HMGB1介導TLR4/NF-κB信號通路干預骨關節炎研究進展

謝興文 陳欣 劉建軍 李元貞 席芳琴 齊偉 閆文 陳一新

1. 甘肅中醫藥大學附屬醫院,甘肅 蘭州 730000

2. 甘肅中醫藥大學,甘肅 蘭州 730030

骨關節炎(osteoarthritis,OA)是臨床常見病,導致受累關節疼痛、功能障礙。隨著人口老齡化和肥胖的加劇,OA的發病率逐年增高,成為影響患者生活質量,增加醫療經濟支出的主要疾病[1-2]。OA致病因素復雜,包括代謝、表觀遺傳、基因等因素,具體發病機制尚未明確[3]。研究表明軟骨細胞程序性壞死引起慢性低度炎癥反應在OA發病中起著重要作用[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模式分子(danger induced molecular patterns,DAMPs),在免疫炎癥應答反應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)結合后激活細胞內信號轉導途徑,導致軟骨細胞程序性死亡,釋放炎癥因子并加重關節軟骨滑膜組織的炎癥級聯反應,表現為OA軟骨退變和滑膜炎[7]。近年來,研究發現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,發現其調控TLR4/NF-κB信號通路相關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胞核中參與DNA的復制、轉錄、重組等過程,與免疫炎癥性疾病的發生密切相關[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結構域構成[12-13]]。其中,HMG box-A(9～85氨基)在N-末端,是發揮負反饋抑制的區域;C-tail(186-215氨基酸)在羧基末端,通過增加DNA與HMGB1的結合能力調節HMGB1與染色體相互作用[14]]。Box-A與C-tail結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,是激活炎癥反應的發生的功能結構域,而A-box可以拮抗box-B引起的炎癥反應[16-17]。

在正常情況下,HMGB1一般定位于細胞核中,當受到炎癥介質、內毒素等刺激時由壞死的細胞被動釋放HMGB1到胞外,或免疫細胞主動分泌HMGB1到胞外與胞膜受體Tolls結合激活免疫系統,促進TNF-α、IL-1β等炎性細胞因子的釋放從而激活炎癥反應[18-19]。HMGB1可以作為炎癥因子激活免疫炎癥反應加速細胞程序性死亡,細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反應,使得炎癥反應進一步加重[20-21]。因此,HMGB1是免疫炎癥網絡和細胞信號級聯至關重要的調節因子。

關節組織的慢性低度炎癥及免疫調節失衡是OA發生發展的重要機制。隨著對胞外HMGB1導致OA慢性低度炎癥作用的深入研究發現,HMGB1作為炎癥介質在OA中發揮促免疫炎癥作用[22-23]。當機體出現炎癥初期,釋放少量HMGB1通過模式識別受體介導炎癥信號和軟骨細胞程序性壞死[24]。隨著炎癥循環放大導致HMGB1的水平升高,進一步驅動炎癥細胞因子的釋放并與多種細胞因子及趨化因子相互作用導致軟骨、滑膜組織炎癥損傷[25]。因此,HMGB1作為引起OA炎癥瀑布級聯反應的中心分子,抑制HMGB1的表達調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、跨膜區和胞內信號區等3部分組成固有免疫模式識別受體[26-27]。NF-κB是TLR4蛋白下游負責調解炎癥的樞紐信號蛋白,無致病原侵襲的生理狀態下NF-κB二聚體可與IKB(抑制蛋白)結合組成三聚體,使蛋白失活[28]。當致病原侵襲機體或細胞后形成DAMPs被固有免疫細胞表面模式識別受體(pattern recognition receptor,PRR)啟動固有免疫應答。其中,HMGB1被TLR4跨膜區識別激活胞內區IL-1受體同源Toll/interukin-1受體(TIR)結構域,接頭蛋白MyD88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)將IL-1受體相關白細胞介素-1受體相關激酶-4(interleukin-1 receptor associated kinases-4,IRAK-4)募集到TLRs形成信號復合物[29-30]。IRAK-4是絲/蘇氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶白細胞介素-1受體相關激酶(interleukin-1 receptor associated kinases,IRAKs)的家族成員,與髓樣分化因子MyD88形成寡聚復合物發揮支架作用,使得IRAK4通過Thr209、Thr387途徑發生自身磷酸化激活IRAK1和IRAK2,繼而激活NF-κB信號通路,調控IL-1β、IL-6、NO、PGE2、MMPs等細胞因子的表達。因此,TLR4/NF-κB信號通路參與機體免疫炎癥應答反應信號轉導過程調控低度慢性炎癥的發生發展[31]。

