低氧作为一种药物  《科学》子刊2025年综述摘要

氧气对人类生命至关重要，然而越来越多的临床前研究表明，慢性持续性缺氧在一些线粒体疾病、自身免疫性疾病、缺血性疾病以及衰老的模型中可能具有益处。这项研究揭示了氧气生物学令人兴奋的新的、意想不到的方面，但将这些发现应用于患者面临重大挑战，因为缺氧可能存在危险。克服这些障碍需要整合基础科学、高原生理学、临床医学和运动技术等多方面的见解。在此，我们探讨这一新兴领域的基础，并勾勒出一条路径，以确定如何安全、有效且切实可行地将慢性持续性缺氧应用于患者。

引言

人类疾病源于基因与环境的复杂相互作用。当今分子医学时代侧重于针对疾病的根本遗传病因。在过去十年中，美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物中有近三分之二得到了人类遗传学证据的支持（1），目前已有 9 种 FDA 批准的基因疗法，还有 2000 多项基因疗法试验正在进行中（2）。然而，我们不能忽视 “基因-环境”相互作用的另一半。对于复杂的多基因疾病，环境对疾病发生的影响可能超过任何单个基因的作用。饮食、运动、紫外线辐射和污染常常被视为人类健康的关键环境决定因素；我们认为环境空气中的氧气含量可能是一个同样具有影响力的环境参数。

补充氧气是一种常见的医疗干预措施，如今超过 150 万美国人正在接受慢性补充氧气治疗（3）。长期以来，科学家和临床医生一直在研究，并在某些情况下将暴露于与环境空气不同的氧气浓度作为一种治疗方法。20 世纪 40 年代，美国海军首次使用高压高氧治疗潜水病（4）。至少有四种基于调节正常组织氧张力的治疗模式在实验室和临床中已经研究了数十年：缺氧预处理、远程缺血预处理、急性间歇性缺氧和高压高氧。

从 2016 年开始的临床前研究揭示了一种新的氧气治疗模式 —— 慢性持续性缺氧（CCH）的潜在益处。在海平面长期持续暴露于 7% 至 11% 的氧气环境中，已在莱氏综合征（LS）（5 - 7）和类莱氏综合征（8）、视神经病变（9）、弗里德赖希共济失调（FA）（10）、多发性硬化症（11）、加速衰老表型（12）以及心肌梗死（13）和缺血性中风（14, 15）恢复的小鼠模型中显示出益处（表 1）。在这些研究中，将动物置于通过用氮气稀释环境空气来实现缺氧的舱室中。慢性持续性缺氧的临床前研究使用的是常压缺氧，即在保持标准大气压的同时降低氧气浓度，这与在高海拔地区经历的低压缺氧不同，在高海拔地区氧气浓度保持在 21%，但由于大气压力降低，氧张力下降。

表 1. 慢性持续性缺氧具有治疗效果的小鼠模型

该表详细列出了不同疾病及相应的小鼠模型。BDNF 即脑源性神经营养因子。

我们将慢性持续性缺氧（CCH）定义为在海平面氧气浓度低于 21% 且中断时间极少的情况下，持续至少 3 天。慢性持续性缺氧 与其他四种治疗性改变正常组织氧张力方法的关键区别特征总结于表 2。我们进一步将慢性持续性缺氧的程度分为轻度、中度或重度（表 3）。我们将海平面氧气浓度 17% - 20.9% 定义为轻度缺氧，因为约有 5 亿人居住在氧气浓度相当的海拔地区（16），低海拔地区居民经常前往这些海拔地区，并能立即进行休闲运动。我们将海平面氧气浓度低于 10% 定义为重度缺氧，因为在相当于该氧气浓度的海拔以上没有永久性人类定居点，几乎所有低海拔地区居民都需要一段时间适应或补充氧气才能安全前往这些海拔地区。即使在相当于海平面 11% 氧气浓度海拔地区的少数原住民中，也通常会下到较低海拔地区分娩（17）。我们将海平面氧气浓度 10% - 17% 定义为中度缺氧。中度慢性持续性缺氧在临床转化方面显示出最大的潜力，因此本综述重点关注中度慢性持续性缺氧。

表 2. 氧疗的广泛类别

该表展示了氧疗的类别及其使用细节。* 仅高压高氧有 FDA 批准的适应症。

表 3. 海拔与有效氧浓度

大气压力根据 1976 年美国标准大气提供的气压公式从海拔计算得出（137）。已知该公式略微低估了珠穆朗玛峰峰顶的大气压力，此处报告的是直接测量值（138）。

最近，一项耐受性研究对五名健康志愿者展开。他们在低氧帐篷中持续呼吸用氮气稀释的空气，起始氧气浓度为16%，5天内降至11%，并在11% 的氧气浓度下保持24小时。该方案安全且耐受性良好（18）。此外，四名近期发生心肌梗死的患者在德国航空航天中心完成了一项临床试验，他们在连续12% 氧气浓度下持续4.5天，以评估安全性及对刺激左心室恢复的潜力，结果同样安全且耐受性良好（19）。

这些前景良好的临床前研究和早期人体研究共同带来了一种乐观预期，即治疗性缺氧有望成为现实。然而，仍有许多重要问题亟待解决。缺氧可能存在危险，那么如何实施缺氧治疗，使其益处大于安全风险呢？在其完整的体内作用机制仍有待阐明的情况下，是否有可能将缺氧治疗应用于临床呢？迄今为止临床前研究中一个令人警醒的方面是，为使慢性持续性缺氧（CCH）有效，其实施需要真正持续，不能有明显中断。这种模式能否以切实可行的方式实现，仍有待确定。

在此，我们回顾了将慢性持续性缺氧发展为一种治疗方法所面临的机遇与障碍。首先，我们回顾了慢性持续性缺氧已显示出前景的临床前模型，并讨论了其在体内的潜在救治机制。其次，我们强调了慢性持续性缺氧临床前研究中涌现出的氧气生物学新概念。第三，我们给出了确定可能适用于慢性持续性缺氧治疗疾病的理论依据。第四，我们讨论了实现治疗性缺氧的不同方式。第五，我们阐述了临床转化必须考虑的关键障碍。最后，我们提出了一个将慢性持续性缺氧推进至临床试验的框架。

