Redox Biol: 炎症性肠病中的个体化氧化还原药物：HIF-1α和NRF2作为治疗靶点的新作用

背景：

    炎症性肠病(IBD)，包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)，与炎症和活性氧(ROS)的过度产生密切相关。在疾病活动度和对治疗的反应方面，时间和个体间的差异给诊断和患者治疗带来了重大挑战。采用氧化还原代谢组学方法并优先考虑中央调控枢纽将有助于发现和验证真正的综合性生物标志物。

简介：

2023年1月，来自荷兰格罗宁根大学医学中心的Harry van Goor教授课题组在Redox Biol（IF: 10.7）杂志上发表题为“Personalized redox medicine in inflammatory bowel diseases: an emerging role for HIF-1α and NRF2 as therapeutic targets”的文章^[1]。作者在此提出了一种个体化的氧化还原药物方法，其目的是在不损害生理功能的情况下，选择性地抑制病理性过度产生和/或改变特定酶源ROS的表达。为此，改善“临床-组学整合”可能有助于更好地理解哪些患者的特定氧化还原信号通路被破坏。能够激活内源性抗氧化防御系统的药物干预可能是恢复局部/全身氧化还原状态的可行治疗方案，其中HIF-1α和NRF2在这一背景下具有特别的前景。要实现有临床意义的基于机制的生物标志物，需要开发易于使用、稳健且具有成本效益的工具，用于安全诊断和监测疗效。最终，利用预测性生物标志物将氧化还原指导的药物干预措施与个体患者表型匹配可能为打破IBD的治疗上限提供新的机会。

主要结果：

IBD从氧化应激转向氧化还原医学。

IBD病理生理学中的氧化应激和氧化还原信号中断。

除了慢性肠道炎症引起的氧化应激外，IBD还与氧化还原信号中断相关。氧化还原失衡被认为是一种重要的病理生理效应机制，可对炎症肠黏膜造成细胞/分子损伤和损伤。在IBD中，炎症的肠黏膜的特征是大量炎症细胞的浸润，伴随(前)炎症介质的产生和现有的抗炎防御机制(如调节性细胞，抗炎细胞因子，抗菌肽，抗氧化剂)的失效来维持组织稳态。氧化应激和生理氧化还原信号的扰动与IBD的发病和相关疾病表现相关。有研究提示，在这些细胞实际浸润肠黏膜之前，免疫细胞已经产生ROS，这证实了这些过程与病理生理学的相关性。此外，肠黏膜持续暴露于氧化损伤会损害胃肠道功能，包括但不限于肠道吸收不良、动力障碍、电解质处理不足以及上皮细胞损伤导致的胃肠道屏障完整性破坏。

关注“氧化还原药物”在IBD中的应用。

“氧化还原医学”的概念是指医疗保健过程中有利于调节被破坏的氧化还原信号过程以改善氧化还原平衡的所有干预措施。从系统生物学的角度来看，这一新兴概念符合“个性化医学”的范式，即提供量身定制的治疗和/或预防策略来对抗疾病(或在已经建立的情况下，阻止疾病进一步进展)。RSI及其所有不同的组成部分可能为发展这种基于氧化还原的方法提供了概念框架(另见部分:“IBD中氧化还原医学的临床实施:挑战和展望”)。我们需要结合生活方式、饮食和环境因素对个体的表型/化学型进行深入表征，从而对氧化还原衍生的生物标志物进行分层。在考虑相关危险因素的同时，这些个体氧化还原生物标志物标签可以作为治疗选择的决策支持工具。

IBD中的氧化还原生物标志物:从损伤标志物到全身氧化还原状态。

氧化应激被认为是IBD发病的重要效应机制，对肠黏膜造成细胞和分子损伤，与IBD的发病和进展密切相关。IBD中氧化应激的大多数证据是通过测量组织或血液中的生物标志物来建立的，这些生物标志物代表ROS的产生增强或抗氧化化合物/酶活性的可用性降低，并且之前已经进行了广泛的综述。

