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HMGB1介导急性肺损伤发病机制的研究进展
时间：2010-08-23 14:04:38 来源： 作者：
| Among the cytokines network participating in the development of Acute Lung Injury(ALI), High Mobility Group Box 1 protein (HMGB1) is a late mediator in sepsis. Further study in it may contribute to a deeper understanding in the pathogenesis of ALI. Thus set up more convenient and practical index for pathologic evolution and prognosis, offer effective intervention opportunities and new therapeutic targets for ALI. Keywords: HMGB proteins；Respiratory Distress Syndrome, Adult Corresponding author: Ju Gao; E-mail:gaoju_003@163.com 急性肺损伤（acute lung injury, ALI）一直是危重病学领域面临的重大难题，其病理过程与感染、休克等多种病理损伤诱导炎性细胞激活、炎性介质释放，导致肺内炎症级联反应或“瀑布效应”密切相关。高迁移率族蛋白1(high mobility group box 1，HMGB1)是一类广泛存在于真核细胞内的非组核蛋白。新近研究发现，HMGB1可作为新的“晚期”致炎细胞因子参与了ALI的致病过程。目前对HMGB1的研究之所以成为热点,是因为其对有效阻断炎症级联反应(inflammatory cascade)提供了新的靶点和干预时机。故此，本文就HMGB1在ALI发病机制的研究进展作一综述。 1. HMGB1的概况 1.1 HMG的分型 高迁移率族蛋白(high mobility group，HMG)是1973年由Goodwin等首次从牛胸腺中提取和鉴定出的一组含量丰富的非组蛋白核蛋白 (nonhistone nuclear protein)，因蛋白质分子量低(≤30KD)，富含电荷，在聚丙烯酰胺凝胶电泳中迁移率快而得名。HMG可进一步分为HMGA、HMGB、HMGN 3个家族，而HMGB家族又有3个成员：HMGB1、HMGB2和HMGB3。HMGB1广泛分布于淋巴组织、脑、肝、肺、心、脾、肾等组织中，除在肝、脑组织中主要存在于胞浆外，HMGB1在其它组织中主要存在于胞核中；而HMGB2/3分布较局限，HMGB2仅分布在睾丸和淋巴组织中，HMGB3仅在胚胎中被发现。 1.2 HMGB1的结构（图1） HMGB1序列高度保守，高等真核生物中有80％的HMGB1氨基酸序列保持一致。人HMGB1由215个氨基酸残基组成，包括N端富含赖氨酸的HMGB Box A(1～85 residues)和位于分子中间的HMGB Box B(88～162 residues)，而氨基酸序列高度保守的C端(186～215 residues)，又称酸性尾端(acidic tail)，富含天冬氨酸和谷氨酸。新近研究发现，A box和B box在炎症反应中可能有相反的功能。实验显示注射重组A box蛋白能明显降低脓毒症死亡率，提示HMGB1结构中的A box结构域可能与抗炎作用有关。HMGB1刺激促炎细胞因子合成与B box结构域有关，B box重现了整个HMGB1的细胞因子活性且有效地激活单核细胞释放TNF-α和其它致炎细胞因子，对TNF-α等致炎细胞因子激活的活性集中于B box前端20个氨基酸(89-108)，用抗B box抗体对小鼠进行被动免疫对致死性内毒素血症及脓毒症表现出显著的保护作用，这些结果显示HMGB1的致炎区域在于高度保守的DNA 结构域B box。图1：HMGB1的分子结构 1.3 HMGB1的分泌（图2） 胞内HMGB1可通过活化炎性细胞的主动分泌及坏死细胞的被动释放两种途径进入胞外。研究显示，当单核／巨噬细胞受到LPS、TNF-α、IL-l0等刺激后，细胞激活并乙酰化核中的HMGB1,导致HMGB1再分布到胞浆中，并集中到分泌性溶酶体中，当炎性细胞再次受到刺激，HMGB1则由分泌溶酶体主动分泌到细胞外，这种非经典分泌途径是因HMGB1缺乏引导肽结构所决定[。