慢性持续性缺氧在临床前模型中的前景

莱氏综合征（LS）的Ndufs4基因敲除模型是首个证明慢性持续性缺氧具有治疗益处的小鼠模型（表1）（5）。在Ndufs4基因敲除小鼠中，断奶时（4周龄）开始给予11% 氧气的慢性持续性缺氧，可将中位生存期从约75天延长至约270天，维持神经功能，并减少特征性脑部病变（5, 6）。此外，在晚期脑病发作后开始给予11% 氧气，可恢复体重和神经功能，并逆转磁共振成像（MRI）显示的病变（6）。从老鼠到秀丽隐杆线虫，Ndufs4基因敲除和部分线粒体复合物I突变体的缺氧挽救作用是保守的。lpd - 5（Ndufs4的同源基因）纯合缺失的秀丽隐杆线虫在21% 氧气环境下无法存活，但在1% 氧气环境下可发育至不育的成年期（20）。在这些整体动物模型中，缺氧无法挽救复合物I核心亚基的完全功能丧失突变。相反，挽救作用仅限于外周亚基的突变，包括NDUFS4，该亚基构成可溶性线粒体基质臂，负责将电子从NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的还原形式）转移至辅酶Q（CoQ）。在多种此类突变体中，缺氧维持了电子的正向流动，从而以一种依赖于CoQ结合口袋残基的方式恢复了复合物I的活性（20）。

尽管缺氧诱导因子（HIF）系统的激活可使培养细胞免受电子传递链（ETC）毒素的损伤（7），但秀丽隐杆线虫生长表型的缺氧挽救似乎在很大程度上不依赖于hif（20）。同样，在Ndufs4基因敲除小鼠中，通过Vhl或Phd突变实现的HIF组成性激活不足以延长寿命（7）。此外，在lpd - 5基因缺失的秀丽隐杆线虫中，过表达活性氧（ROS）解毒酶并无益处（20）。慢性持续性缺氧对小鼠ETC原发性病理的挽救能力也延伸至复合物II；在诱导敲除复合物II的Sdhc亚基之前开始给予慢性10% 氧气，可使中位生存期延长两倍以上（8）。越来越多的数据表明，在Ndufs4基因敲除背景下，高 “未利用氧气” 可能是疾病的关键影响因素（7），这是一个相当新的概念，将在下文讨论。

在弗里德赖希共济失调（FA）的shFxn小鼠模型中，在强力霉素诱导Fxn基因敲低12周后，11% 氧气维持了神经功能（10）。这种挽救作用在秀丽隐杆线虫中同样具有进化保守性，并且在体内，慢性持续性缺氧的治疗效果可能与体外缺氧的作用相关；在体外重建系统中，缺氧可激活铁硫簇生物合成。此外，长期以来人们已知，在高氧浓度下铁硫簇的稳定性会降低（21）。因此，缺氧似乎通过促进铁硫簇的生成和稳定性，在缺乏FXN的情况下使其数量恢复正常（10）。（问：氢气对铁硫簇有什么影响？）

Ndufs4基因敲除和shFxn模型具有多个共同的关键特征。首先，高氧（55% 氧气）会导致病情迅速恶化，对于Ndufs4基因敲除小鼠，1周内便会死亡（5, 6, 10）；这种快速死亡与直接的氧毒性相符（这也可以作为氧气毒性的典型模型）。其次，缺氧的有益作用和高氧的有害作用从老鼠到秀丽隐杆线虫在进化上是保守的。第三，慢性持续性缺氧不仅在疾病表现出现之前开始时有效，在疾病晚期开始时也能逆转神经功能障碍（6, 22）。第四，尽管慢性持续性缺氧在改善中枢神经系统病理方面有效，但在这两种模型中均未缓解心脏功能障碍。理解这种组织特异性的基础仍是一项持续的挑战。因此，慢性持续性缺氧并未延长shFxn小鼠的寿命，因为心肌病是其直接死因（10）。在Ndufs4基因敲除小鼠中，慢性持续性缺氧显著延长了寿命，但这些小鼠仍在1岁时死亡，可能是由于心脏疾病（6）。最后，尽管慢性持续性缺氧对神经系统疾病有保护作用，但在Ndufs4基因敲除小鼠中，每天在11% 和21% 氧气之间循环的间歇性方案无效（6），而在shFxn小鼠中甚至有害（22）；这是一个主要的实际限制。

尽管慢性持续性缺氧在shFxn或Ndufs4基因敲除模型中似乎无法缓解心脏疾病，但在小鼠左前降支动脉结扎后，包括2周7% 氧气的持续缺氧方案确实促进了左心室的恢复（13）。在存活的心肌细胞中，线粒体质量减少，代谢向糖酵解转变，这使得这些在常氧下处于有丝分裂后状态的存活心肌细胞能够进行有丝分裂，用功能性心肌细胞重新填充受损的左心室（13）。同时，射血分数和毛细血管密度增加，纤维化瘢痕减少（13）。

慢性持续性缺氧在几种以神经炎症为特征的疾病模型中似乎也有效。在Ndufs4全身敲除模型中，由于神经元和神经胶质线粒体功能障碍，继发了小胶质细胞激活（23, 24）（25）。已有研究表明，小胶质细胞中的ETC功能障碍足以导致这种神经炎症（26）。缺氧可以预防（5, 7）或逆转（6）Ndufs4基因敲除小鼠的神经炎症。然而，慢性持续性缺氧对神经炎症的影响较为微妙。在Leber遗传性视神经病变的视网膜神经节细胞特异性Ndufs4基因敲除模型中，慢性持续性缺氧显然在神经炎症上游发挥作用，因为断奶时开始给予11% 氧气可使视网膜神经节细胞得以保存，并至少在90天内减少轴突变性，但并未减轻伴随细胞死亡的小胶质细胞激活（9）。

在多发性硬化症的实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）模型和急性皮质中风的光血栓模型中，组织病理学表明慢性持续性缺氧调节了内皮细胞屏障功能、炎性白细胞和单核细胞的凋亡以及小胶质细胞的激活（11, 14）。我们最近发现，在以广泛的脑和脊髓小胶质细胞激活为特征的加速衰老的Ercc1 ∆/−小鼠模型中，慢性持续性缺氧延长了寿命并延缓了神经功能衰退（27），尽管据我们所知，该模型中不存在线粒体功能障碍（12）。慢性持续性缺氧在如此多不同的中枢神经系统疾病模型中均有效，这预示着它通过更广泛的机制赋予神经元恢复能力。

