损伤相关分子模式在慢加急肝衰竭中的研究进展

陈小梅 综述,于 淼,徐向红 审校

1.甘肃省人民医院临床研究与转化医学研究所,甘肃兰州 730000;2.甘肃省人民医院生物治疗中心,甘肃兰州 730000

慢加急肝衰竭(ACLF)是在慢性肝病的基础上,由各种急性触发因素引起的一组与严重急性肝功能损害和多器官衰竭相关的复杂临床综合征,其特点是病情严重、进展迅速、病死率高[1]。在我国,HBV相关的ACLF(HBV-ACLF)占ACLF病例的70%以上[2-3]。ACLF是一个高度动态的过程;因此,对反映住院期间肝功能衰竭过程的生物标志物进行连续评估可能会加强对ACLF患者的管理[4]。近年来,越来越多的研究表明,损伤相关分子模式(DAMPs)可以作为慢加急肝功能衰竭潜在的预后生物标志物。DAMPs是大量具有生理功能的细胞内分子,存在于细胞核、线粒体或细胞质中,包括核酸、蛋白质和糖类等[5]。在正常生理条件下,免疫系统无法识别DAMPs,但当细胞受到应激或死亡时,DAMPs会被释放出来。一些研究表明,ACLF患者的血液中DAMPs的水平明显升高,包括高迁移率族蛋白1(HMGB1)和白细胞介素(IL)-33等[6-7]。DAMPs的水平可能与ACLF的治疗和预后有关。本文综述了ACLF中各种DAMPs的作用机制和预后相关性研究进展。

1 DAMPs在ACLF中的作用机制

DAMPs在ACLF的发生和发展中起着重要作用,释放到细胞外的DAMPs可激活免疫系统,引起炎症反应和组织损伤[8]。因此,在肝脏疾病中,DAMPs的释放可能是肝细胞坏死、肝纤维化和肝癌等疾病的原因之一,可以通过血液检测这些分子来评估肝脏损伤的程度和预测患者的预后。DAMPs的在ACLF中作用机制主要包括以下3个方面。

1.1促进炎症反应 在ACLF中,炎症反应是一个重要的病理过程。DAMPs具有无菌的促炎功能,释放到细胞外的DAMPs可以与免疫细胞表面的受体结合,激活免疫系统,引起炎症反应[9-10]。并能刺激白细胞的募集、细胞因子和趋化因子的生成,调节白细胞的黏附和迁移,进一步放大和维持炎症反应[10]。例如HMGB1、热休克蛋白(HSPs)、S100等DAMPs可以与Toll样受体4(TLR4)结合,激活炎症反应[10]。虽然局部炎症反应在组织修复和再生中起着重要作用[8],但是过度或持续的炎症也可能导致全身性和不受控制的炎症反应,使急性失代偿性肝硬化易于发展为ACLF[11]。

1.2促进肝细胞凋亡 DAMPs可以促进肝细胞凋亡,导致肝细胞死亡和肝脏功能损伤。在ACLF中,肝细胞凋亡是一个重要的病理过程。研究表明,HMGB1、线粒体DNA(mtDNA)等DAMPs可以促进肝细胞凋亡,与肝脏功能的恶化密切相关[12]。调节细胞凋亡这一过程涉及凋亡细胞释放各种DAMPs,而DAMPs也可以促进细胞凋亡,导致组织损伤[13]。另外,DAMPs是描述凋亡为免疫原性的必要先决条件,凋亡细胞释放的DAMPs连同细胞因子和趋化因子,使凋亡细胞具有免疫原性,从而能够引起CD8+T细胞介导的反应[12]。

1.3促进血管内皮细胞损伤 当DAMPs释放到细胞外环境时,不仅可以激活先天免疫细胞,还可以激活非免疫细胞,如上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞[14]。在ACLF中,血管内皮细胞损伤是一个重要的病理过程,DAMPs可以促进血管内皮细胞损伤,导致血管通透性增加和组织水肿[15]。这是由于DAMPs可以激活炎症反应,引发血管内皮细胞的炎症反应,导致内皮细胞损伤;另外,DAMPs可以促进血管内皮细胞的氧化应激,导致细胞损伤和死亡。HUANG等[16]证实mtDNA可通过Hippo信号通路抑制内皮细胞增殖,间接导致炎性损伤中存活的内皮细胞的再生能力受损。

