HMGB1–焦亡轴在慢性阻塞性肺疾病骨骼肌功能障碍中的作用：调控机制与治疗前景

《Biology》：The Role of the HMGB1–Pyroptosis Axis in Skeletal Muscle Dysfunction in COPD: Regulatory Mechanisms and Therapeutic Prospects

　　

骨骼肌功能障碍是慢性阻塞性肺疾病（COPD）最常见的肺外并发症，对患者的运动能力、生活质量和生存产生显著影响。尽管既往研究已阐明COPD相关骨骼肌功能障碍的部分机制，但COPD导致骨骼肌损伤的具体通路仍有待充分探索。在COPD患者中，长期吸烟、慢性炎症、氧化应激（OS）和焦亡等病理因素可刺激高迁移率族蛋白B1（HMGB1）——一种经典的损伤相关分子模式（DAMP）——释放至细胞外空间。HMGB1随后与相关受体结合，触发下游反应并激活焦亡。焦亡以炎症小体激活、膜孔形成和促炎介质释放为特征，被认为在连接持续性炎症与骨骼肌损伤中发挥重要的效应机制作用。深入分析HMGB1–焦亡通路异常激活与COPD相关骨骼肌功能障碍之间的关系，可能有助于识别迫切需要的新的治疗策略。因此，本文探讨了HMGB1–焦亡通路的分子机制，总结了其目前在COPD相关骨骼肌功能障碍中作用的研究现状，并讨论了相关的干预策略，为靶向该通路治疗COPD相关骨骼肌功能障碍提供理论依据。

主体内容总结

3. COPD相关骨骼肌功能障碍的病理生理特征及HMGB1与焦亡的分子基础

3.1. COPD相关骨骼肌功能障碍的病理生理特征

COPD患者的骨骼肌功能障碍主要表现为结构性、代谢性和功能性改变。结构改变包括肌肉组成变化、横截面积减少、肌肉质量丢失以及肌肉蛋白稳态破坏。动物研究表明，香烟烟雾提取物（CSE）暴露16周后，大鼠腓肠肌质量和横截面积显著减少，肌力明显下降，同时伴随肌肉萎缩相关因子肌萎缩F-box蛋白1（Atrogin-1）和肌肉特异性环指蛋白1（MuRF1）水平升高，肌球蛋白重链含量显著降低。临床研究显示，COPD患者肌肉中脂肪组织、纤维组织和细胞外基质等非收缩组织比例显著增加，自主肌力明显下降。股四头肌是受累最严重的肌群。

代谢紊乱主要与肌纤维类型改变相关。动物研究中，香烟烟雾（CS）暴露六个月可导致小鼠比目鱼肌中IIA型肌纤维向IIX/B型转化。临床研究表明，COPD患者外周肌肉中I型肌纤维比例、氧化能力、纤维大小和线粒体密度显著降低，II型肌纤维比例显著增加，导致肌肉萎缩和肌力下降。此外，重度COPD患者股四头肌氧化酶活性和有氧代谢能力下降，而厌氧代谢相关酶活性和无氧代谢能力增加。

COPD中的骨骼肌改变还包括线粒体损伤、卫星细胞功能异常以及肌力和耐力下降。线粒体功能障碍表现为线粒体数量减少、氧化酶活性和氧化能力降低、三磷酸腺苷（ATP）产生不足以及活性氧（ROS）水平升高。卫星细胞功能受损表现为自噬减慢和肌肉修复能力受损，导致肌纤维尺寸减小。临床研究证实，与健康个体相比，COPD患者的肌力、耐力、肌肉质量和运动能力均显著降低。

3.2. HMGB1与焦亡的分子基础

HMGB1是一种高度保守的非组蛋白核蛋白，主要由两个串联脱氧核糖核酸（DNA）结合结构域、C端酸性尾部和N端区域组成。HMGB1存在四种不同的氧化还原异构体：还原型（Re-HMGB1）、二硫型（Ds-HMGB1）、氧化型（Ox-HMGB1）和二聚化型（Di-HMGB1）。生理条件下，HMGB1主要定位于细胞核，参与DNA复制、DNA修复和染色质稳定。病理条件下，CS、氧化应激、钙稳态紊乱、炎症和细胞死亡等因素可促进HMGB1从细胞核转位至细胞质并释放至细胞外空间。释放至细胞外的HMGB1主要作为DAMP发挥作用，可与脂磷壁酸、Toll样受体（TLR2、TLR4、TLR5）、脂多糖（LPS）和晚期糖基化终末产物受体（RAGE）等分子或受体结合，激活下游NF-κB等信号通路，调节机体炎症反应和免疫过程。

