从源头去思考HIF-PHI在肾脏病领域的现在和将来。
12月伊始，北方已经飘起了白雪。但隆冬的严寒敌不过求知若渴的热情，在南京大学附属逸夫医院内，林善锬教授给大家带来了名为《HIF理论的发现，在CKD贫血治疗以外，我们还能期待什么？》的演讲，深入浅出地讲解了低氧诱导因子（HIF）理论及其在肾脏病领域应用的现在和将来。
图1林教授从诺奖机制去介绍HIF与CKD治疗
你理解的“缺氧”
和细胞理解的“缺氧”是一个意思吗？
提到缺氧，人们第一反应是想到空气中的氧气不够，医学生的会联想到血液中含氧不足，动脉血氧分压（PaO2）低于同龄人的正常下限。那么，你的细胞是如何感知并适应缺氧的情况呢？
其实，这是个诺奖级别的问题。
图2 因揭示HIF系统理论而获得2019年诺奖的三位科学家
北京时间2019年10月7日17点30分，2019年诺贝尔生理学或医学奖揭晓，来自美英的三位科学家William G. Kaelin Jr, Sir Peter J. Ratcliffe和Gregg L. Semenza获奖，获奖理由是“发现了细胞如何感知和适应氧气的可用性（for their discoveries of how cells sense and adapt to oxygen availability[1]）”。
图3Peter J. Ratcliffe综述中HIF的双重调节原理图[2]
简而言之，HIF是细胞内氧气感受器和传感器。当氧气浓度高时，HIF通过细胞内氧依赖性泛素蛋白酶降解途径降解和失活。当氧气浓度低时，HIF蛋白保持稳定，HIF-α亚基和HIF-β亚基结合形成二聚体，进入细胞后激活下游基因表达，使机体产生一系列反应，导致一系列病理生理结果。HIF系统是稳定细胞内氧供需平衡的重要系统，从稳定HIF系统功能的角度考虑，科学家开始了对相应药物的探索。
图4HIF应对缺氧的三条途径
HIF是具有转录活性的核蛋白，具有广泛的靶基因谱。HIF在机体低氧状态中发挥重要作用，当由于运动、妊娠、身处高海拔地区等原因，空气中或者机体内的氧含量减少或需氧量增加时，机体最常见通过三种途径来适应：血管生成增加（VEGF途径），红细胞生成增加（EPO途径），代谢适应（PDK1）。
生物体感受氧气浓度的信号识别系统是生命最基本的功能，对细胞在分子水平上感受氧气含量的基本原理及其信号机制的阐述，为我们了解氧水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定了基础，为抗击贫血、癌症和许多其他疾病的新策略铺平了道路。
人体的所有细胞无时无刻不在利用氧，林善锬教授指出：我们在这里主要谈到HIF和肾脏疾病相关的知识。
从三十年前的EPO，到如今的HIF-PHI
肾性贫血是CKD（慢性肾脏病）患者常见的并发症之一，主要指由于肾功能的衰退导致产生促红细胞生成素（EPO）细胞减少以及伴随的炎症和铁代谢等的紊乱引起EPO产生能力相对或绝对不足，同时作用不良。
1983年，来自我国台湾的林福坤教授带领团队，从150万个人类基因组片段中找到一个DNA片段上的基因，成功克隆出EPO基因。1989年FDA批准EPOGEN上市。这一突破性的成就使得EPOGEN成为生物技术历史上最成功的药物之一[3]。
随后，当时在美国从事科研工作的林善锬教授，从林福坤教授那里拿到了第一批EPO，并历经曲折，将他们带回了中国。
过去30年里，在传统的肾性贫血治疗中，临床上主要通过注射EPO治疗贫血，改善CKD患者生活质量，使输血需求下降。但由于CKD贫血不仅是EPO的不足的原因所以通过外源性注射，必须远比生理为高的浓度才能达到效果，从而因为剂量过大，引起血液高凝状态，高血压加上因为需要静脉注射铁剂等引起一系列不良反应。
低氧诱导因子脯氨酰羟化酶抑制剂（HIF-PHI）是基于HIF机制的新型治疗肾性贫血的药物。HIF-PHI通过抑制PHD而抑制HIF的泛素化降解，维持体内的HIF水平。从而不仅刺激残存肾脏促红细胞和出生以后大部分已经静息状态在肝脏可以产生EPO的细胞，重新产生EPO，同时还能通过抑制铁调素而纠正导致CKD铁代谢异常的各种因素达到全面治疗CKD贫血的目的。
由于HIF-PHI机制是模拟机体自然的氧气感应及响应系统来帮助制造红细胞，调节铁代谢，所以是类似生理条件下机体对缺氧的适应，因而具有更好的安全性和疗效。
探寻新可能，不仅仅改善CKD贫血
■ HIF稳定能延缓CKD进展
