炎性小體在炎癥性疾病中的研究進展

韓明偉，馬瑞雪，劉梓諭，侯詩源，呂云華，吳興安，劉蓉蓉

炎癥反應是機體在應對各種有害刺激時產(chǎn)生的一種保護性免疫反應，這一過程受到宿主的嚴密調控。較弱的炎癥反應能夠導致病原體的持續(xù)感染，而過度的炎癥反應卻能造成慢性或全身系統(tǒng)性炎癥性疾病[1]。炎性小體的激活在炎癥性疾病的發(fā)生發(fā)展中具有關鍵的作用，最新的研究極大地促進了我們對炎性小體的認識[2]。炎性小體是機體在感受病原體相關分子模式(Pathogen-associated Molecular Patterns，PAMP)或損傷相關分子模式(Damage-associated Molecular Patterns，DAMP)刺激后形成的一種多蛋白復合物，一般含有凋亡相關斑點樣蛋白(Apoptosis-associated Speck-like Protein Containing a CARD，ASC)、caspase蛋白酶及一種NOD樣受體(NOD-like receptor，NLR)家族蛋白(如NLRP3)或HIN200家族蛋白(如AIM2)[3]。炎性小體與多種自身炎癥性及自身免疫性疾病的發(fā)生有關，包括神經(jīng)內分泌性疾病及代謝性疾病等。模式識別受體(Pattern Recognition Receptors,PRRs)家族的部分成員是炎性小體復合物的重要組成成分，通過感受特定的刺激，相關的NLR或AIM2就能寡聚體化成為Caspase-1活化的支架結構?；罨腃aspase-1將前炎癥細胞因子轉變?yōu)榫哂猩锘钚缘腎L-1β和IL-18，結果導致細胞的程序性死亡，這也是細胞炎癥性死亡一種類型[4-5]。本文將對炎性小體相關研究進展作一綜述。

1 炎性小體的激活

1.1 NLRP3炎性小體 NLRP3炎性小體激活的刺激因素來源最為廣泛[6]，目前多數(shù)研究認為其激活機制包括細胞內鉀離子的外流、線粒體活性氧的生成、NLRP3的線粒體易位、線粒體DNA或磷脂的釋放、以及在溶酶體裂解后組織蛋白酶的釋放進入細胞質等[7]。然而這些并不均由NLRP3的刺激因素誘導產(chǎn)生，因此NLRP3激活的確切機制仍然具有爭議。NLRP3激活的典型例子為脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)結合于Toll-樣受體4(Toll-Like Receptor 4，TLR4)[8]，這一過程通過誘導NLRP3去泛素化，并迅速導致小鼠NLRP3炎性小體的激活，且抑制去泛素化作用也能抑制人體NLRP3的激活[9]。誘導過程一旦啟動，NLRP3就能對相應刺激因素做出反應，然后聚集形成NLRP3炎性小體。目前認為NLRP3的刺激物包括ATP、成孔毒素、結晶物質、核酸、真菌、細菌或病毒病原體，它們均能誘導NLRP3炎性小體的形成[10]。這些刺激物可在機體感染過程中形成，也可以在沒有感染的情況下，由機體促進生成，如炎癥膽固醇結晶的形成，在后文中將會詳細討論[11]。

1.2 NLRC4炎性小體 NLRC4的激活劑主要為細菌鞭毛蛋白及Ⅲ型分泌系統(tǒng)(Type Ⅲ Secretion System，T3SS)蛋白。NLR凋亡抑制蛋白(NLR Family of Apoptosis Inhibitory Proteins，NAIP)可以作為多種細菌蛋白配體的特定胞質受體，人NAIP基因及其同源基因鼠Naip基因及其兩者編碼的蛋白在固有免疫中都起著至關重要的作用。小鼠Naip基因家族分子中的Naip5、Naip6通過識別鞭毛蛋白介導NLRC4炎癥小體的激活，而Naip1及Naip2分別通過T3SS針狀蛋白分子和桿狀蛋白分子介導NLRC4炎癥小體的激活[12]。

目前在人體中只有一種NAIP蛋白已有研究報道，其只結合于T3SS扣針蛋白，表明人類細胞中NLRC4炎性小體比NLRP3炎性小體的功能更為有限[12]。NAIP蛋白一旦與其配體結合，就能寡聚化NLRC4并形成NAIP/NLRC4炎性小體，但NAIP/NLRC4炎性小體在固有免疫系統(tǒng)中的功能并不穩(wěn)定,一方面，NAIP/NLRC4激活為機體提供了一個強大的早期檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能快速啟動并響應以消除細菌的入侵；另一方面，不恰當?shù)腘LRC4激活可能導致潛在的嚴重自身免疫性疾病。因此，進一步了解細菌配體結合NAIP從而激活炎性小體的機制，并使NAIP/NLRC4在機體主動防御中發(fā)揮作用是未來研究的重點。