焦亡是一种以炎症为特征、由gasdermin家族成员介导的程序性细胞死亡形式。根据上游激活机制和关键执行分子的不同，焦亡可分为经典通路、非经典通路、caspase-3/8介导通路和颗粒酶介导通路。在经典通路中，模式识别受体感知病原体相关分子模式或DAMPs并触发炎症小体激活，如NOD样受体家族含pyrin结构域蛋白3（NLRP3）和NLR家族CARD结构域蛋白4。这些炎症小体随后招募并激活pro-caspase-1。活化的caspase-1切割gasdermin D（GSDMD），产生的N端片段在细胞膜上形成孔道。caspase-1还切割白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-18（IL-18）前体，使其成为成熟的促炎形式。焦亡的特征包括质膜破裂、DNA断裂、孔道形成、细胞肿胀和细胞裂解，在此过程中释放包括HMGB1在内的炎症介质和DAMPs。

4. HMGB1–焦亡轴在COPD相关骨骼肌功能障碍中的调控作用

4.1. COPD中HMGB1的异常表达与释放

吸烟是COPD的主要病因因素，也是导致骨骼肌功能障碍的重要上游刺激。CS含有丰富的氧化性和促炎成分，可诱导肺组织产生过量ROS，破坏上皮屏障，促进DAMPs和促炎细胞因子的释放。过量ROS可诱导HMGB1的氧化修饰，形成ds-HMGB1，同时激活TLR4和RAGE。体外研究表明，CS可诱导中性粒细胞坏死，导致HMGB1和其他DAMPs大量释放至细胞外。在巨噬细胞中，CSE促进HMGB1以可溶形式和微囊泡相关形式释放。动物研究证实，CS暴露可诱导小鼠肺泡巨噬细胞和中性粒细胞浸润增加，HMGB1表达显著升高。与健康个体相比，COPD患者的肺组织、痰液、支气管肺泡灌洗液（BALF）和血浆中HMGB1水平显著升高，与疾病严重程度正相关，与第一秒用力呼气容积（FEV1）负相关。研究还发现，COPD患者血清HMGB1水平与大腿围呈显著负相关，提示HMGB1可能通过介导全身性炎症直接或间接导致骨骼肌萎缩。

4.2. COPD中焦亡的激活

在COPD的病理进展过程中，CS和空气污染可激活焦亡。体外研究表明，CS可显著上调人支气管上皮（HBE）细胞中1-磷酸鞘氨醇受体2、NLRP3、凋亡相关斑点样蛋白（ASC）、caspase-1、GSDMD、IL-1β和IL-18的表达。CS可通过ROS/NLRP3/caspase-1通路诱导HBE细胞焦亡。CSE还可激活巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子-α（TNF-α），通过旁分泌机制作用于骨骼肌细胞上的肿瘤坏死因子受体1（TNFR1），启动TNF-α/TNFR1-NLRP3-caspase-1-GSDMD信号级联，诱导焦亡和肌管萎缩。动物研究中，长期CS暴露可上调瞬时受体电位香草酸4（TRPV4）表达，通过NLRP3/caspase-1/GSDMD通路介导肺泡上皮细胞焦亡。

焦亡的激活程度在COPD不同阶段存在显著差异，急性加重期反应最为明显。稳定期COPD患者肺组织中NLRP3和IL-1β的信使核糖核酸（mRNA）表达上调，但caspase-1和ASC主要以非活性形式存在，提示NLRP3炎症小体未完全激活。急性加重期患者痰液中caspase-1、寡聚化ASC及IL-1β和IL-18水平显著升高，外周血浆中IL-1β浓度也明显增加，表明NLRP3炎症小体显著激活。进入临床恢复期后，这些指标逐渐下降。

4.3. HMGB1–焦亡轴介导COPD骨骼肌损伤

在COPD中，HMGB1与焦亡之间可能存在密切的功能耦联，形成相互强化的炎症正反馈环路。在CS、OS、感染、缺氧和细胞死亡等刺激下，HMGB1可通过主动分泌或被动泄漏释放并积聚于血液和气道等细胞外环境。HMGB1与细胞膜上的TLR4和RAGE受体结合后，激活NF-κB信号通路，诱导TNF-α、IL-1β和白细胞介素-8等促炎因子释放。TLR4激活可诱导慢性炎症、增加ROS产生并加剧OS。RAGE在肺组织中高表达，与COPD的发生发展密切相关。

