缺氧诱导因子-1α在缺血性心力衰竭中的作用研究进展

李荣森，韦建瑞，张少衡

(1.暨南大学附属广州红十字会医院心血管内科，广州 510220； 2.广州市妇女儿童医疗中心，广州 510630)

缺血性心力衰竭(ischemic heart failure，IHF)指由于冠状动脉严重病变引起长期心肌缺血和心肌冬眠，导致心肌局限性或弥漫性纤维化，产生心脏收缩和(或)舒张功能受损，引起左心室扩大或僵硬，并出现心力衰竭等表现，伴或不伴有心绞痛的临床综合征,是冠心病的严重并发症。IHF的发病机制包括冠状动脉狭窄、炎症机制、血管痉挛、凝血功能异常、微血管和内皮功能损伤等因素[1]，是西方发达国家的主要死因之一[2]，同时，大部分发展中国家的IHF死亡率亦呈不断上升趋势，据估计，中国每年有上百万人死于IHF[3]，给社会带来沉重的经济负担。作为一种进展性的临床综合征，IHF常因心排血量的降低导致机体循环血流量不足，继而出现各种严重并发症，是缺血性心脏病的终末期表现和主要致死原因。目前研究发现，缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)是具有高度特异性核转录因子，主要调节机体缺氧状态下的氧稳态。在IHF患者中，机体长期处于低氧状态，可通过上调HIF-1α的表达来维持内环境的氧供需平衡状态[4]。相关临床前研究表明，HIF-1α的激活在心肌梗死、心脏重构、动脉粥样硬化和周围动脉疾病中具有潜在益处，并通过改善葡萄糖和脂质代谢、降低血压等作用保护心血管[5-9]。因此，明确HIF-1α在IHF中的保护途径，分析其表达水平与冠状动脉狭窄程度的关系，将对IHF的病情评估、治疗及预后等有一定的临床参考价值。现就HIF-1α在IHF的作用机制、预后判断和相关治疗应用上的研究进展予以综述。

1 HIF-1 概述

1.1HIF-1 的结构与特性 HIF-1为异源二聚体，主要由相对不稳定的HIF-1α亚基和相对稳定的HIF-1β亚基组成[10]。其中α-亚基的编码基因位于第14号染色体(14q21～24)，由N端的转录因子DNA结合结构域、C端两个相对独立的反式激活结构域以及一个特殊的氧依赖降解区组成，主要在细胞质表达，其稳定性和活性受氧浓度的调节；而 β-亚基又称为芳香烃受体核转运子，编码基因位于第1号染色体(1q21～24)，不受氧浓度的影响，主要在细胞核内稳定表达[11]。

1.2HIF-1α的简要调控路径 在机体常氧的状态下，HIF-1α的半衰期只有5～10 min，其脯氨酸残基被脯氨酸羟化酶羟基化后，由VHL(von hippel-lindau)因子识别，最终通过E3泛素-蛋白酶体途径降解，在细胞内维持较低水平[12]。在机体缺氧状态下，可通过降低脯氨酸羟化酶和HIF抑制因子活性，抑制脯氨酸残基降解，保持HIF-1α蛋白质水平相对稳定。HIF-1α与其受体结合形成二聚体后向细胞核转移，与靶基因的特定缺氧反应元件启动子区域结合后，激活蛋白p300/cAMP应答元件结合蛋白，调节基因转录[13]。除与氧相关的调控路径外，HIF-1α还可通过非氧依赖途径调节相关信号分子、生长因子以及环境刺激因子等的活性[14]。

1.3HIF-1α的主要调节功能 HIF-1α几乎在所有细胞中表达，在多种基因转录调节中起关键作用[15]。相关研究证明，HIF-1α可调控人类上百种基因的表达，并产生相应的蛋白产物，介导机体发生相应反应[16]。HIF-1α可通过参与下调氧气消耗、上调厌氧过程、恢复正常氧气输送等细胞功能事件，调控血管生成与重构、血管舒缩、能量代谢、细胞因子释放、促红细胞生成、铁稳态、pH调节、细胞增殖和活力、血氧容量增加以及侧支循环形成等，使细胞重新适应机体缺氧环境，因此，HIF-1α在心脏疾病发生发展过程中发挥着重要作用[13,17]。

