高迁移率族蛋白B1在糖尿病心肌病中的研究进展

吴蓉，唐湘宇，黄大元，邓云霞，邓豪

(1.吉首大学医学院，湖南 吉首 416000；2.湖南省娄底市中心医院，湖南 娄底 417000)

1 HMGB1的结构与功能

高迁移率族蛋白家族依据其分子形态结构的不同可分为三种亚型：HMGA、HMGB和HMGN。HMGB又 细 分 为HMGB1、HMGB2、HMGB3。HMGB1是目前高迁移率族蛋白家族成员中研究最为深入的，也是唯一可以释放到细胞外发挥其细胞因子活性的高迁移率族蛋白。Johns于上世纪60年代首先发现HMGB1，在电泳检测中，HMGB1的高迁移能力尤为显著，因而被命名为高迁移率族蛋白[1]。HMGB1广泛存在于哺乳动物细胞核和细胞质中，是一种高度保守的核蛋白，位于13q12染色体上，有5个外显子、4个内含子，包含有215个氨基酸残基，结构上由3个部分组成(N末端的A-box、B-box，以及负性C末端)[2]。其结构具有高度进化保守性，在啮齿动物和人类中的高迁移率族蛋白在氨基酸序列上95%-99%相同[3]。正常生理情况下，在细胞核内，HMGB1参与DNA的复制、转录、重组和修复。在细胞外，HMGB1作为炎性介质，发挥其细胞因子活性，在炎症反应中发挥损伤相关分子模式 (DAMP) 的作用[4]。HMGB1可由多种细胞(如巨噬细胞、自然杀伤细胞、成熟树突状细胞等)在受到刺激活化后主动分泌，或由坏死、凋亡细胞被动释放[5]，通过与外周细胞受体结合发挥生物学效应，其中包括TLRs家族中的2、4受体、趋化因子C-X-C基元受体4以及晚期糖基化终末产物受体结合等，接着以细胞信号转导途径对损伤信号进行传递，进而激活丝裂原活化蛋白激酶[6]等途径或β-干扰素TIR结构域衔接蛋白途径[7]，最终导致核因子(NF-KappaB)核转位，从而发挥其致炎、促动脉粥样硬化等作用[8-9]。HMGB1在致炎基础上，同时也参与脓毒症、免疫相关性疾病、血管的无菌性炎症反应、细胞坏死性凋亡、以及癌症等疾病的发生发展。其次还可以促进神经细胞的生长及影响凝血功能[10-11]。

2 糖尿病心肌病介绍

糖尿病心肌病(Diabetic cardiomyopathy，DCM)早在上世纪70年代就已被Rubler等人发现并提出[12]。直至2013年，美国心脏协会、欧洲糖尿病研究协会、美国心脏病学会基金会与欧洲心脏病学会才明确将其定义为是独立于动脉粥样硬化、高血压病、心脏瓣膜病之外并与糖尿病密切相关的一种特异性心肌病[13]。早期主要是舒张性心功能障碍，后期会进一步发展为收缩性心功能障碍，甚至最终发展为终末期难治性心力衰竭[14]。由于缺乏针对糖尿病心肌病发病机制及病理生理方面公认的有效研究成果，目前尚未取得有针对性的诊治手段。大多数研究认为代谢紊乱、氧化应激、心肌纤维化、小血管疾病、心肌细胞肥厚、自噬与凋亡、自主神经功能障碍和胰岛素抵抗等因素可能是导致糖尿病性心肌病发生的机制[15]。

目前，有越来越多的研究表明，HMGB1与糖尿病心肌病的病理生理过程紧密相关，且抑制HMGB1能改善糖尿病引起的心室重构与心功能异常，本文主要对该方面的国内外研究进展进行总结。