慢性持续性缺氧研究带来的氧气生物学新认识

缺氧可能有益这一观点本身就与直觉相悖。或许正因如此，慢性持续性缺氧揭示了氧气生物学中一些新的或未被充分认识的概念，这可能有助于我们理解某些疾病的起源以及缺氧的完整治疗机制。

#对未利用氧气的新关注

临床医学将氧气输送（“供应”）视为组织氧张力的主要决定因素。然而，慢性持续性缺氧研究让我们对氧气消耗（“需求”）在决定稳态组织氧张力中的作用有了新的认识（图1A）。在我们试图理解慢性持续性缺氧对Ndufs4基因敲除小鼠的治疗效果时，我们发现Ndufs4基因敲除小鼠大脑（在下丘脑和前庭核测量）中的氧分压（Po2）在21% 氧气环境下为60 mmHg，而野生型小鼠为30 mmHg（7）。同样，线粒体疾病患者在休息和运动时均存在静脉高氧（28 - 30）。尽管对于这一观察结果有多种可能的解释，但最简洁的解释是功能失调的ETC消耗的氧气量不足。未利用氧气导致的脑部高氧可能是病理的直接介导因素，这一观点得到了以下观察结果的支持：多种降低脑组织高氧的方法（环境缺氧、严重贫血和增加碳氧血红蛋白）在Ndufs4基因敲除小鼠中均具有治疗效果（7）。

图1. 氧气生物学的新方面

（A）当动脉氧气输送量超过组织氧气消耗量时，产生的未利用氧气可表现为静脉血高氧。（B）传统观点认为氧毒性归因于部分还原的氧物种（如超氧阴离子O₂•⁻、过氧化氢H₂O₂）或活性氧（ROS），这些可被传统抗氧化剂靶向。然而，缺氧疗法作用于上游，防止ROS形成，并防止因生物分子（标记为“X”）过度氧化而产生的损伤，这些生物分子使氧气发生了还原。（C）在健康状态下，存在一种基础水平的缺氧感知程序，在高氧环境中可被抑制。HPV，即缺氧性肺血管收缩。（D）对于野生型基因型和必需基因突变体，其表型与氧张力无关（实心圆表示健康表型，虚线圆表示疾病表型）。相比之下，对于氧敏感（OxyS）突变体，疾病表型在低氧张力下受到抑制，但随着氧张力升高，疾病表型在临床上变得明显。（E）将野生型、OxyS和必需基因突变体的发育命运叠加在动脉血氧分压（PaO₂）（纵轴）与生命阶段（横轴）的关系图上。出生导致PaO₂突然转变。

图片来源：A. FISHER/《科学转化医学》

氧毒性：等式的另一面

关于氧毒性的经典观点主要聚焦于可被自由基清除剂靶向的活性氧（如超氧阴离子和过氧化氢）（31）。然而，在许多慢性持续性缺氧显示出有益效果的小鼠模型（甚至人体研究）中，使用强效甚至催化性抗氧化剂进行治疗却无效（32）。此外，莱氏综合征和弗里德赖希共济失调的小鼠和线虫模型对高氧环境敏感，过表达ROS解毒酶也无法挽救（10, 20）。这些观察结果促使我们对氧毒性有了新的认识。我们推测，氧毒性还源于分子氧对生物分子（如铁硫簇、Fe²⁺、Cu²⁺、过硫化物、蛋氨酸和某些脂质）的直接氧化。在这个模型中，一个被忽视的病理来源是被氧化的生物分子本身，它提供电子从而产生了部分还原的氧物种。缺氧可能通过防止不稳定生物分子的氧化以及阻止ROS的形成来发挥作用，而传统抗氧化剂仅靶向ROS（图1B）。

对HIF及其他缺氧感知程序 “基础水平” 的抑制

缺氧感知领域主要围绕HIF信号通路展开研究（33 - 35），该通路对我们身体适应缺氧至关重要（36）。HIF受脯氨酰羟化酶结构域（PHD）蛋白调节，PHD蛋白是2-氧戊二酸依赖酶的典型例子，这类酶在人类中有60多种，包括组蛋白赖氨酸去甲基化酶（如含Jumonji C结构域的赖氨酸去甲基化酶）和十一 - 易位（TET）DNA羟化酶（37）。由这些酶调节的缺氧感知程序在缺氧时被激活，在表观遗传调控中发挥重要作用（38）。此外，在整体生物体生理层面，缺氧调节血管张力，进而影响血流分布。

然而，很少被提及的是，这些缺氧感知程序，包括HIF表达（39），具有一种 “基础水平”，可被高氧抑制（40）。几种2 - 氧戊二酸依赖酶（PHD2、赖氨酸去甲基化酶5和TET）对氧气的米氏常数（Km）测量值在30 - 100 μM之间，大致接近正常细胞内氧浓度（41）。在ETC受到抑制的情况下，环境缺氧对稳定HIF的效果要差得多，因为细胞内氧张力仍相对较高（42）。这就引发了一种有趣的可能性，即在遗传性或获得性ETC功能障碍状态下，慢性持续性缺氧可能通过将环境氧浓度调节至其线性感知范围内，来恢复缺氧感知通路的基础水平（图1C）。我们已经证明，Ndufs4基因敲除小鼠的缺氧性肺血管收缩功能受损，而持续呼吸11% 的氧气3周可恢复该功能（43），这表明缺氧感知系统可通过使环境氧处于其感知的线性范围内得以恢复。

