NLRP3 炎癥小體在KOA 發(fā)病機(jī)制中的作用研究

廖太陽,王培民,張農(nóng)山,吳 鵬,丁 亮?

(1.江蘇省中醫(yī)院,南京 210029;2.南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,南京 210029)

膝骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis,KOA)作為老年人常見的關(guān)節(jié)退行性疾病,衰老,勞損和外傷等復(fù)雜的因素都會影響滑膜和軟骨從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)破壞和臨床一系列癥狀。 最近一項(xiàng)研究表明美國就有1400 萬人患有膝骨關(guān)節(jié)炎,值得注意的是,超過一半患者年齡在65 歲以下且女性比男性更易好發(fā)膝骨關(guān)節(jié)炎[1]。 目前認(rèn)為KOA 屬于全關(guān)節(jié)疾病,其病理過程包括軟骨的進(jìn)行性丟失和破壞、軟骨下骨硬化、骨贅形成、不同程度的滑膜炎癥、韌帶和半月板退變及整個關(guān)節(jié)囊的退變,臨床常見關(guān)節(jié)刺痛、短暫的晨僵、活動障礙,發(fā)展為終末期的殘疾不得不關(guān)節(jié)置換[2]。 盡管目前KOA 的發(fā)病機(jī)制尚未闡明,但是控制炎癥已成為目前治療KOA 的有效策略[3]。近些年來研究報道了NLRP3 炎癥小體(nucleotidebinding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)參與OA 的發(fā)病過程,如Toll 樣受體(tolllike receptor,Toll)及核因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)通路導(dǎo)致軟骨退變和滑膜炎癥。 本文將最新關(guān)于NLRP3 炎癥小體與KOA 關(guān)系的研究作一系統(tǒng)綜述,深入探尋KOA 炎癥發(fā)病機(jī)制,進(jìn)一步完善KOA 病理機(jī)制。

1 NLRP3 炎癥小體信號通路

1.1 概述

NLRP3 炎癥小體首先被Martinon 等[4]描述為經(jīng)半胱氨酸蛋白酶-1(cysteine proteinase-1,Caspase-1)加工和激活炎性細(xì)胞因子白介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)的一種大型多聚體蛋白復(fù)合物。 NLRP3由三個域組成:氨基末端吡啶結(jié)構(gòu)域(PYD),中央NACHT 結(jié)構(gòu)域和富含羧基末端亮氨酸的重復(fù)序列(LRR)。 研究認(rèn)為NACHT 中央結(jié)構(gòu)域具有ATP 結(jié)合活性促進(jìn)NLRP3 的寡聚化,LRR 結(jié)構(gòu)域則與NACHT 結(jié)構(gòu)域形成抑制性相互作用,PYD 結(jié)構(gòu)域允許NLRP3 與其他炎癥小體蛋白相互作用[5]。NLRP3 炎癥小體是焦亡中被研究的最為透徹的亞型,其它亞型包括黑素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2,AIM2)、NLRP1 等[6]。 NLRP3 在細(xì)胞質(zhì)中,模式識別受體(pattern recognition receptor,PRR)參與先天免疫主要通過識別病原相關(guān)分子模式(pathogen-related molecular patterns,PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(damage-related molecular patterns,DAMPs),進(jìn)而激活NLRP3[7]。 NLRP3 炎癥小體由NLRP3 炎癥體感受器蛋白、凋亡相關(guān)的斑點(diǎn)樣蛋白ASC(含一個氨基末端PYD 和一個羧基末端CARD)及Caspase-1 前體蛋白組成,并且在巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和脾臟中性粒細(xì)胞容易發(fā)生NLRP3活化。 NLRP3 炎癥小體通路屬于經(jīng)典炎癥小體焦亡途徑(Caspase-1 介導(dǎo))、除此之外還存在非經(jīng)典炎癥小體焦亡途徑(Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11介導(dǎo))及凋亡蛋白Caspase-3 介導(dǎo)的焦亡途徑。 在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)[8]、阿爾茲海默癥(Alzheimer’s disease,AD)[9]等疾病中已有眾多的研究表明NLRP3 是其疾病發(fā)生發(fā)展的潛在機(jī)制,但在KOA 中仍屬于新興領(lǐng)域,有待深入研究。