3 HMGB1在糖尿病心肌病中的作用机制

3.1 心肌间质纤维化

大量研究显示，糖尿病心肌病起始病理改变为心室壁僵硬程度的升高，心室顺应性的降低使得该类患者多表现为舒张性心力衰竭，从而导致E/A比值下降。且有相关研究结果已得出胶原纤维在该类患者心肌间质间沉积的结论[16]，从而证实在糖尿病心肌病患者心肌病变中，心肌间质纤维化起着重要的作用，但具体机制目前还尚不完全清楚。蛋白激酶(PKC)家族作为一组参与机体多种代谢途径的蛋白激酶，其中蛋白激酶β(PKCβ)的激活被研究证实是糖尿病并发症发生发展中的重要分子机制之一。高糖环境可以使细胞的PKCβ磷酸化[17]。Song等人的研究表明心肌细胞在高糖的刺激下会分泌HMGB1，然后通过与心肌成纤维细胞的TLR-4受体结合，从而导致心肌成纤维细胞的PKC-β表达上升，但下调了IL-33的表达，使心肌细胞胶原蛋白高表达、沉积，最终导致心肌纤维化[18]。其中IL- 33属于IL-1家族，是一种促炎因子，可以有效的保护心血管系统，能抑制心肌胶原蛋白的表达[19]。而王好等人将乳鼠心肌成纤维细胞进行体外培养的实验证明，加入外源性IL-33在体外模拟糖尿病条件下可直接抑制心肌成纤维细胞胶原蛋白的表达[20]，这与Song等人的实验结论相一致。有研究指出转化生长因子β-1(TGF-β1)、基质金属蛋白酶(MMPS)均对促进心肌纤维化作用显著。Wang等人通过糖尿病体外拟态模型实验证实了HMGB1可促进心肌成纤维细胞表达基质金属蛋白酶MMP-2及MMP-9、促纤维化因子TGF-β1和Ⅰ、Ⅲ胶原。而抑制高迁移率族蛋白能够阻断以上物质的生成、心肌成纤维细胞的增殖与迁移，以及ERK、JNK、AKT因子的磷酸化水平。对糖尿病心肌病在细胞分子层面发病机制的研究进行探索，为诊疗糖尿病心肌病提出了新的思路和方法[21]。另外Zhao等人认为内皮细胞也可能参与HMGB1介导的心肌纤维化。他们认为糖尿病容易合并微血管并发症，而内皮细胞是微血管的主要细胞类型。微血管功能障碍会导致心肌纤维化、导致缺血性心肌病。其次，临床发现糖尿病患者血浆HMGB1水平高于正常人。HMGB1通过TLR4/CAVEOLIN-1通路损伤内皮细胞，导致其通透性增加，明显加重微血管功能障碍，增加心肌缺血，从而促进心肌纤维化。然而，尽管作者已经完成了慢病毒介导的体内短发夹RNA的前期研究工作，但对于条件性HMGB1基因敲除动物来说，效果可能会更好[22]。

3.2 氧化应激

在过去的很多年里，越来越多的证据认为HMGB1是促进和维持糖尿病并发症的关键因素。相比于正常动物模型组，晚期糖基化终末产物受体及高迁移率族蛋白在糖尿病心肌病小鼠模型心肌细胞中的表达较正常对照组明显升高，而实验组在经过白藜芦醇处理后，上述物质的表达可恢复正常。ROS的产生主要依靠NADPH氧化酶，在糖尿病并发症中起着关键作用。通过Western blot检测p47phox和gp91phox的表达，发现STZ诱导的1型糖尿病小鼠心脏中NADPH氧化酶活性升高，而白藜芦醇处理的糖尿病小鼠心肌NADPH氧化酶活性降低。这一观点得到了先前一项研究的有力支持，该研究表明白藜芦醇治疗2型糖尿病，其心肌细胞中的NADPH氧化酶活性亦降低[23]。另一种氧化应激相关蛋白p66shc在STZ诱导的1型糖尿病心脏中也表达上调。但有趣的是，这项研究的主要新发现是白藜芦醇可以逆转糖尿病心脏中p66shc表达的增加[24]。Song等人[25]不仅证明高糖刺激能使心肌细胞PI3Kγ/Akt通路活化，HMGB1表达量增加可能与其通路活化有关。更进一步证明HMGB1的表达是受该通路的正向调控，调控动力由机体氧化应激反应提供。姜黄素，一种姜黄根茎提取物，其主要成分姜黄素，具有多种生物学功能，具有可抗癌、抗基因突变、抗粥样硬化、抗炎、抗氧化等。最近一项研究指出姜黄素可以通过抑制糖尿病小鼠心肌细胞HMGB1/NLRP3/NF-KB通路从而实现抗炎、改善机体血糖、血脂代谢紊乱的作用，具有明显的心肌保护作用[26]，他可能为糖尿病心肌病的治疗提供一些新的思路。

