HMGB1/RAGE信号通路在ALI/ARDS肺泡巨噬细胞焦亡中作用的研究进展*

徐 宇，范绍辉，秘 乐，舒小燚，张艳萍 综述，王红嫚 审校

(遵义医科大学第五附属(珠海)医院呼吸与危重症医学科，广东珠海 519000)

急性肺损伤(ALI)/急性呼吸窘迫综合征(ARDS)是指非心源性因素导致的弥漫性肺泡水肿，病理特征为肺毛细血管内皮及肺泡上皮通透性增加致肺泡腔内液体及蛋白质渗出，主要表现为肺顺应性降低、肺泡无效腔增加和顽固性低氧血症。经鼻气管滴入脂多糖(LPS)诱导ALI/ARDS是目前体内研究ALI/ARDS的经典模型。有研究显示，成人ARDS的病死率高于40%[1]，其发病机制复杂，至今尚未明确。肺泡巨噬细胞(AMs)作为肺组织抵御病原微生物入侵的第一道防线并协调其他免疫细胞在先天免疫反应中发挥重要作用。AMs的一种炎性程序性细胞死亡方式——细胞焦亡(Pyroptosis)在ALI/ARDS进程中扮演着重要作用，高迁移率族蛋白1(HMGB1)/晚期糖基化终产物受体(RAGE)信号通路可能对经典途径及非经典途径AMs焦亡有一定影响。

1 细胞焦亡

细胞焦亡一词最早在2001年被提出[2]，是一种依赖胱天蛋白酶(caspase)的促炎性细胞程序性死亡，其过程伴随着炎性因子释放，如白细胞介素(IL)-1β、IL-8及HMGB1[3-4]。可分为经典途径(caspase-1依赖)和非经典途径(非caspase-1依赖)两种途径。

1.1 经典途径细胞焦亡

caspase-1 依赖形式的细胞焦亡由一系列能形成炎性小体的胞内模式识别受体(PRR)触发，如核苷酸结合寡聚化结构域样受体(NLRs)中的NLRP1、NLRP3 和NLRC4/NAIP 及黑色素瘤缺乏因子2(AIM2) 等。在识别病原相关分子模式(PAMP) 和损伤相关分子模式(DAMP)后，这些PRR通过识别同源配体的方式与含有caspase募集结构域的凋亡相关斑点样蛋白 (ASC)结合形成一个大分子复合物，趋化caspase-1 形成炎性小体，并激活caspase-1，活化的caspase-1 促使IL-1β前体(Pro-IL-1β)和IL-18前体(Pro-IL-18)剪切为IL-1β和IL-18，并从焦亡细胞释放，诱导细胞焦亡[5]，称为经典途径细胞焦亡。以典型的NLRP3为例：(1)各种DAMP和PAMP通过NF-κB依赖性途径促进NLRP3、Pro-IL-1β和Pro-IL-18的转录。(2)NLRP3、ASC及前caspase-1组装成炎性小体结构并诱导前caspase-1的激活，活化的caspase-1加工修饰Pro-IL-1β和Pro-IL-18为成熟的IL-1β和IL-18并从焦亡细胞释放。

1.2 非经典途径细胞焦亡

非caspase-1 依赖形式的细胞焦亡则由人类的caspase-4 和caspase-5 或者小鼠的caspase-11 诱导，其均作为最起始的激活物，通过caspase募集结构域(CARD)直接识别细胞质中LPS并被激活。激活的caspase-4、caspase-5、caspase-11不能直接裂解Pro-IL-1β和Pro-IL-18，但能够不依赖caspase-1诱导细胞焦亡[6]。这种非caspase-1依赖形式的细胞焦亡称为非经典途径细胞焦亡。

经典途径与非经典途径细胞焦亡的形态学特征及效应相似，均以切割的消皮素D(gasdermin D)作为效应蛋白使细胞膜结构完整性破坏及细胞内物质释放到细胞外，均以胞膜破裂引起促炎性细胞因子、内源性配体、警报蛋白和其他与危险相关的分子模式释放为终末效应，其出现可致炎性反应加重[2]。

2 AMs焦亡与ALI/ARDS

AMs生理情况下占支气管肺泡灌洗液(BALF)中细胞的90%[7-8]。作为抵抗病原微生物入侵的第一道防线并协调其他免疫细胞在先天免疫反应中发挥重要作用，其在ALI/ARDS发病机制中的关键作用引起了研究者的重视。有研究支持ALI/ARDS时AMs通过分泌促炎细胞因子诱导多形性核粒细胞黏附趋化至肺泡腔[7]。