氧敏感突变体

在经典遗传学中，温度敏感（Ts）突变体的概念已被广泛认知（44）。我们认为环境氧应被视作与温度类似的因素。类似于对Ts突变体的遗传筛选，我们实验室进行了全基因组筛选，鉴定出数百个基因敲除体，其生存能力取决于环境氧浓度。我们可以类似地将它们称为氧敏感（OxyS）突变体（图1D），这个术语在细菌遗传学中已有应用（45），但据我们所知，尚未在哺乳动物遗传学中使用。值得注意的是，其中76个基因在人类孟德尔遗传病中发生突变（46）。基于动物研究，NDUFS4和FXN基因敲除体符合OxyS突变体的标准。Ts和OxyS突变的概念对治疗开发具有重要意义。例如，CFTR基因中的ΔF508突变（大多数囊性纤维化病例的病因）是一种Ts突变体（47），能够稳定该蛋白的小分子是非常有效的治疗药物。类似地，对于那些慢性持续性缺氧通过对突变蛋白的直接作用发挥治疗效果的单基因疾病，模拟缺氧机制的小分子可能成为一种治疗方法。

子宫内的允许性缺氧环境

自然而然会产生一个更广泛的问题：为什么OxyS突变体能够与生命兼容？我们提出，人类疾病的等位基因谱可能受到子宫内缺氧环境的影响（图1E）。人类基因组有超过30亿个碱基对（48），然而致病突变的总数可能达数十万（49），推测许多突变在胚胎期是致死的。正如Ts突变体可以在 “允许” 的温度下存活一样，可以想象，新发或遗传的OxyS突变在胚胎发育过程中，因子宫内允许性的缺氧环境[脐静脉血氧分压约为45 mmHg，大约是出生后海平面正常动脉血氧分压的一半（50）]而得到缓冲，但出生后，它们就会受到高环境氧的影响。这些正是可能从慢性持续性缺氧中受益的突变体。我们的个体发育假说得到了临床观察的支持，即高氧对早产儿尤其有害，因为从发育年龄来看，他们本应仍处于子宫内的缺氧环境中；高浓度的补充氧气暴露是早产儿视网膜病变的主要危险因素之一（51）。

可能适用于慢性持续性缺氧治疗的疾病

#从慢性持续性缺氧临床前研究进行推断

在与目前慢性持续性缺氧已显示出有益效果的疾病模型具有关键病理生理特征的疾病中，很可能会发现更多可通过慢性持续性缺氧治疗的疾病（表1）。主要有三大类：线粒体疾病、以神经炎症为特征的疾病以及缺血-再灌注损伤后的恢复。

迄今为止，已鉴定出300多个单基因线粒体疾病基因（52），但完全缺乏有效的治疗方法。遗传线粒体疾病的遗传异质性和基因多效性，以及许多个体疾病的超罕见性，都给治疗开发带来了挑战。例如，已知的NDUFS4或SDHC基因突变患者仅有少数病例。此外，临床前研究表明，慢性持续性缺氧对这些疾病的中枢神经系统症状有益，但对心脏症状无效。因此，未来针对遗传性线粒体疾病的临床试验必须认识到所招募患者的潜在基因突变和器官病理情况。在小鼠和秀丽隐杆线虫模型中的研究对于在这方面指导患者选择至关重要。

慢性持续性缺氧研究中出现的一个共同主题是，它在以中枢神经系统炎症为特征的疾病中具有显著疗效。在慢性持续性缺氧减轻神经功能障碍的三个小鼠模型中，神经炎症是主要的组织病理学特征。值得注意的是，在Ndufs4基因敲除小鼠中，药物性消耗白细胞可减轻典型的莱氏综合征病变负担（23）。在EAE模型中，慢性持续性缺氧通过包括减少血管渗漏和增加脊髓中积累的有害白细胞凋亡等机制，加速了恢复（11）。Ercc1 ∆/−小鼠的大脑和脊髓表现出进行性小胶质细胞激活（27），尽管尚不清楚这种组织病理学发现是否能被慢性持续性缺氧改善，但慢性持续性缺氧确实延缓了神经功能衰退（12）。慢性持续性缺氧可能对大量以神经炎症恶性循环为特征的常见年龄相关性神经退行性疾病有益（53）。

慢性持续性缺氧在缺血 - 再灌注损伤后的恢复中也显示出有益效果。矛盾的是，高压高氧方案在缺血性中风（54）和创伤性脑损伤（55）的啮齿动物模型中也显示出益处，与慢性持续性缺氧一样，高压高氧抑制了炎症（56）并增加了血管生成（55）。可以想象，慢性持续性缺氧和高压高氧在不同时间点发挥有益作用，高压高氧的有益作用在血管闭塞后早期出现（54），而慢性持续性缺氧的有益作用稍后出现（14）。确定在某些病理情况下最佳环境氧浓度是否呈双相性，将需要未来的实验来验证。鉴于宽松的动脉血氧饱和度目标与内科重症监护病房患者较高的死亡率相关（57），高压高氧不太可能普遍有助于急性非神经系统疾病。

#高海拔地区的流行病学研究

对高海拔地区人群的流行病学研究也有助于确定可能适用于慢性持续性缺氧治疗的疾病。人类居住在氧气张力范围广泛的地区，从海平面到秘鲁海拔5100米的拉林科纳达，那里的低气压相当于海平面11% 的氧气浓度。据估计，有5亿人生活在海拔1500米以上（相当于17.5% 的氧气浓度），8100万人生活在海拔2500米以上（15.4% 的氧气浓度），1400万人生活在海拔3500米以上（13.6% 的氧气浓度）（表3）（16）。有最有力的证据表明，高海拔对男性心血管疾病具有有益影响（58, 59）。来自玻利维亚的新证据还表明，海拔约2英里（3200米）的地区是九十岁及百岁老人最为集中的海拔高度（60）。由于存在许多混杂因素，在从观察到的海拔影响推断环境缺氧的有益效果时必须谨慎，例如一些高海拔地区人群经历了遗传选择，以适应高海拔生活（61），而简单地将低海拔地区居民迁移到高海拔地区并不能重现这种适应。

