胞外HMGB1在常見眼科疾病中的研究進(jìn)展

周永瑩，李 軒,2

高遷移率蛋白家族(high mobility group box，HMGB)因其在電泳中的高遷移率而得名，其中對高遷移率蛋白1(high mobility group box 1，HMGB1)的研究最為深入。研究表明，胞外HMGB1作為損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular pattern，DAMP)參與多種常見眼部疾病——干眼、角膜病、青光眼、葡萄膜炎、糖尿病性視網(wǎng)膜病變、年齡相關(guān)性黃斑變性的組織損傷修復(fù)的病理生理過程，從而對疾病的愈合產(chǎn)生負(fù)性影響。沉默胞外HMGB1的功能有望成為這些眼科疾病新的治療手段。本文就胞外HMGB1在常見眼科疾病中的研究進(jìn)展作一綜述。

0 引言

高遷移率蛋白家族(high mobility group box，HMGB)首先在牛胸腺中被提取并鑒定，其中高遷移率蛋白1(high mobility group box1，HMGB1)廣泛分布于哺乳動物的組織中；在肝臟和大腦組織中，HMGB1集中分布在細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，而在其他大多數(shù)組織中則分布在細(xì)胞核中[1]。胞內(nèi)HMGB1作為進(jìn)化高度保守的非組蛋白，其通過增強(qiáng)調(diào)節(jié)蛋白與基因的結(jié)合(調(diào)控線粒體質(zhì)量和自噬的基因等)，對生命的維持起到至關(guān)重要的作用[2]。HMGB1可由受損細(xì)胞或免疫細(xì)胞被動或主動地釋放到胞外，胞外HMGB1作為損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular pattern，DAMP)引起自身免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)，進(jìn)而加劇組織的損傷[3-4]。近年來，對胞外HMGB1的功能及其作用機(jī)制的研究已成為眼科疾病研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。本文將從胞外HMGB1的結(jié)構(gòu)、功能及其在干眼、角膜病、青光眼、葡萄膜炎、糖尿病性視網(wǎng)膜病變、年齡相關(guān)性黃斑變性發(fā)生發(fā)展中的作用進(jìn)行綜述。

1 HMGB1的結(jié)構(gòu)與功能

HMGB1的基因位于13q12染色體上并轉(zhuǎn)錄合成含215個氨基酸的蛋白質(zhì)，其分子量約為25kD[5]。HMGB1含有兩個折疊螺旋的DNA結(jié)合序列(A盒和B盒)以及含有一串谷氨酸和天冬氨酸的酸性尾巴(C尾)。A盒和B盒中的核定位序列中存在保守的賴氨酸殘基，其易被乙?；瑥亩鴮?dǎo)致核排斥及HMGB1的釋放[6-7]。壞死或受損的細(xì)胞是被動地將HMGB1釋放到胞外，而激活的免疫細(xì)胞則可主動地將HMGB1釋放到胞外。胞外HMGB1通過與晚期糖基化終末產(chǎn)物受體[8-9]、Toll樣受體家族成員[10-11](TLR2、TLR4、TLR9)、CXCL12[12]、凝血酶敏感蛋白[13]等結(jié)合啟動NF-κB、ERK1/2、p38 MAPK、Src-家族激酶等相關(guān)的信號傳導(dǎo)通路，激活特定細(xì)胞分泌多種細(xì)胞因子(如TNF-α、IL-1β、IL-6等)，干擾細(xì)胞內(nèi)外信號調(diào)節(jié)，進(jìn)而對細(xì)胞的增殖、分化、遷移以及損傷組織的炎癥反應(yīng)、免疫反應(yīng)產(chǎn)生復(fù)雜的生物學(xué)效應(yīng)。另外，HMGB1具有3個特殊的半胱氨酸殘基，兩個位于A盒的23和45位置處，以及一個位于B盒的106位置處，其對氧化還原修飾十分敏感。研究表明，這3個半胱氨酸殘基的不同氧化還原形態(tài)決定了胞外HMGB1的不同生物活性[14]。胞外HMGB1刺激免疫細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子的作用依賴于C23和C45由二硫鍵連接且處于氧化狀態(tài)，且C106必須保持硫醇形式的還原狀態(tài)[15]。這種獨(dú)特的分子構(gòu)象使胞外HMGB1能夠與TLR4/MD-2復(fù)合物結(jié)合并發(fā)出信號，從而誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞釋放相關(guān)的細(xì)胞因子。而當(dāng)胞外HMGB1充當(dāng)趨化介質(zhì)時，其C23、C45和C106都必須保持硫醇形式的還原狀態(tài)[16]。這種全硫醇形式的HMGB1與CXCL12形成異源復(fù)合物后通過結(jié)合CXCR4對炎癥細(xì)胞產(chǎn)生趨化作用來啟動炎癥反應(yīng)。值得注意的是，HMGB1的氧化還原修飾過程是可逆的，使得胞外HMGB1的功能可以從趨化因子轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞因子，反之亦然。當(dāng)組織損傷時，胞外HMGB1通過相互排斥的氧化還原狀態(tài)之間的切換來協(xié)調(diào)白細(xì)胞的募集和募集后白細(xì)胞的激活，誘導(dǎo)細(xì)胞因子的分泌[16]。因此，胞外HMGB1氧化還原狀態(tài)的可修飾性使其能更好地協(xié)調(diào)白細(xì)胞的募集及其誘導(dǎo)炎癥細(xì)胞因子的分泌，進(jìn)而更迅速地加劇損傷組織的炎癥反應(yīng)。

