HMGB1介导TLR4/NF-κB信号通路干预骨关节炎研究进展

谢兴文 陈欣 刘建军 李元贞 席芳琴 齐伟 闫文 陈一新

1. 甘肃中医药大学附属医院,甘肃 兰州 730000

2. 甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730030

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是临床常见病,导致受累关节疼痛、功能障碍。随着人口老龄化和肥胖的加剧,OA的发病率逐年增高,成为影响患者生活质量,增加医疗经济支出的主要疾病[1-2]。OA致病因素复杂,包括代谢、表观遗传、基因等因素,具体发病机制尚未明确[3]。研究表明软骨细胞程序性坏死引起慢性低度炎症反应在OA发病中起着重要作用[4]。其中,高迁移率族蛋白B1(high-mobility group box 1 protein,HMGB1)是程序性坏死重要的损伤相关模式分子(danger induced molecular patterns,DAMPs),在免疫炎症应答反应中扮演中心分子角色[5-6]。HMGB1与固有免疫模式识别受体TLR4(toll-like receptor4,TLR4)结合后激活细胞内信号转导途径,导致软骨细胞程序性死亡,释放炎症因子并加重关节软骨滑膜组织的炎症级联反应,表现为OA软骨退变和滑膜炎[7]。近年来,研究发现HMGB1是激活TLR4/NF-κB信号通路引起OA的重要因子[8]。因此,研究HMGB1对OA病理过程变化作用,发现其调控TLR4/NF-κB信号通路相关的潜在分子机制可能有助于确定OA新的治疗策略。

1 HMGB1与TLR4/NF-κB信号通路

高迁移率族蛋白(high mobility group protein,HMGP)是与染色体结合的非组蛋白成分,包括3个家族成员:高迁移率族蛋白A(HMGA)、高迁移率族蛋白B(HMGB)及高迁移率族蛋白N(HMGN)[9-10]。HMGB包含HMGB1、HMGB2、HMGB3 3个成员,广泛存在单核巨噬细胞核中参与DNA的复制、转录、重组等过程,与免疫炎症性疾病的发生密切相关[11]。其中,人类HMGB1基因定位于染色体13q12,含有219个氨基酸残基,由A-box、B-box和一个酸性C尾3个DNA结构域构成[12-13]]。其中,HMG box-A(9～85氨基)在N-末端,是发挥负反馈抑制的区域;C-tail(186-215氨基酸)在羧基末端,通过增加DNA与HMGB1的结合能力调节HMGB1与染色体相互作用[14]]。Box-A与C-tail结合后能够增强其抗炎活性[[15]。HMG box B(89～162氨基)位于二者之间,是激活炎症反应的发生的功能结构域,而A-box可以拮抗box-B引起的炎症反应[16-17]。

在正常情况下,HMGB1一般定位于细胞核中,当受到炎症介质、内毒素等刺激时由坏死的细胞被动释放HMGB1到胞外,或免疫细胞主动分泌HMGB1到胞外与胞膜受体Tolls结合激活免疫系统,促进TNF-α、IL-1β等炎性细胞因子的释放从而激活炎症反应[18-19]。HMGB1可以作为炎症因子激活免疫炎症反应加速细胞程序性死亡,细胞程序性死亡又可以加剧释放HMGB1。HMGB1作为中心分子不断放大炎症瀑布级联反应,使得炎症反应进一步加重[20-21]。因此,HMGB1是免疫炎症网络和细胞信号级联至关重要的调节因子。

关节组织的慢性低度炎症及免疫调节失衡是OA发生发展的重要机制。随着对胞外HMGB1导致OA慢性低度炎症作用的深入研究发现,HMGB1作为炎症介质在OA中发挥促免疫炎症作用[22-23]。当机体出现炎症初期,释放少量HMGB1通过模式识别受体介导炎症信号和软骨细胞程序性坏死[24]。随着炎症循环放大导致HMGB1的水平升高,进一步驱动炎症细胞因子的释放并与多种细胞因子及趋化因子相互作用导致软骨、滑膜组织炎症损伤[25]。因此,HMGB1作为引起OA炎症瀑布级联反应的中心分子,抑制HMGB1的表达调控炎症信号通路和炎症因子表达治疗OA。

