NLRP3炎癥小體在神經(jīng)血管疾病中的作用①

董曉慶 丁艷平 張晉平 邵寶平 (西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070)

神經(jīng)血管疾病(neurovascular diseases)是腦或脊髓血管異常所致的疾病，包括腦卒中、脊髓血管畸形、神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤等一系列廣泛疾病[1]。神經(jīng)血管疾病的炎癥反應(yīng)是一個復(fù)雜的過程，包括神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞固有免疫系統(tǒng)的激活及循環(huán)中白細(xì)胞的浸潤等[2]。炎癥小體在神經(jīng)血管疾病中的炎癥反應(yīng)中起關(guān)鍵作用，近幾年來炎癥小體逐漸成為神經(jīng)血管疾病研究中的研究熱點(diǎn)。炎癥小體通過模式識別受體(pattern recognition receptor，PRR)識別病原微生物以及內(nèi)源性危險(xiǎn)信號，即病原相關(guān)分子模式(pathogen associated molecular pattern，PAMP)和危險(xiǎn)相關(guān)分子模式(damage associated molecular pattern，DAMP)而被激活[3]。NLRP3炎癥小體是核苷酸結(jié)合和寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體(nucleotide binding and oligomerization domain like receptors，NLRs)家族中的一種蛋白復(fù)合體，在小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元、內(nèi)皮細(xì)胞等細(xì)胞中多樣性表達(dá)，其在缺血性腦卒中、AD、TBI、腦瘤等多種疾病的發(fā)病機(jī)制中起重要作用[4]。

1 NLRP3炎癥小體的分子結(jié)構(gòu)

目前，NLRP3炎癥小體是在神經(jīng)血管疾病領(lǐng)域研究最多的炎癥小體，而其參與的神經(jīng)血管疾病過程通常與IL-1β的成熟與分泌有關(guān)。NLRP3(也稱為cryopyrin和NALP3)是最具特征性的炎癥小體，其主要由NLRP3、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis associated speckle-like protein containing CARD，ASC)及pro-caspase1組成(圖1)。NLRP3 主要包含3 部分： C 端的亮氨酸重復(fù)序列(leucine-rich-repeat domain，LRR)，其作用是識別微生物及內(nèi)源性危險(xiǎn)信號；中段是特征性的核苷酸寡聚化結(jié)構(gòu)域(nucleoside triphosphatase domain，NACTH)，介導(dǎo)脫氧核苷三磷酸酶(deoxynucleoside triphosphate triphosphohydrolase,dNTPase)的活化以及NLR寡聚化并形成炎癥小體的核心結(jié)構(gòu)；N 端的效應(yīng)結(jié)構(gòu)域，主要包括熱蛋白結(jié)構(gòu)域(pyrin domain，PYD)、胱天蛋白酶募集結(jié)構(gòu)域(caspase recruitment domain，CARD)及桿狀病毒凋亡抑制重復(fù)結(jié)構(gòu)域(baculovirus inhibitor of apoptosis repeat domain，BIR)等，參與信號傳導(dǎo)過程[5]。

2 NLRP3炎癥小體的激活

目前普遍接受的NLRP3炎癥小體激活模型分為兩步(圖2)：第一步啟動和第二步激活。

2.1第一步啟動 在靜息狀態(tài)下，除了ASC、IL-18以外，NLRP3和IL-1β在細(xì)胞中表達(dá)量處于極低水平，不能用于組裝或活化NLRP3炎癥小體，需要激活的 NF-κB 轉(zhuǎn)錄出 NLRP3 mRNA[6],再進(jìn)行翻譯及翻譯后修飾等,此過程為 NLRP3 priming。此外，NLRP3的基礎(chǔ)水平可以保持在不活躍但有應(yīng)答的泛素化狀態(tài)，并通過泛素連接酶相關(guān)蛋白(suppressor of G2 allele of skpl，SGT1)和熱休克蛋白90(heat shork protein 90 kD，HSP90)隔離。因此，在NLRP3能夠與其他炎癥小體成分結(jié)合并進(jìn)行低聚之前，啟動的第一步是增加NLRP3和pro-IL-1b蛋白水平，或者是對現(xiàn)有NLRP3水平進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后修飾，調(diào)控NF-κB 活性的分子可以間接影響NLRP3 priming[7]。

圖1 NLRP3炎癥小體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of NLRP3 inflammasome

