炎癥小體活化對脊髓損傷局部免疫微環(huán)境的影響①

王賽男 綜述 胡建國 呂合作 審校

(蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院檢驗科，感染與免疫安徽省重點實驗室，組織移植安徽省重點實驗室，蚌埠 233000)

炎癥小體(Inflammasome)是近年來發(fā)現(xiàn)的一類大分子復合物，屬于固有免疫系統(tǒng)，炎癥小體的活化能夠裂解pro-IL-1β和pro-IL-18，產(chǎn)生具有活性形式的IL-1β和IL-18，引起下游一系列炎癥反應，還能夠調(diào)節(jié)caspase-1，誘導細胞在病理狀態(tài)下的程序性死亡。脊髓損傷(Spinal cord injury,SCI)是指由于各種原因?qū)е碌募顾柰耆虿煌耆珎?。脊髓損傷后，損傷的脊髓局部免疫微環(huán)境發(fā)生改變，出現(xiàn)多種功能不同的免疫細胞，這些細胞含有很多功能不同的亞群，例如，輔助性T淋巴細胞1型(Th1)、17型(Th17)等。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種炎癥小體與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病理變化有關。本文將對這幾種炎癥小體的結構、組成、功能以及在脊髓損傷中的作用做一總結。

1 炎癥小體與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system，CNS)損傷

炎癥小體是一類位于細胞質(zhì)中的高分子量多蛋白質(zhì)復合物，主要由三部分組成，胞內(nèi)模式識別受體[如核苷酸結合寡聚化結構域樣受體(Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors，NLRs)、AIM-2(Absent in melanoma 2)樣受體(AIM-2 like receptor，ALRs)等]；半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase-1等)；鏈接兩者的接頭蛋白[凋亡相關斑點樣蛋白(Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)]。炎癥小體屬于天然免疫系統(tǒng)，作為機體抵抗外來病原體的第一道保護線，能夠通過模式識別受體識別病原相關分子模式(Pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)或者宿主來源的損傷相關分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)，通過ASC募集和活化caspase-1等，活化的caspase-1可進一步切割和活化IL-1家族細胞因子(如IL-1β和IL-18)，進而導致下游炎癥級聯(lián)反應[1,2]。

在CNS損傷過程中，炎癥小體發(fā)揮極為核心的作用。雖然，有些細節(jié)目前還不完全透徹，但炎癥小體在CNS損傷后活化的大體機制已基本清楚[3,4]：一方面，CNS損傷產(chǎn)生的DAMPs通過模式識別受體導致NF-κB核轉(zhuǎn)位，進而引起致炎性細胞因子前體(如pro-IL-1β和pro-IL-18)轉(zhuǎn)錄表達；另一方面，細胞死亡產(chǎn)生的ATP活化嘌呤受體P2X4，引起鉀外流，導致細胞外鉀離子濃度增加，繼而通道蛋白Pannexin-1活化、開放、釋放ATP，進而活化P2X7受體，活化的P2X7受體再活化炎癥小體，進一步裂解和活化caspase-1?；罨腸aspase-1裂解pro-IL-1β和pro-IL-18，產(chǎn)生具有活性形式的IL-1β和IL-18，進而引起下一步的炎癥損傷。

在CNS，神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞中均可以檢測到炎癥小體，其胞內(nèi)模式識別受體在神經(jīng)元為NLRP1和AIM2，在星形膠質(zhì)細胞為NLRP2，在小膠質(zhì)細胞為NLRP3[5]。因此，在CNS損傷過程中，炎癥小體發(fā)揮著極為重要的作用，下面對與CNS損傷相關的炎癥小體進行介紹。

2 與CNS損傷有關的炎癥小體的種類

2.1NALP1炎癥小體 NALP1又叫NLRP1，在NLRPs家族中第一個被發(fā)現(xiàn)，是一種具有復雜結構域的大分子蛋白質(zhì)復合物[1]。NALP1炎癥小體由NALP1、caspase-1、caspase-11、ASC和X連鎖凋亡抑制蛋白(X-linked inhibitor of apoptosis protein，XIAP)組成，是de Rivero Vaccari等[6]于2008年在損傷的脊髓中發(fā)現(xiàn)的。NALP1的結構為各種蛋白相互作用提供一個平臺，主要作用是活化炎癥性caspases，以及細胞色素c介導的凋亡性caspases，從而參與了炎癥反應和細胞凋亡的調(diào)節(jié)過程[7]。

