炎癥小體在牙周炎中的研究進(jìn)展

呂慧欣 杜留熠 王鷂 于維先 任靜宜 顧芯銘 周延民

1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院種植中心 長(zhǎng)春 130021；

2.吉林省牙發(fā)育及頜骨重塑與再生省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)春 130021

炎癥小體（inflammasome）是由細(xì)胞質(zhì)內(nèi)模式識(shí)別受體（pattern recognition receptor，PRR）參與組裝的多蛋白質(zhì)復(fù)合物，其分子質(zhì)量大約為700 kDa。炎癥小體的概念最早由Martinon等[1]在2002年提出，其種類、結(jié)構(gòu)、功能等得到廣泛研究。

牙周炎（periodontitis）是由牙周致病菌及其毒性成分所引起的細(xì)菌性炎性疾病，細(xì)胞外刺激信號(hào)結(jié)合細(xì)胞表面Toll樣受體（Toll-like receptor，TLR）或細(xì)胞內(nèi)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體（nucleotide-binding oligomerization domain-likereceptor，NLR）引發(fā)機(jī)體固有免疫反應(yīng)（innate immunity），炎癥小體組分應(yīng)答刺激信號(hào)而組裝，而后使半胱氨酸天冬氨酸酶1前體蛋白（procaspase-1）裂解為成熟的半胱氨酸天冬氨酸酶1（caspase-1）。caspase-1在細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)促炎因子（proinflammatory factor）白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1β等的活化，并且介導(dǎo)細(xì)胞焦亡。由炎癥小體途徑引發(fā)的固有免疫反應(yīng)對(duì)炎癥的進(jìn)展過(guò)程具有重要作用[2]。

1 炎癥小體的組成和分類

典型的炎癥小體是由NLR或肝再生增強(qiáng)因子（augmenter of liver regenration，ALR）、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）以及提供核心的酶活性的pro-caspase-1組成的復(fù)合物。NLR是一種PRR，存在于細(xì)胞質(zhì)，組成成分有3種：富含亮氨酸的重復(fù)序列（leucine rich repeat，LRR）、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域NACHT以及半胱天冬酶招募結(jié)合域CARD或（和）熱蛋白結(jié)構(gòu)域PYD。ALR包含2個(gè)特征性結(jié)構(gòu)域（PYD和HIN-200）。

目前已知的炎癥小體包括NLRP1、NLRP2、NLRP3、NLRC4、NLRP6、NLRP12和AIM2等，這些炎癥小體所包含的受體蛋白不同。不同類型的刺激可以誘導(dǎo)組成不同種類的炎癥小體[3]。

關(guān)于NLRP2的研究較少，但目前認(rèn)為其抑制了NLRP3-ASC的反應(yīng)。NLRP6被核因子（nuclear factor，NF）-κB和caspase-1活化，被定義為促炎信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的危險(xiǎn)因素，且與自身平衡性或保護(hù)性分子信號(hào)有關(guān)[4]。NLRP1、NLRP3、NLRP4及AIM2在炎癥中的作用被較多描述。

1.1 炎癥小體NLRP1

炎癥小體NLRP1是最早被描述的炎癥小體，多數(shù)在淋巴器官中表達(dá)，但不在B淋巴細(xì)胞存在的區(qū)域表達(dá)。NLRP1的氨基端結(jié)構(gòu)域?yàn)镻YD，羧基端結(jié)構(gòu)域由FIINDS和CARD結(jié)構(gòu)域組成，LRR和NACHT結(jié)構(gòu)域存在于中間位置。其中，CARD結(jié)構(gòu)域可活化caspase-5，并可獨(dú)立完成與caspase-1的結(jié)合，不需要ASC介導(dǎo)[5]，最終會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。Kaushal等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在人類神經(jīng)元中，炎癥小體NLRP1可調(diào)節(jié)由caspase-1介導(dǎo)的caspase-6活化，說(shuō)明NLRP1還可存在于除免疫器官以外的組織細(xì)胞中。

1.2 炎癥小體NLRP3

炎癥小體NLRP3目前的研究較為深入，分布于未角化層狀鱗狀上皮、移行上皮細(xì)胞中[5]等，在微生物致病機(jī)制中具有特征性反應(yīng)。上皮細(xì)胞可迅速對(duì)入侵的病原體的刺激產(chǎn)生應(yīng)答，形成以NACHT結(jié)構(gòu)域?yàn)橹行牡难装Y小體，引發(fā)固有免疫反應(yīng)。外界刺激物或宿主內(nèi)部成分作為病原相關(guān)分子模式（pathogen-associated molecular pattern）和損傷相關(guān)分子模式（damage-associated molecular pattern）作用于細(xì)胞，被細(xì)胞質(zhì)中NLRP3的羧基端的LRR識(shí)別，并將信號(hào)傳遞給氨基端PYD結(jié)構(gòu)域，從而向下游信號(hào)分子傳遞。