圖2 NLRP3炎癥小體的激活模型Fig.2 Models of NLRP3 inflammasome activation

2.2第二步激活 由于不同的NLRP3炎癥小體激活劑的性質(zhì)不同，所以炎癥小體激活所涉及的不同方面或特定途徑很難達(dá)成一致意見，但是目前對于不同的信號事件和相關(guān)的亞細(xì)胞細(xì)胞器作為直接參與炎癥小體激活的途徑普遍認(rèn)為主要包括以下幾個方面：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[8]、溶酶體破裂和自噬、鉀離子外排(K+)、線粒體、氧化應(yīng)激。

2.2.1內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的發(fā)生是由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未折疊蛋白積累增加或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Ca2+穩(wěn)定性紊亂造成的。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能導(dǎo)致對未折疊蛋白質(zhì)反應(yīng)(unfolded protein response，UPR)[9]的刺激，這可能導(dǎo)致適當(dāng)?shù)男迯?fù)/生存反應(yīng)，或者如果達(dá)到極端細(xì)胞應(yīng)激水平或極端的UPR，則會對細(xì)胞產(chǎn)生不利影響。最初，發(fā)現(xiàn)多個內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激物誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體活化，獨(dú)立于典型的UPR啟動子(PERK，IRE1α和ATF6)蛋白[9]。然而，最近的兩項(xiàng)研究表明TXNIP是ER應(yīng)激誘導(dǎo)的NLRP3炎癥小體激活的關(guān)鍵介質(zhì)[10]。

2.2.2溶酶體破裂和自噬 尿酸晶體、明礬、石棉等炎癥小體激活劑可誘導(dǎo)吞噬作用。因此，NLRP3炎癥小體激活可以通過其誘導(dǎo)的吞噬體或溶酶體的不穩(wěn)定化和其內(nèi)容物的釋放而發(fā)生。關(guān)于溶酶體破裂和其內(nèi)容物釋放到胞質(zhì)溶膠中如何觸發(fā)NLRP3炎癥小體激活的確切信號細(xì)節(jié)仍不完全清楚。一些報(bào)道表明用二氧化硅或明礬處理后釋放的溶酶體蛋白酶組織蛋白酶B阻止NLRP3炎癥小體激活。盡管如此，也有人表示其對組織蛋白酶B缺陷小鼠炎癥小體激活沒有影響[8,11]。因此，組織蛋白酶B是否可以作用于主要炎癥小體激活事件(如氧化應(yīng)激)的上游，仍有待解釋。

2.2.3K+外排 胞外的ATP 或成孔毒素(如尼日利亞菌素)可通過P2X7嘌呤受體(P2X purinergic receptor 7，P2X7)誘導(dǎo)K+流出，導(dǎo)致NLRP3炎癥小體激活。此外，ATP刺激也會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平的增加。ATP刺激可以激活磷酸脂肪酶C(PLC)/肌醇三磷酸途徑，使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)快速釋放Ca2+達(dá)到最大的胞內(nèi)Ca2+存儲量，而升高的Ca2+水平也可以通過刺激內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和釋放線粒體活性氧(mROS)或線粒體DNA(mDNA)來促進(jìn)NLRP3炎癥小體激活[12]。

2.2.4線粒體 線粒體被認(rèn)為是NLRP3炎癥小體激活的中心參與者。最近的研究發(fā)現(xiàn),瞬時(shí)感受器M2型通道(transient receptor potential cation channel subfamily M member 2，TRPM2)介導(dǎo)Ca2+內(nèi)流，誘導(dǎo)mROS的產(chǎn)生從而激活NLRP3[13]。此外，NLRP3炎癥小體激活包括將NLRP3和ASC銜接蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和胞質(zhì)空間重新分布到核周間隙、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體中[14]。該過程中NLRP3炎癥小體的激活與線粒體抗病毒信號蛋白(mitochondrial antiviral signaling protein，MAVS)有直接關(guān)聯(lián)，并且mROS的增加取決于線粒體外膜中電壓依賴性陰離子通道(voltage-dependent anion channel，VDAC)同種型1和3的狀態(tài)[15]。此外，NLRP3與線粒體融合素蛋白-2(mitofusin2，Mfn2)的相互作用是NLRP3炎癥小體在RNA病毒感染過程中激活所必需的[16]。NLRP3和線粒體內(nèi)膜特異性的脂質(zhì)之間存在直接關(guān)聯(lián)，在NLRP3炎癥小體激活中觀察到心磷脂抑制炎癥小體激活和NLRP3定位至線粒體。然而，這是否涉及心磷脂或NLRP3從內(nèi)部線粒體膜向外部線粒體膜的移位(反之亦然)尚不清楚[17,18]。

