贾颖 周艺蕉 杨春燕

脑组织是人体对缺血缺氧最敏感的器官，脑缺血是指供给脑组织的血流不足以提供足够的氧气和营养或去除有毒代谢产物，导致局部脑组织及其功能损害，从而形成的一种病理状态。为防止脑缺血所导致的周围脑组织损伤进一步加重，临床上常采用动脉溶栓、机械取栓、球囊扩张、支架置入等血管内治疗方法恢复周围脑组织的血液供给。随着研究的进展，发现上述血管再通治疗会引起脑缺血再灌注损伤（Cerebral ischemia reperfusion injury，CIRI），包括脑血管通透性增高、血脑屏障（BBB）破坏、细胞水肿和凋亡等。低氧诱导因子-1α（HIF-1α）被 认为是CIRI的重要调节剂，并负责调节神经细胞的许多病理生理过程，包括炎症反应过程中的细胞凋亡、能量代谢和基因转录等[1]。HIF-1α作为一种通用的分子主开关，它通过调控诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、血管内皮生长因子（VEGF）、血管生成素-1（Ang-1）、促红细胞生成素（EPO）、胰岛素样生长因子-2（IGF-Ⅱ）、糖酵解酶（GE）和葡萄糖转运蛋白-1（GLUT-1）等恢复血液循环、葡萄糖运输及介导缺氧后的低氧等，发挥促进细胞存活、抑制凋亡的保护作用[2]。因此，在CIRI中通过调控HIF-1α及其下游靶基因的表达减轻脑损伤，是临床治疗脑缺血缺氧相关疾病的重要目标基因途径。现针对HIF-1α在CIRI中的作用及相关机制进行综述。

1 HIF-1α 的生物学特性

低氧诱导因子（HIF）是一种异源二聚体转录因子，在介导缺氧适应性反应中起关键作用。它是由氧敏感的HIF-α亚基和HIF-β亚基组成，HIF-β亚基又称为芳烃受体核转运蛋白（ARNT），HIF-α亚基在哺乳动物中发现3种同工型：HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α，HIF-1α可以在所有类型细胞中表达，被认为是体内低氧调控的主要功能亚基，对于维持哺乳动物细胞中的氧稳态尤为重要；HIF-2α由EPAS1基因编码，与 HIF-1α 结构和功能类似，主要在胎盘、肺、肝和心脏等少数组织中表达，并且在血管生成和红细胞生成中起着核心作用；HIF-3α作为多个剪接变体存在，可以通过负反馈的方式抑制HIF-1α和HIF-2α的活性，其功能研究较少[3]。

HIF-1α的稳定性及活性受其翻译后修饰调节，包括羟基化、泛素化、乙酰化和磷酸化，这种调节主要是通过氧依赖性降解域（ODDD）的独特结构。在正常氧压条件下，HIF-1α的ODDD上两个脯氨酸残基的羟基化和赖氨酸残基的乙酰化触发其与pVHL E3连接酶复合物的结合，导致HIF-1α通过泛素-蛋白酶体途径迅速降解。在低氧压条件下，泛素-蛋白酶体的降解途径被抑制，HIF-1α在胞浆中聚积并转移到细胞核中，与HIF-1β形成异源二聚体，在转录共激活因子CREB-结合蛋白/p300 等的作用下，结合到靶基因启动子的低氧反应元件上，相互作用并调节下游靶基因的表达上调[4]，促进糖酵解、氧利用、红细胞增生，增加葡萄糖转运体等，起到对缺氧组织的保护效应。然而，HIF-1α的过表达也可导致氧自由基生成增多，过量的氧自由基促进细胞凋亡，加重器官功能损害。

2 HIF-1α在CIRI中的作用

CIRI由缺血期的原发性损伤和再灌注期的继发性损伤组成，可形成脑水肿和其他继发性病变。HIF-1α在CIRI中发挥重要作用，包括改善线粒体功能，降低细胞氧化应激，激活脑保护信号通路和下游保护基因，并与非编码 RNA 相互作用等[5]。

