NADPH Oxidase 4: Crucial for Endothelial Function under Hypoxia—Complementing Prostacyclin

Keywords: NADPH oxidase 4; PTGIS; endothelial function; human endothelial cells; hypoxia; laminar flow.

氧氣供應不足是許多疾病的一個特征，尤其是心血管系統的疾病。大多數細胞對缺氧的反應是由缺氧誘導因子（HIF）介導的。這些異二聚體轉錄因子由一個α亞基和一個β亞基組成，能夠與缺氧反應元件（HRE）結合，進而能夠調節大量基因，以應對低氧水平或低氧應激。

一些研究支持缺氧和 NADPH 氧化酶4（NOX4）之間存在串擾。因此，缺氧已被證明可在腎、腦、肺、肺動脈平滑肌細胞和肺動脈高壓患者的外膜成纖維細胞中誘導 NOX4。NOX4屬于NADPH氧化酶家族的成員之一，NADPH 氧化酶是血管中活性氧的主要來源，與各種心血管疾病密切相關。例如，它們在衰老相關的內皮功能障礙發展中發揮作用，并導致糖尿病的血管并發癥。

據報道，NOX4 可由前列腺素I2 （PGI2）（通常稱為前列環素）信號誘導。PGI2 是一種由花生四烯酸代謝產生的脂質激素，主要在血管內皮細胞、平滑肌細胞合成，具有擴張血管、抑制血小板聚集的功能，在維持血管穩態中起著至關重要的作用。盡管PGI2在缺氧條件下血管舒張中的作用已被確認，但在缺氧條件下，NOX4和PGI2之間的關系尚未明確。此外，內皮細胞會在缺氧下利用氧氣產生過氧化氫的原因也令人困惑。

因此，德國德累斯頓工業大學醫學院及附屬醫院內臟及胸血管外科的課題組在一項研究中闡明了 NOX4 在缺氧下的作用，特別是與 PGI2 的關系。研究成果發表在 Antioxidants  期刊題為“NADPH Oxidase 4: Crucial for Endothelial Function under Hypoxia—Complementing Prostacyclin”。

研究人員將 NOX4 mRNA 的表達與人血管中前列腺素I2 合酶（PTGIS）的表達相關聯。從外周動脈疾病患者中獲取閉塞近端動脈壁樣本，在極有可能缺氧的動脈壁中，觀察到 NOX4 表達與 PTGIS mRNA 表達之間存在緊密相關性。然而，在冠狀動脈旁路移植術后患者左乳內動脈中，這些動脈不受閉塞的影響，也未發現 NOX4 和 PTGIS mRNA 表達之間的相關性。

此外，原代人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）在缺氧 8 小時后 NOX4 表達顯著增加，并在 16 小時和 24 小時持續升高（圖1 A）。這伴隨著缺氧后過氧化氫（H2O2）釋放的增加，但這在具有 shNOX4 的細胞中被消除（圖1 B）。同時，來自野生型（WT）小鼠的主動脈在缺氧 24 小時后顯示 Nox4 mRNA 表達升高（圖1 C）。

在 HUVECs 中，缺氧 24 小時后PTGIS的 mRNA 表達顯著上調（圖1 D），上清液中PGI2無酶促反應水解生成的 6-keto-PGF1α 濃度增加（圖1 E）。WT 小鼠的主動脈顯示，缺氧后 PTGIS mRNA 表達顯著上調，這在 Nox4-/- 小鼠的主動脈中也非常顯著（圖1 F）。放線菌素D 的實驗表明，在常氧和缺氧條件下，NOX4 mRNA 和PTGIS mRNA 的降解沒有顯著差異（圖1 G、H）。這些證據證明，響應缺氧的 NOX4 和 PTGIS 的 mRNA 水平的調節是在基因轉錄水平上控制的，而不是通過 mRNA 穩定性等轉錄后過程來控制的。

圖1    缺氧后人內皮細胞和小鼠主動脈中NOX4和PTGIS表達增加。

DMOG是可滲透入細胞的HIF-1α脯氨酰羥化酶（HIF-PH）競爭性抑制劑。在常氧條件下，用DMOG處理人內皮細胞會增加內源性缺氧誘導因子（HIF）水平。在 DMOG 應用后檢測到內皮細胞中 NOX4（圖2 A）和 PTGIS（圖2 D）表達升高，表明 NOX4 和 PTGIS 在缺氧下表達的上調具有 HIF 依賴性。在缺氧下抑制亞基HIF1a 導致 NOX4 表達降低（圖2 B），但 PTGIS 表達沒有降低（圖2 E）。然而，抑制 HIF2a 顯著阻止了 PTGIS 在缺氧下的上調（圖2 F），而 NOX4 不受影響（圖2 C）。這表明，NOX4 和 PTGIS 受不同 HIFs 的調控。

