NLRP3炎癥小體參與下肢動脈腔內(nèi)治療后再狹窄發(fā)生的研究進展

劉宇婷，楊碩菲，薛冠華

(上海交通大學醫(yī)學院附屬仁濟醫(yī)院 血管外科，上海 200127)

隨著社會老齡化的日益加劇和生活方式的改變，下肢動脈硬化閉塞癥(arteriosclerosis obliterans，ASO)已成為僅次于冠心病和腦卒中的第三大高發(fā)的動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)性血管疾病，ASO在老年人群中的患病率超過10%[1-2]。隨著腔內(nèi)介入技術和器械的快速發(fā)展，血管腔內(nèi)治療成為ASO的一線治療方式。但下肢動脈腔內(nèi)治療后再狹窄的發(fā)生率較高，影響了下肢動脈腔內(nèi)治療后的長期通暢。研究發(fā)現(xiàn)，金屬裸支架置入后12個月再狹窄的發(fā)生率達30%，24個月再狹窄的發(fā)生率達50%[3]。目前，臨床上尚無針對下肢動脈腔內(nèi)治療后再狹窄的有效干預措施，下肢動脈再狹窄的臨床治療已成為亟待解決的問題。再狹窄發(fā)生的病理基礎是血管中膜的平滑肌細胞激活后遷移至內(nèi)膜引起內(nèi)膜過度增生，但具體發(fā)生機制尚不清楚。與冠狀動脈和顱內(nèi)動脈相比，下肢動脈長度長，運動頻繁時易受到肌肉牽拉，使下肢動脈被動發(fā)生拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)等形態(tài)學變化。下肢動脈再狹窄既受內(nèi)膜過度增生的影響，又合并動脈形變引起的支架斷裂和支架變形等物理因素的作用[4]。下肢動脈腔內(nèi)治療后再狹窄發(fā)生的具體機制需要深入研究。

血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)在正常生理狀態(tài)下處于收縮型，在血管損傷或受炎癥刺激后，可從靜止的收縮型轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥暮铣尚?，從動脈中膜遷移到內(nèi)膜并參與內(nèi)膜增生，VSMC表型轉(zhuǎn)化促進炎癥反應和動脈粥樣硬化形成，也與腔內(nèi)治療后再狹窄的發(fā)生密切相關[5-6]。同時，動脈的拉伸和壓縮變形可調(diào)節(jié)VSMC增殖、凋亡、表型轉(zhuǎn)化、遷移、排列并刺激細胞外基質(zhì)重塑[7]。研究發(fā)現(xiàn)，局部炎癥反應參與VSMC的表型轉(zhuǎn)化和細胞外基質(zhì)的重塑，炎癥小體的激活在此過程中扮演重要角色。NOD樣受體家族含pyrin結構域蛋白3(NOD-like receptor family pyrin domain-containing protein 3，NLRP3)炎癥小體參與眾多心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展，在腔內(nèi)治療后再狹窄中也發(fā)揮重要作用[8-9]。

1 NLRP3炎癥小體的結構和功能

1.1 NLRP3炎癥小體的激活與NLRP3/IL-1β通路炎癥小體于2002年首次被發(fā)現(xiàn)，它是由多種蛋白質(zhì)組成的胞質(zhì)內(nèi)蛋白復合體，在固有免疫和炎癥相關疾病的發(fā)生過程中發(fā)揮重要作用[10]。炎癥小體的過度活化參與動脈粥樣硬化、糖尿病(diabetes mellitus，DM)以及惡性腫瘤等多種疾病的發(fā)生[11]。炎癥小體包括NLRP3、NLRP1、AIM2、NLRC4和pyrin等多種亞型，目前對NLRP3炎癥小體的研究最為深入[12]。NLRP3炎癥小體是由結合分子(NLRP3)、銜接分子(ASC，包含CARD結構域的凋亡相關斑點樣蛋白)和效應分子(Caspase-1)組成的多蛋白復合體[13]。NLRP3炎癥小體激活通過兩步信號實現(xiàn)：第一信號是啟動信號，由病原體相關分子模式(TLR)或危險相關分子模式誘導，TLR磷酸化后激活NF-κB，在細胞核中，NF-κB促進NLRP3、IL-1β前體(pro-interleukin-1β，pro-IL-1β)和IL-18前體(pro-interleukin-1β，pro-IL-18)轉(zhuǎn)錄，翻譯后它們以非活性形式留在細胞質(zhì)中[13]；第二信號是激活信號，由多種結構不同的激動劑觸發(fā)，包括環(huán)境晶體污染物(如二氧化硅)、病原體衍生的配體(如成孔毒素和核酸)以及內(nèi)源性危險信號(如血清淀粉樣蛋白A和三磷酸腺苷)。NLRP3炎癥小體組裝成復合體后通過效應蛋白Caspase-1進行自我切割和活化，活化的Caspase-1可對pro-IL-1β和pro-IL-18進行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18并釋放到細胞外，募集炎癥細胞聚集，增加炎癥反應，活化的Caspase-1還能夠切割Gasdermin D的N端和C端，誘導細胞膜穿孔，從而導致細胞焦亡[14-15]。離子交換、溶酶體破壞、活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生、線粒體功能障礙、代謝變化和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激等均可導致NLRP3炎癥小體激活[16]。

