NLRP3炎性小體在中樞神經系統(tǒng)疾病中的作用研究進展

張鵬飛，于春澤，于建云，楊力*

昆明醫(yī)科大學 1.人體解剖學與組織胚胎學系，2.法醫(yī)學院，昆明 650500

炎癥是具有血管系統(tǒng)的活體組織對損傷因子所發(fā)生的防御反應。神經炎癥是神經系統(tǒng)疾病發(fā)病機制的重要組成部分，過度的神經炎癥會導致神經元死亡、加劇神經系統(tǒng)疾病的發(fā)展，抑制神經炎癥有助于神經元的存活，改善神經系統(tǒng)疾病的癥狀和預后。大量研究證實，促炎因子白介素-1β（IL-1β）、白介素-18（IL-18）和腫瘤壞死因子TNF-α在炎癥反應中起關鍵作用。最近研究發(fā)現(xiàn)NLRP3炎性小體可介導IL-1β和IL-18釋放，對引發(fā)炎性反應部位的細胞焦亡至關重要。目前對神經系統(tǒng)疾病與炎性因子的研究較多，但對神經系統(tǒng)疾病與NLRP3炎性小體之間關系的研究還在起步階段，探明它們間的具體關系和作用將對闡明中樞神經系統(tǒng)疾病的發(fā)病機制和提高治療效果具有重要意義。本文對NLRP3炎性小體在常見神經系統(tǒng)疾病中的作用進行綜述。

1 炎性小體的結構與功能

2002年，炎性小體（inflammasome）首次被描述為激活caspase-1的多蛋白復合物。當時觀察到它們在單核細胞和巨噬細胞中高度表達。之后發(fā)現(xiàn)，炎性小體也在腦內皮細胞、肺內皮細胞和腸上皮細胞中廣泛表達。炎性小體通常由傳感器、適配器和效應器組成。炎性小體以其傳感器命名，至今已鑒定出多種炎性小體。炎性小體包括核苷酸結合寡聚結構域樣受體家族（nucleotide binding oligomeric domain like receptor，NLRs）、黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）和Pyrin炎癥小體。作為炎性小體主要代表的NLRs包含有多個亞型，其中，NLRP 1由1個pyrin結構域（pyrin domaincontaining 1，PYD-containing 1）組成；NLRP 3由3個結構域（pyrin domain-containing 1，PYD-containing 3）組成；NAIP是NLR家族凋亡抑制蛋白；NLRC 4由4個胱天蛋白酶激活和募集結構域（caspase activation and recruitment domain-containing 4，CARD-containing 4）組成；此外，還有NLRP 2，NLRP 6，NLRP7，NLRP9和NLRP12等NLR家族蛋白[1]。

正常情況下，炎性小體可通過其依賴的細胞因子促進損傷細胞的有效清除和組織修復，從而促進組織再生；同時，炎性小體可協(xié)調宿主對入侵病原體的免疫反應和宿主衍生的危險信號；炎性小體還能維持體內促炎和抑炎因子平衡。病理條件下，炎癥小體的激活與自身炎性疾病和自身免疫性疾病的發(fā)展有關，如結腸炎、I型糖尿病、多發(fā)性硬化癥、白癜風等，可導致過度的炎性反應。慢性炎性小體活化還與代謝綜合征、神經退行性疾病以及癌癥進展有著緊密的聯(lián)系[2]。隨著近年研究的深入，NLRP3炎性小體在創(chuàng)傷性腦損傷、帕金森病、阿爾茨海默病、肌萎縮性側索硬化癥、多發(fā)性硬化癥、腦缺血、創(chuàng)傷性脊髓損傷等中樞神經系統(tǒng)疾病中的重要作用引起了廣泛關注。

