NLRP3炎性小體在肺部疾病中的研究進展

祝佳佳 許海柱 賈維

2.200040 上海，復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院中醫(yī)科

炎性小體是由胞漿內(nèi)模式識別受體(PRRS)參與組裝的多蛋白復(fù)合物，它能夠識別宿主來源的危險信號分子(DAMPs)或者病原相關(guān)分子模式(PAMPs),是天然免疫系統(tǒng)的重要組成部分[1]。目前已知的炎性小體主要有4種，它們分別是核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白 1(NLRP1)、NLRP3、NLRC4和AIM2炎性小體[2]。其中NLRP3炎性小體目前研究最為廣泛，它能被包括線粒體DNA、晶體顆粒物等危險信號或細菌、病毒等多種類型的病原體所激活，在炎癥性腸病[3]、動脈粥樣硬化癥[4]、2型糖尿病[5]、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎[6]以及病毒性肝炎[7]等多種疾病中發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎性小體與急性肺損傷、肺部感染、支氣管哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺癌、肺纖維化等肺部疾病的發(fā)生發(fā)展也密切相關(guān)，目前以NLRP3炎性小體為靶點來治療肺部疾病受到廣泛關(guān)注。

NLRP3炎性小體的組成和激活

NLRP3組成部分與NLR家族一樣，包含NLRP3蛋白、pro-caspase-1和含有CARD結(jié)構(gòu)域的凋亡相關(guān)顆粒樣蛋白(ASC)，NLRP3受體蛋白含有PYD、NACHT、LRR三個結(jié)構(gòu)域[1]。

NLRP3炎性小體的激活分為兩個階段，分別為啟動階段和激活階段。啟動階段是由微生物或內(nèi)源性細胞因子提供的啟動信號，激活PRR(如TLR)通過刺激核因子κB(NF-kB)途徑，促進了NLRP3的轉(zhuǎn)錄和表達，引起前體NLRP3蛋白和pro-IL-1β、pro-IL-18等前體細胞因子的表達升高[8]。在激活階段中NLRP3炎性小體識別DAMPs和PAMPs等各種炎癥誘導(dǎo)刺激,響應(yīng)危險信號的NLRP3的PYD結(jié)構(gòu)域與ASC的PYD結(jié)構(gòu)域形成PYD-PYD相互作用，而ASC中的CARD結(jié)構(gòu)域又可以和pro-caspase-1的CARD結(jié)構(gòu)域結(jié)合形成類似的CARD-CARD相互作用，激活caspase-1裂解如pro-IL-1β、pro-IL-18等前體細胞因子，產(chǎn)生促炎因子IL-1β和IL-18等，從而促進細胞凋亡[9]。 迄今為止，已發(fā)現(xiàn)許多因素可啟動NLRP3炎性小體激活，然而具體機制尚不清楚，目前提出的機制有以下幾種[10]：離子通量、線粒體活性氧的產(chǎn)生、溶酶體破壞等。

