高遷移率族蛋白B1在心肌缺血再灌注損傷中的雙重作用

肖政，黃鶴

心肌缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）損傷是指心肌細(xì)胞遭受一段時(shí)間的缺血刺激后，在恢復(fù)供血供氧的過(guò)程中，心肌細(xì)胞損傷進(jìn)一步加重的現(xiàn)象，而這現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)與炎癥密切相關(guān)。高遷移率族蛋白B1（high-mobility group box 1，HMGB1）作為一種典型的損傷相關(guān)分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮核心作用，因此成為潛在的藥物作用靶點(diǎn)治療炎癥相關(guān)疾病。在心肌I/R 損傷中，HMGB1 與其相應(yīng)的受體結(jié)合后促進(jìn)炎性因子釋放，其本身也作為炎性因子加速心肌細(xì)胞損傷，然而，HMGB1 也被報(bào)道能產(chǎn)生心肌保護(hù)作用，促進(jìn)組織修復(fù)和血管生成，減輕心肌損傷。因此，本研究將從HMGB1 的結(jié)構(gòu)和功能，損傷及保護(hù)機(jī)制來(lái)闡述HMGB1 在心肌I/R 中的作用。

1 HMGB1的結(jié)構(gòu)和功能

HMGB1是一種高度保守的染色體蛋白，它幾乎存在于所有真核細(xì)胞的細(xì)胞核中，在哺乳動(dòng)物中還存在有HMGB2、HMGB3 和HMGB4 三個(gè)高遷移率族蛋白家族成員，人類HMGB1由215個(gè)氨基酸組成，通常將其分為A box、B box 以及C-末端結(jié)構(gòu)域。其中A box 能與HMGB1 競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合其下游晚期糖基化終產(chǎn)物受體（receptor for advanced glycation end products，RAGE）和Toll 樣受體4（toll-like receptor 4，TLR4），因此在炎癥過(guò)程中展現(xiàn)出抗炎作用。相反，B box被發(fā)現(xiàn)擁有HMGB1的細(xì)胞因子活性，不僅能與RAGE結(jié)合，還能與TLR4的輔助蛋白髓樣分化蛋白-2（myeloid differentiation factor 2，MD-2）結(jié)合，促進(jìn)炎性因子的分泌，因此導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的發(fā)生。HMGB1 可定位于胞核、胞質(zhì)和胞外，而胞外的HMGB1 是DAMP 的典型代表，具有炎性因子、趨化因子和生長(zhǎng)因子活性，同時(shí)可以作為一種潛在的生物標(biāo)志物來(lái)預(yù)測(cè)腫瘤的進(jìn)展和預(yù)后。

2 HMGB1在心肌I/R損傷中的作用機(jī)制

炎癥反應(yīng)是心肌I/R 損傷的主要機(jī)制之一，在缺血性心肌病中，長(zhǎng)時(shí)間的缺血缺氧會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡，因此需要緊急恢復(fù)缺血心肌的血流、挽救心肌組織，而隨著血液和氧氣供應(yīng)恢復(fù)，心肌細(xì)胞遭受進(jìn)一步的損傷，死亡的心肌細(xì)胞會(huì)被動(dòng)釋放HMGB1。已知胞外的HMGB1 通常需要與RAGE 和TLRs 等細(xì)胞表面受體結(jié)合，誘導(dǎo)核因子-κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）的產(chǎn)生，促使炎癥細(xì)胞釋放腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1β 和IL-6 等炎性因子，同時(shí)，釋放至胞外的炎癥介質(zhì)促進(jìn)免疫細(xì)胞在梗死區(qū)域聚集并釋放HMGB1，形成炎癥環(huán)路，加劇心肌組織的損傷。有趣的是，HMGB1也能促進(jìn)心肌細(xì)胞產(chǎn)生缺誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α），它是一種穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的重要調(diào)節(jié)因子，能夠促進(jìn)誘生型一氧化氮合酶、血紅素氧化酶1和促紅細(xì)胞生成素等心肌保護(hù)分子的產(chǎn)生，改善心臟功能。

