NLRP3炎癥小體在病理性心肌肥厚中的研究進(jìn)展

吳浩亮 周文杰 崔勝宇 陶波 馮高科 易欣 吳青青 孟祥平 浦湧 范穌圳 徐林

(1.武漢大學(xué)人民醫(yī)院心內(nèi)科 武漢大學(xué)心血管病研究所 心血管病湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430060；2.武漢市第四醫(yī)院，湖北 武漢 430030；3.武漢大學(xué)人民醫(yī)院漢南醫(yī)院(漢南區(qū)人民醫(yī)院)，湖北 武漢 430090)

1 病理性心肌肥厚與NLRP3炎癥小體

病理性心肌肥厚可由多種危險因素引起，例如心臟前后負(fù)荷過載、神經(jīng)體液調(diào)節(jié)失衡，以及遺傳因素等，表現(xiàn)為心臟體積增大、質(zhì)量增加以及心功能下降。多種刺激因素通過各種復(fù)雜的信號通路刺激心肌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成增加、體積增大，間質(zhì)細(xì)胞增生，炎癥細(xì)胞浸潤增加，最終表現(xiàn)為心肌肥厚、纖維化程度增加[1]。隨著病理性心肌肥厚的病程進(jìn)展，會伴發(fā)一系列的不良心血管事件，如心律失常和心力衰竭(心衰)。在人們的普遍認(rèn)知中，炎癥一般只發(fā)生在缺血性心臟病中。但大量證據(jù)表明，炎癥在非缺血性心臟病中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用[2]。

1.1 NLRP3炎癥小體及其激活

炎癥小體NOD樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3，NLRP3)是一種多蛋白復(fù)合物，是NOD樣受體(NOD-like receptor，NLR)家族最著名的炎癥小體。 NLR作為固有免疫通過模式受體三大家族之一，能感應(yīng)并識別病原體相關(guān)分子模式，激活細(xì)胞內(nèi)炎癥相關(guān)信號通路，抵御病原體入侵[3]。NLR家族成員種類很豐富，目前在人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的NLR家族成員有22種之多[4]。NLR屬于AAA-ATP酶超家族的STAND亞類，其結(jié)構(gòu)中包含一個位于中心的ATP酶結(jié)構(gòu)域。根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)域不同，NLR可分為兩個亞群，包含半胱天冬酶激活和募集結(jié)構(gòu)域(caspase activation and recruitment domain，CARD)的NLRC亞群和包含熱蛋白結(jié)構(gòu)域(pyrin domain，PYD)的NLRP亞群[5]。NLR最初被發(fā)現(xiàn)時，人們發(fā)現(xiàn)NLR在機(jī)體固有免疫和適應(yīng)性免疫中發(fā)揮調(diào)控作用[6]。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)NLR也在細(xì)胞穩(wěn)態(tài)、自噬[7-8]、凋亡[9-10]、焦亡[11-12]等多種病理生理過程中發(fā)揮很重要的作用。

在NLR眾多家族成員中，關(guān)于NLRP3的研究最為廣泛和深入。NLRP3在體內(nèi)分布廣泛，不僅存在于免疫細(xì)胞中，如樹突狀細(xì)胞[13]、中性粒細(xì)胞[14]和巨噬細(xì)胞[15]，還在眾多非免疫細(xì)胞中表達(dá)，如心肌細(xì)胞[16]和成纖維細(xì)胞[17-18]。NLRP3在細(xì)胞中主要定位于細(xì)胞質(zhì)中[18]。模式識別受體NLRP3可識別多種危險信號并被其激活，例如：細(xì)胞外ATP誘導(dǎo)K+外排，線粒體氧化應(yīng)激觸發(fā)活性氧(reactive oxygen species，ROS) 的生成，細(xì)胞內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的溶酶體破壞以及細(xì)胞內(nèi)鈣離子超載等[19-20]。

激活的NLRP3招募凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC) 和半胱天冬酶-1前體(pro-caspase-1)組裝成NLRP3炎癥小體并將其切割成有活性的半胱天冬酶-1(caspase-1)，活性caspase-1觸發(fā)白介素(interleukin，IL)-1β和IL-18活化和釋放[21]。這兩種活化的IL是重要的促炎介質(zhì)，介導(dǎo)免疫細(xì)胞和非免疫細(xì)胞中的多種免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)[22]。此外，活性caspase-1還可誘導(dǎo)一種特殊形式的炎癥性細(xì)胞死亡——細(xì)胞焦亡[23]。