历史上提供了一个极有参考价值的 “自然实验”，数千人几乎被随机分配到高海拔地区长期生活，并将他们的健康结果与仍留在海平面的极为相似的人群进行比较。1965年至1972年间，20000名印度陆军士兵被派往与中国接壤的海拔2 - 3英里（3200 - 4800米）的边境地区服役3年，并将他们的健康结果与驻扎在海平面的130700名战友进行比较（62）。这项研究有两个显著发现。首先，与代谢健康不良相关的疾病发生率——高血压（降低24%）、2型糖尿病（降低87%，同时口服葡萄糖耐量试验中葡萄糖曲线下面积减少）、缺血性心脏病（降低77%）——在高海拔服役的人群中较低。其次，活动性肺结核（TB）的发病率在高海拔服役的人群中降低了80%，肺结核每年仍导致1060万新感染病例和160万死亡病例（63）。几个世纪以来，人们就知道高海拔对肺结核有治疗作用（因此19世纪的疗养院多位于山区），直至今日，高海拔地区的肺结核发病率、患病率和严重程度都较低（64）。慢性持续性缺氧作为肺结核辅助治疗的潜力，或许是通过在感染部位以HIF依赖的方式促进巨噬细胞产生干扰素 - γ（65），值得进一步研究。

#高通量筛选

我们实验室进行了一项高通量筛选，以鉴定OxyS突变体，具体是指在21% 氧气环境下选择性必需而在1% 氧气环境下非必需，反之亦然的基因敲除体。我们鉴定出了可能适用于慢性持续性缺氧治疗的与疾病相关突变的候选基因（46）。使用针对约20000个基因的K562基因敲除细胞全基因组文库，将其暴露于1%、5% 或21% 的氧气环境中15天，鉴定出了213个这样的基因，这些基因大量富集于编码线粒体蛋白的基因，其中76个基因有报道的导致孟德尔遗传病的变异（46）。线粒体蛋白主要富集于与ETC（特别是复合物I）、铁硫簇稳态、II型脂肪酸合成以及硫辛酸合成相关的蛋白，后续研究证实，在细胞培养的缺氧条件下，硫辛酸合成是可有可无的（66）。24个线粒体以外的候选基因与多种细胞过程相关。细胞系中的遗传筛选有助于确定可能适用于慢性持续性缺氧治疗的孟德尔遗传病候选基因，但基于我们的经验，鉴于系统生理学和体内平衡的关键作用，我们强调需要在整体动物中进一步验证。未来使用不同细胞类型和读数的筛选，以及利用秀丽隐杆线虫和果蝇进行的整体动物筛选，并结合小鼠研究，可能会确定更多孟德尔遗传病候选基因。

实现治疗性缺氧的方式

慢性持续性缺氧临床转化面临的一个重大挑战是，临床前模型采用的是持续不间断地吸入浓度小于等于11% 氧气的慢性方案。在基因小鼠模型中，一旦动物恢复到正常氧环境，疾病就会复发。不幸的是，来自临床前模型的新证据表明，强度较低的方案可能无效，而每天循环的间歇性方案（如16小时11% 氧气/8小时21% 氧气）不仅可能无效，还可能有害，这可能归因于红细胞生成反应（22）。慢性持续性缺氧的临床前模型主要聚焦于 “吸入性缺氧”（降低环境空气中的氧含量）作为实现组织缺氧的手段。在此，我们探讨一些可能实现治疗性缺氧的方案，这些方案可以单独使用，也可以组合使用。

#便携式面罩和家用制氧机

可以使用从环境空气中去除氧气的制氮机来实现吸入性缺氧；这些技术已应用于现有的消费和工业领域。这些设备可以重新设计，以创造一个低氧的家庭环境，并让患者在外出时也能持续吸入低氧空气。例如，一些耐力竞技运动员长期采用 “高住低训” 的方法来提高成绩，他们在海平面的 “高原帐篷” 中睡觉，这种帐篷通过用氮气稀释环境空气来提供低氧环境（67）。此外，便携式 “高原发生器” 可以过滤环境空气中的氧气，将氧气浓度降至9%，使耐力运动员能够 “高训”。这些消费级设备目前已商业化，不过，若能在小型化方面取得进展，将极大地方便患者长期使用。最终，我们设想，就像几十年来家用空调调节温度和湿度一样，未来的空调也能够调节氧气。

#迁往高海拔地区

全球有1400万人永久居住在海拔3500米以上的地区（16）（相当于海平面13.6% 的氧气浓度），有多个地方可供患者前往以获得 “天然” 的慢性持续性缺氧。海拔3500米以上的永久定居点分布在阿根廷、不丹、玻利维亚、智利、中国、印度、吉尔吉斯斯坦、尼泊尔、秘鲁和塔吉克斯坦。尽管这些高海拔定居点中有许多是小村庄，可能需要为照顾患有复杂疾病的患者建立医疗基础设施，但其中也包括一些大城市。秘鲁的埃尔阿尔托（海拔4150米，相当于海平面12.5% 的氧气浓度）人口约100万，这表明它有能力接纳患者，而不会给当地基础设施带来过大压力。

#利用小分子实现 “药丸式缺氧”

一种口服的小分子方案将是最实用的。可以通过增加血红蛋白对氧气的亲和力（左移）来降低组织氧含量，这样在任何给定的动脉氧张力下，进入组织的氧气就会减少。两种已知的可显著使血红蛋白左移的修饰形式是碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白。高达14% 的碳氧血红蛋白被认为是足够安全的（基于在重度吸烟者中观察到的浓度），一氧化碳已在超过25项针对各种病症的临床试验中进行了测试（68）。在过去十年中，作为镰状细胞病（SCD）研究的一部分，通过药物使血红蛋白左移的工作取得了进展。首先，由于胎儿血红蛋白没有镰状突变，人们开发了增加胎儿血红蛋白的策略[血红蛋白50% 饱和时的氧分压（p50），胎儿血红蛋白为19 mmHg，而成人血红蛋白为27 mmHg]。其次，由于镰状血红蛋白S在脱氧血红蛋白状态下会形成镰状结构，但在氧合血红蛋白状态下不会，因此优先维持氧合血红蛋白状态的策略可以减轻血管阻塞和溶血（69）。美国食品药品监督管理局（FDA）已批准两种使血红蛋白左移的药物，用于治疗SCD的voxelotor（原名GBT440）（70）和用于治疗溶血性贫血的mitapivat（71, 72）。

