1. 引言

氧是需氧生物能量代谢的核心。当细胞氧分压（pO₂）下降时，会触发一系列保守的适应性反应以维持生存。早在 1956 年，Warburg 就观察到肿瘤细胞即便在氧充足条件下也偏好糖酵解供能，这一"Warburg 效应"奠定了后续缺氧代谢研究的基础[11]。1992 年，Semenza 与 Wang 在促红细胞生成素（EPO）增强子上发现一种氧依赖的核转录因子，后被命名为缺氧诱导因子-1（HIF-1）[1]；1995 年该因子被鉴定为由 HIF-1α 与 HIF-1β/ARNT 组成的 bHLH-PAS 异二聚体[2]。此后二十余年，HIF 通路被证明是几乎所有后生动物氧感应与缺氧应答的核心枢纽，相关机制研究最终摘得 2019 年诺贝尔奖[8,9,10]。

【标注】HIF（Hypoxia-Inducible Factor，缺氧诱导因子）：一类在缺氧条件下稳定并激活下游数百个靶基因转录的转录因子，是细胞氧感应系统的"总开关"。其活性主要受氧依赖的蛋白稳定性调控，而非转录水平。

2. 缺氧的定义、类型与检测

2.1 缺氧的分类

根据成因，细胞缺氧可分为三类：

• 缺血性缺氧（缺血性/低氧供型）：血流减少导致氧输送不足，如心肌梗死、脑卒中；
• 贫血性/低氧血性缺氧：血液携氧能力下降；
• 组织毒性缺氧：线粒体功能障碍或氰化物中毒导致氧利用障碍[20,24]。

在肿瘤等实体病变中，癌细胞常处于 慢性弥散性缺氧（由血管结构紊乱、氧弥散距离增大所致）与 急性周期性缺氧（血流间歇性中断）并存的微环境[19,20]。

2.2 缺氧的检测方法

常用检测手段包括：氧电极/光纤探针直接测 pO₂、缺氧示踪剂（如 pimonidazole、EF5）免疫组化、报告基因系统（HRE-luciferase）、以及基于 HIF-1α 蛋白或碳酐酶 IX（CAIX）等内源性标志物的免疫染色[19,22]。近年单细胞测序与空间转录组进一步实现了对肿瘤内缺氧异质性的高分辨率解析[22]。

3. 缺氧感受器与信号转导：HIF 通路的核心地位

3.1 HIF 的结构与调控

HIF 是由氧调节亚基（HIF-α：HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α）与组成型表达亚基（HIF-1β/ARNT）组成的异二聚体。常氧下 HIF-α 被脯氨酰羟化酶（PHD）羟化，进而被 von Hippel-Lindau（VHL）E3 泛素连接酶识别并降解；缺氧时羟化受抑，HIF-α 累积并入核，与 HIF-1β 及 p300/CBP 共激活因子结合，启动靶基因转录[2,3,8]。

3.2 氧依赖性降解机制（PHD–VHL 轴）

2001 年是机制研究的突破之年：两组独立工作分别证明 HIF-α 经脯氨酰羟化后被 VHL 复合体泛素化降解[4,5]；同期发现 EGL-9/PHD 家族双加氧酶是真正的氧分子感受器，其催化活性严格依赖 O₂、Fe²⁺和 2-OG[6]。这构成了"氧浓度→酶促羟化→蛋白稳定性"的精密感应链路（图 1）。

【标注】PHD（Prolyl Hydroxylase Domain-containing protein，脯氨酰羟化酶）：利用 O₂ 作为底物，对 HIF-α 特定脯氨酸残基进行羟化。它是氧浓度的"分子天线"——氧越充足，羟化越强，HIF 越被降解。

常氧：O₂ → PHD 羟化 HIF-α → VHL 识别 → 蛋白酶体降解 → HIF 失活
缺氧：O₂↓ → PHD 失活 → HIF-α 稳定 → 入核 → HRE 靶基因转录

3.3 非 HIF 氧感应通路

除 HIF 外，细胞还存在多个氧敏感系统：线粒体呼吸链产生活性氧（ROS）参与缺氧信号放大[24]；氧还敏感转录因子（如 Nrf2、NF-κB）、mTOR、AMPK 及内质网应激/未折叠蛋白反应（UPR）均在缺氧应答中交叉调控[17,22,28]。此外，因子抑制因子（FIH）对 HIF-α 天冬酰胺残基的羟化可抑制其与 p300 的相互作用，构成第二道氧依赖调控[8]。

4. 细胞对缺氧的应答

4.1 代谢重编程（Warburg 效应）

缺氧最显著的代谢特征是向糖酵解倾斜：HIF-1 上调葡萄糖转运体 GLUT1、糖酵解酶（如 LDHA、PFKFB3）及丙酮酸脱氢酶激酶（PDK1），并抑制线粒体外周氧化[12,13,14]。这种重编程在快速增殖的肿瘤细胞中尤为突出——即使氧充足也维持高糖酵解率[11,12]。HIF 同时促进乳酸外排（MCT4）与酸性微环境形成，进一步驱动侵袭与免疫抑制[19,23]。

