促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）是一种分子量为30～39kD的糖蛋白，为强效的造血生成因子，在0.05～1U/ml时即呈剂量依赖效应。EPO主要由肾脏的氧感受器受缺氧刺激后产生，由皮质肾单位的肾小管周围毛细血管内皮细胞或成纤维细胞合成，也可由肝脏、巨噬细胞、有核红细胞产生，但肾外产生量不足总产生量的10%～15%。EPO的产生受机体内血容量和氧分压的调节，在失血或低氧的刺激下，EPO水平迅速上升。

EPO是一种含唾液酸的酸性糖蛋白，造血细胞因子超家族成员之一。天然人EPO含有193个编码氨基酸，其中前27个氨基酸残基组成的前导信号肽在分泌前被除去；成熟EPO羧基末端的一个精氨酸残基也会被除去，经糖基化修饰后形成含165个氨基酸的糖蛋白，相对分子质量为30.4kD。EPO由蛋白质和糖类两部分组成，其中糖类的含量为40%。EPO含有4个糖基化位点，分别位于Asn24，Asn38，Asn83，Ser126，前3个为N糖基化位点。第4个为O糖基化位点。EPO分子中第7位及161位、第29位和33位的半胱氨酸间形成两对二硫键，通过二硫键的连接形成4个稳定α螺旋结构。EPO的氨基酸序列结构如图4-2所示。

1957年Jacobson等发现并证实肾脏是控制血清EPO水平的主要器官。1988年Koury等运用EPO mRNA原位杂交技术证实EPO由肾脏皮质的小管周细胞表达。1993年Maxwell等通过免疫双标记和免疫电镜证实EPO生成细胞是肾间质中位于毛细血管与耗氧小管之间的形态学定义的Ⅰ型细胞，Ⅰ型细胞包括两种细胞群即成纤维细胞和树枝状细胞。 EPO基因的表达是以一种全或无的方式进行，即从皮髓质交界处向外扩展。Koury则认为缺氧程度决定了产生EPO细胞的分布，而缺氧时间的延长可使单个细胞EPO mRNA水平增加。随着组织氧增加及细胞对缺氧的适应，产生EPO细胞的数量将发生逆转。

肝脏是胎儿时期EPO合成的主要器官，也是成人肾外合成EPO的主要器官，产生EPO mRNA的细胞群现已证实为肝细胞和Ito细胞。人和啮齿动物在肝损伤时均产生更多的EPO。对于损伤刺激的反应，肝细胞和Ito细胞均是以从中央静脉向外扩展的模式表达 EPO基因。在肾病患者肝EPO产物并不能充分地代替肾源EPO的缺乏，肝的反应仅足够支持在对强刺激反应中有充足的红细胞生成，这在大鼠的实验中已取得了证据。也有人认为肝的EPO mRNA翻译效率低，或肝脏产生的EPO不释放入循环，或肝源EPO在循环的半衰期短于肾源EPO，然而上述观点仍需进一步实验证实。EPO产生的脏器从胎儿肝脏转变为成人肾脏的机制还不清楚，转变的时间可在不同种属的动物中有所不同。羊胎肝移植入成年个体后，仍然保持产生EPO的能力，提示基因表达的信号事先已决定。

除肾和肝以外，EPO mRNA还存在于一些正常器官中，其中在未受刺激的啮齿动物的睾丸和大脑中EPO mRNA总量分别为肾内水平的30%和10%。除此之外，EPO的表达也在植入后的早期小鼠胚胎、人胎盘和肿瘤中被证实。骨髓巨噬细胞也被认为具有合成EPO的功能。Vogt等认为机体在正常状态下，骨髓巨噬细胞产生的EPO能调节红细胞的生成。而缺氧时调节红细胞产生的EPO才是由肾脏和肝脏分泌的。

生理状态下，肾脏皮质和外髓局部氧含量主要与肾血流量和肾小球滤过率有关，GFR越高，局部组织氧含量越低。出现这种现象的主要原因在于：肾小管对钠重吸收是一个耗能的过程，钠重吸收多则耗氧多。由于99%的钠被重吸收，因此耗氧多少主要与GFR有关，GFR越高，滤出的钠越多，重吸收消耗的氧也就越多。由于GFR受肾血流量的影响，而肾血流量又受血容量的影响，因此高血容量将导致相对较低肾脏局部氧含量，刺激纤维母细胞产生EPO，以适应较大的血容量，保持血细胞比容（hematocrit，Hct）在45%左右。

