缺氧诱导因子与肠道辐射损伤的研究进展

　　摘要：腹部、盆腔的晚期肿瘤患者在接受肿瘤放射治疗时， 射线对肠道正常组织也会造成明显的损伤。研究发现， 上调体内缺氧诱导因子 （Hypoxia-inducible factor, HIF） 水平能起到防护肠道组织辐射损伤的作用。通过脯氨酸羟化酶抑制剂等上调体内HIF水平， 减轻肠道上皮细胞、肠道隐窝干细胞损伤程度， 维持肠道屏障完整性；上调血管内皮生长因子表达水平， 保护肠道微血管内皮；调控NF-κB、炎症因子分泌以及树突状细胞的免疫功能， 减缓肠道辐射损伤的炎症反应。本文还对HIF与肿瘤的关系进行了讨论。

　　

　　关键词：缺氧诱导因子； 肠道辐射损伤； 肿瘤。

　　

　　腹部、盆腔的晚期肿瘤患者接受放射治疗杀伤肿瘤的同时， 也会对肠道产生明显的损伤作用。辐射主要损伤肠上皮细胞和微血管内皮细胞， 同时诱发肠道炎症并加剧肠道损伤[1-2].目前的辐射防护剂主要包括自由基清除剂、DNA损伤修复、细胞周期调控药物和免疫调节类药物等[3-6], 均存在疗效较差或副作用较大等问题， 因此， 有必要寻找高效低毒的肠道辐射损伤防护剂。近年来， 以缺氧诱导因子 （Hypoxia-inducible factor, HIF） 为靶点的辐射防护剂在动物实验中取得了较大进展， 为肠道损伤防护提供了新的思路。本文就HIF在肠道辐射损伤中的研究进展进行综述。

　　

　  1 HIF的结构及代谢。　

　　

　　HIF是一类主要由缺氧诱导产生、激活缺氧反应基因转录的DNA结合蛋白， 是由氧调节亚单位α亚基和结构亚单位β亚基组成的异二聚体， 其中， α亚基作为HIF的调节亚基， 严格受到缺氧浓度调控。HIF-α亚基属于碱性螺旋-环-螺旋-PAS （Per/Arnt/Sim） 蛋白家族， 根据其α亚基不同， 将HIF分为HIF-1、HIF-2、HIF-3三类。其中， HIF-1α多肽链含有826个氨基酸残基， HIF-2α含869个亚基， HIF-3α编码668个氨基酸[7-8].在结构上均包括Bhlh （Basic-helix-loop-helix） 域、PAS域、ODD （Oxygendependent degradation） 域和TAD （Transactivation domain） 域。β亚基作为结构亚单位， 又称芳香烃受体核转位子， HIF-β亚基在细胞核内表达， 不受缺氧影响[9-10].

　　

　　在常氧条件下， HIF-α持续表达， 但其半衰期非常短暂， 这是因为体内存在脯氨酸羟化酶 （Prolyl hydroxylase, PHD） 可羟化HIF-αODD域中两个特殊脯氨酸残基， （HIF-1α中为Pro402和Pro564;HIF-2α为Pro405和Pro531） , 被羟基化的HIF-α与肿瘤抑制蛋白 （von Hippel-Lindau protein, p VHL） 结合， p VHL复合体能够富集elongin-C/elongin-B/cullin-2E3泛素连接酶， 最终导致26S蛋白酶体介导的HIF-α降解[11-12].在缺氧条件下， 由于体内的PHD受到抑制， ODD结构域中的脯氨酸不能够被羟化， 导致HIF-α不能够被降解而聚集， 进而转移到核内与HIF-β亚基组成异二聚体， 在共激活因子p300/CBP （CREB binding protein, CBP） 的帮助下， 与缺氧反应元件结合并调控靶基因表达过程[9,13].