AMs在感染后通过合成和释放多种炎性介质在ALI/ARDS的发展中起着核心作用[9]。有研究报道，不受控制的肺部炎症可能是由于死亡细胞清除不足和免疫细胞死亡过程中促炎细胞因子的释放而引起[10-11]。从死亡的宿主细胞释放的细胞质内容物可以提供启动炎性级联反应的有效信号，如AMs焦亡过程中炎性介质和细胞因子(如IL-1β、IL-18等)的分泌在ALI/ARDS的发病机制中起着关键作用[12-13]，IL-1β、IL-18作为AMs焦亡的下游促炎细胞因子,是炎症进展过程中关键的促炎介质。IL-1β不仅自身引起炎性反应，还刺激各种细胞因子和趋化因子的表达，以及多形性核粒细胞向组织和器官的迁移[14]，从而加重炎性反应；IL-18诱导干扰素-γ的表达和分泌，对于巨噬细胞、T细胞和其他免疫细胞的活化至关重要[15]，可趋化多形性核粒细胞向肺组织移动，并使其变形、脱颗粒、释放超氧化物和溶酶体，引发呼吸道感染暴发。

经气管内给予LPS，AMs焦亡增加进一步加剧肺部炎性反应。有研究表明，在LPS诱导的ALI动物模型中，AMs焦亡会加剧肺部炎症，抑制LPS介导的AMs焦亡可减轻肺损伤[16]，通过对AMs焦亡的干预可能是有效控制肺部炎症的治疗策略。

经LPS处理后，伴随着p38-丝裂原活化蛋白激酶(p38-MAPK)信号通路在体内外的激活，NLRP3、IL-1β的表达及caspase-1的裂解均明显升高，阻断p38-MAPK信号通路可以改善ALI/ARDS，与抑制AMS焦亡有关[17]。NLRP3炎性小体在AMs焦亡中扮演着重要角色，抑制AMs中的NLRP3炎性小体激活可能有助于减轻与炎症相关的肺损伤[18]。过表达的miRNA-495通过负调控NLRP3基因抑制了NLRP3炎性小体的活化并减弱了LPS诱导的肺部炎症和AMs焦亡，进而阻碍ALI/ARDS进展[19]；髓样分化蛋白-2(MD-2)-Toll样受体(TLR)4/NF-κB依赖性途径对AMs中NLRP3炎性小体活化和肺部炎性反应的加重起着重要作用[20]。 IL-1β-IL-1受体I(IL-1RI)信号的继发上调是AMs焦亡和LPS引起肺损伤的原因之一，LPS通过诱导的IL-1β分泌激活上调IL-1RI，上调的IL-1RI使AMs对IL-1β敏感并导致焦亡小体形成和AMs焦亡，并随后加剧了肺部炎症[21]。IL-1RI或caspase-1的缺失通过阻断LPS诱导的AMs焦亡明显降低了肺部炎症并改善了ALI/ARDS肺组织学改变[21]。干扰素调节因子-1(IRF-1)在调控caspase-1依赖的焦亡和炎症中起关键作用[22]。IRF-1促进AMs中caspase-1激活和含有ASC焦亡小体形成，并导致下游炎性细胞因子释放，基因敲除小鼠中IRF-1强烈消除了AMs细胞焦亡，并减轻了LPS诱导的肺损伤和全身炎症。

3 HMGB1/RAGE与ALI/ARDS

HMGB1也称为两性蛋白，是一种由216个氨基酸组成的非组蛋白DNA结合蛋白，因其在凝胶电泳中迁移速度快而得名，在病理情况下，HMGB1被动从感染、损伤坏死的细胞或主动从激活的免疫细胞释放[23-24]，释放到细胞外的HMGB1作为DAMP通过与其受体，如RAGE、TLR2、TLR4结合发挥作用，且其在ALI/ARDS肺组织中的表达水平明显高于正常肺组织。

