HMGB1在調節骨關節炎軟骨細胞功能中的作用機制

齊 鑫，張曉剛，于海洋，陳 欣，安文博，王志鵬，王多賢，羅鵬飛，陳一新，馬姣姣，齊 偉，胡紫陽，劉建軍

1甘肅中醫藥大學，蘭州 730000 2甘肅中醫藥大學附屬醫院，蘭州 730000

骨關節炎(osteoarthritis，OA)是一種慢性退行性關節疾病，是導致身體疼痛和殘疾的最重要因素[1]。OA可由多種病因誘發，而關節軟骨的病理改變被認為是該類疾病的關鍵驅動因素之一。軟骨細胞是關節軟骨中最重要的成分，也是其唯一的細胞類型[2]。由于關節軟骨缺乏血管、淋巴管和神經支配，而軟骨細胞能夠參與整個關節軟骨的代謝過程，從而維持其正常生長、分布和生物狀態，且可通過分泌一系列細胞和生長因子對關節軟骨相關成分進行調控。軟骨細胞功能損傷會破壞細胞外基質合成與分解代謝平衡，導致關節軟骨受損[3]。而高遷移率族蛋白1(high mobility group box-1 protein，HMGB1)可參與調節軟骨細胞炎癥及凋亡過程，從而導致關節軟骨受損，誘發OA[4]。本文就HMGB1在OA軟骨細胞中的作用機制進行綜述，以期為臨床防治骨關節炎提供新思路。

1 HMGB1概述

HMGB1是一種高度保守的非組蛋白核蛋白，在哺乳動物真核細胞中廣泛表達，參與維持核小體完整性和調節DNA復制、轉錄、重組及修復[5]。HMGB1分布位置是其功能發揮的關鍵，正常情況下，HMGB1主要位于細胞核中并與染色質結合，但在應激條件下可從細胞核穿梭至細胞質，再進入細胞外空間以執行更復雜的功能。HMGB1已被重新評估為一種損傷相關分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)蛋白，并與其外源性對應物病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)共同完成機體的警報系統，以應對內穩態的紊亂[6]。HMGB1的易位使其能夠利用各種膜受體形成一系列信號級聯反應，參與細胞間相互作用，例如產生促炎細胞因子和參與細胞增殖、分化、侵襲及自噬等。HMGB1的易位方式主要包括主動分泌和被動釋放兩種，其主動分泌不能通過內質網的經典途徑實現，而是被包裹在囊泡中，經溶酶體途徑釋放至細胞外[7]。此外，當細胞經歷不同形式的死亡或病理損傷時，可導致細胞核內大量的HMGB1被動釋放[8]。然而，無論是HMGB1的主動分泌還是從受損或壞死細胞的細胞核被動釋放，細胞外的HMGB1均會導致多種病理改變，如包括OA在內的各類關節炎、膿毒癥、動脈粥樣硬化、神經變性、腦膜炎和癌癥等[9]?；贖MGB1潛在的重要功能，其在各類疾病中的作用已被廣泛研究，開發靶向調控HMGB1、抑制其表達/釋放以及相關信號傳導的治療策略，將對防治OA等臨床疾病具有重要意義。

2 HMGB1在OA軟骨細胞炎癥中的作用機制

OA的病理機制已由最初的軟骨退化導致關節解剖和功能性受損發展為由滑膜、軟骨和軟骨下骨的炎癥反應介導的一類骨與關節退行性改變[10]。通常將該類炎癥反應定義為無感染的情況下由內源性信號驅動的慢性、無菌性、低度炎癥狀態，且與年齡具有相關性。軟骨細胞是關節軟骨的獨特駐留細胞類型，對OA的發展至關重要[11]。軟骨細胞炎癥反應可促使炎性細胞因子釋放，加劇細胞外基質和軟骨降解，推動OA病理進程。研究發現，HMGB1是基因轉錄的調節因子，能夠刺激軟骨細胞炎癥反應的發生，進而促進OA的病理進程[12]。Zhang等[13]研究表明，白楊素能夠呈劑量依賴性地抑制HMGB1，降低軟骨細胞炎癥介質的表達，從而對OA具有潛在治療作用。Wang等[14]研究發現，miR-140-5p可通過靶向抑制HMGB1抑制白細胞介素(interleukin，IL)-1β誘導的軟骨細胞炎癥和細胞因子上調。另有研究表明，HMGB1在調節軟骨細胞炎癥中具有雙重作用，在軟骨細胞炎癥早期，胞質中的HMGB1通過促進細胞自噬和防止細胞凋亡以減弱炎癥反應，而在軟骨細胞炎癥晚期，細胞外的HMGB1可刺激炎癥反應，并導致OA中的軟骨破壞[15]。HMGB1可顯著增強OA軟骨細胞的炎癥反應，加速軟骨及軟骨細胞損傷，但目前對其致病過程的認識尚不充分。因此，深入探索HMGB1在調節軟骨細胞炎癥中的作用機制，有助于完善OA的防治策略。