2 HIF-1α与IHF的相关研究进展

2.1HIF-1α对IHF中心肌细胞的三大保护途径 缺血性心脏病以冠状动脉血流供应与心肌需求不平衡为主要特征，脂类物质沉积后形成斑块，使冠状动脉血管腔狭窄甚至阻塞，或因血管功能性改变致使心肌缺血缺氧甚至坏死，进而引起的心脏病[18]。持续缺血缺氧导致心肌细胞发生不可逆的损伤与死亡，最终导致病情进展为IHF。目前，对于冠状动脉血管病变致心肌缺血患者的治疗主要通过血运重建术改善心肌供血，促使尚未完全死亡的心肌细胞复活，恢复其正常功能，可有效防止IHF的进一步发展，改善患者预后、减少不良反应发生。然而，上述治疗措施虽然能在一定程度上改善早期生存率，但仍无法避免因长期缺血缺氧造成心室的病理性重构而导致的IHF等不良心血管事件发生。在IHF的发生发展过程中，缺血缺氧环境对HIF-1α激活的保护作用可以概括为血管调控、能量代谢、内分泌调节三大途径，从而应对IHF患者机体缺血以及再灌注对心肌细胞的损害，减轻心室病理性重构，延缓IHF的恶化进展。

在血管调控方面，HIF-1α可参与血管新生改善IHF心肌细胞的缺血状态，从而在一定上缓解病情。HIF-1α通过对一些编码分泌细胞因子和细胞表面受体靶基因的精准调节，促进血管相关生长因子(血管内皮生长因子、胎盘生长因子、肥大细胞生长因子)等的表达，参与血管的发育和重构，促进新生血管的形成，增加缺氧部位的血流，以恢复氧气的供应[19-20]。HIF-1α还可介导一氧化氮合酶、肾上腺素受体等参与血管张力的调节，具有促进血管再生与扩张的作用[21]。

在能量代谢方面，正常情况下成人心脏糖酵解仅占能量产生的一小部分，心肌大部分ATP由脂肪酸的氧化磷酸化产生[22]。在缺氧条件下，IHF患者因营养不良造成供能原料的匮乏，线粒体功能受到严重影响，由于末端电子受体氧有限，抑制了电子传输和氧化磷酸化，从而降低了ATP的产生，为了产生维持正常心脏功能的足够能量，缺血的心肌细胞通过激活HIF-1α介导糖酵解相关酶的表达，限制丙酮酸向乙酰辅酶A转变，同时促进丙酮酸向乳酸转变[23]，最终表现为由脂肪酸代谢转变为糖酵解途径，以此减少组织对氧气的需求[24]。HIF-1α调控糖酵解还可以通过增加乳酸产生、增加H+和Na+交换，减少机体对氧气和营养物质的需求，改善心肌细胞的能量代谢[25]。此外，在低氧条件下，HIF-1α水平的升高可以促进葡萄糖转运蛋白1的表达，增强细胞对葡萄糖的摄取，以提高ATP的供应；HIF-1α还可激活[B细胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3、B细胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3配体、乳酸脱氢酶A、丙酮酸脱氢酶激酶同工酶3、丙酮酸脱氢酶激酶同工酶1、环加氧酶2、蛋白酶、微RNA(microRNA，miRNA/miR)-210等]基因[26]，通过抑制线粒体的氧化代谢，减少缺氧环境下有毒活性氧类的过度生成，对减轻细胞损伤有一定的保护作用。

在内分泌调节方面，在缺血缺氧环境下，IHF患者HIF-1α表达水平增加，可刺激促红细胞生成素基因的转录，促进促红细胞生成素生成[27]，同时HIF-1α还可调节与铁代谢有关的蛋白质(如运铁蛋白)的转录，改善铁调素导致的功能性铁缺乏，提高循环中铁的利用率，从而升高血红蛋白水平[28]。其中促红细胞生成素可通过促进红细胞生成提高血液携氧能力，缓解机体缺氧状况，在氧稳态中起关键作用。HIF-1α还可通过诱导血红素加氧酶1表达参与细胞凋亡和增殖的调控，产生抗炎、抗氧化和扩血管等细胞保护作用[29]。

2.2HIF-1α对IHF预后判断的价值 IHF与冠状动脉疾病紧密相关，冠状动脉病变狭窄的严重程度可作为IHF病情进展以及预后评价的重要判断指标。目前，冠状动脉造影仍是评价冠状动脉狭窄程度的金标准，但存在造影剂诱发肾衰竭及手术的潜在风险，且价格昂贵，限制了其临床应用。HIF-1α参与调节冠状动脉疾病的发展，可作为一种新的生物学指标用于预测冠状动脉缺血的严重程度。通过HIF-1α与IHF之间的关系，早期判断患者病情的严重程度，及时进行针对性的临床干预，将有助于改善IHF患者的预后。