NLRP3與肺部疾病

一、NLRP3與急性肺損傷

急性肺損傷(Acute Lung Injury，ALI)是可以引起急性呼吸衰竭的嚴重肺部疾病[11]。研究證明炎癥反應(yīng)是急性肺損傷發(fā)生發(fā)展中的最重要因素[12]。NLRP3炎性小體可以識別各種炎癥刺激，釋放各類炎癥因子，進而引起炎癥反應(yīng)。目前許多證據(jù)表明NLRP3炎性小體在ALI中起關(guān)鍵作用[13]。有研究發(fā)現(xiàn)在氣管內(nèi)注入細胞外線粒體DNA，可以通過TLR9、p38 MAPK和NF-κB途徑促進NLRP3炎性小體活化，引起NLRP3、ASC、caspase-1的轉(zhuǎn)錄增加以及IL-1β、IL-18和TNF-α的釋放，從而引起肺損傷[14]。還有研究者發(fā)現(xiàn)肺泡巨噬細胞(AMs)中的NLRP3炎性體激活和隨后的焦磷酸化是繼發(fā)于急性胰腺炎的肺損傷的原因[15]。Grailer[16]等人在脂多糖誘導(dǎo)的ALI小鼠模型中，檢測到來自嗜中性粒細胞的細胞外組蛋白直接激活NLRP3炎性小體，引起IL-1β表達升高，加重炎癥反應(yīng)，研究還發(fā)現(xiàn)NLRP3炎性體激活可以正反饋于細胞外組蛋白的釋放，從而加劇ALI。Ying[11]等研究發(fā)現(xiàn)過表達的miR-495通過負調(diào)控NLRP3基因減輕了肺泡巨噬細胞的炎癥和細胞凋亡并抑制了NLRP3炎癥小體的活化，從而預(yù)防ALI。Ruan[17]等最近研究發(fā)現(xiàn)，在呼吸機誘發(fā)的肺損傷(VILI)中，丙泊酚可以通過激活Nrf2和抑制NLRP3的表達來改善肺損傷，這表明Nrf2激活劑和NLRP3抑制劑可能具有預(yù)防VILI的潛在作用。Zhang[18]等發(fā)現(xiàn)補充甘氨酸可以通過核因子κB(NF-κB)途徑，下調(diào)NLRP3炎性小體的表達來預(yù)防LPS誘導(dǎo)的肺損傷。這些研究表明，NLRP3炎性小體在ALI中發(fā)揮了重要作用，可以為治療ALI提供新的靶點。此外，中草藥金銀花的提取物異綠原酸A可以抑制Nf-κB/ NLRP3信號通路的蛋白表達，減緩急性肺損傷發(fā)生發(fā)展[19]。這為臨床治療急性肺損傷提供了新思路。

二、NLRP3與肺部感染

肺部感染是臨床常見的肺部疾病之一，金黃色葡萄球菌是引起肺部感染的重要病原體，α-溶血素(Hla)作為金黃色葡萄球菌最重要的毒素，在肺部感染中起到重要作用[20]。已有實驗發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌Hla可以激活NLRP3炎性小體,引起IL-18、IL-1β等炎癥因子表達，從而引起肺部炎癥。使用磷霉素處理后檢測NLRP3炎性體相關(guān)蛋白的表達水平，證實磷霉素通過抑制Hla阻斷了NLRP3炎性小體活化，減輕炎癥反應(yīng)[20]。Wu[21]等研究發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌感染的小鼠肺中NLRP3、ASC和caspase-1的mRNA表達水平明顯增加，IL-1β、IL-18和TNF-α等炎癥因子水平升高，而給予白藜蘆醇治療的小鼠則NLRP3、ASC和caspase-1的mRNA水平降低，且在支氣管肺泡灌洗液(BALF)中也表現(xiàn)出較低的IL-1β(P<0.01)、IL-18(P<0.01)和TNF-α(P<0.01)水平，這一實驗證明白藜蘆醇通過抑制NLRP3介導(dǎo)的炎癥減輕了小鼠的金黃色葡萄球菌肺炎。van Lieshout[22]在肺炎鏈球菌致死性氣道感染過程中對NLRP3炎性小體在宿主反應(yīng)中的作用研究發(fā)現(xiàn)，Nlrp3-/-和Asc-/-小鼠死亡率顯著降低，同時細菌生長和傳播減少，這表現(xiàn)出了Nlrp3-/-和Asc-/-小鼠強烈的宿主防御能力，說明NLRP3炎性體會削弱由肺炎鏈球菌引起的致死性肺炎期間的宿主防御能力。但Witzenrath[23]研究認為NLRP3炎性體在溶血性肺炎球菌引起的肺炎期間對小鼠有益，有助于肺炎球菌肺炎的宿主防御。Tian[24]等人也認為肺缺血后再灌注，炎癥通過NLRP3炎性體依賴性方式增強了宿主對并發(fā)革蘭氏陰性菌性肺部感染的防御能力。此外，在對支原體兒童肺炎的研究發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，輕度組及重度組的NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β及IL-18等表達水平均顯著升高，其中重度組的上述指標(biāo)水平明顯高于輕度組；急性組及恢復(fù)組患兒的上述指標(biāo)較健康對照組明顯升高，其中急性組患兒的上述指標(biāo)又明顯高于恢復(fù)組，這說明NLRP3炎性體信號通路可能與兒童支原體肺炎的發(fā)病和病程密切相關(guān)[25]。綜上可知，NLRP3炎性小體在不同類型的肺部感染中發(fā)揮了重要作用。