2.1 HMGB1/TLR4/NF-κB信號通路

HMGB1釋放后通過激活先天免疫反應在細胞外發揮作用，其受體主要包括晚期糖基化終末產物受體(receptor of advanced glycation end product，RAGE)和Toll樣受體4(Toll-Like receptor 4，TLR4)[16]。核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是OA相關炎癥介質的主要調節劑，對于誘導產生促炎因子和分解因子是必需的[17]。TLR4/NF-κB信號通路是炎癥反應的經典通路，也是炎癥信號傳導的主要因素。研究發現，HMGB1能夠與細胞表面受體TLR4結合，加快炎性細胞因子的轉錄和分泌，調節其下游轉錄因子NF-κB產生易位以發揮作用[18]。HMGB1是DAMPs中的一員，由其介導的HMGB1/TLR4/NF-κB信號通路在軟骨細胞炎癥中具有重要調節作用。研究表明，脂多糖能夠促進軟骨細胞炎癥反應，抑制其活性，升高炎癥細胞因子IL-6、IL-1β和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosisfactor-α，TNF-α)的水平，而miR-93-5p可阻斷HMGB1/TLR4/NF-κB信號傳導通路，逆轉這一過程[19]?；诖?，通過抑制HMGB1/TLR4/NF-κB通路活性，能夠減輕軟骨細胞炎癥，有望改善OA患者的臨床癥狀。

2.2 HMGB1-RAGE/TLR4-NF-κB/AKT信號通路

蛋白激酶B(protein kinase B，AKT)途徑對維持軟骨細胞穩態具有重要作用，并參與細胞外基質(extracellular matrix，ECM)的分解與合成代謝。研究表明，抑制AKT信號傳導通路可緩解OA大鼠軟骨細胞的炎癥反應，提示AKT途徑在OA的發生過程中發揮重要作用[20]。炎癥狀態下細胞外HMGB1的釋放增多，且RAGE和TLR4的表達增加。HMGB1通過與RAGE或TLR4結合，能夠激活NF-κB或AKT信號通路，導致信號級聯反應發生，提高炎癥和分解代謝介質的釋放水平。Hu等[21]研究發現，甘草酸通過調節HMGB1-RAGE/TLR4-NF-κB/AKT信號通路可減輕OA的病理改變，并可與HMGB1直接結合阻斷其與受體的相互作用，降低軟骨細胞促炎因子活性，抑制軟骨ECM降解，從而有效延緩OA進程。由此可見，探索靶向干預HMGB1信號傳導的藥物分子，是阻斷炎癥級聯反應，減輕軟骨細胞損害的潛在途徑。

2.3 HMGB1/TLR4/SDF-1信號通路

HMGB1可產生持續的炎癥生態位，為TLR4與DAMPs相互作用激活炎癥反應提供相應位點[22]。近年來，基質細胞衍生因子1(stromal cell-derived factor-1，SDF-1)作為與炎癥相關的趨化因子，其在OA發病機制中的作用逐漸被關注[23]。研究表明，當SDF-1在關節滑囊中的表達顯著增加時，其受體在軟骨細胞中的表達也相應升高，這與OA的發生發展密切相關[24]。HMGB1可通過細胞外信號傳導途徑調節TLR4介導的SDF-1表達。Liang等[25]證實，HMGB1會導致SDF-1釋放增加，且抑制HMGB1/TLR4/SDF-1信號通路能夠減輕軟骨細胞炎癥反應，降低TLR4和SDF-1的表達，并減弱TLR4與HMGB1的相互作用，以保護軟骨細胞及拮抗OA。因此，通過直接或間接靶向作用于SDF-1，改善軟骨細胞炎癥狀態，具有較高的臨床研究價值。

3 HMGB1在OA軟骨細胞凋亡中的作用機制

軟骨細胞存在于關節軟骨中，對于維持軟骨代謝穩態具有重要作用，其凋亡能夠誘發關節軟骨變性，是導致OA發展的主要原因[26]。近年來，HMGB1參與調控軟骨細胞凋亡備受關注，研究發現，HMGB1能夠調節凋亡相關信號通路參與OA的進展，且由其介導的相關信號通路能夠在一定程度上增加軟骨細胞凋亡率[27]。此外，隨著生物信息學的發展，HMGB1與軟骨細胞凋亡基因或蛋白之間的靶向作用關系也被逐步揭示[28]。Pan等[29]研究表明，miR-410-3p可靶向干預HMGB1并通過下游信號通路參與調節軟骨細胞凋亡。因此，系統闡述HMGB1及其相關信號通路在軟骨細胞凋亡中的調節作用，有助于深入理解OA的病理機制并制定相應的治療措施。

