NLRP3炎性小體在顱腦創(chuàng)傷后神經(jīng)炎癥反應(yīng)中的作用研究進展

焦春春，冀 兵

顱腦創(chuàng)傷是常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其死亡率和致殘率較高。依據(jù)病因不同顱腦創(chuàng)傷可分為原發(fā)性腦損傷和繼發(fā)性腦損傷，其中神經(jīng)炎癥反應(yīng)是繼發(fā)性腦損傷的關(guān)鍵機制之一[1]。炎癥反應(yīng)是通過清除和控制最初的刺激，通過釋放細胞和介質(zhì)來對抗外來物質(zhì)，從而幫助防止感染、保護受損組織，盡管炎癥對人體組織有防御和修護作用，但過度的炎癥反應(yīng)會導致組織進一步的損傷[1-2]。NOD樣受體蛋白(NOD-like receptor protein，NLRP3)屬于Nod-like受體家族，被病原體和損傷相關(guān)信號激活，形成多聚蛋白復合物，屬于一種促炎因子，能促進顱腦損傷后的神經(jīng)炎癥反應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，通過抑制NLRP3炎性小體的表達和激活，可以減輕顱腦創(chuàng)傷后的神經(jīng)炎癥反應(yīng)[3]。另外，有很多小分子可以通過對NLRP3炎性小體的調(diào)控，來減輕顱腦創(chuàng)傷后的神經(jīng)炎癥反應(yīng)[4-10]。現(xiàn)就NLRP3炎性小體在顱腦創(chuàng)傷中的作用研究進展綜述如下。

1 NLRP3炎性小體及其信號通路

1.1 NLRP3炎性小體 炎性小體是由多種蛋白質(zhì)組成的復合體，炎性小體能夠調(diào)節(jié)胱冬肽酶-1(Caspase-1)的活化進而在天然免疫防御的過程中促進細胞因子白細胞介素(IL)-1β和IL-18前體pro-IL-1β和pro-IL-18的成熟和分泌，還能調(diào)節(jié)Caspase-1依賴的形式編程性細胞凋亡，誘導細胞在炎性和應(yīng)激的病理條件下死亡。其中，NLRP3是炎性小體中的一種，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是以NOD樣受體(NLR)蛋白家族作為受體蛋白、凋亡相關(guān)微粒蛋白(ASC)作為接頭蛋白、Caspase作為效應(yīng)蛋白。NLRP3炎性小體通路失調(diào)與許多人類疾病的發(fā)生發(fā)、展密切相關(guān)，如神經(jīng)炎癥、代謝性炎癥和免疫炎癥，提示NLRP3炎性小體是炎性疾病的潛在藥物靶點[11]。

1.2 NLRP3炎性小體的信號通路 NLRP3炎性小體包含3個結(jié)構(gòu)域，即富含亮氨酸的含重復受體(LRR)結(jié)構(gòu)域、核苷酸結(jié)合和寡聚結(jié)構(gòu)域(NACHT)和pyrin結(jié)構(gòu)域(PYD)。NLRP3炎性小體的激活包括啟動和激活兩個階段[11]，①在啟動階段：細菌內(nèi)毒素如脂多糖(LPS)可以通過核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB途徑激活Toll-4樣受體(TLR4)受體、調(diào)控NLRP3炎性小體和炎性細胞因子前體pro-IL-1β和pro-IL-18的表達；此外，有研究表明，在啟動階段NLRP3的去泛素化作用也可以調(diào)控NLRP3炎性小體的活化[12]。②激活階段：當LRR結(jié)構(gòu)域識別“危險”信號時，氨基末端的PYD與凋亡相關(guān)微粒蛋白的PYD結(jié)構(gòu)域相互作用，進而通過Caspase募集結(jié)構(gòu)域(CARD-CARD)相互作用招募單體pro-Caspase-1，這些蛋白經(jīng)寡聚后，pro-Caspase-1被裂解為具有活性的Caspase-1，從而促進pro-IL-1β和pro-IL-18成熟和分泌。NIMA相關(guān)的激酶7(Nek7)位于嘌呤能受體(P2X7)和鉀外排的下游，通過其催化結(jié)構(gòu)域與NLRP3的LRR結(jié)構(gòu)域結(jié)合，形成NLRP3-Nek7復合物，并調(diào)控NLRP3炎性小體的組裝和激活[13]。另外，LPS在人單核細胞中通過激活含TIR結(jié)構(gòu)域的適配器誘導干擾素β(TLR4-TRIF)-Caspase-8途徑，促進NLRP3炎性小體的激活和IL-1β的成熟，是NLRP3炎性小體激活階段的另一種途徑[2，11]。

