NLRP3炎癥小體與心室重塑的研究進(jìn)展

林立超 綜述，朱鵬立，余惠珍,3 審校

(1.福建醫(yī)科大學(xué) 省立臨床醫(yī)學(xué)院 心內(nèi)科，福建 福州 350001；2.福建省臨床老年病研究所，福建 福州 350001；3.福建省立醫(yī)院南院 內(nèi)科，福建 福州 350028)

心室重塑是心力衰竭(心衰)進(jìn)程中重要的病理過(guò)程[1]。壓力超負(fù)荷(高血壓、主動(dòng)脈狹窄)、心肌缺血(心肌梗死)、心肌炎癥病變(心肌炎)等均可發(fā)生重塑[2]，導(dǎo)致心臟的結(jié)構(gòu)、性狀和功能改變。心臟由心肌細(xì)胞、非心肌細(xì)胞(內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和浸潤(rùn)的炎癥細(xì)胞)和細(xì)胞外基質(zhì)組成。心肌細(xì)胞在壓力超負(fù)荷狀態(tài)下，可通過(guò)心肌肥大增強(qiáng)心臟收縮力，維持心臟泵血功能，但該代償狀態(tài)是有限的，超過(guò)這一極限將導(dǎo)致心肌供血不足，使心肌細(xì)胞損傷或死亡，即使早期沒(méi)有心肌細(xì)胞的損傷/死亡，仍能通過(guò)炎癥誘導(dǎo)心室重塑，最終導(dǎo)致心衰[3]。此外，心肌細(xì)胞在缺血狀態(tài)下發(fā)生凋亡、壞死或其他形式細(xì)胞死亡(焦亡)，導(dǎo)致心室壁變薄，心肌收縮功能減弱[4]。成纖維細(xì)胞是心臟中最為豐富的細(xì)胞，在多種病理刺激下，可分化為肌成纖維細(xì)胞，分泌膠原蛋白，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)沉淀和纖維化形成[5]。

目前認(rèn)為，除經(jīng)典的神經(jīng)體液機(jī)制和交感神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)制外，炎癥反應(yīng)在心室重塑中也起著重要的作用，并且在已知機(jī)制無(wú)法解釋的射血分?jǐn)?shù)保留型心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)中，炎癥反應(yīng)也愈來(lái)受到關(guān)注[6]。在近年的研究中，學(xué)者發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體及其下游的炎癥因子在心力衰竭的動(dòng)物模型中表達(dá)升高，并參與心室重塑的病理過(guò)程[3,5]。對(duì)炎癥體的深入研究將有助于對(duì)心室重塑機(jī)制的理解，并可能為改善心功能提供新的干預(yù)靶點(diǎn)。本文對(duì)NLRP3炎癥小體與心室重塑的研究進(jìn)展作一綜述。

1 NLRP3炎癥小體概述

1.1 NLRP3炎癥小體的組成和功能

炎癥反應(yīng)是先天免疫系統(tǒng)對(duì)有害刺激的反應(yīng)，是機(jī)體的一種保護(hù)機(jī)制[7]。機(jī)體內(nèi)細(xì)胞能夠接受外源性的危險(xiǎn)信號(hào)(病原體)和/或內(nèi)源性的危險(xiǎn)信號(hào)(細(xì)胞內(nèi)容物)。前者又稱病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)，后者又稱損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)[8]。質(zhì)膜上或質(zhì)內(nèi)的受體(pattern recognition receptors，PRRs)能夠識(shí)別這些危險(xiǎn)信號(hào)，然后經(jīng)下游通路激活炎癥反應(yīng)[9]。炎癥小體是一種多蛋白復(fù)合物，由受體蛋白(pattern recognition receptors，PRRs)、銜接蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)和效應(yīng)蛋白(cysteine-aspartic acid protease family，caspase family)組成[8]。