3.3 心肌细胞凋亡

心肌细胞被认为是终末分化细胞，心肌细胞动态存亡主要取决于心肌细胞促凋亡蛋白与抗凋亡蛋白的动态平衡。糖尿病心肌病的发病机制中，高糖环境诱导下导致的心肌细胞凋亡影响巨大。和正常情况相比，因为心肌细胞在高糖诱导下可使得促凋亡蛋白(如BAX蛋白)表达增加，同时使抗凋亡蛋白(如BCL-2蛋白)表达减弱，从而导致心肌细胞的凋亡不断增加。最终可导致心肌发生纤维化和心肌肥厚。目前国内外发现一些关于可调控心肌细胞的凋亡通路，其中包括MAPK级联信号通路，以及最近新发现的PP2A信号通路[27]等，但是涉及的具体机制还需进一步研究。有报道提出ERK1/2激活在心肌缺血再灌注损伤中有抗心肌细胞凋亡作用，然而另一些人却持反对态度，他们认为ERK1/2在糖尿病心肌病中起完全相反的作用。所以综上所述，机体病理生理过程的差异性最终决定了ERK1/2对心肌细胞的凋亡是起促进还是抑制作用。有研究表明在心肌细胞中，ERK1/2通路激活能促进高糖诱导的心肌细胞凋亡[28]。亦有报道称，ERK1/2磷酸化抑制可以逆转高糖诱导的上述病理过程[29]。乌司他丁是一种存在于人体血液和尿液中的，由肝脏分泌的内源性蛋白酶抑制剂，糖尿病患者血清乌司他丁水平升高可能反映了高血糖引发的全身炎症状态，是糖尿病慢性炎症的标志之一，其可通过抑制炎症和细胞凋亡减轻糖尿病引起的心功能障碍。有研究表明其能显著降低糖尿病心肌病中HMGB1、TNF-α和IL-6的表达，并能显著下调心肌细胞的凋亡，降低caspase-3的活化率和BAX/BCL-2的比值，减弱了MAPK级联信号通路的激活[30]。乌司他丁目前是胃肠外科一种常用来治疗胰腺炎的药物，因此我们设想乌司他丁是否可以用来治疗糖尿病心肌病，效果又会是如何。

4 展望

即使是在医疗水平高度发达的今天，我们也尚未将糖尿病心肌病的病理生理变化及发病机制完全阐明清楚。近年来关于探索糖尿病心肌病的发病机制以及HMGB1功能的研究非常多，目前已有大量的研究证实HMGB1在心血管方面，如与心衰、心肌缺血、动脉粥样硬化等的发生发展紧密相关。然而，目前关于HMGB1在糖尿病心肌病中作用研究较少，且机制更新慢。在糖尿病心肌病中，HMGB1介导炎性因子可对心肌细胞产生严重的炎症损伤，并且参与心肌凋亡以及纤维化等过程。大量实验证明通过拮抗HMGB1能减轻甚至逆转上述病理生理过程，因此发现并制备对HMGB1有干预作用的制剂就具有非同寻常的意义。在抑制和治疗实验模型的炎症性疾病方面，HMGB1结合受体的敲除，丙酮酸乙酯、尼古丁、雷公藤红素、丹酚酸B等都被发现有着令人满意的效果。它们的发现为未来我们攻克糖尿病心肌病带来了一线曙光。总之，未来仍需要进一步探究细胞内和细胞外HMGB1在糖尿病心肌病中促炎、氧化应激、纤维化等的具体作用及其机制，以及还尚未被发现的因子及各种通路等，并将实验动物模型的基础数据结果转化为大规模人体临床实验，使其作为治疗靶点能发挥最大化效益。我们应当对此充满信心。