1.2 NLRP3炎癥小體在VSMC中的作用VSMC是構成動脈壁的主要細胞之一，α平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)是VSMC的骨架蛋白，通?？勺鳛閂SMC的蛋白標志物。體外試驗誘導的鈣化VSMC和鈣化的股動脈臨床樣本中NLRP3炎癥小體復合物表達上調(diào)，IL-1β分泌增加，沉默NLRP3蛋白可抑制VSMC鈣化[17]。高糖處理后的VSMC可檢測到NLRP3炎癥小體表達上調(diào)，釋放大量IL-1β且加速VSMC鈣化，抑制NLRP3炎癥小體表達對VSMC鈣化有拮抗作用[18]。氧化三甲胺(trimethylamineN-oxide，TMAO)通過激活NLRP3炎癥小體和NF-κB促進血管鈣化，抑制NLRP3炎癥小體和NF-κB可以減弱VSMC的鈣化[19]。在自發(fā)性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rats，SHR)模型中，主動脈中膜VSMC中NLRP3炎癥小體被激活且IL-1β的表達水平上調(diào)；沉默NLRP3基因?qū)HR有降壓作用，抑制SHR主動脈中VSMC表型轉(zhuǎn)化和增殖，調(diào)控血管重塑過程[20-21]。NLRP3炎癥小體激活不但促進炎癥反應的發(fā)生，還促進VSMC轉(zhuǎn)變?yōu)榧≡葱耘菽毎鸞22]。小鼠和人動脈粥樣硬化斑塊檢測結果顯示，Caspase-1和IL-1β與α-SMA在斑塊內(nèi)分布區(qū)域基本重合[23]。尿毒癥小鼠和尿毒癥患者的動、靜脈瘺內(nèi)膜病變中NLRP3表達上調(diào)，特異性NLRP3基因敲除小鼠VSMC的增殖、遷移、表型轉(zhuǎn)化等能力均減弱[24]。慢性間斷缺氧誘導肺和心臟CD11b+細胞超氧化物歧化酶2表達降低，CD11b+細胞中NLPR3炎癥小體被激活，IL-1β、IL-18分泌增加，肺VSMC異常增殖導致肺動脈高壓[25]。一方面VSMC中NLRP3炎癥小體被激活，釋放IL-1β等炎性因子促進血管鈣化，另一方面由于NLRP3在免疫細胞中高表達，釋放大量IL-1β等炎性因子，促進VSMC增殖和表型轉(zhuǎn)化。以上研究結果均表明，NLRP3炎癥小體過度激活在血管性疾病VSMC中起著直接或間接作用。

2 NLRP3炎癥小體在下肢AS和再狹窄中的作用

AS是一種全身性疾病，ASO是下肢動脈因粥樣斑塊導致血管狹窄甚至閉塞，是全身AS在下肢的表現(xiàn)[26]。AS也是一種慢性炎癥性疾病，以VSMC增殖和遷移、白細胞浸潤、內(nèi)皮功能障礙和長期脂質(zhì)積聚為主要特征[6]。已有研究證明，NLRP3炎癥小體激活后分泌的IL-1β能夠促進VSMC增殖，增加白細胞募集和黏附，上調(diào)多種促炎因子表達[27]。IL-18和IL-1β是NLRP3炎癥小體調(diào)控的關鍵細胞因子，它們在AS斑塊組織中高表達，NLRP3炎癥小體的激活參與了AS的發(fā)生和發(fā)展[28]。NLRP3炎癥小體可以被多種內(nèi)源性危險信號激活，這些危險信號在AS病變中大量存在。Duewell等[29]研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食誘導的AS早期病變中存在微小的結晶膽固醇，可以激活NLRP3炎癥小體，促進IL-1家族細胞因子的成熟和分泌，NLRP3炎癥小體在早期AS中起促進作用。進一步研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎癥小體不但能識別致病物質(zhì)，短期內(nèi)釋放大量的炎癥信號，還能夠感知高脂高糖飲食進一步放大炎癥反應[30]。NLRP3在ASO病變組織的動脈中膜和內(nèi)膜中高表達，在正常對照組中低表達[22]。頸動脈AS斑塊中NLRP3、ASC、Caspase-1、IL-1β和IL-18表達顯著上調(diào)[31]。研究指出，隨著粥樣斑塊的增大，NLRP3的表達也增加，抑制NLRP3和Caspase-1可阻止AS斑塊相關組織和細胞釋放IL-1β，抗IL-1β治療可緩解AS的發(fā)生[32-33]。MCC950是NLRP3炎癥小體的抑制劑，可降低體內(nèi)IL-1β的產(chǎn)生，用于治療NLRP3相關的自身免疫和炎癥性疾病[34]。能否使用MCC950抑制NLRP3炎癥小體激活從而減緩下肢動脈AS的發(fā)生、發(fā)展尚需要進一步研究。