HMGB1作為細胞因子參與炎癥反應。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復合物,從而啟動細胞內信號傳導激活IκB和IκK并使活化的NF-κB核移位引起細胞因子釋放[34]。這些炎癥因子可以進一步激活和增強相關NF-κB炎癥信號通路調節細胞因子、趨化因子的表達激活免疫細胞主動釋放HMGB1,促進細胞壞死被動釋放HMGB1[35-36]。HMGB1作為一種中心分子調控TLR4/NF-κB信號通路參與免疫炎癥級聯循環反應,加劇組織慢性低度炎癥損傷[37]。所以,抑制HMGB1的表達調控TLR4/NF-κB信號通路或者阻斷HGMB1與TLR4的結合從而下調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

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

HMGB1激活先天免疫細胞廣泛受體的能力是關節炎癥反應發展的基礎。它們促進巨噬細胞的招募和激活,巨噬細胞產生一系列炎癥細胞介質激活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[41]。關節滑膜巨噬細胞和中性粒細胞表面的TLR4模式識別受體識別HMGB1產生和釋放炎癥介質(細胞因子、趨化因子、脂質介質)進入滑膜液[42]。這些炎癥介質激活分解代謝因子、細胞因子、趨化因子,促進關節低級別炎癥,增加軟骨細胞膠原酶和聚集酶的合成,促進軟骨細胞和軟骨細胞外基質代謝穩態異常,形成炎癥和軟骨退變的惡性循環。HMGB1促進軟骨和滑膜細胞之間軟骨和滑膜之間慢性低度炎癥的惡性循環,患者的疼痛及功能進一步加劇影響患者的更多功能[43]。OA是一種全關節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揮炎癥循環作用,抑制HMGB1的表達抑制OA炎癥反應,改善關節腫脹、疼痛癥狀,達到治療的效果。因此,靶向軟骨細胞和巨噬細胞之間的炎癥反應及抑制抑制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促進軟骨細胞的凋亡和細胞外基質的降解

軟骨細胞和細胞外基質(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,軟骨細胞產生Ⅱ型膠原蛋白、蛋白聚糖等成分調控ECM代謝穩態[44-45]。軟骨ECM為軟骨細胞提供穩定的結構環境,二者相互作用維持軟骨組織內穩態及軟骨生物力學功能[46]。生理狀況下,軟骨細胞接受關節內機械信號和生化信號,調控軟骨ECM的代謝處于動態的平衡之中[47]。隨著機體的衰老和機械應力改變了關節內的生物力學信號,軟骨的慢性損傷和DAMPs分子的增加,激活TLR4/NF-κB信號通路產生和炎癥介質的釋放,軟骨合成代謝下調或分解代謝上調,軟骨內穩態破壞。其中,HMGB1與巨噬細胞、滑膜細胞和關節軟骨細胞的上表面TLR4的結合,激活軟骨細胞核內NF-κB的表達,分泌基質降解酶(MMPs和ADAMTs)抑制了聚集素和II型膠原的合成,軟骨細胞ECM的合成減少,軟骨細胞ECM穩態被打破,關節軟骨細胞和細胞外基質的代謝穩態失衡,軟骨代謝修復調節能力不足,進一步加速關節軟骨退變。另外,軟骨細胞的凋亡促進軟骨細胞釋放HMGB1增加,進一步強化軟骨細胞慢性低度炎癥循環,繼而加速軟骨細胞凋亡和細胞外基質分解加劇[48]。

HMGB1的表達在整個炎癥階段上調,可通過內源性和細胞外途徑調節軟骨細胞的活性[49]。HMGB1通過上調機體炎癥因子的產生,導致軟骨細胞及軟骨細胞外基質的破壞增加[50]。因此,抑制HMGB1的活性,打破炎癥循環反應鏈,降低軟骨細胞的HMGB1釋放及炎癥因子對軟骨細胞的破壞,對抑制OA慢性低度炎癥和維持軟骨代謝穩態具有重要意義。景嶸月等[51]研究發現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而減少相關炎癥通路的激活減輕OA大鼠關節腫脹。

4 總結及展望

OA是一種慢性低度炎癥性疾病,免疫炎癥級聯反應在OA病理過程中發揮重要作用。HMGB1作為重要的免疫炎癥級聯反應中心分子與OA免疫炎癥反應密切相關。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以及軟骨細胞的程序性死亡和軟骨細胞外基質降解。因此,HMGB1可能是OA軟骨退變和炎癥反應進展的關鍵分子,對HMGB1及慢性低度炎癥反應的深入了解將為開發新的治療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的支持。