2 HMGB1与TLR4/NF-κB信号通路

TLR4由胞外识别区、跨膜区和胞内信号区等3部分组成固有免疫模式识别受体[26-27]。NF-κB是TLR4蛋白下游负责调解炎症的枢纽信号蛋白,无致病原侵袭的生理状态下NF-κB二聚体可与IKB(抑制蛋白)结合组成三聚体,使蛋白失活[28]。当致病原侵袭机体或细胞后形成DAMPs被固有免疫细胞表面模式识别受体(pattern recognition receptor,PRR)启动固有免疫应答。其中,HMGB1被TLR4跨膜区识别激活胞内区IL-1受体同源Toll/interukin-1受体(TIR)结构域,接头蛋白MyD88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)将IL-1受体相关白细胞介素-1受体相关激酶-4(interleukin-1 receptor associated kinases-4,IRAK-4)募集到TLRs形成信号复合物[29-30]。IRAK-4是丝/苏氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶白细胞介素-1受体相关激酶(interleukin-1 receptor associated kinases,IRAKs)的家族成员,与髓样分化因子MyD88形成寡聚复合物发挥支架作用,使得IRAK4通过Thr209、Thr387途径发生自身磷酸化激活IRAK1和IRAK2,继而激活NF-κB信号通路,调控IL-1β、IL-6、NO、PGE2、MMPs等细胞因子的表达。因此,TLR4/NF-κB信号通路参与机体免疫炎症应答反应信号转导过程调控低度慢性炎症的发生发展[31]。

HMGB1作为细胞因子参与炎症反应。研究[32-33]表明,TLR4在识别HMGB1后依赖髓样分化蛋白88(MyD88)途径形成活化的异源二聚体TLR4/MyD88复合物,从而启动细胞内信号传导激活IκB和IκK并使活化的NF-κB核移位引起细胞因子释放[34]。这些炎症因子可以进一步激活和增强相关NF-κB炎症信号通路调节细胞因子、趋化因子的表达激活免疫细胞主动释放HMGB1,促进细胞坏死被动释放HMGB1[35-36]。HMGB1作为一种中心分子调控TLR4/NF-κB信号通路参与免疫炎症级联循环反应,加剧组织慢性低度炎症损伤[37]。所以,抑制HMGB1的表达调控TLR4/NF-κB信号通路或者阻断HGMB1与TLR4的结合从而下调NF-κB信号通路延缓软骨退变。

3 HMGB1与OA

3.1 HMGB1促进炎症因子的释放

关节软骨的退变及机械应力等因素不断诱发关节软骨基质成分和软骨细胞坏死碎片诱发细胞释放HMGB1等损伤相关分子模式表达[38]。Heinola等[39]发现HMGB1可以转移到骨关节炎软骨中软骨细胞的细胞质或细胞外基质,在OA患者的滑膜和软骨碎片中,HMGB1表达水平较高。HMGB1激活和维持关节软骨细胞和巨噬细胞之间的表面模式识别受体TLR4激活NF-κB产生和释放炎症介质(细胞因子、趋化因子、脂质介质)进入滑膜液[40],发挥炎症反应生化信号分子途径导致软骨细胞代谢活性受损,反过来又推动了OA疼痛和功能障碍的进展。

