孫婧怡 孫亞冰 馬禮兵

桂林醫(yī)學院附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科541001

高遷移率族蛋白1(high mobility group box-1 protein,HMGB1)是一種廣泛存在于哺乳動物真核細胞核內(nèi)的非組蛋白染色體結(jié)合蛋白,氨基酸組成序列在生物進化過程中高度保守。HMGB1扮演著多重角色,生理情況下HMGB1主要存在于細胞核,且它不僅僅是內(nèi)生“危險信號”分子,當外界有適當?shù)男盘柎碳ぜ毎麜r,HMGB1可被釋放到細胞外環(huán)境發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。已有實驗證實,當體內(nèi)發(fā)生炎癥損傷時,壞死細胞以及免疫細胞均可釋放HMGB1入血,此時HMGB1可作為炎癥因子參與炎癥、感染、自身免疫等病理過程,是一種至關(guān)重要的細胞因子[1]。

隨著研究的深入,HMGB1各種作用機制陸續(xù)被提出。在結(jié)構(gòu)方面,HMGB1包含2個核定位序列,可通過彎曲DNA螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)并調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄[2]。在功能方面,Bustin等[3]首次提出HMGB1可能行使著除核蛋白以外的尚未明確的功能。已有實驗證實,當機體處于穩(wěn)態(tài)時,HMGB1主要存在于細胞核內(nèi),但其也可表達于細胞膜表面、線粒體等,或是轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì),當細胞接受適當?shù)男盘柎碳r,HMGB1的賴氨酸殘基被乙?；驢MGB1可釋放到細胞外而發(fā)揮多種生物學效應。比如,有學者提出HMGB1作為重要的介質(zhì)參與機體壞死后無菌性炎癥[1]。且HMGB1不僅可被損傷或壞死細胞被動釋放,也可以由多種免疫細胞 (如巨噬細胞、單核細胞、樹突狀細胞)主動分泌發(fā)揮其促炎作用,此時HMGB1還能促進炎癥因子(包括腫瘤壞死因子α、IL-β等)的產(chǎn)量[4]。因此,HMGB1可能作為至關(guān)重要的因子參與多種相關(guān)疾病的發(fā)病過程。

迄今為止,HMGB1細胞外的信號通路仍未完全闡明。但晚期糖基化終產(chǎn)物受體 (receptor for advanced glycation end-products,RAGE)和Toll樣受體家族的部分成員已明確是其重要作用受體。

1 HMGB1/RAGE信號

RAGE是免疫球蛋白超家族成員之一,表達于多種炎癥細胞以及結(jié)構(gòu)細胞[5]。有報道指出RAGE是一種模式識別受體,也是一種多配體受體,其配體除HMGB1,還包括糖基化終產(chǎn)物、血清淀粉樣蛋白A、β-淀粉樣肽、S100家族蛋白和β2-整合蛋白CD11b[6]。RAGE是一種膜結(jié)構(gòu)受體,sRAGE是RAGE的內(nèi)源分泌型,可出現(xiàn)在循環(huán)血液中,RAGE/sRAGE的平衡有助于維持機體內(nèi)穩(wěn)態(tài)[7]。RAGE有多條下游信號轉(zhuǎn)導通路,其可激活下游信號因子NF-κB,或ERK和p38通路等,將引發(fā)一系列的炎癥因子比如腫瘤壞死因子、IL-6、干擾素γ的合成分泌,還能加強自身HMGB1/RAGE反饋循環(huán)等效應[8]。諸多證據(jù)表明,HMGB1可通過其受體RAGE參與機體的多種重要的生理病理過程,如損傷修復、感染、炎癥、腫瘤、免疫分化等,并發(fā)揮重要生物學調(diào)節(jié)效應[9]。同樣已有諸多學者證實HMGB1/RAGE信號涉及多種臨床常見疾病,如急性肺損傷(acute lung injury,ALI)/ARDS[9]、風濕性疾病[10]、敗血癥[11]、哮喘[12]、COPD[13]、肺癌[6]、特發(fā)性肺動脈高壓和肺纖維化[14]等。