三、NLRP3與肺癌

肺癌是臨床中最常見的惡性腫瘤，居全球癌癥相關(guān)死亡原因首位[26]。目前許多研究發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體與肺癌的發(fā)生發(fā)展有一定相關(guān)性。例如研究發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體的激活可以促進肺癌A549細胞的增殖和遷移[27-28]。炎性小體拮抗劑如新型靶向IL-1β可以降低健康個體中肺癌的發(fā)生率[29]。Zou[30]等也研究證實白藜蘆醇苷可以抑制非小細胞肺癌細胞中NLRP3、ASC和前caspase-1的表達，下調(diào)磷酸化NF-κBp65的相對表達，對非小細胞肺癌細胞增殖和遷移起到一定的抑制作用，延緩了非小細胞肺癌的進展。Ismini[31]研究比較原發(fā)性肺癌患者和健康個體的支氣管肺泡灌洗液中獲得的肺泡巨噬細胞和外周血白細胞中的NLRP3，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肺癌患者未刺激的外周血白細胞中IL-1β和IL-18的分泌明顯增高，并且IL-1β分泌可通過NLRP3刺激而進一步增加。相反，在肺泡巨噬細胞觀察到了不同的IL-1β分泌特征，轉(zhuǎn)錄和分泌TLR4介導(dǎo)的NLRP3激活標(biāo)記也減少。表明在肺癌中，肺泡巨噬細胞的先天免疫反應(yīng)已經(jīng)受到損害。同時實驗中又觀察到全身促炎狀態(tài)，這也可能構(gòu)成導(dǎo)致癌癥發(fā)生和發(fā)展的促炎環(huán)境，支持了炎癥誘發(fā)癌癥的假說。但是Teng[32]等發(fā)現(xiàn)從Trillium tschonoskii Maxim (TTM)分離出的主要皂苷多茶素VI(PPVI)通過增加細胞內(nèi)活性氧水平激活NF-κB信號通路，活化NLRP3炎性小體，促進炎性細胞因子的釋放和GSDMD的裂解，引起非小細胞肺癌細胞的凋亡。Xie[33]等研究也發(fā)現(xiàn)槐耳提取物可以上調(diào)肺癌凋亡相關(guān)基因的mRNA和蛋白質(zhì)表達，從而誘導(dǎo)NLRP3依賴性熱解，促進細胞凋亡而在非小細胞肺癌中表現(xiàn)出抗腫瘤作用。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎性小體參與了肺癌發(fā)展過程，但是NLRP3炎性小體的激活對肺癌進展與否的影響仍存有爭議，需要更多的實驗研究來進行更深入的探索。

