HMGB1-TLR4/RAGE信號通路在ALI/ARDS中的研究進(jìn)展

秘樂 范紹輝 徐宇 舒小燚 王紅嫚

遵義醫(yī)科大學(xué)第五附屬(珠海)醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科519100

急性肺損傷 (acute lung iniury,ALI)/ARDS是非心源性因素導(dǎo)致的肺泡上皮細(xì)胞及毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷,導(dǎo)致急性、頑固性呼吸窘迫。2012年柏林定義取消了ALI命名,將本病統(tǒng)稱為ARDS[1],但在動物實驗研究中暫無統(tǒng)一的命名標(biāo)準(zhǔn)。其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,尚無有效治療措施。高遷移率族蛋白B1 (high-mobility group box 1 protein,HMGB1)可能是啟動、維持和加劇瀑布式炎癥級聯(lián)反應(yīng)的重要晚期炎性因子[2-4]。當(dāng)細(xì)胞外的HMGB1結(jié)合到細(xì)胞表面受體時,如晚期糖基化終產(chǎn)物受體 (receptor for advanced glycation end products,RAGE),Toll 樣受體(Toll-like receptors,TLR)家族中的TLR2、TLR4[5]、TLR9[6]及趨化因子CXCL12[7]等,可激活下游通路,誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄多種炎性因子[8]。近年來,HMGB1-TLR4/RAGE信號通路在ALI/ARDS中的作用逐漸引起大家關(guān)注,而尋找炎癥相關(guān)的潛在分子機(jī)制可能有助于確定ALI/ARDS新的治療靶點(diǎn) (圖1)。

1 HMGB1與ALI/ARDS

1.1 HMGB1的結(jié)構(gòu)、分布與功能 人類HMGB1基因位于13q12染色體上。HMGB1 是一種有215 個氨基酸的單鏈蛋白,由A-box、B-box和C-tail 3個結(jié)構(gòu)域組成,其中B-box具有炎癥活性,而A-box對B-box有一定的拮抗作用[9]。HMGB1 廣泛存在于淋巴、腦、肺、肝、心、腎、脾等組織細(xì)胞中[10]。正常生理條件下,HMGB1作為一種胞核內(nèi)DNA 結(jié)合蛋白,表達(dá)量穩(wěn)定在基礎(chǔ)水平,在基因轉(zhuǎn)錄、基因調(diào)節(jié)及DNA 修復(fù)重組等過程中起重要作用[9,11]。在細(xì)胞應(yīng)激、活化或凋亡、死亡過程中,HMGB1轉(zhuǎn)移至胞質(zhì)和胞外基質(zhì)[12-13],與相應(yīng)受體結(jié)合,介導(dǎo)TLR4/RAGE等眾多下游信號通路參與免疫炎癥反應(yīng)。

圖1 HMGB1-TLR4/RAGE相關(guān)信號通路

1.2 HMGB1在ALI/ARDS中的作用

1.2.1 HMGB1 放大炎癥級聯(lián)反應(yīng) HMGB1 作為ALI/ARDS炎癥反應(yīng)進(jìn)程中重要的晚期炎性因子,從胞核移至胞質(zhì),再由炎癥細(xì)胞將其釋放到胞外,可誘導(dǎo)炎性因子釋放、細(xì)胞聚集[13]、細(xì)胞分化[14]、細(xì)胞極化[5]等多種反應(yīng)。胞外HMGB1 與細(xì)胞表面受體結(jié)合,如RAGE、TLR2、TLR4[5]、TLR9[6]等,進(jìn)一步激活下游通路而發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)。此外,HMGB1可調(diào)節(jié)單核細(xì)胞的遷移[13],介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的高通透性[15],并激活巨噬細(xì)胞[13]、樹突狀細(xì)胞[16]、中性粒細(xì)胞等[5],使這些細(xì)胞釋放單核細(xì)胞趨化蛋白1 (monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)、腫瘤壞死因子α (tumor necrosis factor-α,TNF-α)、IL-1β、IL-6、巨噬細(xì)胞炎性蛋白1β、IL-8、IL-18 等,從而調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答[5,13,16-17]。Sun 等[18]研 究 發(fā) 現(xiàn)H MGB1 的 增 加 誘 導(dǎo) 了TNF-α和IL-6的第2次釋放,表明了某些早期炎性細(xì)胞因子與H MGB1之間存在正反饋效應(yīng),從而在空間和時間上可進(jìn)一步放大炎癥級聯(lián)反應(yīng)。

