高遷移率族蛋白B1在糖尿病心肌病中的研究進展

吳蓉，唐湘宇，黃大元，鄧云霞，鄧豪

(1.吉首大學醫學院，湖南 吉首 416000；2.湖南省婁底市中心醫院，湖南 婁底 417000)

1 HMGB1的結構與功能

高遷移率族蛋白家族依據其分子形態結構的不同可分為三種亞型：HMGA、HMGB和HMGN。HMGB又 細 分 為HMGB1、HMGB2、HMGB3。HMGB1是目前高遷移率族蛋白家族成員中研究最為深入的，也是唯一可以釋放到細胞外發揮其細胞因子活性的高遷移率族蛋白。Johns于上世紀60年代首先發現HMGB1，在電泳檢測中，HMGB1的高遷移能力尤為顯著，因而被命名為高遷移率族蛋白[1]。HMGB1廣泛存在于哺乳動物細胞核和細胞質中，是一種高度保守的核蛋白，位于13q12染色體上，有5個外顯子、4個內含子，包含有215個氨基酸殘基，結構上由3個部分組成(N末端的A-box、B-box，以及負性C末端)[2]。其結構具有高度進化保守性，在嚙齒動物和人類中的高遷移率族蛋白在氨基酸序列上95%-99%相同[3]。正常生理情況下，在細胞核內，HMGB1參與DNA的復制、轉錄、重組和修復。在細胞外，HMGB1作為炎性介質，發揮其細胞因子活性，在炎癥反應中發揮損傷相關分子模式 (DAMP) 的作用[4]。HMGB1可由多種細胞(如巨噬細胞、自然殺傷細胞、成熟樹突狀細胞等)在受到刺激活化后主動分泌，或由壞死、凋亡細胞被動釋放[5]，通過與外周細胞受體結合發揮生物學效應，其中包括TLRs家族中的2、4受體、趨化因子C-X-C基元受體4以及晚期糖基化終末產物受體結合等，接著以細胞信號轉導途徑對損傷信號進行傳遞，進而激活絲裂原活化蛋白激酶[6]等途徑或β-干擾素TIR結構域銜接蛋白途徑[7]，最終導致核因子(NF-KappaB)核轉位，從而發揮其致炎、促動脈粥樣硬化等作用[8-9]。HMGB1在致炎基礎上，同時也參與膿毒癥、免疫相關性疾病、血管的無菌性炎癥反應、細胞壞死性凋亡、以及癌癥等疾病的發生發展。其次還可以促進神經細胞的生長及影響凝血功能[10-11]。

2 糖尿病心肌病介紹

糖尿病心肌病(Diabetic cardiomyopathy，DCM)早在上世紀70年代就已被Rubler等人發現并提出[12]。直至2013年，美國心臟協會、歐洲糖尿病研究協會、美國心臟病學會基金會與歐洲心臟病學會才明確將其定義為是獨立于動脈粥樣硬化、高血壓病、心臟瓣膜病之外并與糖尿病密切相關的一種特異性心肌病[13]。早期主要是舒張性心功能障礙，后期會進一步發展為收縮性心功能障礙，甚至最終發展為終末期難治性心力衰竭[14]。由于缺乏針對糖尿病心肌病發病機制及病理生理方面公認的有效研究成果，目前尚未取得有針對性的診治手段。大多數研究認為代謝紊亂、氧化應激、心肌纖維化、小血管疾病、心肌細胞肥厚、自噬與凋亡、自主神經功能障礙和胰島素抵抗等因素可能是導致糖尿病性心肌病發生的機制[15]。

目前，有越來越多的研究表明，HMGB1與糖尿病心肌病的病理生理過程緊密相關，且抑制HMGB1能改善糖尿病引起的心室重構與心功能異常，本文主要對該方面的國內外研究進展進行總結。

