HMGB1／TLRs信號通路在大鼠機械通氣肺損傷中的作用

李 菡，姜寶珍，劉澤玉，陳 偉，崔正森，楊 青，武前枝，倪琛琛，張志紅

HMGB1／TLRs信號通路在大鼠機械通氣肺損傷中的作用

李 菡，姜寶珍，劉澤玉，陳 偉，崔正森，楊 青，武前枝，倪琛琛，張志紅

摘要目的 探討高遷移率族蛋白B1（HMGB1）／Toll樣受體（TLRs）信號通路在大鼠機械通氣肺損傷（VILI）中的作用機制。方法 32只健康SD大鼠隨機分為4組：正常對照組（N組）不行機械通氣，保留自主呼吸；高氧流量組（HN組）氧流量7 L／min；小潮氣量機械通氣組（LV組）潮氣量7 ml／kg；大潮氣量機械通氣組（HV組）潮氣量30 ml／kg。通氣4 h后處死動物取肺組織，HE染色觀察各組肺組織損傷情況，檢測支氣管肺泡灌洗液（BALF）中白細胞（WBC）計數、肺濕重干重比值（W／D）；ELISA法檢測BALF中IL-6、TNF-α、HMGB1水平；Western blot法檢測肺組織HMGB1、TLR2、TLR4蛋白的表達。應用單因素方差分析及兩樣本均數t檢驗進行不同組間的比較。結果 與N組相比，HV組及HN組大鼠肺W／D，BALF中WBC計數，BALF中HMGB1、TNF-α、IL-6水平以及HMGB1、TLR2、TLR4蛋白表達均顯著增加，差異有統計學意義（P＜0.05）；LV組上述各指標與N組相比差異無統計學意義。結論 大潮氣量機械通氣及高氧流量通氣均可引起大鼠肺組織急性炎癥反應，其機制可能與HMGB1／TLRs信號通路激活有關。

關鍵詞機械通氣；急性肺損傷；高遷移率族蛋白B1；Toll樣受體

2015－03－17接收

作者單位：安徽醫科大學第一附屬醫院老年呼吸內科，安徽醫科大學呼吸病研究所，合肥 230022

機械通氣廣泛應用于臨床上各種危急重癥患者的救治，對急性呼吸窘迫綜合征患者的治療有重要意義。然而，機械通氣亦可作為一種損傷因素誘發或加重肺損傷，即機械通氣肺損傷（ventilator-induced lung injury，VILI）［1］。目前公認機械通氣所引起的“二次打擊”能夠促進肺組織炎性進程，從而導致肺損傷［2］。VILI的可能機制是機械通氣時由于機械牽張的作用，導致腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）等細胞因子釋放［3］。高遷移率族蛋白B1（high-mobility group box protein 1，HMGB1）是一種極強的炎性介質［4］。氣管內給予HMGB1可誘發急性肺損傷［5］。動物試驗和臨床實踐證實，機械通氣時，機體HMGB1的表達水平升高，阻斷HMGB1可以顯著降低肺炎癥反應［6］。該實驗重點研究HMGB1／Toll樣受體（Toll-like receptors，TLRs）信號通路的變化及其對炎癥因子的影響，探討HMGB1／TLRs信號通路在大鼠不同潮氣量機械通氣及單純高氧濃度通氣肺損傷中的可能作用機制。

1 材料與方法

1．1 實驗動物 清潔級SD成年雄性大鼠32只，200～250 g，購自安徽醫科大學實驗動物中心。動物在實驗前均適應性喂養1周。將實驗動物隨機分成4組：大潮氣量機械通氣組（HV組）、小潮氣量機

械通氣組（LV組）、高氧流量組（HN組）和正常對照組（N組）。各組大鼠體重差異無統計學意義。

1．2 主要儀器與試劑 小動物呼吸機（成都泰盟公司）；光學顯微鏡（日本尼康公司）；瑞氏染色試劑盒（南京建成科技有限公司）；ELISA試劑盒（美國R＆D公司）；HMGB1抗體試劑盒、TLR2／TLR4抗體（美國Cell Signaling公司）。