四、NLRP3與肺纖維化

肺纖維化是指成纖維細胞增殖和大量細胞外基質(zhì)聚集, 同時伴有炎癥損傷和組織結(jié)構(gòu)破壞的一種肺部疾病[34]。環(huán)境污染物、吸煙、肺損傷、藥物等因素均能導(dǎo)致肺泡上皮細胞損傷, 發(fā)生炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激等病變導(dǎo)致肺纖維化[35]。研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎性小體在環(huán)境污染引起的肺纖維化(如塵肺)、藥物性(如博來霉素)肺纖維化、自身免疫性肺纖維化中均發(fā)揮了重要作用。例如，在粉塵誘導(dǎo)的大鼠模型中，發(fā)現(xiàn)粉塵接受組大鼠肺纖維化程度在第7天，第14天，第28天和第56天顯著高于對照組，隨著暴露時間的增加，檢測到其肺組織中NLRP3、Caspase-1、IL-1β、IL-18 以及TGF-β(1)的水平也高于對照組，這一結(jié)果說明，NLRP3 / IL-1β/ TGF-β(1)信號軸參與粉塵誘導(dǎo)的肺纖維化過程[36]。Zhou[37]等人將大鼠及人支氣管上皮(16HBE)分別給予不同時間及不同劑量炭黑納米顆粒(CBNP)處理，并建立了O型叉頭轉(zhuǎn)錄因子(FOXO)3a和miR-96過表達或抑制的16HBE細胞，以了解相關(guān)機制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)暴露于CBNPs的大鼠及16HBE，均出現(xiàn)NLRP3炎性小體表達的顯著增多，并伴隨著活性氧的增加，miR-96的降低以及FOXO3a的表達呈劑量和時間依賴性，而MiR-96過表達或FOXO3a抑制可通過抑制NLRP3炎性體來部分挽救纖維化作用，最終實驗表明，CBNPs可以通過miR-96靶向FOXO3a調(diào)節(jié)的NLRP3炎性體途徑誘導(dǎo)肺纖維化。在Xu[38]研究他汀類藥物與博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化的實驗中可以發(fā)現(xiàn)，他汀預(yù)處理博來霉素誘導(dǎo)小鼠可增強其體內(nèi)和體外caspase-1介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，加劇其肺部損傷和纖維化。 而Nlrp3(-/-)和caspase-1(-/-)小鼠這一反應(yīng)卻消失，表明他汀藥物可以通過增強NLRP3的活化導(dǎo)致肺纖維化加重。Lasithiotaki[39]等研究發(fā)現(xiàn)，自身免疫性肺纖維化患者肺泡腔分泌的IL-1β和IL-18水平較對照組和特發(fā)性肺纖維化患者顯著升高，并且在其支氣管肺泡灌洗液細胞中，NLRP3和caspase-1的mRNA水平也被上調(diào)，說明NLRP3炎性小體在自身免疫性肺纖維化患者中被激活，而在特發(fā)性肺纖維化中顯示NLRP3炎性小體激活受損。此外還有研究認為機械牽張可能通過NLRP3依賴性途徑促進內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化和肺纖維化[40]。關(guān)于肺纖維化的治療，實驗發(fā)現(xiàn)吡非尼酮(PFD)通過抑制脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的活性氧的產(chǎn)生，顯著降低了NLRP3表達，降低了IL-1β和TGF-β1水平，明顯改善了肺部炎癥和纖維化[41]。以上研究證明NLRP3的激活與肺纖維化的進展密切相關(guān)，抑制NLRP3的活化為治療肺纖維提供新的治療方向。

五、NLRP3與支氣管哮喘

NLRP3炎性小體作為炎癥反應(yīng)的核心，與支氣管哮喘發(fā)作及病情嚴重程度密切相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)屋塵螨變應(yīng)原通過與NF-κB核易位和線粒體ROS產(chǎn)生相關(guān)的TLR4-PI3K-δ軸激活NLRP3炎性小體產(chǎn)生促炎癥因子，加重哮喘反應(yīng)[42]。IL-1β是一種強效的炎性細胞因子，Simpson[43]等發(fā)現(xiàn)與其他哮喘亞型相比，中性粒細胞性哮喘患者的痰中，上清液IL-1β水平和IL-1βmRNA表達均顯著升高，表明IL-1β在中性粒細胞性哮喘中起關(guān)鍵作用。在衣原體和嗜血桿菌感染引起的類固醇耐藥性嚴重哮喘小鼠實驗中，與輕度哮喘小鼠相比，重度哮喘小鼠的NLRP3和IL-1βmRNA表達均較高，證明疾病嚴重程度和類固醇抵抗與NLRP3和IL-1β表達相關(guān)[44]。研究發(fā)現(xiàn)蘇黃止咳膠囊可以通過抑制ASC寡聚化，破壞NLRP3炎性小體組裝，抑制其活化，減少IL-1β等炎性因子產(chǎn)生以改善哮喘患者的肺功能[45]。Chen[46]等在甲苯二異氰酸酯(TDI)誘導(dǎo)的哮喘小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，給予NLRP3抑制劑MCC950、半胱天冬酶-1抑制劑VX-765和Ac-YVAD-CHO能夠有效抑制NLRP3及caspase-1的活化，減少IL-1β和IL-18表達，抑制TH2 / TH17反應(yīng)。 由此證實，阻斷NLRP3 / caspase-1軸能夠有效阻止TDI誘導(dǎo)的哮喘的進展，可以用作哮喘患者的治療靶標(biāo)。