2 顱腦創(chuàng)傷與神經(jīng)炎癥反應(yīng)

顱腦創(chuàng)傷是指發(fā)生于頭顱部的外傷，以跌墜傷和撞傷最為多見，常發(fā)生于交通事故、災難中，顱腦創(chuàng)傷后的腦損傷可以分為原發(fā)性腦損傷和繼發(fā)性腦損傷，繼發(fā)性腦損傷是一個漸進的過程，發(fā)生在幾分鐘到幾天內(nèi)，其病理機制包括氧化應(yīng)激、神經(jīng)炎癥和線粒體功能障礙，最終導致神經(jīng)元損傷和死亡[14-16]。神經(jīng)炎癥是一種細胞和分子反應(yīng)，旨在清除感染或損傷產(chǎn)生的病原體和死亡/受損細胞，并幫助受損區(qū)域恢復正常狀態(tài)，但過度的炎癥反應(yīng)會導致進一步的組織損傷，被認為是繼發(fā)性細胞損傷的主要原因，直接損傷細胞，并促進其他損傷因素，如氧化應(yīng)激和水腫的形成[2]。

神經(jīng)炎癥反應(yīng)是指中樞神經(jīng)系統(tǒng)的廣泛免疫反應(yīng)，可在外周或大腦內(nèi)啟動。正常情況下，由于血腦屏障的存在，外周的免疫細胞及促炎介質(zhì)無法進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，當顱腦創(chuàng)傷后血腦屏障被破壞導致的外周白細胞進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，進而產(chǎn)生神經(jīng)炎癥反應(yīng)。研究表明，在沒有免疫細胞外周浸潤的情況下，神經(jīng)系統(tǒng)也會受到常駐腦細胞(主要是小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞)的持續(xù)免疫監(jiān)視，因此，神經(jīng)元損傷在不破壞血腦屏障和伴隨白細胞浸潤的情況下能觸發(fā)膠質(zhì)細胞活化，進而導致神經(jīng)炎癥反應(yīng)[2，17-18]。研究發(fā)現(xiàn)，腦細胞表達特殊的模式識別受體(PRRs)可以感知病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)和危險/損害相關(guān)分子模式(DAMPs)，PAMPs是典型的在感染組織中積累的外來分子，而DAMPs是在患病大腦中發(fā)現(xiàn)的錯誤折疊的蛋白質(zhì)、聚集的肽或錯誤定位的核酸[2]。顱腦創(chuàng)傷后數(shù)小時內(nèi)從外周循環(huán)招募的中性粒細胞通過促進水腫和氧化應(yīng)激以及炎性細胞因子和神經(jīng)毒性蛋白酶的產(chǎn)生來介導早期發(fā)病機制，由于顱腦創(chuàng)傷后血腦屏障可能被破壞，導致外周炎性細胞進入大腦和受傷區(qū)域，通過在血腦屏障上的作用以及直接的化學吸引，趨化因子包括CXCL8和CCL2(也稱為單核細胞趨化蛋白-1)分別是中性粒細胞和單核細胞向損傷部位遷移的關(guān)鍵介質(zhì)。一旦進入大腦，這些細胞就會釋放過多的炎性細胞因子、趨化因子和活性氧(ROS)，促進中樞神經(jīng)炎癥反應(yīng)[19]。

3 NLRP3炎性小體在顱腦創(chuàng)傷后神經(jīng)炎癥反應(yīng)中的作用

3.1 NLRP3炎性小體在顱腦創(chuàng)傷中的作用 NLRP3炎性小體是一種多蛋白復合物，由Caspase-1、NLRP3和銜接蛋白組成。研究發(fā)現(xiàn)，顱腦創(chuàng)傷后在皮質(zhì)神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞中能檢測到NLRP3炎性小體，其產(chǎn)生的機制主要是在顱腦創(chuàng)傷后激活了NLRP3炎性小體，導致凋亡相關(guān)微粒蛋白和Caspase-1的上調(diào)，進而促進IL-1β和IL-18的成熟，從而導致顱腦創(chuàng)傷后炎癥級聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展。另外，炎癥體成分凋亡相關(guān)微粒蛋白或NLRP3的“敲除”可以減少體外IL-1β的產(chǎn)生[3]。此外，一些研究表明，NLRP3炎性小體也參與了腦炎、腦膜炎、阿爾茨海默病、亨廷頓氏病、帕金森病等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的炎癥反應(yīng)[20]。由此可知，通過抑制或阻礙NLRP3 炎性小體的組裝能夠有效地抑制下游炎性因子的釋放，控制炎癥，從而減輕顱腦損傷[3，21]。