2.1 HMGB1-RAGE信號(hào)通路在心肌I/R損傷中的作用

RAGE 被普遍認(rèn)為是一種跨膜免疫球蛋白樣受體，它能與胞外的HMGB1 結(jié)合，激活炎癥反應(yīng)。已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)RAGE 的活性及含量在心肌I/R 損傷過(guò)程中明顯升高。此外，使用重組HMGB1 處理小鼠促進(jìn)了炎性因子的分泌，加劇了心肌I/R 損傷，但是這種損傷作用在RAGE 缺乏的小鼠中明顯減輕，暗示了HMGB1-RAGE 信號(hào)通路介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)與心肌I/R 損傷有關(guān)。同樣的，Wang 等發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程缺血后處理（remote ischemic postconditioning，RIPostC），即在長(zhǎng)時(shí)間缺血后心臟血流恢復(fù)之前在遠(yuǎn)端血管應(yīng)用多次短暫的I/R 處理，通過(guò)抑制HMGB1-RAGE 信號(hào)通路的激活，減少了心肌梗死范圍并且抑制氧化應(yīng)激，改善了心臟功能，從而減輕心肌I/R 損傷。最近的研究表明脾臟作為一個(gè)重要的免疫器官也參與了心肌I/R 損傷，切除脾臟降低了缺血40 min 再灌注60 min 后小鼠的心肌中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)和梗死范圍。但是，在輸入缺血40 min 的心臟勻漿上清液的I/R 損傷小鼠中，心肌梗死范圍進(jìn)一步增加，而通過(guò)免疫沉淀除去心臟上清液中的HMGB1可以抵消這種損傷效應(yīng)，并且在使用基因敲除RAGE 的小鼠和敲除RAGE 的脾細(xì)胞處理脾臟切除小鼠中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，暗示了在心肌I/R損傷中存在有HMGB1-RAGE 信號(hào)通路介導(dǎo)的心-脾軸。在此基礎(chǔ)上，游離DNA 和HMGB1 也被發(fā)現(xiàn)在加劇心肌I/R 損傷和增加心肌梗死范圍上具有協(xié)同作用，但是這種不利影響在脾臟切除或RAGE 基因敲除后明顯減輕。上述研究強(qiáng)調(diào)了心-脾軸以及HMGB1-RAGE 信號(hào)通路對(duì)于心肌I/R 損傷的重要性，為心肌I/R損傷的治療提供了新的方向。

2.2 HMGB1-TLR2/4 信號(hào)通路在心肌I/R 損傷中的作用

TLR4 作為模式識(shí)別受體家族成員識(shí)別HMGB1介導(dǎo)炎癥反應(yīng)。在心肌I/R大鼠模型中發(fā)現(xiàn)心肌組織中HMGB1 和TLR4 表達(dá)均上調(diào)，間質(zhì)中伴有大量炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)。而在TLR4 缺乏的小鼠中或使用TLR4 抑制劑后發(fā)現(xiàn)，心臟中的中心粒細(xì)胞和單核-巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)減少伴隨HMGB1和炎性因子表達(dá)水平降低，心肌I/R 損傷減輕。除了上述常見的炎癥細(xì)胞參與心肌損傷外，Xue 等發(fā)現(xiàn)樹突狀細(xì)胞加重了心肌I/R 損傷并擴(kuò)大心肌梗死范圍的過(guò)程也受到HMGB1-TLR4 信號(hào)通路的調(diào)節(jié)。因此，HMGB1 可以通過(guò)各種炎癥細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)參與心肌損傷。最近有研究表明α2-腎上腺素能受體也與心臟炎癥有關(guān)，他們使用α2-腎上腺素能受體激動(dòng)劑右旋美托咪啶預(yù)處理心肌I/R 小鼠，結(jié)果顯示在損傷的心肌中HMGB1 和TLR4 的表達(dá)均降低，心臟炎癥反應(yīng)減輕，而這種保護(hù)作用在使用α2-腎上腺素能受體拮抗劑或心臟過(guò)表達(dá)HMGB1 后消失。值得注意的是，遠(yuǎn)端缺血預(yù)處理（remote ischemic preconditioning，RIPC）也可以通過(guò)抑制HMGB1-TLR4 信號(hào)通路對(duì)心臟提供保護(hù)作用，并且這種作用在聯(lián)合應(yīng)用七氟醚后更加明顯。因此，RIPostC 和RIPC 都可以產(chǎn)生抗炎作用而減輕心肌I/R 損傷，但是這種方式依賴的信號(hào)通路還需要進(jìn)一步的探究。此外，細(xì)胞凋亡也在心肌I/R 損傷中發(fā)揮作用，激活HMGB1-TLR4 信號(hào)通路可以促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡，加重心肌I/R 損傷。然而，隨著研究的深入，HMGB1 與TLR4 結(jié)合介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的分子機(jī)制被闡明：首先，A box 與TLR4/MD-2 復(fù)合物上的TLR4 結(jié)合，待A box 與TLR4 結(jié)合緊密后B box又與MD-2 結(jié)合，最終形成HMGB1/TLR4/MD-2 復(fù)合物，兩個(gè)復(fù)合物形成一個(gè)二聚體，活化HMGB1-TLR4 信號(hào)通路，促進(jìn)炎性因子的釋放。因此，干預(yù)上述復(fù)合體形成可能為心肌I/R 損傷提供了新的治療靶點(diǎn)。