1.2 NLRP3 炎癥小體的分子機(jī)制

NLRP3 炎癥小體是機(jī)體重要的免疫保護(hù)機(jī)制,可防止細(xì)胞因子過多產(chǎn)生對組織的損害,保護(hù)機(jī)體免受微生物感染和內(nèi)源性危險信號的侵害,然而,失調(diào)和過度的炎癥反應(yīng)可以造成的組織損傷和炎癥被認(rèn)為是疾病發(fā)生的重要原因[10]。 NLRP3 炎癥小體的分子調(diào)節(jié)機(jī)制涉及翻譯后修飾(泛素化和磷酸化),蛋白激酶和自噬[11]。 如蛋白激酶R(protein kinase R,PKR)、NIMA 相關(guān)激酶7(nima associated kinase 7, Nek7) 等通過自身磷酸化來調(diào)節(jié)NLRP3[12]。 有學(xué)者認(rèn)為自噬通過活性氧(ROS)的調(diào)節(jié),降解炎癥體成分、pro-IL-1β 和功能障礙的線粒體防治NLRP3 的過度激活,被認(rèn)為發(fā)揮保護(hù)效應(yīng)[13]。 然而,也有學(xué)者觀察到促進(jìn)自噬可以抑制NLRP3 介導(dǎo)的炎癥反應(yīng),表明自噬可能促進(jìn)OA 進(jìn)程[14]。 已提出NLRP3 激活的兩個信號模型:第一步是在轉(zhuǎn)錄水平上啟動,其中TLRs 識別PAMPs 或DAMPs 以激活NF-κB 介導(dǎo)的信號傳導(dǎo),這增加了pro-IL-1b,pro-IL-18 和NLRP3 蛋白的產(chǎn)量。 第二步是激活信號,該信號啟動NLRP3 寡聚并導(dǎo)致NLRP3,ASC 和pro-Caspase-1 聚在一起形成炎癥小體。 隨后pro-Caspase-1 發(fā)生自我剪切活化為Caspase-1 p10、Caspase-1 p20,Caspase-1 被活化過后能將pro-IL-1β、 pro-IL-18 剪切為成熟的白介素-1β、白介素-18 大量釋放至胞外,募集更多的炎癥細(xì)胞(HMGB1、白三烯、前列腺素等)導(dǎo)致炎癥的級聯(lián)放大[15]。

除此之外,對于NLRP3 炎癥小體活化,已提出了幾種分子機(jī)制,包括鉀離子流出,鈣離子信號,溶酶體破壞,線粒體功能障礙,代謝產(chǎn)物和反高爾基體。 鉀離子流出在ATP、成孔毒素、晶體、顆粒等因素刺激導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鉀的水平降低,在NEK7 作用下直接結(jié)合活化NLRP3[16]。 鈣離子信號具有協(xié)調(diào)K+外流,阻斷的Ca2+流通將抑制NLRP3 炎癥小體的組件和活化[17]。 溶酶體破壞釋放組織蛋白酶B 直接結(jié)合NLRP3 炎癥小體,并促進(jìn)NLRP3 炎癥小體的活化[18]。 線粒體功能障礙和線粒體 ROS(mitochondrial ROS, mtROS) 和 線 粒 體 DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)的釋放是NLRP3 炎癥小體激活的另一個重要誘因,比如NLRP3 激活劑引起ROS 升高后, 硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin interacting protein,TXNIP)介導(dǎo)的氧化還原應(yīng)激激活NLRP3 炎癥小體[19]。 另一項(xiàng)研究表明高爾基體通過線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的蛋白激酶D 信號傳導(dǎo)參與NLRP3 激活[20]。 此外,幾種感染性微生物(結(jié)核分枝桿菌等)被證明可以激活NLRP3 炎癥小體[21]。 最近調(diào)查還發(fā)現(xiàn)抑制NLRP3炎癥小體可以預(yù)防和減緩衰老的過程[22],總之,NLRP3 炎癥小體是機(jī)體面對細(xì)菌,真菌和病毒感染的關(guān)鍵宿主免疫防御機(jī)制,隨著研究的深入,NLRP3炎癥小體將為許多疾病的治療提供更多思路。