3.2 靶向調(diào)控NLRP3通路 研究發(fā)現(xiàn)很多小分子能直接或間接靶向調(diào)控NLRP3炎性小體通路，如微小核糖核酸(MicroRNA-223)、小分子抑制劑(MCC950)、JC124、Apelin-13、ω-3脂肪酸(ω3 FAs)等。①顱腦損傷后NLRP3炎性小體途徑被激活，可誘導神經(jīng)炎癥反應(yīng)從而導致腦水腫、神經(jīng)功能損傷，而MicroRNA-223能通過反饋NLRP3炎性小體調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)和腦損傷，NLRP3 mRNA在其3′UTR中包含保存的miR-223綁定站點，miR-223可以通過這3′UTR站點直接調(diào)節(jié)NLRP3表達，減輕神經(jīng)炎癥反應(yīng)和神經(jīng)功能損傷[4-5]。②MCC950是一種有效的、選擇性的小分子NLRP3炎性小體抑制劑，其干預可減輕腦水腫、縮小病灶體積、改善長期運動和認知功能、改善創(chuàng)傷性顱腦損傷術(shù)后神經(jīng)系統(tǒng)預后；MCC950通過抑制NLRP3誘導的凋亡相關(guān)斑點樣蛋白的寡聚來阻止NLRP3炎性小體的激活，進而減少了IL-1β和IL-18的釋放，從而減少炎性細胞因子的產(chǎn)生和炎性細胞的浸潤[6-7]。③JC124(新型NLRP3抑制劑)治療顱腦創(chuàng)傷后繼發(fā)性腦損傷,可明顯降低損傷性退化神經(jīng)元的數(shù)量、損傷腦內(nèi)炎性細胞反應(yīng)。在顱腦創(chuàng)傷后經(jīng)JC124干預，導致NLRP3、凋亡相關(guān)微粒蛋白、IL-1、Caspase-1等炎性因子表達水平降低，進而減輕顱腦創(chuàng)傷后的神經(jīng)炎癥反應(yīng)，表明JC124對顱腦損傷后腦損傷具有特殊的抗炎作用[8]。④Apelin是一種具有77個氨基酸的肽，是G蛋白偶聯(lián)受體APJ的內(nèi)源性配體。Apelin-13結(jié)合APJ可通過腺苷單磷酸活化蛋白激酶(AMPK)/硫氧還原型相互作用蛋白(TXNIP)/NLRP3信號通路降低顱腦損傷后的氧化應(yīng)激和神經(jīng)炎癥反應(yīng)，從而減輕早期腦損傷。研究發(fā)現(xiàn)，Apelin-13通過其受體APJ激活AMPK，從而促進TXNIP的磷酸化和降解，進一步抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的過度活化并降低NLRP3的水平[9]。⑤ω-3FAs是一種潛在的抗炎劑，研究表明，用ω3脂肪酸處理的大鼠比沒有用ω-3FAs處理的大鼠顱腦創(chuàng)傷后誘導的Caspase-1裂解和IL-1β分泌明顯減少[10]。G蛋白偶聯(lián)受體40(GPR40)抑制劑GW1100能夠降低ω-3 FAs在顱腦創(chuàng)傷后改善神經(jīng)元死亡和行為缺陷的能力，進而消除了ω-3FAs的抗炎作用，GPR40的下游支架蛋白β-Arrestin-2(ARRB2)通過與ω-3 FAs治療組中的NLRP3直接結(jié)合來激活以抑制炎癥[10]。由此可知，在顱腦損傷后ω-3 FAs能調(diào)節(jié)NLRP3炎性小體的活化，進而減輕顱腦損傷。

4 小結(jié)與展望

創(chuàng)傷性顱腦損傷具有高發(fā)病率、高致殘率和高致死率的特點，給整個社會和個人帶來了巨大的經(jīng)濟負擔。炎性小體可以通過擴大炎癥反應(yīng)信號誘導中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，其中NLRP3炎性小體是研究的熱點之一，顱腦創(chuàng)傷后通過啟動NLRP3炎性小體的激活，促進其下游炎性因子的釋放，誘導神經(jīng)炎癥反應(yīng)的發(fā)生。由于NLRP3炎性小體具有在顱腦創(chuàng)傷后促進神經(jīng)炎癥反應(yīng)的作用，因此，NLRP3炎性小體可成為治療顱腦創(chuàng)傷的新靶點。相信隨著對顱腦損失機制的進一步研究和靶點的細化，會發(fā)現(xiàn)更多抗炎物質(zhì)，為治療顱腦創(chuàng)傷提供更多新的選擇。