2 与ACLF相关的DAMPs的类型和功能

2.1HMGB1 HMGB1是研究最深入的DAMPs之一。HMGB1由免疫活性细胞主动分泌或从凋亡的坏死细胞被动释放,激活免疫反应,促进炎症和癌症的发展[17]。HMGB1通过与多种受体结合传递危险信号,从而加剧一系列与炎症性疾病、自身免疫性疾病和癌症密切相关的细胞反应[18]。细胞外HMGB1通过与其经典受体的相互作用向周围细胞传递危险信号。例如HMGB1可以与晚期糖基化终产物受体(RAGE)结合[19],并与toll样受体2/4/9 (TLR-2/4/9)一起诱导炎症[20]。HMGB1是许多炎性疾病中重要的促炎分子,与ACLF早期肝损伤、免疫激活以及进一步的免疫损伤密切相关。

一些临床实验表明,血清或组织HMGB1水平的升高与ACLF炎症的发生发展呈正相关。JHUN等[21]研究表明,重型HBV患者肝组织中HMGB1、RAGE、IL-17的表达升高,HMGB1/RAGE轴诱导的IL-17表达进一步加重了HBV患者外周血细胞的炎症反应,下调HMGB1/RAGE轴可以效减轻炎症反应。然而,WU等[22]发现ACLF患者的促炎细胞因子水平显著升高,而血清HMGB1水平没有变化,HMGB1的水平可能反映炎症和组织损伤的严重程度,表明HMGB1可作为ACLF的生物标志物和阻断炎症通路的潜在靶点。

HMGB1参与ACLF发生的机制已得到部分证实。XU等[23]使用脂多糖(LPS)或TNF-α刺激胆管癌细胞4 h,发现HMGB1开始逐渐升高,直至刺激结束;由于缺血缺氧,炎症刺激导致初始肝细胞死亡,HMGB1释放,表明HMGB1在ACLF相关的全身性炎症中起关键作用。在用富含lncRNA的转录-1 (NEAT1)相关腺病毒处理的ACLF小鼠中,血清促炎细胞因子IL-22、IL-6和HMGB1的水平显著降低,因为NEAT1阻断了ACLF大鼠模型中TRAF6的泛素化,从而抑制了炎症反应[23]。FANG等[24]报道槲皮素通过抑制HMGB1及其易位减少氧化应激和细胞凋亡,从而减轻ACLF大鼠的肝损伤;YANG等[25]发现血浆可溶性T细胞免疫球蛋白和含黏液结构域分子-3 (sTim-3)在ACLF中显著增加,抑制HMGB1的释放,通过促进自噬和调节单核/巨噬细胞功能减轻炎症反应和肝损伤。最新研究结果显示HMGB1诱导肝细胞热凋亡可增强炎症反应加重ACLF,体内抑制HMGB1可明显改善ACLF大鼠肝功能和凝血功能,表明HMGB1是ACLF治疗的潜在治疗靶点[7]。总之,HMGB1在ACLF中的作用机制尚不完全清楚。用一定的药物或小分子制剂阻断HMGB1的产生,可以减轻ACLF过程中的炎症反应,可能是ACLF新的靶向治疗策略。

2.2IL-1家族细胞因子 IL-1超家族成员参与许多炎症疾病,如肥胖、心血管疾病、癌症、病毒或寄生虫感染、自身炎症综合征和肝脏疾病[26]。IL-1超家族在肝脏疾病中的作用可以是保护性的,也可以是促炎性的,研究最多的两个成员,即IL-33和IL-1α,被认为是双功能细胞因子,即它们具有细胞内转录调节因子和细胞外炎症有效调节因子的双重作用[26]。