NF-κB激活后可促进NLRP3、pro-IL-1β、pro-IL-18、TNF-α和白细胞介素-6（IL-6）等炎症相关基因的转录上调，为NLRP3炎症小体的激活和组装提供启动信号。COPD常伴随持续性ROS积累、钙稳态失衡和线粒体功能障碍，可进一步促进NLRP3炎症小体组装。NLRP3炎症小体组装后，招募ASC和caspase-1形成多分子复合物，激活caspase-1。活化的caspase-1除促进pro-IL-1β和pro-IL-18成熟及分泌外，还切割GSDMD，在细胞膜上形成孔道，诱导焦亡。焦亡细胞可释放HMGB1、乳酸脱氢酶、ASC斑点及其他DAMPs/损伤标志物。释放的HMGB1可反过来作为上游危险信号，通过TLR4/RAGE–NF-κB通路持续促进NLRP3和炎症小体前体分子的表达，形成涉及HMGB1释放、焦亡通路激活和炎症扩增的正反馈信号轴。

在COPD背景下，多种细胞类型可产生细胞外囊泡（EVs），作为细胞间信号传导的重要载体，参与炎症的传播。来源于肺巨噬细胞、中性粒细胞、上皮细胞和内皮细胞的EVs可能触发全身性炎症，损害肌肉合成和修复能力。动物研究证实，富含IL-6等促炎因子的EVs可通过改变线粒体代谢和肌生成诱导肌肉萎缩。细胞和动物实验还表明，CS暴露期间肺上皮细胞释放的含脯氨酸/精氨酸丰富端和亮氨酸丰富蛋白（PRELP）的外泌体可循环至骨骼肌，加速组蛋白去乙酰化酶2降解，诱导骨骼肌衰老和萎缩。在恶病质细胞和动物模型中，小鼠结肠癌细胞来源外泌体中的HMGB1可激活TLR4/NF-κB信号通路，导致肌管直径减小和萎缩相关蛋白表达增加。

目前，仅COPD细胞和动物模型证实HMGB1/TLR4信号通路可诱导骨骼肌焦亡。HMGB1/RAGE信号通路在儿童哮喘中可促进气道平滑肌细胞焦亡。在COPD相关骨骼肌损伤中，HMGB1可能作为CSE诱导骨骼肌焦亡的上游因子，通过TLR4/RAGE–NF-κB信号通路促进NLRP3炎症小体激活，诱导caspase-1成熟和GSDMD切割。焦亡过程中释放的内容物富含HMGB1，可进一步激活上述通路，持续放大局部炎症并加重骨骼肌损伤。然而，COPD中HMGB1/RAGE信号介导骨骼肌焦亡的实验证据仍然缺乏，且尚未在COPD患者骨骼肌中获得焦亡的临床证据。

除HMGB1–焦亡轴外，其他机制也参与COPD相关骨骼肌功能障碍。长期CS暴露可上调COPD小鼠骨骼肌中核因子κB受体活化因子配体（RANKL）/核因子κB受体活化因子（RANK）通路，导致肌肉功能障碍和萎缩。COPD导致骨骼肌线粒体相关信号分子表达异常，包括过氧化物酶体增殖物激活受体和过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1-α，导致线粒体含量减少和生物合成失调。COPD患者中白细胞介素-6、白细胞介素-15、肌生成抑制蛋白、鸢尾素和胰岛素样生长因子（IGF）-1等肌因子表达失调，可削弱线粒体保护作用，破坏骨骼肌蛋白合成与降解的动态平衡，损害卫星细胞再生和修复能力。

5. 靶向HMGB1–焦亡轴的治疗策略

5.1. 调控HMGB1的治疗策略

调控HMGB1可能是靶向HMGB1–焦亡轴的可行策略。针对HMGB1的靶向治疗和运动干预可能有助于抑制HMGB1释放并阻断其与相关受体的结合，从而抑制焦亡并减少炎症反应和肌肉损伤的扩散。在CS诱导的COPD小鼠模型中，小干扰RNA（siRNA）介导的HMGB1下调可降低IL-6和IL-1β分泌水平以及RAGE和TLR4表达水平和NF-κB p65磷酸化水平。microRNA-181a-5p可靶向HMGB1并抑制NF-κB通路。在LPS诱导的急性肺损伤小鼠模型中，早期给予高剂量丙酮酸乙酯可显著抑制HMGB1释放。HMGB1与分化簇24（CD24）和唾液酸结合Ig样凝集素10（Siglec-10）结合可减弱其活性。甘草酸可与HMGB1形成稳定复合物，阻断危险信号传播。抗HMGB1抗体可中和HMGB1的促炎活性。研究表明，甘草酸作为HMGB1抑制剂可直接结合HMGB1，通过抑制NF-κB信号通路和下调Atrogin-1和MuRF1表达，有效改善肌肉萎缩和体重减轻。