2 HMGB1/RAGE信號與呼吸系統(tǒng)

HMGB1在人體肺臟中有廣泛的表達。根據(jù)Shim等[15]對小鼠肺組織的觀察發(fā)現(xiàn),含有HMGB1的細胞也存在于小鼠肺間質(zhì)和血管周圍,他們提出HMGB1/RAGE信號作為重要角色存在于多種呼吸系統(tǒng)組成細胞并涉及多種呼吸道疾病發(fā)病過程。有實驗證實,HMGB1/RAGE信號不僅可介導氣道炎癥,還參與增強氣道高反應性和影響肺功能[16]。而且,RAGE受體的突變是哮喘發(fā)展的危險因素,RAGE缺乏與病毒誘導的哮喘表型有關(guān)[17]。種種證據(jù)表明,HMGB1/RAGE信號通路不僅廣泛參與呼吸系統(tǒng)疾病,還可能成為預測呼吸系統(tǒng)疾病的生物學指標,作為防治呼吸系統(tǒng)疾病的潛在新靶點。

3 HMGB1/RAGE信號與敗血癥/膿毒癥

敗血癥可伴有多發(fā)性膿腫,病程較長者稱為膿毒血癥,嚴重時可出現(xiàn)休克、多器官衰竭等危及生命的并發(fā)癥[11]。關(guān)于敗血癥機制有諸多研究,但其調(diào)控血管滲出等炎癥過程的具體機制仍未明確。目前認為,關(guān)鍵性的病理生理因素是由于促炎癥反應和其對應的抗炎機制之間的平衡紊亂。

有研究表明,HMGB1具有雙警報功能,可釋放蛋白質(zhì)以警告鄰近細胞控制釋放HMGB1以達動態(tài)平衡;在細胞外,HMGB1可以通過RAGE受體介導的內(nèi)吞作用內(nèi)化到溶酶體,并附著于其他細胞外促炎分子,進一步傳遞細胞外威脅并啟動適當?shù)募せ钔緩絒18]。同時HMGB1可參與調(diào)節(jié)抗炎細胞因子IL-10的產(chǎn)生[19],而在具有潛在慢性炎性病癥的晚期患者中,HMGB1的峰值與較差的預后相關(guān)[20]。在基因?qū)W研究中發(fā)現(xiàn),人類抗原R的異位表達可通過激活HMGB1信號傳導途徑而介導炎癥反應并進而誘發(fā)敗血癥[19]。有學者證實HMGB1/RAGE-膜突蛋白可誘發(fā)血管性炎癥反應,并認為HMGB1/RAGE-膜突蛋白可能成為敗血癥預測及治療研究的重要靶點[21]。敗血癥/膿毒癥的發(fā)病機制仍未明確,目前針對其治療仍然更多集中于糾正膿毒癥引起的病理生理后果上,效果尚不理想。不少學者認為,特異地抑制HMGB1的釋放和活性可能是一種有前景的針對發(fā)病分子機制的抗炎策略,其顯著的生物學調(diào)節(jié)活性可能為該病的分子學治療提供新的方法和途徑[22]。

4 HMGB1/RAGE信號與ALI/ARDS

ALI涉及多種直接或間接因素引起的肺泡上皮細胞(尤其是Ⅰ型肺泡上皮細胞)和肺泡毛細血管上皮細胞的損傷,可造成彌漫性肺實質(zhì)、肺間質(zhì)損傷及壞死,持續(xù)惡化可導致以嚴重炎癥反應、頑固性低氧血癥為顯著特征的ARDS。ARDS是一個連續(xù)的病理過程,其早期階段為ALI,兩者具有相似的病理生理學基礎(chǔ)。ALI/ARDS發(fā)病機制涉及炎癥-抗炎、氧化-抗氧化的平衡和炎癥因子、黏附分子上調(diào)等經(jīng)典炎癥反應[23]。HMGB1作為重要的炎癥介質(zhì)參與ALI/ARDS病理過程。Ueno等[24]已證實氣管注射HMGB1可導致急性肺部炎癥的惡化;而阻滯HMGB1活性時,脂多糖誘發(fā)的ALI有所緩解。Wolfson等[25]證實機械通氣作為ARDS患者重要支持治療手段也可導致患者肺部毛細血管HMGB1表達水平的升高,他們認為呼吸機相關(guān)性肺損傷引起的局部HMGB1水平的增高可誘發(fā)該處血管滲出和肺泡出血,系統(tǒng)炎癥反應加重,多器官功能衰竭的風險增高。在最新研究中發(fā)現(xiàn),細胞自噬誘導劑可提高HMGB1中的單核細胞趨化蛋白1進而激活參與膿毒癥的病理生理過程,減輕膿毒癥中細胞因子的過度釋放及相關(guān)肺損傷[26]。諸多數(shù)據(jù)證實HMGB1/RAGE不僅參與ALI/ARDS發(fā)生發(fā)展過程,還可作為其預測指標。有研究證實,ARDS患者第1天血清HMGB1濃度可作為可靠的ICU患者罹患ARDS死亡率生物學指標[27]。近期,Izushi等[28]的研究表明sRAGE的釋放有可能減輕ARDS中的過度炎癥反應,提示RAGE可作為治療ARDS的分子靶點成為新晉的候選者。ALI/ARDS病情兇險,預后不良,治療效果不理想,死亡率高,且目前其發(fā)病機制仍未完全闡明,而HMGB1/RAGE信號的深入研究可能為ALI/ARDS的早期診斷、預后分析和分子治療提供新的可能。