1.3 AIM2炎性小體 非NLR家族的AIM2也能形成包含Caspase-1的炎性小體。通過募集ASC(含有CARD的細胞凋亡相關斑點蛋白)和Caspase-1形成AIM2炎性小體，從而激活Caspase-1，并通過促進細胞因子成熟和細胞死亡引發(fā)炎癥反應[13]。在機體保持穩(wěn)態(tài)的情況下，AIM2分子內中的PYD和HIN結構域保持著自抑構象，并通過dsDNA與HIN的結合而解除，從而使PYD結構域游離出來并與ASC復合體相互作用[14]。然而，AIM2似乎并不能識別dsDNA的特定序列或結構，而是與至少80個堿基對的DNA鏈相結合使炎性小體的激活作用達到最佳[13]。目前關于AIM2炎性小體激活和調節(jié)的過程及機制仍是研究的熱點。

2 炎癥性疾病中炎性小體的功能和作用

越來越多的研究認識到炎癥相關成分對神經(jīng)系統(tǒng)疾病和代謝性疾病的進展具有顯著的促進作用[15]，與此類疾病所伴隨的錯誤折疊蛋白聚集以及某些代謝產(chǎn)物異常累積均屬于內源性DAMPs，且均已被證實為NLRP3炎性小體的直接激活劑，這些激活劑在此類疾病的起始及進展中均發(fā)揮著非常重要的作用[4,14]。

2.1 阿爾茲海默癥 腦內β淀粉樣蛋白沉積形成斑塊是阿爾茲海默癥(Alzheimer′s Disease，AD)的特征性改變[16]。研究表明β淀粉樣蛋白能激活小鼠的NLRP3炎性小體，導致IL-1β產(chǎn)生。纖維性β淀粉樣蛋白通過依賴小鼠巨噬細胞釋放組織蛋白酶B，誘導形成依賴于NLRP3炎性小體的Caspase-1的激活[17]。值得注意的是，在AD小鼠模型中應用組織蛋白酶B抑制劑能顯著減少腦中淀粉樣斑塊的負荷并改善記憶障礙，提示這可能是一種潛在的通過靶向炎性小體的治療方法[18]。另一項重要研究進一步表明，細胞表面受體CD36介導了可溶性β淀粉樣蛋白的內化作用，并逐步轉化為β淀粉樣蛋白，并激活NLRP3炎性小體[19]。

NLRP3炎性小體和AD的進展之間存在直接關系，這已經(jīng)在NLRP3及Caspase-1缺陷的APP/PS1小鼠(β淀粉樣蛋白緩慢沉積的轉基因小鼠)中被證實[18]。這類小鼠能顯著緩解與AD相關的病理改變，包括β淀粉樣蛋白分泌的減少、神經(jīng)炎癥及認知障礙的減弱等[20]。近期的研究也指出，通過與NLRC4炎性小體結合而增加IL-1β，Caspase-1和磷酸化tau蛋白的產(chǎn)生，可能與AD的病理改變和記憶障礙有關，因此針對NLRC4炎性小體的靶向治療策略可能對AD的治療有益[21]。近期的研究通過分析額顳葉阿爾茲海默癥患者的腦皮質樣本，發(fā)現(xiàn)其Caspase-1的裂解增多，同時伴有ASC及IL-1β水平的上升，均提示有炎性小體的激活[22]。另外通過對AD和輕度認知障礙(Mild Cognitive Impairment，MCI)患者的炎性小體復合物基因和蛋白表達的深度分析，結果顯示兩種不同的炎性小體NLRP3和NLRP1在AD患者中被激活，但在MCI患者中未發(fā)生激活，提示炎性小體的激活與疾病嚴重程度之間存在關聯(lián)[23]。另外有報道指出，在AD患者的大腦中活化的Caspase-1的表達增強，進一步證實在炎性小體的激活與人類AD發(fā)生發(fā)展間存在關聯(lián)[24]?？傊?，體內外的研究表明NLRP3炎性小體在AD的發(fā)病機理中有著重要作用，同時對于體內NLRP3-Caspase-1信號通路軸的研究也是治療AD的一個潛在的靶點。

2.2 帕金森病 帕金森病(Parkinson′s Disease，PD)的特征性病理改變包括黑質中多巴胺生成細胞死亡以及在神經(jīng)元中出現(xiàn)特定內含物的聚集，主要由α突觸核蛋白(alpha-Synuclein，αSyn)組成[25]。細胞內的αSyn能夠通過多種機制被釋放到細胞外，細胞外的αSyn可以激活原代小膠質細胞和星型膠質細胞，誘導細胞因子IL-1β的產(chǎn)生[26]。在大鼠PD模型中，使用腺病毒在其大腦黑質區(qū)導入外源性IL-1β，結果表現(xiàn)出多巴胺神經(jīng)元死亡以及PD進展的現(xiàn)象[27]。最近發(fā)現(xiàn)纖維αSyn及單體αSyn均能通過人原發(fā)性單核細胞TLR2信號通路引起前體IL-1β的表達，但只有纖維αSyn能通過誘導Caspase-1的激活和成熟IL-1β的產(chǎn)生來完全激活炎性小體[11]。