值得注意的是，尽管凋亡细胞由于HMGB1紧密结合于染色质而不能释放出来，但巨噬细胞对调亡细胞的吞噬作用可促使吞噬细胞主动分泌HMGB，HMGB1的被动释放是指HMGB1从坏死或损伤细胞内“漏逸”到周围环境中，由于 HMGB1与DNA的结合是松散的，一旦细胞损伤坏死，HMGB1即容易以可溶性形式扩散到细胞外环境中。故此，目前有观点认为HMGB1是细胞坏死的一种危险信号。在这两条分泌途径中，HMGBl的分子结构是存在区别的，即由炎性细胞主动分泌的HMGBl是高度乙酰化，而坏死细胞被动释放的HMGBl没有，目前尚不清楚这一区别反映在功能上的差异性。 1.4 HMGB1的胞外信号转导机制 HMGB1应与靶细胞表面受体结合才能发挥生物学效应，高级糖化终末产物受体(receptor for advanced glycation end-products，RAGE)是最早被确定的HMGB1受体，属于免疫球蛋白超家族跨膜受体，主要表达在单核巨噬细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞等细胞表面。HMGB1与RAGE结合能促进内皮细胞、单核巨噬细胞的氧化应激。它们结合后诱导细胞内的信号转导主要有两条通路：一条涉及Rac和Cdc42途径，导致细胞骨架重建；另一条涉及Ras-MAPK途径和NF-κB移位介导的炎症反应[13]。新近研究证实,中性粒细胞及巨噬细胞中HMGB1通过TOLL样受体TLR-2和TLR-4导致MYD88依赖性活化NF-κB，参与HMGB1诱生的信号调控过程。除此之外，姚咏明等研究发现，JANUS激酶/信号转导及转录活化因子(JAK/STAT)通路可能参与HMGB1表达及致炎效应的信号调节。但确切的分子生物学机制尚不清楚。 2.HMGB1的晚期炎症介质作用 2.1 HMGB1在炎性反应中的作用 1999年Wang等在Science首次报道HMGB1作为一种晚期炎性介质参与了脓毒症的发病过程。小鼠实验证实，注射LPS、IL-1、TNF-α8h后，单核巨噬细胞开始分泌HMGB1，并在随后的24 h中血清HMGB1浓度维持较高水平， HMGB1也可刺激单核巨噬细胞分泌某些促炎因子，如TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8，但不包括IL-10和IL-12。与LPS相比，HMGB1引起的TNF-α分泌曲线呈明显的双峰型，峰值分别出现在3 h和8～10 h，其药代动力学特征与TNF-α和IL-1β等细胞因子有显著不同；姚咏明等[17,18]通过检测烫伤大鼠及脓毒症大鼠肝、肺、小肠等组织HMGB1 mRNA 的表达情况，进一步证实了HMGB1出现晚、持续时间长的动力学特征。 不仅如此，体外研究还证实，LPS和TNF-α、IL-1等细胞因子可通过活化单核巨噬等炎性细胞，促进HMGB1的释放。释放入血的HMGB1通过内分泌和旁分泌的形式作用于单核、上皮、内皮等多种细胞，又诱生一系列炎症因子以及HMGB1的进一步释放，导致炎症级联反应的进一步扩大。研究进一步发现，HMGB1作为炎性细胞因子广泛参与炎症反应。将其与中性粒细胞或血管内皮细胞体外培养，HMGB1不仅能促使TNF-α、IL-1等表达，还能激活P38MAPK激酶、ERK激酶、JNK激酶并促使核转录因子NF-κB发生核移位。这些研究提示，HMGB1可能是致炎细胞因子网络的一个中心环节，不仅自身分泌有级联放大效应，还能调节其他炎症因子分泌，是直接导致致死性内毒素休克的“晚期”重要介质。2.2 抗HMGB1治疗的潜在作用 在炎性级联反应过程中，HMGB1出现较TNF-α、IL-1晚的特点为有效阻断炎症级联反应提供了靶点和干预时机，更为抗感染治疗带来新的希望。研究显示，在LPS诱导的内毒素血症动物模型中，给予抗HMGB-l多克隆抗体能有效阻止内毒素血症所致动物死亡。 HMGB1特异性抗体也能有效抑制LPS引起的肺损伤。值得关注的是，在CLP造模成功后24 h再给予HMGB-l抗体仍能发挥良好的抗感染效应。这些实验结果均有力证明，针对HMGBl的治疗较其他致炎细胞因子具有更宽的治疗窗口期，是以往应用抗TNF-α、抗IL-1抗体治疗所不能及的。除此之外，HMGB1 A box和乙基丙酮酸酯也同样具有抗HMGB1的作用。乙基丙酮酸酯是一种稳定的丙酮酸酯类衍生物，体外实验已证实能抑制LPS刺激下单核巨噬细胞TNF-α及HMGB1的产生，但其抑制HMGBl产生的机制目前尚不清楚。 3. HMGB1在ALI中的作用 肺脏是全身失控性炎症反应的重要靶器官。