1.3 炎癥小體NLRC4

炎癥小體NLRC4的特征性結(jié)構(gòu)域與NLRP3的不同之處在于氨基端的CARD結(jié)構(gòu)域。Eibl等[7]的研究表明，NLRC4具有與其他類型炎癥小體相似的PYD結(jié)構(gòu)域，但不與ASC結(jié)合。Jounai等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，在正常生理?xiàng)l件和侵襲性細(xì)菌感染情況下，NLRC4受體可結(jié)合自噬基因Beclin 1的保守結(jié)構(gòu)域。通過(guò)RNA干擾抑制NLRC4蛋白質(zhì)的翻譯，上調(diào)細(xì)胞自噬表達(dá)程度，增強(qiáng)了細(xì)胞對(duì)A組鏈球菌的細(xì)胞自噬性殺菌作用。此外，NLRC4與C類液泡蛋白分選復(fù)合體（the class C vacuolar proteinsorting complex）結(jié)合后，將成為導(dǎo)致自噬過(guò)程表達(dá)下調(diào)的負(fù)性調(diào)節(jié)因子，對(duì)自噬小體及核內(nèi)體活化作用減弱。

1.4 炎癥小體AIM2

炎癥小體AIM2是典型的非NLR蛋白家族炎癥小體，聚集了多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)。AIM2的組成方式是其HIN結(jié)構(gòu)域首先與細(xì)菌、病毒或宿主的細(xì)胞質(zhì)雙鏈DNA（double-stranded，dsDNA）結(jié)合，而后組件成分聚集，活化下游信號(hào)產(chǎn)生促炎因子，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[9]。Adamczak等[10]選用胚胎大腦皮層神經(jīng)元進(jìn)行促炎反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，首次證實(shí)了中樞神經(jīng)系統(tǒng)中炎癥小體AIM2蛋白質(zhì)的表達(dá)。其在細(xì)胞核中集聚形成蛋白質(zhì)復(fù)合體，并首次確定細(xì)胞焦亡是神經(jīng)元死亡的一種機(jī)制。

2 炎癥小體的活化和調(diào)控

炎癥小體的活化需要2種信號(hào)分子，第一信號(hào)由TLR接受細(xì)菌脂多糖（lipopolysaccharide）、mRNA等病原相關(guān)分子模式的刺激[11]，經(jīng)髓樣分化因子（myeloid differentiation factor，MyD）88等銜接蛋白分子信號(hào)傳遞，使NF-κB核轉(zhuǎn)位，基因表達(dá)產(chǎn)生pro-caspase-1和IL-1β。第二信號(hào)由內(nèi)源性三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、活性氧等損傷相關(guān)分子模式介導(dǎo)，促進(jìn)炎癥小體各蛋白質(zhì)成分的聚集。目前提出，由細(xì)胞膜上的P2X7通道蛋白等介導(dǎo)的活性氧產(chǎn)生可誘導(dǎo)炎癥小體NLRP3產(chǎn)生[12]。

炎癥進(jìn)展期，炎癥小體的過(guò)度活化會(huì)導(dǎo)致促炎因子的持續(xù)表達(dá)。一方面，機(jī)體本身為維持免疫反應(yīng)的平衡，將抑制炎癥小體成分的聚集。能夠與炎癥小體結(jié)構(gòu)域成分結(jié)合的蛋白質(zhì)分子可在炎癥小體組裝時(shí)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合相應(yīng)成分，使信號(hào)中斷，從而抑制固有免疫反應(yīng)的進(jìn)行。有報(bào)道[13]顯示，在炎癥小體形成的第一信號(hào)通路中，NLRP10對(duì)NF-κB的抑制作用減少了IL mRNA的轉(zhuǎn)錄，使IL-1β水平大幅度減低。此外，干擾素及效應(yīng)性、記憶性T細(xì)胞等也可以在轉(zhuǎn)錄和翻譯等不同水平上抑制炎癥小體活化或IL的產(chǎn)生[14-16]。另一方面，細(xì)菌、病毒等病原體也可對(duì)炎癥小體產(chǎn)生負(fù)調(diào)控。致病菌逃避炎癥小體的識(shí)別機(jī)制主要為病原相關(guān)分子模式表達(dá)水平下調(diào)。研究[17]證實(shí)，假結(jié)核耶爾森菌（Yersinia pseudotuberculosis）分泌的毒力因子可干擾炎癥小體對(duì)病原相關(guān)分子模式的識(shí)別作用，從而抑制炎癥小體的活化。