由于NLRP3作用的特殊性，使它在心肌肥厚早期和后期扮演不同的角色。在心肌肥厚早期，NLRP3主要通過識別外界理化因素的刺激，并介導(dǎo)心肌細(xì)胞內(nèi)的炎癥反應(yīng)，促進(jìn)心肌肥厚，而在心肌肥厚終末期并向心衰發(fā)展過程中，NLRP3主要介導(dǎo)心肌細(xì)胞的死亡。此外NLRP3在心肌肥厚過程中對非心肌細(xì)胞也發(fā)揮重要的調(diào)控作用，而這些心肌細(xì)胞和非心肌細(xì)胞效應(yīng)綜合促進(jìn)心肌肥厚的發(fā)生與發(fā)展。

1.2 早期病理性心肌肥厚與NLRP3炎癥小體

在病理性心肌肥厚早期，各種危險因素誘發(fā)體內(nèi)神經(jīng)體液因素穩(wěn)態(tài)失調(diào)，通過復(fù)雜的信號通路激活心肌細(xì)胞以及間質(zhì)細(xì)胞的無菌性炎癥反應(yīng)。持續(xù)的炎癥反應(yīng)刺激誘發(fā)心肌發(fā)生肥厚。盡管此時心肌肥厚程度不明顯，但相關(guān)的炎癥分子表達(dá)水平卻顯著升高。交感神經(jīng)持續(xù)異常興奮是誘發(fā)心肌肥厚的一種常見的刺激因素，在一項(xiàng)關(guān)于異丙腎上腺素(isoproterenol，ISO)快速過度激活β1腎上腺素受體 (β1-adrenergic receptor，β1-AR)誘發(fā)心肌炎癥的研究中發(fā)現(xiàn)，ISO可快速激活β1-AR/ROS信號軸快速激活NLRP3炎癥小體，而激活的NLRP3可特異性激活I(lǐng)L-18，激活的IL-18招募巨噬細(xì)胞聚集，誘發(fā)炎癥反應(yīng)。使用NLRP3抑制劑MCC950或caspase-1抑制劑Z-VAD-FMK治療均可阻斷ISO誘發(fā)的炎癥反應(yīng)以及后續(xù)心肌肥厚的發(fā)生[24]。此外，在壓力過載或血管緊張素Ⅱ持續(xù)輸注誘發(fā)的心肌肥厚早期，NLRP3炎癥小體相關(guān)蛋白表達(dá)水平明顯上調(diào)，伴隨著NLRP3表達(dá)水平的上調(diào)，心肌肥厚程度和炎癥細(xì)胞浸潤水平也明顯上調(diào)。而通過抑制NLRP3和其下游相關(guān)組件的表達(dá)或活性時，心臟肥厚程度則明顯降低[25-27]。

1.3 晚期病理性心肌肥厚與NLRP3炎癥小體

病理性心肌肥厚若不進(jìn)行有效的干預(yù)，會快速進(jìn)入心衰階段。心衰還是多種心臟結(jié)構(gòu)和功能性疾病發(fā)展的終末形式，也是引起心臟患者死亡的最主要原因。在心肌肥厚向心衰進(jìn)展的過程中，NLRP3炎癥小體也充當(dāng)了一個重要的不良驅(qū)動因素[28]。目前臨床上對于無菌性炎癥持續(xù)刺激對心衰的影響認(rèn)識不足，治療思路一般以對癥治療為主，未相對應(yīng)地糾正內(nèi)在病因[29-30]。其中，Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ)通過響應(yīng)壓力超負(fù)荷激活細(xì)胞內(nèi)核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和NLRP3炎癥小體，誘導(dǎo)從心肌肥厚到心衰過程的進(jìn)展。在壓力超負(fù)荷模型誘導(dǎo)的心衰模型中，CaMKⅡ通過上調(diào)促炎基因NF-κB以及增加細(xì)胞內(nèi)活性氧途徑促進(jìn)NLRP3炎癥小體的形成，誘發(fā)心衰[26]。此外，長期的血管緊張素刺激會大幅降低心肌細(xì)胞功能，誘發(fā)心衰。在血管緊張素持續(xù)輸注4周誘發(fā)的心衰模型中，心肌組織中NLRP3炎癥小體相關(guān)的炎性分子表達(dá)水平顯著升高。而NLRP3的缺失則可保護(hù)心臟免受長期持續(xù)血管緊張素輸注造成的心功能下降，NLRP3基因敲除的小鼠在受到長期血管緊張素Ⅱ刺激后心肌細(xì)胞凋亡率明顯下降，心肌纖維化程度也明顯減輕[31]。

