低氧誘導因子-1α在頜骨缺損重建修復中的應(yīng)用及研究進展*

李舒雅 陳京京 劉騰達 王淑紅

由各種原因造成的頜骨缺損修復是口腔頜面外科領(lǐng)域亟待解決的重點課題。從臨床效果來看，自體骨移植仍是“金標準”，但存在供區(qū)組織有限、二次創(chuàng)傷、增加費用及患者不適等缺點；異體骨雖來源充足，但有免疫源性及病原體感染的潛在可能性。上世紀中期以來，人工合成材料迅速發(fā)展，但缺乏良好的骨誘導和骨引導性，只能完成外形和結(jié)構(gòu)修復，與真正的功能重建相去甚遠。

骨組織缺損真正的功能重建包括成骨和血管形成兩個密不可分的過程，頜骨缺損區(qū)的低氧狀態(tài)顯著刺激血管發(fā)生，而HIF-1α 是在低氧條件下的一個不可或缺氧依賴轉(zhuǎn)錄激活因子，一方面可促進血管內(nèi)皮生長因子VEGF 等表達誘導血管形成，另一方面可影響成骨細胞等骨系細胞的功能，調(diào)控骨形成及骨改建。本文總結(jié)HIF-1α 對各類骨細胞及骨血管的調(diào)節(jié)，以及其在骨組織工程、骨折、牙周炎、牽張成骨等作用及應(yīng)用，為討論HIF-1α 對頜骨缺損的修復重建提供參考。

1.HIF?1α的基本結(jié)構(gòu)及生物特性

低氧誘導因子-1(HIF-1）是由Semenza［1］最早在1992年從缺氧的肝癌細胞株中發(fā)現(xiàn)的一種蛋白，由一個分子量為120 000 的α 亞基和一個分子量為91～94 000的β 亞基構(gòu)成，其中HIF-1α 亞基由826個氨基酸構(gòu)成,對HIF-1 活性起主要決定作用。常氧狀態(tài)下，HIF-1α 被脯氨酸羥化酶（prolyl hydroxylase,PHD）羥基化，進而被Von Hippel-Lindau 蛋白（VHL）識別后泛素化，從而被蛋白酶降解［2］。而在低氧狀態(tài)下，PHD 活性降低且HIF-1α 羥基化被扼制，HIF-1α 在細胞內(nèi)蓄積，與HIF-1β 形成二聚體，并進入細胞核與調(diào)節(jié)區(qū)的缺氧反應(yīng)元件（HRE）結(jié)合，激活下游相關(guān)靶基因，進而誘導組織細胞發(fā)生缺氧適應(yīng)性反應(yīng)。當氧濃度降至5% 以下時，PHD 活性降低，HIF-1α 穩(wěn)定，并參與下游靶基因的表達［3］。研究表明，在氧濃度為5%時，HIF-1α 表達上調(diào)，但顯著低于HIF-2α；在氧濃度為1%時，HIF-1α 及HIF-2α 表達均上調(diào)［4］。劉曉東等實驗中，在2%低氧濃度下，HIF-1α 表達升高，促進成骨細胞增值礦化［5］。

2.HIF?1α在頜骨改建中的作用機制

2.1 調(diào)節(jié)骨代謝

2.1.1 調(diào)節(jié)成骨細胞作用 成骨細胞是參與骨形成及改建的關(guān)鍵功能細胞，HIF-1α 可以調(diào)控其增殖和遷移，且其調(diào)控因氧濃度的高低可發(fā)揮不同的作用。常氧狀態(tài)下,增強HIF-1α 表達可以促進成骨細胞增殖，增強新生骨形成；沉默HIF-1α則抑制其活性和增殖，抑制成骨標志物的表達，包括Runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2,RUNX2）及骨鈣素和堿性磷酸酶（Alanine phosphatase,ALP)。

低氧狀態(tài)下，HIF-1α 表達增加，成骨細胞活性隨之降低。Xu等［6］研究表明，低氧狀態(tài)下，MC3T3-E1 細胞活性減弱，但HIF-1α 蛋白表達升高，HIF-1α 的上調(diào)表達可通過抑制細胞凋亡來拮抗低氧誘導的成骨細胞活性的減弱。還有研究表明，HIF-1α 的上調(diào)表達能夠促進MC3T3-E1細胞的成骨能力和丙酮酸脫氫酶激酶1(pyruvate dehydrogenase kinase 1,PDK1）的 表達［7］。HIF-1α 可通過對VEGF、白細胞介素-6(IL-6)、白細胞介素-8(IL-8)、VHL 以及miRNA-497～195簇等的調(diào)控作用進而調(diào)節(jié)成骨細胞生成［8-10］。

