HMGB1调控IL-17分泌与中性粒细胞性哮喘的研究进展

王慧虹, 张秀峰

海南医学院第二附属医院,海南海口 570145

哮喘是一种异质性疾病,以气流阻塞和气道高反应性为特征。反复咳嗽、喘息和胸闷是哮喘的主要症状;吸烟、过敏原和运动等是其诱因。哮喘分为辅助性T细胞2(T helper cell 2,Th2)型哮喘和非Th2型哮喘[1]。Th2型哮喘主要是Th2淋巴细胞及其分泌的细胞因子如白细胞介素(interleukin,IL)-4、IL-5、IL-13和IL-17等介导的嗜酸性粒细胞哮喘,通常为轻、中度哮喘,在儿童中更为普遍[2]。而中性粒细胞性哮喘是非Th2型哮喘的典型代表,与Th17细胞免疫反应升高有关,是一种严重的类固醇抵抗性哮喘[3]。最近高迁移率族蛋白1(high mobility group box 1,HMGB1)在中性粒细胞性哮喘发病机制中的作用备受关注。晚期糖基化终产物受体(receptor for advanced glycation end products,RAGE)和Toll样受体(toll-like receptors,TLR)是HMGB1的主要受体,HMGB1作为一组非组蛋白核蛋白与RAGE、TLR结合,通过激活下游信号通路启动功能反应,这导致免疫细胞活性激活和促炎细胞因子分泌,参与炎症发生发展[4]。HMGB1表达上调与中性粒细胞性哮喘相关,但中性粒细胞性哮喘发生发展的潜在机制仍未完全阐明。本综述旨在总结HMGB1调控IL-17分泌与中性粒细胞性哮喘的关系。

1 IL-17与中性粒细胞性哮喘

全球目前达3.58亿哮喘患者,其中5%～10%的患者患有重症哮喘,预计到2025年患者数将增涨至4亿,每年约有25万哮喘患者死亡[5-7]。中国成人哮喘现患病率已达4.2%,相当于4 570万中国成年人患有哮喘[8]。哮喘的患病率高并持续上升,造成了严重的经济和社会负担。

Th17细胞是CD4+T辅助细胞的一个独特的亚群,表现出特有的转录调节因子视黄酸相关孤儿受体γt(retinoid-related rrphan receptor ramma t,Rorγt)的高表达,于2005年首次被发现[9]。Th17细胞是促炎细胞,通过分泌IL-17细胞因子家族(包括IL-17A和IL-17F),从而刺激促炎分子的分泌,进一步参与对细菌或真菌感染的免疫,以及自身免疫或代谢性疾病的发病机制[10]。而IL-17通过调节几种趋化因子(包括CXCL1、CXCL2和CXCL5)的表达,在中性粒细胞募集到气道中发挥关键作用。在哮喘小鼠模型和哮喘患者研究中,发现哮喘严重程度与中性粒细胞计数、IL-17密切相关[11]。在脂多糖/卵清蛋白致敏的嗜中性粒细胞哮喘小鼠模型中,观察到中性粒细胞浸润显著减少,并且伴随IL-17减少[12]。综上所述,IL-17是中性粒细胞性哮喘的独立危险因素。

IL-17是中性粒细胞哮喘的重要标志。Th17细胞参与了中性粒细胞性哮喘的发生和发展,但其介导的哮喘免疫反应失调的潜在分子机制仍不清楚。部分哮喘患者不能从皮质类固醇的抗炎治疗中获益。因此,需要不断探索新的中性粒细胞性哮喘标记物,不断为某些类型的哮喘开发新的治疗方法,寻找针对中性粒细胞性哮喘的替代策略。

2 HMGB1生物学特征

1973年首次在小牛胸腺中发现了一组具有高电泳迁移率的非组蛋白核蛋白,命名为HMG蛋白[13]。HMGB1是HMG家族成员中含量最高的蛋白质,在细胞核中作为一种结构染色质结合因子,通过各种刺激从免疫细胞或非免疫细胞释放到细胞外环境中才能发挥细胞因子的作用。其可由炎症免疫细胞主动分泌,也可由非免疫细胞坏死或受损后被动释放。HMGB1易位至细胞外,通常意味着被激活[14]。