NALP1蛋白表達于細胞質(zhì)中，高表達于外周血淋巴細胞、心臟、胸腺、脾臟，在骨骼肌、結腸(非黏膜層)、腎、肝、小腸、胎盤、肺中低表達。有研究表明，蛋白水解作為NALP1炎癥小體激活的一般機制，似乎對嚙齒類和靈長類動物的快速進化做出了貢獻[8]。在Li等[9]研究中，他們首次觀察到炎性體系統(tǒng)的NALP1參與神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)展 。在損傷的大鼠脊髓中，NALP1炎癥小體這個分子平臺在前角脊髓運動神經(jīng)元中也是存在的[6]。

2.2NALP2炎癥小體 NALP2又稱NLRP2，由N-端的PYD 結構域，中間的NACHT結構域，還有C-端的LRR結構域組成，NALP2的特征是含有一個先天免疫功能的N-末端PYRIN結構域，能夠調(diào)節(jié)炎癥小體的活化[10,11]。NALP2炎癥小體在培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細胞也有報道，由NALP2、caspase-1和ASC組成，它與P2X7受體和通道蛋白pannexin-1形成蛋白-蛋白相互作用，能夠被高濃度ATP活化，能夠激活促炎caspase-1，導致IL-β的激活[12-14]。

相對于NALP1來說，NALP2的研究不是那么徹底，尤其是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)方面，對NALP2目前了解的還很有限，研究主要集中在生殖系統(tǒng)和胚胎發(fā)育過程中的作用。有研究驗證了NALP2能夠建立或者維持人類基因組印跡這個假說[15]。NALP2作為一個哺乳類動物的母體效應基因，在小鼠的早期胚胎發(fā)育中有著重要作用，缺失該基因，小鼠的卵母細胞可以通過減數(shù)分裂中期發(fā)育并排出第一極體，但是在卵母細胞分裂期受阻[16]。值得注意的是，與年輕的成年NALP2缺陷小鼠卵母細胞不同，成熟小鼠活化卵母細胞發(fā)育較慢，不能達到囊胚期[17]。研究還發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)模型及其在缺血性腦卒中的體外模型中，NALP2水平明顯升高，表明NALP2可能在缺血性卒中的病理生理過程中發(fā)揮重要的作用；另外在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，NALP2蛋白也是表達的，而且星形膠質(zhì)細胞是產(chǎn)生NALP2的主要形式，NALP2在星形膠質(zhì)中發(fā)揮的炎癥作用也是同樣重要的[18]。

2.3NALP3炎癥小體 NALP3與NALP2結構相似，是由一個PYD 結構域、一個NACHT結構域、還有一個LRR結構域組成[19]。NALP3炎癥小體包括NALP3、caspase-1和ASC三部分，存在于成纖維細胞、單核細胞、巨噬細胞等，是目前研究最為熱門和透徹的一類炎癥小體[20]。在CNS，它分布在小膠質(zhì)細胞中，最近的研究也證實它在脊髓損傷后有明顯的表達和活化[21,22]。NALP3炎性物質(zhì)是一種蛋白質(zhì)復合物，刺激caspase-1的激活促進加工和促炎性細胞因子的分泌，可以被內(nèi)源性的危險信號和病原體相關的化合物活化，同時熱休克蛋白可能會與NALP3結合并抑制它的活化[23]。

有報道表明，NALP3參與小鼠的皮膚創(chuàng)傷修復，且NALP3敲除的小鼠的皮膚損傷修復速度明顯降低[24]。NALP3在一些自身炎癥性疾病中具有很重要的作用，像家族性地中海熱、腫瘤壞死因子受體相關周期綜合征、化膿性關節(jié)炎等等[25]。NALP3還與一些自身免疫性疾病和一些感染性疾病的發(fā)病機制密切相關：NALP3炎性體在對金黃色葡萄球菌的炎癥反應中起作用[26]。此外，NALP3可能是小膠質(zhì)細胞介導的幾種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的一個關鍵調(diào)節(jié)因子，比如說阿爾茨海默氏病[27]。由此可見，NALP3與中樞神經(jīng)系統(tǒng)有著密切的關系。

2.4AIM2炎癥小體 AIM2是一種343氨基酸蛋白質(zhì)，有N-末端DAPIN(或pyrin)域和C-末端HIN-200域，已知有兩種寡核苷結合折疊。AIM2由細菌、病毒或者異位的雙鏈DNA激活。AIM2在免疫系統(tǒng)以外的組織表達，像外周血淋巴細胞、脾臟、小腸等[28]。AIM2能夠識別細胞內(nèi)雙鏈DNA,并且可以形成一個伴有ASC的caspase-1活化炎癥小體，是一種含有caspase激活域的蛋白[29]。大腦皮層神經(jīng)元中的AIM2炎癥小體由AIM2、ASC和caspase-1組成，腦損傷時釋放的DNA可以被AIM2炎癥小體識別，導致下游炎癥級聯(lián)、觸發(fā)炎癥小體介導的程序性細胞死亡[30,31]。AIM2炎癥小體能夠直接證明AIM2樣受體蛋白與活化的配體之間有著直接影響。