1．3 大鼠VILI模型制備 用10%水合氯醛（0.3 ml／kg）腹腔注射麻醉，每30 min追加首劑的1／3，頸部皮膚消毒后行氣管切開插管固定，并維持大鼠體溫約37℃。LV組、HV組均連接小動物呼吸機行機械通氣并吸入室內空氣；N組保留大鼠自主呼吸室內空氣，單籠飼養；HN組給予高濃度吸氧7 L／min，無機械通氣，單籠飼養。LV、HV組潮氣量分別為7、30 ml／kg，通氣時間4 h，吸氣與呼氣比為1∶2，并根據經皮氧飽和度及時調整呼吸頻率；HN組吸氧流量為7 L／min，吸氧濃度約為50%，吸氧時間4 h。通氣結束后腹主動脈取血處死。

1．4 各組肺組織肺濕重干重比值（lung ratio of wet weight dry weight，W／D）及支氣管肺泡灌洗液（bronchial lavage fluid，BALF）中白細胞（white blood cells，WBC）計數 術后，結扎大鼠右肺主支氣管，對大鼠左肺行支氣管肺泡灌洗；4℃生理鹽水緩慢灌洗，每次2ml，緩慢回抽BALF，重復3次，回收率＞80%；BALF以單層紗布過濾，再將BALF經2 000 r／min離心10 min，取上清夜置-20℃，分裝保待測；沉渣重新懸浮涂片后，光鏡下用細胞計數板進行WBC計數。

1．5 BALF中IL-6、TNF-α和HMGB1水平的測定 采用ELISA法檢測BALF中IL-6、TNF-α、HMGB1的含量。按試劑盒說明書進行操作。

1．6 各組肺組織HMGB1、TLR2、TLR4表達含量的變化 術后，結扎大鼠右肺主支氣管，取右肺中葉分裝置于－80℃冰箱中冷藏待測。采用Western blot法檢測各組肺組織中HMGB1、TLR2、TLR4表達含量的變化。

1．7 統計學處理 采用SPSS 16.0統計軟件進行分析，數據以±s表示；經檢驗計量資料均符合正態分布及方差齊性，多組比較采用單因素方差分析和兩樣本均數t檢驗。

2 結果

2．1 肺組織病理學改變 N組為正常肺組織；HN組可見肺泡腔內炎癥細胞浸潤，肺泡壁增厚；LV組未見明顯的病理學改變；HV組可見有炎癥損傷，包括肺泡壁增厚、間質滲出和中性粒細胞浸潤等。見圖1。

2．2 各組肺組織W／D及BALF中WBC計數的比較 4組肺組織W／D的方差分析比較差異有統計學意義（F＝165.255，P＝0.001），BALF中WBC計數的方差分析比較差異有統計學意義（F＝186.982，P＝0.001）。與N組比較，HN組及HV組肺組織W／D明顯升高，差異有統計學意義（t＝10.737，P＝0.001；t＝38.575，P＝0.001），而LV組肺組織W／D與N組相比，差異無統計學意義。在BALF中，HN組及HV組WBC數量與N組相比均明顯增加，差異有統計學意義（t＝10.479，P＝0.001；t＝18.662，P＝0.001），而LV組WBC變化與N組相比，差異無統計學意義。見圖2。