2.1.2 調(diào)節(jié)破骨細胞作用HIF-1α 可通過骨保護素（OPG)/細胞核因子-κB 受體活化因子（receptor activator of nuclear factor-κB,RANK)/細胞核因子-κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)、蛋白酪氨酸激酶2(janus kinase 2,JAK2)/信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transduction and transcription activator 3,STAT3）等多種信號通路直接或者間接作用于破骨細胞。RANK 與RANKL 結(jié)合可刺激破骨細胞分化進而加速骨質(zhì)吸收，然而OPG 可與RANKL 發(fā)生競爭性結(jié)合，抑制該過程。Zhu等［11］研究表明，HIF-1α 可通過JAK2/STAT3通路來推動RANKL 的表達并刺激破骨細胞分化。Song等［12］研究則發(fā)現(xiàn)HIF-1α 通過激活JNK/caspase-3通路起到了促凋亡因子的作用。此外，Kang［13］等研究表明，白細胞介素-33(IL-33）在抑制破骨細胞生成中發(fā)揮作用。HIF-1α 激活可導致IL-33 表達增加，IL-33 通過miR-34a-5p-Notch1 途徑作用于骨髓來源的單核細胞以減少其在破骨細胞中的分化。

2.1.3 調(diào)節(jié)軟骨細胞作用HIF-1α在軟骨穩(wěn)態(tài)中起重要作用，可增強細胞外基質(zhì)合成和抑制細胞凋亡［14］。在低氧環(huán)境下，HIF-1α可抑制終板軟骨細胞凋亡，HIF-1α通過調(diào)節(jié)p300結(jié)合蛋白CITED2啟動子表達，抑制VEGF條件細胞降低，從而增加細胞在低氧中的存活率［15］。HIF-1α參與軟骨形成及軟骨成骨，可加強間充質(zhì)干細胞向軟骨方向分化。有學者發(fā)現(xiàn)，HIF-1α可激活SOX9促進軟骨細胞外基質(zhì)的合成［16］。還有研究表明軟骨與成骨細胞共培養(yǎng)可激活軟骨細胞的細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（Extracellular signal-regulated kinase,ERK)1/2和p38信號，上調(diào)HIF-1α表達［17］。

2.1.4 調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細胞作用 間充質(zhì)干細胞屬于多能干細胞，在較理想的微環(huán)境下可分化為成骨細胞、軟骨細胞等多種細胞。Costa等［18］研究表明miRNA-675-5P 可通過HIF-1α 促進間充質(zhì)干細胞成骨分化。Xu 等通過研究則得出HIF-1α介導的基質(zhì)細胞衍生因子-1 可對間充質(zhì)干細胞發(fā)揮作用［19］。Chen等［20］研究發(fā)現(xiàn)FG4592（HIF-1α脯氨酰羥化酶的強效抑制劑）通過HIF/Ca2+/NO/活性氧（reactive oxygen species,ROS）通路增強骨髓間充質(zhì)干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs）的增殖遷移，繼而加快骨缺損的愈合。Zhang等［14］研究表明HIF-1α 蛋白可增強BMSCs 的活力，使骨缺損區(qū)BMSCs 的數(shù)量保持在較高水平，從而提高BMSCs的骨愈合能力。