在受体水平，HMGB1主要通过TLR4和RAGE驱动炎症信号。TLR4抑制可通过阻断HMGB1信号改善肌肉萎缩。HMGB1拮抗剂如肽P5779、m2G7、右美托咪定和白藜芦醇可有效缓解HMGB1/TLR4介导的炎症性疾病。FPS-ZM1可抑制HMGB1/RAGE信号通路，减少ROS产生、凋亡和炎症，对骨骼肌发挥保护作用。然而，由于这些受体也参与宿主防御感染和组织修复，长期或全身性抑制可能带来免疫抑制和组织修复受损的风险。

在运动和物理治疗方面，长期低强度跑步机训练可抑制小鼠HMGB1/TLR4/NF-κB信号通路表达，减轻肺部炎症。4周低强度有氧运动干预后，小鼠肺组织中HMGB1 mRNA表达和蛋白水平显著降低。相比之下，高强度运动可能显著增加HMGB1水平并诱导急性组织损伤。

5.2. 调控焦亡的治疗策略

直接阻断焦亡的执行阶段可限制死亡细胞释放HMGB1。目前，COPD中大多数靶向焦亡的干预措施集中于NLRP3炎症小体。MCC950是一种有效的选择性NLRP3小分子抑制剂，通过阻断NLRP3的ATP水解来阻止NLRP3激活和炎症小体组装。富马酸二甲酯通过核因子E2相关因子2（Nrf2）/血红素加氧酶-1（HO-1）通路抑制NLRP3炎症小体激活，减少caspase-1和GSDMD-N表达。五味子甲素通过Nrf2促进HO-1表达，抑制NLRP3/ASC/caspase-1炎症小体复合物形成。(?)-表儿茶素通过增强Nrf2活性抑制NLRP3炎症小体激活。丙泊酚可上调Nrf2表达，抑制NLRP3表达。曲美他嗪通过抑制NLRP3/GSDMD介导的焦亡减轻肌肉萎缩。骨形态发生蛋白-7（BMP-7）不仅可抑制HMGB1活性，还可下调NLRP3炎症小体表达。此外，硫化氢可通过调节TLR4/NF-κB信号通路减轻CS诱导的焦亡。人脂肪来源干细胞外泌体可通过抑制肺泡巨噬细胞焦亡减轻CSE诱导的损伤。浴疗可通过下调NLRP3/ASC/caspase-1和TLR4/NF-κB/GSDMD信号通路减轻COPD大鼠的炎症反应。

6. 讨论

HMGB1–焦亡轴在COPD患者骨骼肌功能障碍中的作用仍不明确。当前证据主要来自CSE暴露的细胞和动物模型，来自COPD患者骨骼肌组织的直接证据有限。该轴在不同疾病阶段、急性加重期和不同骨骼肌群中的动态变化及其与肌力下降的关系仍不清楚。HMGB1的氧化还原状态和亚细胞定位、其受体偏好以及骨骼肌中发生焦亡的具体细胞类型仍有待阐明。焦亡与凋亡、坏死性凋亡、自噬受损、线粒体功能障碍和蛋白代谢紊乱之间的相互作用也需要进一步研究。

后续研究应更好地整合临床样本与动物和细胞模型，结合纵向随访和多组学分析，阐明COPD中HMGB1的主要来源、关键靶细胞、时空动态及其与骨骼肌功能下降之间的因果关系。在转化层面，改善COPD骨骼肌功能障碍的前瞻性策略包括靶向HMGB1释放和细胞外活性、阻断HMGB1–TLR4/RAGE相互作用、抑制NLRP3炎症小体激活或干扰caspase-1/GSDMD介导的焦亡执行。然而，鉴于HMGB1和焦亡在宿主防御、免疫调节和组织修复中也发挥重要的生理作用，未来的努力必须密切关注干预时机、剂量、靶向特异性和安全性，并探索基于疾病分期和患者分层的精准治疗策略。

7. 结论

总体而言，HMGB1驱动的焦亡可能为COPD骨骼肌功能障碍提供新的机制视角。HMGB1–焦亡轴不仅可能参与COPD慢性炎症的持续放大，还可能作为肺–骨骼肌轴异常通讯的重要介质。进一步阐明该轴的作用及其可治疗性，有望加深对潜在病理机制的理解，并为识别潜在治疗靶点提供基础。