2.1 对线粒体功能的保护作用线粒体是有氧呼吸的主要场所，也是缺血性损伤的主要靶点。线粒体功能障碍在CIRI中起着非常重要的作用[6]。在缺血期间，氧含量降低会损害线粒体ATP的产生并诱导细胞内Ca2+的增加。在再灌注期间，细胞内Ca2+的浓度进一步增加，导致细胞质和线粒体中的钙过载。同时，缺氧会破坏线粒体电子传递链（ETC）导致活性氧（ROS）产生增加。ROS和Ca2+的增加导致线粒体内膜中非选择性、高导电性通透性转换孔（PTP）的开放，以及线粒体膜通透性的变化。PTP开放进一步增加线粒体Ca2+和ROS水平，并刺激线粒体中蛋白质和脂质的氧化[7]。钙超载和氧化应激可能导致线粒体功能障碍，进而诱导脑细胞出现凋亡或坏死。一方面，细胞内氧浓度的降低可以通过在缺血期间抑制PHD蛋白（脯氨酸羟化酶）来激活HIF-1α；另一方面，HIF-1α可以调节线粒体特异性基因的表达水平以适应缺氧应激，改善线粒体功能[8]。Du等[9]研究发现，HIF-1α可通过减少脑缺血再灌注时产生的ROS和Ca2+来抑制PTP，从而减轻脑细胞凋亡。Nanayakkara等[10]提出HIF-1α通过调节Frataxin表达水平来应对缺血缺氧性损伤。Frataxin水平的增加减轻了线粒体ROS产生，保持了线粒体膜的完整性。此外，HIF-1α 还可以通过激活不同的脑保护信号通路，如PI3K/AKT和Janus激酶2/STAT3通路来改善线粒体呼吸功能，以保护缺血再灌注后的大脑组织[11]。因此，优化线粒体和HIF-1α互利作用所需的氧水平可能为CIRI治疗提供新的方向。

2.2 维持细胞氧化还原平衡ROS通常被认为是有氧代谢的天然副产物，并且在细胞信号传导和体内平衡中具有重要作用，然而当线粒体受到刺激时，ROS水平会急剧增加，导致细胞结构严重损害。在CIRI中，缺血期开始产生ROS，再灌注期ROS大量产生（缺血期ROS异常增加导致琥珀酸的积累，ETC复合物活性降低；再灌注期琥珀酸被迅速氧化产生大量ROS）。细胞中过量的ROS积累是CIRI的主要原因之一，过量的ROS可使脑细胞正常的生物膜结构受损、细胞内蛋白功能抑制、核酸以及染色体破坏，最终导致不可控制的脑损伤[12]。 HIF-1α 通过多种机制减轻CIRI，如激活HIF及其下游的信号通路，从而激活了参与调节细胞氧化还原状态以及减少细胞中ROS产生和凋亡的靶基因。Deshwal等[13]研究显示，HIF-1α介导线粒体和NADPH氧化酶家族产生的 ROS 并调节细胞的氧化还原状态，从而降低CIRI的严重程度。此外，Thomas等[14]研究显示，HIF-1α介导从氧化代谢到糖酵解的转变，从而减少线粒体氧化剂的产生，降低ETC活性并减弱线粒体ROS产生，避免细胞死亡。因此，这些研究支持 HIF-1α 对维持细胞氧化还原平衡的有益作用，但仍需要进一步研究。

2.3 HIF-1α信号通路自首次报道HIF-1α的靶基因（EPO）以来，已鉴定出数百个下游靶基因，证明了HIF-1α信号通路的复杂性和重要性[15]。在CIRI中，HIF-1α可以调节和参与许多信号通路。Fan等[16]研究显示，机体可能通过Nrf2/HO-1和HIF-1α/VEGF信号通路上调抗氧化应激活性并促进血管生成修复内皮屏障，有效改善病灶缺氧，从而保护脑细胞。Yan等[17]研究表明异氟醚预处理后可能通过Akt/mTOR/s6K激活上调HIF-1α表达，从而提供潜在的神经保护作用，防止CIRI的发生。Li等[2]在大鼠中风模型研究中显示，HIF-1α通过上调缺血后的EPO减轻神经元凋亡，发挥脑保护作用。Luo等[18]研究发现，当再灌注开始时用右美托咪定处理后可通过上调HIF-1α来诱导Bcl-1和p62表达，从而抑制神经元自噬，保护大脑免受缺血再灌注损伤。此外，血红素加氧酶-1、IGF-Ⅱ、GLUT-1等位点也参与 HIF-1α对CIRI的保护作用。