几年前，人们努力将复杂的氧化还原生物学网络概念化，并将其整合到一个现在被称为“活性反应相互作用组”(RSI)的生物学框架中(图1)。RSI概念的建立是为了描述不同类型的活性反应之间的化学相互作用，即ROS、RNS和反应性硫物种(RSS)，以及它们对生物靶点(包括基于半胱氨酸的氧化还原开关和金属中心)的下游作用。除了这些活性反应之间的化学相互关系，RSI还涵盖了通过细胞中介代谢与它们的内源性生成相关的代谢途径，以半胱氨酸为基础的氧化还原开关的形式影响细胞内氧化还原靶点的氧化还原调节的转导元件，对代谢需求变化的适应性，以及感知和响应细胞外环境变化的能力。以半胱氨酸为基础的氧化还原开关的氧化修饰可引起多种短期、中期或长期的生物适应，其中通常涉及翻译后修饰，并与细胞外整体氧化还原状态密切相关。

除了氧化应激的特定生物标志物的代谢代表性之外，在试图确定临床上有用的生物标志物时，还存在其他挑战和未满足的需求(图1B)。一个重要的局限性涉及用于量化生物流体中氧化还原生物标志物浓度的不同技术和方法。通常，分析测定是费力和昂贵的，需要复杂的设备来建立这样的测量。对此的一个明显原因是直接定量反应性物质本质上是困难的，因为它们的生物半衰期非常短，因为它们是高度反应性的，因此不稳定。

另一个值得考虑的方面与氧化还原相关生物标志物的动态性质和昼夜变化有关，这需要通过特定的氧化还原调节途径对代谢通量进行纵向分析。在每个个体的多个时间点进行纵向抽样，可以捕捉生物标志物水平的时间模式，并可能提供IBD基础疾病过程轨迹的更准确表征。

图1：促进IBD全身氧化还原状态氧化还原生物标志物开发的概念框架和关键考虑因素

IBD中HIF-1α和NRF2/KEAP1通路的药理学调节。

HIF-1α通路的意义。

根据定义，缺氧是组织氧合不足以维持足够的氧利用，从而维持细胞生物能学和组织稳态的一种状态。与环境空气(21kpa)和气管水平(19.9 kPa)相比，毛细血管水平的氧分压仅为~ 5kpa，而线粒体水平的氧分压可低至1kpa。肠道组织氧合随局部血流量和线粒体活性的变化而变化。健康人肠黏膜不同部位的平均氧合在0.1 ~ 5kpa之间。在分子水平上，细胞对低氧反应的一个核心调节因子是低氧诱导因子(HIF)。HIF是由α和β亚基组成的异二聚体转录因子(图2A)。无论氧浓度如何，β亚基均在细胞核中组成性表达(和定位)，而α亚基的数量和亚细胞定位受到细胞内氧水平的严格调节。三种不同的HIF亚型的氧敏感性亚基α不同。HIF-3被认为是低氧反应通路的负调控因子，而HIF-1和HIF-2被认为是转录激活因子。

在常氧条件下，HIF-1的α亚基在脯氨酸402和564位点被脯氨酰羟化酶(PHDs)持续羟化，从而使HIF-1α被蛋白酶体降解(图2A)。羟基化反应依赖于氧的存在，需要亚铁和抗坏血酸作为辅因子，并与α-酮戊二酸转化为琥珀酸结合，释放出CO2作为副产物。三种HIF脯氨酰羟化酶PHD1, PHD2和PHD3可以催化这一过程。有趣的是，每种PHD酶对HIF的不同亚型有不同的作用。PHD2对HIF-1α的影响强于HIF-2α，而PHD1和PHD3对HIF-2α的影响最大。

通过抑制PHD酶激活HIF-1依赖性适应性基因表达似乎是IBD背景下的一种有效的临床策略。在结肠炎小鼠模型中，泛PHD抑制剂(如二甲基乙二酰甘氨酸[DMOG]、FG-4497和TRC160334)具有保护作用。评估TRC160334治疗活动性溃疡性结肠炎的2期随机多中心临床试验于2019年在印度启动，但结果尚未发表。在二硝基苯磺酸(DNBS)诱导的小鼠结肠炎模型中，新型HIF-1稳定剂CG-598显示出增强上皮屏障的完整性和减少肠道炎症。

