运动中HIF-1α对肠黏膜屏障的调控机制研究

Intestinal epithelial cells are positioned between an anaerobic lumen and a highly metabolic lamina propria, affected by reduced blood flow and tissue hypoxia. Intensified and prolonged exercise impairs the intestinal barrier, while mild to moderate exercise attenuates the intestinal barrier dysfunction in chronic stress mouse models. Exercise induces gastric ischemia, leading to intestinal tissue hypoxia. Therefore, we hypothesize hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) plays an important role in the regulation of intestinal barrier function during exercise. To test this hypothesis, the noninvasive in vivo bioluminescence imaging is used to examine the HIF-1α expression in ROSA26 ODD-Luc/+ mice during different volumes of exercise. In order to investigate the function of HIF-1α in intestinal barrier during exercise with different intensity, conditional and intestinal epithelial cell-specific knock-out mice for HIF-1α and prolyl hydroxylase (PHD) 2 will been developed using the Cre-LoxP recombination system. The application value of PHD inhibition and hypoxic exposure on inflammation responses and intestinal barrier permeability will also be studied in mouse and human exhaustive exercise models. For the first time, this study explores the mechanisms of HIF-1α regulating the intestinal barrier function in response to exercise, providing experimental evidences for further study of intestinal barrier function during exercise.

肠黏膜屏障是机体抵御肠腔内病原微生物入侵的第一道防线。运动中血液重分配，内脏血液灌流量减少，使肠道区域一定程度缺氧。低氧诱导因子-1α（HIF-1α）在肠黏膜屏障损伤修复及免疫调节中起重要作用。研究表明，大强度运动损伤肠黏膜屏障，中小强度运动在一些疾病模型中保护肠黏膜屏障。因此，我们推测HIF-1α在运动中参与调控肠黏膜屏障。本课题拟通过生物发光活体成像技术在体观察运动中HIF-1α表达情况，运用Cre-LoxP系统构建肠上皮组织特异性HIF-1α与PHD2基因敲除小鼠，从器官-组织-细胞-分子多层面研究HIF-1α在不同强度运动中对肠黏膜屏障的调控机制。通过动物和人体实验，探索在大强度运动前通过调节HIF-1α含量而缓解肠黏膜屏障损伤的应用价值。本课题从肠黏膜屏障角度揭示中小强度运动对机体的保护作用，为深入了解大强度运动导致肠黏膜屏障损伤提供实验依据，并为肠黏膜屏障损伤的防治提供新思路。

肠黏膜屏障是机体抵御肠腔内病原微生物入侵的第一道防线。运动中血液重分配，内脏血液灌流量减少，肠道区域一定程度缺氧。低氧诱导因子（hypoxia-inducible factor，HIF）-1α在肠黏膜屏障损伤修复及免疫调节中起重要作用。本课题推测HIF-1α在运动中参与肠黏膜屏障功能的调控。本研究使用ROSA26 ODD-Luc/+转基因小鼠，通过缺氧探针和生物发光活体成像技术，观察运动后内脏器官缺氧情况和腹部区域HIF-1α分布。研究发现，安静状态下小鼠小肠、结肠和肝脏区域存在氧梯度，并受到不同负荷运动的影响。运动上调腹部区域HIF-1α表达，这种HIF-1α分布改变现象主要发生在小肠。在常氧条件下，HIF-1α亚基迅速经脯氨酰羟化酶（prolyl hydroxylase，PHD）羟化其脯氨酸残基，进而降解。PHD有3个同工酶，其中PHD2在调节HIF-1α降解过程中起主要作用。因此，我们基于Cre-LoxP系统，使用Vil-Cre、Hif1afl/fl和Phd2fl/fl转基因小鼠，构建了肠上皮细胞组织特异性敲除Hif1a的Hif1aVKO小鼠，以及肠上皮细胞组织特异性敲除Phd2的Phd2VKO小鼠。首先，本课题使用慢性应激模型，发现使用腹腔注射PHD抑制剂和肠上皮细胞特异性敲除Phd2两种抑制PHD2激活HIF-1α的方式，均可缓解慢性应激导致的肠黏膜屏障功能障碍。然而，肠上皮细胞特异性敲除Hif1a则加重了慢性应激导致肠黏膜屏障功能障碍。研究提示，中小强度运动保护慢性应激致肠黏膜屏障功能障碍的可能机制之一是通过PHD2/HIF-1α信号途径。然后，本课题通过大负荷运动模型，从器官-组织-细胞-分子多层面，探索PHD2/HIF-1α信号途径在大负荷运动对小鼠肠黏膜屏障功能的影响。同时，构建了肝细胞组织特异性敲除Hif1a的Hif1aLKO小鼠，以及肝细胞组织特异性敲除Phd2的Phd2LKO小鼠，从肝-肠轴的角度，探索肝脏PHD2/HIF-1α信号途径对运动后能量代谢和肠道生物屏障的调控作用。此外，我们还探索在大强度运动对运动员肠黏膜屏障通透性的影响。本研究从肠黏膜屏障的角度揭示中小强度运动对机体的保护作用，为深入了解大强度运动导致肠黏膜屏障损伤提供实验依据，探索PHD2/HIF-1α信号途径保护肠黏膜屏障的应用价值，为肠黏膜屏障损伤的防治提供新思路。