Guo等[30]发现，HIF-1α信号通路内基因多态性与围绝经期冠心病的发病或预后相关。同时，HIF-1α多态性与冠状动脉侧支发育和冠状动脉疾病的临床表现亦有一定关系[31]。虽然目前大部分研究认为，HIF-1α对缺血心脏具有保护作用，但也存在相悖的观点。有研究发现，HIF-1α虽然可通过血管内皮生长因子等促进新生血管形成，对缺血心肌产生代偿反应[32]，但可能引起冠状动脉粥样斑块内膜微血管增生，不利于斑块的稳定，甚至可促进动脉粥样硬化发展，最终导致心肌梗死等冠状动脉疾病的发生[33]。巩晓东和王珍娥[34]研究发现，HIF-1α高表达患者冠状动脉软斑块的发病率高于低表达患者，认为高水平HIF-1α可能会加重血管内皮损伤，且更易导致软斑块形成，进一步分析发现，HIF-1α表达水平与冠状动脉病变支数以及狭窄程度间存在相关性，提示HIF-1α在预测冠状动脉病变中具有临床价值。闫振娴等[35]的分析研究显示，老年冠心病患者HIF-1α的表达与血红素加氧酶1水平呈正相关，说明HIF-1α通过调控其下游靶基因血红素加氧酶1的表达，缩小缺血再灌注后心肌梗死面积和再灌注心律失常的发生，提高心肌细胞对缺血缺氧的耐受性，改善冠心病的进程及患者的长期预后。以上研究均表明，HIF-1α的表达水平与冠状动脉狭窄程度有一定关系，HIF-1α水平越高，提示冠状动脉狭窄程度越严重，可成为IHF早期病情评估和预后判断的重要参考指标。

冠状动脉侧支循环一般在冠状动脉发生狭窄之后形成，有助于改善心肌供血不足[36]，可在一定程度上缓解心绞痛和改善心功能，从而提高IHF患者的生存率。Hinkel等[37]对注射腺病毒介导的HIF-1α/VP16基因组猪模型的研究发现，其缺血心肌形成的侧支循环较0.9%氯化钠溶液注射组和空白对照组更丰富。Jiang等[38]对猪模型的研究发现，HIF-1α预处理可增强缺血心脏的抗氧化活性；Liu等[39]研究发现，侧支循环形成IHF患者的血清HIF-1α水平明显高于侧支循环未形成IHF患者，说明血清高HIF-1α水平可能促进冠状动脉侧支循环的形成。上述研究均提示，HIF-1α与冠状动脉侧支循环的形成有一定联系，故可通过HIF-1α水平预测侧支循环形成，筛选心血管事件发生风险较高的缺血性心脏病患者，且有助于制订个性化的治疗方案。

有研究发现，非心脏手术前检测HIF-1α水平可能有助于预测围手术期IHF等心脏风险事件[40]。Li等[41]研究显示，与射血分数保留的IHF患者相比，射血分数降低的IHF患者的HIF-1α水平显著升高，其血清水平与N端脑钠肽前体、心肌肌钙蛋白T水平呈正相关，而与左心室射血分数和收缩压呈负相关，还与IHF患者住院死亡率呈正相关。另有研究发现，血清HIF-1α水平可作为慢性IHF急性代偿失调患者急性肾损伤的生物标志物[42]。由此可见，HIF-1α可能是评估IHF心功能及预后的新的标志物，也可能是治疗和预防IHF进一步加重的潜在靶点。

2.3以HIF-1α为靶点对IHF的治疗

2.3.1促进HIF-1α表达治疗IHF的方式 在缺血预适应、缺血后适应以及缺血再灌注等急性心肌缺血或因高负荷引起的IHF患者中，HIF-1α早期表达的适度增加主要起保护作用[43]。Sarkar等[44]研究表明，缺血预处理诱导的心脏保护作用需要内皮细胞中HIF-1α具有一定的活性，而缺血预处理的心脏保护作用在敲除HIF-1α基因小鼠中减弱，表明通过不同途径上调HIF-1α的表达可作为IHF的一种潜在治疗选择。

