作为一门新兴学科，全血管疾病是一组以动脉粥样硬化为共同发病标志的血管疾病，主要影响心脏、脑部、肾脏和四肢等重要器官。作为血管内最常见的应激反应物（缺氧）和血管内压力和氧气传递的主要调节因子，缺氧诱导因子（HIFs）以及血管平滑肌细胞（VSMCs）的多面性及其相互作用具有吸引力。异常活跃的VSMCs（例如动脉粥样硬化、肺动脉高压）或异常功能不全的VSMCs（例如动脉瘤、血管钙化）与HIFs相关。这些广泛的全身性疾病也反映了全血管医学的跨学科性质。此外，考虑到VSMCs和癌细胞表现出的可比较的增殖特性，以及血管生成和癌症进展之间微妙的平衡，迫切需要更准确的调节靶点或组合方法来增强HIF靶向治疗的效果。基于上述内容，本综述主要关注在VSMC相关的全血管疾病背景下，整合整体和局部视角以及时间和空间平衡在HIF信号通路中的意义。此外，本综述还讨论了HIF靶向药物在全血管疾病中的意义，并考虑了涉及的权衡。（注，本文仅摘取肺动脉高压部分内容）
背景介绍
缺氧诱导因子（HIFs）作为生物体内对缺氧反应的主要调节因子，是多面性和时空特异性的，与心血管有关。因此，在缺氧与全血管性之间的相互作用方面进行全面的研究在目前至关重要。
HIFs在调控细胞对低氧水平的反应中发挥着至关重要的作用（图1）。HIF-1α最初是通过与红细胞生成素（EPO）基因座的寡核苷酸亲和纯化而被发现的第一个HIF亚型。HIF-1α是一种高度保守的蛋白质，在缺氧时对细胞和有机体的稳态起着主要调节作用。它存在于几乎所有的有氧生物中，并被估计调节着超过2%的人类基因，特别参与在不同细胞环境中维持氧稳态的过程。HIF-2α和HIF-3α最近通过同源性搜索或通过筛选与HIF-1β互作的伴侣蛋白而被检测到。HIF-3α是与之关系更为疏远的亚型，并且在某些剪接方式下产生对缺氧应答元件（HREs）调节的基因表达产生拮抗作用的多肽。然而，HIF-1α和HIF-2α之间关系密切，并且都依赖于HREs激活基因转录。从氧化磷酸化转向独立于氧气的糖酵解是对缺氧的最早细胞反应，这一现象在秀丽线虫等生物体中已被观察到。虽然HIF-1α在从秀丽线虫到人类的各种生物物种中都是保守的，但HIF-2α的存在仅限于类似鸡、鹌鹑和哺乳动物这样复杂的脊椎动物。在具有专门的氧气传递系统的高级生物体中，HIF-1α和HIF-2α在促进适应性氧反应机制中起着关键作用。特别是在血管生成过程中，HIF-1和HIF-2在相互连接和时序上起着互补作用。一般而言，在深度缺氧条件下，HIF-1主导着血管发生过程，而在缺氧环境下，HIF-2主要协调血管重塑和稳定的最后阶段。这些后期阶段涉及到关键的事件，如血管周细胞和血管平滑肌细胞（VSMCs）的招募。
图1. 经典的HIF途径信号传导。在正常氧气条件下，HIF-α的保守脯氨酸位点在ODDD中被PHDs水化，通过E3泛素连接酶复合体和26S蛋白酶体途径使其降解，防止其与HIF-β形成异源二聚体进行转录功能。FIH-1是一种天冬酰氢酶，通过对HIF-α的N803位点进行羟基化，阻止HIF-α与共转录因子p300/CBP的相互作用，提供了一种抑制HIF-α转录的替代途径。除氧气分子外，PHD和FIH还需要Fe2+、抗坏血酸和α-酮戊二酸（TCA循环的中间产物2-OG）作为辅助因子。在缺氧环境中，PHD介导的HIF-α羟化失效，导致HIF-α迅速积累。然后，HIF-α与HIF-β结合形成异源二聚体，并进入细胞核。为了与E-box样的HREs结合并启动下游对缺氧的适应性反应，异源二聚体与共转录因子p300/CBP形成复合体。HREs的富含GC的启动区域通常包含5'-（A/G）CGTG-3'序列。
