NLRP3、AIM2 炎癥小體在創(chuàng)傷性腦損傷中作用的研究進(jìn)展

陶丙巖，劉羽陽(yáng)，張澤瀚，張軍

1 解放軍醫(yī)學(xué)院，北京 100853；2 解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心 神經(jīng)外科，北京 100853

創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)是指外力造成的腦部損傷，發(fā)生率很高，全世界每年有超過5 000 萬(wàn)人發(fā)生TBI[1]。依據(jù)臨床發(fā)展過程，TBI 主要包括創(chuàng)傷導(dǎo)致的原發(fā)性腦損傷和繼發(fā)性腦損傷，其中繼發(fā)性腦損傷會(huì)引起一系列復(fù)雜事件的發(fā)生，如線粒體功能紊亂、活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成等，繼而導(dǎo)致神經(jīng)炎癥的發(fā)生，其嚴(yán)重程度與患者的預(yù)后息息相關(guān)[2]。目前TBI 的救治時(shí)效性已經(jīng)得到了明顯的提高，但治療效果有限，TBI 患者的預(yù)后仍較差，因此深入研究TBI 的病理生理機(jī)制，尋找新的治療靶點(diǎn)仍是當(dāng)務(wù)之急。炎癥小體作為炎癥過程的重要組成部分，密切參與TBI 后繼發(fā)性腦損傷的發(fā)生、發(fā)展。本文總結(jié)了NLRP3、AIM2 炎癥小體在TBI中的作用機(jī)制及相關(guān)研究進(jìn)展，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 炎癥小體的結(jié)構(gòu)

炎癥小體是主要由受體蛋白、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speak-like protein containing CARD，ASC) 和胱天蛋白酶前體Procaspase-1 組成的蛋白酶復(fù)合物[3]。在功能上，炎癥小體通過活化Caspase-1，進(jìn)而將白細(xì)胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β) 前 體(pro-interleukin-1β，Pro-IL-1β)、白細(xì)胞介素18 前體(pro-interleukin-18，Pro-IL-18)裂解為成熟的IL-1β 和IL-18，之后將其分泌出細(xì)胞外，引起一系列炎癥反應(yīng)，活化的Caspase-1 也能裂解消皮素D(gasdermin D，GSDMD)，導(dǎo)致細(xì)胞焦亡的發(fā)生[4]。

炎癥小體的受體蛋白包括NOD 樣受體蛋白(NOD-like receptors，NLR) 和AIM2 樣受體蛋白(AIM2-like receptor，ALR)。其中NLR 主要包括NLRP3、NLRP4 和NLRC4，ALR 主要包括AIM2和IFI16。近年來研究較多的炎癥小體是NLRP3和AIM2，因此下文主要就NLRP3 和AIM2 炎癥小體在TBI 中的研究進(jìn)展予以概述。

2 NLRP3 炎癥小體

目前，NLRP3 炎癥小體是研究最多的炎癥小體，它由NLRP3、ASC 和Pro-caspase-1 通過蛋白-蛋白相互作用偶合而成[5]。NLRP3 炎癥小體的經(jīng)典激活途徑包括轉(zhuǎn)錄和寡聚兩個(gè)過程(圖1，Created with BioRender.com)。1) 轉(zhuǎn)錄：病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)或損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs) 被細(xì)胞膜表面的Toll樣受體(toll-like receptor，TLR)感知，誘導(dǎo)NF-κB的活化，促使NLRP3 和Pro-IL-1β 的轉(zhuǎn)錄[6]。2)寡聚：在K+外流、ROS 生成、組織蛋白酶釋放和Ca2+內(nèi)流等信號(hào)的刺激下，NLRP3 炎癥小體發(fā)生寡聚反應(yīng)，NLRP3、ASC 和Pro-caspase-1 開始組裝并將Caspase-1 激活，進(jìn)而將Pro-IL-1β、Pro-IL-18 切割加工為成熟的IL-1β 和IL-18，引起細(xì)胞焦亡和炎癥反應(yīng)的發(fā)生[7-8]。不同于經(jīng)典激活途徑，在NLRP3 的非經(jīng)典激活途徑中，Caspase-11 直接識(shí)別并結(jié)合脂多糖LPS，形成脂多糖-Caspase-11 炎癥小體，進(jìn)而切割GSDMD，生成GSDMD-C 端結(jié)構(gòu)域和GSDMD-N 端結(jié)構(gòu)域，其中GSDMD-N 可以導(dǎo)致細(xì)胞焦亡[9]。

