NLRP3炎癥體與糖尿病并發(fā)癥的研究進(jìn)展

潘 盼(綜述),陳海冰(審校)

(上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科 上海市糖尿病研究所 上海市糖尿病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海市糖尿病臨床醫(yī)學(xué)中心，上海 200233)=

隨著糖尿病病程的延長(zhǎng)，糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生率也逐年增加，通過糖尿病并發(fā)癥發(fā)生機(jī)制的研究，對(duì)其進(jìn)行早期的預(yù)防、診斷和治療至關(guān)重要。糖尿病并發(fā)癥的研究已經(jīng)明確,炎癥在誘發(fā)糖尿病并發(fā)癥中發(fā)揮著重要作用。目前，新的研究又發(fā)現(xiàn)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎癥體與糖尿病及其并發(fā)癥的產(chǎn)生及發(fā)展有關(guān)[1-3]。該文就NLRP3,炎癥體與糖尿病并發(fā)癥的最近研究成果進(jìn)行綜述，探討NLRP3炎癥體與糖尿病并發(fā)癥的關(guān)系，為糖尿病并發(fā)癥的早期診治提供新的方向。

1 NLRP3炎癥體

NLRP3炎癥體是核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體被激活后形成的巨大的蛋白復(fù)合體——炎癥體，包含NLRP3、細(xì)胞凋亡相關(guān)的斑點(diǎn)樣蛋白質(zhì)(apoptosis-associated speck-like protein，ASC)和caspase-1前體。NLRP3又稱cryopyrin、PYPAF1或Nalp3，由寒冷誘導(dǎo)自身炎癥綜合征1基因編碼,是核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體家族成員之一，由N端熱蛋白結(jié)構(gòu)域(pyrin domain,PYD)、C端亮氨酸重復(fù)序列和中間的核苷酸結(jié)合寡聚域(NOD domain,NACHT)三部分組成。ASC亦稱TMS1，由PYCARD基因編碼，是一種連接蛋白，其結(jié)構(gòu)包括N端PYD結(jié)構(gòu)域和C端CARD。NLRP3的激活可致其PYD結(jié)構(gòu)域與ASC的PYD結(jié)構(gòu)域連接,導(dǎo)致ASC的CARD與caspase-1的CARD結(jié)合，由此完成NLRP3炎性體的裝配[4]。

NLRP3炎癥體可以激活胱天蛋白酶caspase-1,進(jìn)而對(duì)白細(xì)胞介素(interluekin,IL)1β和IL-18等炎性因子的前體形式進(jìn)行切割，使其成熟并釋放到胞外，引起炎性反應(yīng)。近年來，對(duì)糖尿病炎癥機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，IL-1β、活性氧類(reactive oxygen species，ROS)、硫氧還蛋白相互作用蛋白與2型糖尿病的發(fā)病有關(guān)。慢性高血糖下，持續(xù)高血糖誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS，ROS可以直接激活NLRP3炎癥體或通過刺激硫氧還蛋白釋放硫氧還蛋白相互作用蛋白間接激活NLRP3炎癥體，進(jìn)而引起IL-1β的成熟和分泌,導(dǎo)致β細(xì)胞死亡或功能障礙，進(jìn)一步加重慢性高血糖，導(dǎo)致糖尿病惡化；其中NLRP3炎癥體激活是糖尿病炎癥機(jī)制的中心環(huán)節(jié)[1]。

核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域蛋白受體屬于胞內(nèi)感應(yīng)分子，不但可以識(shí)別病原相關(guān)分子模式、損傷相關(guān)分子模式，還可識(shí)別環(huán)境刺激因素，激活NLRP3炎癥體[5]。目前發(fā)現(xiàn)的NLRP3炎癥體激活機(jī)制主要有三種:①晶體類物質(zhì)被細(xì)胞吞噬后，溶酶體被破壞并釋放組織蛋白酶B，通過某些直接或間接的方式激活NLRP3炎癥體[6]，故抑制成熟溶酶體或溶酶體蛋白酶可以有效阻斷炎癥體的激活[7]；②細(xì)胞外的ATP結(jié)合細(xì)胞膜表面的嘌呤受體P2X7R，使其介導(dǎo)的離子通道打開，導(dǎo)致鉀離子外流，鈣離子內(nèi)流，并誘導(dǎo)細(xì)胞膜上的泛連接蛋白1小孔開放，進(jìn)而微生物分子進(jìn)入胞質(zhì)，被NLRP3識(shí)別，激活炎癥體[8]；③目前發(fā)現(xiàn)的所有NLRP3激活劑都能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS，即ROS可作為共同信號(hào)激活NLRP3炎癥體，導(dǎo)致ASC和caspase-1前體寡聚化和募集，并引發(fā)caspase-1前體的自我剪切和激活，激活的caspase-1 剪切IL-1β前體，促進(jìn)IL-1β的成熟和分泌，導(dǎo)致細(xì)胞毒性反應(yīng)和炎性反應(yīng)[1]。而在最近的研究中發(fā)現(xiàn)，動(dòng)脈粥樣硬化和糖尿病腎病患者的NLRP3、IL-1β上調(diào)，這很可能意味著在疾病的發(fā)生、發(fā)展過程中存在NLRP3炎癥體被激活[3,9]。

