HMGB1/RAGE信号与呼吸系统疾病及其研究进展

2020-03-02孙婧怡孙亚冰马礼兵

国际呼吸杂志 2020年3期

孙婧怡孙亚冰马礼兵

桂林医学院附属医院呼吸与危重症医学科541001

高迁移率族蛋白1(high mobility group box-1 protein,HMGB1)是一种广泛存在于哺乳动物真核细胞核内的非组蛋白染色体结合蛋白,氨基酸组成序列在生物进化过程中高度保守。HMGB1扮演着多重角色,生理情况下HMGB1主要存在于细胞核,且它不仅仅是内生“危险信号”分子,当外界有适当的信号刺激细胞时,HMGB1可被释放到细胞外环境发挥调节作用。已有实验证实,当体内发生炎症损伤时,坏死细胞以及免疫细胞均可释放HMGB1入血,此时HMGB1可作为炎症因子参与炎症、感染、自身免疫等病理过程,是一种至关重要的细胞因子[1]。

随着研究的深入,HMGB1各种作用机制陆续被提出。在结构方面,HMGB1包含2个核定位序列,可通过弯曲DNA螺旋结构稳定染色质结构并调节基因转录[2]。在功能方面,Bustin等[3]首次提出HMGB1可能行使着除核蛋白以外的尚未明确的功能。已有实验证实,当机体处于稳态时,HMGB1主要存在于细胞核内,但其也可表达于细胞膜表面、线粒体等,或是转移到细胞质,当细胞接受适当的信号刺激时,HMGB1的赖氨酸残基被乙酰化后HMGB1可释放到细胞外而发挥多种生物学效应。比如,有学者提出HMGB1作为重要的介质参与机体坏死后无菌性炎症[1]。且HMGB1不仅可被损伤或坏死细胞被动释放,也可以由多种免疫细胞 (如巨噬细胞、单核细胞、树突状细胞)主动分泌发挥其促炎作用,此时HMGB1还能促进炎症因子(包括肿瘤坏死因子α、IL-β等)的产量[4]。因此,HMGB1可能作为至关重要的因子参与多种相关疾病的发病过程。

迄今为止,HMGB1细胞外的信号通路仍未完全阐明。但晚期糖基化终产物受体 (receptor for advanced glycation end-products,RAGE)和Toll样受体家族的部分成员已明确是其重要作用受体。

1 HMGB1/RAGE信号

RAGE是免疫球蛋白超家族成员之一,表达于多种炎症细胞以及结构细胞[5]。有报道指出RAGE是一种模式识别受体,也是一种多配体受体,其配体除HMGB1,还包括糖基化终产物、血清淀粉样蛋白A、β-淀粉样肽、S100家族蛋白和β2-整合蛋白CD11b[6]。RAGE是一种膜结构受体,sRAGE是RAGE的内源分泌型,可出现在循环血液中,RAGE/sRAGE的平衡有助于维持机体内稳态[7]。RAGE有多条下游信号转导通路,其可激活下游信号因子NF-κB,或ERK和p38通路等,将引发一系列的炎症因子比如肿瘤坏死因子、IL-6、干扰素γ的合成分泌,还能加强自身HMGB1/RAGE反馈循环等效应[8]。诸多证据表明,HMGB1可通过其受体RAGE参与机体的多种重要的生理病理过程,如损伤修复、感染、炎症、肿瘤、免疫分化等,并发挥重要生物学调节效应[9]。同样已有诸多学者证实HMGB1/RAGE信号涉及多种临床常见疾病,如急性肺损伤(acute lung injury,ALI)/ARDS[9]、风湿性疾病[10]、败血症[11]、哮喘[12]、COPD[13]、肺癌[6]、特发性肺动脉高压和肺纤维化[14]等。