CKD是一个慢性缺氧性疾病，并且低氧程度与CKD预后密切相关，而CKD进展过程是一个耗氧过程，低氧本身可以导致肾脏损伤，理论上来说，HIF稳定能延缓CKD进展。
人们曾对比处在不同高原高度的和海平面水平CKD病人进展不同，在一些观察报告显示前者比后者进展为慢，由此提示高原所引起的HIF启动可能延缓肾脏进展的可能。
应用可以检测出含氧浓度的影像技术（BOLD-MRI）对肾脏含氧不同的CKD病人随访观察，结果显示：氧含量较低者CKD进展以及心血管合并症较相对较高者预后为差。此结果印证了上述的可能。
■ HIF稳定能改善心血管疾病（CVD）
越来越多的研究证明，慢性肾性贫血患者治疗并非使Hb越高越好，相反，过高的Hb与卒中、冠心病发生率增加相关（图5）。
其中达到同等水平Hb所需要的EPO浓度越高，心血管死亡率越高，由此提示了之所以必需应用十分高水平EPO才能达到一定程度纠正贫血，是因为CKD时机体存在导致EPO作用效果不良的诸多因素未能纠正所致。而HIF-PHI除了促进EPO分泌以外，同时还纠正影响EPO作用的各种异常。
所以，HIF-PHI在近与生理水平EPO浓度下可以获益。由于导致不能达到较高Hb水平的因素（包括高血压，高凝等影响等）不再存在，可以推断Hb水平可能可以更高。
因此理论上对CVD的发生可以减少，因此提高CKD患者HB靶目标值得临床医生探索。
图5 过高的Hb与卒中、心血管事件发生率增加相关
■ HIF-PHI可以保护肠道屏障功能
近期许多研究发现肠道菌群失调与许多疾病有关。包括肾脏疾病进展，心血管疾病以及中枢系统疾病有关。菌群失调之所以可以对上述系统疾病有关，是由于失调的菌群可以产生许多毒素，致炎症的因子等。
正常情况时肠道屏障功能可以阻挡它们进入循环，但是CKD时这种屏障功能严重不良。众多研究证明HIF-PHI可以保护肠道屏障功能 ，从而减轻了肾脏、心血管等并发症的产生。
图6 HIF-PHI可以保护肠道屏障功能
■ HIF-PHI对糖尿病、代谢综合征的影响
高血糖通过多种机制致HIF不能充分启动，高血糖对HIF的抑制作用可导致糖尿病视网膜病变、糖尿病肾病、糖尿病性心脏病、胰岛素抵抗、糖尿病足等。
已经有研究表明HIF-1 、HIF-2 通过作用于IRS2（胰岛素受体底物-2），改善胰岛素分泌和抵抗。动物研究中，糖尿病模型大鼠氧分压明显下降，而稳定HIF可改善糖尿病肾病中肾脏高灌注，减轻肾脏间质纤维化及减少蛋白尿。
图7 高血糖对HIF抑制作用致多种病变
■ HIF-PHI可能作用于急性肾损伤（AKI）
缺氧、氧化应激和炎症是AKI组织损伤的核心机制，各种AKI模型中均观察到肾组织缺氧。肾组织缺氧不仅发生在AKI急性期，也发生在组织修复期。
同时，缺氧可致AKI进展为CKD。研究表明，HIF-PHI可改善缺氧诱导的AKI及AKI进展为CKD。上调HIF水平在各种原因导致的AKI中均发挥肾脏保护作用。
图8上调HIF水平在AKI中发挥肾脏保护作用
教授总结
林教授指出：从HIF机制的发现，到如何将HIF机制应用于临床医学， 再到基于HIF机制的HIF-PHI的开发及进入临床试验，在以及完成4000余例CKD贫血患者中验证出疗效，是严谨的科学实践的结果。
HIF-PHI类药物在肾性贫血临床治疗中的成功应用，让我们对HIF机制在其他肾脏病并发症、急慢性肾脏病变的发生及进展中的应用有了更多新期待。任何从基础实验到临床实践的探索均应充分考虑，合理评估动物、细胞试验的结果，不可贸然应用于临床。
科学面前，大胆探索，小心求证，是老一辈临床医学科学家务实的态度。
逸夫医院会议室浓烈的学习气氛
参考资料：
[1]. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/summary/
[2]. Ratcliffe P J . Oxygen sensing and hypoxia signalling pathways in animals: the implications of physiology for cancer[J]. The Journal of Physiology, 2013, 591(8).
[3]. https://www.amgenhistory.com/
本文根据林善锬教授演讲幻灯整理
本文首发：医学界风湿与肾病频道
本文作者：梅瑞 张小白
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