、Nrf2/ARE这些经典的信号通路通过调节机体氧化应激反应、细胞凋亡、细胞自噬等多条途径在IH致多系统损伤过程中发挥作用。除此之外，很多其他信号通路,如NLRP3炎性小体介导的氧化应激通路、Bcl-2/Beclin-1介导的自噬相关通路、活化的Wnt/β-catenin通路等也在IH损伤中发挥重要作用。虽然体外动物实验显示干预单纯单一信号通路相关靶点可减轻IH的损伤过程，但针对这些信号通路的靶向治疗还处于动物实验阶段。因此，通过研究调控信号通路相关靶点可能会成为未来IH疾病防治的关键策略之一。同时，多条信号通路间的网络化交互影响，如ERK MAPK、p38 MAPK和PI3K/Akt的协同信号网络；TLR4/NF-κB通路和NLRP3通路等通过交互链接对机体多系统的协同损伤作用，为IH下通过调控机体多条信号通路来延缓多系统损伤提供新思路，相信随着医学研究的进步与发展，相关信号通路靶点调控在IH疾病的治疗或延缓过程中一定会拥有广泛的应用前景。