1.2.2 H MGB1在炎癥反應(yīng)中的時效性 關(guān)于HMGB1的時效性目前尚無統(tǒng)一定論。肺臟是膿毒癥最易被累及的靶器官,較早并發(fā)ALI/ARDS 是死亡的主要原因之一。Wang等[12]用脂多糖 (lipopolysaccharides,LPS)刺激鼠巨噬細(xì)胞樣RAW264.7細(xì)胞株,篩選出了培養(yǎng)基中18 h后明顯出現(xiàn)的HMGB1,但HMGB1 m RNA 的表達(dá)在16 h內(nèi)沒有上調(diào)。說明HMGB1作為一種晚期炎性因子,與早發(fā)炎性因子相比具有顯著的釋放延遲動力學(xué)[18]。有學(xué)者在LPS誘導(dǎo)小鼠的肺炎癥和損傷中發(fā)現(xiàn),誘導(dǎo)后2 h小鼠支氣管肺泡灌洗液中HMGB1 水平已能測定,6 h 更高[19]。而有研究發(fā)現(xiàn)HMGB1的釋放僅在LPS刺激RAW264.7細(xì)胞8 h后能被檢測到[20]。Chen等[21]使巨噬細(xì)胞暴露于煙草煙霧提取物8 h后,可明顯觀察到核HMGB1易位至胞質(zhì)和質(zhì)膜中,至24 h,HMGB1以可溶性分子或以微泡相關(guān)的形式釋放到胞外。而有學(xué)者發(fā)現(xiàn)能夠抑制HMGB1活性的藥物即使在疾病發(fā)作后48 h給予小鼠,也可顯著提高膿毒癥小鼠的存活率[22]。這些研究提示,盡管HMGB1是ALI/ARDS的晚期炎性因子,但它可能會在炎癥進(jìn)程的短時間內(nèi)表達(dá)其毒性。

1.2.3 HMGB1 可作為ALI/ARDS 新的治療靶點(diǎn)Hatayama等[23]用抗HMGB1單克隆抗體處理ALI小鼠后,小鼠肺組織彌漫性水腫和出血明顯減輕。LPS攻擊后,巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞及淋巴細(xì)胞的數(shù)量明顯增加,這種增加通過抗HMGB1處理后被顯著減弱,而重組HMGB1可提高促炎因子的水平,加劇炎性細(xì)胞的浸潤[5]。通過誘導(dǎo)HMGB1從胞核易位至胞質(zhì),可減少細(xì)胞自噬和凋亡,減輕呼吸機(jī)所致肺損傷[19]。減少HMGB1 的釋放也可減輕ALI的嚴(yán)重程度[24]。故HMGB1 可能是ALI/ARDS 有價值的臨床治療靶標(biāo)。

2 TLR4與ALI/ARDS

2.1 TLR4的結(jié)構(gòu)、分布與功能 TLR 是具有細(xì)胞外配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域、單個跨膜區(qū)段和胞質(zhì)Toll/IL-1R 結(jié)構(gòu)域的跨膜受體[25-26],其中TLR4基因位于9號染色體,主要在單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞中表達(dá)[27]。TLR4可識別LPS、肺表面活性蛋白A[28]、熱休克蛋白70[29]及HMGB1 等配體。其中LPS 刺激TLR4 后,可激活髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)和β 干擾素TIR 結(jié)構(gòu)域銜接蛋白2種途徑,這2種途徑與其他信號通路的交互可使TLR4信號得到適當(dāng)調(diào)節(jié),最終活化核轉(zhuǎn)錄因子κB (nuclear factor-kappaB,NF-κB)和絲裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase,MAPK)等信號通路,導(dǎo)致細(xì)胞激活或凋亡,以及促炎因子、趨化因子的轉(zhuǎn)錄[30-32]。