4.2 血管生成

缺氧通过 HIF 诱导血管内皮生长因子（VEGF）等促血管生成因子，招募内皮细胞增殖迁移，重建氧供[15]。然而肿瘤血管常结构混乱、渗漏且灌注不均，催生"血管正常化"治疗理念——短期抗血管生成可暂时改善氧合、提升放化疗敏感性[16]。

4.3 细胞存活与死亡：凋亡与自噬

缺氧初期，HIF 通过上调 BNIP3、NIX 等促自噬因子清除受损线粒体、降低 ROS，属保护性适应[17,18]。持续重度缺氧则激活 PUMA、Noxa 等促凋亡蛋白，导致细胞死亡[20]。自噬与凋亡之间的平衡，决定组织是发生重塑还是梗死[17,18]。

【注】自噬（Autophagy）：细胞"自我吞噬"降解受损细胞器与蛋白的过程。缺氧下 HIF-1 依赖的线粒体自噬（mitophagy）是一种节能且抗氧化的生存策略[18]。

4.4 表观遗传与转录重塑

缺氧可改变染色质状态：HIF 招募组蛋白去乙酰化酶、调控 DNA 甲基化与长链非编码 RNA，形成可遗传的"缺氧记忆"，影响细胞命运与可塑性[22,25]。

5. 缺氧与疾病

5.1 肿瘤

实体瘤内部普遍存在缺氧区，是预后不良与耐药的核心驱动因素。缺氧促进基因组不稳定、上皮–间质转化（EMT）、转移播散及治疗抵抗（放疗、化疗、靶向药）[19,20,21,23]。HIF-1α 与 HIF-2α 在肾癌（VHL 缺失）、神经母细胞瘤等中持续高表达，成为重要生物标志物与靶点[9]。

5.2 心血管疾病与缺血再灌注损伤

心肌梗死、外周动脉疾病中，缺氧触发血管新生但亦导致心肌细胞凋亡与纤维化。再灌注时氧骤回伴随 ROS 爆发与钙超载，造成"缺血再灌注损伤"，其中 HIF 预激活具有一定心肌保护作用[10,24]。

5.3 神经退行性疾病与卒中

脑卒中后缺血半暗带缺氧激活 HIF 通路，短期具神经保护意义，但持续缺氧加重兴奋性毒性与线粒体功能障碍；阿尔茨海默病、帕金森病中缺氧与微血管病变相互交织[22,25]。

5.4 慢性肾病与肺高压

肾间质慢性缺氧被视作各类肾病进展至终末期肾衰的"共同终末通路"[26]；在肺血管中，HIF（尤其是 HIF-1）介导缺氧性肺血管收缩与血管重塑、参与肺动脉高压的发生，而 HIF-2α 的作用更具情境依赖性[27]。

6. 缺氧研究的方法学进展

• 体外：缺氧培养箱（1%–0.1% O₂）、化学模拟剂（如 CoCl₂，通过螯合铁稳定 HIF）与 PHD 抑制剂（DMOG、FG-4592/罗沙司他）；
• 体内：注射缺氧标记物 pimonidazole、bioluminescent HRE 报告小鼠、PET 缺氧成像（如 ¹⁸F-FMISO）；
• 组学：单细胞 RNA-seq、ATAC-seq 与空间转录组揭示缺氧异质性与细胞状态可塑性[22]；
• 类器官与微流控：在体近似地模拟肿瘤氧梯度[23]。

7. 靶向缺氧通路的治疗策略

策略	机制	代表药物/方向
HIF 抑制剂	阻断 HIF 二聚化或转录	PX-478、EZN-2968（临床探索）
PHD 抑制剂	稳定 HIF 促红细胞生成	罗沙司他（Roxadustat，中国、日本、欧盟已获批用于肾性贫血）[9,10,31]
抗血管生成	切断肿瘤血供	贝伐珠单抗、抗 VEGF 疗法[15,16]
代谢干预	抑制糖酵解/乳酸转运	Lonidamine、MCT 抑制剂（在研）
氧增敏/氧合改善	提升肿瘤氧合增强放疗	高压氧、血管正常化联合治疗[16,23]

【标注】罗沙司他（Roxadustat）：全球首个基于 HIF–PHD 轴机制获批的 HIF 脯氨酰羟化酶（PHD）抑制剂，通过模拟缺氧稳定 HIF、促进内源性促红细胞生成素生成，已在中国、日本、欧盟获批治疗慢性肾病贫血——是缺氧基础研究转化为临床的典范[9,10,31]。

8. 挑战与展望

尽管机制日趋清晰，细胞缺氧研究仍面临关键挑战：(1) HIF-1 与 HIF-2 功能冗余与组织特异性尚待厘清；(2) 肿瘤内缺氧高度异质，单一靶点难以奏效，需联合策略；(3) 如何在不损害正常组织氧感应（如脑、心肌保护）的前提下特异性干预病理缺氧；(4) 缺氧与免疫微环境、微生物组的互作正成为新前沿[22,23,25]。未来，结合单细胞多组学、人工智能预测与精准递送，有望实现"按缺氧状态分层"的个体化治疗。

参考文献

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