HMGB1在創傷性顱腦損傷發病機制中作用的研究進展

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創傷性顱腦損傷（TBI）按其病理進程可劃分為原發性和繼發性，原發性損傷可導致神經元死亡、血腦屏障破壞和血管損傷，進而會引發由炎性反應、自由基損傷、水腫、病理性鈣內流、線粒體損傷等一系列病理特征構成的繼發性損傷過程[1]，從而導致腦水腫、細胞功能障礙、顱內壓增高、腦內調節機制破壞、病理損傷相關分子模式釋放、神經膠質細胞被激活和外周免疫細胞募集等，造成神經元廣泛死亡、形成不利于中樞神經系統修復的細胞微環境，從而導致病人病情加重及預后不良。

高遷移率族蛋白1（HMGB1）是一種普遍存在的非組蛋白DNA結合蛋白，其既可以由受損、壞死的細胞釋放出來，也可以被炎性細胞主動釋放到細胞外，從而發揮其生物學作用[2]。HMGB1可以通過與多種轉錄因子、晚期糖基化末端產物的受體（RAGE）和包括Tol樣受體家族（TLR）2、TLR4在內的TLR的成員相互作用，參與細胞內DNA重組、修復、基因轉錄調控等多種生命活動[3]

TBI后，HMGB1會被受損的神經元細胞分泌到腦脊液和血液中4，并隨著免疫應答反應活化啟動其余DAMPs的釋放[5]。研究報道，HMGB1在TBI后的腦脊液中明顯增高，且其腦脊液水平與顱腦損傷病人的不良神經系統結局有關。臨床研究表明，HMGB1血清和腦脊液水平的升高與較差的臨床結局相關，是TBI病人潛在的有效預后生物標志物[8]。

1 HMGB1概述

1.1 HMGB1的分泌

1.1.1 主動分泌

HMGB1的主動分泌過程由激活的免疫細胞的轉導過程介導，細胞外的三磷酸腺昔（ATP）在無菌損傷時也能引發巨噬細胞釋放[9]，另外還有研究發現凋亡細胞小體、病原相關分子模式（PAMPs）脂多糖（LPS）和白細胞介素（IL）-1、IL-6等炎性刺激因子也可誘導巨噬細胞、單核細胞、自然殺傷（NK）細胞、內皮細胞等免疫源活性細胞主動釋放HMGB1[10]。

1.1.2 被動釋放

研究證實，細胞壞死后能釋放出HMGB1，當免疫細胞受到致病菌或病毒的刺激時造成細胞損傷、裂解甚至死亡時會向細胞外釋放HMGB1[11-2]。在細胞壞死過程中，會產生大量的危險信號分子模式（DAMPs），這些DAMPs可破壞細胞結構，并釋放出HMGB1[13]。由于調亡細胞內細胞通透性增加和核小體的退化，HMGB1可在晚期凋亡細胞中釋放出來[14]，雖然釋放的HMGB1不多，但經過巨噬細胞吞噬的凋亡小體能誘發大量HMGB1的釋放進而發揮多種生物功能。

1.2 HMGB1生物學特性

HMGB1由3個功能區域構成，其中C-末端是其調控DNA結合的關鍵區域，B-box具有類細胞因子的活性并能引發炎癥反應，而Abox則有拮抗Bbox的作用[15-16]，HMGB1的位置和活性受翻譯后修飾的影響[13]，A-box和B-box各有一段氨基酸核定位信號（NLS）區間，來控制HMGB1在細胞穩態下的核定位，確保其在生理狀態下分布在細胞核內。但當細胞處于應激狀態時，HMGB1通過多種信號通路的介導會形成乙酰化、磷酸化或甲基化等翻譯后修飾的NLS，致使HMGB1與其載體蛋白之間的相互結合變得松散，進而導致HMGB1由細胞核向細胞質易位[17]。