2 HMGB1/RAGE信号与呼吸系统

HMGB1在人体肺脏中有广泛的表达。根据Shim等[15]对小鼠肺组织的观察发现,含有HMGB1的细胞也存在于小鼠肺间质和血管周围,他们提出HMGB1/RAGE信号作为重要角色存在于多种呼吸系统组成细胞并涉及多种呼吸道疾病发病过程。有实验证实,HMGB1/RAGE信号不仅可介导气道炎症,还参与增强气道高反应性和影响肺功能[16]。而且,RAGE受体的突变是哮喘发展的危险因素,RAGE缺乏与病毒诱导的哮喘表型有关[17]。种种证据表明,HMGB1/RAGE信号通路不仅广泛参与呼吸系统疾病,还可能成为预测呼吸系统疾病的生物学指标,作为防治呼吸系统疾病的潜在新靶点。

3 HMGB1/RAGE信号与败血症/脓毒症

败血症可伴有多发性脓肿,病程较长者称为脓毒血症,严重时可出现休克、多器官衰竭等危及生命的并发症[11]。关于败血症机制有诸多研究,但其调控血管渗出等炎症过程的具体机制仍未明确。目前认为,关键性的病理生理因素是由于促炎症反应和其对应的抗炎机制之间的平衡紊乱。

有研究表明,HMGB1具有双警报功能,可释放蛋白质以警告邻近细胞控制释放HMGB1以达动态平衡;在细胞外,HMGB1可以通过RAGE受体介导的内吞作用内化到溶酶体,并附着于其他细胞外促炎分子,进一步传递细胞外威胁并启动适当的激活途径[18]。同时HMGB1可参与调节抗炎细胞因子IL-10的产生[19],而在具有潜在慢性炎性病症的晚期患者中,HMGB1的峰值与较差的预后相关[20]。在基因学研究中发现,人类抗原R的异位表达可通过激活HMGB1信号传导途径而介导炎症反应并进而诱发败血症[19]。有学者证实HMGB1/RAGE-膜突蛋白可诱发血管性炎症反应,并认为HMGB1/RAGE-膜突蛋白可能成为败血症预测及治疗研究的重要靶点[21]。败血症/脓毒症的发病机制仍未明确,目前针对其治疗仍然更多集中于纠正脓毒症引起的病理生理后果上,效果尚不理想。不少学者认为,特异地抑制HMGB1的释放和活性可能是一种有前景的针对发病分子机制的抗炎策略,其显著的生物学调节活性可能为该病的分子学治疗提供新的方法和途径[22]。

4 HMGB1/RAGE信号与ALI/ARDS

ALI涉及多种直接或间接因素引起的肺泡上皮细胞(尤其是Ⅰ型肺泡上皮细胞)和肺泡毛细血管上皮细胞的损伤,可造成弥漫性肺实质、肺间质损伤及坏死,持续恶化可导致以严重炎症反应、顽固性低氧血症为显著特征的ARDS。ARDS是一个连续的病理过程,其早期阶段为ALI,两者具有相似的病理生理学基础。ALI/ARDS发病机制涉及炎症-抗炎、氧化-抗氧化的平衡和炎症因子、黏附分子上调等经典炎症反应[23]。HMGB1作为重要的炎症介质参与ALI/ARDS病理过程。Ueno等[24]已证实气管注射HMGB1可导致急性肺部炎症的恶化;而阻滞HMGB1活性时,脂多糖诱发的ALI有所缓解。Wolfson等[25]证实机械通气作为ARDS患者重要支持治疗手段也可导致患者肺部毛细血管HMGB1表达水平的升高,他们认为呼吸机相关性肺损伤引起的局部HMGB1水平的增高可诱发该处血管渗出和肺泡出血,系统炎症反应加重,多器官功能衰竭的风险增高。在最新研究中发现,细胞自噬诱导剂可提高HMGB1中的单核细胞趋化蛋白1进而激活参与脓毒症的病理生理过程,减轻脓毒症中细胞因子的过度释放及相关肺损伤[26]。诸多数据证实HMGB1/RAGE不仅参与ALI/ARDS发生发展过程,还可作为其预测指标。有研究证实,ARDS患者第1天血清HMGB1浓度可作为可靠的ICU患者罹患ARDS死亡率生物学指标[27]。近期,Izushi等[28]的研究表明sRAGE的释放有可能减轻ARDS中的过度炎症反应,提示RAGE可作为治疗ARDS的分子靶点成为新晋的候选者。ALI/ARDS病情凶险,预后不良,治疗效果不理想,死亡率高,且目前其发病机制仍未完全阐明,而HMGB1/RAGE信号的深入研究可能为ALI/ARDS的早期诊断、预后分析和分子治疗提供新的可能。