2 NLRP3 炎癥小體與KOA

2.1 NLRP3 炎癥小體與軟骨退變

軟骨退變是與KOA 最常見的病理改變,軟骨細(xì)胞(軟骨中唯一的細(xì)胞類型)合成并包裹在細(xì)胞外基質(zhì)中。 在健康狀況下,軟骨細(xì)胞負(fù)責(zé)維持新的細(xì)胞外基質(zhì)的合成與去除舊軟骨組織之間的平衡。軟骨處在密閉環(huán)境之中,獲取營養(yǎng)和氧氣較為困難,因此作為一種高度敏感的細(xì)胞,外在刺激造成的機(jī)械損傷而引起的炎癥通常會激發(fā)它們的活化并減少軟骨細(xì)胞的數(shù)量,這直接導(dǎo)致軟骨細(xì)胞調(diào)節(jié)作用的失衡,軟骨細(xì)胞進(jìn)一步活化會促使促炎性介質(zhì)和基質(zhì)金屬蛋白酶的產(chǎn)生,造成軟骨不可逆的損傷及其它組織損害。 NLRP3 炎癥小體是組織損傷和修復(fù)的重要機(jī)制,深入研究背后的機(jī)制有望滿足受損軟骨組織修復(fù)的需要。

軟骨周圍的巨噬細(xì)胞在DAMPs 或者PAMPs 的影響下激活Caspase-1,釋放NLRP3 炎癥小體,軟骨表面釋放大量的白介素-1β、白介素-18,增加了軟骨細(xì)胞中促炎因子的釋放,炎癥因子的募集刺激軟骨細(xì)胞分泌引起軟骨分解代謝酶,如基質(zhì)金屬蛋白酶13(metalloprateinase-13,MMP13)和血小板結(jié)合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶-5(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs - 5,ADAMTS5)從而導(dǎo)致軟骨破壞[23]。 目前在KOA 領(lǐng)域中NLRP3 炎癥小體與軟骨的研究如下:

He 等[24]在研究較少的機(jī)械負(fù)荷與軟骨損傷的關(guān)系上發(fā)現(xiàn),較少的機(jī)械負(fù)荷通過減少NLRP3 炎癥小體的活化減輕了KOA 關(guān)節(jié)的軟骨破壞,軟骨下骨變化。 Yang 等[25]人利用生物信息學(xué)分析關(guān)節(jié)軟骨中與運(yùn)動相關(guān)的基因發(fā)現(xiàn)適度的機(jī)械刺激可以通過抑制TRAIL/NF-κB/NLRP3 通路來改善軟骨退變和軟骨細(xì)胞損傷。 Zu 等[26]在碘乙酸鈉處理的Wistar 大鼠KOA 的模型中發(fā)現(xiàn)淫羊藿苷通過抑制NLRP3 / Caspase-1 信號傳導(dǎo)途徑改善軟骨損傷從而減輕了KOA 的病理改變。 Xu 等[27]在小鼠半月板失穩(wěn)模型中發(fā)現(xiàn)MMP-13,NLRP3 表達(dá)升高,關(guān)節(jié)內(nèi)注射雷帕霉素可抑制NLRP3 活性并預(yù)防骨關(guān)節(jié)炎。 Gao 等[28]研究發(fā)現(xiàn)氯雷他定治療后減輕了SW1353 軟骨細(xì)胞中的氧化應(yīng)激,同時抑制了TXNIP 和NLRP3 炎癥小體復(fù)合物的表達(dá)。 Wang等[29]研究發(fā)現(xiàn)熊果酸通過NF-κB/ NLRP3 炎癥小體途徑可改善大鼠前交叉韌帶橫斷誘導(dǎo)的OA,改善軟骨退變。 綜上可以發(fā)現(xiàn),盡管這一兩年涌現(xiàn)出不少關(guān)于OA 軟骨與NLRP3 炎癥小體的研究,比如在機(jī)械應(yīng)力/刺激方面作用下軟骨與NLRP3 炎癥小體,不同KOA 模型軟骨損傷與NLRP3 炎癥小體關(guān)系,不同的治療方式通過NLRP3 炎癥小體或與其它作用途徑的串聯(lián)緩解軟骨損傷,甚至與微小RNA、氧化應(yīng)激、外泌體、衰老、自噬等聯(lián)系起來,盡管大多研究停留在表面,但可以預(yù)料隨之研究的持續(xù)深入,NLRP3 炎癥小體與軟骨退變的研究未來會有更令人驚喜的發(fā)現(xiàn)。