5 HMGB1/RAGE信號與COPD

COPD是目前最常見的威脅患者生命的慢性呼吸系統(tǒng)疾病之一[29]。其組織病理學特點包括早期小氣道的炎癥和重塑(如氣道纖維化)、肺氣腫導致其特征性持續(xù)性氣流受限[30]。隨著病情進行性加重,最終可出現(xiàn)肺源性心臟病、呼吸功能衰竭等,危及患者生命。目前針對維持或修復肺功能、控制癥狀和并發(fā)癥的治療效果仍差強人意[7]。

已有研究顯示,在氣道炎癥、損傷、修復的過程中HMGB1/RAGE信號起到至關(guān)重要的作用[1,6]。諸多試驗證實HMGB1/RAGE信號參與了COPD氣道炎癥形成,且誘導痰HMGB1水平與COPD嚴重程度呈正相關(guān)。研究顯示,血清中sRAGE可作為監(jiān)測COPD的潛在生物學指標[13]。最近有研究表明,PM2.5可通過HMGB1/RAGE信號傳導體外誘導轉(zhuǎn)化生長因子β1、血小板衍生生長因子AB和血小板衍生生長因子BB的表達,進而發(fā)現(xiàn)該途徑可能促進COPD患者的氣道重塑[31]。COPD的病情進展可導致肺動脈內(nèi)膜增厚、內(nèi)徑增大等血管重塑的特征,可導致肺動脈高壓[32]。Zabini等[14]證實肺動脈高壓患者血清HMGB1含量也較高。他們的進一步研究發(fā)現(xiàn)HMGB1在體外試驗中可促進肺動脈內(nèi)皮細胞的增殖與分化以及平滑肌細胞的增殖,由此可知HMGB1在肺動脈重塑中也起到重要作用。近年來,HMGB1及其重要受體RAGE在COPD發(fā)病中的作用的研究越來越多,均證實了HMGB1/RAGE信號起到了重要作用,不少學者認為HMGB1/RAGE信號將為未來COPD防治提供新方向[7]。

6 HMGB1/RAGE信號與哮喘

6.1 HMGB1/RAGE信號與中性粒細胞哮喘 已有許多研究發(fā)現(xiàn),哮喘患者的誘導痰中HMGB1含量明顯增高,且其增高程度與哮喘的氣流受限程度以及哮喘的嚴重程度呈正相關(guān)[12]。有研究證實在哮喘小鼠模型中降低H MGB1在肺部的表達水平能有效地減緩肺部炎癥反應[33]。哮喘發(fā)病過程中涉及氣道上皮細胞損傷,HMGB1可由損傷細胞釋放到細胞外。在中性粒細胞哮喘患者誘導痰中,HMGB1的含量與其中性粒細胞百分比呈正相關(guān),這說明HMGB1可能參與氣道的中性粒細胞炎癥,且HMGB1本身就是一種中性粒細胞趨化因子[1,12]。Sukkar等[34]已證實中性粒細胞哮喘患者肺部sRAGE明顯減少,在他們的研究中發(fā)現(xiàn)RAGE/sRAGE失平衡可加劇炎癥反應,進而參與中性粒細胞哮喘的氣道炎癥惡化。還有研究表明,sRAGE可通過阻斷樹突狀細胞中的HMGB1/RAGE信號傳導來阻止Th17介導的中性粒細胞哮喘中的氣道炎癥[35]。

中性粒細胞相關(guān)的重癥哮喘以及難治性哮喘的癥狀難以控制,危及患者生命,而其發(fā)病機制中諸多環(huán)節(jié)尚不明確,深入研究HMGB1/RAGE信號及其相關(guān)的細胞因子和炎性介質(zhì)的作用機制,對揭示中性粒細胞哮喘的發(fā)病機制及防治措施有重要價值。

