侯天亮，楊 龍，鄭 宏

(新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院麻醉科，烏魯木齊 830054)

眾所周知，處理心肌梗死最有效的方法是縮短心肌缺血時(shí)間，盡早恢復(fù)血液灌注，但血液供應(yīng)的快速恢復(fù)也會(huì)對(duì)組織造成更大的傷害，這一矛盾現(xiàn)象稱為心肌缺血再灌注(ischemia-reperfusion,I/R)損傷[1]。心血管手術(shù)患者在圍術(shù)期難免會(huì)發(fā)生不同程度的I/R損傷,尤其合并糖尿病時(shí)，患者術(shù)后心臟的相關(guān)并發(fā)癥和死亡率都將明顯增加[2]。國(guó)際糖尿病聯(lián)盟發(fā)布的第8版糖尿病地圖顯示,目前全球糖尿病患病人數(shù)已達(dá)4.51億，預(yù)計(jì)到2045年，這個(gè)數(shù)字將增加到6.93億，并呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)[3]。因此，如何防治糖尿病患者圍術(shù)期I/R損傷將是未來(lái)亟待解決的難題。

研究顯示，低氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia inducible factor，HIF-1)在機(jī)體抵抗I/R損傷中發(fā)揮重要作用，其下游的靶基因在心肌組織缺血缺氧的情況下被大量激活，通過(guò)調(diào)控心肌細(xì)胞線粒體自噬、血管形成、活性氧平衡等途徑發(fā)揮心肌保護(hù)作用[4]。然而，患有糖尿病時(shí)，HIF-1介導(dǎo)的心肌保護(hù)作用卻大大減低[5]。現(xiàn)就糖尿病對(duì)心肌HIF-1的影響及研究進(jìn)展予以綜述。

1 HIF-1概述

1.1 HIF-1的結(jié)構(gòu)與代謝 HIF-1是低氧誘導(dǎo)因子家族(hypoxia inducible factors,HIFs)成員之一，由組成性表達(dá)的HIF-1β亞基和受氧濃度調(diào)節(jié)的HIF-1α亞基組成。在常氧條件下，HIF-1經(jīng)脯氨酸羥化酶(prolyl-4-hydroxylase domain-containing enzymes,PHD)羥化、E3泛素連接酶連接，最終被蛋白酶體識(shí)別和降解[6]。有研究表明，HIF通路與泛素系統(tǒng)的相互作用不是一條單向通路，HIF通路的成分與泛素系統(tǒng)存在相互調(diào)節(jié)[6]。在缺氧條件下，PHD的活性受到抑制，HIF-1的泛素化和降解減少，細(xì)胞核中HIF-1α 與HIF-1β形成異源二聚體，在CREB-結(jié)合蛋白/p300等轉(zhuǎn)錄激活因子的存在下，結(jié)合到靶基因啟動(dòng)子的低氧反應(yīng)元件上，調(diào)控下游一系列靶基因的轉(zhuǎn)錄，從而有利于細(xì)胞在低氧條件下生存[7]。

1.2 HIF-1是介導(dǎo)心肌對(duì)抗I/R損傷的核心靶點(diǎn) 心肌缺血預(yù)處理(ischemia preconditionin,IPC)是指心肌在長(zhǎng)時(shí)間缺血之前經(jīng)歷幾次短暫的I/R損傷的過(guò)程。IPC可有效減輕I/R損傷，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最有效的心肌保護(hù)策略[8]。IPC的這種心肌保護(hù)作用很大程度上是通過(guò)激活HIF-1下游靶基因發(fā)揮作用的[9]，當(dāng)HIF遺傳缺失時(shí)，IPC的心肌保護(hù)作用也會(huì)減弱[10]。但出于倫理學(xué)考慮，IPC的臨床應(yīng)用受到很大程度的限制。近年來(lái)動(dòng)物研究表明，七氟醚后處理可通過(guò)上調(diào)心肌細(xì)胞HIF-1的水平，產(chǎn)生類似IPC的心肌保護(hù)作用，并可避免IPC的倫理學(xué)問題，是一種非常有潛力的心肌保護(hù)策略[11]。