2 NLRP3炎性小體在中樞神經系統(tǒng)疾病中的作用

2.1 NLRP3炎性小體在創(chuàng)傷性腦損傷中的作用

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是全球人口死亡和殘疾的最常見原因之一。TBI可導致創(chuàng)傷后應激障礙、慢性創(chuàng)傷性腦病和慢性神經炎癥。創(chuàng)傷性腦損傷幸存者可能面臨暫時或永久性殘疾，如認知、運動、感覺功能受損，或情緒功能紊亂。這些問題不僅困擾患者的生活，而且會對家庭和社會產生持久的影響。目前，顱腦損傷的治療主要集中于延緩神經元的退變、促進神經元再生、糾正多種神經膠質細胞狀態(tài)，以及為腦駐留細胞提供更適宜的微環(huán)境。

在創(chuàng)傷性腦損傷后，神經炎癥是顯著加重腦組織損傷并導致功能缺陷的關鍵因素。研究報道，炎性小體在調控TBI的繼發(fā)性損傷過程中具有重要意義。多種炎性小體，尤其是NLRP3炎性小體在損傷腦組織的神經元、星形膠質細胞和小膠質細胞中被檢測到，其可誘導神經炎癥反應和神經元死亡，加重腦神經組織的損傷，與TBI的發(fā)病機制關系極為密切[3]。NLRP 3炎性小體由3個蛋白亞基組成：傳感器NLRP 3、銜接蛋白ASC和效應器蛋白caspase-1。NLRP 3蛋白激活后先進行寡聚，然后募集并結合ASC，部分ASC將pro-caspase-1切割成其活性異構體caspase-1，最后NLRP 3、ASC與caspase-1結合形成完整的NLRP3炎性小體[4]。caspase-1通過裂解非活性的前體異構體pro-IL-1β和pro-IL-18形成活躍結構IL-1β和IL-18。這些細胞因子參與感染和創(chuàng)傷的免疫反應，進而導致炎癥的發(fā)展。因此，caspase-1、IL-1β和IL-18通?？勺鳛镹LRP3炎性小體激活的指標。研究顯示，中度TBI后NLRP3炎性小體的基因和蛋白質水平均有明顯的上調[5]。有學者發(fā)現(xiàn)嬰幼兒腦損傷后第1 d腦脊液中NLRP 3水平升高，第2 d水平降低，第3、4 d水平再次升高[6]。NLRP3的早期升高可能是由于細胞壞死或創(chuàng)傷性溶解，而晚期升高則可能是感染、細胞應激或其他炎性小體激活所致[6]。NLRP3炎性小體在腦損傷后被激活；抑制NLRP3炎性小體可使腦損傷模型小鼠的炎癥減輕和神經功能改善[5]。有學者采用高壓氧療法研究觀察到，高濃度氧可以抑制NLRP3炎性小體激活，并抑制小鼠創(chuàng)傷性腦損傷后的炎癥反應[7]。說明NLRP3炎性小體參與TBI的炎癥反應，而它的抑制很可能作為治療TBI的一種新的重要途徑。

2.2 NLRP3炎性小體在阿爾茨海默病中的作用

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’sdisease，AD）是一種最常見的神經退行性疾病，其典型病理特征是細胞外淀粉樣斑塊、tau蛋白過度表達及神經纖維纏結形成，同時伴有膠質細胞激活和神經炎癥[8]，導致患者記憶喪失和認知功能衰退，從輕度認知障礙發(fā)展為完全喪失語言能力和生活自理能力。

免疫系統(tǒng)參與AD發(fā)病機制已被廣泛接受，越來越多的證據表明自體免疫和神經炎癥過程之間存在活躍的交互作用。在AD的發(fā)病機制中，NLRP 3炎性小體發(fā)揮重要作用。它可以刺激先天免疫應答從而啟動炎癥反應，釋放促炎因子IL-1β和IL-18，并在疾病發(fā)生發(fā)展過程中持續(xù)激活[9]，導致神經功能障礙和神經元凋亡。NLRP 3炎性小體可以調控caspase-1的活化、IL-1β和IL-18的成熟，在AD腦組織內顯著增加，與疾病的發(fā)生發(fā)展相關[10]。NLRP3炎性小體已被證明與淀粉樣斑塊共定位，其水平在AD大腦中顯著升高。NLRP 3炎性小體的激活可通過減弱小膠質細胞吞噬Aβ的作用從而增強Aβ聚集，促進神經炎癥和tau病變的發(fā)展。有文獻報道，培養(yǎng)的星形膠質細胞中加入Aβ后，NLRP 3炎性小體顯著活化；對ASC或NLRP 3缺陷小鼠腦內注射Aβ后，tau磷酸化水平和病變特征顯著下降[11]，說明Aβ誘導的tau病變依賴于NLRP3炎性小體。因此，靶向NLRP3炎性小體很可能成為一種潛在的AD治療方法。