2.2 TLR4-NF-κB 信 號 通 路 在ALI/ARDS 中 的 作 用LPS、HMGB1等配體與TLR4 結(jié)合,通過不同途徑激活NF-κB信號通路,誘導(dǎo)下游趨化因子、細(xì)胞黏附分子及促炎因子大量釋放,募集中性粒細(xì)胞,使血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞受損[5,32-34]。一項膿毒癥致大鼠ALI研究中發(fā)現(xiàn),大鼠肺組織中HMGB1、TLR4 和NF-κB 表達(dá)明顯升高,而在抑制HMGB1-TLR4-NF-κB 信號通路后肺的組織結(jié)構(gòu)和功能有所改善,提示膿毒癥所致ALI與此信號通路激活密切相關(guān)[35]。Meng等[8]發(fā)現(xiàn)在使用右美托咪定干預(yù)LPS誘導(dǎo)的ALI后,降低了TNF-α、IL-6和IL-1β的釋放,抑制了HMGB1、TLR4、MyD88 和磷酸化NF-κB 通路蛋白的表達(dá),有效減輕了大鼠肺損傷程度。而基因敲除MyD88后可降低TNF-α和NF-κB 的水平,減弱百草枯誘導(dǎo)的小鼠ALI[36]。通過抑制TLR4-NF-κB信號通路,可減輕ALI炎癥反應(yīng)程度。

2.3 TLR4-MAPK 信號通路在ALI/ARDS 中的作用LPS與TLR4結(jié)合,激活MAPK 信號通路,導(dǎo)致機(jī)體對應(yīng)激刺激的信號級聯(lián)反應(yīng)。已有研究證實p38 MAPK、c-Jun氨基末端激酶 (c-Jun N-terminal kinase,JNK)/應(yīng)激活化蛋白激酶及細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶 (extracellular signalregulated kinase,ERK)可能參與了ALI/ARDS 的發(fā)展[37],通過調(diào)節(jié)TLR4-MAPK 信號通路可改善LPS誘導(dǎo)的ALI。木蘭花堿可抑制p38 MAPK、JNK 和ERK 活化,從而降低LPS 誘導(dǎo)的ALI中TNF-α、IL-1β和IL-6 的水平[37]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)丹寧酸抑制LPS誘導(dǎo)的TLR4的表達(dá)可能與其抑制了ERK1/2 和p38 MAPK 的活化有關(guān)[38]。Wang等[39]在LPS致ALI的體內(nèi)和體外研究中發(fā)現(xiàn),LPS刺激以時間和濃度依賴性方式增加p38 MAPK 磷酸化,從而導(dǎo)致肺上皮通透性過高和肺水腫,而基因敲除TLR4可消除LPS介導(dǎo)的p38 MAPK 磷酸化,表明TLR4參與LPS誘導(dǎo)的肺上皮屏障功能受損并在p38 MAPK 的上游起作用。有研究發(fā)現(xiàn),p38 MAPK 可能在LPS致NF-κB活化的上游起作用,抑制p38 MAPK 介導(dǎo)的NF-κB信號通路也可成為減輕肺部炎癥損害的措施[40]。

3 RAGE與ALI/ARDS

3.1 RAGE的結(jié)構(gòu)、分布與功能 RAGE是免疫球蛋白超家族中的一員,作為一種多配體模式識別受體,與多種炎性疾病的發(fā)病有關(guān)。人類RAGE編碼基因位于6號染色體上。由RAGE基因轉(zhuǎn)錄的m RNA 可選擇性剪切產(chǎn)生20多種異形體,這些異形體的存在導(dǎo)致多種信號傳導(dǎo)胞質(zhì)銜接子的存在[41]。生理狀態(tài)下,RAGE在肺上皮細(xì)胞中較高基礎(chǔ)水平表達(dá),有助于維持肺泡上皮細(xì)胞的形態(tài)和特定結(jié)構(gòu),而在巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞[42]等其他組織細(xì)胞中僅有低水平的表達(dá)[43]。病理條件下,RAGE 在內(nèi)皮細(xì)胞[42]、單核細(xì)胞[44]等細(xì)胞中的表達(dá)迅速升高,并與相應(yīng)配體結(jié)合,參與調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡[45]等重要過程。當(dāng)肺組織受刺激后可表達(dá)超生理水平的RAGE、HMGB1[46]和S100蛋白家族[47]等,它們相互作用,介導(dǎo)NF-κB、MAPK、酪氨酸激酶 (Janus kinase,JAK)/信號傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活蛋白(signal transducer and activator of transcription,STAT)[48]等下游信號通路,產(chǎn)生炎癥和氧化應(yīng)激,影響哮喘、COPD 和ALI等疾病的發(fā)生發(fā)展[49-50]。

