NLRP3炎癥小體在不孕不育相關(guān)生殖疾病中的作用研究進展

馮蕾，馬昕芮，張凌云

(鄭州大學第一附屬醫(yī)院生殖與遺傳專科醫(yī)院,鄭州 450052)

2002年Martinon等[1]初次提出了炎癥小體(inflammasome)這一定義,炎癥小體能有效介導炎癥介質(zhì)激活,是體內(nèi)免疫系統(tǒng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)物質(zhì)。其主要功能是參與半胱氨酸蛋白酶-1(caspase-1)的激活,誘導產(chǎn)生尚不具有生物活性的白細胞介素1β前體(pro-IL-1β)和白細胞介素18前體(pro-IL-18),并對其進行加工使之成為具有生物活性的炎癥因子白細胞介素1β(IL-1β)和白細胞介素18(IL-18)并促使其分泌,從而誘導炎癥反應。NOD樣受體家族熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NLRP3)炎癥小體的激活涉及許多免疫和代謝紊亂疾病,例如慢性炎癥、炎癥性腸病、痛風、Ⅱ型糖尿病、動脈粥樣硬化、肥胖等。近些年來,關(guān)于炎癥小體的研究已經(jīng)拓展至生殖領(lǐng)域,其研究內(nèi)容涵蓋了女性和男性不孕不育的多種疾病,如多囊卵巢綜合征(PCOS)、子宮內(nèi)膜異位癥(EMs)、卵巢早衰(POF)、復發(fā)性流產(chǎn)(RSA)以及男性精子發(fā)生障礙等[2-6]。目前研究最深入的是NLRP3炎癥小體,調(diào)控NLRP3炎癥小體的產(chǎn)生與激活有可能成為生殖相關(guān)疾病治療的新方向。因此,本文綜述了NLRP3炎癥小體在生殖醫(yī)學領(lǐng)域不孕不育相關(guān)疾病中的作用及機制研究,以期為不孕不育相關(guān)疾病的治療提出新的思路和啟發(fā)。

一、NLRP3炎癥小體的組裝與活化

NLRP3炎癥小體是由結(jié)合分子(NLRP3)、銜接分子[包含胱天蛋白酶募集域蛋白(CARD)的凋亡相關(guān)斑點樣蛋白(ASC)]以及效應分子(caspase-1)組成的一種多聚蛋白質(zhì)復合體[7],3種組成蛋白質(zhì)之間相互作用嚴格調(diào)節(jié)炎癥小體的功能,進而調(diào)控炎癥和免疫反應,使NLRP3炎癥小體在機體的固有免疫和炎癥相關(guān)疾病發(fā)生過程中發(fā)揮重要作用[8]。

NLRP3(又稱NALP3或cryopyrin)作為一種細胞內(nèi)受體,可以通過感知外來病原體或者自我危險信號導致NLRP3炎癥小體的形成和激活。NLRP3炎癥小體具有非常廣泛的激活物,但不同激活物誘導NLRP3活化的機制并不相同,主要有兩種激活模式:病原相關(guān)分子模式(PAMPs),損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)[9]。人體的固有免疫系統(tǒng)借助模式識別受體(PRRs)識別PAMPs和DAPMs,目前為止共發(fā)現(xiàn)了3類PRRs:RIG-I樣受體(RLRs)、NOD樣受體(NLRs)、Toll樣受體(TLRs)[10]。在大多數(shù)類型的細胞中,激活NLRP3炎癥小體需要經(jīng)歷兩個步驟和兩種信號:第一信號是啟動信號,這是NLRP3炎癥小體活化的前提步驟,在該步驟中TLRs識別外來危險信號,誘導核因子Kappa B(NF-κB)介導的信號傳導通路的激活,能夠上調(diào)pro-IL-1β及NLRP3在大多數(shù)細胞中的表達水平[11-13],并且該信號激活NLRP3的轉(zhuǎn)錄后加工修飾,使之在第一信號處理后以高反應狀態(tài)迎接第二信號;第二信號即激動信號,通過PAMPs和DAMPs啟動接頭蛋白ASC和效應蛋白pro-caspase-1組成復合體蛋白質(zhì),進而活化NLRP3炎癥小體,此步驟促使pro-caspase-1剪切為caspase-1,引起成熟IL-1β和IL-18炎癥因子的產(chǎn)生與分泌[11,14]。此外,K+外流也是促使NLRP3炎癥小體激活的重要因素[15]。