2.3 NLRP3炎性小體在帕金森病中的作用

帕金森病（Parkinson disease，PD）是一種進行性神經退行性疾病，主要由于中腦黑質多巴胺能神經元變性死亡和路易小體（Lewybody，LB）形成所致。研究表明，小膠質細胞激活和神經炎癥可能是帕金森病多巴胺能神經元丟失的關鍵調節(jié)因素。小膠質細胞的激活和促炎介質在大腦中的過度釋放可導致共刺激分子的表達，從而導致神經炎癥和神經功能障礙。最近發(fā)現(xiàn)，PD患者的腦黑質組織中，激活的小膠質細胞和NLRP3炎性小體均顯著增加，多巴胺能神經元數量減少[12]，進而引起神經功能異常。通過PD轉基因小鼠研究發(fā)現(xiàn)，肺內NLRP 3炎性小體激活引起的外周炎癥可將炎癥細胞滲透到腦組織內，引起中樞炎癥反應，導致多巴胺能神經元退化[13]。這些研究表明炎性小體與PD的發(fā)生發(fā)展存在重要關系，但該方向的研究尚少，進一步探明小膠質細胞及NLRP3炎性小體與帕金森病的關系將為深入闡明其發(fā)病機制奠定基礎。

2.4 NLRP3炎性小體在肌萎縮性側索硬化癥中的作用

肌萎縮性側索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是由運動皮層，腦干和脊髓內的運動神經元退化引起的成人發(fā)作性進行性神經退行性疾病[14]，可以導致肌肉萎縮和癱瘓。有研究發(fā)現(xiàn)NLRP3炎性小體在SOD1G93A大鼠（ALS轉基因鼠）大腦中大量激活。在ALS患者和ALS模型小鼠中均觀察到NLRP3激活及其蛋白水平的上調；caspase-1和IL-1β共同在ALS病理發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用[15]。此外，在ALS死亡患者脊髓中也發(fā)現(xiàn)NLRP 3、ASC、IL-18和caspase-1水平升高。這些研究支持NLRP 3炎性小體在ALS的發(fā)病機制中具有重要作用，并提示NLRP3炎性小體的靶向調控可能是ALS的一種適宜的神經保護策略。

2.5 NLRP3炎性小體在多發(fā)性硬化癥中的作用

多發(fā)性硬化癥（multiple sclerosis，MS）是一種多因子、免疫介導的中樞神經系統(tǒng)疾病，以炎癥、脫髓鞘和神經退行性變?yōu)樘卣?。當前還沒有針對MS的有效療法，需要進一步闡明驅動MS病理的機制，以探求可以顯著改善疾病進展的治療方法。多發(fā)性硬化患者的病變嚴重程度與IL-1、IL-18、caspase-1水平密切相關。EAE轉基因小鼠血清中ILs和caspase-1水平均顯著升高。同時，在EAE模型小鼠的脊髓中也觀察到NLRP3表達增加，而Nlrp3-/-小鼠的病變嚴重程度降低、星形膠質細胞增生減少、炎癥細胞浸潤減少，癥狀得到改善[16]。上述研究說明，詳細評估抑制NLRP3在多發(fā)性硬化癥中的神經保護作用，將為多發(fā)性硬化癥的有效治療提供新的切入點；探索抑制NLRP3活化的藥物及方法將對有效治療MS提供新的希望。