3 HMGB1在糖尿病心肌病中的作用機制

3.1 心肌間質纖維化

大量研究顯示，糖尿病心肌病起始病理改變為心室壁僵硬程度的升高，心室順應性的降低使得該類患者多表現為舒張性心力衰竭，從而導致E/A比值下降。且有相關研究結果已得出膠原纖維在該類患者心肌間質間沉積的結論[16]，從而證實在糖尿病心肌病患者心肌病變中，心肌間質纖維化起著重要的作用，但具體機制目前還尚不完全清楚。蛋白激酶(PKC)家族作為一組參與機體多種代謝途徑的蛋白激酶，其中蛋白激酶β(PKCβ)的激活被研究證實是糖尿病并發癥發生發展中的重要分子機制之一。高糖環境可以使細胞的PKCβ磷酸化[17]。Song等人的研究表明心肌細胞在高糖的刺激下會分泌HMGB1，然后通過與心肌成纖維細胞的TLR-4受體結合，從而導致心肌成纖維細胞的PKC-β表達上升，但下調了IL-33的表達，使心肌細胞膠原蛋白高表達、沉積，最終導致心肌纖維化[18]。其中IL- 33屬于IL-1家族，是一種促炎因子，可以有效的保護心血管系統，能抑制心肌膠原蛋白的表達[19]。而王好等人將乳鼠心肌成纖維細胞進行體外培養的實驗證明，加入外源性IL-33在體外模擬糖尿病條件下可直接抑制心肌成纖維細胞膠原蛋白的表達[20]，這與Song等人的實驗結論相一致。有研究指出轉化生長因子β-1(TGF-β1)、基質金屬蛋白酶(MMPS)均對促進心肌纖維化作用顯著。Wang等人通過糖尿病體外擬態模型實驗證實了HMGB1可促進心肌成纖維細胞表達基質金屬蛋白酶MMP-2及MMP-9、促纖維化因子TGF-β1和Ⅰ、Ⅲ膠原。而抑制高遷移率族蛋白能夠阻斷以上物質的生成、心肌成纖維細胞的增殖與遷移，以及ERK、JNK、AKT因子的磷酸化水平。對糖尿病心肌病在細胞分子層面發病機制的研究進行探索，為診療糖尿病心肌病提出了新的思路和方法[21]。另外Zhao等人認為內皮細胞也可能參與HMGB1介導的心肌纖維化。他們認為糖尿病容易合并微血管并發癥，而內皮細胞是微血管的主要細胞類型。微血管功能障礙會導致心肌纖維化、導致缺血性心肌病。其次，臨床發現糖尿病患者血漿HMGB1水平高于正常人。HMGB1通過TLR4/CAVEOLIN-1通路損傷內皮細胞，導致其通透性增加，明顯加重微血管功能障礙，增加心肌缺血，從而促進心肌纖維化。然而，盡管作者已經完成了慢病毒介導的體內短發夾RNA的前期研究工作，但對于條件性HMGB1基因敲除動物來說，效果可能會更好[22]。

3.2 氧化應激

在過去的很多年里，越來越多的證據認為HMGB1是促進和維持糖尿病并發癥的關鍵因素。相比于正常動物模型組，晚期糖基化終末產物受體及高遷移率族蛋白在糖尿病心肌病小鼠模型心肌細胞中的表達較正常對照組明顯升高，而實驗組在經過白藜蘆醇處理后，上述物質的表達可恢復正常。ROS的產生主要依靠NADPH氧化酶，在糖尿病并發癥中起著關鍵作用。通過Western blot檢測p47phox和gp91phox的表達，發現STZ誘導的1型糖尿病小鼠心臟中NADPH氧化酶活性升高，而白藜蘆醇處理的糖尿病小鼠心肌NADPH氧化酶活性降低。這一觀點得到了先前一項研究的有力支持，該研究表明白藜蘆醇治療2型糖尿病，其心肌細胞中的NADPH氧化酶活性亦降低[23]。另一種氧化應激相關蛋白p66shc在STZ誘導的1型糖尿病心臟中也表達上調。但有趣的是，這項研究的主要新發現是白藜蘆醇可以逆轉糖尿病心臟中p66shc表達的增加[24]。Song等人[25]不僅證明高糖刺激能使心肌細胞PI3Kγ/Akt通路活化，HMGB1表達量增加可能與其通路活化有關。更進一步證明HMGB1的表達是受該通路的正向調控，調控動力由機體氧化應激反應提供。姜黃素，一種姜黃根莖提取物，其主要成分姜黃素，具有多種生物學功能，具有可抗癌、抗基因突變、抗粥樣硬化、抗炎、抗氧化等。最近一項研究指出姜黃素可以通過抑制糖尿病小鼠心肌細胞HMGB1/NLRP3/NF-KB通路從而實現抗炎、改善機體血糖、血脂代謝紊亂的作用，具有明顯的心肌保護作用[26]，他可能為糖尿病心肌病的治療提供一些新的思路。