使用神經(jīng)毒素1-甲基-4苯基-1,2,3,6,-四氫吡啶(MPTP)處理小鼠從而誘導黑質多巴胺能神經(jīng)元丟失而誘導產(chǎn)生的小鼠PD模型，證明NRRP3小鼠對于PD的發(fā)生有抵抗作用，這為NLRP3炎性小體與PD之間存在某種聯(lián)系提供了在體實驗證據(jù)[27]。此外來源于患者樣本研究結果也證實了這一點，PD患者血清中IL-1β和NLRP3水平顯著升高[28]。αSyn的聚集能作為內源性危險信號從而被小膠質細胞識別，并激活NLRP3炎性小體誘導細胞凋亡。隨后NLRP3募集并激活Caspase-1并促進IL-1β的成熟和分泌，分泌至細胞外的IL-1β通過引發(fā)炎癥反應進一步損害多巴胺能神經(jīng)元[29]?？傊?，目前認為巴胺生成細胞及NLRP3炎性小體能通過雙向作用互相調節(jié)，因為炎性小體能損傷這些神經(jīng)元，同時來源于這些神經(jīng)元的多巴胺能夠抑制NLRP3的功能。

2.3 動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化(Atherosclerosis，AS)是一種由于脂質代謝不平衡而導致動脈血管逐漸狹窄的慢性疾病[30]。長期以來基于小鼠模型的研究表明，IL-18可能在AS的起始及進展中發(fā)揮著至關重要的作用。相比于未發(fā)病的動脈血管，動脈粥樣硬化斑塊附近的IL-18和IL-18受體濃度均升高[22]。載脂蛋白E(Apolipoprotein E，ApoE)對于膽固醇的正常生理代謝十分重要。ApoE缺陷的小鼠會自發(fā)地形成AS病變，而且在這類小鼠中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，IL-18水平升高會導致血管炎癥并增加動脈硬化斑塊的不穩(wěn)定性，但IL-18缺陷小鼠可以使動脈粥樣硬化病變體積減小。

在體內實驗中，給小鼠腹腔注射膽固醇結晶誘導產(chǎn)生了急性炎癥反應，并且這一反應在組織蛋白酶B、組織蛋白酶L等NLRP3炎性小體成分缺乏的小鼠中發(fā)生衰減[11]。在這一模型中，通過激活NLRP3炎性小體釋放出IL-1β，同時IL-1β又反過來促進粥樣斑塊破裂[23]。NLRP3炎性小體主要在人頸動脈粥樣硬化斑塊內的巨噬細胞和泡沫細胞中表達。相比于正常對照，來自于人AS樣本斑塊中IL-18及IL-1β高表達，并且與疾病嚴重程度呈正相關。關于IL-18及IL-1β對動脈粥樣硬化形成的作用有待進一步的研究。

2.4 2型糖尿病 2型糖尿病(Type 2 Diabetes Mellitus，T2DM)是威脅全球公眾健康的主要因素之一。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，IL-1β能通過促進胰島素抵抗作用，導致胰島β細胞功能損害與細胞凋亡[31]。在細胞培養(yǎng)中，IL-1β通過誘導胰島素受體底物-1產(chǎn)生JNK依賴的絲氨酸磷酸化，抑制胰島素的敏感性，導致胰島素靶向細胞中胰島素誘導的PI3K-Akt信號通路的中斷[11,31]。同時，IL-1β可以誘導TNF-α的表達，TNF-α可以獨立破壞胰島素的信號轉導。此外，臨床試驗報道IL-1受體的拮抗劑(IL-1RA)或者抗IL-1β的中和抗體能夠改善患者血糖控制水平及β細胞功能[32]。有研究對232例葡萄糖調節(jié)受損(Impaired Glucose Regulation，IGR)及T2DM患者的血清樣本進行研究，結果顯示與正常對照相比，IGR或者T2DM患者的血清IL-18水平顯著升高。研究數(shù)據(jù)還顯示通過阻斷IL-1β能減緩T2D患者的疲勞[32]。不過應當用納入更多患者樣本的實驗來進一步證實這一觀點，即在T2D患者中可以應用靶向IL-1β的治療方法。此外，最近的研究還發(fā)現(xiàn)，用抑制劑阻滯大麻素1型受體(Cannabinoid-1 Receptor，CB1R)能延遲T2DM在Zucker糖尿病肥胖大鼠中的進展，表明CB1R也是T2DM治療的一個潛在的靶點[33]。

