缺氧诱导因子在肾脏损伤和修复中的作用

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　　摘要：急性和慢性肾脏疾病都会发生缺氧，即细胞和组织缺氧。缺氧诱导因子（HIF）是缺氧状态下基因表达的“主”转录因子。研究表明，HIF通过调节HIF的靶基因在肾脏损伤和修复中发挥重要作用。然而关于HIF在肾脏损伤和修复中的病理作用还存在争议，基于此，本文主要就HIF在肾脏中的分布及检测、HIF的靶基因及其对肾脏内分泌功能的影响、HIF在急性肾损伤（AKI）中的信号机制及在肾脏修复中的作用作一综述，旨在为阐明HIF在肾脏损伤和修复中的病理作用提供帮助。
　　关键词：缺氧;低氧诱导因子;肾损伤;肾脏修复
　　中图分类号：R692                                   文献标识码：A                                 DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.14.015
　　文章编号：1006-1959（2020）14-0047-04
　　The Role of Hypoxia-inducible Factor in Kidney Injury and Repair
　　WANG Ning，BA Ying-gui
　　（Qinghai University，Xining 810000，Qinghai，China）
　　Abstract：Both acute and chronic kidney disease can cause hypoxia，thatis，hypoxia in cells and tissues.Hypoxia-inducible factor（HIF）is the "master" transcription factor for gene expression under hypoxia.Studies have shown that HIF plays an important role in kidney injury and repair by regulating the target genes of HIF.However，there is still controversy about the pathological role of HIF in kidney injury and repair.Based on this，this article mainly focuses on the distribution and detection of HIF in the kidney，the target genes of HIF and their effects on renal endocrine function，and HIF in acute kidney injury（AKI）is a review of the signaling mechanism and its role in kidney repair，aiming to help elucidate the pathological role of HIF in kidney injury and repair.
　　Key words：Hypoxia;Hypoxia-induciblefactor;Kidneyinjury;Kidney repair
　　缺氧诱导因子（HIF）是一种蛋白质复合物，由可诱导的α亚基（HIF-1α、HIF-2α或HIF-3α）和组成性表达的HIF-β亚基组成。其主要调节细胞对缺氧的适应性，通常在细胞缺血、缺氧时产生并处于缺氧应答的关键环节。HIF通过调控其下游靶基因，如EPO基因、VEGF基因等的转录、表达，促进机体对缺氧产生一系列的适应反应[1，2]。在诱发肾脏疾病诸多因素中，缺氧是一个重要的潜在因素。多个研究表明[3，4]，在腎脏疾病的早期和晚期低氧信号在组织对损伤的反应中起着关键作用。在肾脏疾病的早期阶段，HIF的激活对损伤具有保护作用。有研究表明，HIF的诱导治疗可预防慢性肾病（CKD）、急性肾损伤（AKI）、糖尿病肾病的贫血，也可通过转录和翻译途径改变HIF水平，从而影响肾脏功能。本文主要就HIF在肾脏中的分布及检测、对内分泌功能的调节、对肾脏损伤及修复的机制及在肾脏疾病中的应用作一综述。旨在阐明HIF在肾脏损伤和修复中的病理作用。
　　1 HIF在肾脏中的分布及检测