PRRs是炎癥體的核心成分，大致可分為NLR家族和非NLR家族。前者即NOD樣受體(NOD-like receptors，NLRs)，后者包括Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)、RIG樣受體(RIG-like receptors，RLRs)，C-型凝集素樣受體(C-type lectin receptors，CTLs)和AIM樣受體(AIM-like receptors，ALRs)[10]。其中，TLRs和CTLs存在于細(xì)胞膜上，而NLRs、RLRs和ALRs存在于細(xì)胞內(nèi)。NLR家族又可分為NLRA亞家族、NLRB亞家族、NLRC亞家族以及NLRP1-14[10]。在NLR家族中，各成員的組成有所不同，其中對(duì)于NLRP3的研究最為廣泛和全面。NLRP3由三部分組成，分別是羧基端亮氨酸富集結(jié)構(gòu)域(leucine-rich repeat domain，LRRs)，中央?yún)^(qū)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域(nucleotide-binding oligomerization domain,NOD),也稱NACHT和氨基端效應(yīng)結(jié)構(gòu)域(pyrin domain, PYD)[11]。受體蛋白通過(guò)LRR識(shí)別PAMPs或DAMPs，然后經(jīng)PYD與銜接蛋白的PYD結(jié)合[12]。ASC為炎癥小體所通用，與PRRs結(jié)合后進(jìn)而通過(guò)自身半胱天冬酶活化募集結(jié)構(gòu)域(caspase-activating and recruitment domain，CARD)與效應(yīng)蛋白(pro-caspase-1)的CARD結(jié)合，從而激活效應(yīng)蛋白[12]。效應(yīng)蛋白被激活后啟動(dòng)下游的炎癥或焦亡通路。前者為經(jīng)典通路，將pro-caspase-1切割為活性形式的caspase-1，促進(jìn)下游的白介素-1β(IL-1β)和白介素-18(IL-18)的成熟和分泌，進(jìn)而引起一系列炎癥反應(yīng)[13]。后者是一種新型細(xì)胞死亡過(guò)程，主要依賴caspase-1將pro-Gasdermin D剪切為活性形式的Gasdermin D，隨后誘導(dǎo)焦亡，此外，caspase-11也可直接剪切pro-Gasdermin D或再次激活NLRP3炎癥小體[14]。

1.2 NLRP3炎癥小體的激活

NLRP3炎癥小體的激活主要涉及兩個(gè)步驟：第一步是上調(diào)各組分及下游因子的表達(dá)。DAMPs或PAMPs激活細(xì)胞膜上的TLRs，使轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(nuclear factor-κB)在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)NLRP3蛋白的表達(dá)[15]。第二步是活化NLRP3，促進(jìn)多蛋白復(fù)合體的組裝。目前認(rèn)為，NLRP3的活化主要涉及三種機(jī)制[16-18]。第一種是鉀離子外流。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度<90 mmol/L時(shí)，NLRP3炎癥小體能自發(fā)形成，鉀離子濃度升高則抑制其形成。細(xì)胞內(nèi)鉀離子外流由細(xì)胞膜上P2X7受體和pannexin-1孔道激活引起，三磷酸腺苷(ATP)是其主要的刺激物[16]。第二種是活性氧(reactive oxygen species，ROS)形成。ROS激活NLRP3炎癥小體與硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein ，TXNIP)和硫氧還蛋白(Trx)的失衡有關(guān)[17]。第三種是溶酶體損傷。細(xì)胞吞噬特定的膽固醇結(jié)晶或微粒導(dǎo)致溶酶體損傷，釋放組織蛋白酶，啟動(dòng)下游效應(yīng)蛋白，促進(jìn)炎癥體形成與激活[18]。此外，研究發(fā)現(xiàn)溶酶體損傷釋放的組織蛋白酶也能激活TXNIP，后者可直接激活NLRP3炎癥小體的效應(yīng)蛋白發(fā)揮下游作用[19]，提示NLRP3活化的機(jī)制并非完全獨(dú)立。