2 NLRP3炎癥小體與病理性心肌肥厚的治療

NLRP3在自身免疫和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮的強(qiáng)大作用使其成為一個極富吸引力的明星靶點(diǎn)。由于其作為一種促炎介質(zhì)存在，關(guān)于NLRP3激活劑的研究一般將其作為一種免疫佐劑增強(qiáng)疫苗免疫刺激和自身免疫力[32]。絕大多數(shù)NLRP3相關(guān)藥物研究則集中尋找NLRP3上游、本身以及其下游靶分子的抑制劑，減輕自身免疫性疾病和其他疾病模型中的無菌性炎癥反應(yīng)。

2.1 NLRP3炎癥小體上游相關(guān)分子與病理性心肌肥厚的治療

由于NLRP3可被多種細(xì)胞內(nèi)信號分子激活，抑制這些分子的活性成為間接抑制NLRP3活性的一種有效的治療手段。細(xì)胞內(nèi)K+外排可作為一種信號激活NLRP3，而有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)cGAS-STING軸激活可促發(fā)細(xì)胞溶質(zhì)K+的外排，從而觸發(fā)NLRP3炎癥小體激活，隨后激活I(lǐng)L-1β和IL-18的釋放，以促進(jìn)無菌性炎癥反應(yīng)。巴菲霉素、沙西加寧或dynasore(一種高效GTP酶抑制劑)可阻斷STING的激活，抑制細(xì)胞質(zhì)中K+外排，從而降低細(xì)胞內(nèi)NLRP3激活水平，減輕細(xì)胞內(nèi)炎癥反應(yīng)[33]。Li等[34]在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，在心肌細(xì)胞中以上無菌性炎癥促發(fā)機(jī)制同樣存在。

NF-κB作為一種重要的促炎基因，也可誘導(dǎo)NLRP3的激活。抑制NF-κB的激活也可降低NLRP3的激活。激活NF-κB的信號通路眾多，其中，晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(receptor of advanced glycation endproducts，RAGE)是一種先天免疫受體，可激活體內(nèi)NF-κB的活性。研究者發(fā)現(xiàn)RAGE抑制劑可通過抑制NF-κB/NLRP3/IL-1β軸減輕血管緊張素Ⅱ引起的心肌細(xì)胞肥大[35]。在心肌細(xì)胞內(nèi)，CaMKⅡ可響應(yīng)壓力超負(fù)荷，誘導(dǎo)NF-κB激活，介導(dǎo)壓力超負(fù)荷誘發(fā)的心肌細(xì)胞炎癥反應(yīng)。CaMKⅡ抑制劑KN-93治療后的心臟NLRP3激活水平明顯降低，肥厚程度也改善較為明顯[26]。Li等[36]發(fā)現(xiàn)沙庫巴曲纈沙坦對于壓力負(fù)荷過載再釋放后的心臟具有保護(hù)作用，減輕炎癥細(xì)胞浸潤、心臟纖維化和膠原沉積，延緩其向心衰方向進(jìn)展。這種保護(hù)作用與抑制NF-κB/NLRP3軸的激活有關(guān)。

細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平和活性氧含量的升高同樣是一個刺激NLRP3炎癥小體激活的危險因素。NADPH氧化酶(NADPH oxidase，NOX)是跨膜蛋白，參與催化細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生。在代謝性心肌肥厚中，NOX通過誘導(dǎo)NLRP3的激活加重心肌肥厚，而敲除NOX基因后，NLRP3表達(dá)水平明顯下降，心肌肥厚程度也明顯減輕[37]。β-羥基丁酸是一種內(nèi)源性酮體，通過升高體內(nèi)β-羥基丁酸水平可降低心肌細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平，從而發(fā)揮抑制NLRP3炎癥小體激活的作用，延緩心肌肥厚向心衰的發(fā)展[38]。

NLRP3作為一種免疫相關(guān)的模式識別受體，免疫調(diào)節(jié)劑治療對依賴NLRP3激活的心肌肥厚同樣有治療作用。在ISO誘導(dǎo)和血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)心肌肥厚模型中，免疫調(diào)節(jié)劑曲妥內(nèi)酯可通過抑制心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞NLRP3炎癥小體的活化，減輕心肌肥厚和心臟纖維化程度[39-40]。