此外，NLRP3 炎癥小體的活化也存在負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制，使炎癥小體在未受到激活物質(zhì)刺激時(shí)處于抑制狀態(tài)。細(xì)胞在未受到刺激時(shí)，ASC 位于胞核內(nèi)，胞質(zhì)內(nèi)因缺少ASC 適配器，導(dǎo)致炎癥小體無(wú)法組裝激活，從而抑制細(xì)胞焦亡和IL-1β、IL-18的成熟分泌[10]。此外，在靜息巨噬細(xì)胞中，E3泛素連接酶可以與NLRP3 結(jié)合，使NLRP3 泛素化，從而抑制炎癥小體的激活和炎癥反應(yīng)的發(fā)生[11]。

3 AIM2 炎癥小體

AIM2 炎癥小體也是研究較多的炎癥小體，它由AIM2、ASC 和Pro-caspase-1 組成。AIM2 炎癥小體的經(jīng)典激活途徑類似于NLRP3 的經(jīng)典激活途徑(圖2，Created with BioRender.com)，但不同于NLRP3 炎癥小體，AIM2 炎癥小體直接識(shí)別并結(jié)合的刺激物是胞質(zhì)內(nèi)的雙鏈DNA[12-13]。因此，AIM2 炎癥小體在宿主防御DNA 病毒或細(xì)菌感染時(shí)發(fā)揮著重要的保護(hù)作用。有研究報(bào)道，AIM2 炎癥小體還可以通過非經(jīng)典激活途徑間接誘導(dǎo)NLRP3 炎癥小體的激活，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的產(chǎn)生以及IL-1β、IL-18 的成熟和釋放[14]。

圖2 AIM2 炎癥小體的激活機(jī)制Fig.2 Activation mechanism of AIM2 inflammasome

此外，AIM2 炎癥小體的活化雖然能在機(jī)體受到DNA 病毒或細(xì)菌感染時(shí)發(fā)揮重要保護(hù)作用，但過度活化的炎癥小體也會(huì)對(duì)正常細(xì)胞造成傷害，因此，類似于NLRP3，機(jī)體也存在對(duì)AIM2 炎癥小體活化的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制，使細(xì)胞在未受刺激時(shí)維持靜息狀態(tài)[15-16]。

4 NLRP3、AIM2 炎癥小體的過度激活參與TBI的發(fā)生、發(fā)展

TBI 是一種常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷性疾病。越來越多證據(jù)表明，腦創(chuàng)傷會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷和組織損傷，并釋放多個(gè)DAMPs，進(jìn)而激活各種炎癥小體參與繼發(fā)性損傷和炎癥反應(yīng)。炎癥小體，特別是NLRP3 和AIM2 的活化在繼發(fā)性腦損傷和神經(jīng)炎癥的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用[17-18]。

有研究發(fā)現(xiàn)，在TBI 大鼠的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中，NLRP3 炎癥小體各組分及IL-1β、IL-18 表達(dá)均增加[19]。Chen 等[20]發(fā)現(xiàn)TBI 發(fā)生后NLRP3 的表達(dá)并非逐漸升高，而是隨時(shí)間具有波動(dòng)性變化，NLRP3 mRNA 的表達(dá)在TBI 發(fā)生后6 h內(nèi)開始升高，24 h 達(dá)到高峰，在這個(gè)峰值之后，NLRP3 表達(dá)下降，在TBI 發(fā)生后3 d 達(dá)到另一個(gè)峰值，在第7 天NLRP3 減少，但其表達(dá)總是高于對(duì)照組。Kerr 等[21]發(fā)現(xiàn)，TBI 發(fā)生后NLRP3 升高的現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，在TBI 患者的血清和腦脊液樣本中ASC、Caspase-1 和IL-18 的表達(dá)亦升高。另外，有研究表明在嚴(yán)重TBI 患兒腦脊液中NLRP3 含量明顯升高，且NLRP3 表達(dá)水平與TBI 患兒的預(yù)后呈顯著負(fù)相關(guān)[22]。除了NLRP3 炎癥小體，Ge 等[23]發(fā)現(xiàn)小鼠的AIM2 炎癥小體在TBI 發(fā)生后也被激活，并介導(dǎo)了腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞的焦亡，加重了顱腦損傷后血-腦脊液屏障的破壞。以上結(jié)果表明，NLRP3、AIM2、ASC、Caspase-1、IL-1β、IL-18 與TBI 密切相關(guān)，可能在評(píng)估TBI 患者的嚴(yán)重程度和預(yù)后等方面發(fā)揮重要作用。