血管平滑肌细胞（VSMCs）在健康的血管中表现出完整且专门的表型，同时仍具有高度的可塑性，表现为两种不同的表型：收缩（分化）表型和合成（去分化）表型。去分化的VSMCs表现出较低的肌丝密度和收缩蛋白的表达减少，同时表达基质外细胞组分和基质重塑酶的增加。VSMCs具有固有的多孔性和弹性，其促进基质分泌的表型可以协调调节生物力学响应特性，如血管弹性、张力和顺应性。去分化的VSMCs通过多种机制（例如增强分泌细胞器和增加炎性细胞因子表达）调节其增殖、迁移和炎症能力，这对动脉重塑（如动脉粥样硬化）至关重要。此外，HIFs也与血管平滑肌细胞在血管全身性疾病的发病机制中有关（图2）。在动脉粥样硬化和肺动脉高压等特征为增殖和迁移的VSMCs中，与HIFs有关。肺动脉高压中VSMCs的HIFs可能进一步表现出异常的电生理效应。另一方面，如动脉瘤和血管钙化（VC）中的去分化VSMCs也与HIFs有关。VC目前是冠状动脉疾病的主要治疗挑战，特别是慢性完全闭塞病变。这种病理过程与VSMCs凋亡密切相关，并标志着VSMCs功能失调的关键转变。因此，对涉及VSMCs的血管全身性疾病的HIF靶点的探索具有重要意义。
图2：VSMCs在全身性血管系统的缺氧条件下的表型转变。
VSMCs的多面性以及它们与HIFs之间错综复杂的相互作用构成了一个引人入胜的研究领域，特别是在寻找针对VSMCs中全身性血管疾病的HIF靶点方面。全身性血管医学的跨学科性质强调了在研究这些靶点时采用全面的方法，考虑整体和局部方面，以及时间和空间维度。
HIFs在肺动脉高压（PH）中的作用
在世界卫生组织的分类中，肺动脉高压的第三组与缺氧性肺疾病相关。肺动脉高压组中较低的氧饱和度与患者潜在疾病条件（如慢性阻塞性肺疾病（COPD））或潜在条件中的缺氧有关。PAH的特点是持续的肺血管收缩，基于中层增厚（VSMCs数量增加和体积增大），内膜失调（内皮细胞功能障碍和凋亡），外周血管炎症，原位血栓形成，最终导致血管硬化，特别是在远端肺动脉。最近的研究表明，即使在没有内皮脱落的情况下，缺氧也可以引发肺动脉收缩。缺氧性肺动脉收缩是对急性肺氧化不足的应激反应，旨在优化气体交换。相比之下，慢性缺氧会引发病理性血管重构，导致肺动脉高压，而缺血会引起血管损伤，最终导致肺水肿。此外，VSMCs的病理性表型可能在血管变硬方面发挥作用，而不论内皮功能是否紊乱。总体而言，由VSMCs独自进行的不适当的动脉收缩以及其表型转换，导致通气/灌注失衡，进一步加剧了全身氧输送以及PAH的进展。
肺动脉平滑肌细胞（PASMCs）的主要表型在增殖、炎症和细胞外基质（ECM）产生之间转变，这与动脉粥样硬化中的VSMCs表现出很大的相似性。与动脉粥样硬化不同的是，PAH中VSMCs的独特表型主要集中在电生理不适应和收缩，随后出现血管壁增生。在肺泡缺氧的情况下，PASMCs内的线粒体感应器会在活性氧（ROS）和细胞内氧化还原偶联体之间发生动态变化。这个过程抑制了钾通道，导致PASMCs去极化。它还激活钙通道并提高细胞质钙离子水平，最终导致血管收缩。此外，依赖于HIFs的电压门控钾通道（Kv）的表达降低也有助于通过减少凋亡来进行重构。减少的细胞凋亡体积是细胞凋亡的早期迹象，这个过程部分是由于通过各种钾离子通道的混乱的钾离子外流的增强。从细胞质膜上的钾离子通道中流出的钾离子增加导致凋亡细胞的萎缩。相反，大鼠和人类PASMCs中下调的钾通道和受抑制的钾通道功能与减轻细胞凋亡有关（图3）。此外，来源于肿瘤样代谢转化（例如Warburg效应）的长寿命、抗凋亡表型的PASMCs可能会损害肺动脉收缩的正常反应。
