HMGB1介導(dǎo)TLR4/NF-κB信號通路干預(yù)骨關(guān)節(jié)炎研究進展

謝興文 陳欣 劉建軍 李元貞 席芳琴 齊偉 閆文 陳一新

1. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,甘肅 蘭州 730000

2. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730030

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是臨床常見病,導(dǎo)致受累關(guān)節(jié)疼痛、功能障礙。隨著人口老齡化和肥胖的加劇,OA的發(fā)病率逐年增高,成為影響患者生活質(zhì)量,增加醫(yī)療經(jīng)濟支出的主要疾病[1-2]。OA致病因素復(fù)雜,包括代謝、表觀遺傳、基因等因素,具體發(fā)病機制尚未明確[3]。研究表明軟骨細(xì)胞程序性壞死引起慢性低度炎癥反應(yīng)在OA發(fā)病中起著重要作用[4]。其中,高遷移率族蛋白B1(high-mobility group box 1 protein,HMGB1)是程序性壞死重要的損傷相關(guān)模式分子(danger induced molecular patterns,DAMPs),在免疫炎癥應(yīng)答反應(yīng)中扮演中心分子角色[5-6]。HMGB1與固有免疫模式識別受體TLR4(toll-like receptor4,TLR4)結(jié)合后激活細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,導(dǎo)致軟骨細(xì)胞程序性死亡,釋放炎癥因子并加重關(guān)節(jié)軟骨滑膜組織的炎癥級聯(lián)反應(yīng),表現(xiàn)為OA軟骨退變和滑膜炎[7]。近年來,研究發(fā)現(xiàn)HMGB1是激活TLR4/NF-κB信號通路引起OA的重要因子[8]。因此,研究HMGB1對OA病理過程變化作用,發(fā)現(xiàn)其調(diào)控TLR4/NF-κB信號通路相關(guān)的潛在分子機制可能有助于確定OA新的治療策略。

1 HMGB1與TLR4/NF-κB信號通路

高遷移率族蛋白(high mobility group protein,HMGP)是與染色體結(jié)合的非組蛋白成分,包括3個家族成員:高遷移率族蛋白A(HMGA)、高遷移率族蛋白B(HMGB)及高遷移率族蛋白N(HMGN)[9-10]。HMGB包含HMGB1、HMGB2、HMGB3 3個成員,廣泛存在單核巨噬細(xì)胞核中參與DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組等過程,與免疫炎癥性疾病的發(fā)生密切相關(guān)[11]。其中,人類HMGB1基因定位于染色體13q12,含有219個氨基酸殘基,由A-box、B-box和一個酸性C尾3個DNA結(jié)構(gòu)域構(gòu)成[12-13]]。其中,HMG box-A(9～85氨基)在N-末端,是發(fā)揮負(fù)反饋抑制的區(qū)域;C-tail(186-215氨基酸)在羧基末端,通過增加DNA與HMGB1的結(jié)合能力調(diào)節(jié)HMGB1與染色體相互作用[14]]。Box-A與C-tail結(jié)合后能夠增強其抗炎活性[[15]。HMG box B(89～162氨基)位于二者之間,是激活炎癥反應(yīng)的發(fā)生的功能結(jié)構(gòu)域,而A-box可以拮抗box-B引起的炎癥反應(yīng)[16-17]。

在正常情況下,HMGB1一般定位于細(xì)胞核中,當(dāng)受到炎癥介質(zhì)、內(nèi)毒素等刺激時由壞死的細(xì)胞被動釋放HMGB1到胞外,或免疫細(xì)胞主動分泌HMGB1到胞外與胞膜受體Tolls結(jié)合激活免疫系統(tǒng),促進TNF-α、IL-1β等炎性細(xì)胞因子的釋放從而激活炎癥反應(yīng)[18-19]。HMGB1可以作為炎癥因子激活免疫炎癥反應(yīng)加速細(xì)胞程序性死亡,細(xì)胞程序性死亡又可以加劇釋放HMGB1。HMGB1作為中心分子不斷放大炎癥瀑布級聯(lián)反應(yīng),使得炎癥反應(yīng)進一步加重[20-21]。因此,HMGB1是免疫炎癥網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞信號級聯(lián)至關(guān)重要的調(diào)節(jié)因子。

關(guān)節(jié)組織的慢性低度炎癥及免疫調(diào)節(jié)失衡是OA發(fā)生發(fā)展的重要機制。隨著對胞外HMGB1導(dǎo)致OA慢性低度炎癥作用的深入研究發(fā)現(xiàn),HMGB1作為炎癥介質(zhì)在OA中發(fā)揮促免疫炎癥作用[22-23]。當(dāng)機體出現(xiàn)炎癥初期,釋放少量HMGB1通過模式識別受體介導(dǎo)炎癥信號和軟骨細(xì)胞程序性壞死[24]。隨著炎癥循環(huán)放大導(dǎo)致HMGB1的水平升高,進一步驅(qū)動炎癥細(xì)胞因子的釋放并與多種細(xì)胞因子及趨化因子相互作用導(dǎo)致軟骨、滑膜組織炎癥損傷[25]。因此,HMGB1作為引起OA炎癥瀑布級聯(lián)反應(yīng)的中心分子,抑制HMGB1的表達調(diào)控炎癥信號通路和炎癥因子表達治療OA。