內(nèi)膜增生是動脈腔內(nèi)治療后再狹窄的病理學特征之一，涉及VSMC異常增殖和遷移以及細胞外基質(zhì)聚積，最終導致管腔狹窄。血管腔內(nèi)治療后引發(fā)一系列的炎癥反應，炎性細胞被激活后分泌炎癥介質(zhì)和生長因子，使VSMC異常增殖并逐漸從中膜向內(nèi)膜移動，并發(fā)生表型轉(zhuǎn)化，由收縮型轉(zhuǎn)化變?yōu)楹铣尚?，分泌膠原成分參與內(nèi)膜增生[35]。大鼠頸動脈新生內(nèi)膜組織中NLRP3、Caspase-1和IL-1β表達水平明顯上調(diào)且血清中IL-1β和IL-18水平顯著升高[36]。再狹窄小鼠模型內(nèi)膜增生主要由大量的VSMC組成，病變組織中NLRP3和Caspase-1強烈表達，NLRP3基因敲除小鼠與野生型小鼠對比內(nèi)膜增生明顯減少[37]。再狹窄明確的病理學機制是內(nèi)膜增生，最近研究發(fā)現(xiàn)新生AS也是再狹窄病變的一種機制[38]。早期(<1年)和晚期(>1年)再狹窄的組織特征存在差異，前者主要由內(nèi)膜增生介導，而后者以新生AS為主要機制[39]。血管腔內(nèi)治療后局部炎癥反應促進VSMC增殖、遷移和細胞外基質(zhì)沉積，造成內(nèi)膜不斷增厚。在再狹窄小鼠模型中，股動脈損傷部位和損傷后新生內(nèi)膜病變中觀察到ASC表達增強，而ASC基因敲除小鼠內(nèi)膜形成減少且病變中IL-1β和IL-18表達顯著降低[40]。頸動脈再狹窄小鼠模型中VSMC細胞內(nèi)NLRP3、ASC與α-SMA共定位表達，表達量顯著上調(diào)，炎癥小體抑制劑MCC950和WEHD能夠通過阻斷Caspase-1和IL-1β的表達和分泌阻止VSMC的過度增殖和遷移[9]。秋水仙堿和甲氨蝶呤可分別抑制NLRP3炎癥小體激活后產(chǎn)生的IL-1β和NLRP3炎癥小體激活物NF-κB，有效抑制AS的發(fā)生[41]。這些藥物能否通過抑制新生AS從而抑制腔內(nèi)治療后再狹窄發(fā)生還需要進一步實驗證實。

3 結語

綜上所述，腔內(nèi)治療后再狹窄具有兩種病理機制，一是內(nèi)膜增生，二是新生AS。腔內(nèi)治療導致血管炎癥反應，促使VSMC異常增殖并逐漸從中膜向內(nèi)膜移動且發(fā)生表型轉(zhuǎn)化，細胞外基質(zhì)不斷沉積，造成內(nèi)膜增生。VSMC胞核中NF-κB促進NLRP3、pro-IL-1β轉(zhuǎn)錄與翻譯后以非活性形式留在細胞質(zhì)中，NLRP3、ASC和Caspase-1聚集促使NLRP3炎癥小體組裝和激活?；罨腃aspase-1對pro-IL-1β進行加工，從而促進IL-1β的成熟和分泌，IL-1β介導炎癥反應且促進VSMC增殖。NLRP3炎癥小體激活促進VSMC轉(zhuǎn)變?yōu)榧≡葱耘菽毎?，參與新生AS形成(圖1)。

圖1 腔內(nèi)治療后再狹窄的病理機制示意圖

下肢動脈腔內(nèi)治療后再狹窄的治療仍是當前血管外科醫(yī)生面對的重要挑戰(zhàn)。當前研究顯示，NLRP3炎癥小體的激活可促進VSMC表型轉(zhuǎn)化和遷移，導致血管內(nèi)膜增生，引起再狹窄的發(fā)生。對于NLRP3炎癥小體的深入研究可為闡明下肢動脈腔內(nèi)治療后再狹窄發(fā)生機制提供全新的思路。對NLRP3炎癥小體及其相關分子通路的干預可能阻止血管內(nèi)膜的過度增生，減少再狹窄的發(fā)生，有望為再狹窄的治療提供新的突破口。目前，下肢腔內(nèi)治療中載藥器械所載藥物主要為紫杉醇，紫杉醇涂藥球囊和涂藥支架能夠顯著減少腔內(nèi)治療后再狹窄的發(fā)生[42]。隨著紫杉醇涂藥器械的廣泛應用，有研究人員發(fā)現(xiàn)，紫杉醇作為一種常用的腫瘤化療藥物存在增加患者全因死亡率的風險，引起了巨大爭議和討論[43]。未來針對NLRP3炎癥小體為靶點的相關藥物進行新一代載藥器械的研發(fā)有望在減少再狹窄發(fā)生的同時避免增加死亡風險的可能。