肾脏产生EPO受肾脏皮质和外髓局部组织氧含量调节。肾脏重量只有体重的1%，但其血流量占到了心输出量的20%，并不是一个对缺氧敏感的器官（如心脏和脑对缺氧就比肾脏敏感得多）。但肾脏局部的独特结构使其将缺氧和血容量状态联系起来：①在外髓和髓质内带，血管相对较少；②像逆流倍增系统一样，氧从肾小球前通过短路直接进入静脉系统，导致皮质组织氧分压低于静脉氧分压。这些结构特点使得相应部位氧耗量大时，容易出现组织缺氧。

人类 EPO基因位于染色体7q21～q22，编码EPO的序列位于第9.5kb到14kb（5’端）；负调节单元位于第0.4kb到6kb序列；低氧诱导增强子位于第120bp到170bp序列（3’端）。3’端增强子可分为3段，靠近5’端的一段是肝细胞核因子-4的结合部位。这些结合部位与相应蛋白结合后可以协同作用激活 EPO基因转录。HIF-1在EPO转录中起重要作用，其基因位于14q21～24，其编码蛋白质由α和β两个亚基组成。组织缺氧时HIF-1被诱导产生，并结合于 EPO基因的增强子，启动EPO转录过程。如果组织不缺氧或缺氧状况改善，则HIF-1产生减低，并且HIF-1在有氧环境不稳定，其作用可迅速减退，这样就阻止了EPO进一步转录，防止出现过高的Hct。

EPO受体（erythropoietin receptor，EPOR）是一种单链结构的跨膜蛋白，属于1型细胞因子受体。EPO与受体结合后引起受体的构象发生改变，促使相邻的2个受体互相靠近发生同源二聚化，导致2个JAK2酪氨酸激酶激活，然后EPOR的多个酪氨酸残基被磷酸化，PI3k/Akt途径、JAK-信号转导子和转录因子5（STAT5）、促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）、核转录因子、钙离子通道及蛋白激酶C通路等。EPO也可以通过EPOR单体和CD131组成的异质二聚体受体进行信号传导，与同型EPOR二聚体相比较，该途径的活化需要更高浓度的EPO。Broxmeyer等报道了包含丝氨酸蛋白酶抑制剂、溶酶体、组织蛋白酶级联反应的新型信号通路，该通路可能与EPO对成熟红细胞的细胞保护作用有关。Duan等报道了新的细胞内信号传导途径，EPOR-JAK2-ATAT3，该通路介导多种细胞因子的信号活动，能够调节细胞的增殖、分化、成熟和细胞凋亡，还可能参与机体的免疫调节。

大量研究证实，EPO的主要生物学作用是促进红系祖细胞的增殖、分化和成熟。早期红系祖细胞（BFU-E）增殖受EPO、IL-3、M-CSF多种因子的调控；晚期红系祖细胞（CFU-E）的增殖分化主要由EPO调节。此外EPO还有抗氧化稳定红细胞膜的作用，改善红细胞膜脂流动性和蛋白质构象，促进膜Na ^＋，K ^＋-ATP酶的活力，维持膜内外正常渗透压以及对多向祖细胞（CFU-GEMM），巨核系祖细胞（CFU-Mcg），粒单系祖细胞（CFU-GM）也有一定的刺激作用。EPO除了促红细胞生成外，还可以通过促进有丝分裂、抗氧化应激、抑制细胞凋亡等，对机体非造血细胞发挥非常重要的作用。另外，有研究表明，EPO能增加内皮祖细胞的动员、增殖和存活，促进受损内皮细胞的修复，从而恢复内皮细胞正常的生理功能，并可进一步促进新血管的形成。

EPO主要是由肾脏间质细胞分泌，慢性肾病患者长期EPO分泌不足，低水平EPO未能有效地刺激骨髓造血，多数会出现正细胞正色素性贫血，补充外源性EPO能有效刺激骨髓造血。肾性贫血是慢性肾脏病（chronic kidney disease，CKD）的重要并发症。CKD患者几乎均会发生贫血，不仅严重影响患者的生活质量，并且是发生心血管并发症的独立预测因子，并可显著增加患者心血管病事件、终末期肾病和死亡的发生风险。CKD患者贫血的原因很多，EPO生成不足、铁剂缺乏，叶酸不足都是造成肾性贫血的因素。内源性EPO的不足是造成CKD患者贫血的主要原因。临床上，重组人促红细胞生成素（recombinant human erythropoietin，rhEPO）被广泛应用于肾性贫血，大部分患者应用后，血红蛋白（hemoglobin，Hb）水平明显升高，心功能状况、运动耐力、生活质量明显改善。研究结果显示，rhEPO不仅可改善Hb水平和贫血症状，还可强烈刺激骨髓红系祖细胞，使红细胞的分化和增殖加速。