2 NLRP3炎癥小體與心肌肥大

心肌肥大是應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期的壓力超負(fù)荷所產(chǎn)生的代償狀態(tài)，能夠增強(qiáng)心臟收縮力，維持心臟泵血功能。但這種代償是有限度的，超過(guò)一定限度，心肌耗氧將超過(guò)冠脈血供，引起心肌缺血損傷，導(dǎo)致心肌收縮力下降，最后發(fā)展為心衰。為研究在心肌肥大時(shí)是否有炎癥反應(yīng)的參與，研究人員結(jié)扎大鼠主動(dòng)脈構(gòu)建左心肌肥大的動(dòng)物模型，于術(shù)后1、3、5、7、14天行超聲心動(dòng)圖、顯微鏡觀察心臟解剖、功能以及組織水平改變，并行定量PCR等技術(shù)分析炎癥基因的表達(dá)水平。研究認(rèn)為，心肌肥大可分為早期炎癥階段和心肌肥大階段。前者為主動(dòng)脈結(jié)扎術(shù)后3～5天，期間趨化因子MCP家族、IL-1β、NLRP3、TNF-α等表達(dá)增加。后者為術(shù)后7～14天，由炎癥細(xì)胞(單核/巨噬細(xì)胞)浸潤(rùn)，參與心肌肥大，導(dǎo)致心臟重量/體重增加[20]。但心肌肥大中的炎癥體來(lái)源以及在心室重塑過(guò)程中所起的具體作用尚未完全明確。

根據(jù)心肌肥大與炎癥反應(yīng)間的聯(lián)系，有學(xué)者試圖通過(guò)抑制其中的某一環(huán)節(jié)來(lái)了解NLRP3炎癥體在心肌肥大中的作用。RAGE(receptor for advanced glycation endproducts)是細(xì)胞膜受體，在多種細(xì)胞類型中低表達(dá)[21]，有報(bào)道顯示其與血管緊張素II誘導(dǎo)的心肌肥大相關(guān)，但機(jī)制尚未闡明。Lim S等[22]在體外利用血管緊張素II誘導(dǎo)心肌肥大，并檢測(cè)到NLRP3水平升高，隨后經(jīng)sRAGE(PAGE抑制劑)處理，發(fā)現(xiàn)NLRP3水平減低并且心肌肥大緩解，故提出存在PAGE—NF-κB—NLRP3—IL-1β信號(hào)通路，該通路參與心肌肥大。此外，Li R等[23]為研究雷公藤內(nèi)酯醇(雷公藤的活性成分)如何影響心室重塑，建立主動(dòng)脈縮窄的心室重塑小鼠模型，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)手術(shù)組小鼠左心室組織提取液中NLRP3炎癥體的水平顯著增高，隨后腹腔內(nèi)注射一定量雷公藤內(nèi)酯醇，結(jié)果顯示NLRP3炎癥體和下游炎癥因子被抑制，并且雷公藤內(nèi)酯醇治療組的左心室重量較對(duì)照組明顯降低，提示該治療能緩解心肌肥大，故研究認(rèn)為雷公藤內(nèi)酯醇可能是通過(guò)抑制NLRP3誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)而發(fā)揮抗心肌肥大作用。

這些研究的發(fā)現(xiàn)讓人們對(duì)心肌肥大有了更深入的理解，也為NLRP3炎癥體成為心肌肥大的干預(yù)靶點(diǎn)提供了理論依據(jù)，但通過(guò)抑制NLRP3炎癥小體來(lái)阻斷心肌肥大這一代償機(jī)制是否能夠延緩甚至阻止心衰進(jìn)程，尚不能明確。

3 NLRP3炎癥小體與心肌損傷

心肌損傷可由多種原因?qū)е?，心肌?xì)胞數(shù)量的減少可直接影響心肌收縮功能，此外，其所釋放的內(nèi)容物(DAMPs)可通過(guò)活化NLRP3，引起炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，參與心肌進(jìn)一步損傷。根據(jù)損傷的機(jī)制，可大致分為缺血性心肌損傷和非缺血性心肌損傷。