有研究表明，AIM2在牙髓組織中表達，在牙髓炎介導炎癥反應,還與白細胞介素-1有著密切的聯(lián)系[32]。在放射性肺炎中，放射性治療能夠引發(fā)AIM2的一些關鍵部分改變，放療引起的AIM2活化可能對放射性非得發(fā)病機制有所幫助[33]。Juan Pablo de Rivero Vaccari的實驗室最近的工作表明AIM2與ASC和caspase-1形成皮層神經(jīng)元DNA反應性炎癥小體[34]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染和損傷中，神經(jīng)炎癥是一種很重要的細胞死亡機制，而Adamczak等[30]的研究結果表明，皮質(zhì)神經(jīng)元表達的AIM2，是由雙鏈DNA活化并能誘導炎性細胞死亡。

3 炎癥小體與脊髓損傷免疫微環(huán)境

脊髓損傷是指由于各種原因?qū)е碌募顾柰耆虿煌耆珎?，它造成患者完全或不完全性癱瘓、失去感覺或感覺異常、相關器官的功能減弱或喪失。在過去十年中，中國的脊髓損傷病例增加了十倍，并且有上升和年輕化趨勢[35]。因此，研究修復脊髓損傷的有效治療方法，對于提高患者的生活質(zhì)量、減輕社會醫(yī)療負擔，其意義不言而喻。

脊髓損傷后，損傷局部微環(huán)境會出現(xiàn)多種功能不同的免疫細胞。近年來的研究表明：局部活化的小膠質(zhì)細胞、浸潤的單核細胞和T淋巴細胞在脊髓損傷和修復過程中扮演重要的角色，這些細胞包含不同的功能亞群(神經(jīng)保護和神經(jīng)損害)[36-39]；其中輔助性T淋巴細胞1型(Th1)、17型(Th17)和M1型小膠質(zhì)/巨噬細胞(M1細胞)是神經(jīng)損害性的，而輔助性T淋巴細胞2型(Th2)、調(diào)節(jié)性T細胞(Treg)和M2型小膠質(zhì)/巨噬細胞(M2細胞)則具有神經(jīng)保護作用[38,40]；在沒有任何治療干預的情況下，在脊髓損傷的早期，神經(jīng)損害性和保護性的免疫細胞在損傷局部均存在，但保護性的群體是一過性的，而損害性的群體及其產(chǎn)生的細胞因子存在時間長且占優(yōu)勢[36，39]。這表明，自然條件下?lián)p傷脊髓局部微環(huán)境中的免疫細胞亞群是“陰陽”失衡的，破壞性的亞群和細胞因子占主導地位，是造成脊髓損傷病理損傷的重要機制。盡管如此，這些研究也僅僅是初步弄清了脊髓損傷后局部免疫微環(huán)境的變化規(guī)律，但其背后的機制仍需進一步探討。

雖然，炎癥小體的活化及其導致的IL-1β和IL-18在脊髓損傷部位均有表達[41-44]，但迄今未見它們對脊髓損傷局部免疫微環(huán)境影響的報道。體外研究表明，IL-1或IL-18協(xié)同IL-23可以促進Th17細胞和γδT細胞IL-17的產(chǎn)生[45]。最近也有報道，上皮細胞炎癥小體來源的IL-18能夠促進Th1和Th17的極化[46]。在自身免疫性腎病中，炎癥小體來源的IL-1β和IL-18也能夠促進Th1和Th17的極化導致自身免疫性炎癥[47]?？傊?，根據(jù)目前國內(nèi)外研究進展，我們認為：脊髓損傷后，炎癥小體活化是造成脊髓損傷局部免疫微環(huán)境不利于損傷修復的重要機制；以炎癥小體為中心，可以通過多靶點選擇阻斷劑，改善局部免疫微環(huán)境、發(fā)揮神經(jīng)保護作用。

參考文獻：

[1] Martinon F,Burns K.The inflammasome:a molecular platform triggering activation of inflammatory caspases and processing of proIL-beta[J].Mole Cell,2002,10(2):417-426.

[2] Jamilloux Y.Cell-Free assay for inflammasome activation[J].Methods Mole Biol,2016,1417:207-215.