2.2.1IL-1α IL-1α是IL-1超家族的一员,在细胞损伤或凋亡过程中,通过RIPK3/胱天蛋白酶-8凋亡信号转导以胱天蛋白酶1依赖的方式从经历TNF诱导的坏死性死亡的巨噬细胞或凋亡小体中释放。作为一种常见的促炎因子,IL-1α在肝损伤中得到了深入的研究,主要涉及急性肝衰竭(ALF),较少涉及ACLF。MONTEIRO等[11]研究和其他动物模型的研究证实,代偿性肝硬化中ACLF的发展与IL-1α和IL-1b的增加有关。全身炎症很容易导致ACLF,这可能与炎症小体的激活有关。IL-1α与IL-1α受体(IL-1R)结合可以触发炎症反应,它们向下游传递炎症信号,诱导免疫细胞的积累并促进炎症细胞因子的分泌[27]。IL-1α/IL-1R1轴促进肝细胞大规模坏死和炎症细胞浸润肝组织从而导致器官衰竭[26]。研究发现在慢性感染期间,IL-1R-/-小鼠的ALF症状明显减轻,且存活率高于野生型小鼠,这是由于前者的炎症反应减弱,使它们能够从恶病质中恢复[28],提示IL-1α在小鼠暴发性肝功能衰竭的发病机制中起着核心作用。罗伊氏乳杆菌DSM 17938是一种潜在的预防或治疗肝功能衰竭的益生菌,在一项研究中,在用罗伊氏乳杆菌DSM 17938治疗的大鼠模型中,血清IL-1α水平、炎症状态和急性肝损伤显著降低[29]。GEHRKE等[30]研究表明使用IL-1α的会加重肝损伤的程度,但是通过用IL-1ra阻断IL-1R1可以减轻ALF的严重程度。总之,通过阻断IL-1α/IL-1R轴是可能是一种治疗ALF/ACLF的方法。

2.2.2IL-33 作为一种组织衍生的核细胞因子,IL-33主要来源于炎症过程中的内皮细胞、上皮细胞和成纤维细胞。IL-33可以通过结合抑瘤性膜受体2(ST2)刺激细胞的先天免疫和适应性免疫。ST2是Toll样受体超家族的成员,在许多免疫细胞的表面表达[31]。目前,关于ACLF中IL-33/ST2轴的研究很少。

部分研究认为IL-33具有抗炎活性。KOTSIOU等[32]总结了先前的研究,发现急性大规模肝损伤可能导致细胞释放IL-33,IL-33可能是组织自我保护和修复的激活剂或M2巨噬细胞的抗炎因子标志物[33]。根据VOLAREVIC等[34]研究,刀豆蛋白A诱导的急性肝损伤可以通过激活IL-33/ST2轴来减轻,ST2缺陷小鼠出现更严重的肝炎和更多的肝脏炎症细胞浸润,这表明IL-33/ST2轴有可能是一种保护因子。

然而,IL-33作为一种肝纤维化因子,在慢性肝损伤中加重肝脏恶化[33]。这是由于IL33/ST2促进核因子(NF)-kB、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)或细胞外信号调节激酶(ERK)/p38MAPK途径的激活,以产生促炎细胞因子和Th2型相关细胞因子[35],对肝细胞造成毒性损伤。DU等[6]研究报道,ACLF患者的血清和肝组织中IL-33/ST2的表达水平显著升高,并且发现血清IL-33的水平与肝病的严重程度有关。YUAN等[36]的研究表明,与CHB组相比,CHB-ACLF组的血清IL-33和sST2明显升高。这些研究提示血清IL-33和sST2在可作为评估疾病严重程度和早期识别的标志物。总之,丰富的临床证据和实验数据表明,IL-33/ST2通路与各种急性肝病的发生和发展有关,但IL-33/ST1轴在ALF/ACLF中的作用仍存在争议。

2.3HSPs HSPs由热休克、缺血、缺氧和其他应激因素产生,参与蛋白质的正确折叠、修饰和成熟;有助于老化蛋白质的降解;在细胞应激期间表达;并在调节抗原呈递、炎症信号转导和细胞凋亡中发挥重要作用[5,37-39]。HSPs在癌症细胞的增殖、侵袭、转移和凋亡逃避中起着重要作用,并促进疾病的发展。到目前为止,关于HSPs在ACLF中的机制的研究很少,已经进行的研究主要与急性肝损伤(ALI)和ALF有关。

长期以来,HSPs被认为是ALI和ALF发生的保护因素。如前列腺素[40]、双环醇[41]护肝的部分机制是通过增强肝脏中HSP70的产生来预防肝损伤或衰竭;盐酸杜鹃花微藻能增加HSP25,改善肝性脑病患者的脑组织病理学变化,有利于ALF的预后[42];日本味噌提取物可以增强葡萄糖调节蛋白(GRP)78的表达,抑制甲肝病毒(HAV)的复制,减少ALF[43];山奈酚在ALF小鼠模型中的保护作用是通过增加GRP78的表达来抑制肝细胞的凋亡[44]。