我们实验室最近报道了在Ndufs4基因敲除小鼠中 “药丸式缺氧” 的临床前概念验证。通过使用GBT440增加血红蛋白对氧气的亲和力，并同时使用HIF - 2α抑制剂PT2399（已获批用于肾癌治疗）抑制代偿性红细胞生成反应，野生型小鼠的脑组织氧张力降低了36%，其效果与持续吸入11% 氧气的效果相当（73）。添加HIF - 2α抑制剂对于实现脑组织缺氧至关重要，因为仅使用GBT440导致血红蛋白增加，反而会提高脑组织氧张力。在Ndufs4基因敲除小鼠中，这种药物组合增加了中位和最大寿命、运动功能，并减少了MRI上显示的脑部病变（73）。“药丸式缺氧” 对寿命的影响程度不如持续吸入11% 氧气，这可能是因为GBT440的半衰期较短，且出于实际原因，药物每周仅给药5天。我们注意到，GBT440虽然仍被FDA批准，但最近因对SCD患者的安全性担忧而从市场撤回，具体细节尚未公布。无论如何，这项工作表明 “药丸式缺氧” 在药理学上是可行的。

#降低动脉氧含量的方法

为了全面起见，我们考虑通过医疗或外科手术方法来实现治疗性缺氧。治疗性放血术是现代治疗铁过载相关疾病（包括血色素沉着症、真性红细胞增多症和迟发性皮肤卟啉病）的有用手段（74），在这些疾病中，每月长期抽取多达300毫升的血液，使血红蛋白维持在10 g/dl左右，患者耐受性良好（75）。另一种降低动脉血氧含量的物理干预方法是有意制造解剖分流，使脱氧血液从心脏右侧进入体循环，而不在肺部进行氧合。鉴于导致低氧血症的严重先天性心脏缺陷需要手术矫正，故意制造心脏分流的想法起初听起来和治疗性缺氧一样违背直觉，但实际上这种方法有先例。目前正在研究有意制造8毫米房间隔缺损来治疗射血分数保留的心力衰竭（76）[在这种情况下，运动时外周氧摄取减少很常见（77）]。放血术和分流术都不太可能成为安全实现组织缺氧的主要手段，但它们可以作为辅助方法，并减轻代偿反应。

慢性持续性缺氧临床转化的关键障碍

#从小鼠外推至人类

从小鼠外推至人类始终具有挑战性，小鼠和人类在氧生理学方面的差异值得特别关注。首先，基础代谢的差异使得将特定的慢性持续性缺氧方案直接从小鼠转化到人类变得复杂。小鼠每单位体重的静息耗氧量大约是人类的五倍（78, 79）。其次，小鼠心脏增加心输出量的储备能力较低（80）。第三，在静息状态下，小鼠仅将3% 的心输出量分配到大脑（81），而人类约为15%。第四，尽管所有物种（尤其是人类）都缺乏高质量的组织氧张力直接测量数据，但现有数据表明，人类的基线脑组织氧张力略高于啮齿动物（82）。第五，人类血红蛋白对氧气的亲和力比小鼠血红蛋白更高（人类的p50：约27 mmHg，小鼠的p50：约45 mmHg）（83）。由于这些氧生理学上的根本差异，人类所需的缺氧 “剂量” 很可能与小鼠不同；可能更高或更低，且难以轻易预测。此外，患者在氧代谢关键参数方面的差异比实验小鼠更大，因此最佳方案可能需要针对个体患者进行个性化调整。

#年轻与年老时开始治疗的差异

小鼠研究也提醒我们，慢性持续性缺氧的起始时间可能决定其整体的获益 - 风险比。虽然在快速衰老的小鼠中，4周龄开始的慢性持续性缺氧延长了寿命（12），但在野生型C57BL/6小鼠中，21月龄开始的慢性持续11% 氧气暴露却因肺动脉高压和右心衰竭加速了死亡（84）。类似地，虽然热量限制在多个物种中延长了寿命，但在小鼠2岁后开始实施却会加速死亡（85, 86）。迄今为止，慢性持续性缺氧已被证明对1岁以下的小鼠有益。可以想象，慢性持续性缺氧的益处可能仅限于较年轻的生物体。鉴于老年生物体静息时的氧气使用量减少，可能更难安全地降低其组织氧张力。24月龄小鼠的全身静息氧利用率比12月龄小鼠降低19%（87），人类也会随着年龄增长出现类似的降低（88）。此外，对于1岁以上的小鼠，其从神经损伤中恢复的速度比年轻小鼠慢（89），慢性持续性缺氧能否逆转其神经病理学变化仍有待测试。

#测量组织氧张力

慢性持续性缺氧的临床开发需要新的工具来测量组织氧张力这一关键药效学指标。即使在小鼠中，使用侵入性探头测量脑组织氧张力也会因空间异质性而变得复杂，毛细血管血流的微小变化会导致 “缺氧区域” 的自发形成（90）。当然，在人类中，这种直接测量很少可行，也缺乏临床合理性。几种非侵入性方法，如基于血氧水平依赖的磁共振成像结合相位对比成像（91）、正电子发射断层扫描结合吸入15O标记的分子氧（92）以及通过近红外光谱进行的脑血氧测定（93），都能提供与脑组织氧张力相关的信息，但每种方法都有其局限性。通过近红外光谱进行的脑血氧测定与动脉血氧饱和度（“手指”）探头采用相同的原理，检测氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白对近红外光的不同吸收。尽管并不完美，但通过近红外光谱测量的脑血红蛋白饱和度与脑组织氧张力有足够的相关性，能够可靠地从已知的正常氧合基线中识别出脑组织缺氧（94）。由于其便利性和连续记录的能力，它已在麻醉监测中广泛应用（93），并在旨在优化脑氧合的临床试验中指导干预措施（95, 96）。尽管我们对脑血氧测定作为慢性持续性缺氧临床试验的工具持乐观态度，但一种能够在体内定量测量细胞水平氧张力的非侵入性方法仍然是一个重要的未满足需求。