6.2 HMGB1與嗜酸粒細胞哮喘 諸多研究認為,哮喘患者呼吸道局部炎癥是以嗜酸粒細胞為多數(shù)的炎性反應,長期以來嗜酸粒細胞哮喘在哮喘的研究中備受關(guān)注。嗜酸粒細胞亦在過敏性哮喘的發(fā)病機制中扮演重要角色。而筆者在前期研究過敏性哮喘小鼠模型中也證實,氣道局部的HMGB1表達明顯高于正常組[36-37]。研究表明HMGB1不僅能在中性粒細胞炎癥中發(fā)揮炎癥因子的作用[1],而且能作為一種危險信號延長嗜酸粒細胞的存活時間以及在嗜酸粒細胞炎癥過程中扮演趨化因子的角色。Shim等[15]證實在哮喘小鼠模型的氣道嗜酸性炎癥中HMGB1至關(guān)重要,首先在哮喘小鼠的肺泡灌洗液中HMGB1含量顯著高于對照組小鼠。當抑制HMGB1的活性,小鼠氣道嗜酸粒細胞炎癥、氣道高反應性顯著好轉(zhuǎn),肺泡灌洗液中粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子和IL-5水平顯著下降,且小鼠氣道的組織學改變也有所改善。還有研究表明,HMGB1可能參與協(xié)調(diào)嗜酸粒細胞增加的過敏性肺部炎癥的氧化還原狀態(tài),與哮喘的炎癥發(fā)展和氣道重塑相關(guān)[38]。

HMGB1在嗜酸粒細胞哮喘中的機制尚未明確,深入研究可能有助于根據(jù)不同類型哮喘的不同機制而制定哮喘個體化治療方案,HMGB1可能成為未來哮喘表型機制研究與防治的新突破點。

6.3 HMGB1/RAGE信號與支氣管上皮細胞、上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT) 目前認為,在哮喘的發(fā)病過程中支氣管上皮細胞也扮演著重要角色,可通過分泌許多細胞因子及趨化因子在氣道慢性炎癥中起作用。另外,哮喘進程中支氣管上皮細胞存在著反復的損傷、脫落、修復過程,此過程參與誘發(fā)哮喘的另一重要病理過程——EMT。EMT被認為在哮喘氣道上皮下纖維化及導致激素抵抗型哮喘的氣道重塑過程中發(fā)揮重要作用[39]。

有實驗證實,HMGB1/RAGE信號可參與EMT的過程,但具體機制仍不明確。Liang等[40]研究發(fā)現(xiàn)HMGB1可增加促炎細胞因子和顯著上調(diào)RAGE在支氣管上皮細胞的表達,且HMGB1通過其配體RAGE刺激支氣管上皮細胞增加促炎細胞因子 (主要包括腫瘤壞死因子α、胸腺基質(zhì)淋巴細胞生成素、基質(zhì)金屬蛋白酶9和血管內(nèi)皮生長因子)的表達,這些細胞因子在炎癥反應中起到了關(guān)鍵作用,也是氣道慢性炎癥性疾病 (如哮喘和COPD)的重要致病因素。在體外模擬哮喘氣道慢性炎癥反應的細胞因子微環(huán)境研究中發(fā)現(xiàn),IL-17可增強轉(zhuǎn)化生長因子β1誘導人支氣管細胞株EMT的發(fā)生,并與IL-4具有協(xié)同作用[41];而筆者的前期實驗則發(fā)現(xiàn),HMGB1也可促進 轉(zhuǎn)化生長因子β1誘導的人支氣管上皮細胞的EMT過程[36-37];此外,若同時加入IL-17共作用,EMT程度更加明顯,表明在體外IL-17具有協(xié)同增強H MGB1誘導支氣管上皮細胞發(fā)生EMT的作用[42]。且體外研究表明H MGB1可促進Th17細胞的增殖活化。筆者推測HMGB1信號有可能通過調(diào)控Th17/IL-17從而作用于氣道的EMT及氣道重塑過程,有待進一步深入研究證實。