[3] de Rivero Vaccari JP,Dietrich WD.Therapeutics targeting the inflammasome after central nervous system injury[J].Transl Res,2016,167(1):35-45.

[4] Kigerl KA,de Rivero Vaccari JP,Dietrich WD,etal.Pattern recognition receptors and central nervous system repair[J].Exp Neurol,2014,258:5-16.

[5] Jiang W,Huang Y,He F,etal.Dopamine D1 receptor agonist A-68930 inhibits NLRP3 inflammasome activation,controls inflammation,and alleviates histopathology in a rat model of spinal cord injury[J].Spine,2016,41(6):E330.

[6] de Rivero Vaccari JP,Lotocki G,Marcillo AE,etal.A molecular platform in neurons regulates inflammation after spinal cord injury[J].J Neurosci,2008,28(13):3404-3414.

[7] Ting JP,Willingham SB,Bergstralh DT.NLRs at the intersection of cell death and immunity[J].Nature Rev Immunol,2008,8(5):372-379.

[8] Chavarría-Smith J,Mitchell PS,Ho AM,etal.Functional and evolutionary analysis identify proteolysis as a general mechanism for NLRP1 inflammasome activation[J].PLoS Pathog,2016,12(12):e1006052.

[9] Li Q,Tian Y,Wang ZF,etal.Involvement of the spinal NALP1 inflammasome in neuropathic pain and aspirin-triggered-15-epi-lipoxin A4 induced analgesia[J].Neuroscience,2013,254:230-240.

[10] Wu GQ,Liao YJ,Qin ZQ,etal.PYRIN domain of NALP2 inhibits cell proliferation and tumor growth of human glioblastoma[J].Plasmid,2010,64(1):41-50.

[11] Dorfleutner A,Chu L,Stehlik C.Inhibiting the inflammasome:one domain at a time[J].Immunological Rev,2015,265(1):205-216.

[12] Minkiewicz J,de Rivero Vaccari JP.Human astrocytes express a novel NLRP2 inflammasome[J].Glia,2013,61(7):1113-1121.

[13] Guo H,Callaway JB.Inflammasomes:mechanism of action,role in disease,and therapeutics[J].Nat Med,2015,21(7):677-687.

[14] Lamkanfi M.Inflammasomes and their roles in health and disease[J].Annu Rev Cell Dev Biol,2012,28():137-161.

[15] Meyer E,Lim D,Pasha S,etal.Germline mutation in NLRP2 (NALP2) in a familial imprinting disorder (Beckwith-Wiedemann Syndrome)[J].PLoS Genetics,2009,5(3):e1000423.

[16] Peng H,Chang B,Lu C,etal.Nlrp2,a maternal effect gene required for early embryonic development in the mouse[J].PLoS One,2012,7(1):e30344.

[17] Kuchmiy AA,D′Hont J,Hochepied T.NLRP2 controls age-associated maternal fertility[J].J Exp Med,2016,213(13):2851-2860.

[18] Sun X,Song X,Zhang L,etal.NLRP2 is highly expressed in a mouse model of ischemic stroke[J].Biochem Biophys Res Commun,2016,479(4):656-662.

[19] Divirgilio F.The therapeutic potential of modifying inflammasomes and NOD-like receptors[J].Pharmacol Rev,2013,65(3):872-905.

[20] Guarda G,Zenger M,Yazdi AS,etal.Differential expression of NLRP3 among hematopoietic cells[J].J Immunol(Baltimore,Md.:1950),2011,186(4):2529-2534.

[21] Zendedel A,Johann S,Mehrabi S,etal.Activation and regulation of NLRP3 inflammasome by intrathecal application of SDF-1a in a spinal cord injury model[J].Mol Neurobiol,2016,53(5):3063-3075.

[22] Zendedel A,M?nnink F,Hassanzadeh G,etal.Estrogen attenuates local inflammasome expression and activation after spinal cord injury[J].Mol Neurobiol,2018，55(2)：1364-1375.

[23] Eisenbarth SC,Colegio OR,O′Connor W,etal.Crucial role for the Nalp3 inflammasome in the immunostimulatory properties of aluminium adjuvants[J].Nature,2008,453(7198):1122-1126.

[24] Ito H,Kanbe A,Sakai H.Activation of NLRP3 signalling accelerates skin wound healing[J].Exp Dermatol,2018,27(1)：80-86.

[25] Campbell L,Raheem I,Malemud CJ,etal.The relationship between NALP3 and autoinflammatory syndromes[J].Intern J Mol Sci,2016,17(5):725.