類似于TLR4，TLR2也可以與HMGB1結(jié)合介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，但是這個(gè)過(guò)程不依賴于MD-2。重要的是，使用TLR2 的單克隆抗體OPN-301 能選擇性地抑制免疫細(xì)胞的TLR2，減輕心肌免疫細(xì)胞浸潤(rùn)和炎癥反應(yīng)，改善心肌I/R 損傷并保護(hù)心臟功能。在此基礎(chǔ)上，單克隆抗體OPN-305 在大型動(dòng)物模型上被證實(shí)有效，它可顯著降低梗死范圍，并且改善豬I/R 模型的心肌收縮能力，因此其具有極大的臨床應(yīng)用潛力。類似的結(jié)果也出現(xiàn)在基因敲除TLR2 的小鼠中，使用A box 處理TLR2 缺乏的小鼠發(fā)現(xiàn)心肌梗死范圍和肌鈣蛋白水平?jīng)]有明顯的改變，暗示了HMGB1 在心肌I/R 損傷中發(fā)揮作用是依賴于TLR2的。

2.3 HMGB1 在缺血性心肌病中的保護(hù)作用

隨著對(duì)HMGB1 研究的深入，有研究發(fā)現(xiàn)HMGB1 也能促進(jìn)組織再生、修復(fù)和血管生成，因此改善心肌梗死后左心室功能。進(jìn)一步的研究表明，在心肌梗死后注射外源性HMGB1 可激活Wnt/β-catenin 信號(hào)通路，上調(diào)的β-catenin促進(jìn)成纖維細(xì)胞的遷移和增殖，有助于改善和修復(fù)缺血的心肌。此外，HMGB1預(yù)處理能夠抑制炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，減輕心肌I/R 損傷，而且這種心臟保護(hù)作用和HMGB1 預(yù)處理的劑量呈正相關(guān)。最近的研究發(fā)現(xiàn)了在心肌缺血期間，機(jī)體會(huì)產(chǎn)生一種關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α，它不僅能促進(jìn)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的產(chǎn)生，還可以抑制心肌細(xì)胞活性氧（reactive oxygen species，ROS）的過(guò)度積累，對(duì)心肌產(chǎn)生有利的影響?；贖IF-1α對(duì)心臟的保護(hù)作用，Zhou 等首次報(bào)道在心肌缺血前30 min 靜脈注射HMGB1 增加了HIF-1α 的表達(dá)，心肌I/R 損傷減輕，暗示了HMGB1 通過(guò)上調(diào)心肌HIF-1α 蛋白的表達(dá)而發(fā)揮其心臟保護(hù)作用。并且隨著HMGB1 預(yù)處理劑量的增加，心肌梗死范圍明顯降低，心臟功能顯著改善，這表明HIF-1α 表達(dá)保護(hù)心肌細(xì)胞的程度依賴于HMGB1 預(yù)處理的劑量。類似的，另外的研究表明心肌HIF-1α 的表達(dá)與PI3K/Akt信號(hào)通路密切相關(guān)，HMGB1預(yù)處理可以增強(qiáng)蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）磷酸化，導(dǎo)致HIF-1α及其下游分子VEGF 表達(dá)上調(diào)，從而改善心肌I/R 損傷，而使用磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinases，PI3K）抑制劑抑制Akt 磷酸化可以降低HIF-1α 和VEGF 的表達(dá)，導(dǎo)致心肌保護(hù)作用減弱。不僅如此，HMGB1 預(yù)處理還能通過(guò)抑制p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK）的磷酸化對(duì)心肌產(chǎn)生保護(hù)作用?？傊?，HMGB1可以通過(guò)多條信號(hào)通路發(fā)揮保護(hù)作用，但是其信號(hào)機(jī)制還需要進(jìn)一步的研究。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，HMGB1作為一種炎癥介質(zhì)通過(guò)多條通路參與心肌I/R損傷，然而，HMGB1對(duì)心肌也具有保護(hù)作用，不僅可以減輕心肌I/R 損傷，還促進(jìn)心肌梗死后的新生血管生成，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞自噬，改善左心室功能。目前，研究人員認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因如下：（1）與HMGB1 的亞細(xì)胞定位有關(guān)（胞核、胞質(zhì)和胞外）；（2）與HMGB1 的氧化還原狀態(tài)有關(guān)（還原型HMGB1、二硫鍵型HMGB1和氧化型HMGB1）；（3）與HMGB1 的處理時(shí)間相關(guān)（預(yù)處理、后處理）；（4）與HMGB1 的劑量相關(guān)（低劑量、高劑量），但是以上原因的具體機(jī)制以及如何在HMGB1的保護(hù)作用和損傷作用之間尋求一個(gè)平衡，將保護(hù)作用最大化還需待進(jìn)一步探討。所以說(shuō)HMGB1 在心肌I/R 損傷中發(fā)揮雙重作用，因此還需要大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證HMGB1 在缺血性心肌病中的應(yīng)用潛力及安全性。