2.2.5氧化應(yīng)激(oxidative stress，OS) OS是體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡，導(dǎo)致中性粒細(xì)胞炎性浸潤、蛋白酶分泌增加、產(chǎn)生大量氧化中間產(chǎn)物[19]。有研究表明提高ROS生成是NLRP3炎癥小體激活所必需的信號組分，ROS的增加也可能導(dǎo)致硫氧還蛋白互作蛋白(thioredoxin-interacting protein，TXNIP)從硫氧還蛋白[(thioredox，TRX)一種常見的抗氧化蛋白防御系統(tǒng)]中解離出來，與NLRP3 相互作用,促進(jìn)NLRP3 活化[12]。有多種亞細(xì)胞來源可增加活性氧的產(chǎn)生，包括NADPH氧化酶、mROS、黃嘌呤氧化酶、過氧化物酶氧化酶等。其中，NADPH氧化酶和mROS是NLRP3炎癥小體激活中研究最多的ROS來源[20]。

3 NLRP3炎癥小體在神經(jīng)血管疾病中的作用

3.1缺血性卒中NLRP3炎癥小體的作用 腦卒中是一種復(fù)雜的全身性疾病，在世界范圍內(nèi)造成高死亡率和高致殘率。近年來，越來越多的證據(jù)表明先天免疫系統(tǒng)的炎癥機(jī)制可能導(dǎo)致腦缺血期間神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的死亡[21]。NLRP3炎癥小體已被證實(shí)在檢測細(xì)胞損傷和介導(dǎo)組織損傷炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。因此，靶向NLRP3炎癥小體信號的上下游通路可能是治療中風(fēng)的潛在靶點(diǎn)。最新研究表明在局灶大鼠缺血模型中，NLRP3炎癥小體在腦損傷發(fā)生后不久首先在小膠質(zhì)細(xì)胞中被激活，隨后在神經(jīng)元和微血管內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)，但主要在神經(jīng)元中表達(dá)，通過藥物抑制NLRP3、IL-1β蛋白水平的降低，有效緩解腦損傷的程度[22]。在小鼠局灶性缺血性腦卒中模型中，靜脈注射免疫球蛋白(丙種球蛋白)，可以顯著降低NLRP3、IL-1β和IL-18的水平從而達(dá)到保護(hù)神經(jīng)元的效果[23]。此外，也有針對炎癥小體元件NLRPs、ASC和caspase-1的研究。研究表明在局灶大鼠缺血模型中，雌激素和黃體酮可以在蛋白水平上調(diào)節(jié)ASC和NLRP3，并降低瞬時(shí)炎癥小體組分的表達(dá)[24]。近年來，針對TXNIP/NLRP3炎癥小體激活的研究也成為熱點(diǎn)，研究表明傘形菌素通過抑制TXNIP/NLRP3炎癥小體激活抑制炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生[25]；姜黃素通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制TXNIP/NLRP3炎癥小體激活，從而保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞在缺血損傷后免受谷氨酸神經(jīng)毒性的影響[26]。

3.2AD中NLRP3炎癥小體的作用 AD是一種慢性、進(jìn)行性和不可逆的神經(jīng)變性疾病[26]，其特征是認(rèn)知功能的惡化、β-淀粉樣肽斑塊的形成、神經(jīng)纖維纏結(jié)和膽堿能神經(jīng)元的退化。雖然近年來的病理生理機(jī)制還不完全清楚，但最近的一些研究證實(shí)NLRP3炎癥小體在AD的發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵性的作用[27]。IL-1β是AD固有免疫應(yīng)答的關(guān)鍵因子，IL-1β的表達(dá)在AD患者腦和血漿中均有增加[28]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明阻斷IL-1β信號通路可減輕AD小鼠模型的認(rèn)知損害[29]。從小膠質(zhì)細(xì)胞中釋放的IL-1β也可以增加負(fù)責(zé)淀粉樣前體蛋白處理酶的活性，最終導(dǎo)致淀粉樣蛋白進(jìn)一步沉積[30]。早期的研究表明了β-淀粉樣蛋白沉積周圍，小膠質(zhì)細(xì)胞中IL-1β的高表達(dá)[31]，而Halle等[31]的研究首次證明β-淀粉樣蛋白在體內(nèi)和體外的小膠質(zhì)細(xì)胞中激活NLRP3炎癥小體的形成。最新的研究表明，選擇性自噬與炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)有關(guān)，且可通過NLRP3降解調(diào)節(jié)IL-1β和IL-18的產(chǎn)生從而影響小膠質(zhì)細(xì)胞活化[32]?？傊?，這些研究表明了NLRP3炎癥小體在AD發(fā)病機(jī)制中的可能作用。靶向炎癥小體信號通路的分子組分似乎是神經(jīng)保護(hù)和AD治療干預(yù)的一個有吸引力的策略。