2.2 NLRP3炎癥小體自身與病理性心肌肥厚的治療

除了上述通過抑制NLRP3上游關(guān)鍵效應(yīng)分子間接抑制NLRP3激活的方式，聚焦抑制NLRP3炎癥小體自身治療心肌肥厚的研究也層出不窮，其中最具代表性的是NLRP3抑制劑——MCC950。MCC950特異性極高，可阻斷所有刺激誘導(dǎo)NLRP3的激活，有效降低NLRP3上游多靶點(diǎn)抑制可能帶來的副作用。MCC950在2001年初次被Coll等[41]發(fā)現(xiàn)時，被當(dāng)作一種二芳基磺酰脲類藥物，可特異性阻斷IL-1β的成熟。隨后在2015年被表征為一種特異性的NLRP3抑制劑——MCC950，在多種炎癥相關(guān)疾病以及自身免疫病中發(fā)揮重要的抗炎作用。MCC950在治療壓力超負(fù)荷和持續(xù)血管緊張素Ⅱ輸注誘導(dǎo)的心肌肥厚動物模型中顯著改善了心肌肥厚和纖維化程度，減輕了炎癥細(xì)胞的浸潤[42]。在一項(xiàng)關(guān)于表觀遺傳調(diào)節(jié)酶甲基胞嘧啶雙加氧酶2在心肌重構(gòu)模型中影響的研究[43]中，發(fā)現(xiàn)甲基胞嘧啶雙加氧酶2缺失顯著加重了心肌慢性缺血和壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚，使用MCC950治療對壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心臟肥大向心衰發(fā)展有明顯的抑制作用，顯著減輕了主動脈縮窄術(shù)誘導(dǎo)的心肌肥厚的程度。一項(xiàng)探究NLRP3抑制劑對壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚治療效果的研究[44]結(jié)果顯示，MCC950通過下調(diào)鈣調(diào)磷酸酶表達(dá)和抑制絲裂原活化蛋白激酶激活來減輕壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)心臟肥大，不僅如此，MCC950治療后的心臟成纖維細(xì)胞炎癥水平和巨噬細(xì)胞浸潤程度也明顯減輕。一項(xiàng)關(guān)于SNO-MLP在心肌肥厚中作用的研究[45]中，利用NLRP3抑制劑MCC950治療或敲除NLRP3基因顯著降低了小鼠體內(nèi)caspase-1和IL-1β的水平，顯著改善心肌肥厚。

2.3 NLRP3炎癥小體下游相關(guān)分子與病理性心肌肥厚的治療

此外，抑制NLRP3下游效應(yīng)分子caspase-1、IL-18和IL-1β的激活也可減輕病理性心肌肥厚。在上述一項(xiàng)關(guān)于二氧化硅納米顆粒相關(guān)的心肌肥厚研究中，二氧化硅納米顆?？赏ㄟ^誘發(fā)溶酶體破壞激活NLRP3從而誘發(fā)心肌肥厚。研究者發(fā)現(xiàn)使用caspase-1抑制劑VX-765可通過抑制NLRPP3/caspase-1/IL-1β軸減輕心肌肥厚程度[46]。IL-18特異性抗體可阻斷ISO介導(dǎo)的早期心臟炎癥和纖維化[24]。另一項(xiàng)關(guān)于SNO-MLP在心肌肥厚中作用的研究[45]發(fā)現(xiàn)，使用中和抗體canakinumab特異性抑制NLRP3炎癥小體下游效應(yīng)分子IL-1β可顯著改善持續(xù)血管緊張素Ⅱ輸注誘導(dǎo)的心肌肥厚。由于IL-1β是自身免疫性疾病治療中的明星分子，IL-1β中和抗體canakinumab作為一種治療自身免疫性疾病的藥物已應(yīng)用于臨床。在一項(xiàng)IL-1β抑制劑canakinumab相關(guān)的臨床試驗(yàn)[47]中，接受IL-1β抑制劑canakinumab治療的自身免疫性疾病患者心血管事件發(fā)生率明顯下降。另一項(xiàng)臨床研究[48]也表明通過阻斷強(qiáng)效細(xì)胞因子IL-1β可顯著降低心血管患者死亡率和再住院率。

3 小結(jié)

綜上所述，無菌性炎癥是刺激心肌肥厚以及誘導(dǎo)心衰的關(guān)鍵驅(qū)動因素。其中，NLRP3炎癥小體活化可誘發(fā)和加劇病理性心肌肥厚，抑制NLRP3炎癥小體本身或其上下游效應(yīng)分子可顯著改善心肌肥厚以及減緩向心衰方向發(fā)展。與NLRP3炎癥小體相關(guān)的靶向藥物研究處于發(fā)展階段，部分靶向藥物已進(jìn)入臨床階段，并取得了令人滿意的結(jié)果。因此，NLRP3相關(guān)藥物治療病理性心肌肥厚具有很強(qiáng)的臨床應(yīng)用前景，值得深入探討。