HMGB1在心肌缺血再灌注损伤中作用的研究进展

唐森胡(综述)，黄照河(审校)

急性心肌梗死是临床上常见的急危重症，《中国心血管健康与疾病报告2019概要》提到，2002～2017年急性心肌梗死病死率总体呈上升态势，推算心血管病现患病人数达3.3亿，其中冠心病1 100万[1]。当急性心肌梗死发生时，及时恢复缺血心肌的血流灌注对保护心肌组织具有重要作用。然而，缺血心肌的血流再灌注本身可导致更严重的心肌损伤，这种效应被称为缺血再灌注损伤[2]。心肌缺血再灌注损伤会引发多种不良心血管后果，如心脏功能障碍、冠状动脉痉挛、心脏骤停甚至死亡等。因此，减轻缺血再灌注损伤在急性心肌梗死的治疗中至关重要。目前，心肌缺血再灌注损伤的确切机制尚不明确。高迁移率族蛋白1(high mobility group box-1，HMGB1)是一种普遍存在且丰富的核蛋白，在许多心血管疾病中具有关键作用，如心肌梗死、心肌缺血再灌注损伤和心力衰竭等[3，4]。本文主要就HMGB1在心肌缺血再灌注损伤中作用作一综述。

1 HMGB1的结构与功能

HMGB1是由215个氨基酸残基组成，有2个DNA结合域，即A盒和B盒，以及一个带负电的C尾端。它的结构具有高度的进化保守性:在小鼠、大鼠、牛、猪和人类等哺乳动物中，该蛋白质有95%～99%的氨基酸序列是相同的，这意味着在不同生物中HMGB1具有重要和相似的生物学功能[5]。HMGB1有2个核输出信号和2个核定位信号，可在细胞核和细胞质之间不断穿梭。然而在生理条件下，核浓度通常高于细胞质中的浓度，在细胞核中，HMGB1参与调控DNA复制和基因转录等，在细胞质中HMGB1主要与炎症小体激活和自噬等有关[4]。此外，HMGB1还作为细胞外信号分子，可由多种细胞(单核细胞/巨噬细胞、自然杀伤细胞、树突状细胞、内皮细胞和血小板等)主动分泌或从正在经历坏死、凋亡的细胞中被动释放到细胞外，向周围细胞发出危险信号，激活炎症反应或免疫反应[6]。因为HMGB1的外分泌可导致细胞内HMGB1耗竭，因此HMGB1在细胞内和细胞外的功能上可能是互补的。由于HMGB1在A盒的23位和45位以及B盒的106位上有半胱氨酸残基，易受氧化作用从而影响该蛋白质的细胞外功能。因此，细胞外HMGB1的活性主要取决于该蛋白质氧化还原状态及其结合的相关受体，其中包括晚期糖基化终产物受体(receptor for advanced glycation end products,RAGE)、Toll样受体2/4(Toll-like receptor 2/4,TLR2/4)和趋化因子C-X-C基元受体4等。多种疾病的实验性动物模型(心脏和肝脏缺血/再灌注损伤、系统性红斑狼疮等)研究[7,8]提示，抑制细胞外HMGB1可减轻炎症反应。然而，另有研究[9,10]表明，在多种组织修复过程中，外源性HMGB1可通过诱导干细胞增殖、分化和迁移，以及通过向受损组织招募修复性巨噬细胞，从而起到抗炎、促进组织再生和修复性血管生成等作用。总之，HMGB1是一种能在组织损伤后引起有害和有益反应的物质，它的双重功能主要取决于HMGB1作用的受体/信号通路以及对微环境的反应性。