3.2 RAGE-NF-κB 信 號 通 路 在ALI/ARDS 中 的 作 用NF-κB是RAGE下游介導(dǎo)體內(nèi)炎癥反應(yīng)的重要信號途徑之一,且RAGE-NF-κB信號傳導(dǎo)的激活可促進(jìn)RAGE本身的轉(zhuǎn)錄,兩者之間形成正反饋回路,進(jìn)一步介導(dǎo)促炎細(xì)胞因子分泌[51]。用LPS/HMGB1激活RAW264.7細(xì)胞后,新型RAGE拮抗劑降低了細(xì)胞表面RAGE 水平,抑制了NF-κB的核轉(zhuǎn)運(yùn),同時減少了TNF-α和IL-6的釋放,提示體外通過降低RAGE 介導(dǎo)的NF-κB 活化可減輕ALI[52]。在一項用氯胺酮治療LPS 致大鼠ALI的研究中,氯胺酮下調(diào)了RAGE、NF-κB 的mRNA 和 蛋 白 質(zhì) 水 平,從 而 抑 制 了HMGB-1 mRNA 的上調(diào)[46]。這些結(jié)果表明,抑制RAGENF-κB信號通路可以作為治療ALI的新選擇。

3.3 RAGE-MAPK 信號通路在ALI/ARDS中的作用 在LPS誘導(dǎo)的ALI小鼠中,通過抑制JNK m RNA 和p38 MAPK 的表達(dá)可顯著抑制炎癥反應(yīng)[53]。Xiao等[54]的研究結(jié)果表明,在體外和體內(nèi)抑制JNK 磷酸化,可進(jìn)一步抑制TNF-α、IL-6、IL-1β及COX-2 的表達(dá),表明JNK 在誘導(dǎo)表達(dá)炎癥介質(zhì)的上游途徑中有調(diào)節(jié)作用。Li等[55]發(fā)現(xiàn)氯胺酮抑制了大鼠ALI中肺組織HMGB1和RAGE的表達(dá),可能部分是由于氯胺酮抑制了MAPK 的激活。且通過抑制RAGE-MAPK 通路可減少氧化應(yīng)激、抑制自噬并降低炎癥反應(yīng),改善LPS誘導(dǎo)的ALI[56]。說明抑制RAGE-MAPK信號通路在ALI/ARDS臨床治療中具有潛在價值。

3.4 RAGE-JAK/STAT 信號通路在ALI/ARDS 中的作用 RAGE與HMGB1等配體結(jié)合后,可激活JAK/STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,誘導(dǎo)產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子[48],可能是ALI/ARDS炎癥進(jìn)程中的一個關(guān)鍵點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)使用小分子STAT3抑制劑LLL12可減輕炎性細(xì)胞浸潤,減少IL-1β和CCL2的表達(dá),且LLL12減弱了ARDS患者血漿誘導(dǎo)的人外周血單核細(xì)胞中STAT3的磷酸化[57]。另一些藥物可通過部分抑制STAT3 轉(zhuǎn)移到胞核[58]、降低JAK1/JAK2-STAT1的總水平和磷酸化水平[59]而在LPS 誘導(dǎo)的小鼠ALI中發(fā)揮抗炎作用。而體外下調(diào)JAK2/STAT1磷酸化水平并誘導(dǎo)HMGB1從胞核轉(zhuǎn)移至胞質(zhì)可減少細(xì)胞自噬與凋亡[19]。這些發(fā)現(xiàn)揭示了RAGE-JAK/STAT 途徑與ALI/ARDS的肺部炎癥、細(xì)胞自噬和凋亡之間的聯(lián)系。

4 展望

ALI/ARDS發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,其中心概念之一是失控的瀑布式炎癥級聯(lián)反應(yīng)。HMGB1 作為晚期炎性因子,其合成與釋放可影響ALI/ARDS的發(fā)生發(fā)展。HMGB1通過激活TLR4/RAGE等,進(jìn)一步介導(dǎo)眾多下游信號通路,釋放多種炎性介質(zhì)和趨化因子。由于完整的炎癥反應(yīng)可能涉及多種不同但平行的信號途徑,故HMGB1 的時效性及TLR4/RAGE介導(dǎo)的多種炎性通路所占比例等尚無明確定論,而該反應(yīng)涉及到的其他因素也需進(jìn)一步探索。但目前的研究結(jié)果讓我們相信,進(jìn)一步探尋這些分子在ALI/ARDS中的潛在作用機(jī)制,可為將來疾病的治療提供新靶點(diǎn)。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突