HMGB1具有多種生物功能[18]，其不僅具有DNA結合能力，參與基因轉錄過程9；還能促進細胞自噬，活化細胞質內的炎性小體，參與血小板活化，并可影響突觸的生長。但在細胞外，HMGB1可與細胞膜上的受體結合，介導免疫反應的發生，進而引起炎癥反應，造成細胞和器官的損傷。HMGB1還可以促進組織修復再生，在組織損傷的時候HMGB1能夠促進一定數量的細胞（如血管細胞、巨噬細胞、內皮祖細胞等）的增殖，有研究發現不同濃度的HMGB1在細胞增殖過程中起著不同的作用[20]。HMGB1在低濃度時可促進內皮祖細胞（EPCs）的增殖，而在高濃度時則會加劇EPCs的炎癥反應，導致神經損傷。星形膠質細胞分泌的HMGB1可經RAGE介導的c-Jun氨基末端激酶（c-JunNH2-terminalkinase，JNK）通路激活，促進神經干細胞/祖細胞（NSCs）增殖[2]。

1.3 HMGB1的作用機制

HMGB1可以與多種受體相結合，最常見的是TLRs和RAGE[21]，前期研究發現，骨髓分化因子88（MyD88）與TLR2、TLR4結合后，可激活核轉錄因子-kB1 NF-κB 通路，促進炎癥反應，組織局部缺血和炎癥后HMGB1表達水平明顯提高，并且誘導了細胞調亡，TLRs類受體可經TLR2/MyD88途徑與HMGB1結合，介導HMGB1信號傳導，活化下游多種炎性因子，促進炎性因子及趨化因子的表達，進而引起炎癥反應。RAGE與 NF?κB 結合后，會引發胞內信號傳導，經絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路，引起 NF-kB 易位、活化，引發趨化因子的產生，影響免疫細胞的成熟、遷移和表面受體的表達，最終造成組織損傷[22]。

2HMGB1在TBI發病機制中的作用

2.1 缺血性損傷

在缺血性損傷的早期，HMGB1能通過與TLR4、RAGE等分子相互作用，引起炎癥級聯反應，導致腦水腫和腦梗死。腦缺血后，眾多炎性細胞被激活，釋放出大量炎性細胞因子，進而引發白細胞浸潤和小膠質細胞、星形膠質細胞的活化，隨之而來的是損傷的腦組織產生炎性級聯反應，由缺血性損傷轉變為炎性損傷。在腦缺血后基于谷氨酸的興奮性氨基酸會從細胞內釋放到細胞外，HMGB1會通過TLR4抑制星形膠質細胞的谷氨酸清除過程，使細胞外谷氨酸水平升高，造成細胞外谷氨酸聚集，導致對腦細胞的興奮性氨基酸毒性作用[23]。除了大量促炎介質的產生，興奮性氨基酸過度釋放，腦缺血損傷還伴隨著細胞內 Ca²⁺ 內流增加、活性氧（ROS）顯著上調等病理過程，這些過程會相互作用并相互促進，對神經元、神經膠質細胞和內皮細胞及其相互連接造成嚴重損害，最終導致細胞損傷和壞死[24]

2.2 凝血功能障礙

大量研究證實，TBI后的凝血功能障礙與臨床不良結局相關，血液中HMGB1的水平與蛋白質C途徑的抗凝通路密切相關，并受組織損傷和低灌注的影響。HMGB1可與血栓調節蛋白（TM）的凝集素結構域結合，從而降低TM的表達并弱化其誘導蛋白C的能力[22]。TM還可與HMGB1相互作用，充當血漿中HMGB1誘導池的作用[25]，通過血栓調節蛋白-凝血酶抗凝血酶復合物介導促使蛋白C抗凝通路受到抑制，誘導單核細胞組織因子表達，致使血小板活化、聚集，參與微血栓形成2]，并可誘導蛋白C和凝血酶激活纖溶抑制物（TAFI釋放抑制纖溶酶原的活化和纖維蛋白的溶解，造成纖維蛋白沉積，延長凝血時間[2]，影響凝血塊穩定性2]，HMGB1與血小板膜中的TLR4結合，通過TLR4-MyD88通路介導血小板活化和顆粒分泌、黏附和擴散，對血小板的功能產生影響2]，HMGB1還能作用于單核細胞膜表面的RAGE和TLR2，促進單核細胞聚集和活化釋放組織因子[28]，HMGB1作用于中性粒細胞膜表面的RAGE，促進中性粒細胞的自噬，從而增加中性粒細胞胞外陷阱（NET）的形成，促進血小板聚集和凝血激活，導致與創傷相關的凝血異常，加重臟器損傷[29]