3.3外傷性腦損傷(TBI)中NLRP3炎癥小體的作用 雖然外傷性腦損傷(TBI)后的繼發(fā)性腦損傷的確切機(jī)制復(fù)雜且知之甚少，但許多研究表明炎癥反應(yīng)可能是TBI發(fā)病機(jī)制中的突出特征[33]。巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞侵入到損傷區(qū)，產(chǎn)生大量的炎癥因子和水腫與腦損傷有關(guān)。在TBI模型中IL-1β和IL-18表達(dá)明顯增加[34]。最近的一項(xiàng)研究表明，TBI可以誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體的組裝、ASC的表達(dá)、caspase-1的活化以及IL-1β和IL-18的成熟與釋放，NLRP3炎癥小體可能是TBI患者有希望的治療靶點(diǎn)[35]。此外，最近的臨床研究發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)重或中度顱腦創(chuàng)傷患者腦脊液中炎癥蛋白ASC、caspase-1和NALP1水平升高，這也提示NLRP1炎癥蛋白可以作為評估TBI的潛在臨床生物標(biāo)志物[35,36]。最近一項(xiàng)研究表明，NLRP3炎癥小體抑制劑MCC950(一種有效的具有選擇性的小分子)在TBI小鼠模型中對炎癥性腦損傷和神經(jīng)系統(tǒng)具有一定的影響。MCC950對TBI的治療窗長達(dá)6 h，且MCC950的神經(jīng)保護(hù)作用與小膠質(zhì)細(xì)胞活化減少、白細(xì)胞募集減少、促炎細(xì)胞因子生成減少有關(guān)。MCC950減輕了TBI誘導(dǎo)的緊密連接蛋白的損失，并減少了細(xì)胞的死亡。這些結(jié)果表明，小膠質(zhì)細(xì)胞中的NLRP3炎癥小體可能主要參與TBI的炎癥反應(yīng)，使用MCC950特異性抑制NLRP3炎癥小體可能是治療TBI的一種有前途的方法[37]。以上研究表明NLRP1炎癥小體和NLRP3炎癥小體是TBI發(fā)生后中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng)的重要組成部分，可能是減輕創(chuàng)傷后腦炎癥損傷的新的治療靶點(diǎn)。

3.4腦瘤中NLRP3炎癥小體的作用 惡性膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的原發(fā)性腦腫瘤，越來越多的證據(jù)表明先天免疫和慢性炎癥在癌變和腫瘤進(jìn)展中起關(guān)鍵作用[38]。近年來，NLRP3炎癥小體在癌變和腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用已被證實(shí)。許多內(nèi)源性或外源性的刺激可作為腫瘤的啟動因子激活NLRP3炎癥小體，從而活化caspase-1，使得IL-1β和IL-18水平升高[39]。研究表明NLRP3炎癥小體在多型性神經(jīng)膠母細(xì)胞瘤(glioblastoma multiforme，GBM)細(xì)胞中具有活性[40]。NLRP3炎癥小體可以被不同類型細(xì)胞中的不同信號所激活，NLRP3炎癥小體可以在大腦內(nèi)皮細(xì)胞中被激活，這可能是血腦屏障在神經(jīng)免疫和神經(jīng)炎癥過程中一種尚未被探索的作用[41]。此外，在小鼠成膠質(zhì)細(xì)胞瘤模型中證明抑制NLRP3可以減少腫瘤生長，延長小鼠輻射治療后的生存期，進(jìn)一步說明NLRP3炎癥小體在腦老化與膠質(zhì)瘤的發(fā)展中起重要作用[42]。然而，NLRP3炎癥小體在腦瘤進(jìn)展過程中的潛在機(jī)制尚不完全清楚，需要更多的研究來了解炎癥小體的特性和其在腦癌的治療潛力。

4 總結(jié)與未來展望

綜上所述，大量研究證實(shí)了NLRP1和NLRP3炎癥小體在中樞神經(jīng)細(xì)胞死亡和神經(jīng)血管疾病包括中風(fēng)、AD和TBI疾病行為缺陷中所起的核心作用。在對NLRP3炎癥小體的研究中，應(yīng)將NLRP3炎癥小體分子機(jī)制的理解與NLRP3炎癥小體確切分子結(jié)構(gòu)的信息相結(jié)合。進(jìn)一步分析這些負(fù)調(diào)控因子和信號，最終有助于我們對NLRP3炎癥小體激活進(jìn)行治療，并開發(fā)更好的治療方法來預(yù)防與NLRP3炎癥小體相關(guān)的炎性疾病，這對于NLRP3炎癥小體作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的一種新的治療策略非常重要。