3.1 HMGB1/GSK-3β/β-Catenin信號通路

糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)是一種進化保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，參與細胞凋亡、增殖、DNA修復和信號轉導等細胞過程及多種疾病的發生發展[30]。GSK-3β在接受上游信號刺激后通過調節自身活性從而影響下游底物表達。研究表明，GSK-3β可通過內質網和線粒體等多種途徑參與軟骨細胞凋亡[31]。β-連環蛋白(recombinant beta catenin，β-Catenin)是Wnt信號通路的重要組成部分，可被Wnt家族蛋白激活，加速OA軟骨細胞凋亡[32]。GSK-3β作為β-Catenin的上游分子，其磷酸化增加導致β-Catenin在細胞質中積聚并易位到細胞核內，從而活化下游靶基因的表達[33]。HMGB1被認為是軟骨細胞凋亡正調節因子，介導OA的發生發展。研究發現，HMGB1能夠參與GSK-3β/β-Catenin通路的調節，上調磷酸化的GSK-3β和β-Catenin的表達水平[34]。此外，GSK-3β/β-Catenin通路的調節也有助于HMGB1誘導的軟骨細胞凋亡和軟骨基質降解基因的表達。因此，阻斷HMGB1/GSK-3β/β-Catenin信號傳導，能夠減少軟骨細胞凋亡，對于延緩OA進程具有重要作用。

3.2 HMGB1/PI3K/AKT信號通路

磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B，PI3K/AKT)參與了OA關節軟骨的退行性改變，包括軟骨細胞凋亡和ECM降解[35]。Shi等[36]研究發現，PI3K/AKT信號通路活化會加劇軟骨細胞凋亡和炎癥反應，而抑制該通路可有效發揮軟骨保護作用，這為OA的防治提供了參考依據。持續的氧化應激反應是OA發生的病理因素之一，當PI3K受到來自細胞膜的各種信號刺激時，能夠激活處于下游的AKT發生磷酸化改變，進而介導細胞內凋亡程序的啟動，使得細胞內的關鍵蛋白被降解而導致細胞發生不可逆性損害[37]。因此，PI3K/AKT信號通路在OA中被激活，從而能夠影響軟骨細胞功能。隨著對HMGB1的深入研究，研究者發現PI3K/AKT作為HMGB1的下游信號通路同樣受到HMGB1的調節。一項生物信息學分析表明，HMGB1在OA組織中高表達，并通過激活PI3K/AKT信號通路，影響其下游的細胞凋亡及基質降解功能，進而加重了OA的病變程度[38]?；诖?，靶向抑制HMGB1或HMGB1/PI3K/AKT信號通路是實現防治OA的潛在有效策略。

3.3 HMGB1/MAPK信號通路

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)是真核生物中的保守蛋白激酶，可建立信號模塊參與多種環境壓力下的信號傳遞[39]。MAPK信號通路作為細胞功能的調節劑影響眾多生物過程，包括細胞凋亡、分化和蛋白質合成等。由于其具有高度保守特性，因此，嚴格控制MAPK的活性至關重要。MAPK信號通路在無刺激時保持靜止狀態，當受到外界刺激時通過磷酸化的方式被激活，進而逐級傳遞相關信號，最后進入到細胞核內發揮其生物活性。細胞內信號傳導途徑MAPK已被證明能夠在OA中激活，且在OA發病機制中扮演關鍵角色。此外，抑制MAPK通路的磷酸化水平能夠起到抑制軟骨細胞凋亡和減輕OA軟骨破壞的作用。隨著HMGB1在OA病程中逐漸積累并在細胞外過表達，打破了軟骨細胞內原有的合成與分解代謝平衡，導致軟骨細胞不受限制地發生凋亡。而HMGB1也被認為是MAPK信號通路的上游分子，介導了該通路的磷酸化啟動，故探索調節HMGB1/MAPK信號通路的新方法也將有利于阻斷軟骨細胞凋亡和減輕OA進展。HMGB1及其相關信號通路在OA軟骨細胞炎癥和凋亡中的具體調節作用機制見圖1。

4 小結與展望

軟骨細胞是關節軟骨中的獨特駐留細胞，對維持軟骨代謝穩態至關重要。軟骨細胞活力和數量的降低及炎癥程度與OA的發生和進展密切相關，同時軟骨細胞功能受損將會加重患者臨床癥狀。隨著對OA發病機制研究的不斷深入，研究者發現HMGB1可參與軟骨細胞炎癥反應與凋亡，其在細胞內過度積聚并釋放到細胞外是軟骨細胞發生炎癥反應和凋亡的誘因，且這一過程是在HMGB1介導的信號級聯下完成的，會加速軟骨細胞損傷，且各級信號通路之間也存在串擾關系。鑒于目前OA的治療藥物主要在于緩解疼痛、改善功能和限制殘疾，進行性關節損害尚無法恢復，因此，迫切需要治療OA的新型藥物或修飾劑。未來可嘗試通過靶向干預HMGB1及其相關信號通路，以恢復軟骨細胞功能，減輕軟骨細胞炎癥及凋亡的發生。

作者貢獻：齊鑫負責論文撰寫；陳一新、馬姣姣、齊偉、胡紫陽負責查閱文獻；張曉剛、于海洋、陳欣、劉建軍負責論文指導；安文博、王志鵬、王多賢、羅鵬飛負責論文修訂。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突