#缺氧的急性和长期危害

由于对慢性持续性缺氧安全性的担忧，有必要仔细确定那些潜在益处大于风险的人群（图2）。慢性持续性缺氧的首要安全问题是缺氧的急性影响，其严重程度从急性高原病（头痛、恶心和嗜睡）到可能致命的高原肺水肿和脑水肿并发症不等（97）。这些缺氧的急性影响通常可以通过逐渐适应来缓解。然而，许多迁往高海拔地区的低海拔居民会经历慢性高原病（97），即使在一年后，认知能力也会有轻微但可测量的下降（98）。慢性缺氧介导的肺动脉血管收缩会导致肺动脉高压，在永久居住在海拔3200米以上（相当于海平面约14.1% 氧气浓度）的人群中，至少5% 的人会出现右心衰竭迹象，尽管因这种生理异常出现症状的比例尚不清楚（99, 100）。居住在较高海拔地区的慢性阻塞性肺疾病患者死亡率更高（59）；患有低氧性肺病的患者不太可能耐受慢性持续性缺氧。某些罕见的病理情况在终身居住在高海拔地区的人群中发生率要高得多，如颈动脉体瘤（101），这是一种在低海拔地区极为罕见的神经内分泌肿瘤。将慢性持续性缺氧视为长期治疗方案应仅限于那些预后严重且治疗选择有限，从而使这些风险具有合理性的疾病。

图2. 不同器官系统对缺氧的生理反应及缺氧导致的病理后果

定量估计基于对健康成年志愿者从海平面转移至含13%氧气的常压缺氧舱或相当于该氧气浓度的海拔高度（低压缺氧）后最初48小时的研究（107 - 110）。CMRO₂，脑氧代谢率。

图片来源：A. FISHER/《科学转化医学》

疗效障碍：内稳态

吸入性缺氧并不一定能保证组织缺氧，尤其是脑组织缺氧，因为人体具有强大的内稳态机制来维持脑组织的氧合。在尼泊尔喜马拉雅山区的17名徒步旅行者中，使用近红外光谱测量的脑血红蛋白氧饱和度从海平面的65% 略微下降至海拔3450米（相当于海平面约13.7% 的氧气浓度）处的60%；只有在海拔4400米以上（相当于海平面约12.1% 的氧气浓度）时，才观察到显著下降至约50%（102）。在6小时内从海平面上升至海拔3700米（相当于海平面约13.2% 的氧气浓度）的健康志愿者中，静息状态下的脑血红蛋白氧饱和度与海平面时相同，且需通过运动才能使其下降（运动后恢复期间又上升至静息饱和度以上）（103）。在一项对44名需要航空转运的重症儿童的研究中，机舱增压至相当于海拔1英里（相当于海平面约17% 的氧气浓度）的高度，对脑血红蛋白氧饱和度的影响差异很大，只有56% 的儿童出现下降（104）。强调慢性适应环境缺氧能力的研究发现，在海拔3250米（相当于海平面约14% 的氧气浓度）的吉尔吉斯斯坦本地高海拔居民中，脑血红蛋白氧饱和度与健康低海拔居民相比并无差异（105）。

这些研究表明，直到海拔约4000米（相当于海平面约12.7% 的氧气浓度）左右，脑氧合才会出现可靠的下降（102, 104, 106）。这一观察结果与健康志愿者暴露于相当于海平面约13% 氧气浓度时的生理代偿情况相符（图2），这些代偿包括急性过度通气（肺泡二氧化碳分压大约降低20%，导致肺泡内氧分压升高）（107, 108）、心动过速介导的心输出量增加（约18%，从而增加全身氧输送）（109）、脑血流量增加（约25%）（107, 108），以及从48小时内开始但需要6周才能完全起效的红细胞生成增加以提高血细胞比容（至约50%）（110）。事实上，人体对海拔的血细胞比容反应非常敏感，在海拔1000米处就观察到平均血细胞比容相对于海平面有所增加（111）。

对于以实现正常脑氧张力为目标的脑高氧患者，考虑内稳态反应对于慢性持续性缺氧的临床转化至关重要。也许线粒体疾病患者的这些代偿反应对慢性持续性缺氧的阻碍会小于健康志愿者。具有ETC功能障碍的小鼠对缺氧的生理反应受损，如缺氧通气驱动（112）、缺氧性肺血管收缩（43）以及缺氧红细胞生成反应（113），但我们仍在等待线粒体疾病患者对慢性持续性缺氧生理反应的数据。

慢性持续性缺氧治疗的时长与持久性

缺氧所需的时长可能因适应症的不同而有很大差异。对于缺血性损伤后的恢复，在有明确最大恢复窗口期的情况下（114），数周或数月可能就足够了。在急性心肌梗死后恢复的小鼠模型中，2周的慢性持续性缺氧非常有益，而3周则会增加死亡率（13）。相比之下，对于单基因疾病，推测可能需要终身进行慢性持续性缺氧治疗，不过，对于某些儿童期发病的疾病，如莱氏综合征，若在关键发育阶段提供慢性持续性缺氧，有望获得显著益处，因为在这些阶段，间歇性失代偿的危害尤为严重（115）。

在不损失疗效或不产生危害的前提下，缺氧的最大允许中断时间尚不清楚。在Ndufs4基因敲除模型中，每天10小时11% 氧气/14小时21% 氧气的方案无效（6）。关键的是，在shFxn模型中，每天16小时11% 氧气/8小时21% 氧气的方案不仅无效，而且相对于全时正常氧环境更有害，因为每日的正常氧 “脉冲” 与红细胞生成反应相结合，导致了有害的高氧期。通过使用HIF - 2α抑制剂抑制红细胞生成反应，可以预防间歇性缺氧的毒性（22）。更短的中断时间，如每天2 - 4小时，尚未得到正式测试，不过在实际操作中，小鼠几乎每天都会被移出缺氧环境长达1小时，以进行笼舍清洁、体重测量和表型分析，这并未产生明显的有害影响。就像不同物种对缺氧最佳剂量的差异一样，目前没有可靠方法预测患者对缺氧中断的敏感程度与小鼠相比是高还是低。