六、NLRP3與慢性阻塞性肺疾病

與支氣管哮喘一樣，慢性阻塞性肺疾病(簡稱慢阻肺)的急性發(fā)作與NLRP3炎性小體激活引起的炎癥反應(yīng)也密切相關(guān)。Wang[47]等研究發(fā)現(xiàn)慢阻肺急性加重組患者NLRP3mRNA、Caspase-1、ASC、IL-18、IL-1β的mRNA水平明顯高于吸煙者，而且，當(dāng)慢阻肺急性加重組中患者病情穩(wěn)定后，上述指標(biāo)明顯減少。Nachmias[48]等人研究也發(fā)現(xiàn)NLRP3及其激活后產(chǎn)生的炎癥細胞因子(IL-8和MCP-1)在慢阻肺及慢阻肺急性加重體外模型中表達升高，并且慢阻肺急性加重中上述指標(biāo)的表達水平更高。Rotta Detto[49]等發(fā)現(xiàn)非典型流感嗜血桿菌NTHi可以誘導(dǎo)慢阻肺患者肺組織細胞中NLRP3炎性體的上調(diào)以及caspase-1依賴性IL-1β表達顯著升高，加重炎癥反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)均提示NLRP3炎性因子參與了慢阻肺患者急性加重的過程。對于甲型流感病毒(IAV)引起的慢阻肺急性加重，有研究發(fā)現(xiàn)疏風(fēng)解毒膠囊聯(lián)合奧司他韋可以抑制NLRP3炎性小體激活，降低IL-1β和IL-18水平，從而減輕臨床癥狀[50]。而在空氣顆粒物(PM2.5)引起的氣道炎癥及肺氣腫小鼠模型中，硫化氫可以通過Nrf2途徑抑制NLRP3炎性小體活化，減少IL-1β分泌，改善肺氣腫及氣道炎癥[51]。Cao[52]等也發(fā)現(xiàn)脂氧素受體激動劑BML-111可以通過上調(diào)Nrf-2來預(yù)防NLRP3炎性體激活并抑制活性氧產(chǎn)生，從而對慢阻肺模型小鼠發(fā)揮抗炎作用。以上研究均發(fā)現(xiàn)NLRP3在慢阻肺急性加重中扮演重要角色，但在慢阻肺穩(wěn)定期患者中的研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎性小體的表達與健康對照組并無明顯差異，說明NRLP3炎性體在穩(wěn)定慢阻肺炎癥反應(yīng)中可能發(fā)揮次要作用[53]。

小 結(jié)

綜上所述，NLRP3炎性小體與急性肺損傷、肺部感染、支氣管哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺癌、肺纖維化等肺部疾病的發(fā)病以及疾病的進展均有一定的相關(guān)性，隨著對NLRP3炎性小體活化機制的進一步研究，將有可能為以上肺部疾病的治療提供新思路。而在肺癌方面，NLRP3激活是否引起腫瘤的遷移進展仍存有爭議，需要進一步深入研究。