2 胞外HMGB1與干眼

干眼是淚膜和眼表組織異常病變而導(dǎo)致的疾病。干眼常導(dǎo)致眼疲勞、異物感、干澀感、瘙癢和視力模糊，從而導(dǎo)致患者生活質(zhì)量的下降。目前認(rèn)為胞外HMGB1參與的炎癥反應(yīng)是加劇干眼發(fā)生發(fā)展的重要因素[17]。

Lema等[17]在體內(nèi)外建立的干眼模型中都證實當(dāng)發(fā)生干眼時角膜內(nèi)胞外HMGB1的表達(dá)明顯升高，但胞外HMGB1并不直接引起IL-6、IL-8、TNF-α的表達(dá)增加。干燥綜合征(Sj?gren’s syndrome，SS)所致干眼患者的小唾液腺中發(fā)現(xiàn)其胞外HMGB1的表達(dá)水平增加，且組織檢查發(fā)現(xiàn)高HMGB1表達(dá)的同時還伴有大量單核細(xì)胞的浸潤。胞外HMGB1作為細(xì)胞因子與TNF-α和IL-1β一起形成促炎環(huán)加重SS中腺體的慢性炎癥反應(yīng)[18]。同樣，其他學(xué)者的研究也證實，與有干燥癥癥狀或健康對照的患者相比，早期干燥綜合征患者的血清HMGB1水平顯著增加[19-20]。為了驗證沉默胞外HMGB1是否對干眼起治療效果，有學(xué)者通過使用2.5%的甘草甜素(HMGB1抑制劑)溶液點(diǎn)眼治療干眼，發(fā)現(xiàn)71.6%患者淚膜破裂時間和Schirmer評分都得到顯著的改善[21-22]。也有研究發(fā)現(xiàn)由干燥綜合征引起干眼的小鼠模型中對小鼠結(jié)膜下注射2μg或0.02μg HMGB1抗體來中和胞外HMGB1從而能夠減輕角膜缺損并增加淚液分泌，并且注射劑量為2μg時，引流淋巴結(jié)中ILC3s的百分比顯著增加，同時眶內(nèi)腺中IL-22的表達(dá)也明顯增加[23]。由此可見，胞外HMGB1導(dǎo)致的異常炎癥反應(yīng)可能是加重干眼的一個因素，而其抑制劑——甘草甜素溶液有望將來經(jīng)過研發(fā)作為緩解干眼的藥物。

3 胞外HMGB1與角膜病

角膜是眼球前部最外層的組織，同時也是眼屈光成像中重要的屈光介質(zhì)，其透明無血管的結(jié)構(gòu)保證了外界光線進(jìn)入眼內(nèi)成像。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)各類角膜病的發(fā)生、發(fā)展都與胞外HMGB1有著密切的聯(lián)系[24]。

