HMGB1在心肌缺血再灌注損傷中作用的研究進(jìn)展

唐森胡(綜述)，黃照河(審校)

急性心肌梗死是臨床上常見的急危重癥，《中國心血管健康與疾病報(bào)告2019概要》提到，2002～2017年急性心肌梗死病死率總體呈上升態(tài)勢(shì)，推算心血管病現(xiàn)患病人數(shù)達(dá)3.3億，其中冠心病1 100萬[1]。當(dāng)急性心肌梗死發(fā)生時(shí)，及時(shí)恢復(fù)缺血心肌的血流灌注對(duì)保護(hù)心肌組織具有重要作用。然而，缺血心肌的血流再灌注本身可導(dǎo)致更嚴(yán)重的心肌損傷，這種效應(yīng)被稱為缺血再灌注損傷[2]。心肌缺血再灌注損傷會(huì)引發(fā)多種不良心血管后果，如心臟功能障礙、冠狀動(dòng)脈痙攣、心臟驟停甚至死亡等。因此，減輕缺血再灌注損傷在急性心肌梗死的治療中至關(guān)重要。目前，心肌缺血再灌注損傷的確切機(jī)制尚不明確。高遷移率族蛋白1(high mobility group box-1，HMGB1)是一種普遍存在且豐富的核蛋白，在許多心血管疾病中具有關(guān)鍵作用，如心肌梗死、心肌缺血再灌注損傷和心力衰竭等[3，4]。本文主要就HMGB1在心肌缺血再灌注損傷中作用作一綜述。

1 HMGB1的結(jié)構(gòu)與功能

HMGB1是由215個(gè)氨基酸殘基組成，有2個(gè)DNA結(jié)合域，即A盒和B盒，以及一個(gè)帶負(fù)電的C尾端。它的結(jié)構(gòu)具有高度的進(jìn)化保守性:在小鼠、大鼠、牛、豬和人類等哺乳動(dòng)物中，該蛋白質(zhì)有95%～99%的氨基酸序列是相同的，這意味著在不同生物中HMGB1具有重要和相似的生物學(xué)功能[5]。HMGB1有2個(gè)核輸出信號(hào)和2個(gè)核定位信號(hào)，可在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間不斷穿梭。然而在生理?xiàng)l件下，核濃度通常高于細(xì)胞質(zhì)中的濃度，在細(xì)胞核中，HMGB1參與調(diào)控DNA復(fù)制和基因轉(zhuǎn)錄等，在細(xì)胞質(zhì)中HMGB1主要與炎癥小體激活和自噬等有關(guān)[4]。此外，HMGB1還作為細(xì)胞外信號(hào)分子，可由多種細(xì)胞(單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和血小板等)主動(dòng)分泌或從正在經(jīng)歷壞死、凋亡的細(xì)胞中被動(dòng)釋放到細(xì)胞外，向周圍細(xì)胞發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào)，激活炎癥反應(yīng)或免疫反應(yīng)[6]。因?yàn)镠MGB1的外分泌可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)HMGB1耗竭，因此HMGB1在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的功能上可能是互補(bǔ)的。由于HMGB1在A盒的23位和45位以及B盒的106位上有半胱氨酸殘基，易受氧化作用從而影響該蛋白質(zhì)的細(xì)胞外功能。因此，細(xì)胞外HMGB1的活性主要取決于該蛋白質(zhì)氧化還原狀態(tài)及其結(jié)合的相關(guān)受體，其中包括晚期糖基化終產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end products,RAGE)、Toll樣受體2/4(Toll-like receptor 2/4,TLR2/4)和趨化因子C-X-C基元受體4等。多種疾病的實(shí)驗(yàn)性動(dòng)物模型(心臟和肝臟缺血/再灌注損傷、系統(tǒng)性紅斑狼瘡等)研究[7,8]提示，抑制細(xì)胞外HMGB1可減輕炎癥反應(yīng)。然而，另有研究[9,10]表明，在多種組織修復(fù)過程中，外源性HMGB1可通過誘導(dǎo)干細(xì)胞增殖、分化和遷移，以及通過向受損組織招募修復(fù)性巨噬細(xì)胞，從而起到抗炎、促進(jìn)組織再生和修復(fù)性血管生成等作用?？傊琀MGB1是一種能在組織損傷后引起有害和有益反應(yīng)的物質(zhì)，它的雙重功能主要取決于HMGB1作用的受體/信號(hào)通路以及對(duì)微環(huán)境的反應(yīng)性。