体外细胞研究发现，细胞外HMGB1与受体结合产生炎性细胞因子主要是通过RAGE介导[25]。RAGE是一种膜蛋白，属于细胞表面受体的免疫球蛋白超家族成员，在大多数正常组织中低表达，在与炎症和肺损伤相关的所有病理状态下，细支气管上皮、Ⅱ型肺泡上皮细胞、AMs和内皮细胞中均观察到RAGE过表达[26]，且HMGB1在ALI/ARDS中表达强度与肺损伤程度呈正相关[27]。RAGE是多配体受体，HMGB1作为RAGE亲和力最高的配体，其与RAGE结合后通过激活下游的炎症通路MAPK、NF-κB介导多种炎性介质的产生[28]，如肿瘤坏死因子α(TNF-α)、IL-1β、IL-8等。这表明HMGB1/RAGE通路的激活在体内扩增了炎性反应并且在炎性疾病的发病机制中起重要作用。有研究表明，HMGB1/RAGE信号通路参与LPS诱导的ALI/ARDS进展[29-30]。

4 HMGB1/RARE与AMs焦亡

研究表明，HMGB1除非与含有DNA的免疫复合物或DAMP(如IL-1β和LPS)结合，否则对巨噬细胞几乎无影响[31]。单独的HMGB1不能激活NLRP3炎性小体，也不能诱导IL-1β和IL-18的分泌，但HMGB1可通过与其配体RAGE结合后以剂量依赖性方式促进巨噬细胞中Pro-IL-1β和Pro-IL-18的合成[32]，因此，HMGB1/RAGE信号通路可能在AMs焦亡释放IL-1β和IL-18的第一步中起重要作用。但也有研究证明，HMGB1在炎症过程中起细胞质信号分子的作用[33]，通过RAGE作用的HMGB1能够诱导巨噬细胞中焦亡小体形成和caspase-1活化，从而导致随后的细胞焦亡，且体内外实验均证实内毒素血症中确实存在这种HMGB1诱导的巨噬细胞焦亡[34]。细胞外HMGB1在体内介导NLRP3炎性小体活化中发挥特定作用[35]，然而在外周呼吸系统中，NLRP3炎性小体主要定位于AMs[20]。故HMGB1/RAGE信号通路可能通过影响经典途径的AMs焦亡在LPS诱导的ALI/ARDS中具有重要作用。

细胞外HMGB1在炎症中还起转运蛋白的作用，可结合其他炎性介质如LPS、IL-1β、组蛋白和核小体等来增强炎性反应[36]，其与这些免疫激活分子结合形成促炎复合物，被细胞膜上RAGE受体内吞并向溶酶体区室转运，HMGB1能使溶酶体通透，使其伴侣分子避免被溶酶体降解并能够到达相关的免疫激活传感器以激活下游事件。LPS激活其关键细胞质受体-鼠caspase-11、人caspase-4和caspase-5产生细胞焦亡，正是通过以上途径而实现。这一过程中RAGE而非TLR4在转运HMGB1和LPS复合物以激活细胞质受体中起着至关重要作用，相比之下，靶向HMGB1/TLR4通路的特定HMGB1抑制剂(K883)不能抑制这种内吞作用[37]。

DENG等[38]研究证明，HMGB1是内毒素血症和脓毒症中驱动caspase-11活化的关键介质，肝细胞释放的HMGB1与LPS结合形成HMGB1-LPS复合物，并通过RAGE将其内吞并靶向巨噬细胞和内皮细胞的溶酶体转运。随后，HMGB1在溶酶体的酸性环境中穿透磷脂双分子层，导致LPS能够达到其关键的病原性细胞质受体caspase-11，以介导炎性小体的激活和肝细胞焦亡。肝细胞HMGB1的耗竭、肝细胞HMGB1释放的抑制、中和细胞外HMGB1或RAGE的缺乏均可防止内毒素血症和细菌性脓毒症中caspase-11依赖的细胞焦亡。LPS诱导的ALI/ARDS中是否也存在这种HMGB1/RAGE介导的caspase-11依赖性AMs焦亡需进一步证实。但根据现有研究推测，LPS诱导的ALI/ARDS中，HMGB1可能作为转运蛋白，与LPS结合将其通过RAGE转运至AMs细胞质，并激活AMs细胞质受体caspase-11、caspase-4和caspase-5，进而诱导非经典途径的AMs焦亡。

5 展 望

目前ALI/ARDS炎性反应中HMGB1/RAGE信号通路影响AMs焦亡的具体机制尚不清楚，但据以上相关的研究推测，HMGB1/RAGE信号通路可能通过影响经典途径及非经典途径AMs焦亡在LPS诱导ALI/ARDS中具有重要作用，可为通过对HMGB1/RAGE信号通路干预减轻ALI/ARDS炎性反应提供新的理论依据。