HMGB1Ein leistungsfähiger Biomarkerfür ein Reihe von Krankheitszuständen.

Was ist HMGB1?

HMGB1 ist ein reichlich vorhandenes, evolutionär hoch konserviertes Kernprotein, das nach seiner schnellen Migration im Polyacrylamid-Gelelektrophoresesystem sowie seiner boxartigen Struktur benannt wurde.2 HMGB1 enthält zwei aufeinanderfolgende DNA-Bindungsdomänen - die HMG-A-Box-Domäne und die HMG-B-Box-Domäne - gefolgt von einem sauren C-Terminus und einem kurzen, aber funktionell bedeutsamen N-terminalen Bereich.3 In einer gesunden Zelle spielt HMGB1 eine wichtige Rolle als DNA-Chaperon innerhalb des Zellkerns. Es ist wesentlich für die Aufrechterhaltung der Struktur und Funktion von Chromosomen und für die Regulierung von Replikations-, Transkriptions- und Translationsprozessen.4 Als Reaktion auf zellulären Stress, Entzündungen oder Verletzungen kann es jedoch aus dem Zellkern ins Zytoplasma wandern und in den extrazellulären Raum freigesetzt werden.

Welche Aufgabe hat dieses Protein außerhalb des Zellkerns?

HMGB1 hat mehrere Funktionen außerhalb des Zellkerns, wo es angeborene Immunreaktionen und Autophagie im Zytosol auslösen oder als „Danger Associated Molecular Pattern“ (DAMP) wirken kann, das Immunrezeptoren stimuliert und Entzündungen in der extrazellulären Umgebung fördert.5, 6, 7 Es wird auch von Immunzellen sezerniert und spielt eine wichtige Rolle bei einer Reihe von pathologischen Zuständen, darunter Infektionskrankheiten, Ischämie-Reperfusionsschäden, Autoimmunerkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Neurodegeneration und Krebs.5 Es war sogar das erste Protein, von dem man annahm, dass es die von Polly Matzinger als "Gefahrentheorie" bezeichneten Kriterien erfüllt, die besagt, dass das Immunsystem auf Gefahrensignale und nicht nur auf das Vorhandensein fremder Krankheitserreger antwortet.6

HMGB1 fungiert jedoch nicht nur als Gefahrensignal. Das Protein ist ein umfassender Sensor für zellulären Stress und spielt eine Rolle beim Gleichgewicht zwischen Zelltod und Überlebensreaktionen, die für die zelluläre Homöostase und die Aufrechterhaltung des Gewebes wichtig sind.5 Die Position und Aktivität von HMGB1 - und seine Fähigkeit, Entzündungs- oder Überlebenswege zu induzieren - werden durch posttranslationale Modifikationen und Redoxreaktionen beeinflusst.

Wie steuert HMGB1 eine Immunantwort?

Die Translokation von HMGB1 ist das Ergebnis von zwei Hauptprozessen, die als Reaktion auf eine Entzündung oder eine Autoimmunerkrankung häufig zusammen auftreten: Aktivierung von Entzündungszellen - einschließlich Makrophagen, Monozyten und dendritischen Zellen - und Zelltod. Der besondere Mechanismus des Zelltods ist wichtig; HMGB1 wird normalerweise freigesetzt, wenn Zellen absterben, wird aber von Zellen, die der Apoptose unterliegen, zurückgehalten. Während viele Formen des Zelltods - wie z. B. die Nekrose - als entzündungsfördernd angesehen werden, gilt die Apoptose als nicht-entzündungsfördernder Mechanismus.7 Diese zellulären Ereignisse haben daher gegensätzliche Auswirkungen auf das Protein, die zu unterschiedlichen posttranslationalen Modifikationen und Veränderungen der Redoxzustände dreier Cysteinreste innerhalb seiner Struktur führen.