2 HMGB1與TLR4/NF-κB信號通路

TLR4由胞外識別區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)信號區(qū)等3部分組成固有免疫模式識別受體[26-27]。NF-κB是TLR4蛋白下游負(fù)責(zé)調(diào)解炎癥的樞紐信號蛋白,無致病原侵襲的生理狀態(tài)下NF-κB二聚體可與IKB(抑制蛋白)結(jié)合組成三聚體,使蛋白失活[28]。當(dāng)致病原侵襲機體或細(xì)胞后形成DAMPs被固有免疫細(xì)胞表面模式識別受體(pattern recognition receptor,PRR)啟動固有免疫應(yīng)答。其中,HMGB1被TLR4跨膜區(qū)識別激活胞內(nèi)區(qū)IL-1受體同源Toll/interukin-1受體(TIR)結(jié)構(gòu)域,接頭蛋白MyD88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)將IL-1受體相關(guān)白細(xì)胞介素-1受體相關(guān)激酶-4(interleukin-1 receptor associated kinases-4,IRAK-4)募集到TLRs形成信號復(fù)合物[29-30]。IRAK-4是絲/蘇氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶白細(xì)胞介素-1受體相關(guān)激酶(interleukin-1 receptor associated kinases,IRAKs)的家族成員,與髓樣分化因子MyD88形成寡聚復(fù)合物發(fā)揮支架作用,使得IRAK4通過Thr209、Thr387途徑發(fā)生自身磷酸化激活I(lǐng)RAK1和IRAK2,繼而激活NF-κB信號通路,調(diào)控IL-1β、IL-6、NO、PGE2、MMPs等細(xì)胞因子的表達。因此,TLR4/NF-κB信號通路參與機體免疫炎癥應(yīng)答反應(yīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程調(diào)控低度慢性炎癥的發(fā)生發(fā)展[31]。

HMGB1作為細(xì)胞因子參與炎癥反應(yīng)。研究[32-33]表明,TLR4在識別HMGB1后依賴髓樣分化蛋白88(MyD88)途徑形成活化的異源二聚體TLR4/MyD88復(fù)合物,從而啟動細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)激活I(lǐng)κB和IκK并使活化的NF-κB核移位引起細(xì)胞因子釋放[34]。這些炎癥因子可以進一步激活和增強相關(guān)NF-κB炎癥信號通路調(diào)節(jié)細(xì)胞因子、趨化因子的表達激活免疫細(xì)胞主動釋放HMGB1,促進細(xì)胞壞死被動釋放HMGB1[35-36]。HMGB1作為一種中心分子調(diào)控TLR4/NF-κB信號通路參與免疫炎癥級聯(lián)循環(huán)反應(yīng),加劇組織慢性低度炎癥損傷[37]。所以,抑制HMGB1的表達調(diào)控TLR4/NF-κB信號通路或者阻斷HGMB1與TLR4的結(jié)合從而下調(diào)NF-κB信號通路延緩軟骨退變。

3 HMGB1與OA

3.1 HMGB1促進炎癥因子的釋放

關(guān)節(jié)軟骨的退變及機械應(yīng)力等因素不斷誘發(fā)關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)成分和軟骨細(xì)胞壞死碎片誘發(fā)細(xì)胞釋放HMGB1等損傷相關(guān)分子模式表達[38]。Heinola等[39]發(fā)現(xiàn)HMGB1可以轉(zhuǎn)移到骨關(guān)節(jié)炎軟骨中軟骨細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞外基質(zhì),在OA患者的滑膜和軟骨碎片中,HMGB1表達水平較高。HMGB1激活和維持關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞之間的表面模式識別受體TLR4激活NF-κB產(chǎn)生和釋放炎癥介質(zhì)(細(xì)胞因子、趨化因子、脂質(zhì)介質(zhì))進入滑膜液[40],發(fā)揮炎癥反應(yīng)生化信號分子途徑導(dǎo)致軟骨細(xì)胞代謝活性受損,反過來又推動了OA疼痛和功能障礙的進展。