NLRP3炎癥小體的激活物種類繁多,而不同種類的激活物對NLRP3炎癥小體的活化作用機理也各不相同。當前仍然需要進一步的研究工作了解NLRP3炎癥小體激活的精細機制以及各激活通路中多種信號的整合方式。

二、NLRP3炎癥小體與生殖疾病

(一)NLRP3炎癥小體與PCOS

PCOS是一種內(nèi)分泌和代謝紊亂性疾病。PCOS作為一種常發(fā)于育齡期女性的異質(zhì)性疾病,在臨床上常表現(xiàn)為閉經(jīng)、不孕、多毛、痤瘡和肥胖等,且多伴有代謝異常,如高胰島素血癥、高脂血癥和胰島素抵抗(IR),其特點包括慢性無排卵、生化和/或臨床高雄激素血癥、卵巢形態(tài)呈現(xiàn)多囊樣改變等。

PCOS也是一種慢性低度炎癥性疾病,患者的外周血及卵泡液中炎癥介質(zhì)水平均有升高[16]。炎癥因子可導致卵巢組織重建,改變卵泡的正常發(fā)育[17]。此外,PCOS患者卵巢組織中的淋巴細胞和巨噬細胞較正常人群有一定程度的升高,并且分泌出大量細胞因子激活NF-κB信號通路,致使顆粒細胞過早凋亡,使優(yōu)勢卵泡的形成受到抑制[18]。

1.PCOS與高雄激素血癥:高雄激素血癥是PCOS不孕的主要原因,長期持續(xù)的高雄激素可導致卵泡發(fā)育障礙[19]。伴有IR的PCOS患者胰島素分泌增加,通過下丘腦-垂體-性腺軸(HPGA)的負反饋以及對性激素結(jié)合球蛋白(SHBG)合成的抑制,最終將導致卵泡膜細胞合成和分泌的雄激素水平升高[20]。通過雄激素-受體和雄激素-雌二醇-受體兩條信號通路協(xié)同作用,高雄激素促使卵泡內(nèi)C型鈉肽/鈉肽受體(CNP/NPRs)異常高表達,繼而抑制促性腺激素調(diào)控的卵母細胞成熟和排卵進程,最終導致排卵障礙這一結(jié)局的產(chǎn)生[21]。此外,高雄激素也能通過激活NLRP3炎癥小體,誘發(fā)卵巢慢性低度炎癥,加重PCOS患者的炎癥反應,進一步導致包括卵巢顆粒細胞嗜酸性死亡、卵泡功能障礙和卵巢間質(zhì)細胞纖維化在內(nèi)的一系列病理學現(xiàn)象[19]。

2.PCOS與IR:IR也是導致PCOS患者慢性炎癥出現(xiàn)的原因之一[22-23]。據(jù)統(tǒng)計,有半數(shù)以上的PCOS患者存在IR,且伴有IR的PCOS患者體內(nèi)炎癥因子水平更高,這在一定程度上提示IR可能與PCOS慢性炎癥的產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)[24]。而PCOS的炎癥也將促進IR的進一步發(fā)展:超量的炎癥因子破壞PCOS患者體內(nèi)活性氧自由基(ROS)的平衡狀態(tài),導致過多的ROS通過促進細胞內(nèi)一氧化氮(NO)的產(chǎn)生而加速胰島β細胞的凋亡;過多的ROS致使葡萄糖轉(zhuǎn)運、脂肪合成及胰島素信號轉(zhuǎn)導均受到抑制;此外,過多的ROS促進脂肪分解加速導致循環(huán)中脂肪酸水平升高[25]。