在CIRI中，HIF-1α还可以通过直接或间接调节多种信号通路发挥作用[14]。在线粒体方面，HIF-1α可以直接或间接影响线粒体功能，减少线粒体损伤，减轻CIRI的严重程度。HIF-1α可以通过HIF-1α/Bcl-2和BNIP3信号通路诱导线粒体自噬，从而促进CIRI后神经细胞存活[19]。然而，HIF-1α介导的保护作用仅限于缺血再灌注的早期，持续自噬也可能会促进神经细胞死亡。在氧化应激方面，HIF-1α也起着重要作用，如HIF-1α可以上调Nrf2，然后激活抗氧化酶，通过增强内在ROS清除来保护神经细胞[16]。在炎症方面，缺氧时IκBα磷酸化导致IκBα的降解和NF-κB的激活。然而HIF-1α的激活可以抑制NF-κB通路并诱导HO-1，从而减少促炎细胞因子的产生，抑制组织炎症并降低CIRI的严重程度[20]。此外，HIF-1α还可以调节多种信号通路，如GSK3β/线粒体PTP、ERK1/2、Bcl-2、PI3K/AKT和mTOR等参与多种细胞功能的调控，从而可以降低CIRI的严重程度。

2.4 HIF-1α与非编码RNA之间的关系MicroRNA （miRNA或miR）是一种小型非编码RNA分子，长度约为22个核苷酸。它们主要与mRNA的3'非翻译区结合以控制稳定性和翻译，从而降低蛋白质水平。人类基因组中超过30%的基因被miRNA所调控。一些研究报道miRNA在脑血管疾病中起着非常重要的作用。Li等[21]研究miRNA在CIRI神经元凋亡中的作用，发现在CIRI的体内和体外模型中，miR-186的水平显著降低。进一步研究发现miR-186通过与该mRNA的3'非翻译区相互作用直接靶向HIF-1α，当敲低HIF-1α则克服了因细胞缺血再灌注损伤及miR-186下调而导致的细胞凋亡。因此，miR-186能够通过部分下调HIF-1α来减少神经元的缺血及再灌注损伤。Wang等[22]研究显示敲低miR-34a通过激活HIF-1α信号通路在大鼠CIRI中发挥保护作用。该研究显示在脑缺血再灌注过程中miR-34a的表达水平显著升高，当抑制miR-34a表达可有效减轻CIRI，增加尼氏小体数量，减少病灶区凋亡细胞数量。Yi等[23]在研究KCNQ1OT1（钾离子电压门控通道）通过靶向抑制 miR-140-3P加剧CIRI时，证明miR-140-3p 和HIF-1α之间存在相互作用，包括HIF-1α参与了miR-140-3p的细胞保护作用。此外，有研究证明 HIF-1α可与miRNA（如miR-140-3p和miR-144-3p） 相互作用，在CIRI时发挥抗氧化应激及细胞保护作用[24]。尽管与HIF-1α相关的已知miRNA数量正在增加，但大多数研究都集中在癌细胞系上，而对其在神经系统尤其是CIRI中的作用知之甚少。

3 HIF-1α参与天然化合物对CIRI的脑保护作用

多项研究表明，某些天然化合物可缓解 CIRI，其治疗效果通过HIF-1α介导。Cao等[25]研究证明柚皮苷可以通过调节HIF-1α/AKT/mTOR信号通路来预防缺血再灌注诱导的神经细胞体外损伤，这可能为CIRI治疗提供新的思路。Janyou等[26]研究发现二氢辣椒素可增加HIF-1α及其下游靶基因VEGF的表达，在不增加BBB渗漏的情况下诱导功能性血管生成，并在CIRI后14天改善神经功能。Hou等[1]研究表明姜黄素也对CIRI具有保护作用且与抑制HIF-1α和自噬密切相关。其他几种天然化合物，如人参皂甙Rg1、川芎嗪、当归、红景天苷、黄连解毒汤和葛根素，可以通过影响HIF-1α表达水平影响线粒体、ROS、血管生成和细胞存活等，防止CIRI的发生。