2 HMGB1在心肌缺血再灌注损伤中的作用机制

2.1炎症反应 心肌缺血再灌注损伤是一个复杂的病理生理过程，包括炎症反应、细胞凋亡以及自噬等。再灌注治疗虽然可恢复心脏血流及营养物质的供应，减轻心肌缺血的一些有害反应，但同时，也会导致白细胞大量募集到损伤部位以及自由基的过度产生从而引发炎症瀑布样效应，最终造成超过初始缺血损伤的额外损伤[11]。因此，预防和治疗心肌缺血再灌注损伤已成为缺血性心脏病患者最重要的任务之一。一些研究[12～14]报道了在心肌缺血再灌注实验模型中，循环和心肌组织的HMGB1水平都有所增加，循环HMGB1主要来源于坏死的心肌细胞以及浸润性炎性细胞的活跃分泌，心肌HMGB1的表达在缺血后很快增加，再灌注几天后仍保持高水平。HMGB1主要通过与RAGE、TLR2/4结合从而介导炎症反应并参与心肌缺血再灌注损伤过程[14]。

2.1.1 HMGB1-RAGE信号通路 RAGE是一种具有黏附分子结构特征的跨膜受体，可识别其他几种蛋白质，即高级糖基化终产物、S100钙粒蛋白、淀粉样β-肽和细胞外基质成分等。RAGE可通过激活有丝分裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和核因子-κB(NF-κB)发出信号，参与诱导细胞活化、增殖和迁移[15]。HMGB1-RAGE轴是一个重要的潜在靶点。尽管HMGB1的所有氧化还原形式都可与RAGE相互作用，但二硫键型HMGB1与RAGE亲和力更高[16]。在长时间缺血后再灌注时，心脏释放HMGB1和循环型脱氧核糖核酸，两者都可通过一种共同的RAGE-TLR9依赖机制对缺血后再灌注损伤做出重要且相互依赖的贡献，减少这两种物质中的任何一种都足以显著减少大约50%的梗塞面积[12]。此外，RAGE还可调节HMGB1诱导的细胞黏附和迁移。Tian等[13]描述了一个涉及心脏HMGB1和脾脏RAGE的信号轴，表明在长时间缺血损伤后，从坏死心脏组织释放的循环HMGB1可通过与RAGE结合从而激活脾脏的白细胞，募集大量中性粒细胞迁移到受损心肌，可导致再灌注期间心肌梗死加重。HMGB1与RAGE结合，通过MAPK途径激活κB抑制蛋白激酶3等，从而激活细胞核表面的NF-κB信号转录因子活化细胞，促进白介素(interleukin,IL)-6和肿瘤坏死因子等炎性因子的释放[17]。最近，有研究指出，在体内，缺血再灌注损伤后小鼠心脏中的NF-κB转录活性显著提高，NF-κB还可通过抑制核因子E2相关因子2-抗氧化反应元件途径促进氧化应激诱导的坏死和心肌缺血再灌注损伤[18]。适当的炎症反应对心脏的修复是必需的，但过度的炎症则会引起心脏修复障碍。

2.1.2 HMGB1-TLRs信号通路 Toll样受体(Toll-like receptors,TLRs)是一种重要的模式识别受体，属于免疫球蛋白超家族的跨膜蛋白，分布广泛，可识别多种危险信号，包括病原体相关分子以及损伤相关分子。TLRs与HMGB1亲和力很高，其介导的炎症反应在心肌缺血再灌注损伤过程中起重要作用。在已发现的TLRs中，HMGB1主要与TLR2或TLR4结合，从而参与众多炎症疾病的发生与发展。心肌缺血再灌注后，HMGB1水平明显升高，HMGB1与TLRs结合，TLRs下游的传到通路主要有2条，分别是髓样分化因子88依赖性通路以及非髓样分化因子88依赖性通路,后者又可称为β干扰素TIR结构域衔接蛋白依赖通路[19,20]。以上两条通路均可导致大量炎症介质产生。Zhu等[21]发现心脏移植中心肌缺血再灌注损伤后IL-17A升高，HMGB1-TLR4-IL-23-IL-17A可能是心肌缺血再灌注损伤的重要机制，HMGB1抑制剂甘草甜素显著降低IL-17A的产生，改善心肌缺血再灌注损伤。此外，有研究[22]表明，HMGB1-IL-17A轴通过调节心肌细胞凋亡和自噬促进缺氧/复氧损伤。Zhang等[23]将C57BL/6小鼠的心脏冲洗并在冷的保鲜溶液中保存8 h，然后移植到同基因受体中，发现坏死性凋亡抑制剂(necrostatin-1,Nec-1)减少了心肌细胞坏死和嗜中性粒细胞及巨噬细胞的募集，同时使活性氧的产生以及HMGB1、IL-23和IL-17A的表达降低，并增加了二氧化氮和环氧化酶2的表达。总之，Nec-1在心肌缺血再灌注损伤中起保护作用，这与抑制HMGB1-IL-23/IL-17通路有关。另外，有文献[24]报道，HMGB1还可能参与了大鼠心肌缺血再灌注损伤中内质网应激的激活,从而加重心肌细胞损伤。炎症反应始终贯穿于心肌缺血再灌注损伤的发生以及发展过程中，精准适当抑制炎症反应同时又不影响组织的修复对增强再灌注的净效益非常重要。