3.1 NLRP3炎癥小體和缺血性心肌損傷

缺血性心肌損傷可由穩(wěn)定性心絞痛、不穩(wěn)定性心絞痛和急性心肌梗死引起。心臟對(duì)缺血性損傷極其敏感，損傷最初是由組織血供減少所致，隨后由于再灌注發(fā)生強(qiáng)烈和高度特異性的炎癥反應(yīng)而進(jìn)一步惡化[24]。NLRP3炎癥體是先天免疫系統(tǒng)中的大分子蛋白質(zhì)復(fù)合物，其可接受外源性的PAMPs和/或內(nèi)源性的DAMPs[8]。當(dāng)心肌細(xì)胞受損甚至死亡后，會(huì)釋放出細(xì)胞內(nèi)容物(DAMPs)，通過(guò)TLR4-NF-κB通路上調(diào)NLRP3炎癥小體的基因表達(dá)，繼而活化NLRP3，促進(jìn)炎癥體的組裝激活。激活的炎癥體繼續(xù)切割活化下游的炎癥因子，引起炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，通過(guò)其誘導(dǎo)的壞死、焦亡，進(jìn)一步釋放細(xì)胞內(nèi)容物，導(dǎo)致更大范圍的心肌損傷、心室擴(kuò)張和心功能障礙[25]。有研究發(fā)現(xiàn)秋水仙堿不僅是傳統(tǒng)上用于治療痛風(fēng)的藥物，還能降低心梗后血漿中炎癥細(xì)胞因子(IL-1β、IL-18)水平[26]，但其是否能改善不良心室重塑和心功能障礙仍不明朗。Fujisue K等[27]行左冠狀動(dòng)脈前降支永久閉塞術(shù)構(gòu)建心肌梗死小鼠模型，每日定量予以口服秋水仙堿，于術(shù)后1、3、7、28天觀察實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。結(jié)果顯示，治療組與對(duì)照組小鼠術(shù)后24小時(shí)NLRP3炎癥小體在缺血梗死區(qū)域表達(dá)增加，而秋水仙堿能夠抑制這些表達(dá)，減少炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，抑制左室瘢痕擴(kuò)大。

雖然炎癥反應(yīng)是機(jī)體的防御機(jī)制，但如此擴(kuò)大的炎癥反應(yīng)顯然沒(méi)有好處，所以，針對(duì)性的干預(yù)治療具有一定的前景。但目前包括秋水仙堿在內(nèi)的NLRP3炎癥體靶向藥物仍處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，其能否應(yīng)用以及如何應(yīng)用于今后的臨床工作仍需要進(jìn)一步的研究。

3.2 NLRP3炎癥小體與非缺血性心肌損傷

非缺血性心肌損傷可由糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)、心肌炎等疾病引起。DCM是指糖尿病患者出現(xiàn)的，不能用其他心臟疾病所解釋的心肌疾病，是患者死亡的主要原因之一，常見(jiàn)于2型糖尿病。該病的特點(diǎn)是在機(jī)體代謝紊亂和微血管病變的基礎(chǔ)上出現(xiàn)廣泛的心肌細(xì)胞損傷、死亡，導(dǎo)致心功能異常，最終進(jìn)展為心力衰竭[28]。電鏡顯示，DCM小鼠和大鼠心肌含有腫脹的原纖維和線粒體，是細(xì)胞焦亡的特征[29]，而焦亡是炎癥體介導(dǎo)的特殊的細(xì)胞死亡形式，提示炎癥體可能參與DCM形成。為研究這一假設(shè)，Luo B等[30]采用高脂飲食和低劑量鏈脲佐菌素誘導(dǎo)2型糖尿病大鼠模型，并沉默一組實(shí)驗(yàn)對(duì)象的NLRP3表達(dá)，通過(guò)超聲心動(dòng)圖和組織病理學(xué)等方法評(píng)估沉默組與對(duì)照組中DCM的發(fā)展。結(jié)果表明，NLRP3炎癥體參與高葡萄糖誘導(dǎo)的心肌損傷，其所介導(dǎo)的焦亡在DCM中作用明顯。目前尚沒(méi)有專門針對(duì)糖尿病引起心肌病的療法，抑制NLRP3炎癥小體為臨床實(shí)踐提供了新方向。此外，在心肌炎的有關(guān)研究中，抑制NLRP3炎癥體對(duì)心肌細(xì)胞的保護(hù)作用也逐漸被認(rèn)同[31-32]。

4 NLRP3炎癥小體與心肌纖維化

心室重塑不僅有心肌細(xì)胞質(zhì)(心肌肥大)和量(心肌數(shù)量減少)的改變，非心肌細(xì)胞(成纖維細(xì)胞和浸潤(rùn)炎癥細(xì)胞)和細(xì)胞外基質(zhì)(主要是膠原纖維)也發(fā)生相應(yīng)的變化。心肌纖維化是不可逆的病理生理過(guò)程，心臟成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的膠原纖維在細(xì)胞間過(guò)度積累，導(dǎo)致心臟順應(yīng)性降低，舒張功能障礙[33]。此外，炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)到受損組織后能分泌大量促炎介質(zhì)和促纖維化因子，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)蛋白沉積[34]，這些細(xì)胞因子包括NLRP3炎癥小體的下游細(xì)胞因子IL-1β和IL-18。IL-1β不僅能以劑量依賴的方式直接刺激膠原蛋白的合成，也促進(jìn)其他促纖維生長(zhǎng)因子的釋放，如TNF-α、IL-6和TGF-β1[34]。這提示NLRP3炎癥體作為IL-1β和IL-18的上游復(fù)合物，可能也參與心肌纖維化。