HMGB1 kann in drei primären Redoxzuständen vorliegen:

• fully reduced HMGB1 – das drei Cysteinreste in der Thiolform enthält - befindet sich in der Regel im Kern gesunder Zellen.7 Es kann jedoch von gestressten, verletzten oder absterbenden Zellen sowie von Immunzellen, insbesondere dendritischen Zellen und Makrophagen, freigesetzt werden.8 Außerhalb der Zelle wirkt reduziertes HMGB1 als Chemoattraktor und bindet an das Chemokin CXCL12, um die Chemotaxis von Entzündungszellen über CXCR4 zu induzieren;8, 9
• disulfide HMGB1 – das aus der Bildung einer Disulfidbindung von zwei Cysteinresten resultiert - kann in extrazellulären Räumen und im Blutkreislauf unter Bedingungen von leichtem oxidativem Stress gefunden werden.7 Disulfid-HMGB1 kann durch Bindung an den Toll-like-Rezeptor 4 (TLR4) und den „Receptor for Advanced Glycated Endproducts“ (RAGE) die Produktion von Zytokinen auslösen und so eine angeborene Immunantwort aktivieren;8
• fully oxidized HMGB1 ist inaktiv.3

Die Fähigkeit des Proteins, zwischen verschiedenen Formen zu wechseln - abhängig von Faktoren wie oxidativem Stress, Zytokinaktivität und der molekularen Maschinerie des Zelltods - lässt vermuten, dass es eine dynamische Rolle im Verlauf von Entzündungsprozessen spielt.

Wie fördert HMGB1 die Gewebeheilung?

HMGB1 löst nicht nur eine Immunreaktion aus, sondern ist auch an den entzündungshemmenden Prozessen beteiligt, die für die Heilung von Gewebe erforderlich sind.9, 6 Während seine ursprüngliche Rolle darin besteht, eine Entzündung auszulösen und Immunzellen wie Makrophagen und Neutrophile an den Ort der Verletzung zu bringen - Prozesse, die für die Beseitigung von Debris, abgestorbenen Zellen und potenziellen Krankheitserregern von entscheidender Bedeutung sind -, spielt HMGB1 auch eine wichtige Rolle bei der Umwandlung von Makrophagen von einem entzündungsfördernden M1-Phänotyp in einen M2-Phänotyp, was den Gewebeumbau fördert.10 Das Protein kann auch die Freisetzung von regenerationsfördernden Wachstumsfaktoren durch verschiedene Zelltypen fördern, die dazu beitragen, Stammzellen zu rekrutieren und ihre Vermehrung und Fusion zu unterstützen, um das geschädigte Gewebe zu reparieren. Schließlich kann HMGB1 den Wiederaufbau des Kapillarbettes fördern und so die Durchblutung verbessern.10 All diese Prozesse sind für die Gewebereparatur und -regeneration unerlässlich.

Welche Rolle spielt HMGB1 in der Tumorbiologie?

Wie jede Erkrankung, die einen nekrotischen Zelltod verursacht, führt auch ein Tumor zur Freisetzung von HMGB1 und zur Rekrutierung von Entzündungszellen in der Tumorumgebung, die zur Abtötung von Tumorzellen beitragen können. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass HMGB1 tumorfördernd wirkt.10, 11 Krebszellen können die regenerierenden Eigenschaften von HMGB1 nutzen, indem sie das Protein - und seine Fähigkeit, entzündungshemmende Makrophagen und Neutrophile in die Tumorumgebung zu rekrutieren - manipulieren, um ihr Überleben und ihre Vermehrung zu fördern und sich dem Immunsystem zu entziehen.10 Wenn dies geschieht, kann HMGB1 das Wachstum, das Überleben und die Apoptoseresistenz von Tumorzellen fördern und Immunzellen in der Nähe des Tumors funktionell beeinträchtigen. Einiges deutet auch darauf hin, dass das Protein die Metastasierung fördern kann, indem es mit verschiedenen Rezeptoren und Signalwegen interagiert.11

Welchen Wert hat HMGB1 in Anbetracht seiner scheinbar widersprüchlichen Wirkungen als Biomarker und therapeutisches Ziel?