5 HMGB1/RAGE信号与COPD

COPD是目前最常见的威胁患者生命的慢性呼吸系统疾病之一[29]。其组织病理学特点包括早期小气道的炎症和重塑(如气道纤维化)、肺气肿导致其特征性持续性气流受限[30]。随着病情进行性加重,最终可出现肺源性心脏病、呼吸功能衰竭等,危及患者生命。目前针对维持或修复肺功能、控制症状和并发症的治疗效果仍差强人意[7]。

已有研究显示,在气道炎症、损伤、修复的过程中HMGB1/RAGE信号起到至关重要的作用[1,6]。诸多试验证实HMGB1/RAGE信号参与了COPD气道炎症形成,且诱导痰HMGB1水平与COPD严重程度呈正相关。研究显示,血清中sRAGE可作为监测COPD的潜在生物学指标[13]。最近有研究表明,PM2.5可通过HMGB1/RAGE信号传导体外诱导转化生长因子β1、血小板衍生生长因子AB和血小板衍生生长因子BB的表达,进而发现该途径可能促进COPD患者的气道重塑[31]。COPD的病情进展可导致肺动脉内膜增厚、内径增大等血管重塑的特征,可导致肺动脉高压[32]。Zabini等[14]证实肺动脉高压患者血清HMGB1含量也较高。他们的进一步研究发现HMGB1在体外试验中可促进肺动脉内皮细胞的增殖与分化以及平滑肌细胞的增殖,由此可知HMGB1在肺动脉重塑中也起到重要作用。近年来,HMGB1及其重要受体RAGE在COPD发病中的作用的研究越来越多,均证实了HMGB1/RAGE信号起到了重要作用,不少学者认为HMGB1/RAGE信号将为未来COPD防治提供新方向[7]。

6 HMGB1/RAGE信号与哮喘

6.1 HMGB1/RAGE信号与中性粒细胞哮喘已有许多研究发现,哮喘患者的诱导痰中HMGB1含量明显增高,且其增高程度与哮喘的气流受限程度以及哮喘的严重程度呈正相关[12]。有研究证实在哮喘小鼠模型中降低H MGB1在肺部的表达水平能有效地减缓肺部炎症反应[33]。哮喘发病过程中涉及气道上皮细胞损伤,HMGB1可由损伤细胞释放到细胞外。在中性粒细胞哮喘患者诱导痰中,HMGB1的含量与其中性粒细胞百分比呈正相关,这说明HMGB1可能参与气道的中性粒细胞炎症,且HMGB1本身就是一种中性粒细胞趋化因子[1,12]。Sukkar等[34]已证实中性粒细胞哮喘患者肺部sRAGE明显减少,在他们的研究中发现RAGE/sRAGE失平衡可加剧炎症反应,进而参与中性粒细胞哮喘的气道炎症恶化。还有研究表明,sRAGE可通过阻断树突状细胞中的HMGB1/RAGE信号传导来阻止Th17介导的中性粒细胞哮喘中的气道炎症[35]。