3.3 心肌細胞凋亡

心肌細胞被認為是終末分化細胞，心肌細胞動態存亡主要取決于心肌細胞促凋亡蛋白與抗凋亡蛋白的動態平衡。糖尿病心肌病的發病機制中，高糖環境誘導下導致的心肌細胞凋亡影響巨大。和正常情況相比，因為心肌細胞在高糖誘導下可使得促凋亡蛋白(如BAX蛋白)表達增加，同時使抗凋亡蛋白(如BCL-2蛋白)表達減弱，從而導致心肌細胞的凋亡不斷增加。最終可導致心肌發生纖維化和心肌肥厚。目前國內外發現一些關于可調控心肌細胞的凋亡通路，其中包括MAPK級聯信號通路，以及最近新發現的PP2A信號通路[27]等，但是涉及的具體機制還需進一步研究。有報道提出ERK1/2激活在心肌缺血再灌注損傷中有抗心肌細胞凋亡作用，然而另一些人卻持反對態度，他們認為ERK1/2在糖尿病心肌病中起完全相反的作用。所以綜上所述，機體病理生理過程的差異性最終決定了ERK1/2對心肌細胞的凋亡是起促進還是抑制作用。有研究表明在心肌細胞中，ERK1/2通路激活能促進高糖誘導的心肌細胞凋亡[28]。亦有報道稱，ERK1/2磷酸化抑制可以逆轉高糖誘導的上述病理過程[29]。烏司他丁是一種存在于人體血液和尿液中的，由肝臟分泌的內源性蛋白酶抑制劑，糖尿病患者血清烏司他丁水平升高可能反映了高血糖引發的全身炎癥狀態，是糖尿病慢性炎癥的標志之一，其可通過抑制炎癥和細胞凋亡減輕糖尿病引起的心功能障礙。有研究表明其能顯著降低糖尿病心肌病中HMGB1、TNF-α和IL-6的表達，并能顯著下調心肌細胞的凋亡，降低caspase-3的活化率和BAX/BCL-2的比值，減弱了MAPK級聯信號通路的激活[30]。烏司他丁目前是胃腸外科一種常用來治療胰腺炎的藥物，因此我們設想烏司他丁是否可以用來治療糖尿病心肌病，效果又會是如何。

4 展望

即使是在醫療水平高度發達的今天，我們也尚未將糖尿病心肌病的病理生理變化及發病機制完全闡明清楚。近年來關于探索糖尿病心肌病的發病機制以及HMGB1功能的研究非常多，目前已有大量的研究證實HMGB1在心血管方面，如與心衰、心肌缺血、動脈粥樣硬化等的發生發展緊密相關。然而，目前關于HMGB1在糖尿病心肌病中作用研究較少，且機制更新慢。在糖尿病心肌病中，HMGB1介導炎性因子可對心肌細胞產生嚴重的炎癥損傷，并且參與心肌凋亡以及纖維化等過程。大量實驗證明通過拮抗HMGB1能減輕甚至逆轉上述病理生理過程，因此發現并制備對HMGB1有干預作用的制劑就具有非同尋常的意義。在抑制和治療實驗模型的炎癥性疾病方面，HMGB1結合受體的敲除，丙酮酸乙酯、尼古丁、雷公藤紅素、丹酚酸B等都被發現有著令人滿意的效果。它們的發現為未來我們攻克糖尿病心肌病帶來了一線曙光?？傊?，未來仍需要進一步探究細胞內和細胞外HMGB1在糖尿病心肌病中促炎、氧化應激、纖維化等的具體作用及其機制，以及還尚未被發現的因子及各種通路等，并將實驗動物模型的基礎數據結果轉化為大規模人體臨床實驗，使其作為治療靶點能發揮最大化效益。我們應當對此充滿信心。