接下來，評估缺氧和 Nox4 對血管功能的影響，分析了 WT 和 Nox4-/- 小鼠腸系膜動脈的血管功能。WT 小鼠在缺氧條件下血管內皮舒張功能下降，還檢測到過氧化氫釋放增加，但 Nox4-/- 小鼠沒有發現。當在缺氧條件下用過氧化氫清除劑過氧化氫酶孵育 WT 腸系膜動脈時，內皮功能進一步改變。此外，與 WT 小鼠相比，Nox4-/- 小鼠腸系膜動脈內皮依賴性血管舒張進一步下降。

下一步，將缺氧條件下 WT 小鼠的腸系膜動脈與環氧合酶抑制劑雙氯芬酸一起孵育，深入了解前列腺素的影響，發現其血管舒張不受雙氯芬酸的影響。然而，與過氧化氫酶和雙氯芬酸聯合孵育的 WT 小鼠的腸系膜動脈顯示出了內皮功能障礙。同樣，在缺氧條件下，Nox4-/- 小鼠腸系膜動脈用雙氯芬酸孵育后，內皮功能障礙加劇。用一氧化氮合酶抑制劑 L-NAME 孵育腸系膜動脈表明，同樣在缺氧條件下，內皮依賴性血管舒張主要由一氧化氮介導，盡管這種影響在 Nox4-/- 小鼠的腸系膜動脈中顯著增加，表明 Nox4 與內皮依賴性血管舒張相關。此外，用過氧化氫酶和 L-NAME 孵育 HUVECs 顯示 eNOS mRNA 表達下調。這些數據表明，Nox4 釋放的過氧化氫在缺氧下可維持內皮功能。

圖2    NOX4 和 PTGIS 受不同 HIFs 的調控。

最后，為了研究保護性血流如何影響 NOX4 和 PTGIS 在缺氧下的上調，在缺氧條件結合 30 dyn/cm2 的高幅度層流下培養人內皮細胞以模擬恢復的血流。當內皮細胞在層流條件下處理24小時和48 小時時，缺氧條件下，NOX4的上升趨勢明顯降低（圖3 A、B）。同樣，PTGIS mRNA 表達也顯著降低（圖3 C、D）。相比之下，當在缺氧條件下施加剪切應力時，已知誘導 eNOS 表達的層流剪切應力仍導致 eNOS mRNA 表達上調（圖3 E、F）。然而，在缺氧條件下，由于層流刺激，eNOS 蛋白表達和一氧化氮釋放僅趨于增加（圖3 E、G）。相反，在那些施加額外層流的缺氧內皮細胞中，觀察到 HIF1a 蛋白表達顯著降低（圖3 F）。這些結果表明，恢復的層流可阻止缺氧條件下 NOX4 和 PTGIS 的上調。

圖3    30 dyn/cm2的層流作用于人內皮細胞，可阻止缺氧條件下NOX4和PTGIS的上調。

目前的研究提供了缺氧條件下NOX4和PGI2產生PTGIS酶相關的證據，觀察到 NOX4 受 HIF1a 調控，而 PTGIS 受 HIF2a 誘導。表明了NOX4 在缺氧下介導內皮功能，從而補充血管中 PGI2，而層流剪切應力恢復了 eNOS 表達并減弱了缺氧下 NOX4 和 PTGIS 的反應。總之，該研究證明了NOX4 對于確保缺氧下內皮依賴性血管舒張至關重要。因此，NOX4 作為過氧化氫的主要來源之一，可能有助于增強血管功能，恢復缺氧條件下的血液循環。目前探索用于治療纖維化和某些癌癥等疾病的 NOX4 抑制劑可能需要驗證心血管副作用。

參考文獻：Brendel H, Mittag J, Hofmann A, Hempel H, Giebe S, Diaba-Nuhoho P, Wolk S, Reeps C, Morawietz H, Brunssen C. NADPH Oxidase 4: Crucial for Endothelial Function under Hypoxia-Complementing Prostacyclin. Antioxidants (Basel). 2024 Sep 27;13(10):1178. doi: 10.3390/antiox13101178. PMID: 39456432; PMCID: PMC11504732.

圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻

小編旨在分享、學習、交流生物科學等領域的研究進展。如有侵權或引文不當請聯系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯系小編。感謝各位的瀏覽以及關注！關注“Naturethink”公眾號，了解更多相關內容。