目前，已有學(xué)者證實，當(dāng)人角膜上皮細(xì)胞壞死時將釋放一系列警報素，包括IL-33、HMGB1、IL-1α等[25-26]。研究發(fā)現(xiàn)，壞死角膜上皮細(xì)胞的上清液將誘導(dǎo)上皮細(xì)胞中IκBα蛋白磷酸化和降解以及NF-κB的p65亞基向細(xì)胞核的轉(zhuǎn)位，還將使角膜成纖維細(xì)胞表達(dá)MMPs和TIMP[24,26]。在銅綠假單胞菌性角膜炎的動物模型中，胞外HMGB1通過RAGE和TLRs途徑激活中性粒細(xì)胞的遷移和炎性細(xì)胞因子的表達(dá)，進(jìn)而加劇炎癥反應(yīng)。甘草甜素通過降低胞外HMGB1的表達(dá)，能有效地減少角膜內(nèi)中性粒細(xì)胞的浸潤和細(xì)菌量[27-28]。此外，McClellan等[29]報道，血管活性腸肽也能有效地降低銅綠假單胞菌性角膜炎小鼠模型中胞外HMGB1和促炎細(xì)胞因子的表達(dá)來改善愈后。沉默胞外HMGB1抑制了TLR4/RAGE-NF-κB通路從而降低IL-1β、MIP-2、TNF-α的表達(dá)。在真菌感染性角膜炎方面，Jiang等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在煙曲霉角膜炎中，相比對照組，HMGB1的B盒能使巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞中LOX-1，IL-1β，TNF-α和MIP-2的表達(dá)升高，而LOX-1的抑制劑—Poly(I)能減輕其對巨噬細(xì)胞的促炎作用。Liu等[31]研究提示，HMGB1的B盒是通過TLR4/MyD88依賴的信號通路來介導(dǎo)煙曲霉引起的角膜炎癥。近年來，有學(xué)者在小鼠堿燒傷模型中發(fā)現(xiàn)損傷組織釋放的HMGB1是通過TLR4受體引起SDF-1的表達(dá)升高，從而促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞的募集，導(dǎo)致新生血管的形成[32-33]。因此，在各種類型的角膜炎中，胞外HMGB1通過募集免疫細(xì)胞和誘導(dǎo)細(xì)胞因子的釋放產(chǎn)生過度的炎癥損傷，進(jìn)一步惡化病情。相反，沉默胞外HMGB1則能減輕過度的免疫反應(yīng)，減輕病情。

4 胞外HMGB1與青光眼

青光眼是全球?qū)е乱暳适У闹饕鄄≈?，僅次于白內(nèi)障。臨床上將青光眼分為原發(fā)性青光眼、繼發(fā)性青光眼、發(fā)育性青光眼。目前關(guān)于胞外HMGB1與青光眼發(fā)病機(jī)制的研究在Pubmed上僅檢索出2篇文獻(xiàn)。Chi等[34]通過建立小鼠急性青光眼模型證實在眼壓快速升高6h后，視網(wǎng)膜組織中HMGB1的表達(dá)升高，且胞外HMGB1加劇視網(wǎng)膜缺血性損傷，導(dǎo)致RGC的丟失。該研究還表明，胞外HMGB1是通過誘導(dǎo)NLRP3, ASC, caspase-1和caspase-8-ASC炎性小體的表達(dá)升高，進(jìn)而促進(jìn)IL-1β的高表達(dá)，導(dǎo)致?lián)p傷加重。在Schallenberg等[35]研究中也證實眼內(nèi)壓升高時視網(wǎng)膜中HMGB1的表達(dá)升高，同時還伴有鈣調(diào)蛋白，熱休克蛋白70和碳酸酐酶Ⅱ的變化?，F(xiàn)階段，雖然胞外HMGB1在青光眼發(fā)病過程中的具體作用機(jī)制還不明確，但為現(xiàn)有的機(jī)制研究提供了一個新的研究線索。

5 胞外HMGB1與葡萄膜炎

葡萄膜基本的病理損害是葡萄膜的炎癥、腫瘤及退行性病變，其中以葡萄膜炎最為常見。葡萄膜炎的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜多樣，除感染性因素外，多數(shù)葡萄膜炎的發(fā)病機(jī)制都與自身免疫反應(yīng)相關(guān)。隨著免疫學(xué)的發(fā)展，胞外HMGB1在葡萄膜炎中的研究正在逐步深入。