HMGB1激活先天免疫細(xì)胞廣泛受體的能力是關(guān)節(jié)炎癥反應(yīng)發(fā)展的基礎(chǔ)。它們促進巨噬細(xì)胞的招募和激活,巨噬細(xì)胞產(chǎn)生一系列炎癥細(xì)胞介質(zhì)激活TLR4/NF-κB免疫炎癥信號通路釋放炎癥因子加重機體的炎癥反應(yīng)[41]。關(guān)節(jié)滑膜巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞表面的TLR4模式識別受體識別HMGB1產(chǎn)生和釋放炎癥介質(zhì)(細(xì)胞因子、趨化因子、脂質(zhì)介質(zhì))進入滑膜液[42]。這些炎癥介質(zhì)激活分解代謝因子、細(xì)胞因子、趨化因子,促進關(guān)節(jié)低級別炎癥,增加軟骨細(xì)胞膠原酶和聚集酶的合成,促進軟骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞外基質(zhì)代謝穩(wěn)態(tài)異常,形成炎癥和軟骨退變的惡性循環(huán)。HMGB1促進軟骨和滑膜細(xì)胞之間軟骨和滑膜之間慢性低度炎癥的惡性循環(huán),患者的疼痛及功能進一步加劇影響患者的更多功能[43]。OA是一種全關(guān)節(jié)慢性低度炎癥性疾病,HMGB1作為機體的一種炎癥中心分子將發(fā)揮炎癥循環(huán)作用,抑制HMGB1的表達抑制OA炎癥反應(yīng),改善關(guān)節(jié)腫脹、疼痛癥狀,達到治療的效果。因此,靶向軟骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞之間的炎癥反應(yīng)及抑制抑制HMGB1/TLR4/NF-κB通路的表達是治療OA的一種潛在治療策略。

3.2 HMGB1促進軟骨細(xì)胞的凋亡和細(xì)胞外基質(zhì)的降解

軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)是軟骨的重要組成部分。研究表明,在軟骨代謝過程中,軟骨細(xì)胞產(chǎn)生Ⅱ型膠原蛋白、蛋白聚糖等成分調(diào)控ECM代謝穩(wěn)態(tài)[44-45]。軟骨ECM為軟骨細(xì)胞提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)環(huán)境,二者相互作用維持軟骨組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)及軟骨生物力學(xué)功能[46]。生理狀況下,軟骨細(xì)胞接受關(guān)節(jié)內(nèi)機械信號和生化信號,調(diào)控軟骨ECM的代謝處于動態(tài)的平衡之中[47]。隨著機體的衰老和機械應(yīng)力改變了關(guān)節(jié)內(nèi)的生物力學(xué)信號,軟骨的慢性損傷和DAMPs分子的增加,激活TLR4/NF-κB信號通路產(chǎn)生和炎癥介質(zhì)的釋放,軟骨合成代謝下調(diào)或分解代謝上調(diào),軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)破壞。其中,HMGB1與巨噬細(xì)胞、滑膜細(xì)胞和關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的上表面TLR4的結(jié)合,激活軟骨細(xì)胞核內(nèi)NF-κB的表達,分泌基質(zhì)降解酶(MMPs和ADAMTs)抑制了聚集素和II型膠原的合成,軟骨細(xì)胞ECM的合成減少,軟骨細(xì)胞ECM穩(wěn)態(tài)被打破,關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的代謝穩(wěn)態(tài)失衡,軟骨代謝修復(fù)調(diào)節(jié)能力不足,進一步加速關(guān)節(jié)軟骨退變。另外,軟骨細(xì)胞的凋亡促進軟骨細(xì)胞釋放HMGB1增加,進一步強化軟骨細(xì)胞慢性低度炎癥循環(huán),繼而加速軟骨細(xì)胞凋亡和細(xì)胞外基質(zhì)分解加劇[48]。

HMGB1的表達在整個炎癥階段上調(diào),可通過內(nèi)源性和細(xì)胞外途徑調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的活性[49]。HMGB1通過上調(diào)機體炎癥因子的產(chǎn)生,導(dǎo)致軟骨細(xì)胞及軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的破壞增加[50]。因此,抑制HMGB1的活性,打破炎癥循環(huán)反應(yīng)鏈,降低軟骨細(xì)胞的HMGB1釋放及炎癥因子對軟骨細(xì)胞的破壞,對抑制OA慢性低度炎癥和維持軟骨代謝穩(wěn)態(tài)具有重要意義。景嶸月等[51]研究發(fā)現(xiàn)中藥制劑新痹痛靈能降低滑膜組織中HMGB1 mRNA的表達及抑制HMGB1而減少相關(guān)炎癥通路的激活減輕OA大鼠關(guān)節(jié)腫脹。

4 總結(jié)及展望

OA是一種慢性低度炎癥性疾病,免疫炎癥級聯(lián)反應(yīng)在OA病理過程中發(fā)揮重要作用。HMGB1作為重要的免疫炎癥級聯(lián)反應(yīng)中心分子與OA免疫炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。其中,HMGB1通過TLR4激活NF-κB信號通路引起炎癥因子釋放,炎癥因子促進滑膜炎癥反應(yīng)以及軟骨細(xì)胞的程序性死亡和軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解。因此,HMGB1可能是OA軟骨退變和炎癥反應(yīng)進展的關(guān)鍵分子,對HMGB1及慢性低度炎癥反應(yīng)的深入了解將為開發(fā)新的治療OA藥物提供更多新思路。目前針對HMGB1/TLR4/NF-κB信號通路治療OA的藥物以實驗研究為主,還需要臨床研究證據(jù)的支持。