3 炎癥小體介導(dǎo)的細(xì)胞死亡模式

在炎癥小體的活化過(guò)程中，病原相關(guān)分子模式和損傷相關(guān)分子模式的來(lái)源可能是細(xì)胞死亡釋放出的細(xì)胞器及與其相關(guān)的生化成分等，說(shuō)明炎癥小體與各種細(xì)胞死亡模式之間存在密切的關(guān)系。由炎癥小體引發(fā)的細(xì)胞死亡模式主要是細(xì)胞焦亡，這種方式主要依賴于炎癥小體所介導(dǎo)的caspase-1的活化作用而存在。即caspase-1不僅可以促進(jìn)IL-1β、IL-18的成熟，也可以介導(dǎo)細(xì)胞的炎性壞死。具體表現(xiàn)為核酸酶水解DNA片段化，caspase-1介導(dǎo)鈣離子流入細(xì)胞，活化ATP釋放通道蛋白，形成細(xì)胞膜孔隙，細(xì)胞脹大，細(xì)胞膜破裂，細(xì)胞質(zhì)外溢[10,18]。此外，也有研究[19-20]表明，NLRP3可通過(guò)ASC上調(diào)caspase-8介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡作用，以及可促進(jìn)人類成骨細(xì)胞中尿酸鹽結(jié)晶的細(xì)胞自噬作用等。

4 炎癥小體與牙周炎

4.1 炎癥小體與牙周組織損傷

牙周炎是由多種因素引起的牙周支持組織的慢性炎性破壞性疾病，最初牙齦受到侵犯產(chǎn)生牙齦炎，而后向深層蔓延至牙周膜、牙槽骨和牙骨質(zhì)，發(fā)展為牙周炎。caspase-1活化后可導(dǎo)致細(xì)胞膜表面產(chǎn)生孔隙，細(xì)胞質(zhì)流出，細(xì)胞焦亡。同時(shí)，促炎因子IL-1β等被切割成熟后釋放到細(xì)胞外產(chǎn)生致炎作用，主要包括誘導(dǎo)白細(xì)胞的驅(qū)化作用，產(chǎn)生對(duì)組織的雙重作用，增加基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）的產(chǎn)生，導(dǎo)致結(jié)締組織破壞，以及促進(jìn)前列腺素（prostaglandin，PG）E2的產(chǎn)生，從而使破骨細(xì)胞增多，加重破骨性骨吸收等。Xue等[2]對(duì)比健康牙周組織、慢性牙周炎牙周組織及廣泛型侵襲性牙周炎組織標(biāo)本中的炎癥小體表達(dá)水平后得出結(jié)論，NLRP1在牙周炎組織標(biāo)本中幾乎不表達(dá)，NLRP3在牙周炎組織標(biāo)本中的含量較在健康牙周組織中更高，AIM2在慢性牙周炎組織中的含量比在健康牙周組織和廣泛型侵襲性牙周炎組織中更高。Yamaguchi等[21]首次證實(shí)了NLRC5基因的多態(tài)性可能作為一種生物標(biāo)志物存在于易罹患慢性牙周炎人群的遺傳物質(zhì)之中。在不同程度和類型的牙周疾病組織中，細(xì)胞內(nèi)的炎癥小體組成種類不同，提示不同炎癥小體的功能不同。

4.2 炎癥小體與牙周致病菌

菌斑生物膜是牙周炎的始動(dòng)因素，主要包括牙齦卟啉單胞菌（Porphyromonas gingivalis）、伴放線放線桿菌（Actinobacillus actinomycetemcomitans）等十余種致病菌。菌斑侵襲牙周組織后引起機(jī)體的炎癥反應(yīng)，此時(shí)IL-1β和IL-18等促炎因子表達(dá)。不同于齦上菌斑在引發(fā)組織產(chǎn)生IL的過(guò)程中的正相關(guān)性，齦下菌斑有雙重作用，當(dāng)菌斑聚集程度較低時(shí)，IL的分泌增加；當(dāng)聚菌斑集程度較高時(shí)，IL的分泌水平下降至對(duì)照組水平[22]。

4.2.1 牙齦卟啉單胞菌 牙齦卟啉單胞菌是牙周病最主要的致病菌之一，其菌體、脂多糖、菌毛、蛋白酶和牙齦素等均可引發(fā)炎癥的產(chǎn)生，并可同時(shí)伴隨多種相關(guān)系統(tǒng)性疾病的發(fā)生。多項(xiàng)研究表明，牙齦卟啉單胞菌具有調(diào)節(jié)固有免疫反應(yīng)的雙重機(jī)制。Belibasakis等[23]研究了在牙周病組織中，齦下菌斑生物膜對(duì)牙齦纖維中的NLRP3和IL-1β的產(chǎn)生有下調(diào)作用，而牙齦卟啉單胞菌很可能是其中的關(guān)鍵細(xì)菌。這種下調(diào)作用可產(chǎn)生免疫逃逸，使得菌斑生物膜可以在牙周組織中存留。此后Zupin等[24]用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，牙齦卟啉單胞菌感染的NLRP3基因缺陷型鼠，其頜骨吸收程度和炎癥因子表達(dá)程度較野生型輕。由此得出結(jié)論，牙齦卟啉單胞菌通過(guò)NLRP3活化了固有免疫細(xì)胞。此項(xiàng)研究首次證明了牙齦卟啉單胞菌通過(guò)NLRP3促進(jìn)牙周疾病的發(fā)展。