目前，多种药物和新型分子等调节HIF-1表达或活性的干预措施已进入临床试验阶段，主要集中在癌症研究领域，这些分子和药物通过干扰HIF-1α信使RNA的表达、翻译以及HIF-1β的二聚化和DNA结合等途径影响HIF-1α的活性。在心血管药物研究上，芪苈强心胶囊作为一种中药复方制剂，具有降低血清N端脑钠肽前体水平，减轻心肌纤维化，从而改善IHF患者心脏功能的作用，其作用机制主要通过HIF-1α途径上调血管内皮生长因子和CD31的蛋白表达，增加心肌毛细血管的密度[45]；此外，芪苈强心胶囊还可以HIF-1α依赖性方式上调HIF-1α和一系列与糖酵解相关的酶，以促进葡萄糖的摄取和糖酵解。在分子层面，miR-221-3p为miRNA的一种亚型，在心脏肥大发展为IHF的过程中，可通过靶向信使RNA进行切割或翻译抑制，进而发挥关键的调控作用。miR-221-3p通过靶向抑制HIF-1α表达，减少内皮细胞的血管生成，从而加重IHF的进程。Li等[46]研究发现，抑制miR-221-3p可恢复HIF-1α的正常表达，对改善IHF小鼠的心脏功能有一定作用，因此，miR-221-3p可能是治疗IHF新的有效分子靶标。

2.3.2抑制HIF-1α表达治疗IHF的方式 在持续缺血缺氧的IHF患者中，HIF-1α的过量表达，也可产生一定程度的损伤反应。有研究显示，脂肪组织中HIF-1α的过表达并不增加局部血管生成，而缺氧脂肪组织中的HIF-1α可通过介导Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型胶原和赖氨酰氧化酶等的表达加速组织纤维化，促进脂肪细胞凋亡和巨噬细胞浸润，死亡的脂肪细胞引起白细胞介素-6、单核细胞趋化蛋白1、肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-1β的释放，进一步加重炎症反应、纤维化和血管舒张功能损害，从而导致射血分数保留的IHF[47]。在心肌处于持续缺血状态时，HIF-1α的过表达可上调过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α水平，促进线粒体产生大量的活性氧类，在氧化应激作用下，通过激活p21/Bcl-2相关X蛋白/胱天蛋白酶3凋亡通路加速心肌细胞凋亡[48]。可见，过量HIF-1α在IHF进展过程中起损伤作用。

影响HIF-1α上游传导通路的口服降糖药被认为是减缓IHF的一种潜在疗法，其中二甲双胍可通过以下作用机制调控HIF-1α活性[49-51]：①抑制热激蛋白90对HIF-1α的稳定作用，促使HIF-1α蛋白降解。②激活AMP活化蛋白激酶并上调Dicer(一种核糖核酸内切酶)的活性，在能量代谢途径增加ATP生成，抑制HIF-1α的表达。③增加蛋白酶体对HIF-1α的降解来抑制HIF-1α的聚集。④通过损伤呼吸链复合物Ⅰ、减少线粒体耗氧量刺激HIF-1α的降解。Li等[52]对高脂饮食喂养诱导的缺氧脂肪组织和纤维化小鼠模型的研究发现，二甲双胍可通过限制耗氧量、维持细胞稳态防止组织缺氧所致的HIF-1α活化，减少HIF-1α合成，从而减轻肥胖相关的纤维化和脂肪组织炎症。聂俊刚等[48]分析显示，二甲双胍可通过调节HIF-1α减少过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α的表达和活性氧类的释放，通过抗活性氧类引起心肌凋亡，可用于治疗缺血再灌注损伤，缩小心肌梗死面积。

此外，孙黎黎和吴峥[53]研究发现，左西孟旦作为非洋地黄类正性肌力药物，除具有提高肌钙蛋白C对钙离子的稳定性外，还可通过降低HIF-1α表达，抑制相关炎症分子的合成和释放，从而减轻IHF的炎症反应程度，改善心肌和血管内皮细胞的功能，为IHF患者临床治疗提供了新的选择。

3 小 结

缺氧是缺血性心脏病发生代偿变化的主要驱动因素之一，HIF-1α作为缺氧应激的主要转录因子，在调控细胞保护、血管生成以及能量代谢等途径中起关键作用。在IHF的不同阶段中，HIF-1α的影响作用不同，在IHF早期和缺血缺氧急性期，HIF-1α短时间内表达的适度增加对心脏主要起保护作用；而在IHF晚期或终末阶段，HIF-1α的过量表达可产生一系列不良反应，导致病程恶化。因此，通过了解HIF-1α在IHF发生发展中的作用机制，探讨HIF-1α对判断该类患者病情严重程度的临床价值，并以HIF-1α为潜在的治疗靶点进行针对性治疗，能改善IHF患者疾病的进程和预后。