KEAP1-NRF2通路的意义。

核因子e2相关因子2 (NRF2)转录因子的激活是对抗ROS过度产生的第一道防线，该转录因子由NFE2L2基因编码。NRF2是细胞的“分子卫士”，通过上调一系列抗氧化和细胞保护基因来保护细胞免受氧化损伤。NRF2属于Cap 'n 'collar (CNC)蛋白家族，它包含一个特殊的结构元件(所谓的碱性亮氨酸拉链，bZip)，通过与其他Zip伙伴(如MAFs F, K，或G)的相互作用，使其能够与核DNA在一个特定的增强子上结合，称为抗氧化反应元件(ARE)。在NRF2蛋白的分子结构中，可以区分出7个同源功能域(Neh1~Neh7)。NRF2蛋白在细胞中的主要功能是激活编码抗氧化酶(所谓的II相酶)的基因。谷胱甘肽-S-转移酶(GST)、血红素加氧酶-1 (HO-1)、NADP(H)醌氧化还原酶1 (NQO1)、过氧化氢酶(CAT)均属于这一类。

增加ROS水平或暴露于亲电子激活剂(如萝卜硫素、富马酸二甲酯、姜黄素、白藜芦醇、三萜类和槲皮素等分子)可修饰KEAP1半胱氨酸残基，从而使NRF2与之的结合失效。新生翻译的NRF2转位到细胞核，在那里它与小MAF (sMAF)蛋白异二聚化，这个蛋白复合物与位于靶基因启动子区域的NRF2共有序列ARE结合。

NRF2对肠道形成至关重要。它影响NOTCH和WNT信号通路，这些信号通路在肠道发育过程中驱动上皮细胞分化。NRF2信号在肠上皮的组成性激活导致肠延伸和肠发生增加。这是通过在肠祖细胞中抑制NOTCH下游效应因子MATH1来实现的。另一方面，Nrf2缺陷导致结肠更长，隐窝分布不同，杯状细胞增大，黏蛋白2水平显著升高。因此，NRF2/KEAP1轴调节胃肠道发育和功能，因此也可能调节IBD的进展。与野生型小鼠相比，NRF2基因敲除小鼠更易发生dss诱导的结肠炎，表现为直肠出血增多、结肠缩短、隐窝过度生长和免疫细胞浸润增加。

实验数据表明NRF2在IBD发展中具有双重作用，因为NRF2缺陷和NRF2过表达均可加重疾病表型。然而，该通路的中度激活可能是治疗设计的合理方法。一个例子是美沙拉嗪，也称为5-氨基水杨酸(5-ASA)，它通常被用作IBD患者(尤其是UC患者)的药物治疗。5-ASA的氧化形式是亲电子的。它激活NRF2-HO-1通路，介导该药物在肠道中的抗炎作用。另一个例子是亲电子的富马酸二甲酯(DMF)，它在各种炎症性疾病中具有抗炎和抗氧化的特性。在DSS诱导的结肠炎小鼠模型中，DMF诱导NRF2-ARE通路激活，导致其靶抗氧化酶HO-1和NQO1表达上调。

图2：HIF-1和NRF2信号通路的调节

炎症性肠病中氧化还原医学的临床实施:挑战与展望。

    氧化还原生物学或氧化还原代谢组学的有形组学方法还不存在，尽管人们正在努力开发这一方法，并更好地掌握人体氧化还原系统的动力学和结构。氧化还原代谢组学可以定义为对氧化还原驱动的代谢通路的稳定产物的分析。然而，迄今为止，该领域的方法学发展滞后于其他领域。据推测，这是因为氧化还原生物标志物需要满足一套独特的标准来全面评估氧化还原系统，而这是由于缺乏具有生物学意义的结局指标的准确定义，因为这些指标代表了人体氧化还原结构的很大一部分。此外，方法上的限制和对活性物质测量固有的高度复杂技术的要求进一步导致了氧化还原代谢组学方法发展的相对缓慢。然而，基于RSI的主要元素，最近提出的这种方法的设计可能对IBD也有希望(图3)。这种方法聚焦于RSI的核心成分，形成氧化还原代谢的中央调节“枢纽”，并被称为“整合生物标志物”，因为它们可能代表多种氧化还原调节代谢途径。该方法的建议目标是捕获RSI的代谢状态，并构成(1)RSI的营养前体或底物(如硫化氢，蛋氨酸，精氨酸，半胱氨酸和辅因子)，(2)以半胱氨酸为基础的氧化还原转换作为转导组分，或循环氧化和还原以及白蛋白结合硫醇之间的动态相互作用)和(3)RSI的稳定终产物，以S-， N-和O-衍生代谢物的形式。这些综合生物标志物可以可靠地组合成一种结构化的多组学方法，从而成为氧化还原生物学的一个定义特征，并允许对包括IBD在内的疾病过程进行重新分类。