3.PCOS與肥胖:30%～60%的PCOS患者為肥胖型,巨噬細胞在肥胖狀態(tài)下浸潤增加轉(zhuǎn)變?yōu)榇傺妆硇?激活NLRP3炎癥小體,誘導脂肪組織中IL-1β和IL-18成熟和分泌,因此肥胖PCOS患者的炎癥因子表達水平往往更高[22]。大量蓄積的脂肪組織可以通過分泌脂肪因子激活NF-κB信號通路,促進炎癥反應的發(fā)生,同時影響機體的脂類代謝[26]。此外,通過對信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活子3(STAT3)信號通路的調(diào)節(jié),炎癥因子還可以誘導脂肪細胞增殖,促進脂肪酸的釋放[27]。而PCOS患者卵泡液中脂肪酸升高(尤其是油酸)可以通過上調(diào)炎癥因子表達影響顆粒細胞的炎癥反應,并且可能成為卵母細胞受損的一個重要因素[28]。

4.PCOS與MicroRNA:MicroRNA(miRNA)是近年來發(fā)現(xiàn)的一種短鏈、非編碼、具有轉(zhuǎn)錄后調(diào)控功能的單鏈小分子RNA,能通過抑制轉(zhuǎn)移或促進靶mRNA的降解,對細胞的增殖和凋亡程序進行調(diào)節(jié)[29]。近年來在PCOS患者的卵泡液中發(fā)現(xiàn)了越來越多異常表達的miRNA[30],尤其在PCOS小鼠模型的卵巢組織中miR-1224-5p的相對表達大幅下調(diào),經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),miR-1224-5p可通過負調(diào)節(jié)叉頭框蛋白O1(FOXO1)的表達抑制NLRP3炎癥小體和NF-κB通路激活,并能夠在腫瘤壞死因子α(TNF-α)處理后的人卵巢顆粒細胞瘤細胞(KGN)中發(fā)揮抗炎作用[31],這提示miR-1224-5p可能是未來治療PCOS的新方向。

目前,慢性炎癥反應被認為是PCOS發(fā)病的主要原因,但其分子機制尚未明確。當前已有大量的研究強調(diào)IR、肥胖及高雄激素血癥在PCOS患者慢性炎癥反應增加過程中存在相互作用,這些反應狀態(tài)可能對PCOS發(fā)生發(fā)展有影響[32]。因此探索NLRP3炎癥小體在PCOS發(fā)病機制中的作用或許會為PCOS預防和治療帶來新思路。

(二)NLRP3炎癥小體與EMs

EMs是目前臨床治療中的挑戰(zhàn)性問題,其臨床表現(xiàn)廣泛,主要包括功能失調(diào)性子宮出血、非周期性下腹疼痛等,最常見的癥狀是進行性加重的經(jīng)期疼痛、性交困難、盆腔疼痛和不孕。EMs是一種伴有慢性炎癥的雌激素依賴型疾病。當前,EMs發(fā)病機制的探索主要集中在炎癥免疫與性激素變化上[33-34]。

目前研究認為,逆行月經(jīng)是異位子宮內(nèi)膜組織的源頭,而EMs患者體內(nèi)的炎癥反應是EMs進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素[35]。EMs不孕的原因主要有3個方面:解剖結(jié)構(gòu)扭曲改變、排卵功能障礙、微生態(tài)炎癥相關(guān)的腹膜或著床損傷,這些致病性的變化與性激素信號傳導改變相關(guān);有研究報道活性雌激素可以加重EMs相關(guān)的病理反應和臨床表現(xiàn),如炎癥反應和臨床疼痛等[36-37]。EMs患者往往存在雌激素受體表達紊亂,表現(xiàn)出雌激素依賴以及孕激素抵抗的現(xiàn)象,而炎癥反應與這一現(xiàn)象的出現(xiàn)密切相關(guān)[38-39]。雌激素介導的細胞信號改變在EMs發(fā)病機制中有著至關(guān)重要的作用,雌激素的生理作用是由雌二醇(E2)和雌激素受體ERα、ERβ結(jié)合完成的,兩種受體類型在EMs組織中均表達,兩者可共同促進EMs病變中增殖、黏附、炎癥信號的調(diào)節(jié),但兩者功能側(cè)重不同[40]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在EMs小鼠的原位子宮內(nèi)膜和異位內(nèi)膜組織中ERβ的水平較高,并且ERβ可與NLRP3相互作用并通過激活caspase-1增強炎癥小體的活性;此外,ERβ過表達的子宮內(nèi)膜間質(zhì)細胞蛻膜化反應受抑制,這一表現(xiàn)增加了與EMs相關(guān)不孕癥的發(fā)生,研究人員推測這可能與NLRP3炎癥小體有關(guān),但尚缺少進一步研究[40]。