近年來有很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)應(yīng)用某些炎癥小體抑制劑可減輕TBI 的組織損傷并促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)。Zheng 等[24]研究發(fā)現(xiàn)右美托嘧啶可以抑制NLRP3 炎癥小體活化，改善TBI 大鼠的認(rèn)知功能；Zou 等[25]研究發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇作為一種天然抗氧化劑，可以抑制ROS 的生成，干擾NLRP3炎癥小體的活化，減輕TBI 引起的損害；Xu等[26]研究表明MCC950 作為一種特定的小分子NLRP3 炎癥小體抑制劑，可以通過減少白細(xì)胞募集和IL-1β 等促炎細(xì)胞因子的生成來限制TBI 的進(jìn)展，保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞。此外應(yīng)用Caspase-1 抑制劑Ac-YVAD-cmk 也可以通過抑制NLRP3、AIM2 炎性小體的亞基Caspase-1 和關(guān)鍵的下游促炎細(xì)胞因子IL-1β、IL-18 的表達(dá)，以及阻礙GSDMD 的裂解和ASC 的寡聚來抑制TBI 后神經(jīng)炎癥和腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞的焦亡，從而減輕TBI 誘導(dǎo)的緊密連接蛋白丟失、血-腦脊液屏障損壞和腦水腫等不良并發(fā)癥的程度[23]。上述研究均表明，炎癥小體抑制劑在預(yù)防和治療TBI 繼發(fā)性腦損傷中存在潛在的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步明確了炎癥小體的活化在TBI 發(fā)生、發(fā)展過程中起著重要作用。

另外，最近的研究發(fā)現(xiàn)敲除某些炎癥小體相關(guān)基因也能達(dá)到減輕TBI 后中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥的效果。Irrera 等[27]研究發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比，在TBI 發(fā)生后24 h，NLRP3-/-小鼠的認(rèn)知功能得到了明顯保護(hù)，腦損傷較輕，腦溶解物中的炎癥介質(zhì)減少。有研究發(fā)現(xiàn)敲除NADPH 氧化酶2(NADPH oxidase 2，NOX2) 基因也可以通過減少ROS 的激活，抑制硫氧還蛋白相互作用蛋白與NLRP3 炎癥小體的結(jié)合，從而抑制炎癥小體的活化，降低IL-1β 等促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，減輕TBI 后中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥[28]。此外，Liu 等[29]發(fā)現(xiàn)不論在體內(nèi)還是體外敲除Caspase-1 均有助于抑制TBI 后的炎癥反應(yīng)，改善TBI 小鼠預(yù)后。以上研究均表明，炎癥小體可能是誘導(dǎo)TBI 炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵因素，應(yīng)用炎癥小體特異性抑制劑或抑制某些炎癥小體相關(guān)基因的表達(dá)可能對(duì)治療TBI 和抑制神經(jīng)炎癥起關(guān)鍵作用。

在過去的幾年中，神經(jīng)炎癥在神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機(jī)制中的作用越來越重要。由TBI 引起的神經(jīng)炎癥過程往往被認(rèn)為是其他神經(jīng)退行性疾病如肌萎縮側(cè)索硬化癥、阿爾茨海默病和帕金森病的危險(xiǎn)因素，目前已經(jīng)對(duì)相關(guān)生物標(biāo)志物和TBI 后各種神經(jīng)退行性疾病的預(yù)后生物標(biāo)志物進(jìn)行了廣泛的研究，但結(jié)果不理想。越來越多的研究提示，NLRP3 和AIM2 炎癥小體及其激活后釋放的分子或許可被視為潛在的生物標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)，在TBI 及其并發(fā)癥的早期識(shí)別和患者預(yù)后的改善中發(fā)揮重要作用[30]。

5 結(jié)語(yǔ)

大量研究證實(shí)了NLRP3、AIM2 炎癥小體在TBI 后引起神經(jīng)細(xì)胞死亡和炎癥反應(yīng)中所起的核心作用。但目前對(duì)于NLRC4、Pyrin 等其他類型的炎癥小體在TBI 中的研究報(bào)道相對(duì)較少，有待進(jìn)一步探尋。未來的研究方向應(yīng)更多關(guān)注不同炎癥小體之間的交互作用以及經(jīng)典激活途徑與非經(jīng)典激活途徑之間的聯(lián)系，結(jié)合炎癥小體的分子結(jié)構(gòu)和激活機(jī)制，進(jìn)一步分析參與負(fù)性調(diào)控的相關(guān)因子和信號(hào)通路，這將有助于我們發(fā)現(xiàn)新的疾病干預(yù)靶點(diǎn)，研制出選擇性更好、特異性更高的靶向藥物，為TBI 后炎癥的防治提供新的方向和線索，更加深入地揭示疾病的內(nèi)在機(jī)制，從根本上改善TBI 患者的預(yù)后。