HMGB1激活先天免疫细胞广泛受体的能力是关节炎症反应发展的基础。它们促进巨噬细胞的招募和激活,巨噬细胞产生一系列炎症细胞介质激活TLR4/NF-κB免疫炎症信号通路释放炎症因子加重机体的炎症反应[41]。关节滑膜巨噬细胞和中性粒细胞表面的TLR4模式识别受体识别HMGB1产生和释放炎症介质(细胞因子、趋化因子、脂质介质)进入滑膜液[42]。这些炎症介质激活分解代谢因子、细胞因子、趋化因子,促进关节低级别炎症,增加软骨细胞胶原酶和聚集酶的合成,促进软骨细胞和软骨细胞外基质代谢稳态异常,形成炎症和软骨退变的恶性循环。HMGB1促进软骨和滑膜细胞之间软骨和滑膜之间慢性低度炎症的恶性循环,患者的疼痛及功能进一步加剧影响患者的更多功能[43]。OA是一种全关节慢性低度炎症性疾病,HMGB1作为机体的一种炎症中心分子将发挥炎症循环作用,抑制HMGB1的表达抑制OA炎症反应,改善关节肿胀、疼痛症状,达到治疗的效果。因此,靶向软骨细胞和巨噬细胞之间的炎症反应及抑制抑制HMGB1/TLR4/NF-κB通路的表达是治疗OA的一种潜在治疗策略。

3.2 HMGB1促进软骨细胞的凋亡和细胞外基质的降解

软骨细胞和细胞外基质(extracellular matrix, ECM)是软骨的重要组成部分。研究表明,在软骨代谢过程中,软骨细胞产生Ⅱ型胶原蛋白、蛋白聚糖等成分调控ECM代谢稳态[44-45]。软骨ECM为软骨细胞提供稳定的结构环境,二者相互作用维持软骨组织内稳态及软骨生物力学功能[46]。生理状况下,软骨细胞接受关节内机械信号和生化信号,调控软骨ECM的代谢处于动态的平衡之中[47]。随着机体的衰老和机械应力改变了关节内的生物力学信号,软骨的慢性损伤和DAMPs分子的增加,激活TLR4/NF-κB信号通路产生和炎症介质的释放,软骨合成代谢下调或分解代谢上调,软骨内稳态破坏。其中,HMGB1与巨噬细胞、滑膜细胞和关节软骨细胞的上表面TLR4的结合,激活软骨细胞核内NF-κB的表达,分泌基质降解酶(MMPs和ADAMTs)抑制了聚集素和II型胶原的合成,软骨细胞ECM的合成减少,软骨细胞ECM稳态被打破,关节软骨细胞和细胞外基质的代谢稳态失衡,软骨代谢修复调节能力不足,进一步加速关节软骨退变。另外,软骨细胞的凋亡促进软骨细胞释放HMGB1增加,进一步强化软骨细胞慢性低度炎症循环,继而加速软骨细胞凋亡和细胞外基质分解加剧[48]。

HMGB1的表达在整个炎症阶段上调,可通过内源性和细胞外途径调节软骨细胞的活性[49]。HMGB1通过上调机体炎症因子的产生,导致软骨细胞及软骨细胞外基质的破坏增加[50]。因此,抑制HMGB1的活性,打破炎症循环反应链,降低软骨细胞的HMGB1释放及炎症因子对软骨细胞的破坏,对抑制OA慢性低度炎症和维持软骨代谢稳态具有重要意义。景嵘月等[51]研究发现中药制剂新痹痛灵能降低滑膜组织中HMGB1 mRNA的表达及抑制HMGB1而减少相关炎症通路的激活减轻OA大鼠关节肿胀。

4 总结及展望

OA是一种慢性低度炎症性疾病,免疫炎症级联反应在OA病理过程中发挥重要作用。HMGB1作为重要的免疫炎症级联反应中心分子与OA免疫炎症反应密切相关。其中,HMGB1通过TLR4激活NF-κB信号通路引起炎症因子释放,炎症因子促进滑膜炎症反应以及软骨细胞的程序性死亡和软骨细胞外基质降解。因此,HMGB1可能是OA软骨退变和炎症反应进展的关键分子,对HMGB1及慢性低度炎症反应的深入了解将为开发新的治疗OA药物提供更多新思路。目前针对HMGB1/TLR4/NF-κB信号通路治疗OA的药物以实验研究为主,还需要临床研究证据的支持。