2.6 NLRP3炎性小體在腦缺血中的作用

腦缺血與神經功能缺失、認知功能障礙和嚴重腦損傷高度相關，其發(fā)生發(fā)展機制被證實與神經炎癥密切相關，是腦缺血后繼發(fā)腦損傷的主要因素。NLRP 3作為腦缺血后神經炎癥反應的重要介質，介導神經細胞損傷和神經炎性反應[17]。銜接蛋白ASC和效應蛋白caspase-1是NLRP3炎性復合體的重要組成部分，研究顯示腦缺血后ASC和caspase-1的表達水平均明顯升高，并在調節(jié)IL-1β和IL-18的裂解和釋放中發(fā)揮重要作用[18]；NLRP 3炎性小體在腦缺血后通過產生促炎因子IL-1β和IL-18加劇神經炎性反應[19]；敲除NLRP3基因可以減少腦缺血后腦組織壞死體積并減輕神經元的損傷[20]；說明NLRP3炎性小體在腦缺血的發(fā)病過程中發(fā)揮著重要作用，抑制NLRP3的表達可為腦缺血的治療提供新的思路。

2.7 NLRP3炎性小體在創(chuàng)傷性脊髓損傷中的作用

創(chuàng)傷性脊髓損傷（traumatic spinal cord injury，TSCI）會引起強烈的炎癥反應，包括小膠質細胞激活和促炎因子釋放，導致永久性損傷。近期有研究探索了TSCI與炎性小體的關系。脊髓損傷可誘導脊髓中NLRP 1炎性小體組分的表達。脊髓損傷可上調NLRP1炎性小體成分的mRNA和蛋白水平，包括NLRP 1、ASC、caspase-1，進而提高促炎因子IL-1β和IL-18的水平[21]。在脊髓損傷實驗模型中，血紅素加氧酶-1可減弱NLRP 1表達，從而減少神經元細胞死亡、改善神經功能。NLRP3炎性小體的激活和表達水平的增加發(fā)生于脊髓損傷后，并在脊髓神經炎癥反應過程中發(fā)揮重要作用。口服甘草酸治療，可通過抑制NLRP 3炎性小體激活來降低NLRP 3炎性小體成分（包括NLRP 3、ASC和caspase-1）以及IL-1β和IL-18的表達，并促進TSCI的功能恢復[22]。這證明NLRP 3炎性小體很可能是脊髓損傷中的重要介質和治療靶點。

有趣的是，雖然在黑色素瘤2（AIM2）炎性小體中不包含任何NLR家族成員，但AIM2活化后，也可與ASC相互作用，招募caspase-1形成炎性小體，導致IL-1β和IL-18的釋放以及炎癥反應。近期研究發(fā)現(xiàn)，AIM2主要在正常脊髓的神經元、星形膠質細胞、小膠質細胞和少突膠質細胞中表達，當脊髓損傷后，其表達明顯增加[23]。

鑒于脊髓損傷后炎癥變化的特點，炎性小體的抑制及炎癥反應的阻斷將是今后TSCI研究的重要領域。

2.8 NLRP3炎性小體在其它神經系統(tǒng)疾病中的作用

除上述研究外，NLRP3炎性小體還在其它神經疾病中被發(fā)現(xiàn)。例如，拉斯穆森腦炎（Rasmussen's encephalitis，RE）是一種以抽搐和進行性認知障礙為特征的炎癥性腦病，RE患者的皮層和白質樣本中IL-1、IL-18、NLRP1、NLRP3和caspase-1均出現(xiàn)高表達[24]。NLRP 3在顳葉癲癇患者顳新皮層的表達上調，且主要出現(xiàn)在局部的神經元、星形膠質細胞和小膠質細胞[25]。促炎因子和趨化因子等炎性介質也與神經性疼痛的發(fā)展有關，NLRP3炎性小體在神經性疼痛的發(fā)病機制中發(fā)揮關鍵作用；注射miR-186可顯著降低三叉神經痛小鼠促炎因子IL-1β和IL-18水平，同時miR-186可能通過靶向NLRP3炎性小體減輕三叉神經痛[26]。