2 HMGB1在心肌缺血再灌注損傷中的作用機(jī)制

2.1炎癥反應(yīng) 心肌缺血再灌注損傷是一個(gè)復(fù)雜的病理生理過程，包括炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡以及自噬等。再灌注治療雖然可恢復(fù)心臟血流及營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，減輕心肌缺血的一些有害反應(yīng)，但同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致白細(xì)胞大量募集到損傷部位以及自由基的過度產(chǎn)生從而引發(fā)炎癥瀑布樣效應(yīng)，最終造成超過初始缺血損傷的額外損傷[11]。因此，預(yù)防和治療心肌缺血再灌注損傷已成為缺血性心臟病患者最重要的任務(wù)之一。一些研究[12～14]報(bào)道了在心肌缺血再灌注實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，循環(huán)和心肌組織的HMGB1水平都有所增加，循環(huán)HMGB1主要來源于壞死的心肌細(xì)胞以及浸潤性炎性細(xì)胞的活躍分泌，心肌HMGB1的表達(dá)在缺血后很快增加，再灌注幾天后仍保持高水平。HMGB1主要通過與RAGE、TLR2/4結(jié)合從而介導(dǎo)炎癥反應(yīng)并參與心肌缺血再灌注損傷過程[14]。

2.1.1 HMGB1-RAGE信號(hào)通路 RAGE是一種具有黏附分子結(jié)構(gòu)特征的跨膜受體，可識(shí)別其他幾種蛋白質(zhì)，即高級(jí)糖基化終產(chǎn)物、S100鈣粒蛋白、淀粉樣β-肽和細(xì)胞外基質(zhì)成分等。RAGE可通過激活有絲分裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和核因子-κB(NF-κB)發(fā)出信號(hào)，參與誘導(dǎo)細(xì)胞活化、增殖和遷移[15]。HMGB1-RAGE軸是一個(gè)重要的潛在靶點(diǎn)。盡管HMGB1的所有氧化還原形式都可與RAGE相互作用，但二硫鍵型HMGB1與RAGE親和力更高[16]。在長時(shí)間缺血后再灌注時(shí)，心臟釋放HMGB1和循環(huán)型脫氧核糖核酸，兩者都可通過一種共同的RAGE-TLR9依賴機(jī)制對(duì)缺血后再灌注損傷做出重要且相互依賴的貢獻(xiàn)，減少這兩種物質(zhì)中的任何一種都足以顯著減少大約50%的梗塞面積[12]。此外，RAGE還可調(diào)節(jié)HMGB1誘導(dǎo)的細(xì)胞黏附和遷移。Tian等[13]描述了一個(gè)涉及心臟HMGB1和脾臟RAGE的信號(hào)軸，表明在長時(shí)間缺血損傷后，從壞死心臟組織釋放的循環(huán)HMGB1可通過與RAGE結(jié)合從而激活脾臟的白細(xì)胞，募集大量中性粒細(xì)胞遷移到受損心肌，可導(dǎo)致再灌注期間心肌梗死加重。HMGB1與RAGE結(jié)合，通過MAPK途徑激活κB抑制蛋白激酶3等，從而激活細(xì)胞核表面的NF-κB信號(hào)轉(zhuǎn)錄因子活化細(xì)胞，促進(jìn)白介素(interleukin,IL)-6和腫瘤壞死因子等炎性因子的釋放[17]。最近，有研究指出，在體內(nèi)，缺血再灌注損傷后小鼠心臟中的NF-κB轉(zhuǎn)錄活性顯著提高，NF-κB還可通過抑制核因子E2相關(guān)因子2-抗氧化反應(yīng)元件途徑促進(jìn)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的壞死和心肌缺血再灌注損傷[18]。適當(dāng)?shù)难装Y反應(yīng)對(duì)心臟的修復(fù)是必需的，但過度的炎癥則會(huì)引起心臟修復(fù)障礙。

2.1.2 HMGB1-TLRs信號(hào)通路 Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs)是一種重要的模式識(shí)別受體，屬于免疫球蛋白超家族的跨膜蛋白，分布廣泛，可識(shí)別多種危險(xiǎn)信號(hào)，包括病原體相關(guān)分子以及損傷相關(guān)分子。TLRs與HMGB1親和力很高，其介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)在心肌缺血再灌注損傷過程中起重要作用。在已發(fā)現(xiàn)的TLRs中，HMGB1主要與TLR2或TLR4結(jié)合，從而參與眾多炎癥疾病的發(fā)生與發(fā)展。心肌缺血再灌注后，HMGB1水平明顯升高，HMGB1與TLRs結(jié)合，TLRs下游的傳到通路主要有2條，分別是髓樣分化因子88依賴性通路以及非髓樣分化因子88依賴性通路,后者又可稱為β干擾素TIR結(jié)構(gòu)域銜接蛋白依賴通路[19,20]。以上兩條通路均可導(dǎo)致大量炎癥介質(zhì)產(chǎn)生。Zhu等[21]發(fā)現(xiàn)心臟移植中心肌缺血再灌注損傷后IL-17A升高，HMGB1-TLR4-IL-23-IL-17A可能是心肌缺血再灌注損傷的重要機(jī)制，HMGB1抑制劑甘草甜素顯著降低IL-17A的產(chǎn)生，改善心肌缺血再灌注損傷。此外，有研究[22]表明，HMGB1-IL-17A軸通過調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞凋亡和自噬促進(jìn)缺氧/復(fù)氧損傷。Zhang等[23]將C57BL/6小鼠的心臟沖洗并在冷的保鮮溶液中保存8 h，然后移植到同基因受體中，發(fā)現(xiàn)壞死性凋亡抑制劑(necrostatin-1,Nec-1)減少了心肌細(xì)胞壞死和嗜中性粒細(xì)胞及巨噬細(xì)胞的募集，同時(shí)使活性氧的產(chǎn)生以及HMGB1、IL-23和IL-17A的表達(dá)降低，并增加了二氧化氮和環(huán)氧化酶2的表達(dá)?？傊?，Nec-1在心肌缺血再灌注損傷中起保護(hù)作用，這與抑制HMGB1-IL-23/IL-17通路有關(guān)。另外，有文獻(xiàn)[24]報(bào)道，HMGB1還可能參與了大鼠心肌缺血再灌注損傷中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的激活,從而加重心肌細(xì)胞損傷。炎癥反應(yīng)始終貫穿于心肌缺血再灌注損傷的發(fā)生以及發(fā)展過程中，精準(zhǔn)適當(dāng)抑制炎癥反應(yīng)同時(shí)又不影響組織的修復(fù)對(duì)增強(qiáng)再灌注的凈效益非常重要。