2 NLRP3炎癥體和糖尿病大血管病變——?jiǎng)用}粥樣硬化

糖尿病大血管病變主要累及主動(dòng)脈、冠狀動(dòng)脈、腦動(dòng)脈等部位，表現(xiàn)為動(dòng)脈粥樣硬化。相對(duì)于非糖尿病人群，糖尿病人群中動(dòng)脈粥樣硬化的患病率較高，發(fā)病年齡較輕，病情進(jìn)展較快,同時(shí)糖尿病(主要是2型糖尿病)人群動(dòng)脈粥樣硬化的易患因素，如肥胖、高血壓、脂代謝異常等的發(fā)生率均明顯增高。

2.1動(dòng)脈粥樣硬化與炎癥 目前，動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)病機(jī)制可被歸納為：慢性或反復(fù)的內(nèi)皮損傷、血脂沉積及其氧化作用、單核巨噬細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞反應(yīng)等。研究發(fā)現(xiàn)，剔除參與動(dòng)脈粥樣硬化的炎癥基因，在幾乎所有情況下均會(huì)導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化減少，但這種改變?cè)趧?dòng)脈粥樣硬化早期比較明顯，在后期動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展中則并不明顯[10]。而無論是以何種形式發(fā)生的動(dòng)脈粥樣硬化，均有各種生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子(包括IL-1β、IL-18等)參與，存在動(dòng)脈壁免疫細(xì)胞聚集，具有炎癥性疾病的特征[11]。

2.2炎癥與膽固醇結(jié)晶 無菌鼠動(dòng)脈粥樣硬化模型的成功構(gòu)建提示動(dòng)脈粥樣硬化的炎癥是內(nèi)源性的[12]，與其相關(guān)的內(nèi)源性分子之一是膽固醇[13]。高血膽固醇水平與動(dòng)脈粥樣硬化性疾病的發(fā)展密切相關(guān)。在動(dòng)脈粥樣硬化病變靠近激活的免疫細(xì)胞處，可以發(fā)現(xiàn)大量的不同形式的膽固醇，如在巨噬細(xì)胞、泡沫細(xì)胞以膽固醇酯形式存在，在胞內(nèi)/外則以晶體膽固醇形式存在。另外，最近的激光反射顯微鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)脈粥樣硬化病變處除了組織中有膽固醇晶體沉淀外，在細(xì)胞外空間以及免疫細(xì)胞中也存在更多、更小的膽固醇晶體。

2.3NLRP3炎癥體與動(dòng)脈粥樣硬化 Menu等[14]研究使用apoE缺陷小鼠動(dòng)脈粥樣硬化模型的研究證實(shí)，NLRP3炎癥體在動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生和發(fā)展過程中必不可少。體外實(shí)驗(yàn)表明，在小鼠及人類細(xì)胞，膽固醇晶體可以通過激活NLRP3炎癥體刺激早期巨噬細(xì)胞分泌大量的IL-1β誘發(fā)炎性反應(yīng)[9,15]。將缺乏NLRP3、ASC或IL-1α/β的小鼠骨髓轉(zhuǎn)移到受過輻射的有動(dòng)脈粥樣硬化性傾向的低密度脂蛋白(low-density lipoprotein，LDL)受體缺陷的小鼠，且高膽固醇喂養(yǎng)，與植入野生型小鼠相比，前者主動(dòng)脈病變顯著減少，且循環(huán)中IL-18的水平降低[9]。由此可以得知，小鼠動(dòng)脈粥樣硬化與炎癥體激活有關(guān)，且其動(dòng)脈粥樣硬化硬化程度與LDL及IL-18有關(guān)，LDL受體缺陷或低IL-18水平者動(dòng)脈粥樣硬化病變較輕。