3 NLRP3炎性小體激活及調節(jié)機制

3.1 NLRP3炎性小體的啟動與激活

NLRP 3炎性小體的激活包括經典途徑和非經典途徑。經典途徑需要兩步完成，啟動信號使NLRP3炎性小體成分和相關分子的轉錄上調，隨后的激活信號使NLRP3蛋白寡聚并結合ASC，進行炎癥小體活化。啟動主要有兩個功能：一是上調炎性小體成分NLRP 3，caspase-1和pro-IL-1β的表達，這種轉錄上調可以通過識別各種病原相關分子模式、微生物相關分子模式或損傷相關分子模式來誘導，經識別Toll樣受體、NOD 2、TNF或IL-1β等因子，導致NF-κB激活和基因轉錄；二是誘導NLRP3的翻譯后修飾（protein translational modifications，PTMs），使NLRP 3穩(wěn)定在一個自抑制的無活性狀態(tài)。在啟動之后，NLRP3炎性小體可被多種刺激物激活，包括ATP、K+離子載體、血紅素、顆粒物、病原體相關RNA、細菌和真菌毒素及其成分，但尚未觀察到它們與NLRP3炎性小體的相互作用，基于它們在生化上的差異，可能會具有誘導某些細胞信號的作用。此外，還發(fā)現(xiàn)多種分子和細胞信號轉導作用，如離子通量、線粒體功能障礙和活性氧物質（reactive oxygen species，ROS）的產生以及溶酶體破壞，均可激活NLRP 3炎性小體[27]。非經典激活途徑可通過CASP11依賴的、ZBP 1依賴的和TAK 1依賴的機制誘導NLRP3炎性小體激活[28]。

3.2 NLRP3炎性小體的調節(jié)機制

在NLRP3炎性小體激活的過程中常伴有多種調控機制，包括NLRP 3翻譯后的修飾，并以泛素化和磷酸化最為明顯。NLRP 3泛素化在NLRP 3炎性小體激活中可能發(fā)揮雙向作用，并取決于泛素連接酶和泛素化類型。也有研究顯示NLRP3的磷酸化可能對炎性小體的激活具有反作用，但具體機制不清楚。NLRP 3炎性小體激活的過程還與其它蛋白的作用相關。Hsp 90可保護NLRP 3免受蛋白酶和自噬降解，Hsp 90招募SGT 1到NLRP3形成復合物，維持NLRP3處于不活躍但信號正常的狀態(tài)。PKR的敲除或抑制可減少炎性小體介導的caspase-1激活以及IL-1和IL-18成熟，從而抑制炎性小體的激活。TXNIP作為氧化傳感器與NLRP3相互作用后能激活NLRP 3炎性小體。PKR和MARK 4也可通過與NLRP 3相互作用促進其激活。另有研究發(fā)現(xiàn)，所有對NLRP 3的刺激，無論是否誘導K+外流以及NLRP3突變，需要Nek 7激活NLRP3炎性小體，因此Nek 7成為NLRP3寡聚化的近端調節(jié)因子和NLRP3炎性小體的組裝成分，是激活過程中的關鍵調節(jié)因子[29]。最近研究證實，DDX3X也是NLRP 3炎性小體激活所必需的一種蛋白，DDX3X參與應激顆粒形成，通過隔離DDX3X形成的應激顆粒能夠抑制NLRP 3炎性小體的激活[30]。這些研究說明參與NLRP3激活的蛋白種類較多、調控過程復雜，還需要大量深入的研究以闡明其確切的調節(jié)機制。

盡管炎性小體激活的下游結果是炎癥和細胞死亡，但控制配體檢測和每個炎性小體傳感器激活的分子機制截然不同，關鍵是NLRP3炎性小體激活過程被精確調節(jié)以提供足夠的免疫保護而不會對宿主組織造成損害。

4 展望

本文對NLRP 3炎性小體在多種常見中樞神經系統(tǒng)疾病中的作用進行歸納總結，并陳述NLRP3炎性小體的主要激活及調節(jié)機制。隨著免疫學研究的發(fā)展，人們更加清晰地觀察到NLRP3炎性小體在不同神經系統(tǒng)疾病中具有重要意義，深入闡明中樞神經疾病中NLRP3炎性小體的作用將為全面理解疾病的發(fā)生發(fā)展、提出以NLRP3炎性小體抑制劑為核心的特異性靶向治療方法奠定基礎。