牙齦卟啉單胞菌在感染牙齦上皮細(xì)胞導(dǎo)致炎癥發(fā)生的機(jī)制中，由于病原體本身缺少第二信號(hào)傳遞的能力，阻滯了炎癥小體下游而非其本身成分的多重信號(hào)通路的傳導(dǎo)，抑制了IL-1β及IL-18的釋放。同時(shí)也可減弱具核梭桿菌（Fusobacterium nucleatum）的促細(xì)胞死亡作用[25]。因此，內(nèi)生危險(xiǎn)信號(hào)（如ATP等）通過(guò)ATP-/P2X7-信號(hào)對(duì)炎癥小體及caspase-1的活化是必不可少的。Morandini等[26]研究證明，在巨噬細(xì)胞中，牙齦卟啉單胞菌的菌毛蛋白可通過(guò)抑制P2X7受體下調(diào)ATP介導(dǎo)的IL-1β分泌水平。

4.2.2 伴放線放線桿菌 除牙齦卟啉單胞菌外，對(duì)其他致病菌在炎癥小體方面的研究較少。伴放線放線桿菌是侵襲性牙周炎的常見(jiàn)致病菌，不僅引發(fā)牙周組織產(chǎn)生炎癥，亦可造成其他系統(tǒng)性疾病的發(fā)生，如心內(nèi)膜炎、動(dòng)脈粥樣硬化斑塊、敗血癥、肺炎等。Belibasakis等[27]將伴放線放線桿菌D7SS野生型菌株同促白細(xì)胞毒素釋放基因、細(xì)胞致死性腫脹毒素基因敲除的變異菌株分別感染人類單核細(xì)胞，結(jié)果各組NLRP3、IL-1β和IL-18表達(dá)上調(diào)，而NLRP6表達(dá)下調(diào)，但NLRP1、NLRP2、AIM2、caspase-1表達(dá)水平不變。牙周致病菌可進(jìn)入全身血液循環(huán)，可刺激內(nèi)皮細(xì)胞釋放單核細(xì)胞趨化蛋白（monocyte chemoattractant protein，MCP）-1，調(diào)節(jié)單核細(xì)胞跨內(nèi)皮遷移，并使其在內(nèi)膜下分化為巨噬細(xì)胞。Okinaga等[28]在RAW264細(xì)胞中研究伴放線放線桿菌的刺激作用，發(fā)現(xiàn)其可使NLRP3表達(dá)上調(diào)，同時(shí)可通過(guò)活性氧和組織蛋白酶B引發(fā)IL-1β的表達(dá)，但此過(guò)程不經(jīng)過(guò)NLRP3/caspase-1通道。

5 結(jié)束語(yǔ)

炎癥小體參與固有免疫反應(yīng)，應(yīng)答內(nèi)外源信號(hào)活化后產(chǎn)生IL[29]，從而引發(fā)炎癥反應(yīng)。炎癥小體在各種細(xì)胞中的表達(dá)類型及其在免疫監(jiān)視、防御、清除機(jī)制中的作用不盡相同，在牙周疾病及與牙周炎相關(guān)的慢性系統(tǒng)性疾病中有重要作用。牙周組織被破壞后，致病菌及其毒性成分可隨外周血液循環(huán)到達(dá)各器官組織。由此猜想相關(guān)致病菌（如牙齦卟啉單胞菌等）可穿過(guò)血腦屏障引起神經(jīng)細(xì)胞等的炎癥小體形成，從而引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)退行性變類系統(tǒng)性疾病，造成人體器官的嚴(yán)重傷害。血紅素加氧酶-1是一種存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的酶，也是內(nèi)生性細(xì)胞保護(hù)性酶，其產(chǎn)物具有抗氧化及抗炎作用。Li等[30]首次證實(shí)了血紅素加氧酶-1可抑制牙齦上皮細(xì)胞中脂質(zhì)體對(duì)炎癥小體的活化作用，同時(shí)阻滯促炎NF-κB的核轉(zhuǎn)位。因此，競(jìng)爭(zhēng)性抑制炎癥小體組分的形成和聚集，或阻滯炎癥小體活化通路中的信號(hào)傳遞，將有可能成為治療牙周炎及其相關(guān)疾病的新方向。