2 糖尿病對(duì)心肌HIF-1的影響

2.1 HIF-1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 糖尿病是一種影響葡糖糖穩(wěn)態(tài)的疾病，影響機(jī)體不同的器官和系統(tǒng)，導(dǎo)致嚴(yán)重并發(fā)癥，如心血管疾病、糖尿病腎病、神經(jīng)病變、視網(wǎng)膜病變以及影響傷口愈合等。組織暴露于高血糖環(huán)境被認(rèn)為是影響并發(fā)癥發(fā)生的主要因素，但即使嚴(yán)格控制血糖也不能完全預(yù)防并發(fā)癥的發(fā)生[12]。在高糖環(huán)境下，通過(guò)多元醇途徑代謝的葡糖糖增加，最終使煙酰胺腺嘌呤二核苷酸還原態(tài)/氧化態(tài)的比值增大，機(jī)體出現(xiàn)“假性缺氧”現(xiàn)象。在一項(xiàng)基礎(chǔ)研究中，試驗(yàn)者使用哌莫硝唑(缺氧組織標(biāo)志物)檢測(cè)機(jī)體的缺氧水平發(fā)現(xiàn)，糖尿病組織中哌莫硝唑的水平明顯高于非糖尿病組織[13]。在蛋白質(zhì)水平上，除缺氧刺激可穩(wěn)定HIF-1α的表達(dá)，有氧糖酵解的產(chǎn)物(主要是丙酮酸鹽)也可以穩(wěn)定其表達(dá)。相反，高糖通過(guò)修飾協(xié)同激活因子p300影響HIF-1的轉(zhuǎn)錄，從而在不影響HIF-1α蛋白穩(wěn)定性的情況下，降低HIF-1的轉(zhuǎn)錄活性[12]；高糖還通過(guò)碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白激活HIF-1介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[14]；此外，高糖誘導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)失調(diào)還包括HIF-1對(duì)低氧狀態(tài)的反應(yīng)，在高血糖環(huán)境下培養(yǎng)的細(xì)胞面對(duì)缺氧刺激，HIF-1不但沒有被及時(shí)激活反而降解增加[15]。因此，糖尿病不僅會(huì)導(dǎo)致缺氧，還會(huì)影響HIF-1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。如果細(xì)胞/組織不能對(duì)缺氧做出及時(shí)的應(yīng)激反應(yīng)，那么糖尿病患者并發(fā)癥的發(fā)生率會(huì)大大增加。

2.2 血管生成因子 當(dāng)組織灌注不足時(shí)，低氧會(huì)激活HIF-1，進(jìn)而產(chǎn)生大量調(diào)控血管生成的因子，包括血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1、血管生成素等，導(dǎo)致骨髓源性血管生成細(xì)胞動(dòng)員，增加血管生成和動(dòng)脈重塑[16]，這對(duì)于心肌缺血/缺氧誘導(dǎo)的血管生成的調(diào)節(jié)和損傷心肌組織的恢復(fù)至關(guān)重要。在糖尿病環(huán)境中，由于細(xì)胞對(duì)缺氧反應(yīng)遲鈍,大部分HIF-1α靶基因降低,糖尿病患者心室中VEGF和VEGF受體2含量降低[17]。同樣，在糖尿病大鼠中，VEGF-A及其受體VEGF受體1和VEGF受體2在基因和蛋白水平的表達(dá)也降低，當(dāng)心肌發(fā)生缺血/缺氧損傷時(shí)，HIF-1/VEGF通路介導(dǎo)的血管生成及修復(fù)受損血管的作用減弱，新生的毛細(xì)血管數(shù)量減少，有效側(cè)支循環(huán)血管形成障礙[18]，心肌受損；糖尿病患者肢體末端傷口愈合障礙和血液循環(huán)不良也是由于HIF-1/VEGF途徑受損，肢體末端血管密度下降所致[19]；VEGF的表達(dá)水平在腎小球中明顯下調(diào)，并導(dǎo)致足細(xì)胞死亡，是血栓性微血管病變和糖尿病腎病的重要環(huán)節(jié)[20]。此外，HIF-1下游的其他靶分子也能促進(jìn)血管生成，如內(nèi)皮型一氧化氮合酶、基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1等，這些分子在糖尿病心肌中同樣低表達(dá)，與VEGF的調(diào)控紊亂共同導(dǎo)致糖尿病心肌I/R時(shí)側(cè)支循環(huán)血管生成障礙。