2.2 NLRP3 炎癥小體與滑膜炎癥

滑膜炎癥是軟骨退變的重要原因之一,參與軟骨降解的IL-1β 可能是滑膜細(xì)胞產(chǎn)生的而不是軟骨細(xì)胞。 滑膜炎癥在RA 研究相對較多,遺傳學(xué)研究已經(jīng)證明RA 滑膜組織編碼NLRP3 炎癥體成分(包括NLRP3、ASC 和Caspase-1)的基因顯著上調(diào)[30]。此外,KOA 患者滑膜中NLRP3 的蛋白水平表達(dá)量是正?；颊叩?.4 倍以上[31]。 在KOA 患者滑液中發(fā)現(xiàn)滑液尿酸水平與滑液IL-18 和IL-1β 密切相關(guān),認(rèn)為滑液尿酸可作為評價KOA 嚴(yán)重程度的標(biāo)志之一,而已知尿酸可以激活NLRP3,這說明滑液NLRP3、尿酸和炎癥因子存在復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)[32]?？傊?在骨性關(guān)節(jié)炎滑膜巨噬細(xì)胞中,炎癥小體,如NLRP3,在不同的DAMPs 作用下被誘導(dǎo)并釋放到滑液,關(guān)節(jié)液和周圍組織中。 在滑膜巨噬細(xì)胞和軟骨細(xì)胞參與的一系列炎癥反應(yīng)中增加了IL-1β 水平,刺激產(chǎn)生更多的促炎細(xì)胞因子。

近些年文獻(xiàn)報道了NLRP3 炎癥小體與滑膜炎癥的研究。 Zhao 等[33]較早的在KOA 患者滑膜中發(fā)現(xiàn)NLRP1 和NLRP3 炎癥小體參與成纖維樣滑膜細(xì)胞(FLS)焦亡。 Chen 等[34]也在KOA 患者的滑膜組織中發(fā)現(xiàn)Nrf2/HO-1 信號可能是激活NLRP3 炎癥小體的關(guān)鍵途徑。 Li 等[35]則發(fā)現(xiàn)蔓荊子黃素可通過抑制HIF-1α/ NLRP3 炎癥小體激活來減輕MIA誘導(dǎo)的KOA 滑膜炎癥。 Xiao 等[36]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)NLRP1 和NLRP3 炎癥小體介導(dǎo)的FLS 焦亡可以增強(qiáng)高遷移率族蛋白B1(high mobility group protein B1,HMGB1)的分泌,有望為減少KOA 滑膜炎癥提供新的治療策略。 此外,miR233 調(diào)控NLRP3 炎癥小體參與滑膜損傷,這可能是KOA 發(fā)病的重要機(jī)制[37]。 有學(xué)者深入研究膝關(guān)節(jié)缺氧環(huán)境與NLRP3炎癥小體為代表的焦亡研究中指出,膝關(guān)節(jié)炎癥缺氧導(dǎo)致缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia inducible factor 1α,HIF-1α)升高,導(dǎo)致NLRP3、Caspase-1、GSDMD等表達(dá)升高,進(jìn)而加重KOA 滑膜炎癥及纖維化[38-39]。 有研究表明靶向NLRP3 途徑可能是某些中醫(yī)藥發(fā)揮療效的機(jī)制,如“易層”貼敷療法可通過NLRP3/Caspase-1 炎癥小體通路治療KOA 滑膜炎癥,改善膝關(guān)節(jié)外周痛敏[40-41]。

在2016 年Clavijo-Cornejo 等[31]發(fā)現(xiàn)NLRP3 在KOA 患者滑膜中升高這5 年以來,關(guān)于NLRP3 炎癥小體與滑膜炎癥的研究逐漸增多,尤其是這兩年,說明這一研究正得到大家廣泛的興趣。 但是研究仍較少,NLRP3 炎癥小體在KOA 的深入研究有待于進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),尤其是需要使用更高級的技術(shù),去探究細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及與不同分子間的相互作用,更需要開展更多的動物實(shí)驗(yàn)將滑膜與更多的組織(如軟骨組織、髕下脂肪墊等)聯(lián)合起來共同研究,探究不同組織甚至器官間的Crosstalk 作用及機(jī)制。 此外,滑膜炎癥作為藥物開發(fā)的重要方向,要利用更高級的技術(shù)闡釋背后的機(jī)制及開發(fā)針對NLRP3 炎癥小體靶點(diǎn)的藥物,以期做到早期診斷、早期干預(yù)及有效預(yù)防干預(yù)滑膜炎癥。