图3：IBD背景下的个性化氧化还原药物和氧化还原代谢组学

结论和展望：

    氧化还原信号通路紊乱和氧化应激在IBD的病理生理中起重要作用，IBD伴随肠道炎症，表现为肠道组织的氧化损伤。全面了解人体氧化还原系统对于在IBD患者中制定有效的氧化还原调节治疗策略至关重要。RSI框架可能有助于优先考虑全身氧化还原状态的综合生物标志物，包括前体物质、转导元件(基于半胱氨酸的氧化还原开关)和稳定的下游S-、N-和O-衍生代谢物。然而，有必要对目前已建立的氧化还原生物标志物的效用进行严格评估，并且采用无偏倚、数据驱动的方法来寻找足够的氧化还原生物标志物(同时确定其纵向动力学以及对生理和病理生理应激源的反应)，最终将有助于确定所研究的疾病过程，并可能确定其方向性。基于RSI概念的综合生物标志物具有作为监测工具的潜力，通过询问个体的氧化还原表型，以最大限度地减少对生理氧化还原信号的干扰。利用这一框架确定个体特异性的“氧化还原应激”水平，治疗决策可以更加个性化，从而增加实现全身氧化还原平衡的机会，并应用氧化还原靶向治疗。综上所述，这些方法可能为我们提供更细粒度的了解支撑人类氧化还原状态的多层次调控网络，并可能促进IBD从基于症状的分子重新分类向基于机制的分子重新分类的转变。两个新的IBD治疗靶点- HIF-1α和NRF2/KEAP1 -为恢复异常的氧化还原平衡提供了可行的治疗选择，并可能有助于识别有潜力打破IBD治疗上限的新化合物。HIF-1α的选择性激活剂和NRF2反应的中度特异性激活剂代表了IBD分子医学治疗的主要机会。这需要对炎症性肠病中被破坏的氧化还原信号进行更细致的理解，同时努力实现氧化还原医学的“临床-组学整合”。

原文链接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9841059/

参考文献：

[1] Bourgonje AR, Kloska D, Grochot-Przęczek A, Feelisch M, Cuadrado A, van Goor H. Personalized redox medicine in inflammatory bowel diseases: an emerging role for HIF-1α and NRF2 as therapeutic targets. Redox Biol. 2023 Apr;60:102603. doi: 10.1016/j.redox.2023.102603. Epub 2023 Jan 6. PMID: 36634466; PMCID: PMC9841059.

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Q教授，博士生导师，博士生导师，重塑相关心血管疾病教育部重点实验室副主任。兼中国生理学会副秘书长及中国病理生理学会常务理事。长期从事代谢异常与重塑相关心血管疾病的发病机制及潜在靶点研究。在Circulation、Hepatology、J Hepatol等杂志发表论文50余篇。主持国家自然科学基金重大研究计划等项目6项，参与科技部重点研发计划2项，入选北京市海外高层次人才计划及教委长城学者计划等。

国自然专家八：

X教授，脂糖代谢实验室/重庆市重大代谢性疾病转化医学重点实验室，主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人；中国侨界(创新人才)贡献奖获得者；美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员；Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年，主持国家级项目3项（国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项），省部级课题2项；发表通讯作者SCI 论文5篇；获得中华医学会科研奖励1项；培养博士1人，硕士16人。疾病转化医学重点实验室，主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人；重庆市生物化学与分子药理学重点实验室PI、脂糖代谢实验室实验室执行主任。中国侨界(创新人才)贡献奖获得者；美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员；Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年，主持国家级项目3项（国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项）。

国自然专家九：

L教授，医院病理科主任、博士生导师、病理学科带头人；重庆市中青年骨干教师，霍英东青年教师奖获得者；USCAP会员，国际老年痴呆协会会员，中国神经科学学会会员，多个国内外期刊审稿专家。近五年，主持国家级项目4项（国家自然科学基金面上项目3项、青年基金项目1项），省部级课题3项；发表通讯作者SCI 论文二十余篇；培养博士1人，硕士23人，曾作为访问学者、访问教授分别留学加拿大、美国。

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中科院研究员，中国科学院研究生院生物化学与分子生物学博士，2001-2008年任职于美国罗约拉大学医学中心神经科学部期间，曾与著名神经内分泌学专家Louis Van de Kar 教授、George Battaglia教授等合作从事神经药理学研究，共同主持和参与多项美国心脏协会和美国国家卫生部(NIH)项目。2008年回国以来主持多项国自然，评审国自然经验丰富。

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