中性粒细胞相关的重症哮喘以及难治性哮喘的症状难以控制,危及患者生命,而其发病机制中诸多环节尚不明确,深入研究HMGB1/RAGE信号及其相关的细胞因子和炎性介质的作用机制,对揭示中性粒细胞哮喘的发病机制及防治措施有重要价值。

6.2 HMGB1与嗜酸粒细胞哮喘诸多研究认为,哮喘患者呼吸道局部炎症是以嗜酸粒细胞为多数的炎性反应,长期以来嗜酸粒细胞哮喘在哮喘的研究中备受关注。嗜酸粒细胞亦在过敏性哮喘的发病机制中扮演重要角色。而笔者在前期研究过敏性哮喘小鼠模型中也证实,气道局部的HMGB1表达明显高于正常组[36-37]。研究表明HMGB1不仅能在中性粒细胞炎症中发挥炎症因子的作用[1],而且能作为一种危险信号延长嗜酸粒细胞的存活时间以及在嗜酸粒细胞炎症过程中扮演趋化因子的角色。Shim等[15]证实在哮喘小鼠模型的气道嗜酸性炎症中HMGB1至关重要,首先在哮喘小鼠的肺泡灌洗液中HMGB1含量显著高于对照组小鼠。当抑制HMGB1的活性,小鼠气道嗜酸粒细胞炎症、气道高反应性显著好转,肺泡灌洗液中粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子和IL-5水平显著下降,且小鼠气道的组织学改变也有所改善。还有研究表明,HMGB1可能参与协调嗜酸粒细胞增加的过敏性肺部炎症的氧化还原状态,与哮喘的炎症发展和气道重塑相关[38]。

HMGB1在嗜酸粒细胞哮喘中的机制尚未明确,深入研究可能有助于根据不同类型哮喘的不同机制而制定哮喘个体化治疗方案,HMGB1可能成为未来哮喘表型机制研究与防治的新突破点。

6.3 HMGB1/RAGE信号与支气管上皮细胞、上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT) 目前认为,在哮喘的发病过程中支气管上皮细胞也扮演着重要角色,可通过分泌许多细胞因子及趋化因子在气道慢性炎症中起作用。另外,哮喘进程中支气管上皮细胞存在着反复的损伤、脱落、修复过程,此过程参与诱发哮喘的另一重要病理过程——EMT。EMT被认为在哮喘气道上皮下纤维化及导致激素抵抗型哮喘的气道重塑过程中发挥重要作用[39]。

有实验证实,HMGB1/RAGE信号可参与EMT的过程,但具体机制仍不明确。Liang等[40]研究发现HMGB1可增加促炎细胞因子和显著上调RAGE在支气管上皮细胞的表达,且HMGB1通过其配体RAGE刺激支气管上皮细胞增加促炎细胞因子 (主要包括肿瘤坏死因子α、胸腺基质淋巴细胞生成素、基质金属蛋白酶9和血管内皮生长因子)的表达,这些细胞因子在炎症反应中起到了关键作用,也是气道慢性炎症性疾病 (如哮喘和COPD)的重要致病因素。在体外模拟哮喘气道慢性炎症反应的细胞因子微环境研究中发现,IL-17可增强转化生长因子β1诱导人支气管细胞株EMT的发生,并与IL-4具有协同作用[41];而笔者的前期实验则发现,HMGB1也可促进转化生长因子β1诱导的人支气管上皮细胞的EMT过程[36-37];此外,若同时加入IL-17共作用,EMT程度更加明显,表明在体外IL-17具有协同增强H MGB1诱导支气管上皮细胞发生EMT的作用[42]。且体外研究表明H MGB1可促进Th17细胞的增殖活化。笔者推测HMGB1信号有可能通过调控Th17/IL-17从而作用于气道的EMT及气道重塑过程,有待进一步深入研究证实。