4 HIF-1α在脑缺血预处理和后处理中的作用

缺血预处理（IPC）指在组织长时间缺血前对其进行短暂的缺血处理，是一种内源性的对器官随后出现持续性缺血损伤的保护作用。大脑拥有能够防御缺血性损伤的内源性机制，这些先天的生存途径可以被IPC激活，从而暴露于亚致死应激源触发基因和蛋白质表达的变化，导致机体耐受性基因表达。然而，大脑缺血耐受的机制尚未完全阐明，但Lee等[27]已研究证实IPC介导的神经保护作用可能涉及对HIF-1α及其下游蛋白VEGF的调节。Feng等[28]发现低氧预适应可能通过上调HIF-1α的表达来增强对缺氧缺血性脑损伤的耐受性并减少神经细胞的凋亡。Li等[29]也发现长期暴露于中度缺氧，通过HIF-1α独立机制对CIRI产生强大的保护作用。因此，IPC或低氧预适应可减轻缺血再灌注后的脑损伤，而HIF-1α是其中的关键因子。但在临床实际中，由于各种缺血性脑疾病如急性脑梗死等发病时间难以预测，IPC方法并不适用。在患者脑组织出现缺血后且再灌注前进行短暂、多次的缺血再灌注处理也可有效减轻CIRI，被称为缺血后处理（IPTC）。与IPC相比，IPTC更具灵活性且可能在临床实践中发挥更重要的作用。HIF-1α是与缺血缺氧性脑损伤密切相关的转录因子，实验表明IPTC往往伴随HIF-1α及其下游靶基因iNOS和VEGF的表达增强，提示HIF-1α在IPTC中也发挥一定作用[30]。此外，Zong 等[31]研究显示，IPTC可显著减轻CIRI，其机制与抑制HIF-1α过表达、降低炎症反应有关。因此，HIF-1α在 IPC和IPTC 中发挥关键作用，可能成为CIRI治疗的重要目标。

5 HIF-1α与CIRI脑保护作用的其他研究

随着对CIRI相关机制和HIF-1α及其下游基因的不断研究，HIF-1α相关CIRI干预也在不断探索。Wang等[5]在大鼠模型中研究发现，HIF-1α的激活可以阻断右美托咪定对缺血再灌注大鼠神经元凋亡的抑制作用，证明右美托咪定可以抑制CIRI后神经元凋亡，从而产生神经保护作用，且这种神经保护作用与HIF-1α表达抑制有关。Li等[32]研究重组腺病毒介导HIF-1α表达的脑保护作用，结果显示HIF-1α可以缓解局灶性CIRI的神经功能缺损，具有明显的神经保护作用，这种保护作用可能与CIRI周围HSP90表达增加和Caspase-3表达降低有关（抑制神经细胞凋亡），因此，HIF-1α可作为治疗缺血性脑损伤的候选基因。Zhang等[33]研究发现依达拉奉可以有效降低缺血同侧脑组织中ROS的产生和HIF-1α及VEGF蛋白水平，发挥脑保护作用。Wang等[19]研究高压氧改善大鼠CIRI的机制，发现早期高压氧治疗可以减少CIRI引起的脑损伤，可能是通过抑制自噬及其上游分子HIF-1α来防止缺血半暗带中的神经元死亡，这一机制可能是高压氧诱导神经保护、改善神经功能的重要途径之一。

6 结语

CIRI是脑血管疾病发生后出现的一种严重并发症，对患者神经功能造成不可逆损伤，具有较高的致残率和死亡率。然而，HIF-1α可以通过各种复杂的机制减轻 CIRI，包括参与糖酵解、线粒体功能、细胞存活、细胞凋亡和氧化应激等，具体机制仍不清楚。HIF-1α作为在机体内广泛分布的转录调控因子，通过控制下游上百个靶基因的表达对机体结构、功能和代谢产生重要的调节作用。因此，HIF-1α可能通过不同的机制在CIRI进展的不同阶段发挥作用，同时也可能是治疗CIRI的有效靶点。但HIF-1α及其靶基因的种类及功能十分复杂，还需要更深入研究 HIF-1α在 CIRI 病理生理学中的作用及其潜在机制。