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(jìn)展

劉宇婷，楊碩菲，薛冠華

(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)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(shù)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(dá)30%，24個月再狹窄的發(fā)生率達(dá)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(yù)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(chǔ)是血管中膜的平滑肌細(xì)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(jī)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(xué)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(jī)制需要深入研究。

血管平滑肌細(xì)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)橹鲃拥暮铣尚停瑥膭用}中膜遷移到內(nèi)膜并參與內(nèi)膜增生，VSMC表型轉(zhuǎn)化促進(jìn)炎癥反應(yīng)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(guān)[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(xì)胞外基質(zhì)重塑[7]。研究發(fā)現(xiàn)，局部炎癥反應(yīng)參與VSMC的表型轉(zhuǎn)化和細(xì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)合體，在固有免疫和炎癥相關(guān)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(jié)合分子(NLRP3)、銜接分子(ASC，包含CARD結(jié)構(gòu)域的凋亡相關(guān)斑點樣蛋白)和效應(yīng)分子(Caspase-1)組成的多蛋白復(fù)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(guān)分子模式(TLR)或危險相關(guān)分子模式誘導(dǎo)，TLR磷酸化后激活NF-κB，在細(xì)胞核中，NF-κB促進(jìn)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(xì)胞質(zhì)中[13]；第二信號是激活信號，由多種結(jié)構(gòu)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(fù)合體后通過效應(yīng)蛋白Caspase-1進(jìn)行自我切割和活化，活化的Caspase-1可對pro-IL-1β和pro-IL-18進(jìn)行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18并釋放到細(xì)胞外，募集炎癥細(xì)胞聚集，增加炎癥反應(yīng)，活化的Caspase-1還能夠切割Gasdermin D的N端和C端，誘導(dǎo)細(xì)胞膜穿孔，從而導(dǎo)致細(xì)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(yīng)激等均可導(dǎo)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(gòu)成動脈壁的主要細(xì)胞之一，α平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)是VSMC的骨架蛋白，通常可作為VSMC的蛋白標(biāo)志物。體外試驗誘導(dǎo)的鈣化VSMC和鈣化的股動脈臨床樣本中NLRP3炎癥小體復(fù)合物表達(dá)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(dá)上調(diào)，釋放大量IL-1β且加速VSMC鈣化，抑制NLRP3炎癥小體表達(dá)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(jìn)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(dá)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(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生，還促進(jìn)VSMC轉(zhuǎn)變?yōu)榧≡葱耘菽?xì)胞[22]。小鼠和人動脈粥樣硬化斑塊檢測結(jié)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(dá)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(dǎo)肺和心臟CD11b+細(xì)胞超氧化物歧化酶2表達(dá)降低，CD11b+細(xì)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(dǎo)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(jìn)血管鈣化，另一方面由于NLRP3在免疫細(xì)胞中高表達(dá)，釋放大量IL-1β等炎性因子，促進(jìn)VSMC增殖和表型轉(zhuǎn)化。以上研究結(jié)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(dǎo)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(xì)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(jìn)VSMC增殖，增加白細(xì)胞募集和黏附，上調(diào)多種促炎因子表達(dá)[27]。IL-18和IL-1β是NLRP3炎癥小體調(diào)控的關(guān)鍵細(xì)胞因子，它們在AS斑塊組織中高表達(dá)，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(dǎo)的AS早期病變中存在微小的結(jié)晶膽固醇，可以激活NLRP3炎癥小體，促進(jìn)IL-1家族細(xì)胞因子的成熟和分泌，NLRP3炎癥小體在早期AS中起促進(jìn)作用。進(jìn)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(jìn)一步放大炎癥反應(yīng)[30]。NLRP3在ASO病變組織的動脈中膜和內(nèi)膜中高表達(dá)，在正常對照組中低表達(dá)[22]。頸動脈AS斑塊中NLRP3、ASC、Caspase-1、IL-1β和IL-18表達(dá)顯著上調(diào)[31]。研究指出，隨著粥樣斑塊的增大，NLRP3的表達(dá)也增加，抑制NLRP3和Caspase-1可阻止AS斑塊相關(guān)組織和細(xì)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(guān)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(jìn)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(xué)特征之一，涉及VSMC異常增殖和遷移以及細(xì)胞外基質(zhì)聚積，最終導(dǎo)致管腔狹窄。血管腔內(nèi)治療后引發(fā)一系列的炎癥反應(yīng)，炎性細(xì)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(dá)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(qiáng)烈表達(dá)，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(xué)機(jī)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(jī)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(dǎo)，而后者以新生AS為主要機(jī)制[39]。血管腔內(nèi)治療后局部炎癥反應(yīng)促進(jìn)VSMC增殖、遷移和細(xì)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(dá)增強(qiáng)，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(dá)顯著降低[40]。頸動脈再狹窄小鼠模型中VSMC細(xì)胞內(nèi)NLRP3、ASC與α-SMA共定位表達(dá)，表達(dá)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(dá)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(jìn)一步實驗證實。

3 結(jié)語

綜上所述，腔內(nèi)治療后再狹窄具有兩種病理機(jī)制，一是內(nèi)膜增生，二是新生AS。腔內(nèi)治療導(dǎo)致血管炎癥反應(yīng)，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(xì)胞外基質(zhì)不斷沉積，造成內(nèi)膜增生。VSMC胞核中NF-κB促進(jìn)NLRP3、pro-IL-1β轉(zhuǎn)錄與翻譯后以非活性形式留在細(xì)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(jìn)行加工，從而促進(jìn)IL-1β的成熟和分泌，IL-1β介導(dǎo)炎癥反應(yīng)且促進(jìn)VSMC增殖。NLRP3炎癥小體激活促進(jìn)VSMC轉(zhuǎn)變?yōu)榧≡葱耘菽?xì)胞，參與新生AS形成(圖1)。

圖1 腔內(nèi)治療后再狹窄的病理機(jī)制示意圖

下肢動脈腔內(nèi)治療后再狹窄的治療仍是當(dāng)前血管外科醫(yī)生面對的重要挑戰(zhàn)。當(dāng)前研究顯示，NLRP3炎癥小體的激活可促進(jìn)VSMC表型轉(zhuǎn)化和遷移，導(dǎo)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(jī)制提供全新的思路。對NLRP3炎癥小體及其相關(guān)分子通路的干預(yù)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(yīng)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(fēng)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(guān)藥物進(jìn)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(fēng)險的可能。