6.4 HMGB1/RAGE信号与哮喘治疗近期有研究证实Anti-HMGB1抗体在治疗屋尘螨致敏的过敏性炎症反应时,可显著抑制其炎症反应,包括抑制气道中性粒细胞及嗜酸粒细胞的聚集和Th2细胞因子的表达,最有效的是抑制气道IgE的表达。Manti等[43]研究表明,HMGB1是儿童过敏性哮喘的敏感生物标志物,且研究结果显示HMGB1水平降低与成功治疗反应之间存在显著相关性。这些数据不仅表明HMGB1可介导气道炎症反应,而且其抑制剂Anti-HMGB1还能影响过敏性哮喘主要呼吸道的致敏因素。这证明,HMGB1/RAGE是未来哮喘分子治疗的一个重要靶点,不仅可以在预防哮喘方面起到重要作用,在哮喘的治疗方面可能具有更大潜能[41]。

7 HMGB1/RAGE信号与肺癌

HMGB1可参与肿瘤的发展、增殖、侵袭和转移,研究表明其高水平与临床预后不良相关[44]。已有报道证实,HMGB1对肿瘤既有致病也有抑制的双重复杂作用,它不仅涉及肿瘤的形成和进展,尤其是在肿瘤转移中起到重要作用,还在肿瘤化疗反应中占据一席之地。研究显示,RAGE参与各种肿瘤的生存、生长和转移,并对多种恶性肿瘤有增加其风险性的作用[45]。大多数的肿瘤治疗的失败不仅是原发灶的因素,更多是源于其浸润性生长和转移[46]。Zuo等[47]证实在体外试验中敲除肺癌细胞 (肺腺癌A549细胞株)上的HMGB1可显著增强肿瘤细胞的侵袭性以及促进其转移,且在体内试验也证实了HMGB1对肿瘤转移的促进作用。更有实验证实,RAGE的表达可在肺癌的发生发展过程中增加,并在形成原发性肿瘤及进展为更晚期的侵袭性肺腺癌中发挥作用[48]。而miR-200c可通过下调HMGB1来抑制非小细胞肺癌细胞的EMT、侵袭和迁移[49]。Karsch-Bluman等[50]证实HMGB1拮抗剂通过在体外和体内减少肿瘤细胞的黏附和细胞-细胞相互作用来防止肺肿瘤细胞的黏附和定植。最近研究发现肺癌的发生与RAGE的上调密切相关,sRAGE可作为肺癌有效的、方便的和敏感的诊断性生物标志物[51]。RAGE下游的信号转导如PI3K/Akt和KRAS/RAF-1通路可被敲除RAGE有效抑制。超活化的Akt和PI3K在许多癌症包括非小细胞肺癌中被发现,提示参与肿瘤的增殖、细胞生长、转移以及血管生成[52]。其具体机制仍需进一步探索。

HMGB1/RAGE信号已被证实是肿瘤治疗的一个新靶点,已有众多学者研究其在肿瘤的预防和治疗等方面的效应[33,41]。据报道,肺腺癌肿瘤细胞暴露于多西他赛环境,可促进HMGB1从细胞核心转移到细胞质中,并扮演一个细胞自噬的正反馈调节者的角色,可以改变肺腺癌细胞对多西他赛的敏感性,起到调节多西他赛诱发细胞自噬的作用,还能对多西他赛的耐药产生积极的影响[53]。HMGB1在肺腺癌治疗中可以起到积极的作用,可能成为未来新药研发的一个重要靶点。但其也有消极的一面,当接受化疗时坏死的肿瘤细胞将释放HMGB1到细胞外,通过与受体RAGE相偶联,可增加残余的肿瘤细胞的再生和转移[54]。因此,这种情况下,拮抗HMGB1/RAGE信号可能增加化疗的有效性[47]。这样拥有双重作用的HMGB1/RAGE信号在肺癌发生发展以及治疗中扮演着矛盾的角色,这也说明HMGB1/RAGE信号起着重要作用,阐明其在肺癌转移的分子机制可为未来发掘干预靶点提供一定的理论基础。