　　

　　2 HIF与肠道放射损伤。

　　

　　目前已有多种影响HIF代谢的药物， 如PHD抑制剂、亚铁、糖代谢产物等[13-15].PHD作为影响HIF代谢途径关键酶， 是一种利用氧气和α-酮戊二酸作为底物， 亚铁离子和抗坏血酸盐作为共作用因子的双加氧酶。哺乳动物中一共存在3种PHD成员 （PHD1、PHD2和PHD3） , 在不同组织中有着不同的表达水平。Taniguchi等[16]证明， 通过PHD抑制剂二甲基草酰甘氨酸 （Dimethyloxallyl glycine, DMOG） 升高HIF水平， 可以有效地减轻辐射导致的肠道损伤， 提高腹部局部受照小鼠的存活率。

　　

　　2.1 保护肠道上皮及肠道上皮屏障。

　　

　　肠道上皮及肠道上皮屏障对肠道正常功能的维持发挥着重要的作用。电离辐射可以直接损伤肠道上皮细胞， 导致肠道上皮细胞、肠道隐窝干细胞死亡和上皮屏障破坏， 引起机体消化吸收障碍、水电酸碱失衡， 甚至菌群移位， 是肠道辐射损伤的主要死亡原因。Taniguchi等[16]证实， 使用DMOG后可以明显提高全身照射小鼠和腹部局部照射小鼠的存活率。免疫组化与肠腺隐窝存活分析提示， DMOG可能通过减少辐射诱导的肠道上皮细胞的凋亡与增加隐窝干细胞存活， 从而增加腹部局部受照小鼠的存活率。此外， 通过血清FITC-右旋糖酐分析间接证明， DMOG可以有效地维持上皮细胞的完整性。肠道上皮屏障的完整性受到屏障保护基因TFF3/ITF1和MDR1的维持， 通过实时荧光定量聚合酶链式反应证明在DMOG增加了二者的表达。Marks等[14]报导， 使用PHD抑制剂AKB-4924也可有效保护肠炎模型中的肠道上皮及上皮屏障。而在2, 4, 6-三硝基苯磺酸诱导的小鼠结肠炎模型中， 通过HIF-α敲除小鼠和VHL突变小鼠研究证明， 上调HIF可促进屏障保护基因MDR/ITF/CD73表达， 诱导黏蛋白3分泌形成肠道黏膜保护层， 介导CD73、CD55和腺苷受体A2B上调， 从细胞与分子层面证明了HIF对肠道上皮及肠道上皮屏障的保护[17-18].

　　

　　2.2 保护肠道微血管内皮。

　　

　　肠道受到大剂量电离辐射后， 会引起微血管内皮细胞肿胀凋亡， 释放大量炎症因子， 形成微血栓， 进而导致肠道组织的缺血缺氧， 加重肠道损伤。Rotolo等[19]认为在肠上皮细胞损伤之前， 电离辐射可以通过神经酰胺介导微血管损伤， 引起肠道微循环障碍， 最终增加肠道隐窝干细胞的死亡。Taniguchi等通过体内、体外实验均证明， 使用DMOG可以增加血管内皮生长因子 （Vascular endothelial growth factor, VEGF） 的表达， 通过肠道组织免疫组化分析DMOG可以增加微血管密度；通过腺病毒转染Flt1 （Flt1作为可溶性VEGF受体， 可以抑制小鼠体内VEGF发挥作用） , 间接证明了VEGF对微血管内皮细胞的保护作用；通过使小鼠肠道内皮细胞选择性高表达HIF-2α， 有效提高了小鼠VEGF的表达和小鼠的存活率， 证明HIF-2α在肠道辐射微血管损伤中发挥主要作用。Ayrapetov等[20]也证实， 上调HIF-2α可以通过促进微血管内皮细胞出芽， 增加微血管密度。这提示HIF可以通过上调VEGF表达水平保护肠道微血管内皮， 发挥肠道辐射保护作用。

　　

　　2.3 减缓肠道炎症反应。

　　

　　肠道辐射损伤常伴有严重的炎症反应， 这些炎症反应将会加剧肠道损伤。研究发现， 脂多糖可以通过激活Toll样受体4通路调节NF-κB, 进而增加HIF-1α的表达[21-22];反应活性氧类和炎症细胞因子如IL-1β、TNF-α也可以上调HIF的表达， 表明炎症反应对HIF具有重要的调控作用[23-24].在艰难梭菌诱导的小鼠结肠炎模型中， 使用DMOG组可以上调VEGF/ITF/CD73表达， 同时下调TNF-α和CXCL4以减少促炎反应， 最终有效减缓肠道损伤和肠道炎症[25].Cummins等[26]证明， 使用PHD抑制剂可以通过激活IKKβ， 促进NF-κB核转位。NF-κB作为重要的转录因子， 在辐射防护中发挥着关键的作用。Greten等[27]证明， NF-κB在肠道上皮细胞中的激活可以抑制上皮细胞凋亡和延缓结肠炎进展。在天然免疫方面， 肠道树突状细胞作为肠道的关键免疫细胞， 高表达HIF后可以诱导IL-10/TGF-β、I-IFN等抗炎因子， 同时诱导T细胞向Foxp3阳性T细胞分化， 进而抑制Th1/Th17促炎反应[28].而HIF敲除T细胞则会增加促炎因子IL-6、IL-23的表达， 加剧肠道炎症反应[29-30].综上， 炎症反应可以影响HIF的表达水平， 而使用PHD抑制剂后， 通过减少HIF降解， 调控NF-κB, 炎症因子分泌以及树突状细胞的免疫功能， 有效减缓肠道辐射损伤的炎症反应。