[26] Miller LS,Pietras EM,Uricchio LH,etal.Inflammasome-mediated production of IL-1beta is required for neutrophil recruitment against Staphylococcus aureus in vivo[J].J Immunol,2007,179(10):6933-6942.

[27] Halle A,Hornung V,Petzold GC,etal.The NALP3 inflammasome is involved in the innate immune response to amyloid-beta[J].Nature Immunol,2008,9(8):857-865

[28] Deyoung KL,Ray ME,Su YA,etal.Cloning a novel member of the human interferon-inducible gene family associated with control of tumorigenicity in a model of human melanoma[J].Oncogene,1997,15(4):453.

[29] Hornung V，Ablasser A，Charrel-dennis M，etal.AIM2 recogni-zescytosolic dsDNA and forms a caspase-1-activating inflammasome with ASC[J].Nature，2009，458(7237):514-518.

[30] Adamczak SE,de Rivero Vaccari JP,Dale G,etal.Pyroptotic neuronal cell death mediated by the AIM2 inflammasome[J].J Cereb Blood Flow Metab,2014,34(4):621-629.

[31] Denes A,Coutts G,Lénárt N,etal.AIM2 and NLRC4 inflammasomes contribute with ASC to acute brain injury independently of NLRP3[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2015,112(13):4050-4055.

[32] Wang Y,Zhai S,Wang H,etal.Absent in melanoma 2 (AIM2) in rat dental pulp mediates the inflammatory response during pulpitis[J].J Endodontics,2013,39(11):1390-1394.

[33] Zhang Q,Hu Q,Chu Y,etal.The Influence of radiotherapy on AIM2 inflammasome in radiation pneumonitis[J].Inflammation,2016,39(5):1827-1834.

[34] de Rivero Vaccari JP,Dietrich WD.Activation and regulation of cellular inflammasomes:gaps in our knowledge for central nervous system injury[J].J Cerebral Blood Flow Metab,2014,34(3):369-375.

[35] Qiu J.China Spinal Cord Injury Network:changes from within[J].Lancet Neurology,2009,8(7):606-607.

[36] Chen YJ,Zhu H,Zhang N,etal.Temporal kinetics of macrophage polarization in the injured rat spinal cord[J].J Neuroscience Res,2015,93(10):1526-1533.

[37] Hu JG,Shen L,Wang R,etal.Effects of Olig2-overexpressing neural stem cells and myelin basic protein-activated T cells on recovery from spinal cord injury[J].Neurotherapeutics,2012,9(2):422-445.

[38] Ma SF,Chen YJ,Zhang JX,etal.Adoptive transfer of M2 macrophages promotes locomotor recovery in adult rats after spinal cord injury[J].Brain Behav Immun,2015,45:157-170.

[39] Wu Y,Lin YH,Shi LL,etal.Temporal kinetics of CD8(+) CD28(+) and CD8(+) CD28(-) T lymphocytes in the injured rat spinal cord[J].J Neuroscience Res,2017,95(8):1666-1676.

[40] Hu JG,Shi LL,Chen YJ,etal.Differential effects of myelin basic protein-activated Th1 and Th2 cells on the local immune microenvironment of injured spinal cord[J].Exp Neurol,2016,277:190-201.

[41] de Rivero Vaccari JP,Brand F,Adamczak S,etal.Exosome-mediated inflammasome signaling after central nervous system injury[J].J Neurochem,2016,136(Suppl 1):39-48.

[42] Nesic O,Xu GY,McAdoo D,etal.IL-1 receptor antagonist prevents apoptosis and caspase-3 activation after spinal cord injury[J].J Neurotrauma,2001,18(9):947-956.

[43] Rice T,Larsen J,Rivest S.Characterization of the early neuroinflammation after spinal cord injury in mice[J].J Neuropathol Exp Neurol,2007,66(3):184-195.

[44] Tyagi P,Kadekawa K,Kashyap M,etal.Spontaneous recovery of reflex voiding following spinal cord injury mediated by anti-inflammatory and neuroprotective factors[J].Urology,2016,88:57-65.

[45] Mills KH,Dungan LS,Jones SA.The role of inflammasome-derived IL-1 in driving IL-17 responses[J].J Leukocyte Biology,2013,93(4):489-497.

[46] Chudnovskiy A,Mortha A,Kana V,etal.Host-protozoan interactions protect from mucosal infections through activation of the inflammasome[J].Cell,2016,167(2):444-456.

[47] Hutton HL,Ooi JD,Holdsworth SR.The NLRP3 inflammasome in kidney disease and autoimmunity[J].Nephrology (Carlton),2016,21(9):736-744.