高迁移率族蛋白B1在心肌缺血再灌注损伤中的双重作用

肖政，黄鹤

心肌缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）损伤是指心肌细胞遭受一段时间的缺血刺激后，在恢复供血供氧的过程中，心肌细胞损伤进一步加重的现象，而这现象被发现与炎症密切相关。高迁移率族蛋白B1（high-mobility group box 1，HMGB1）作为一种典型的损伤相关分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）在炎症反应中发挥核心作用，因此成为潜在的药物作用靶点治疗炎症相关疾病。在心肌I/R 损伤中，HMGB1 与其相应的受体结合后促进炎性因子释放，其本身也作为炎性因子加速心肌细胞损伤，然而，HMGB1 也被报道能产生心肌保护作用，促进组织修复和血管生成，减轻心肌损伤。因此，本研究将从HMGB1 的结构和功能，损伤及保护机制来阐述HMGB1 在心肌I/R 中的作用。

1 HMGB1的结构和功能

HMGB1是一种高度保守的染色体蛋白，它几乎存在于所有真核细胞的细胞核中，在哺乳动物中还存在有HMGB2、HMGB3 和HMGB4 三个高迁移率族蛋白家族成员，人类HMGB1由215个氨基酸组成，通常将其分为A box、B box 以及C-末端结构域。其中A box 能与HMGB1 竞争性结合其下游晚期糖基化终产物受体（receptor for advanced glycation end products，RAGE）和Toll 样受体4（toll-like receptor 4，TLR4），因此在炎症过程中展现出抗炎作用。相反，B box被发现拥有HMGB1的细胞因子活性，不仅能与RAGE结合，还能与TLR4的辅助蛋白髓样分化蛋白-2（myeloid differentiation factor 2，MD-2）结合，促进炎性因子的分泌，因此导致炎症反应的发生。HMGB1 可定位于胞核、胞质和胞外，而胞外的HMGB1 是DAMP 的典型代表，具有炎性因子、趋化因子和生长因子活性，同时可以作为一种潜在的生物标志物来预测肿瘤的进展和预后。

2 HMGB1在心肌I/R损伤中的作用机制

炎症反应是心肌I/R 损伤的主要机制之一，在缺血性心肌病中，长时间的缺血缺氧会导致心肌细胞死亡，因此需要紧急恢复缺血心肌的血流、挽救心肌组织，而随着血液和氧气供应恢复，心肌细胞遭受进一步的损伤，死亡的心肌细胞会被动释放HMGB1。已知胞外的HMGB1 通常需要与RAGE 和TLRs 等细胞表面受体结合，诱导核因子-κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）的产生，促使炎症细胞释放肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、白细胞介素（interleukin，IL）-1β 和IL-6 等炎性因子，同时，释放至胞外的炎症介质促进免疫细胞在梗死区域聚集并释放HMGB1，形成炎症环路，加剧心肌组织的损伤。有趣的是，HMGB1也能促进心肌细胞产生缺诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α），它是一种稳定细胞内环境的重要调节因子，能够促进诱生型一氧化氮合酶、血红素氧化酶1和促红细胞生成素等心肌保护分子的产生，改善心脏功能。

2.1 HMGB1-RAGE信号通路在心肌I/R损伤中的作用

RAGE 被普遍认为是一种跨膜免疫球蛋白样受体，它能与胞外的HMGB1 结合，激活炎症反应。已经有研究发现RAGE 的活性及含量在心肌I/R 损伤过程中明显升高。此外，使用重组HMGB1 处理小鼠促进了炎性因子的分泌，加剧了心肌I/R 损伤，但是这种损伤作用在RAGE 缺乏的小鼠中明显减轻，暗示了HMGB1-RAGE 信号通路介导的炎症反应与心肌I/R 损伤有关。同样的，Wang 等发现远程缺血后处理（remote ischemic postconditioning，RIPostC），即在长时间缺血后心脏血流恢复之前在远端血管应用多次短暂的I/R 处理，通过抑制HMGB1-RAGE 信号通路的激活，减少了心肌梗死范围并且抑制氧化应激，改善了心脏功能，从而减轻心肌I/R 损伤。最近的研究表明脾脏作为一个重要的免疫器官也参与了心肌I/R 损伤，切除脾脏降低了缺血40 min 再灌注60 min 后小鼠的心肌中性粒细胞浸润和梗死范围。但是，在输入缺血40 min 的心脏匀浆上清液的I/R 损伤小鼠中，心肌梗死范围进一步增加，而通过免疫沉淀除去心脏上清液中的HMGB1可以抵消这种损伤效应，并且在使用基因敲除RAGE 的小鼠和敲除RAGE 的脾细胞处理脾脏切除小鼠中也发现了类似的结果，暗示了在心肌I/R损伤中存在有HMGB1-RAGE 信号通路介导的心-脾轴。在此基础上，游离DNA 和HMGB1 也被发现在加剧心肌I/R 损伤和增加心肌梗死范围上具有协同作用，但是这种不利影响在脾脏切除或RAGE 基因敲除后明显减轻。上述研究强调了心-脾轴以及HMGB1-RAGE 信号通路对于心肌I/R 损伤的重要性，为心肌I/R损伤的治疗提供了新的方向。