　　

　　3 HIF与肿瘤。

　　

　　由于肿瘤细胞生长迅速， 耗氧增加， 在肿瘤内部常常存在缺氧微环境， 研究表明， HIF在实体肿瘤中普遍升高， 并与肿瘤的进展、放化疗抵抗以及预后有着密切的关系。

　　

　　3.1 HIF与肿瘤代谢。

　　

　　与正常组织细胞相比， 肿瘤细胞具有较高的糖代谢率， 这主要通过加速糖酵解途径实现。研究表明， 高表达HIF可以促进肿瘤细胞糖酵解相关基因表达， 以提高糖酵解效率， 为肿瘤细胞生长提供足够的能量。这些基因包括糖酵解途径关键酶 （如己糖激酶、乳酸脱氢酶等） 、葡萄糖转运子以及胰岛素样生长因子等[31-32].Semenza等[33]证明高表达HIF可以上调葡萄糖-6-磷酸酶， 促进葡萄糖磷酸戊糖途径转化， 提高细胞内NADPH （Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, 还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸） 和谷胱甘肽的水平以增加肿瘤抗氧化能力。

　　

　　3.2 HIF与肿瘤增殖凋亡。

　　

　　p53作为细胞周期关键调控分子， 在肿瘤发生发展过程中起着关键作用。研究表明， HIF-1可与p53直接结合， 从而稳定p53活性， 进而通过p53调控Bax、p21等下游分子诱导细胞凋亡和细胞生长抑制[34-35];HIF也可通过调控细胞色素C来抑制细胞凋亡[36].此外， c-Myc作为细胞重要的增殖调控基因， HIF-1α可以通过作用于c-Myc信号通路诱导细胞周期阻滞， 而HIF-2α则通过上调c-Myc转录促进缺氧区细胞的增殖[37-38].这些研究证实， HIF在肿瘤细胞的增殖、凋亡过程中发挥着关键作用。

　　

　　3.3 HIF与肿瘤放疗。

　　

　　放射治疗作为肿瘤治疗的重要手段之一， 广泛应用于肿瘤患者。放疗抵抗是导致临床放疗失败及影响患者病情进展的主要原因。放疗抵抗的发生与肿瘤细胞代谢、细胞周期、p53等基因改变、肿瘤微环境变化、自噬性调节及肿瘤干细胞的存在等多种因素相关， 而这些相关因素均可受到HIF的影响。此外， Harada等[39]研究也证实， HIF可能通过上调VEGF, 促进肿瘤EMT （Epithelial-mesenchymal transition, 上皮-间充质转化） 增加肿瘤辐射抗性。而在Taniguchi等的研究中， 通过使用荷瘤小鼠模型证实， 使用DMOG并没有促进荷瘤小鼠肿瘤增殖、减弱辐射杀伤肿瘤的作用。

　　

　　4 小结。

　　

　　HIF作为缺氧微环境中的关键调控因子， 调控众多靶基因， 参与多种生物学效应， 如生长因子合成、细胞增殖与凋亡、糖代谢关键酶调节、炎症因子释放和肿瘤放化疗敏感性等。以HIF为靶点的辐射防护研究也越来越多， 并在动物实验中已经取得了很好的实验结果， 但由于药物在动物与人之间的作用有较大的不同， 因此， 将此类药物应用于临床还需要不断地研究。随着对HIF及其确切机制研究的深入， 相信其在肠道辐射损伤中的作用会更加明确， 这也将会为临床治疗肠道辐射损伤提供新策略。

　　

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