LDL是動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展的核心，早期即在動(dòng)脈內(nèi)膜沉積，發(fā)生修飾(如氧化)，形成變性LDL，并促進(jìn)單核細(xì)胞募集，形成富含膽固醇的巨噬細(xì)胞泡沫細(xì)胞[11]。變性LDL首先被巨噬細(xì)胞Toll樣受體(如Toll樣受體4/6、CD14)和各種清道夫受體(如CD36、清道夫受體A)識(shí)別，通過骨髓分化主要反應(yīng)蛋白88及IL-1受體相關(guān)激酶4的激酶活性產(chǎn)生信號(hào)，激活核因子κB，進(jìn)而允許pro-IL-1β和NLRP3炎癥體的上調(diào)，引起IL-1β表達(dá)增加。此外，LDL的氧化依賴于巨噬細(xì)胞和上皮細(xì)胞周圍產(chǎn)生的ROS，氧化的LDL本身也會(huì)誘使ROS生成。變性LDL也可以誘導(dǎo)膽固醇晶體被巨噬細(xì)胞吞噬，引起溶酶體破裂，溶酶體蛋白酶釋放；與此同時(shí)，組織蛋白酶與ROS結(jié)合介導(dǎo)NLRP3炎癥體激活，對(duì)caspase-1前體進(jìn)行剪切，促進(jìn)細(xì)胞因子IL-1的成熟和分泌，造成持續(xù)的炎癥體組件上調(diào)以及炎性反應(yīng)，導(dǎo)致大量的免疫細(xì)胞浸潤和動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成的進(jìn)展[2]。

3 NLRP3炎癥體與微血管病變——糖尿病腎病

微血管病變是糖尿病的特異性并發(fā)癥，典型改變?yōu)槲⒀h(huán)障礙和微血管基膜增厚，尤以糖尿病腎病為重。當(dāng)前，糖尿病腎病發(fā)病率逐年升高，已成為慢性腎衰竭的主要原因。高尿酸血癥、高脂血癥及炎癥均與糖尿病腎病的進(jìn)展與惡化密切相關(guān)[3]。最近的研究表明，NLRP3炎癥體介導(dǎo)的炎癥與腎臟損傷進(jìn)展有關(guān)[16-17]。

3.1糖尿病腎病NLRP3激活的證據(jù) 已知NLRP3炎癥體由NLRP3、ASC及caspase-1組成。最近的動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎癥體-caspase-1-IL-1β/IL-18軸在腎臟疾病中起著重要作用[3]。NLRP3炎癥體可以通過調(diào)控caspase-1的激活而促進(jìn)IL-1β、IL-18成熟。患糖尿病時(shí)，循環(huán)及局部促炎因子IL-1β、IL-18水平的升高可以誘發(fā)持續(xù)的炎癥，進(jìn)而造成糖尿病患者腎臟損傷的發(fā)生和發(fā)展。Wang等[3]關(guān)于STZ大鼠的研究發(fā)現(xiàn)，STZ誘導(dǎo)的伴有高尿酸血癥和高脂血癥的糖尿病腎病模型中，除IL-1β、IL-18的水平升高外，NLRP3炎癥體的組件ASC、caspase-1存在過度表達(dá)。以上證據(jù)表明，在糖尿病腎病發(fā)生、發(fā)展過程中，NLRP3炎癥體被激活。

3.2糖尿病腎病與尿酸 糖尿病腎病患者腎功能減退，腎小球?yàn)V過功能受損，尿酸濾過減少，導(dǎo)致血漿尿酸水平增高，在腎小球功能受損早期，即可出現(xiàn)高尿酸血癥。此外，糖尿病患者脂質(zhì)代謝紊亂會(huì)導(dǎo)致尿酸鹽清除延遲，血清尿酸水平升高[18]；而非酯化脂肪酸也可以通過協(xié)同作用提高尿酸水平[19]。因此，研究發(fā)現(xiàn)血清尿酸水平升高可能與糖尿病腎病進(jìn)展有關(guān)[20-21]。進(jìn)一步的干預(yù)研究發(fā)現(xiàn)，尿酸合成抑制劑——?jiǎng)e嘌呤醇可以降低血清總膽固醇和三酰甘油水平，減輕果糖喂養(yǎng)糖尿病大鼠的腎臟病理改變程度[22-23]。而在2型糖尿病db/db小鼠和糖尿病腎損傷患者，別嘌呤醇同樣也起到了腎臟保護(hù)作用[3]。除此之外，研究還發(fā)現(xiàn)口服黃酮類藥物——槲皮素可以通過調(diào)節(jié)大鼠腎尿酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白(如葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白9、腎臟尿酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1、尿酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子等)降低尿酸水平，減輕果糖誘導(dǎo)的糖尿病大鼠的高尿酸血癥和腎功能紊亂[22-23]。與此同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)槲皮素可以防止糖尿病大鼠的腎臟損傷[24]。動(dòng)物的干預(yù)研究表明，高尿酸血癥可以在糖尿病基礎(chǔ)上誘發(fā)或加重腎臟損傷，通過降低血清尿酸水平可以有效預(yù)防或減輕糖尿病腎病。當(dāng)前大量的流行病學(xué)研究證實(shí)，糖尿病腎病患者血尿酸水平與腎臟損害密切相關(guān),且對(duì)糖尿病腎病發(fā)生、發(fā)展起促進(jìn)作用[25]。Momeni等[26]有關(guān)尿酸與糖尿病腎病的人群干預(yù)性研究亦證實(shí)，降尿酸藥物別嘌呤醇可以通過降低血尿酸水平，延緩糖尿病腎病的進(jìn)展。這些結(jié)果與動(dòng)物研究結(jié)果完全一致。