2．3 各組BALF中IL-6、TNF-α、HMGB1的變化機械通氣4 h后，4組BALF中IL-6水平的方差分析比較差異有統計學意義（F＝5.530，P＝0.003）；4 組BALF中TNF-α水平的方差分析比較差異有統計學意義（F＝3.772，P＝0.017）；4組BALF中HMGB1水平的方差分析比較差異有統計學意義（F ＝115.379，P＝0.001）。與N組相比，HV組BALF 中IL-6、TNF-α、HMGB1水平均顯著升高，差異有統計學意義（t＝3.049，P＝0.006；t＝3.028，P＝0.006；t＝24.816，P＝0.001）；HN組BALF中IL-6、TNF-α、HMGB1水平也均顯著升高，差異有統計學意義（t＝3.211，P＝0.004；t＝2.082，P＝0.048；t＝

10.216，P＝0.001）；而LV組BALF中IL-6、TNF-α、HMGB1水平升高不明顯，差異無統計學意義。見圖3。

2．4 各組肺組織HMGB1、TLR2、TLR4蛋白含量的變化 Western blot法檢測4組肺組織中HMGB1、TLR2、TLR4表達情況。4組肺組織HMGB1表達水平的方差分析差異均有統計學意義（F＝204.008，P＝0.001）；4組肺組織TLR2表達水平的方差分析差異有統計學意義（F＝5.207，P＝0.028）；TLR4表達水平的方差分析差異有統計學意義（F＝9.113，P＝0.006）。與N組比較，HV組HMGB1、TLR2、TLR4表達量明顯升高，差異有統計學意義（t＝27.161，P＝0.01；t＝849.864，P＝0.045；t＝556.882，P＝0.001）；HN組TLR2、TLR4表達量明顯升高，差異有統計學意義（t＝943.826，P ＝0.030；t＝265.758，P＝0.031），LV組HMGB1、TLR2、TLR4表達水平與N組相比，差異無統計學意義。見圖4～6。

3 討論

研究［1］表明，不適當的機械通氣所造成的氣壓傷、容量傷和肺不張損傷等機械損傷，最后的共同途徑是誘發炎性細胞和炎癥介質介導的肺部炎癥反應，即肺生物學損傷。

TNF-α被稱為炎癥啟動因子，能致血管內皮細胞受損，使血管通透性增加。IL-6是重要的炎癥趨化因子，能促使中性粒細胞滲出至炎癥部位，促使炎癥反應的發生。HMGB1可分布于細胞膜上，能夠與多種細胞膜受體結合［7］。本實驗檢測了4組大鼠BALF中IL-6、TNF-α和HMGB1水平的變化。結果

顯示與N組相比，HV組和HN組BALF中，IL-6、TNF-α和HMGB1水平，均是明顯升高的，差異有統計學意義；而LV組BALF中上述各指標水平與N組相比，差異無統計學意義。該結果說明了大鼠在大潮氣量機械通氣及高氧流量通氣時產生了明顯的急性炎癥反應，隨著潮氣量及氧流量的增加，炎癥反應越嚴重。