图3. PAH中的VSMC HIFs。VSMCs的可塑性在动脉粥样硬化和PAH中表现出很大的相似性，其中VSMCs的增殖和迁移非常重要。然而，PAH还着重于VSMCs的电生理活动。在肺泡缺氧的情况下，线粒体感应器调节PASMCs内的ROS和氧化还原偶联体水平。这阻碍了钾通道，使PASMCs去极化，刺激钙通道，提高细胞质钙离子水平，导致血管收缩。此外，保持高浓度的细胞质钾离子（[K+]cyt）不仅对维持离子稳态和调节细胞体积至关重要，还能防止细胞质内的caspases激活。线粒体电子传递链产生ROS，线粒体SOD2将在I和III复合物产生的超氧阴离子转化为过氧化氢（H2O2）。DNMT1和DNMT3B的过表达使SOD2基因启动子中的关键CpG岛高度甲基化，导致SOD2表达下调。这损害了H2O2介导的氧化还原信号传导，激活HIF-1α，并促进细胞增殖和抗凋亡能力。然后，HIF-1α的激活抑制了氧敏感的电压门控钾通道水平，其中HIF-1α与Kv1.5 5'-非翻译区域内位于-1208到1203的可能HRE结合。同时，缺氧抑制了KCNK3，导致膜去极化和钙离子进入。此外，缺氧诱导的HIF-1α促使TRPC1/6的表达增加，使得静息状态下的[P]cyt增加，导致PASMCs的收缩。细胞内钙离子与CaM结合，形成一个复合体，激活细胞质MLCK。激活的MLCK磷酸化MLC，激活ATP酶，水解ATP并释放能量。这种能量导致肌丝滑动和PASMCs的收缩。MLCP的失活是ROCK靶点，通过RhoA/ROCK信号通路磷酸化导致p-MLC的积累，增强肌动蛋白和肌肉结节的耦合和PASMCs的收缩。同时，RhoA/ROCK信号通路通过HIF-1α依赖的功能TRPCs加重了肺动脉高压。此外，正常PASMCs中p53的过表达抑制了通过去除储存在肌浆网中的钙离子诱导的存储Ca2+入口。
HIFs与PAH中的钾离子通道
与大多数培养的原代细胞相比，PASMCs在正氧和缺氧条件下都表现出升高的HIF-1水平。在来自Fawn hooded大鼠（FHRs，一种自发发展PAH的品系）PAH患者和CH大鼠的培养PASMCs中，HIF-1α的表达均增加。遗传性PAH（如FHR）和特发性人类PAH在其发病过程中均表现出早期的线粒体功能障碍，导致线粒体-ROS-HIF-Kv通路的紊乱（图3）。这个通路的紊乱在FHRs中是由于染色体1的异常，而特发性人类PAH也表现出类似的异常。线粒体的氧传感功能是由于电子的生理流动，其中H2O2作为可扩散的氧化还原信号分子。此外，低氧抑制正氧ROS生成的现象在肺动脉中是唯一的，并且在短暂的中度缺氧期间表现出来，先于缺氧性肺血管收缩的开始。然而，在大多数体动脉中，ROS的产生相对较低，在中度缺氧下也保持不变。PASMC线粒体的这种独特能力能够迅速调节可扩散的ROS生成，从而调节PAH中的Kv通道功能，其中PASMCs表现出稀疏的线粒体网络，其特征是减少的电子传递链（ETC）单位和SOD2。抑制线粒体ROS产生会产生伪缺氧状态，并导致正氧刺激下HIF-1α的产生（图3）。这伴随着HIF-稳定酶脯氨酸脱氢酶-1（HPH-1）的下调，后者是一个氧化还原敏感的脯氨酸羟化酶（PHD），它使HIF-1α不稳定并导致其降解，同时降低了HIF-3α的水平。然后，HIF-1α的激活抑制了氧敏感的电压门控钾通道（例如Kv1.5、Kv2.1和Kv1.2）。此外，HIF-1α的激活通过上调PDK并进一步减少ROS，引起PASMC增殖和血管收缩的增加，进而诱导Warburg效应。肺特异性DNMT1和DNMT3B的表达增加导致了一种表观遗传机制，其中基因启动子和增强子区域的甲基化降低了SOD2的表达。随后产生的H2O2的减少引发了HIF-1α的激活（图3）。FHRs肺中DNA甲基转移酶的特定失调以及全身血管系统没有表现出相同的选择性上调，目前仍然不清楚这种选择性上调在肺中发生的原因。