　　在低氧情况下，HIF主要分布于肾皮质的近端、远端小管以及肾髓质的集合管和髓袢的上皮细胞内，并存在皮-髓质梯度，HIF在髓质中的表达明显高于皮质，可能与肾髓质的低血流量和低氧压有关[5]。HIF活性的定量研究具有一定的挑战性，未降解的HIF蛋白主要通过肾脏组织的免疫测定或蛋白免疫印记（western blot）分析发现，具有不稳定性。在人体研究中，肾脏组织的获取只能通过肾脏活检，其是一种侵入性方法。有研究通过收集纳入对象尿液，检测尿液中HIF的表达水平，结果显示健康人群与慢性CKD患者尿液中HIF水平存在显著差异。因此，尿液中HIF水平可作为肾脏疾病的诊断指标[6]。
　　2 HIF的靶基因及其对肾脏内分泌功能的影响
　　在缺氧条件下，HIF在其靶基因的增强子或启动子区域积累并与缺氧反应元件（HRE）结合，发生转录。HIF可通过刺激红细胞生成、血管生成、厌氧葡萄糖代谢、铁代谢、腺苷和NO代谢等多种细胞和组织反应，促进氧传递和细胞对缺氧的适应[7，8]。其中，红细胞生成、血管生成和厌氧葡萄糖代谢分别受促红细胞生成素（EPO）、血管内皮生长因子（VEGF）和糖酵解基因调控，是肾脏损伤和修复过程中最重要的缺氧反应。 　　2.1 EPO  EPO是一种由肾脏和肝脏分泌的造血生长因子，主要促进骨髓中红细胞的生成，从而提高血液的携氧能力[9]。缺氧时，HIF在30个增强子区域积累并与EPO的HRE结合。在红细胞生成调节中，肾脏是最重要的氧传感器，可对全身缺氧做出反应，然后通过肾间质成纤维细胞样细胞迅速增加EPO的产生[10，11]。肝脏也可以产生EPO，在氧依赖模式下促进红细胞生成，但生成的红细胞不足以弥补终末期肾脏疾病中肾EPO的损失，需要重组EPO进行全身性治疗[12]。此外，EPO还可以通过减少细胞凋亡和炎症反应，增加肾小管细胞增殖，从而保护肾脏不受损伤[13]。
　　2.2 VEGF  缺氧或缺血诱导的VEGF主要通过激活受体酪氨酸激酶（VEGFR-1、VEGFR-2、VEGFR-3）在血管生成中发挥重要作用[14，15]。肾小球的功能依赖于VEGF维持的特殊血管系统，来源于足细胞的VEGF在肾小球中过表达导致肾小球病变，进而抑制足细胞表达，破坏其滤过屏障，导致蛋白渗漏和肾小球血栓性微血管病变（TMA）。
　　3 HIF在AKI中的信号机制
　　根据灌注的情况，肾脏的供氧，特别是皮质的供氧可能存在较大差异。值得注意的是，肾近端小管细胞通过厌氧糖酵解产生ATP的能力有限，导致在维持氧化代谢时快速消耗并高度依赖氧，在这种高度依赖氧的情况下，肾脏更容易受到缺氧损伤。在缺氧（体内缺血）时，HIF在AKI的发病机制中起着重要的作用。
　　3.1在IR诱导的AKI中出现HIF  肾缺血-再灌注损伤（IR）是AKI的主要病因之一，与肾移植、肾血管闭塞、心脏骤停复苏等相关。大量研究表明HIF参与了肾脏IR。无论是化学预处理（由短效化疗引起）还是低氧调节（由一氧化碳引起，通过阻断血红蛋白的携氧能力来降低组织的供氧量）均可诱导HIF，从而引起IR损伤的抵抗[34，35]。然而，使用药物抑制剂进行缺血后治疗的效果仍存在争议。Jamadarkhana P等[16]研究发现，在肾缺血后2、6、10 h给予HIF-PHD抑制剂可通过诱导热休克蛋白70（HSP70）激活HIF-1的表达，减轻肾损伤。此外，在IR后6 h给予粒细胞集落刺激因子（G-CSF）和干细胞因子（SCF）也可激活HIF的表达，降低肾组织损伤程度[17]。另有研究表明[18，19]，在肾缺血后给予HIF-PHD抑制剂不能减轻AKI和肾纤维化。不同研究之间的差异可能与以下因素有关：①PHD抑制剂的使用频率不同;②PHD抑制剂的给药方式不同;③PHD抑制剂的给药剂量不同;④PHD抑制剂的给药时间不同。因此，肾脏缺血后，HIF-PHD抑制剂有一个狭窄的治疗窗口。
　　3.2在顺铂诱导的AKI中出现HIF  HIF的诱导和激活也参与了肾毒性AKI的发病机制。顺铂是一种广泛用于治疗各种恶性肿瘤的化疗药物，研究表明[20]，在顺铂治疗癌症期间，超过1/4的患者出现肾脏问题，尤其是AKI。顺铂除了引起肾小管细胞死亡外，还可引起血管功能障碍，导致肾脏低灌注或缺氧。在体外，近端小管细胞与缺氧预处理可减少细胞凋亡;在体内，大鼠在给予顺铂前的一氧化碳预处理可以改善顺铂诱导的AKI。有研究认为通过使用钴和FG-4592等抑制剂预处理来激活HIF系统，可以有效抑制线粒体信号通路，从而减弱顺铂诱导的AKIHIF靶基因[36]。综上所述，在顺铂化疗期间，HIF激活对肾脏有一定的影响。
　　4 HIF在肾脏疾病中的作用
　　损伤后，肾脏有修复的能力，肾小管尤为明显。若起初损伤较为轻微，肾脏形态及功能均可以完全修复;若起初损伤较为严重，则可能会导致慢性疾病的发生及肾功能的逐渐下降。在各种模型中，HIF与肾脏修复有关。