近年來有579個參與人類炎癥和免疫的基因和15個管家基因被證實與EMs患者的炎癥和免疫反應相關(guān),其中,396個與編碼caspase-1、IL-18和NLRP3通路相關(guān)的基因在異位子宮內(nèi)膜組織樣本中存在過表達,這提示EMs的出現(xiàn)與異常炎癥小體的活化密切相關(guān)[34]。EMs小鼠模型的臨床前研究顯示,EMs組中炎性細胞浸潤、NLRP3炎癥小體形成(caspase-1、NLRP3、ASC表達上調(diào))及炎性介質(zhì)(IL-1β、TNF-α)水平升高與星形膠質(zhì)細胞升高基因-1(AEG-1)表達上調(diào)相關(guān),該基因的過表達可以通過降低細胞因子信號抑制因子1(SOCS1)促進EMs患者細胞中的NLRP3炎癥小體激活,進而導致下游炎癥反應的發(fā)生[5]。單獨沉默AEG-1基因可以升高SOCS1表達水平進而抑制NLRP3炎癥小體激活[5]。此外,NLRP3炎癥小體可以與E3泛素連接酶(TRIM24)結(jié)合,TRIM24缺乏時NLRP3炎癥小體激活增加[41]。近年來有研究發(fā)現(xiàn)雌激素是肥大細胞中NLRP3炎癥小體的主要激活劑,可以促進EMs的發(fā)生,而使用NLRP3抑制劑CY-09和MCC950在特異性抑制子宮NLRP3表達的同時抑制肥大細胞中IL-1β的產(chǎn)生,減少EMs小鼠實驗模型中的子宮內(nèi)膜損傷,改善卵巢功能,并抑制卵巢顆粒細胞的氧化應激反應,這對EMs的發(fā)展和纖維化有保護作用[42-43]。Guo等[43]的研究還顯示,Ⅲ～Ⅳ期EMs患者腹膜液中較高水平的IL-1β對NLRP3的表達上調(diào)和巨噬細胞的活化有促進作用。

子宮內(nèi)膜異位囊腫基質(zhì)細胞(ESCs)的自噬功能障礙可能是誘導NLRP3炎癥小體相關(guān)IL-1β分泌的原因之一,而雌激素可激活NLRP3炎癥小體并誘導正常的ESCs分泌IL-1β;此外,肥大細胞中NLRP3炎癥小體通過雌激素信號級聯(lián)的激活也參與了EMs的形成[39,43-44]。有研究指出高脂飲食可以通過增加巨噬細胞浸潤和增加促炎和促氧化應激信號通路相關(guān)基因的表達誘導內(nèi)膜異位病變,而NLRP3炎癥小體在肥胖的低度炎癥和IR中發(fā)揮關(guān)鍵作用,但是目前尚無直接證據(jù)證實NLRP3參與肥胖介導的EMs[45]。

目前已有多項研究表明,NLRP3炎癥小體激活與EMs的發(fā)病機制密切相關(guān),未來針對EMs發(fā)生發(fā)展中NLRP3炎癥小體作用分子機制和調(diào)節(jié)通路以及靶向抑制NLRP3炎癥小體信號通路展開進一步的研究,或?qū)镋Ms的預防和診療開拓新的研究方向。

(三)NLRP3炎癥小體與POF

POF又稱為早發(fā)性卵巢功能不全,是指40歲之前女性由于卵巢功能衰竭而出現(xiàn)繼發(fā)性閉經(jīng)、不孕癥的現(xiàn)象,患者通常也會伴有低雌激素和高促性腺激素狀態(tài)。目前已知的引起POF的病因可能有很多方面,如自身免疫性因素、染色體異常、促性腺激素受體異常以及醫(yī)源性因素等。