虽然在大多数研究中提示HSPs是肝组织损伤修复的重要保护因子,其水平的提高有助于患者的预后和疗效预测,但对一些机制仍有争议。一些研究报道,GRP78和GRP94是急性肝损伤或肝衰竭的重要因素。例如BAUDI等[45]发现IFN-α介导的病毒感染引起的急性肝损伤可以通过抑制GRP78来缓解,其机制是IFN-α通过减少未折叠蛋白反应(UPR)诱导内质网应激相关的细胞死亡,GRP78促进UPR高表达,减少IFN-α介导的小鼠肝损伤。ZHANG等[46]发现过氧化物酶体增殖体激活受体α(PPARα)可以改善ALF引起的肝损伤;其机制主要是通过调节内质网应激和减少GRP78、GRP94和其他蛋白的表达来减少肝细胞凋亡。对HSPs家族在ALF/ACLF中的研究相对较少,HSPs在肝组织损伤过程中的作用仍不清楚。由于缺乏基础实验,需要对HSPs进行更多的研究来阐明其机制。

2.4组蛋白类 组蛋白是真核染色质的重要结构成分,有助于调节基因转录。组蛋白被认为是全身性炎症疾病的关键介质,可诱导内皮损伤和血小板聚集,激活凝血和细胞因子的产生,并可能导致败血症、严重创伤、血管炎和急性肝、肾、脑和肺损伤[47-48]。近年来,人们越来越关注组蛋白作为DAMPs分子在ACLF中的作用,以寻找潜在的新的生物标志物和治疗靶点。在ALF小鼠模型中,丙酮酸脱氢酶复合物和乳酸脱氢酶转移到细胞核中,导致细胞核中乙酰辅酶A和乳酸浓度增加,促进组蛋白H3乙酰化和损伤相关基因的表达,而酶抑制剂藤黄和棓黄素可以减轻ALF小鼠的肝损伤,提高生存率[49],表明细胞外组蛋白是诱导全身炎症、细胞损伤和多器官衰竭的主要介质。

虽然对ACLF中细胞外H3和H4的研究较少,机制尚不清楚,但一些实验表明,细胞外组蛋白在肝损伤中起着不可替代的作用。组蛋白作为促炎蛋白在ACLF中的重要性有待进一步探讨。

2.5S100蛋白 S100蛋白在炎症状态下由多种细胞释放的钙结合蛋白,具有促进炎症相关基因的表达和细胞损伤作用,其中S100B是这类蛋白中最早被发现的成员,主要在大脑中由星形胶质细胞表达,尽管一些神经元群体也有表达[50]。S100蛋白家族是启动和维持炎症的关键介质,不仅放大初始炎症信号,诱导炎症反应,而且在一定条件下还能减缓炎症,促进组织修复,调节炎症、细胞增殖和分化、能量代谢、凋亡、钙稳态、细胞骨架功能和微生物耐药。该家族也正在成为识别和监测各种疾病的新的诊断标记[50]。目前对ACLF的研究主要集中在血清学实验上,其作用机制有待进一步阐明。

早期研究发现,暴发性肝炎患者、ACLF或ALF患者血清S100b水平均明显高于肝硬化患者和正常对照,但与生存率无关[51]。在小儿急性肝衰竭(PALF)患儿中,血清S100b水平可能与疾病的严重程度呈正相关[51]。另有研究发现M2巨噬细胞可通过抑制S100A9蛋白相关的坏死炎症轴,减轻ACLF小鼠的肝损伤并发挥保护作用,这为ACLF患者的治疗提供了新的思路[52]。在临床实验的基础上,S100蛋白可作为ACLF新的潜在炎症标志物,辅助ACLF的诊断或评估其预后。

3 小 结

ACLF是一种全身炎症的疾病模型,对DAMPs和ACLF之间相互作用的研究将为先天免疫和适应性免疫反应的研究增加价值,这些研究可以扩展到ACLF以外的其他炎症疾病。随着新研究工具的发展,如单细胞RNA-seq和其他尖端技术的发展,ACLF发展的免疫学特征将进一步确定,DAMPs如何影响免疫细胞极化及其对ACLF的后续影响将被揭示。总之,研究者对DAMPs及其在ACLF中的相互作用进行了文献综述,以增加对这一研究领域的理解,并为寻找合适的ACLF免疫干预措施提供了新的思路。未来的研究应该重点关注DAMPs与ACLF的发病机制、治疗和预后之间的关系,以便更好地管理和治疗ACLF。