Es hat vielfältige - und scheinbar widersprüchliche - Funktionen in gesundem und krankem Gewebe, und aus diesem Grund sind weitere Forschungen erforderlich, um die kontextabhängigen Wirkungen von HMGB1 vollständig zu verstehen und es als therapeutisches Ziel zu nutzen.12 Derzeit ist es jedoch ein nützlicher Biomarker zur Identifizierung einer Vielzahl von Krankheitszuständen. Erhöhte HMGB1-Konzentrationen wurden ursprünglich in akuten medizinischen Situationen festgestellt - etwa im Zusammenhang mit Sepsis -, doch schon bald stellte sich heraus, dass das Protein auch bei verschiedenen Entzündungs- und Autoimmunerkrankungen erhöht is.7 Daher ist HMGB1 als Biomarker nicht sehr spezifisch, aber es ist ein wertvoller Indikator für Entzündungen und Stress im Körper.

HMGB1 ist im Blut gesunder Patienten in geringen Mengen vorhanden - etwa 2 ng/ml13 -, doch ist dieser Wert bei Krankheiten wie Krebs, rheumatoider Arthritis und Atemwegserkrankungen deutlich erhöht. Das Ausmaß dieses Anstiegs hängt oft mit dem Schweregrad der Erkrankung eines Patienten zusammen, so dass die Überwachung der HMGB1-Konzentration den Ärzten helfen kann, die Krankheitsaktivität und das Ansprechen auf die Behandlung im Auge zu behalten. Es entwickelt sich auch zu einem nützlichen Biomarker für eine Reihe von neurologischen Erkrankungen, da es die Blut-Hirn-Schranke in beide Richtungen überwinden kann.14 Daher wurden hohe HMGB1-Spiegel im Blut älterer Patienten mit postoperativem kognitivem Abbau sowie in verschiedenen Fällen von Epilepsie, Schlaganfall, Parkinson-Krankheit, Alzheimer-Krankheit und Depression nachgewiesen. 14, 15

Dr Marco E. Bianchi

Wie messen wir die Konzentration dieses Proteins?

Die Schlüsselrolle, die HMGB1 bei vielen Krankheiten spielt, hat viele Forscher und Kliniker dazu veranlasst, nach zuverlässigen Methoden zur Messung dieses Proteins - und seiner verschiedenen Isoformen - in einer Vielzahl von Probentypen zu suchen.16 Früher war die genaue Messung des Proteins mittels ELISA mit Schwierigkeiten behaftet, vor allem aufgrund unspezifischer Aktivität oder Kreuzreaktivität in Verbindung mit HMGB1-Antikörpern.17 Innovationen in der Diagnostik haben jedoch zur Entwicklung reproduzierbarer Assays geführt, die eine genaue Messung des Proteins in Serum und Plasma ermöglichen. Darüber hinaus können diese Assays zur Erforschung des HMGB1-Gehalts in Synovialflüssigkeit, Liquor und Zellkulturextrakten verwendet werden.17 Vielen Dank an Dr. Marco Bianchi für die Erörterung dieses faszinierenden Moleküls und den Hinweis auf sein Potenzial als Krankheitsmarker. Mit seiner herausragenden Genauigkeit und Reproduzierbarkeit hat sich das HMGB1 Express Kit* zusammen mit seinem Vorgänger das Vertrauen wichtiger Meinungsführer erworben und sich als Goldstandard1 für die quantitative HMGB1-Analyse etabliert.

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www.ibl-international.com/cytokines-adhesion-molecules

Die Produktverfügbarkeit und der regulatorische Status können in Regionen ausserhalb der EU je nach lokaler länderspezifischer Registrierung variieren. Wenden Sie sich für weitere Informationen an Ihren Tecan-Partner.

* In den USA: Nur für Forschungszwecke. Nicht zur Verwendung in diagnostischen Verfahren.