2.3 心肌能量代謝 HIF-1對(duì)低氧誘導(dǎo)的糖酵解關(guān)鍵酶有調(diào)控作用，通過(guò)激活丙酮酸脫氫酶激酶1使心肌能量代謝從氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒?，還可增加丙酮酸激酶、磷酸果糖激酶等糖酵解關(guān)鍵酶的水平。心肌缺血/缺氧時(shí)，通過(guò)糖酵解途徑產(chǎn)生維持細(xì)胞存活的基本能量有利于為能量需求量很大的心肌組織供能。糖尿病患者由于胰島素缺乏或敏感性降低，導(dǎo)致機(jī)體利用葡糖糖的能力受限，使機(jī)體長(zhǎng)時(shí)間處于高血糖狀態(tài)下，導(dǎo)致機(jī)體甲基乙二醛的產(chǎn)生和積累增加[21]。研究證實(shí)，甲基乙二醛通過(guò)誘導(dǎo)缺氧條件下HIF-1的降解而損害細(xì)胞適應(yīng)低氧張力的能力[15]。由于HIF-1的降解，丙酮酸脫氫酶激酶1等一系列HIF-1下游能量代謝的關(guān)鍵靶基因表達(dá)降低，心肌不能從無(wú)氧酵解途徑獲取足夠的能量，進(jìn)而加快了心肌細(xì)胞凋亡；同時(shí)在糖尿病環(huán)境下由于HIF-1下調(diào)，損害了葡糖糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4向骨骼肌質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)，影響糖吸收[22]，這就使本來(lái)糖利用障礙的心肌細(xì)胞更加缺乏維持生命的能量，從而加重心肌損傷。

2.4 活性氧類(reactive oxygen species,ROS)和炎癥 ROS與HIF-1的相互作用是復(fù)雜的、雙向的，生理水平的ROS具有信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，調(diào)節(jié)機(jī)體的多種生理過(guò)程,可穩(wěn)定并激活HIF-1[23]。正常情況下，HIF-1主要通過(guò)以下幾種途徑減少ROS的產(chǎn)生，從而起到心肌保護(hù)的作用。①改變能量代謝方式，減少電子傳遞鏈產(chǎn)生ROS的量[24]。②HIF-1誘導(dǎo)線粒體選擇性自噬，清除受損老化的線粒體，從而減少ROS的生成[24]。③HIF-1α通過(guò)誘導(dǎo)miR-210轉(zhuǎn)錄，阻斷線粒體呼吸和電子傳遞鏈的活性，減少ROS的產(chǎn)生[24]。在糖尿病心肌中，高血糖有助于葡萄糖的自動(dòng)氧化、代謝和糖基化終末產(chǎn)物的產(chǎn)生，過(guò)量ROS的產(chǎn)生是糖尿病的標(biāo)志物。超氧化物歧化酶是一種主要的內(nèi)源性抗氧化酶，高糖條件下在機(jī)體的表達(dá)顯著降低[25]。當(dāng)糖尿病心肌發(fā)生I/R時(shí)，過(guò)量的ROS在鐵離子的作用下激活PHD，并可提高泛素蛋白酶體的活性，進(jìn)而促使HIF-1α在轉(zhuǎn)錄后降解；NO具有介導(dǎo)HIF-1α積累和活化的能力，但在糖尿病環(huán)境下，由于超氧陰離子(O2-)的過(guò)度產(chǎn)生，并與NO反應(yīng)，使穩(wěn)定狀態(tài)的NO的水平降低,從而失去活化HIF-1α的能力[26]。最新研究表明，過(guò)量的ROS是炎癥的主要驅(qū)動(dòng)因素，而炎性因子也會(huì)反過(guò)來(lái)刺激ROS的大量產(chǎn)生，兩者相互協(xié)同，進(jìn)一步加重心肌細(xì)胞損傷[27]。