2.3 炎癥反應

HMGB1能與多種免疫細胞結合，引起大量炎性因子的釋放，從而產生炎性反應[30]。在TBI發生的時候，HMGB1會從細胞核轉移至細胞質，進而轉移至細胞外，導致血腦屏障被破壞，在TBI發生之后，HMGB1還可與許多炎性因子結合，并將這些炎性因子的信號放大。研究發現，血漿的HMGB1水平和多種炎癥介質（如IL6和TNF- ?α 顯著相關，此外還與血管生成素-2和vonWillebr因子抗原等內皮細胞活化標志物的產生有關[29]。研究發現急性腦損傷模型的臨床和早期，在損傷的局部腦組織和外周血中，都能發現HMGB1的大量釋放[30]。HMGB1可通過旁分泌途徑促進神經元細胞損傷后的凋亡[10]。在此過程中，HMGB1可作為媒介，形成持續性正反饋作用于神經細胞，造成或加重腦組織的炎癥反應，導致腦組織損傷和水腫。

2.4 腦水腫

腦水腫是導致腦缺血及TBI病人死亡的重要原因[31]。研究發現，HMGB1-TLR4通路是TBI后繼發性神經血管損傷的關鍵通路之一[32]，壞死的神經元細胞釋放的HMGB1通過與TLR4結合，活化小膠質細胞，誘導其分泌IL-6，進一步促進星形膠質細胞表達水通道蛋白4（AQP4），最終導致腦水腫的產生和加劇，造成腦損傷后病人預后不良或死亡。2B型N-甲基-D-天冬氨酸受體（NR2B）的活化可加重神經細胞損傷，促進HMGB1釋放，也會加重腦水腫[33]。出血性腦損傷可激活基質金屬蛋白酶（MMP），引起血腦屏障破壞和基質溶解。其中，基質金屬蛋白酶-9（MMP-9）能夠促使炎性因子轉化為具有生物學功能的成熟形態，維持神經炎癥反應的持續性，HMGB1可能通過調控炎性細胞活性和MMP表達，參與腦出血急性期腦水腫形成。腦水腫的形成與腦內炎性因子水平的升高密切相關，二者相互作用加劇腦損傷[34]。腦水腫使局部血流量降低，導致神經細胞凋亡、壞死；腦組織內的炎癥反應會加劇血管的損傷，造成細胞功能障礙，進而促進細胞的死亡。

2.5 繼發性腦損傷

原發性顱腦損傷后時常伴發血流動力學異常、低氧血癥、凝血功能障礙、癲癇、高熱、顱內血管調節功能失常、腦細胞結構和功能障礙等繼發性腦損傷的癥狀。而HMGB1從受損細胞中釋放出后參與了TBI后繼發性腦損傷的病理生理過程[4]。炎性反應作為繼發損傷的主要病理改變之一，會導致進一步的組織損傷，在其損傷過程中，繼發性腦損傷的相關癥狀可能會被強化，極大地增加了病人的致殘率和死亡率，繼發性損傷是造成病人預后差的重要因素之一，與凝血酶、補體、纖維蛋白降解產物等血液中的各種炎性介質進入腦組織并引起的炎性反應有關[35]。HMGB1通過自分泌和旁分泌等方式加劇顱腦損傷[10]。