此外，与电压依赖性钾通道不同，电压无关的钾通道——钾二孔结构域通道亚家族K成员3（KCNK3）（也称为TASK1和K2P3.1）是指定的泄漏或背景通道，对PASMCs的静息电位有贡献，最近被发现加重PAH。KCNK3在缺氧下被抑制，导致膜去极化和随后的钙离子流入。通过CRISPR/Cas9方法在大鼠中基因敲除KCNK3会导致肺动脉血管重塑的年龄依赖性增加，使其更容易患上肺动脉高压。敲除KCNK3显著增加HIF-1α的表达，促进细胞增殖，但不改变HIF-1α的mRNA表达（图3）。
HIFs与PAH中的钙离子通道
导致肺血管收缩的另一个重要因素是细胞质钙离子（[Ca2+]cyt）的增加。最初认为，电压门控钾通道的下调和膜去极化是导致[Ca2+]cyt增加的原因，因此假设是电压门控的Ca2+通道的作用。然而，现在已经知道，在缺氧条件下，持续的Ca2+流主要由上调的非选择性存储Ca2+通道（SOCCs）调节，这些通道由典型瞬时受体电位通道（TRPC）组成。HIF-1可能在非缺氧条件下作为TRPC表达的下调因子，并在缺氧环境中作为TRPC表达的上调因子（图3）。缺氧诱导的HIF-1α诱导TRPC1/6，增加静息[Ca2+]cyt，导致PASMCs收缩，反之亦然。Ras同源家族成员A（RhoA）/Rho关联螺旋线激酶（ROCK）信号通路通过HIF-1α依赖的功能TRPCs加重了PAH（图4），通过RhoA/ROCK抑制剂抑制HIF-1有效地减少了受受体或存储Ca2+通道诱导的Ca2+流入和随后的PASMC收缩。在小鼠PAH模型中，PASMCs中p53的降低与HIF-1α的增加相关，而正常PASMCs中p53的抑制增加了通过被动耗竭肌浆网Ca2+引发的存储Ca2+入口（图3）。此外，细胞内pH的变化与[Ca2+]cyt信号传导和动脉收缩的改变密切相关。酸中毒通常导致肌肉松弛和细胞内pH碱性位移，而钠氢交换体（NHE）的激活对生长因子刺激的PASMC增殖至关重要。缺氧导致的HIF-1依赖性NHE1可交换H+和Na+并控制细胞质碱化。
需要指出的是，高[Ca2+]cyt不仅调节血管收缩，而且促进PASMC的生长和增殖，这两者协同导致高血压和肺血管的同心重塑。
HIF-1和PAH中HIF-2之间的关系
此外，值得探究HIF-1和HIF-2在PAH中的相互作用和差异性作用。内皮素1（ET-1）是一种强效的血管收缩剂，高度表达于肺动脉内皮细胞（PAECs），促进PAH。ET-1还促进PASMCs和成纤维细胞的增殖，促进ECM的产生，并影响肺血管重塑。然而，VSMC表型转化已经引起HIF-1α在PAH的PASMCs中的作用与ET-1相关的争议。一些研究表明，人类PASMCs中HIF-1α的过表达和缺失都会导致ET-1的产生和分泌。与此同时，小鼠PASMCs中Hif1a基因的特异性敲除可以保护或加重PAH。有人提出，可能存在两种不同的PAH表型，其特征是PASMCs中HIF-1α的上调或下调，但这两种表型均可以导致ET-1的产生和血管收缩。ET-1可能由上游HIF-1信号传导调节，并且可能通过抑制Kv（图3）对其进行调控，升高ET-1会导致HIF-1α的上调，这是通过合成增加、氢化物降低或蛋白酶体降解下调来实现的。相反，HIF-1α缺乏通过增加miR-543的表达并介导twist家族bhlh转录因子（twist）的抑制来增加ET-1的表达。TWIST是HIF-1的直接转录对象。此外，研究提出了慢性缺氧诱导的PAH发展中潜在的前馈途径，即慢性缺氧期间PAECs中HIF-2α的增加可能导致ET-1的产生增加，PASMCs中HIF-1α的上调，从而导致HIF靶基因的上调。然而，PASMCs产生的ET-1是否与PAECs产生的ET-1相关，以及PASMCs和PAECs在调控ET-1方面的相互关系仍然不清楚。