2.2保护作用及机制 随着对HMGB1作用的深入研究，发现外源性HMGB1可能对心肌缺血再灌注损伤产生有益作用。Zhou等[25]通过分析静脉注射HMGB1对急性心肌缺血再灌注大鼠心肌血管内皮生长因子表达、心肌纤维化和心功能的影响，发现HMGB1对心肌缺血再灌注损伤心脏的保护作用可能是通过上调心肌血管内皮生长因子的表达来介导的，这可能与激活磷脂酰肌醇3-激酶/丝氨酸-苏氨酸激酶t信号通路有关。在另一项研究中，学者们还发现HMGB1可通过抑制p38丝裂原激活的蛋白激酶信号转导途径来减轻心肌缺血再灌注损伤[26]。此外，Han等[27]研究表明重组HMGB1 A盒处理可防止心肌缺血再灌注损伤，其机制可能涉及抑制miR-21表达。由此可见，HMGB1的部分作用尚存在争议，需要进一步通过基础研究及临床试验来证实。明确HMGB1在心肌缺血再灌注损伤中的确切作用以及涉及的转导通路，可能为我们探寻治疗心肌缺血再灌注损伤新的药物靶点提供有力帮助。

3 基于HMGB1的治疗学

目前，HMGB1拮抗剂在临床前炎性疾病模型中的试验非常成功，在心血管疾病的临床治疗中，以HMGB1为靶点的治疗手段仅局限于动物实验，尚未建立相应的循证标准以及将临床前试验转化为临床试验。Chen等[28]通过建立心肌缺血再灌注和缺氧/复氧心肌细胞的大鼠模型，使用双重荧光素酶报告基因测定法验证了miR-129-5p和HMGB1之间的靶标关系，研究发现，miR-129-5p通过调节HMGB1的表达对心肌缺血再灌注损伤起保护作用，该机制为心肌再灌注相关损伤的治疗提供了新的认识。此外，有研究发现miR-25、牛磺酸调节基因1、异丙酚、右美托咪定、丙酮酸乙酯等通过靶向HMGB1减轻了心肌缺血再灌注引起的心肌损伤，对心肌细胞具有良好的保护作用[29～33]。最近，Beom等[34]研究发现33 ℃或36 ℃的靶向温度管理通过抑制心肌缺血再灌注损伤中的HMGB1释放而减少心肌梗死面积，这与甘草甜素具有等效的心肌保护作用。以上研究均以HMGB1为靶点探寻心肌缺血再灌注损伤新的治疗策略，然而小鼠心肌缺血再灌注模型中细胞生物学过程是否与人类的相同目前不得而知，有待进一步深入探究。

4 结语

在心脏损伤过程中，HMGB1可引起有害和有益的反应，这可能部分取决于HMGB1的存在形式以及作用的信号通路，其在这种情况下的具体功能以及受损的心脏细胞如何平衡HMGB1的细胞核和细胞外功能仍大多未被探索。总之，未来需要进一步探究细胞外和细胞内HMGB1在心脏炎症和损伤修复以及再生中的具体作用及其机制，并将实验模型的生理学相关结果转化为临床试验疗法，充分发挥HMGB1在心血管疾病中的治疗潜能，以期找到一种安全、有效的治疗手段。