2.2 HMGB1-TLR2/4 信号通路在心肌I/R 损伤中的作用

TLR4 作为模式识别受体家族成员识别HMGB1介导炎症反应。在心肌I/R大鼠模型中发现心肌组织中HMGB1 和TLR4 表达均上调，间质中伴有大量炎症细胞浸润。而在TLR4 缺乏的小鼠中或使用TLR4 抑制剂后发现，心脏中的中心粒细胞和单核-巨噬细胞浸润减少伴随HMGB1和炎性因子表达水平降低，心肌I/R 损伤减轻。除了上述常见的炎症细胞参与心肌损伤外，Xue 等发现树突状细胞加重了心肌I/R 损伤并扩大心肌梗死范围的过程也受到HMGB1-TLR4 信号通路的调节。因此，HMGB1 可以通过各种炎症细胞介导的炎症反应参与心肌损伤。最近有研究表明α2-肾上腺素能受体也与心脏炎症有关，他们使用α2-肾上腺素能受体激动剂右旋美托咪啶预处理心肌I/R 小鼠，结果显示在损伤的心肌中HMGB1 和TLR4 的表达均降低，心脏炎症反应减轻，而这种保护作用在使用α2-肾上腺素能受体拮抗剂或心脏过表达HMGB1 后消失。值得注意的是，远端缺血预处理（remote ischemic preconditioning，RIPC）也可以通过抑制HMGB1-TLR4 信号通路对心脏提供保护作用，并且这种作用在联合应用七氟醚后更加明显。因此，RIPostC 和RIPC 都可以产生抗炎作用而减轻心肌I/R 损伤，但是这种方式依赖的信号通路还需要进一步的探究。此外，细胞凋亡也在心肌I/R 损伤中发挥作用，激活HMGB1-TLR4 信号通路可以促进心肌细胞凋亡，加重心肌I/R 损伤。然而，随着研究的深入，HMGB1 与TLR4 结合介导炎症反应的分子机制被阐明：首先，A box 与TLR4/MD-2 复合物上的TLR4 结合，待A box 与TLR4 结合紧密后B box又与MD-2 结合，最终形成HMGB1/TLR4/MD-2 复合物，两个复合物形成一个二聚体，活化HMGB1-TLR4 信号通路，促进炎性因子的释放。因此，干预上述复合体形成可能为心肌I/R 损伤提供了新的治疗靶点。

类似于TLR4，TLR2也可以与HMGB1结合介导炎症反应，但是这个过程不依赖于MD-2。重要的是，使用TLR2 的单克隆抗体OPN-301 能选择性地抑制免疫细胞的TLR2，减轻心肌免疫细胞浸润和炎症反应，改善心肌I/R 损伤并保护心脏功能。在此基础上，单克隆抗体OPN-305 在大型动物模型上被证实有效，它可显著降低梗死范围，并且改善猪I/R 模型的心肌收缩能力，因此其具有极大的临床应用潜力。类似的结果也出现在基因敲除TLR2 的小鼠中，使用A box 处理TLR2 缺乏的小鼠发现心肌梗死范围和肌钙蛋白水平没有明显的改变，暗示了HMGB1 在心肌I/R 损伤中发挥作用是依赖于TLR2的。

2.3 HMGB1 在缺血性心肌病中的保护作用

随着对HMGB1 研究的深入，有研究发现HMGB1 也能促进组织再生、修复和血管生成，因此改善心肌梗死后左心室功能。进一步的研究表明，在心肌梗死后注射外源性HMGB1 可激活Wnt/β-catenin 信号通路，上调的β-catenin促进成纤维细胞的迁移和增殖，有助于改善和修复缺血的心肌。此外，HMGB1预处理能够抑制炎症反应和氧化应激，减轻心肌I/R 损伤，而且这种心脏保护作用和HMGB1 预处理的剂量呈正相关。最近的研究发现了在心肌缺血期间，机体会产生一种关键的转录因子HIF-1α，它不仅能促进血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的产生，还可以抑制心肌细胞活性氧（reactive oxygen species，ROS）的过度积累，对心肌产生有利的影响。基于HIF-1α对心脏的保护作用，Zhou 等首次报道在心肌缺血前30 min 静脉注射HMGB1 增加了HIF-1α 的表达，心肌I/R 损伤减轻，暗示了HMGB1 通过上调心肌HIF-1α 蛋白的表达而发挥其心脏保护作用。并且随着HMGB1 预处理剂量的增加，心肌梗死范围明显降低，心脏功能显著改善，这表明HIF-1α 表达保护心肌细胞的程度依赖于HMGB1 预处理的剂量。类似的，另外的研究表明心肌HIF-1α 的表达与PI3K/Akt信号通路密切相关，HMGB1预处理可以增强蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）磷酸化，导致HIF-1α及其下游分子VEGF 表达上调，从而改善心肌I/R 损伤，而使用磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinases，PI3K）抑制剂抑制Akt 磷酸化可以降低HIF-1α 和VEGF 的表达，导致心肌保护作用减弱。不仅如此，HMGB1 预处理还能通过抑制p38 丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK）的磷酸化对心肌产生保护作用。总之，HMGB1可以通过多条信号通路发挥保护作用，但是其信号机制还需要进一步的研究。

3 小结与展望

综上所述，HMGB1作为一种炎症介质通过多条通路参与心肌I/R损伤，然而，HMGB1对心肌也具有保护作用，不仅可以减轻心肌I/R 损伤，还促进心肌梗死后的新生血管生成，诱导心肌细胞自噬，改善左心室功能。目前，研究人员认为造成这种现象的原因如下：（1）与HMGB1 的亚细胞定位有关（胞核、胞质和胞外）；（2）与HMGB1 的氧化还原状态有关（还原型HMGB1、二硫键型HMGB1和氧化型HMGB1）；（3）与HMGB1 的处理时间相关（预处理、后处理）；（4）与HMGB1 的剂量相关（低剂量、高剂量），但是以上原因的具体机制以及如何在HMGB1的保护作用和损伤作用之间寻求一个平衡，将保护作用最大化还需待进一步探讨。所以说HMGB1 在心肌I/R 损伤中发挥双重作用，因此还需要大量实验验证HMGB1 在缺血性心肌病中的应用潜力及安全性。