人类HMGB1具有215个氨基酸残基,主要分为3个结构域:2个DNA结合基,称为HMG A-box和HMG B-box,以及一个酸性羧基端[15]。HMGB1的2个HMG boxes在结构上由3个阿尔法螺旋和2个L形环组成[16]。A-box和B-box是HMGB1的DNA结合域,而带负电荷的尾部可以结合组蛋白[17]。细胞外B-box可以复制转录促炎活性蛋白,A-box可以作为HMGB1拮抗剂[18]。HMGB1 A-box的抗炎活性在与C端酸尾融合后得到增强[19]。A-box拮抗HMGB1的细胞因子活性,主要是A-box与HMGB1竞争活化巨噬细胞表面的结合位点,并减弱HMGB1诱导的促炎细胞因子的释放[20]。C端酸性尾巴调节HMGB1与DNA的相互作用,最终促进HMGB1结构的破坏[21]。酸性尾巴和其他氨基酸,特别是半胱氨酸残基对HMGB1寡聚体形成起着重要作用,这些寡聚体可能参与炎症性疾病的进展[22]。

有研究证明HMGB1经历了各种翻译后修饰(如甲基化)[23],导致其从细胞核移位到细胞质,最终释放,从而参与疾病的发生发展,包括哮喘在内,但具体机制尚不明确。

3 HMGB1与IL-17在中性粒细胞性哮喘发病中的作用

HMGB1可以通过影响IL-17的表达来参与不同疾病的发生发展,如亚急性帕金森病[24]、血栓闭塞性脉管炎[25]、脓毒症[26]等。HMGB1在树突状细胞、肺泡巨噬细胞等中均有表达[26],并可通过调控Th17细胞分化参与中性粒细胞性哮喘的发生发展。

3.1 HMGB1是中性粒细胞性哮喘患者的新生物标志物

HMGB1通过调节IL-17的分泌参与中性粒细胞性哮喘的发病成为了研究热点。使用OVA/LPS诱导复制的中性粒细胞哮喘小鼠模型,发现肺组织中IL-17a、HMGB1等相关促炎症因子升高[27];使用LPS/IL-13诱导的细胞模型中,细胞中IL-17a、HMGB1等相关促炎症因子亦升高。使用铁下垂抑制剂利普司他汀-1(liproxstatin-1,Lip-1)处理,发现细胞模型中Lip-1能抑制HMGB1的释放,从而减少IL-17a的表达水平;哮喘小鼠模型中,HMGB1和IL-17a的表达水平下降,哮喘炎症程度改善。

在小鼠致敏前通过气管内给与可溶性RAGE(soluble form of RAGE,sRAGE),sRAGE通过抑制呼吸道CD11c+抗原提呈细胞中RAGE和IL-23的表达,抑制重组高迁移率蛋白1(recombinant high mobility group box 1,rHMGB1)激活的树突状细胞在体外诱导的Th17细胞极化,导致HMGB1表达降低;出现中性粒细胞炎症反应和Th17型反应均显著降低,减轻了重度哮喘的严重程度[28]。哮喘患者诱导痰标本中的HMGB1与哮喘严重程度呈正相关,重度哮喘患者与轻中度哮喘患者及健康人群相比,支气管活检气道平滑肌中HMGB1的表达明显增加[29]。本研究发现,重度哮喘患者诱导痰中中性粒细胞比例明显高于正常对照组和轻度哮喘患者,且痰中HMGB1含量明显高于正常对照组,HMGB1水平与一秒用力呼气容积和第一秒用力呼气量占所有呼气量的比例呈负相关[30],表明HMGB1是哮喘中性粒细胞气道炎症的调节因子,HMGB1与哮喘的严重程度相关。