3.3尿酸與NLRP3激活：相關(guān)性研究和干預(yù)研究 目前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，STZ誘導(dǎo)的腎臟炎癥與在高尿酸血癥和脂質(zhì)紊亂狀態(tài)下NLRP3炎癥體激活有關(guān)。相關(guān)試驗(yàn)的蛋白質(zhì)印跡法和多聚酶鏈反應(yīng)分析均表明，鏈脲佐菌素誘導(dǎo)大鼠腎臟NLRP3炎癥體及其組件ASC、caspase-1表達(dá)增加[3]。而通過降尿酸藥(如別嘌呤醇、槲皮素)降低尿酸和血脂水平，NLRP3炎癥體激活可能被抑制，并且可以防止STZ誘導(dǎo)的腎臟損傷[3]。其他的研究發(fā)現(xiàn)，尿酸可以導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子(如IL-1β和IL-18)的分泌，高尿酸水平也是誘發(fā)肺損傷中NLRP3炎癥體激活的一個(gè)重要因素[6]。這些研究結(jié)果提示，高尿酸水平與NLRP3炎癥體激活有關(guān)。根據(jù)目前已發(fā)現(xiàn)的NLRP3炎癥體激活機(jī)制，可以推測(cè)尿酸可能通過溶酶體吞噬尿酸結(jié)晶，或激活ROS，或經(jīng)由巨噬細(xì)胞Toll樣受體/清道夫受體識(shí)別信號(hào)而激活NLRP3炎癥體，促進(jìn)IL-1β和IL-18的成熟和分泌而誘發(fā)腎臟炎癥，導(dǎo)致糖尿病腎病的發(fā)生和發(fā)展。

4 結(jié) 語

NLRP3炎癥體是核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體被激活后形成的巨大的蛋白復(fù)合體，在高血糖、肥胖、高脂血癥、高尿酸血癥等因素刺激下，巨噬細(xì)胞Toll樣受體和清道夫受體可識(shí)別信號(hào)，進(jìn)而激活NLRP3炎癥體，促進(jìn)IL-1β、IL-18的成熟和分泌，產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)源性炎性反應(yīng)，誘導(dǎo)糖尿病動(dòng)脈粥樣硬化及糖尿病腎病發(fā)生及發(fā)展。目前的研究已初步闡明NLRP3炎癥體在動(dòng)脈粥樣硬化中的作用機(jī)制，但其在糖尿病腎病的作用機(jī)制還不甚明確，僅能確定高尿酸血癥可能與之相關(guān)?，F(xiàn)有的研究已證實(shí)，通過藥物(如別嘌呤醇)干預(yù)減少動(dòng)物及糖尿病腎病患者體內(nèi)NLRP3炎癥體激活的刺激信號(hào)(即高尿酸)，可以有效減少NLRP3炎癥體激活，降低血清IL-1β/IL-18水平，從而預(yù)防甚至減輕糖尿病腎病。進(jìn)一步研究NLRP3在動(dòng)脈粥樣硬化和糖尿病腎病的炎癥作用機(jī)制，甚至NLRP3炎癥體對(duì)糖尿病其他并發(fā)癥 (如糖尿病視網(wǎng)膜病變、中樞神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥等)的炎癥作用機(jī)制前景廣闊；NLRP3炎癥體可以作為新的干預(yù)靶點(diǎn)，為未來糖尿病及其并發(fā)癥的防治提供新的方向。

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