2.5 線粒體自噬及凋亡相關(guān)蛋白 線粒體是真核生物細(xì)胞能量代謝的主要場(chǎng)所，同時(shí)也是細(xì)胞缺血/缺氧性損傷的主要目標(biāo)。心肌細(xì)胞線粒體凋亡速度的加快是糖尿病心肌損傷的主要途徑。Bcl-2家族具有調(diào)控心肌線粒體凋亡途徑的作用，包括抗凋亡蛋白Bcl-2、促凋亡蛋白Bax以及p53上調(diào)的凋亡調(diào)節(jié)物(p53-upregulated modulator of apoptosis,PUMA)[28]，受HIF-1α直接轉(zhuǎn)錄調(diào)控的Bcl-xL蛋白、骨髓細(xì)胞白血病-1蛋白等分子是抗凋亡蛋白Bcl-2家族的重要成員[29]。當(dāng)糖尿病心肌發(fā)生I/R損傷時(shí)，抗凋亡蛋白Bcl-xL、骨髓細(xì)胞白血病-1等的表達(dá)降低，線粒體的膜電位降低，并促進(jìn)了細(xì)胞色素C釋放，激活了胱天蛋白酶-3,還可使PUMA的表達(dá)增加，最終加快心肌細(xì)胞的凋亡[30]。Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B interacting protein 3，BNIP3)是Bc1-2家族中BH3-only亞家族的成員之一，是一種線粒體外膜蛋白，受HIF-1的調(diào)控，在低氧時(shí)能被HIF-1轉(zhuǎn)錄激活，使BNIP3的表達(dá)上調(diào)。BNIP3的磷酸化程度直接決定其是促進(jìn)凋亡還是促進(jìn)線粒體自噬，在HIF-1介導(dǎo)的缺氧反應(yīng)通路中發(fā)揮著重要作用。BNIP3絲氨酸17和24位點(diǎn)的磷酸化可直接促進(jìn)與抗凋亡蛋白Bcl-xL的結(jié)合，直接招募自噬相關(guān)蛋白LC3Ⅱ促進(jìn)線粒體自噬流的啟動(dòng)[31]。然而BNIP3是否是HIF-1介導(dǎo)線粒體動(dòng)態(tài)變化及糖尿病心肌代謝紊亂的關(guān)鍵低氧敏感基因尚不清楚。

3 HIF-1為靶點(diǎn)的糖尿病心肌保護(hù)策略

3.1 PHD抑制劑 常氧條件下，HIF-1的降解大致需要經(jīng)過(guò)PHD羥化、E3泛素連接酶連接以及溶酶體識(shí)別3個(gè)步驟，在任一環(huán)節(jié)上阻止HIF-1的降解都能起到心肌保護(hù)的作用。目前，氯化鈷和去鐵胺是最常見的PHD抑制劑，可通過(guò)抑制PHD的羥化穩(wěn)定HIF-1α。研究發(fā)現(xiàn)，去鐵胺和氯化鈷可以直接活化HIF-1，恢復(fù)七氟醚處理后對(duì)糖尿病大鼠心臟的保護(hù)作用[11,32]；此外，氯化鈷減少糖尿病腎病的組織學(xué)損傷以及蛋白尿也是通過(guò)上調(diào)HIF-1α基因?qū)崿F(xiàn)的[33]；在1型糖尿病大鼠中，間歇性低氧可以降低糖尿病大鼠心臟中PHD2和PHD3的蛋白水平，誘導(dǎo)心臟組織中HIF-1α和VEGF蛋白的表達(dá)，減少氧化應(yīng)激，對(duì)1型糖尿病大鼠的左心室具有良好的心血管重塑作用[34]。

