高遷移率族蛋白B1在心肌缺血再灌注損傷中的雙重作用

肖政，黃鶴

心肌缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）損傷是指心肌細胞遭受一段時間的缺血刺激后，在恢復供血供氧的過程中，心肌細胞損傷進一步加重的現象，而這現象被發現與炎癥密切相關。高遷移率族蛋白B1（high-mobility group box 1，HMGB1）作為一種典型的損傷相關分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）在炎癥反應中發揮核心作用，因此成為潛在的藥物作用靶點治療炎癥相關疾病。在心肌I/R 損傷中，HMGB1 與其相應的受體結合后促進炎性因子釋放，其本身也作為炎性因子加速心肌細胞損傷，然而，HMGB1 也被報道能產生心肌保護作用，促進組織修復和血管生成，減輕心肌損傷。因此，本研究將從HMGB1 的結構和功能，損傷及保護機制來闡述HMGB1 在心肌I/R 中的作用。

1 HMGB1的結構和功能

HMGB1是一種高度保守的染色體蛋白，它幾乎存在于所有真核細胞的細胞核中，在哺乳動物中還存在有HMGB2、HMGB3 和HMGB4 三個高遷移率族蛋白家族成員，人類HMGB1由215個氨基酸組成，通常將其分為A box、B box 以及C-末端結構域。其中A box 能與HMGB1 競爭性結合其下游晚期糖基化終產物受體（receptor for advanced glycation end products，RAGE）和Toll 樣受體4（toll-like receptor 4，TLR4），因此在炎癥過程中展現出抗炎作用。相反，B box被發現擁有HMGB1的細胞因子活性，不僅能與RAGE結合，還能與TLR4的輔助蛋白髓樣分化蛋白-2（myeloid differentiation factor 2，MD-2）結合，促進炎性因子的分泌，因此導致炎癥反應的發生。HMGB1 可定位于胞核、胞質和胞外，而胞外的HMGB1 是DAMP 的典型代表，具有炎性因子、趨化因子和生長因子活性，同時可以作為一種潛在的生物標志物來預測腫瘤的進展和預后。

2 HMGB1在心肌I/R損傷中的作用機制

炎癥反應是心肌I/R 損傷的主要機制之一，在缺血性心肌病中，長時間的缺血缺氧會導致心肌細胞死亡，因此需要緊急恢復缺血心肌的血流、挽救心肌組織，而隨著血液和氧氣供應恢復，心肌細胞遭受進一步的損傷，死亡的心肌細胞會被動釋放HMGB1。已知胞外的HMGB1 通常需要與RAGE 和TLRs 等細胞表面受體結合，誘導核因子-κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）的產生，促使炎癥細胞釋放腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、白細胞介素（interleukin，IL）-1β 和IL-6 等炎性因子，同時，釋放至胞外的炎癥介質促進免疫細胞在梗死區域聚集并釋放HMGB1，形成炎癥環路，加劇心肌組織的損傷。有趣的是，HMGB1也能促進心肌細胞產生缺誘導因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α），它是一種穩定細胞內環境的重要調節因子，能夠促進誘生型一氧化氮合酶、血紅素氧化酶1和促紅細胞生成素等心肌保護分子的產生，改善心臟功能。