近年來(lái)，研究人員試圖驗(yàn)證這一假設(shè)。Wan Y等[35]首先通過(guò)異丙腎上腺素誘導(dǎo)小鼠心肌纖維化，建立4個(gè)實(shí)驗(yàn)組，然后使用不同劑量皂苷元環(huán)增效醇(黃芪的有效成分)抑制炎癥反應(yīng)，最后采用蘇木精-伊紅染色評(píng)估組織炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)情況及心肌纖維化，用定量PCR評(píng)估蛋白表達(dá)水平，結(jié)果顯示高劑量的皂苷元環(huán)增效醇能顯著下調(diào)NLRP3炎癥小體途徑中的NLRP3、caspase-1和IL-18的基因表達(dá)，而低劑量的皂苷元環(huán)增效醇沒(méi)有明顯抑制作用，該結(jié)果一方面支持這一假說(shuō)，另一方面也表明皂苷元環(huán)增效醇對(duì)于炎癥體的抑制存在劑量依賴效應(yīng)。此外，在對(duì)雷公藤內(nèi)酯醇的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其還可通過(guò)抑制NLRP3炎癥體的活化，降低IL-1β成熟，進(jìn)而抑制心臟成纖維細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)，導(dǎo)致膠原蛋白生成減少，發(fā)揮抗心肌纖維化的作用[36]。

心肌纖維化是心衰的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，迄今尚未有完善的抗心肌纖維化的治療策略。隨著NLRP3炎癥體在心肌纖維化中作用的研究深入，其有望成為抗心肌纖維化治療的有效補(bǔ)充。

5 NLRP3炎癥小體與其他心室重塑病理過(guò)程

除了上述的三個(gè)方面，心室重塑還包括血管重塑和電生理重塑。前者常發(fā)生在心肌梗死、高血壓患者中，冠狀動(dòng)脈側(cè)支循環(huán)的形成是血管重塑的主要機(jī)制[2]。NLRP3炎癥體在血管壁細(xì)胞(內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、結(jié)締組織細(xì)胞)中的作用已得到了廣泛的關(guān)注，主要參與內(nèi)皮細(xì)胞的功能障礙[37]、平滑肌細(xì)胞的遷移增殖[38]、血管周圍脂肪組織功能障礙[39]，提示其與血管功能及結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。但大部分研究并非針對(duì)冠狀動(dòng)脈，故NLRP3炎癥小體是否參與冠脈側(cè)支的血管重塑以及在其中起到何種作用仍有待進(jìn)一步研究。后者常由心肌肥大或心肌梗死所致，并常發(fā)生致死性的心律失常(室性快速型心律失常)，是心衰患者的主要死亡原因，但對(duì)于電生理重塑機(jī)制的理解卻知之甚少。近期發(fā)表在Circulation雜志上的一篇文章首次揭示了NLRP3炎癥小體與房顫的聯(lián)系，Yao C等[40]提出了包括NLRP3增強(qiáng)Ryr2表達(dá)在內(nèi)的多種機(jī)制，并認(rèn)為靶向抑制NLRP3炎癥體及其下游炎癥因子可能成為房顫治療的新選擇。該研究不僅證實(shí)了NLRP3炎癥小體對(duì)心房電生理重塑作用，也為今后對(duì)心室電生理重塑的研究提供了重要的理論依據(jù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在心室重塑涉及的多個(gè)病理過(guò)程中，NLRP3炎癥小體已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。抑制NLRP3炎癥小體可能成為延緩心室重塑的新方向。但是未來(lái)其靶向藥物能否步入臨床、如何選擇合適的給藥途徑與劑量，仍有待大樣本的臨床研究。