此外，在PAH中，HIF-2α在PAECs中表现出主导作用，而HIF-1α主要表达于PASMCs中，HIF-2α主要表达于PAECs中，HIF-3α主要表达于肺纤维细胞中。然而，HIF-2α在PASMC中的作用仍然不可低估。Hif2a基因的增强功能突变（GOF）单独预计足以通过EDN1（编码ET-1）增加PASMC的僵硬性，而不依赖于内皮功能（图3）。携带HIF-2α的人类GOF突变还表现出增强的缺氧性肺血管收缩。Hif2a杂合子GOF突变已被认为与红细胞增多症、血栓形成和血管并发症有关，这些因素导致了PAH患者的发病率和死亡率增加。细胞僵硬性主要由增强的F-actin应力纤维、平滑肌精蛋白重链（SMMHC）和增加的乙酰化α-图蛋白决定。与野生型相比，Hif2a杂合子小鼠的PASMCs显示出更多的应力纤维紊乱。此外，血小板衍生的生长因子1（TSP1）在PAH患者的肺中上调，并在缺氧介导的PAH小鼠中上调，是HIF-2α的另一个因子，通过HIF-2α触发Tsp1启动子附近的HRE（图3）。在缺氧条件下，TSP1的高水平促进成纤维细胞和PASMCs的迁移，同时破坏内皮屏障的完整性。过度活跃的TSP1信号通过降低一氧化氮的产生和信号传导部分限制了血管舒张。此外，在Tsp1-/-小鼠的肺中，Kv1.5通道的表达保持，而内皮素受体的蛋白水平降低，与野生型小鼠相比。由于ET-1已被证明抑制Kv，TSP1对缺氧性PASMCs中Kv通道驱动的收缩的影响可能是通过ET-1介导的。此外，Tsp1-/- PASMCs中观察到的缺氧耐受可能是由于其对其他信号分子（例如ROS介导的血管收缩）的影响。然而，目前还需要进一步探讨TSP1对肺血管内ROS产生的影响。
总体而言，PAH中PASMC的主导表型在增殖、炎症和ECM产生之间变化。PASMCs对肺泡缺氧的应答导致ROS和氧化还原偶联物动态变化，从而导致电生理状态的改变和相应的血管收缩。线粒体功能障碍和ROS-HIF-Kv通路的紊乱对PAH的发病至关重要。HIF-1在PASMCs中在缺氧和非缺氧条件下都被上调，并抑制氧敏感的电压门控钾通道，导致PASMC增殖和血管收缩增加。肺中DNA甲基转移酶的功能障碍也导致了H2O2的减少和HIF-1α的激活。缺氧还导致了非选择性存储Ca2+通道的上调，增加了[Ca2+]cyt，并进一步促进了PASMC的增殖和收缩。HIF-2在PAH中的作用仍在探索中，但似乎在PAECs中表现出主导作用，通过调节ET-1的产生和分泌来增加血管收缩。总的来说，PAH是复杂的多因素疾病，包括细胞和分子水平的许多异常改变，需要进一步研究来完全理解其发病机制。
参考文献：
Hu Y, Zhao Y, Li P, Lu H, Li H, Ge J. Hypoxia and panvascular diseases: exploring the role of hypoxia-inducible factors in vascular smooth muscle cells under panvascular pathologies. Sci Bull (Beijing). 2023 Jul 26:S2095-9273(23)00481-4. doi: 10.1016/j.scib.2023.07.032. Epub ahead of print. PMID: 37541793.
转自：“肺动脉高压研究进展”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