2.1 HMGB1-RAGE信號通路在心肌I/R損傷中的作用

RAGE 被普遍認為是一種跨膜免疫球蛋白樣受體，它能與胞外的HMGB1 結合，激活炎癥反應。已經有研究發現RAGE 的活性及含量在心肌I/R 損傷過程中明顯升高。此外，使用重組HMGB1 處理小鼠促進了炎性因子的分泌，加劇了心肌I/R 損傷，但是這種損傷作用在RAGE 缺乏的小鼠中明顯減輕，暗示了HMGB1-RAGE 信號通路介導的炎癥反應與心肌I/R 損傷有關。同樣的，Wang 等發現遠程缺血后處理（remote ischemic postconditioning，RIPostC），即在長時間缺血后心臟血流恢復之前在遠端血管應用多次短暫的I/R 處理，通過抑制HMGB1-RAGE 信號通路的激活，減少了心肌梗死范圍并且抑制氧化應激，改善了心臟功能，從而減輕心肌I/R 損傷。最近的研究表明脾臟作為一個重要的免疫器官也參與了心肌I/R 損傷，切除脾臟降低了缺血40 min 再灌注60 min 后小鼠的心肌中性粒細胞浸潤和梗死范圍。但是，在輸入缺血40 min 的心臟勻漿上清液的I/R 損傷小鼠中，心肌梗死范圍進一步增加，而通過免疫沉淀除去心臟上清液中的HMGB1可以抵消這種損傷效應，并且在使用基因敲除RAGE 的小鼠和敲除RAGE 的脾細胞處理脾臟切除小鼠中也發現了類似的結果，暗示了在心肌I/R損傷中存在有HMGB1-RAGE 信號通路介導的心-脾軸。在此基礎上，游離DNA 和HMGB1 也被發現在加劇心肌I/R 損傷和增加心肌梗死范圍上具有協同作用，但是這種不利影響在脾臟切除或RAGE 基因敲除后明顯減輕。上述研究強調了心-脾軸以及HMGB1-RAGE 信號通路對于心肌I/R 損傷的重要性，為心肌I/R損傷的治療提供了新的方向。

2.2 HMGB1-TLR2/4 信號通路在心肌I/R 損傷中的作用

TLR4 作為模式識別受體家族成員識別HMGB1介導炎癥反應。在心肌I/R大鼠模型中發現心肌組織中HMGB1 和TLR4 表達均上調，間質中伴有大量炎癥細胞浸潤。而在TLR4 缺乏的小鼠中或使用TLR4 抑制劑后發現，心臟中的中心粒細胞和單核-巨噬細胞浸潤減少伴隨HMGB1和炎性因子表達水平降低，心肌I/R 損傷減輕。除了上述常見的炎癥細胞參與心肌損傷外，Xue 等發現樹突狀細胞加重了心肌I/R 損傷并擴大心肌梗死范圍的過程也受到HMGB1-TLR4 信號通路的調節。因此，HMGB1 可以通過各種炎癥細胞介導的炎癥反應參與心肌損傷。最近有研究表明α2-腎上腺素能受體也與心臟炎癥有關，他們使用α2-腎上腺素能受體激動劑右旋美托咪啶預處理心肌I/R 小鼠，結果顯示在損傷的心肌中HMGB1 和TLR4 的表達均降低，心臟炎癥反應減輕，而這種保護作用在使用α2-腎上腺素能受體拮抗劑或心臟過表達HMGB1 后消失。值得注意的是，遠端缺血預處理（remote ischemic preconditioning，RIPC）也可以通過抑制HMGB1-TLR4 信號通路對心臟提供保護作用，并且這種作用在聯合應用七氟醚后更加明顯。因此，RIPostC 和RIPC 都可以產生抗炎作用而減輕心肌I/R 損傷，但是這種方式依賴的信號通路還需要進一步的探究。此外，細胞凋亡也在心肌I/R 損傷中發揮作用，激活HMGB1-TLR4 信號通路可以促進心肌細胞凋亡，加重心肌I/R 損傷。然而，隨著研究的深入，HMGB1 與TLR4 結合介導炎癥反應的分子機制被闡明：首先，A box 與TLR4/MD-2 復合物上的TLR4 結合，待A box 與TLR4 結合緊密后B box又與MD-2 結合，最終形成HMGB1/TLR4/MD-2 復合物，兩個復合物形成一個二聚體，活化HMGB1-TLR4 信號通路，促進炎性因子的釋放。因此，干預上述復合體形成可能為心肌I/R 損傷提供了新的治療靶點。