最早在1990年，Wittemann等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在32例關(guān)節(jié)炎發(fā)作同時伴有葡萄膜炎患者中，8例(25%)患者的血清中發(fā)現(xiàn)抗HMGB1或抗HMGB2的抗體，這提示胞外HMGB1參與自身免疫反應(yīng)。隨后，在建立的大鼠實驗性自身免疫性葡萄膜視網(wǎng)膜炎模型中，Watanabe等[37]證實房水中HMGB1水平顯著升高，且胞外HMGB1通過RAGE受體刺激骨髓來源的巨噬細(xì)胞釋放TNF-α，進(jìn)而加劇眼部的炎癥反應(yīng)，HMGB1和TNF-α的水平與眼部炎癥嚴(yán)重程度相關(guān)。更深入的研究表明，在自身免疫性葡萄膜炎中，胞外HMGB1的釋放需要視網(wǎng)膜細(xì)胞和IRBP特異性T細(xì)胞相互接觸后由視網(wǎng)膜細(xì)胞釋放，并且通過TLR/MyD88信號通路刺激IRBP特異性T細(xì)胞產(chǎn)生IFN-γ和IL-17[38-39]。然而，Jiang等[40]則認(rèn)為胞外HMGB1是通過Fas/FasL炎癥信號通路來觸發(fā)炎癥反應(yīng)。Yun等[41]研究則表明IRBP特異性T細(xì)胞引發(fā)眼內(nèi)炎癥的早期階段，胞外HMGB1與CXCL12的協(xié)同作用是促進(jìn)炎性細(xì)胞浸潤的關(guān)鍵因素。此外，另一些研究則表明，當(dāng)發(fā)生葡萄膜炎時可使胞外HMGB1的表達(dá)升高，但胞外HMGB1的表達(dá)水平與疾病活動或治療之間沒有顯著地相關(guān)性[42-45]。綜上，胞外HMGB1可誘導(dǎo)免疫細(xì)胞產(chǎn)生炎癥反應(yīng)加劇葡萄膜炎的自身免疫反應(yīng)，但胞外HMGB1具體通過何種分子機(jī)制途徑來惡化病情還未完全明確，還需更深入的研究來明確。

6 胞外HMGB1與糖尿病性視網(wǎng)膜病變

糖尿病性視網(wǎng)膜病變是與持續(xù)高血糖及其他與糖尿病聯(lián)系的狀態(tài)(如高血壓)相關(guān)的一種慢性、進(jìn)行性、潛在危害視力的視網(wǎng)膜微血管疾病[46]。其不同階段的特征表現(xiàn)為視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，血-視網(wǎng)膜屏障損傷，缺血和視網(wǎng)膜新生血管形成。糖尿病性視網(wǎng)膜病變的病因尚不完全明了，炎癥因子介導(dǎo)的視網(wǎng)膜和視神經(jīng)損傷在其中起到了一定的作用[47-48]。

臨床研究中，El-Asrar等對8例增殖性糖尿病視網(wǎng)膜病變患者(proliferative diabetic retinopathy,PDR)和13例增殖性玻璃體視網(wǎng)膜病變(proliferative vitreoretinopathy,PVR)患者的非活動性膜進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)4例PDR膜中的血管內(nèi)皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞分別表達(dá)HMGB1、RAGE、OPN和Egr-1，而13例PVR膜中肌成纖維細(xì)胞表達(dá)α-SMA的同時全部都表達(dá)HMGB1，RAGE，OPN和Egr-1，這些結(jié)果提示HMGB1/RAGE/OPN/Egr-1途徑可能參與增殖性玻璃體視網(wǎng)膜疾病的炎癥，血管生成和纖維化反應(yīng)[49-50]。隨后，Abu El-Asrar等[51]進(jìn)一步證實HMGB1，OPN和CTGF是促進(jìn)增生性玻璃體視網(wǎng)膜疾病發(fā)生發(fā)展的重要因素。另外，F(xiàn)u等[52]報道，在糖尿病視網(wǎng)膜病變患者的血清中HMGB1和VEGFA的表達(dá)都上調(diào)，證明胞外HMGB1和VEGFA是抑制視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞活力和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵因素。近年來，一些學(xué)者的臨床研究都表明胞外HMGB1通過多種途徑對糖尿病視網(wǎng)膜病變的進(jìn)展起到負(fù)面作用，如氧化應(yīng)激反應(yīng)、Th17相關(guān)細(xì)胞因子等[39,53-54]。