3 靶向炎性小體的治療方法

研究靶向抑制炎性小體激活的小分子化合物為多種炎癥性及代謝性疾病的治療提供了更加廣闊的前景。小分子抑制劑格列本脲常用于治療T2DM，它是第一種被鑒定出能抑制NLRP3的化合物[34]。盡管已知格列本脲是在P2X7受體的下游以及NLRP3的上游發(fā)揮作用，但其發(fā)揮作用的機制仍然沒有闡明[34]。最近發(fā)現(xiàn)的一組NLRP3的抑制劑能夠靶向作用于P2X7信號通路，其屬于核苷類逆轉錄酶抑制劑(Nucleoside Reverse Transcriptase Inhibitors，NRTIs)，主要用于阻止逆轉錄病毒的復制[28]。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在動物模型中NRTIs能有效對抗數(shù)種炎癥性及自身免疫性疾病[28]。最新的研究證明非甾體類抗炎藥，例如氟芬那酸和甲芬那酸能夠抑制NLRP3炎性小體的激活，并且證實其在AD動物模型中展示出神經(jīng)保護的作用。因此，該類藥物也可能是PD患者的潛在治療藥物。在LPS和6-羥多巴胺誘導的PD模型中，可以通過使用Caspase-1抑制劑抑制NLRP3/Caspase-1/IL-1β軸的活性從而保護多巴胺能神經(jīng)元。

其他個別靶向作用于NLRP1、NLRC4或AIM2的小分子抑制物也已經(jīng)有在體及離體實驗研究，不過它們在體內的療效仍待進一步進行評估。研究表明二肽基肽酶9能抑制人NLRP1炎性小體的形成，并且這一過程需要CARD8的參與。NLRC4炎性小體的過度激活可以導致嬰兒巨噬細胞活化綜合征(Macrophage Activation Syndrome，MAS)以及血清中IL-18水平的顯著增高，有研究針對難治性MAS患者給予實驗性IL-18抑制劑治療，結果顯示患者的病情持續(xù)性改善。對于AIM2炎性小體，目前發(fā)現(xiàn)在人巨細胞病毒感染過程中所釋放的病毒蛋白pUL83能與AIM2相互作用，從而抑制AIM2的激活。同樣，單純皰疹病毒1型的包膜蛋白VP22能抑制AIM2炎性小體的寡聚化，阻礙AIM2的活化，然而這些實驗研究結果運用到臨床治療仍然有很長的路要走。

另一篇研究發(fā)現(xiàn)化合物MCC950是一種高度選擇性NLRP3炎性小體抑制劑。MCC950能在納摩爾濃度下同時阻斷經(jīng)典及非經(jīng)典NLRP3依賴的炎性小體的激活，但其對NLRC4、NLRP1及AIM2炎性小體沒有作用[29]。在體內實驗中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)MCC950能夠減少IL-1β的產(chǎn)生，同時降低AD動物模型疾病的嚴重程度，進一步證實了前文所討論的AD的加重與NLRP3炎性小體的作用密切相關[20]。盡管MCC950對NLRP3抑制作用的機制還沒有完全了解，但許多針對MCC950在體及離體的藥物代謝動力學的評估已經(jīng)開始實施，展示出其在治療方面的顯著作用[35]。另有研究指出Ⅰ型干擾素能抑制炎性小體的激活作用，但具體機制還不清楚[11]。研究表明，IFN刺激基因的產(chǎn)物膽固醇25α-羥化酶(Ch25h)，能同時抑制IL-1β、NLRP3、NLRC4及AIM2炎性小體的激活，表明Ch25h對于不同的炎性小體均有廣泛的抑制活性[36]。更為重要的是，Ch25h的底物25-羥基膽固醇能夠抑制NLRP3炎性小體的激活以及IL-1β的產(chǎn)生[37]。因此，開發(fā)靶向作用于炎性小體的治療方法為多種炎癥性疾病的有效治療提供了可能。

4 總結與展望

對于炎性小體激活方式以及與疾病關系的進一步認識也帶來了新的問題，如對翻譯修飾后的炎性小體成分靶向作用能否調節(jié)炎性小體的激活,更為重要的是，我們需要更好的認識炎性小體激活帶來的利和弊之間的平衡性。迄今為止，靶向NLRP3炎性小體的研究已經(jīng)取得了一定的進展。已經(jīng)證明一些外源性化合物可以通過不同的機制抑制炎性小體的激活，然而其靶向治療的效果仍然比較有限。針對其他炎性小體的靶向抑制劑正在研究當中，未來對于多種炎性小體的聯(lián)合作用可能是重要的研究方向。隨著對于炎性小體激活以及疾病發(fā)病機制認識的逐漸加深，探尋炎癥性疾病新型靶向治療方法也將逐步加強。