POF患者的免疫調(diào)節(jié)及應答能力均處于衰退狀態(tài),近年來有研究發(fā)現(xiàn)POF小鼠卵巢組織中NLRP3、caspase-1、ASC水平均比正常對照小鼠顯著升高[46]。NLRP3炎癥小體與年齡依賴性的女性生育力喪失有關(guān),抑制NLRP3炎癥小體的產(chǎn)生和激活可以改善生殖系統(tǒng)衰老相關(guān)的激素及代謝變化,減少細胞凋亡,預防卵巢衰老,從而減輕雌性小鼠的生殖衰老現(xiàn)象,延長生育力[4]。

迷迭香酸(RA)在體外或體內(nèi)對原發(fā)性卵泡衰竭均有保護作用,使用RA治療POF小鼠不僅可以抑制卵巢NLRP3炎癥小體的激活,降低炎癥細胞因子IL-1β、IL-18的分泌,還能夠調(diào)節(jié)卵巢凋亡相關(guān)蛋白的表達并改善POF小鼠黃體生成素(LH)、卵泡刺激素(FSH)等生殖激素的異常分泌[46]。艾灸作為傳統(tǒng)中醫(yī)療法,其效用包括改善免疫功能、抑制氧化應激及細胞凋亡。目前有臨床研究發(fā)現(xiàn)艾灸可以通過抑制NLRP3介導的細胞焦亡來減輕POF:一方面可以直接抑制TXNIP/NLRP3/caspase-1信號誘導的細胞焦亡;另一方面通過抑制TLR4/My88D/NF-κB信號通路間接降低NLRP3、pro-IL-1β及pro-IL-18 mRNA的表達[47]。因此,艾灸可能是一種新的POF治療策略。此外,人臍帶間充質(zhì)干細胞(HUCMSCs)通過miR-100-5p甲基化抑制NADPH氧化酶4(NOX4)/NLRP3信號通路減少細胞凋亡,改善POF,為POF的治療提供了新的方向[48]。

目前已有研究證實NLRP3炎癥小體與高齡女性生育能力下降有關(guān),抑制NLRP3的激活可減輕這一生育能力衰退現(xiàn)象,但針對其在POF中的作用機制尚未有明確的研究報告發(fā)表。激素替代療法是臨床治療POF相關(guān)癥狀最常用的方法,但該種療法存在較多副作用。近年來中醫(yī)藥療法以其高療效、高安全性的特點在POF治療中受到了廣泛關(guān)注,研究也證實艾灸能夠抑制NLRP3炎癥小體激活通路。同時,人臍帶間充質(zhì)干細胞也被證實可以通過抑制NLRP3信號通路改善POF。因此進一步探究炎癥小體在POF發(fā)生過程中的作用機制有望為預防和逆轉(zhuǎn)POF帶來新的突破。

三、總結(jié)與展望

綜上所述,炎癥小體是許多炎癥反應的中心環(huán)節(jié),在不孕不育相關(guān)的生殖領(lǐng)域中同樣發(fā)揮著重要作用。NLRP3炎癥小體通過NLRP3/ASC/caspase-1信號通路參與了多種炎癥因子的成熟與分泌,與PCOS、EMs等多種生殖疾病的發(fā)生發(fā)展過程存在密切聯(lián)系。

盡管NLRP3炎癥小體的相關(guān)研究已經(jīng)取得了重大突破,但仍有許多問題亟待解決:首先,NLRP3炎癥小體的活化調(diào)控機制在不同的病理機制和激活刺激條件下表現(xiàn)為多樣性,但其確切的機制尚不明確,探索NLRP3炎癥小體的激活調(diào)控機制是當前研究的重點。其次,許多不孕不育相關(guān)的生殖疾病均存在一定程度的炎癥反應,NLRP3炎癥小體在這些疾病中扮演的重要角色已為人們所熟知,但對于NLRP3炎癥小體是如何參與并調(diào)節(jié)疾病的發(fā)生和發(fā)展,以及其在這些疾病中的具體作用機理如何,也是后續(xù)需要不斷探索的一個重要問題。最后,目前NLRP3炎癥小體被認為是治療許多炎癥相關(guān)性疾病的可能靶點,在未來需要更多高質(zhì)量的研究才能找到既安全又有針對性的治療策略。