以上研究提示,HMGB1是中性粒细胞参与重度哮喘气道炎症的中介因素,可能是中性粒细胞性哮喘患者新的生物标志物。

3.2 HMGB1通过激活核因子-ΚB途径影响IL-17的分泌

核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)作为一种转录因子,可调节细胞增殖和凋亡相关基因、炎症和免疫反应相关基因的表达,并可诱导T细胞和B细胞的分化和活化。NF-κB激活途径包括经典途径和替代途径。NF-κB通道能影响IL-17的分泌。用OVA刺激和致敏豚鼠建立变应性鼻炎(allergic rhinitis,AR)豚鼠模型,发现在豚鼠AR模型中,经黄芪多糖(astragalus polysaccharide,APS)处理后,豚鼠组织和血清中Treg关键转录因子叉头盒蛋白P3(forkhead box protein P3,Foxp3)和IL-10水平上调,而IL-17水平下调[31]。将慢病毒包装的NF-κB注入豚鼠,使其过表达NF-κB,发现NF-κB过表达可逆转上述结果,研究认为NF-κB过表达可逆转APS对AR豚鼠Treg/Th17失衡的改善作用。

HMGB1易位到细胞外,与TLR和RAGE等模式识别受体结合,随之激活NF-κB途径,并增加促炎性细胞因子的产生和释放。ZHANG等[32]复制肺缺血再灌注损伤模型,使用盐酸纳美芬进行干预,发现盐酸纳美芬高剂量组和低剂量组肺组织中TLR4、HMGB1、NF-κB的蛋白表达水平和mRNA表达水平均明显低于对照组。提示在肺缺血再灌注损伤中,HMGB1与TLR4结合,激活NF-κB途径,进而导致各种炎症因子的表达水平增加,从而导致损伤;盐酸纳美芬可通过抑制TLR4及HMGB1的表达水平,而减少HMGB1与TLR4结合,减少NF-κB的活化,以减轻肺缺血再灌注损伤。

Yu等[33]认为丙酮酸乙酯抑制了AVMC小鼠中HMGB1的表达和释放,下调了RAGE、磷酸化NF-κB p65和磷酸化-IκBα水平,抑制IκBα的降解,减少RAGE的表达,抑制NF-κB的活化,从而降低IL-17的产生和释放,改善柯萨奇病毒B3诱导的急性病毒性心肌炎。

Byun等[25]研究发现,血栓闭塞性脉管炎患者血浆中HMGB1、RoRγt、RAGE和IL-17的mRNA水平均高于正常对照组。去整合素金属蛋白酶10(A disintegrin and metalloproteinase 10,ADAM10)是RAGE的分解酶,负责RAGE裂解的膜蛋白酶,当ADAM10干预后,抑制血栓闭塞性脉管炎患者NF-κB的磷酸化水平,降低RAGE的表达,减少HMGB1/RAGE结合,从而抑制Th17细胞分化成熟,减少Th17细胞数量,减少IL-17的分泌,减轻血栓闭塞性脉管炎的内皮炎症。

上述研究提示HMGB1通过NF-κB信号通路调节IL-17的分泌,参与各种疾病的发生发展。

4 展 望

综上所述,非Th2型哮喘以中性粒细胞性哮喘为主,以中性粒细胞增多及细胞因子如IL-17的分泌增加相关。皮质类固醇可以延长中性粒细胞的存活时间,并延迟其在哮喘中的清除,可认为该类型哮喘应用皮质类固醇效果不佳。而HMGB1作为中性粒细胞趋化剂,是哮喘中性粒细胞气道炎症的调节因子,减轻了重度哮喘的严重程度。因此,HMGB1可能成为中性粒细胞性哮喘的生物标志物,明确HMGB1与中性粒哮喘的关系,将有益于这一哮喘亚群的新治疗策略的开发,为寻求类固醇抵抗性哮喘的有效治疗提供了新思路。另一方面,HMGB1通过NF-κB信号通路调节IL-17的分泌,参与各种疾病的发生发展,但在中性粒细胞性哮喘发生、发展的分子机制的研究还尚未有发现。因此HMGB1与NF-κB信号通路、IL-17及中性粒细胞性哮喘之间具体的内在关系仍然需要更深入的探索。今后还应继续关注中性粒细胞性哮喘患者中HMGB1、IL-17的表达情况,以及HMGB1在NF-κB信号通路上的研究。