2.2 調(diào)節(jié)骨血管作用 在骨的生長發(fā)育中，充分地血管化至關(guān)重要。血管生成不僅能為骨形成和改建提供養(yǎng)分，也能提供其所必需的氧，血管生成與骨組織生長改建緊密相連。有研究表明，在缺乏功能性和充分血管網(wǎng)絡(luò)的情況下，骨組織將發(fā)生壞死和骨形成失敗。血管生成和成骨之間的關(guān)鍵相互作用，影響了損傷后的骨再生。HIF-1是一種廣泛表達的轉(zhuǎn)錄因子，迄今為止已確定100 多個HIF-1 靶基因，VEGF 是其中之一。有研究顯示，HIF-1α 不足的小鼠小梁骨體積顯著減少。耦合骨生長和血管生成的關(guān)鍵機制是激活HIF-1α 通路，該通路在缺氧條件下增加成骨細胞中VEGF 的表達。研究表明，成骨細胞衍生的VEGF 作用于鄰近的內(nèi)皮細胞（ECs)，介導血管生成效應(yīng)并維持血管完整性；因此，ECs 分泌由HIF-1 介導的VEGF也能促進血管生成和成骨，防止骨丟失。HIF-1α還可通過調(diào)節(jié)OASIS 蛋白、miRNA-675-5p 等來對影響骨血管的形成產(chǎn)生影響。OASIS 缺乏導致骨發(fā)育過程中血管化不完善，發(fā)育不完善的血管無法為成骨細胞提供足夠的營養(yǎng)，以發(fā)育小梁骨，從而形成脆弱的骨骼系統(tǒng)。OASIS-HIF-1α 復合物可能改善骨形成、傷口愈合和顆粒組織形成過程中的血管生成［21］。在低氧條件下，miR-675-5p 參與缺氧介導的BMSCs細胞血管生成［18］。

3.HIF?1α在頜骨修復中的應(yīng)用

3.1 骨組織工程 是將自體干細胞在體外誘導、擴增、培養(yǎng)，形成種子細胞并接種于細胞支架上植入骨缺損區(qū)，以促進骨的修復［22］?？紤]到天然骨的結(jié)構(gòu)復雜性和當前治療方案的局限性，設(shè)計一種仿生和功能性組織工程骨移植物已成為骨缺損功能重建的迫切需要。研究表明低水平激光治療（low level laser therapy,LLLT）通過ROS/HIF-1α 通路結(jié)合血管生成和成骨來增強血管化骨再生。LLLT觸發(fā)了HIF-1α，VEGF 和TGF-β的ROS依賴性增加，并導致隨后形成H型血管和間充質(zhì)干細胞的成骨分化［23］。Cheng等［24］實驗證明HIF-1α 過表達BMSCs 聯(lián)合膠原蛋白支架（collagen scaffolds,COL）移植促進顳下頜關(guān)節(jié)髁突骨軟骨缺損兔的髁突軟骨修復并抑制軟骨下骨硬化。由此表明，HIF-1α 的發(fā)現(xiàn)及骨組織工程的發(fā)展對頜骨缺損修復提供了新方向且取得一定成果。

3.2 骨折愈合 骨折愈合是骨的一種再生修復反應(yīng)，主要包括以下三個時期：血腫機化期、纖維骨痂形成期、骨性骨痂形成期［25］。骨折會造成局部骨組織缺氧，缺氧引起HIF-1α 在體內(nèi)蓄積，HIF-1α 可通過多種骨細胞適應(yīng)缺氧環(huán)境來參與骨折的愈合。在血腫機化期，HIF-1α 可誘導血管生成，HIF-1α 通過刺激VEGF 來調(diào)控骨內(nèi)血管生成；纖維骨痂形成期，HIF-1α 可局部聚集大量骨細胞，產(chǎn)生骨痂；骨性骨痂形成期，HIF-1α 可調(diào)控成骨及破骨細胞的偶聯(lián)代謝來影響骨愈合。骨折后所形成的缺氧環(huán)境會激活HIF-1α，促進BMSCs 向成骨細胞分化［26］；還可通過SOX9 基因的表達來影響軟骨生成［27］。HIF/Wnt 通路也可調(diào)控BMSCs 分化，抑制成骨細胞凋亡，促進其成骨能力［6］。趙建指出，去鐵胺（desferrioxamine,DFO）可與Fe2+之間的作用抑制PHD 活性，從而造成HIF-1α 蓄積，在卵巢切除小鼠骨折模型中，局部應(yīng)用DFO，促進新生血管生成及新骨形成，加速了骨折的愈合［28］。以上結(jié)果表明HIF-1α 在骨折修復中起重要作用。