　　4.1 AKI后肾脏的修复情况  AKI后，肾脏有能力修复受损的小管。根据损伤的严重程度，修复可以是完全的，也可以是不完全的。完全修复（适应性修复）可恢复肾小管的完整性和功能，而以未分化萎缩小管和持续性炎症为特征的不完全修复（适应性不良修复）可导致肾间质纤维化，并可能进展为CKD[21，22]。肾小管间质性缺氧被认为是进展性肾脏疾病的常见途径。缺氧可抑制肾小管上皮细胞的生长，并通过加速去分化和凋亡而导致重构失败[23，24]。此外，缺氧还可将小管上皮细胞转化为促纤维化表型，促进小管间质炎症反应[25]。
　　4.2 HIF在腎细胞死亡、再分化和增殖中的作用  适当的肾脏修复涉及到肾小管细胞死亡和增殖之间的精确平衡。缺氧可导致肾小管细胞死亡，在一定程度上可导致内皮细胞死亡。HIF通过调节基因bcl-2家族，与p53交互、和/或针对线粒体酶影响细胞死亡，研究表明[26，27]，HIF激活可降低不同AKI模型的肾细胞凋亡。此外，通过调节HIF，可促进肾脏组织修复，从而降低急性肾小管坏死的发生率[28]。在非致死损伤中，近端小管细胞的增殖和再分化是肾小管修复的主要因素。当上皮细胞未完全再分化或在细胞周期的G2期被阻滞时，可能发生适应性不良的管状细胞的修复[29]。研究发现，存活的肾小管细胞可以瞬时上调肾小管上皮细胞脱分化标志物，如平滑肌肌动蛋白、波形蛋白等。在肾移植模型中，HIF的激活主要通过增加增生的肾小球和管周内皮细胞的数量来维持管周毛细血管网。HIF可上调EPO水平，促进细胞再生，抑制凋亡细胞死亡，也可诱导雌激素细胞衍生因子-1（SDF-1），从而促进生殖细胞再生。同时，HIF还可以抑制细胞增殖。
　　4.3 HIF在肾纤维化中的作用  HIF是各种病理状态下肾脏纤维化的关键调节因子。2007年，Higgins DF等[30]研究证明了肾小管HIF在单侧输尿管梗阻（UUO）时肾纤维化中的重要作用。在残肾模型中，药理激活HIF可改善肾小管间质损伤，减少纤维化[31]。进一步研究表明[32]，HIF对残肾模型的保护作用依赖于HIF活化的时间和亚型。在早期给药脯氨酸羟化酶抑制剂-HIF稳定剂，可加速肾纤维化，而在晚期给药可降低肾纤维化。在高血压、2型糖尿病模型中，激活HIF也可减轻肾纤维化[33]。另有研究表明HIF在肾脏中是促进纤维化的[34]。研究发现，注射一种药理学HIF抑制剂可降低患者的肾纤维化[35]。因此，HIF在肾纤维形成中的重要调控作用。 　　4.4 HIF在腎脏炎症中的作用  持续性炎症是AKI后肾脏修复不良的一个特征。炎症和缺氧常常同时存在，并相互调节。一方面，缺氧和HIF强烈影响炎症细胞的聚集和功能。另一方面，炎症细胞调节缺氧信号通路的激活。在单侧缺血再灌注和残肾模型中，激活HIF可降低巨噬细胞浸润[36，37]。另有研究表明[38]，巨噬细胞在肾脏修复过程中表现出表型转移。在鼠肾胰岛素抵抗（IR）模型中，沉默HIF可通过诱导炎性因子加剧炎症反应。总之，HIF可能在肾损伤和修复炎症中发挥调节作用。HIF可直接作用于免疫细胞，间接作用于上皮细胞和内皮细胞，从而抑制炎症反应。
　　4.5 HIF在AKI和CKD中的治疗潜力  低氧在患病肾脏中常发生，HIF可以增加氧供应，提高缺氧或缺血条件下体内肾脏耐受性。HIF在低氧条件下发挥着重要作用，尤其是正在修复的AKI和AKI后肾脏[39，40]。因此，靶向或激活HIF在肾脏疾病治疗中具有较大潜力，同时，在临床应用方面也是一个重大突破。目前，临床迫切需要能够特异性抑制PHD亚型的药物，在保证药物安全的情况下，并具有特定的治疗效果。因此，系统地研究低氧诱导因子脯氨酸羟化酶（HIF-PHD）是否对人类肾脏疾病有效仍是一个重要的问题。期待临床进一步的深入研究。
　　5总结
　　HIF是一种异二聚体结构的DNA结合转录因子，在人及动物的肾、肝、肺、脑、心等器官中普遍表达，其不仅可以调节氧的运输、促进细胞的生长与凋亡、改善糖代谢。同时还可通过各种信号转导通路作用于机体其他组织细胞，有利于机体的正常运转及组织细胞的代谢。HIF在肾脏组织中发挥重要功能，其可以通过促进EPO生成促进红细胞增多途径改善患者肾脏贫血。另外，在内分泌功能及肾脏损伤与修复中具有重要作用。因此，靶向或激活HIF在肾脏疾病治疗中具有较大潜力。
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　　收稿日期：2020-03-28;修回日期：2020-05-10
　　編辑/钱洪飞
　　作者简介：王宁（1991.4-），女，河南周口人，硕士，住院医师，主要从事肾脏病学的研究
　　通讯作者：巴应贵（1971.10-），男，青海西宁人，硕士，主任医师，主要从事肾脏病学的研究
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