類似于TLR4，TLR2也可以與HMGB1結合介導炎癥反應，但是這個過程不依賴于MD-2。重要的是，使用TLR2 的單克隆抗體OPN-301 能選擇性地抑制免疫細胞的TLR2，減輕心肌免疫細胞浸潤和炎癥反應，改善心肌I/R 損傷并保護心臟功能。在此基礎上，單克隆抗體OPN-305 在大型動物模型上被證實有效，它可顯著降低梗死范圍，并且改善豬I/R 模型的心肌收縮能力，因此其具有極大的臨床應用潛力。類似的結果也出現在基因敲除TLR2 的小鼠中，使用A box 處理TLR2 缺乏的小鼠發現心肌梗死范圍和肌鈣蛋白水平沒有明顯的改變，暗示了HMGB1 在心肌I/R 損傷中發揮作用是依賴于TLR2的。

2.3 HMGB1 在缺血性心肌病中的保護作用

隨著對HMGB1 研究的深入，有研究發現HMGB1 也能促進組織再生、修復和血管生成，因此改善心肌梗死后左心室功能。進一步的研究表明，在心肌梗死后注射外源性HMGB1 可激活Wnt/β-catenin 信號通路，上調的β-catenin促進成纖維細胞的遷移和增殖，有助于改善和修復缺血的心肌。此外，HMGB1預處理能夠抑制炎癥反應和氧化應激，減輕心肌I/R 損傷，而且這種心臟保護作用和HMGB1 預處理的劑量呈正相關。最近的研究發現了在心肌缺血期間，機體會產生一種關鍵的轉錄因子HIF-1α，它不僅能促進血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的產生，還可以抑制心肌細胞活性氧（reactive oxygen species，ROS）的過度積累，對心肌產生有利的影響。基于HIF-1α對心臟的保護作用，Zhou 等首次報道在心肌缺血前30 min 靜脈注射HMGB1 增加了HIF-1α 的表達，心肌I/R 損傷減輕，暗示了HMGB1 通過上調心肌HIF-1α 蛋白的表達而發揮其心臟保護作用。并且隨著HMGB1 預處理劑量的增加，心肌梗死范圍明顯降低，心臟功能顯著改善，這表明HIF-1α 表達保護心肌細胞的程度依賴于HMGB1 預處理的劑量。類似的，另外的研究表明心肌HIF-1α 的表達與PI3K/Akt信號通路密切相關，HMGB1預處理可以增強蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）磷酸化，導致HIF-1α及其下游分子VEGF 表達上調，從而改善心肌I/R 損傷，而使用磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinases，PI3K）抑制劑抑制Akt 磷酸化可以降低HIF-1α 和VEGF 的表達，導致心肌保護作用減弱。不僅如此，HMGB1 預處理還能通過抑制p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK）的磷酸化對心肌產生保護作用。總之，HMGB1可以通過多條信號通路發揮保護作用，但是其信號機制還需要進一步的研究。

3 小結與展望

綜上所述，HMGB1作為一種炎癥介質通過多條通路參與心肌I/R損傷，然而，HMGB1對心肌也具有保護作用，不僅可以減輕心肌I/R 損傷，還促進心肌梗死后的新生血管生成，誘導心肌細胞自噬，改善左心室功能。目前，研究人員認為造成這種現象的原因如下：（1）與HMGB1 的亞細胞定位有關（胞核、胞質和胞外）；（2）與HMGB1 的氧化還原狀態有關（還原型HMGB1、二硫鍵型HMGB1和氧化型HMGB1）；（3）與HMGB1 的處理時間相關（預處理、后處理）；（4）與HMGB1 的劑量相關（低劑量、高劑量），但是以上原因的具體機制以及如何在HMGB1的保護作用和損傷作用之間尋求一個平衡，將保護作用最大化還需待進一步探討。所以說HMGB1 在心肌I/R 損傷中發揮雙重作用，因此還需要大量實驗驗證HMGB1 在缺血性心肌病中的應用潛力及安全性。