3.3 牙周炎 牙周炎是牙齒支持組織的一種慢性炎性疾病。在各類研究中表明，HIF-1α 有促炎作用，可誘導牙周膜細胞自噬和凋亡，還可影響牙周炎的進展及愈后。低氧微環(huán)境中升高的HIF-1α 可進一步激活p53 表達，進而抑制牙周膜干細胞（periodontal ligament stem cells,PDLSCs）增殖并促進其凋亡［29］。Xu等［30］發(fā)現(xiàn)缺氧可以通過HIF-1α 誘導的VEGF 在PDLSCs 和牙周組織中調(diào)節(jié)RUNX2 的表達，可增強缺氧牙周組織的成骨作用，HIF-1α 在PDLSCs 早期成骨過程中具有積極作用。Chen等［31］研究證明，二甲基草甘氨酸（dimethyloxalyglycine,DMOG）在常氧條件下激活HIF-1α 可能激活VEGF 并促進牙周炎的骨形成，減少牙周炎中的骨吸收。Cui［32］等有關(guān)Ti3C2Tx的牙周再生實驗中得出，Ti3C2Tx可通過HIF-1α/Wnt 信號通路促進PDLSCs 成骨分化，進而修復牙周缺損。以上可以得出HIF-1α在牙周炎的生理病理過程的重要作用。

3.4 牽張成骨 是通過將骨量不足的區(qū)域進行骨切開，經(jīng)過延遲期后，以牽張器緩慢牽張骨骼間隙，使其增寬，并激發(fā)機體組織的再生潛力，從而使術(shù)區(qū)骨組織及周圍的肌肉、神經(jīng)等組織新生、延長，使其達到修復骨缺損的目的。HIF-1α 在此牽張時間段內(nèi)可促進新骨形成。Xu等［33］通過研究手風琴技術(shù)對大鼠牽張成骨模型骨再生的影響得出，手風琴技術(shù)在牽張成骨期間通過激活HIF-1α/VEGF 有效地促進骨鞏固。研究表明，缺乏VHL小鼠在牽張成骨結(jié)束時可觀察到血管增加，骨形成增加，抑制HIF-1α 則血管數(shù)量減少、骨再生減少，此結(jié)果證明可通過HIF 途徑的激活促進血管生成及骨再生。Wan 等指出在成骨細胞中缺乏VHL且具有組成型HIF-1α 激活的小鼠血管生成顯著增加，并產(chǎn)生更多的骨組織以響應(yīng)牽張成骨，而缺乏HIF-1α 的小鼠則破壞了血管生成和骨愈合［34］。Hamushan等［35］研究結(jié)果表明高純鎂組VEGF 和HIF-1α 高度表達，該組骨體積/組織總體積、骨密度、新愈傷組織力學性能均顯著高于不銹鋼組和對照組，高純度鎂植入物具有增強牽引成骨血管生成和骨鞏固的潛力。這些都證實了HIF-1α 在牽張成骨修復中的重要作用且成為臨床治療中的一個重要靶點。

4.小結(jié)與展望

HIF-1α 通過對成骨、破骨、軟骨及間充質(zhì)干細胞還有骨血管形成的調(diào)節(jié)在頜骨缺損修復中起重要作用，HIF-1α 不僅促進骨折骨缺損修復，還參與牙周炎、牽張成骨等口腔骨組織的改建。之前有關(guān)HIF-1α 的研究多在成骨細胞及血管生成方面，近年來HIF-1α 在破骨細胞、軟骨細胞及間充質(zhì)干細胞調(diào)控中的研究取得很大進展，但其調(diào)控具體機制還有待更深入研究。隨著HIF-1α 及低氧調(diào)控機制的研究，HIF-1α 介導及低氧相關(guān)治療日益增多，DFO 及DMOG 等藥用低氧模擬化合物的研發(fā)逐漸成為熱點［34-36］，這類化合物可激活HIF-1α 通路增強成骨分化及血管生成。但也有一些研究表明，HIF-1α 存在過表達、生成的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)欠佳、骨硬化癥甚至造成骨瘤生成等問題［37］，有學者指出，PHD1、PHD2 和PHD3 的聯(lián)合失活導致極端 HIF 信號傳導，會造成過度刺激血管生成-成骨耦合導致過度骨積累。但同時指出，PHD2 和PHD3 的聯(lián)合基因失活導致適度的HIF靶基因激活和骨小梁體積的適度增加，不會造成骨質(zhì)流失［3］。這又為臨床上預(yù)防骨硬化癥，避免新骨過度形成、骨質(zhì)量欠佳提供了新思路。