3基于HMGB1在TBI發病機制中的作用而設計的治療研究

3.1抗HMGB1單克隆抗體（Anti-HMGB1mAb）

抗HMGB1單克隆抗體是一種競爭性的HMGB1拮抗劑，具有保護血腦屏障免受破壞，抑制炎癥反應和維持中樞運動-感覺功能的作用[36]。腦水腫是TBI后病人最常見的繼發損害因素，在大鼠TPI后給予AntiHMGB1mAb可有效抑制神經元中HMGB1的細胞質易位，通過改善血腦屏障的結構和功能，維持其完整性，抑制HMGB1的釋放，降低血清HMGB1水平并減輕腦水腫[34]。Anti-HMGB1mAb還可抑制纖溶酶原激活物抑制劑-1（PAI-1）的釋放，下調RAGE和 NF-κB p65的表達[35];減輕彌漫性軸索損傷（DAI）后的小膠質細胞極化[36]。早期應用Anti-HMGB1mAb能抑制TBI引起的繼發性腦損傷，可以提高病人的預后，同時還可以降低相關并發癥（如癲癇、神經認知功障礙等）的發生率。

3.2 甘草酸（glycyrrhizin，GL）

GL是一種新型抗炎藥，在臨床上廣泛用于各種疾病的治療，并取得了較好的療效。TBI大鼠模型中GL可顯著降低血腦屏障通透性，減少HMGB1胞漿內易位、下調炎性因子的表達[33]，并可以改善認知功能[4]。研究發現，這種效應是通過抑制HMGB1-RAGE軸介導的。此外，在相關動物模型中發現該藥物還可以明顯減少神經元死亡和軸突損傷，顯著改善神經系統結局[37]。GL可選擇性抑制HMGB1-Caspase-11介導的細胞凋亡，減輕免疫反應和過度的凝血活化，從而改善臟器功能[37]，GL能夠有效地抑制炎性因子的產生，從而降低炎癥反應和神經毒性，并能有效改善病人的臨床結局，具有治療TBI的潛力[38]

3.3 丙酮酸乙酯（ethylpyruvate，EP）

EP是一種丙酮酸衍生而來的親脂類化合物，通過抑制脂多糖誘導的HMGB1乙酰化和小膠質細胞的活化，上調SIRT1抑制HMGB1磷酸化，促進HMGB1的脫乙酰化，從而抑制細胞外HMGB1釋放[39]。大鼠損傷后多個時間點，腹膜內給藥可以引起炎性因子分泌減少、HMGB1和TLR-4表達下調、減輕腦水腫和細胞死亡，對缺血性腦損傷具有較寬的治療窗口[40]，EP有助于針對HMGB1的顱腦損傷相關疾病的靶向治療。

3.4其他

血管內皮生長抑制劑（VEGI）、半胱天冬酶1抑制劑VX765等通過下調TLR-4/NF -κB 信號通路及炎性因子的表達，減輕TBI后過度炎癥反應和神經損傷[41]。阻斷HMGB1RAGE通路可防止促炎小膠質細胞活化，有效抑制損傷后的炎癥反應，并提供神經保護作用[42]。基于HMGB1RAGE信號通路對TBI后腦損傷的保護作用，探索RAGE抑制劑在TBI背景下的治療潛力將具有重要意義[4]。

4小結與展望

HMGB1是一種可以維持細胞穩態的多功能DNA結合蛋白，也是可以觸發多種病理過程的媒介，在TBI的發病機制中具有不可或缺的作用，具有作為預后生物標志物和治療靶點的潛力。然而，目前大多數研究都探討了其在體外和動物疾病模型中的作用，基于人體組織及TBI背景下的研究和探索正在不斷得到發展和完善，可以預見的是HMGB1對于創傷性腦損的臨床意義正在不斷地被發掘，HMGB1有成為TBI及各類創傷性疾病有效生物指標物和治療靶點的潛力，而進一步的深入研究HMGB1在TBI中的具體作用機制，開發基于HMGB1的治療策略，可以為TBI的臨床治療提供新的方向和思路。

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