TLR是近年發現的一類新的細胞表面信號轉導跨膜受體，TLR4在肺部主要表達于單核-巨噬細胞，能識別內源性及外源性炎癥因子并介導炎癥反應［7］。TLR2能識別病原相關分子模式和損傷相關分子模式兩類物質而啟動信號傳導通路，在核內激活轉錄因子NF-κB，導致多種炎癥因子基因如IL-1、IL-6、IL-8、IL-12和TNF-α等表達上調，引起炎癥反應，因此TLRs被認為是炎癥反應瀑鏈的“閘門”［8］。本研究顯示，HV組肺組織HMGB1蛋白表達水平與N組相比顯著上調，LV組和HN組HMGB1蛋白表達水平較N組有所升高，但差異無統計學意義。提示大鼠在大潮氣量機械通氣后隨著機械通氣時肺泡的過度擴張或反復開放產生的剪切力以及局部肺的萎陷，導致肺泡上皮細胞和血管內皮細胞的變形和細胞漿膜的破壞，導致HMGB1主動分泌或被動釋放到細胞外環境中。這與本實驗中檢測HV組及HN組BALF中HMGB1的水平顯著升高相一致；說明HMGB1在大鼠大潮氣量機械通氣及高氧流量通氣所致肺損傷中起了促進作用。本實驗的研究結果顯示HV組和HN組肺組織TLR4、TLR2含量表達水平與N組相比顯著上調，差異有統計學意義，LV組肺組織TLR2、TLR4含量表達較N組差異無統計學意義；該結果與各組肺組織中HMGB1蛋白表達水平趨勢基本一致。同時HMGB1作為TLRs的內源性配體［9］，受TLR和高級糖基化末端產物受體耦合的信號通路的激活所調控。TLR2和TLR4能夠引發巨噬細胞胞內信號流，包括p38 MAPK、c-Jun氨基端激酶和核受體的激活。這些信號通路的激活最終導致促炎細胞因子的釋放，如TNF-α、IL-1β［10］。隨著HMGB1／TLRs信號轉導通路的激活，誘導TNF-α、IL-6等炎癥因子表達上調，引起炎癥反應，導致肺泡毛細血管通透性增加，屏障破壞，肺間質和肺泡腔內大量中性粒細胞聚集，肺間質水腫，透明膜形成；W／D增加；本實驗也證實隨著潮氣量增加，大鼠BALF中WBC及炎癥因子IL-6、TNF-α及HMGB1的水平明顯升高，而IL-6、TNF-α的升高進

一步促使炎癥細胞向肺泡內浸潤，造成更嚴重的炎癥反應，引起肺損傷。

綜上所述，HMGB1／TLRs信號轉導通路的激活可能在大鼠大潮氣量機械通氣及高氧流量通氣肺損傷中起促進作用。

參考文獻

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HMGB1／TLRs signaling pathway may play a key role in ventilator induced lung injury on rats

Li Han，Jiang Baozhen，Liu Zeyu，et al
（Dept of Pulmonary，The Geriatric Institute，The Eldery Respiratory Medicine of The First Affiliated Hospital of Anhui Medical University，Hefei 230022）

AbstractObjective The aim of this experiment was to investigate the role of high-mobility group box protein 1 （HMGB1）／Toll-like receptors（TLRs）signaling pathway in mechanical ventilation lung injury．Methods 32 healthy male SD rats were randomly divided into the following 4 groups according to tidal volume and the concentration of inhaled oxygen：room air inhalation without mechanical ventilation（N）；high concentration of oxygen inhalation（50%）without mechanical ventilation（HN）；low tidal volume ventilation with room air inhalation（LV）（7 ml／kg）；high tidal volume ventilation with room air inhalation（HV）（30 ml／kg）．The ventilation lasted for four hours．Then WBC in BALF and the lung W／D were detected．The adapted ELISA was used to determine the concentrations of HMGB1，tumor necrosis factor-α（TNF-α）and interleukin-6（IL-6）in BALF from rat．The histological changes of lung tissue were observed by HE staining．The expressions of HMGB1，TLR4 and TLR2 in lung tissue of all rats were detected by western blot．Results HMGB1，TLR2 and TLR4 expressions，the concentrations of HMGB1，TNF-α and IL-6 in BALF，the WBC in BALF and the lung W／D were significantly higher in HV group and HN group（P＜0.05）．While they were no significant differences in LV group．Conclusion These findings demonstrated that high tidal volume ventilation and high concentration of oxygen inhalation could aggravate lung injury in rats through HMGB1／TLRs signaling pathway．

Key wordsmechanical ventilation；acute lung injury；high-mobility group box protein 1；Toll-like receptors

作者簡介：李 菡，女，碩士研究生；張志紅，女，主任醫師，副教授，碩士生導師，責任作者，E-mail：zhangzhihope＠126．com

基金項目：安徽省自然科學基金（編號：1208085MH167）；安徽省學術技術帶頭人后備人選基金（編號：皖人社秘［2013］228號）

文獻標志碼A

文章編號1000－1492（2015）04－0458－05

中圖分類號R 563．9