基礎(chǔ)研究中，Yu等[55]通過建立糖尿病大鼠模型發(fā)現(xiàn)胞外HMGB1可能通過結(jié)合RAGE受體加速大鼠視網(wǎng)膜細(xì)胞的凋亡。此外，高糖處理后的周細(xì)胞出現(xiàn)HMGB1的易位，且RAGE和NF-κB的活性表達(dá)也增加，提示胞外HMGB1對視網(wǎng)膜的損傷依賴于RAGE的表達(dá)和NF-κB的激活[56-57]。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)胞外HMGB1能夠使視網(wǎng)膜色素上皮停滯在G1細(xì)胞周期，從而抑制視網(wǎng)膜色素上皮的生長，且胞外HMGB1能觸發(fā)Akt、p38 MAPK和NF-κB的過度磷酸化，進(jìn)而上調(diào)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞表達(dá)VEGF、bFGF、TGF-β2和CTGF[58]。為了證實沉默胞外HMGB1的功能在糖尿病性視網(wǎng)膜病變中的作用，Jiang等[59]通過在玻璃體腔注射HMGB1 siRNA來降低高糖誘導(dǎo)的HMGB1蛋白和mRNA的表達(dá)水平，進(jìn)而下調(diào)的胞外HMGB1表達(dá)能減少視網(wǎng)膜細(xì)胞的凋亡以及增加細(xì)胞活力。也有研究使用甘草甜素來抑制胞外HMGB1對視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞中pSTAT-3核轉(zhuǎn)位的誘導(dǎo)作用，從而降低糖尿病視網(wǎng)膜中VEGF的表達(dá)[60]。另外，甘草甜素可與Epac1共同作用來降低急性糖尿病視網(wǎng)膜損傷時的炎癥反應(yīng)，進(jìn)而減輕神經(jīng)元和血管損傷[61]。

綜上,在臨床研究和基礎(chǔ)研究中均表明胞外HMGB1參與糖尿病性視網(wǎng)膜病變的發(fā)生發(fā)展過程，沉默胞外HMGB1的功能能有效地減輕視網(wǎng)膜上皮細(xì)胞和視神經(jīng)元的損傷。

7 胞外HMGB1與年齡相關(guān)性黃斑變性

年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration,ARMD)是一種黃斑變性疾病，雙眼先后發(fā)病或同時發(fā)病，且進(jìn)行性損害視力，其病變累及視網(wǎng)膜色素上皮、感光細(xì)胞層和脈絡(luò)膜。

近年來研究表明，視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞壞死和光感受器細(xì)胞凋亡是晚期干性ARMD的特征,而氧化應(yīng)激是誘導(dǎo)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞壞死的重要因素[62]。當(dāng)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞壞死時，HMGB1發(fā)生轉(zhuǎn)位并釋放到胞外，胞外HMGB1誘導(dǎo)正常視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞和THP-1細(xì)胞表達(dá)TNF-α，加重細(xì)胞損傷[63-64]。新生血管形成是濕性ARMD的常見問題，Lee等[65]研究發(fā)現(xiàn)，使用丙酮酸乙酯抑制視網(wǎng)膜中過表達(dá)的HMGB1能夠預(yù)防視網(wǎng)膜新生血管形成。同樣，Murakami等[66]證實在干性ARMD中通過抑制胞外HMGB1的釋放能夠減輕視網(wǎng)膜的炎癥反應(yīng)。但目前，胞外HMGB1在ARMD的發(fā)生發(fā)展中具體致病機(jī)制的研究結(jié)果尚少，還需更多的研究結(jié)果來進(jìn)一步闡明。

8 總結(jié)與展望

目前，胞外HMGB1在常見的眼科疾病中進(jìn)行了有益的研究探索，對有關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制提供了新的研究方向。但是，胞外HMGB1是如何具體地調(diào)控疾病的發(fā)病進(jìn)展則還需更深入的研究來闡明。繼續(xù)探索胞外HMGB1的調(diào)控機(jī)制，并設(shè)計特定的藥物，將成為未來胞外HMGB1與眼部疾病研究的主要方向，并為眼科疾病的防御和治療提供更為廣泛的前景。