3.2 抗氧化劑 糖尿病心肌ROS產(chǎn)生增多，機(jī)體氧化應(yīng)激增強(qiáng)，HIF-1α水平降低。理論上講，應(yīng)用抗氧化劑既可以降低機(jī)體氧化應(yīng)激損傷，又能穩(wěn)定HIF-1α的水平，但事實(shí)并非如此。使用維生素E和谷胱甘肽等抗氧化劑作為減輕氧化應(yīng)激的治療策略并未證明是有效的，這可能是由于維生素E等抗氧化劑不加區(qū)別靶向造成的。SBT-20是一種具有靶向線粒體保護(hù)作用的新型肽類化合物。研究表明，SBT-20能靶向定位于線粒體內(nèi)膜，有效降低線粒體中的ROS，從而達(dá)到保護(hù)線粒體，進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞的目的[35]。在多種I/R疾病如心肌梗死、器官移植以及腦卒中等動(dòng)物模型中，SBT-20均顯示出較好的器官保護(hù)作用，因此靶向線粒體的抗氧化劑值得臨床驗(yàn)證和推廣。此外，金屬硫蛋白(metallothionein,MT)是一種富含半胱氨酸短肽的金屬結(jié)合蛋白，其廣泛存在于生物體內(nèi)，對(duì)多種重金屬具有高度親和力，不但可以防止重金屬對(duì)體內(nèi)細(xì)胞的氧化損傷，而且MT對(duì)HIF-1還有活化作用，參與機(jī)體其他的生理和病理過(guò)程，如細(xì)胞增殖和存活等，有助于糖尿病心肌的葡萄糖利用和血管生成[36]。

3.3 生物工程技術(shù) 將無(wú)致病原性的腺相關(guān)病毒載體和目的基因HIF-1重組，并靶向轉(zhuǎn)導(dǎo)入糖尿病心肌，能夠起到上調(diào)機(jī)體HIF-1α水平，誘導(dǎo)下游關(guān)鍵靶基因表達(dá)，從而達(dá)到保護(hù)心肌的目的。Mace等[37]在2型糖尿病小鼠模型中導(dǎo)入HIF-1α重組腺病毒表達(dá)質(zhì)粒，恢復(fù)了糖尿病心肌HIF-1α的表達(dá)水平，達(dá)到了加速組織修復(fù)的目的。局部腺病毒介導(dǎo)的穩(wěn)定HIF-1α重組體可增加 HIF-1的活性，并使其下游調(diào)控血管內(nèi)皮增殖的靶基因VEGF-A表達(dá)正?；?，達(dá)到預(yù)防糖尿病并發(fā)癥的目的[38]。研究證明，通過(guò)轉(zhuǎn)基因手段使小鼠心臟特異性HIF-1α過(guò)表達(dá)，對(duì)糖尿病誘導(dǎo)的葡萄糖代謝和血管生成缺陷的心臟具有保護(hù)作用[39]。生物工程技術(shù)對(duì)于基因表達(dá)降低或信號(hào)通路受損的疾病具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，值得廣大研究者深入研究。

4 小 結(jié)

功能完整的HIF-1通過(guò)與低氧反應(yīng)元件結(jié)合，調(diào)控下游血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、線粒體凋亡相關(guān)蛋白、糖酵解關(guān)鍵酶等大量靶基因發(fā)揮心肌保護(hù)作用，同時(shí)也是IPC和七氟醚后處理等諸多心肌保護(hù)策略的核心靶點(diǎn)。然而，在糖尿病環(huán)境下，由于HIF-1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路受損，VEGF、Bcl-2等下游靶基因表達(dá)水平降低、ROS產(chǎn)生過(guò)多，導(dǎo)致糖尿病心肌在I/R損傷時(shí)易損性增加。但目前對(duì)糖尿病心肌HIF-1表達(dá)弱化的具體機(jī)制仍然無(wú)法完全闡明，可能與機(jī)體長(zhǎng)期高血糖狀態(tài)以及機(jī)體無(wú)菌性炎癥狀態(tài)有關(guān)。因此，深入探討糖尿病狀態(tài)下HIF-1信號(hào)通路受損的原因以及如何通過(guò)有效手段恢復(fù)糖尿病狀態(tài)下HIF-1介導(dǎo)的心肌保護(hù)作用將是后期研究的主要方向。