感染、失血性休克、机械性创伤均可引发ALI，但共同机制与这些病理损伤引起体内过量、持续性释放细胞因子密切相关。炎症介质如TNF-α、IL-1β、IL-6及IFN-γ等曾被认为是引起ALI的中心因素，然而过去10多年，临床应用针对TNF-α、IL-1β等炎症介质的拮抗剂并未取得满意效果。其中重要原因是这些试验大多靶向于早期炎症介质，而事实上，往往对患者进行干预治疗时，可能ALI发生的整个级联反应已经启动。并且在病程后期，虽然TNF-α、IL-1β等水平往往已恢复至正常，但患者的病情仍持续加重甚至死亡。 晚期炎症介质HMGB1的出现为ALI的治疗提供了新的作用靶点和时机， Abraham等发现小鼠气管内给予HMGB 1滴注可诱发急性肺部感染，病变部位在滴注HMGB1 8h～24h后发生中性粒细胞聚集、肺水肿，并产生IL-1、TNF- α，MIP-1等早期炎性细胞因子。在内毒素导致的肺部炎症中，无论在给予LPS前或后使用HMGB1抗体均能明显减轻中性粒细胞聚集和肺水肿。临床研究亦同样证实，伴有急性肺炎性损伤的脓毒症病人血清和BALF中HMGB1浓度将持续性升高，且HMGB1表达水平与病人死亡率密切相关，提示HMGB1在急性肺炎症损伤中发挥着重要的作用，其作用机制尚未完全阐明。有研究显示α-趋化因子在HMGB1募集中性粒细胞的过程中发挥一定作用，抑制α-趋化因子受体能减少HMGB1对中性粒细胞的募集，提高CLP脓毒症小鼠的存活率[。也有研究认为，HMGB1在内毒素所致急性肺损伤发生、发展的作用机制与其调节肺泡巨噬细胞吞噬功能有关。17 张立天, 姚咏明, 陆家齐, 等. 脓毒症大鼠高迁移率族蛋白-1基因表达及其与内毒素血症的关系. 中华普通外科杂志, 2002, 17:556-558. 18 方文慧, 姚咏明, 施志国, 等. 严重烫伤后高迁移率族蛋白-1基因表达的改变及意义. 中华外科杂志, 2001, 39 :137-140. 19 lloa L, Messmer D. High mobility group box 1(HMGB1) protein: Friend and foe. 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Am J Respir，2004，178：185- 189. 25 Angus DC, Yang L, Kong L, et al: Circulating high-mobility group box 1 (HMGB1) concentrations are elevated in both uncomplicated pneumonia and pneumonia with severe sepsis. Crit Care Med 2007，35:1061–1067 26 Lin X, Yang H, Sakuragi T, et al. Alpha-chemokine receptor blockade reduces high mobility group box 1 protein-induced lung inflammation and injury and improves survival in sepsis. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2005, 289(4):L583-590. 27 杨庆华，冯英凯，胡明冬. 高迁移率族蛋白1在内毒素急性肺损伤大鼠肺泡巨噬细胞吞噬功能改变中的作用. 重庆医学. 2006, 3(5): 412-415. 28 Kim JY, Park JS, Strassheim D,et al. HMGB1 contributes to the development of acute lung injury after hemorrhage. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2005 ,288(5):L958-965. 29 Ogawa EN, Ishizaka A, Tasaka S, et al. Contribution of high-mobility group box-1 to the development of ventilator-induced lung injury. Am J Respir Crit Care Med, 2006:174:400-407. |
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