恶性肿瘤常伴随着肿瘤相关性贫血（cancer related anemia，CRA），近年来，肿瘤本身所致的慢性病性贫血也越来越受到重视。肿瘤引起的营养不良、肿瘤相关的出血、铁代谢异常、肿瘤侵犯骨髓、肾功能损伤以及肿瘤相关的各细胞因子对骨髓造血功能的影响，都会引起CRA。多年来，输注全血或红细胞是治疗CRA的主要方式，但输血治疗CRA的缺点也较多，反复多次输血时更易引起各种不良反应、病毒感染等，并且治疗过程中Hb水平波动较大、维持时间短。20余年前，应用促红细胞生成素类药物（erythropoiesis-stimulating agent，ESA）就已经成为治疗CRA最重要的方法。rhEPO是临床上最常用，也是研究最多的ESA。现在认为，rhEPO和输血均为治疗肿瘤患者贫血的主要手段，但是，rhEPO治疗的主要目标是减少输血。许多循证医学资料显示，rhEPO治疗CRA能使输血需求下降，改善患者的生活质量。

研究发现，EPO是一种重要的细胞保护因子，不仅参与造血的调控，在肾小管、脑、心脏、肝脏等多种器官与组织中发挥着重要的细胞保护作用，而且对神经系统也具有直接保护作用。EPO及其受体被证实在中枢神经系统中有广泛表达，外源的EPO能促进大鼠神经干细胞的分化和增殖，促进脑部细胞发育，发挥营养神经、保护神经及调节胚胎发育的作用。局部缺血和低氧均可促进EPO受体的表达并诱导机体产生内源性EPO。EPO神经保护的作用机制目前尚不十分清楚，已有的研究提示，EPO的保护作用是通过影响神经细胞凋亡和炎性反应作用来实现的，EPO通过改善损伤部位微环境，增加组织血液供应，为神经的再生提供大量营养物质，促进具有双向性的轴浆流恢复。有研究表明，EPO通过抑制脑梗死局部的炎症反应及免疫损伤，减少神经细胞的凋亡，而起到保护神经、改善预后的作用。心肌缺血-再灌注损伤是心血管临床极其常见的问题之一。EPO作为一种细胞刺激因子，最近研究发现，其可在体外改善缺氧/复氧心肌细胞凋亡，减少炎性细胞的激活和炎症介质的释放，具有心肌保护作用。但EPO对缺氧/复氧心肌保护的机制尚未完全阐明。研究发现，全心缺血再灌注心肌存在心功能不全，使用EPO可在一定程度上改善心功能，其改善的机制可能是通过抗心肌细胞凋亡来实现。有动物实验证实，EPO可以改善窒息性心搏骤停大鼠心肺复苏后的心功能，减轻心肌损伤，其机制可能与减少线粒体损伤和心肌细胞凋亡有关。有研究证实，EPO能减轻慢性肾衰竭大鼠肾脏的病理损害，改善肾功能，这种作用可能与其促进肾小球内皮细胞的修复和改善内皮功能有关。EPO拮抗环孢素所致肾小管上皮损伤的作用，可能是通过减少细胞凋亡而实现的。另外，EPO能促进成骨细胞的分化和影响其功能。在激活促红细胞生成素肝细胞受体B4（erythropoietin hepatocellular receptor，EphB4）/Eph B配体B2（EprinB2）正向信号的情况下，EPO对成骨细胞的分化及其功能有明显的促进作用。Shiozawa等指出，EPO可以活化造血干细胞的JAK-STAT信号，诱导骨形成蛋白2的产生，进而促进骨形成；同时，还发现EPO可以直接作用于骨髓间充质干细胞，诱导成骨细胞表型，增加RUNX 2、Coll和OCN等成骨细胞相关基因的表达。最近，已有研究证明了EPO还直接在体外激活间充质细胞分化为成骨细胞，EPO能通过抑制成骨细胞和骨细胞凋亡，对大鼠糖皮质激素性股骨头坏死起到保护作用。