开辟前进道路

上述关键障碍是慢性持续性缺氧特有的，但所有新疗法都会面临类似的挑战。最终，临床试验的目的是在人体中检验假设，而一开始就存在固有的不确定性。与任何其他新疗法一样，只要在各个阶段都严格考虑安全性和有效性，慢性持续性缺氧的临床开发就可以在不确定的条件下进行。在设计慢性持续性缺氧的首次临床试验时，有许多可能的疾病可供选择。慢性持续性缺氧在常见疾病和罕见遗传疾病的临床前模型中都显示出了前景。常见疾病有更多符合条件的患者群体，而且一些疾病（如多发性硬化症发作和急性心肌梗死后的恢复）可能所需治疗时长较短。罕见单基因疾病则存在最高的未满足需求。在罕见疾病中，遗传性线粒体疾病尤为突出，莱氏综合征特别受关注（表1），但其缺点是具有极大的遗传、等位基因和表型异质性，有超过113种不同的潜在致病基因（116），且有多系统表现，其自然病程也不明确。此外，它是一种儿科疾病，带来了特殊的挑战。相比之下，弗里德赖希共济失调（FA）在全球的患病率更高（约为四万分之一）（117），其自然病程特征明确（118），典型发病年龄在青少年时期，并且有经过验证的疾病严重程度衡量指标（119），该指标已作为获批终点（120, 121）。

#确定慢性持续性缺氧首次人体试验的研究人群和目标

大多数新疗法在进行患者试验之前，首先会在健康志愿者中进行测试，以确定其安全性、耐受性和药代动力学（1期）。然而，对于某些疗法，如基因疗法和细胞毒性化疗，招募健康志愿者是不道德或不切实际的，首次人体试验会直接从患者开始。在健康志愿者中进行的1期研究通常是将递增剂量的研究产品给予连续的队列，仔细监测不良事件，直到达到 “暴露上限”。对在高海拔地区徒步旅行的健康志愿者进行生理学研究的悠久历史（102）、对永久高海拔居民的已知流行病学研究（16），以及最近完成的参与者连续数天呼吸小于等于12% 氧气的试点研究（18, 19），提供了在健康志愿者中进行吸入性缺氧1期研究可能获得的大部分知识。因此，对于吸入性缺氧（或迁往高海拔地区），可能允许直接进入患者试验阶段。对于一种诱导中度组织缺氧的新型小分子，首次人体研究或许也应在已证明存在组织高氧的患者中进行，以避免让健康志愿者面临组织缺氧的潜在风险。最终，合适的首次人体试验人群必须根据药物的具体作用机制和临床前毒理学特征来确定。侵入性操作的临床试验通常仅在患者中进行。

慢性持续性缺氧 1期试验的首要任务将是确定慢性持续性缺氧安全且耐受性良好的 “最大剂量”。对于吸入性缺氧，1期试验应包括逐渐降低环境氧气浓度（类似于递增剂量研究），同时仔细监测不良反应，将暴露上限设定为海平面11% 的氧气浓度，这是人类永久居住的最低氧张力。慢性持续性缺氧试验期间评估的关键安全终点源自数十年的高原医学研究。试验人员必须了解已知的高原病症状和体征，特别是与心肺和神经认知功能相关的症状。促红细胞生成素对缺氧的快速反应（18）以及血红蛋白对缺氧的持续增加反应（110），提供了易于获得的 “药效学” 生物标志物，以评估慢性持续性缺氧是否作用于其治疗靶点。拥有目标组织氧张力的替代指标也将有所帮助；对于脑部疾病，通过近红外光谱进行的脑血氧测定可能有用（93）。

#临床试验时长、地点和试验后护理

荒野医学协会提供了关于上升速率的指南，以减轻健康徒步旅行者患急性高原病的风险，建议至少48小时上升至2750米，然后每24小时上升不超过500米（122）。由于安全是首要任务，患者的环境氧气浓度应更缓慢地下降。一旦在患者群体中确定了缺氧的最大安全剂量，就可以在疾病的相关生物标志物上进行测试（2期），然后在评估实际临床结果的关键研究中进行测试（3期）。特别是对于罕见疾病，越来越常见的做法是将两个或多个阶段合并在一个试验中（例如，1/2期或2/3期）。这种试验设计对慢性持续性缺氧可能特别有吸引力，因为它能让从慢性持续性缺氧中获益的患者无缝进入试验的下一阶段而不被中断。持续慢性持续性缺氧后恢复到正常氧环境对患者的风险尚不清楚，并且从伦理上讲，有义务确保个体患者能够持续获得已使其受益的治疗。因此，在启动慢性持续性缺氧临床试验时，必须考虑到临床试验后患者可选择持续居住在高海拔地区（至少在海平面完全配备氧气调节设施的房屋成为现实之前）。确保试验参与者能够持续获得已使其受益的治疗，这在临床开发中是常见做法，特别是对于罕见疾病，因为药物成本可能非常高。

后期试验的时长将取决于所研究疾病的自然病程。对于遗传性线粒体疾病，小鼠研究预测神经功能的客观测量指标可能在数周内得到改善（6, 10）。此外，这些小鼠模型中的T2高强度MRI病变在缺氧治疗几周后会消失（6, 7），并且人们越来越认识到这些病变在人类中可能是可逆的（123）。因此，可以想象慢性持续性缺氧的益处可能在几周内就能观察到。然而，我们应该做好进行比这更长时间临床试验的准备，因为其在人体中产生潜在效果的时间仍然未知。在导致omaveloxolone获批用于治疗FA的关键试验中，患者接受了48周的治疗（120）。由于长时间待在封闭环境中并不吸引人，我们认为，对于超过2周的试验，迁往高海拔地区可能是一个有吸引力的替代方案，当然，也可能需要 “药丸式缺氧” 方案。

展望

我们目前处于慢性持续性缺氧研究的第一个十年内，该研究在临床前对需求未得到满足的罕见病和常见疾病都显示出了巨大的前景。我们预计，随着将慢性持续性缺氧引入临床的努力推进，氧气生理学的新方面将被发现。此外，我们设想会创造出用于测量和调节氧气的新技术，并在生物医学中得到广泛应用。随着特定条件下慢性持续性缺氧潜在分子机制的揭示，我们希望能找到新的 “可成药” 靶点，从而启发使用传统方式的新药物研发。但是，由于氧气参与了众多细胞反应和途径，慢性持续性缺氧本身可能是实现最大临床效益所必需的。1889年，第一家高海拔地区的肺结核疗养院成立（124），而直到20世纪40年代，第一种有效的抗肺结核抗生素才被研制出来（125）。同样，应该并行推进慢性持续性缺氧本身以及受慢性持续性缺氧特定机制启发的疗法，以安全有效地缓解这些疾病为目标。

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