6.4 HMGB1/RAGE信號與哮喘治療 近期有研究證實Anti-HMGB1抗體在治療屋塵螨致敏的過敏性炎癥反應時,可顯著抑制其炎癥反應,包括抑制氣道中性粒細胞及嗜酸粒細胞的聚集和Th2細胞因子的表達,最有效的是抑制氣道IgE的表達。Manti等[43]研究表明,HMGB1是兒童過敏性哮喘的敏感生物標志物,且研究結(jié)果顯示HMGB1水平降低與成功治療反應之間存在顯著相關(guān)性。這些數(shù)據(jù)不僅表明HMGB1可介導氣道炎癥反應,而且其抑制劑Anti-HMGB1還能影響過敏性哮喘主要呼吸道的致敏因素。這證明,HMGB1/RAGE是未來哮喘分子治療的一個重要靶點,不僅可以在預防哮喘方面起到重要作用,在哮喘的治療方面可能具有更大潛能[41]。

7 HMGB1/RAGE信號與肺癌

HMGB1可參與腫瘤的發(fā)展、增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移,研究表明其高水平與臨床預后不良相關(guān)[44]。已有報道證實,HMGB1對腫瘤既有致病也有抑制的雙重復雜作用,它不僅涉及腫瘤的形成和進展,尤其是在腫瘤轉(zhuǎn)移中起到重要作用,還在腫瘤化療反應中占據(jù)一席之地。研究顯示,RAGE參與各種腫瘤的生存、生長和轉(zhuǎn)移,并對多種惡性腫瘤有增加其風險性的作用[45]。大多數(shù)的腫瘤治療的失敗不僅是原發(fā)灶的因素,更多是源于其浸潤性生長和轉(zhuǎn)移[46]。Zuo等[47]證實在體外試驗中敲除肺癌細胞 (肺腺癌A549細胞株)上的HMGB1可顯著增強腫瘤細胞的侵襲性以及促進其轉(zhuǎn)移,且在體內(nèi)試驗也證實了HMGB1對腫瘤轉(zhuǎn)移的促進作用。更有實驗證實,RAGE的表達可在肺癌的發(fā)生發(fā)展過程中增加,并在形成原發(fā)性腫瘤及進展為更晚期的侵襲性肺腺癌中發(fā)揮作用[48]。而miR-200c可通過下調(diào)HMGB1來抑制非小細胞肺癌細胞的EMT、侵襲和遷移[49]。Karsch-Bluman等[50]證實HMGB1拮抗劑通過在體外和體內(nèi)減少腫瘤細胞的黏附和細胞-細胞相互作用來防止肺腫瘤細胞的黏附和定植。最近研究發(fā)現(xiàn)肺癌的發(fā)生與RAGE的上調(diào)密切相關(guān),sRAGE可作為肺癌有效的、方便的和敏感的診斷性生物標志物[51]。RAGE下游的信號轉(zhuǎn)導如PI3K/Akt和KRAS/RAF-1通路可被敲除RAGE有效抑制。超活化的Akt和PI3K在許多癌癥包括非小細胞肺癌中被發(fā)現(xiàn),提示參與腫瘤的增殖、細胞生長、轉(zhuǎn)移以及血管生成[52]。其具體機制仍需進一步探索。

HMGB1/RAGE信號已被證實是腫瘤治療的一個新靶點,已有眾多學者研究其在腫瘤的預防和治療等方面的效應[33,41]。據(jù)報道,肺腺癌腫瘤細胞暴露于多西他賽環(huán)境,可促進HMGB1從細胞核心轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中,并扮演一個細胞自噬的正反饋調(diào)節(jié)者的角色,可以改變肺腺癌細胞對多西他賽的敏感性,起到調(diào)節(jié)多西他賽誘發(fā)細胞自噬的作用,還能對多西他賽的耐藥產(chǎn)生積極的影響[53]。HMGB1在肺腺癌治療中可以起到積極的作用,可能成為未來新藥研發(fā)的一個重要靶點。但其也有消極的一面,當接受化療時壞死的腫瘤細胞將釋放HMGB1到細胞外,通過與受體RAGE相偶聯(lián),可增加殘余的腫瘤細胞的再生和轉(zhuǎn)移[54]。因此,這種情況下,拮抗HMGB1/RAGE信號可能增加化療的有效性[47]。這樣擁有雙重作用的HMGB1/RAGE信號在肺癌發(fā)生發(fā)展以及治療中扮演著矛盾的角色,這也說明HMGB1/RAGE信號起著重要作用,闡明其在肺癌轉(zhuǎn)移的分子機制可為未來發(fā)掘干預靶點提供一定的理論基礎(chǔ)。

8 結(jié)論

總而言之,關(guān)于HMGB1/RAGE信號在呼吸系統(tǒng)疾病的作用機制尚未闡明。但事實上,HMGB1/RAGE信號卻廣泛存在于呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病過程,其參與機制和干預價值均值得深入探索。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突