2.2保護(hù)作用及機(jī)制 隨著對(duì)HMGB1作用的深入研究，發(fā)現(xiàn)外源性HMGB1可能對(duì)心肌缺血再灌注損傷產(chǎn)生有益作用。Zhou等[25]通過分析靜脈注射HMGB1對(duì)急性心肌缺血再灌注大鼠心肌血管內(nèi)皮生長因子表達(dá)、心肌纖維化和心功能的影響，發(fā)現(xiàn)HMGB1對(duì)心肌缺血再灌注損傷心臟的保護(hù)作用可能是通過上調(diào)心肌血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)來介導(dǎo)的，這可能與激活磷脂酰肌醇3-激酶/絲氨酸-蘇氨酸激酶t信號(hào)通路有關(guān)。在另一項(xiàng)研究中，學(xué)者們還發(fā)現(xiàn)HMGB1可通過抑制p38絲裂原激活的蛋白激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來減輕心肌缺血再灌注損傷[26]。此外，Han等[27]研究表明重組HMGB1 A盒處理可防止心肌缺血再灌注損傷，其機(jī)制可能涉及抑制miR-21表達(dá)。由此可見，HMGB1的部分作用尚存在爭(zhēng)議，需要進(jìn)一步通過基礎(chǔ)研究及臨床試驗(yàn)來證實(shí)。明確HMGB1在心肌缺血再灌注損傷中的確切作用以及涉及的轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，可能為我們探尋治療心肌缺血再灌注損傷新的藥物靶點(diǎn)提供有力幫助。

3 基于HMGB1的治療學(xué)

目前，HMGB1拮抗劑在臨床前炎性疾病模型中的試驗(yàn)非常成功，在心血管疾病的臨床治療中，以HMGB1為靶點(diǎn)的治療手段僅局限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，尚未建立相應(yīng)的循證標(biāo)準(zhǔn)以及將臨床前試驗(yàn)轉(zhuǎn)化為臨床試驗(yàn)。Chen等[28]通過建立心肌缺血再灌注和缺氧/復(fù)氧心肌細(xì)胞的大鼠模型，使用雙重?zé)晒馑孛笀?bào)告基因測(cè)定法驗(yàn)證了miR-129-5p和HMGB1之間的靶標(biāo)關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，miR-129-5p通過調(diào)節(jié)HMGB1的表達(dá)對(duì)心肌缺血再灌注損傷起保護(hù)作用，該機(jī)制為心肌再灌注相關(guān)損傷的治療提供了新的認(rèn)識(shí)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)miR-25、?；撬嵴{(diào)節(jié)基因1、異丙酚、右美托咪定、丙酮酸乙酯等通過靶向HMGB1減輕了心肌缺血再灌注引起的心肌損傷，對(duì)心肌細(xì)胞具有良好的保護(hù)作用[29～33]。最近，Beom等[34]研究發(fā)現(xiàn)33 ℃或36 ℃的靶向溫度管理通過抑制心肌缺血再灌注損傷中的HMGB1釋放而減少心肌梗死面積，這與甘草甜素具有等效的心肌保護(hù)作用。以上研究均以HMGB1為靶點(diǎn)探尋心肌缺血再灌注損傷新的治療策略，然而小鼠心肌缺血再灌注模型中細(xì)胞生物學(xué)過程是否與人類的相同目前不得而知，有待進(jìn)一步深入探究。

4 結(jié)語

在心臟損傷過程中，HMGB1可引起有害和有益的反應(yīng)，這可能部分取決于HMGB1的存在形式以及作用的信號(hào)通路，其在這種情況下的具體功能以及受損的心臟細(xì)胞如何平衡HMGB1的細(xì)胞核和細(xì)胞外功能仍大多未被探索。總之，未來需要進(jìn)一步探究細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)HMGB1在心臟炎癥和損傷修復(fù)以及再生中的具體作用及其機(jī)制，并將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳韺W(xué)相關(guān)結(jié)果轉(zhuǎn)化為臨床試驗(yàn)療法，充分發(fā)揮HMGB1在心血管疾病中的治療潛能，以期找到一種安全、有效的治療手段。