2.3 NLRP3 炎癥小體與KOA 疼痛

疼痛是KOA 最典型的癥狀之一,來自外界的傷害刺激信號能夠敏化中樞神經(jīng)和外周神經(jīng),并伴有大量炎癥性和非炎癥性病理狀態(tài)。 NLRP3 炎癥小體已牽涉到許多痛苦的疾病和病癥,比如膀胱疼痛,神經(jīng)性疼痛,類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎,痛風(fēng),偏頭痛等[42]。 關(guān)于疼痛的機(jī)制在此不再贅述,我們只簡單討論在NLRP3 炎癥小體導(dǎo)致疼痛激活的機(jī)制以及抑制NLRP3 炎癥小體介導(dǎo)鎮(zhèn)痛作用。 NLRP3 炎癥小體的激活導(dǎo)致的疼痛可能跟炎癥因子的釋放與募集有關(guān),IL-1β 釋放后,可能通過改變幾種神經(jīng)元離子通道和受體的功能來增加傷害感受器的興奮性,因此IL-1β 被認(rèn)為是一種神經(jīng)調(diào)節(jié)劑。 此外IL-1β 還介導(dǎo)內(nèi)源性分子的產(chǎn)生進(jìn)一步促進(jìn)外周致敏作用,例如神經(jīng)生長因子(nerve growth factor,NGF),前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2),環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)和降鈣素基因相關(guān)肽[43]。 NLRP3 的激活還導(dǎo)致活性白介素18 的釋放,已發(fā)現(xiàn)IL-18 可導(dǎo)致肌肉疼痛,癌癥引起的骨痛[44-45]。 關(guān)于抑制NLRP3 炎癥小體介導(dǎo)鎮(zhèn)痛研究上,有研究報道MCL950 作為一種特定的NLRP3 拮抗劑,可減輕機(jī)械性異常疼痛,升高脊髓中的NLRP3,ASC,Caspase-1 和IL-1β 的表達(dá)水平[46]。

大多數(shù)KOA 疼痛是由周圍神經(jīng)的變化引起的,正常情況下,神經(jīng)傷害性感受器位于特定的組織中,只能檢測到本區(qū)域的感覺。 在OA 的發(fā)展過程中,過量的炎癥因子、細(xì)胞因子、趨化因子、機(jī)械刺激和過度的感覺和交感神經(jīng)支配導(dǎo)致傷害性刺激信號的擴(kuò)大[47]。 炎癥小體上調(diào)促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,增加關(guān)節(jié)組織的傷害性刺激信號,導(dǎo)致疼痛的持續(xù)放大以致難以忍受,這個過程被稱為“痛覺過敏”。 此外,在炎癥小體導(dǎo)致的慢性炎癥中,受損害的是整個關(guān)節(jié),這包括軟骨破壞、滑膜炎癥、骨贅的產(chǎn)生及骨的破損,這些病理改變伴隨異常血管和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生成,由于神經(jīng)的生長比血管緩慢,新形成的血管神經(jīng)支配減少,更易受到化學(xué)和機(jī)械刺激導(dǎo)致OA 疼痛[48]。 針對KOA 疼痛,有學(xué)者提出從TRP 離子通道出發(fā)控制外周疼痛具有治療意義[49]。但是目前在KOA 領(lǐng)域仍然缺乏NLRP3 炎癥小體引發(fā)疼痛的高質(zhì)量證據(jù),僅從表型觀察到通過NLRP3炎癥小體通路可以抑制炎性疼痛、改善大鼠疼痛樣行為和降低疼痛因子表達(dá)[50]。 我相信探究NLRP3炎癥小體與疼痛的研究正在受到重視,未來會有更深入的調(diào)查。

3 結(jié)論和展望

綜上所述,NLRP3 炎癥小體參與了KOA 軟骨退變、滑膜炎癥及疼痛的發(fā)生,NLRP3 炎癥小體及調(diào)控的細(xì)胞因子是KOA 治療有希望的靶點(diǎn),但是有必要進(jìn)一步在KOA 中闡明NLRP3 激活和調(diào)節(jié)的機(jī)制。 膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展除了軟骨和滑膜的作用外,軟骨下骨、關(guān)鍵韌帶和肌肉也發(fā)揮了重要作用,并且伴隨病變,所以將NLRP3 與這些關(guān)鍵組織的退變關(guān)系聯(lián)系起來將是未來研究的重要方向。此外,進(jìn)一步的研究應(yīng)該集中在軟骨細(xì)胞、滑膜細(xì)胞和其他非巨噬細(xì)胞的機(jī)制上,以闡明這一細(xì)胞死亡過程是如何在細(xì)胞中介導(dǎo)的,提高我們對NLRP3炎癥小體介導(dǎo)KOA 發(fā)生機(jī)制的理解,幫助闡明KOA 發(fā)病的機(jī)制。 總體而言,NLRP3 炎癥小體及調(diào)控的細(xì)胞因子是診斷和監(jiān)測KOA 的一個有效生物標(biāo)志物,針對NLRP3 的藥物開發(fā)及治療可能是KOA 的潛在的策略。