NLRP3炎性小體在炎癥疾病中的研究進展

李　翔，劉紅梅(綜述)，林文源(審校)

(宜昌市第二人民醫院 三峽大學第二人民醫院檢驗科，湖北 宜昌 443000)

NLRP3炎性小體在炎癥疾病中的研究進展

李翔※，劉紅梅(綜述)，林文源(審校)

(宜昌市第二人民醫院 三峽大學第二人民醫院檢驗科，湖北 宜昌 443000)

摘要：炎癥是清除體內危險刺激的一種防御反應，炎性小體通過促炎細胞因子的裂解并使其成熟來調節炎癥。NLRP3炎性小體能活化胱天蛋白酶(caspase)1，并引起白細胞介素(IL)1β、IL-18和IL-33等促炎細胞因子的分泌，參與機體抵抗病原體免疫應答。各種內源或外源的刺激可通過不同的信號通路激活NLRP3炎性小體來活化caspase-1。該文介紹了NLRP3炎性小體的結構、激活途徑及其對非感染性炎癥疾病的研究進展。

關鍵詞：NLRP3炎性小體；炎癥；白細胞介素1β

固有免疫是機體防御的第一道屏障，其通過模式識別受體識別病原相關分子模式，激活下游信號通路，進而引起炎癥反應來抵抗病原體入侵。機體內的模式識別受體主要有4類，包括Toll樣受體(toll-like receptor，TLR)、NOD樣受體、C型凝集素受體和視黃酸誘導基因1受體[1]。NOD樣受體在固有免疫和宿主生理學中發揮著至關重要的作用[2]。NLRP3(NACHT、LRR and PYD domains-containing protein 3)炎性小體是一種存在于細胞質中的蛋白復合物，依賴胱天蛋白酶(caspase)1的分子平臺促進白細胞介素(interleukin，IL)1β和IL-18的成熟和釋放，并引起炎癥反應[3]。一旦體內對NLRP3炎性小體的調控失衡，可能生成過量的IL-1β和IL-18，而引發一系列炎癥性疾病。現就NLRP3炎性小體在人類多種炎癥疾病中的研究進展予以綜述。

1NLRP3炎性小體

NLRP3炎性小體是目前研究最多的NLR家族成員，由NLRP3、接頭蛋白ASC(apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruitment domain)和前體caspase-1組成。ASC是NLRP3炎性小體的一種重要的接頭蛋白，連接上游的NLRP3和下游的前體caspase-1。caspase-1是NLRP3炎性小體的效應蛋白，而前體caspase-1本身無催化活性，可通過自身催化激活，一旦被激活，能將無活性的促炎細胞因子IL-1β和IL-18的前體剪切加工為成熟的IL-1β和IL-18。NLRP3炎性小體主要表達于中性粒細胞、巨噬細胞、單核細胞和樹突狀細胞，其表達誘導炎癥反應[4]。資料顯示，激活NLRP3炎性小體需兩個步驟：①啟動信號，通過核因子κB途徑使NLRP3 炎性小體和IL-1β的前體轉錄；②激活信號，微生物或者危險相關分子模式直接激活炎性小體[5]。

2NLRP3炎性小體的激活途徑

NLRP3炎性小體能識別多種病原相關分子模式及內源性危險信號，但其是如何通過共同的下游通路激活NLRP3炎性小體的尚不清楚，激活的具體機制也存在著較大的爭議，目前其模式假說主要有4種[6]：①胞內鉀離子外流是激活NLRP3 下游的必要信號，胞外的腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)能結合細胞表面的P2X7受體，從而打開其控制的離子通道，同時細菌毒素引起膜孔的形成，觸發胞內鉀離子外流[7]；②活性氧類(reactive oxygen species，ROS)對炎性小體的激活至關重要[8]，Zhou等[9]研究提示，線粒體來源的ROS是激活NLRP3 炎性小體的關鍵信號，在細胞中加入ROS抑制劑乙酰半胱氨酸后，胞內的caspase-1活化水平顯著降低，細胞因子IL-1β 的生成也明顯減少；③結晶或微粒物質等激活劑導致細胞吞噬小體的不穩定和組織蛋白酶B的釋放，從而激活NLRP3 炎性小體[10]；④微生物毒素或Ⅲ型和Ⅳ型分泌系統的轉位元件通過介導微孔結構使NLRP3炎性小體活化[11]。

3NLRP3炎性小體與炎癥疾病

NLRP3炎性小體能被多種內外因素所激活，炎癥體在激活的同時影響許多代謝疾病。研究表明，NLRP3炎性小體與脂質、糖類代謝密切相關[12]。

3.1NLRP3與口腔疾病早前的研究發現，與健康人齦溝液相比，牙周病患者病變組織的齦溝液中IL-1β顯著增高，提示NLRP3炎性小體可能通過IL-1β的釋放在牙周病炎癥反應中發揮重要作用[13]。Bostanci等[14]利用反轉錄聚合酶鏈反應檢測發現，與對照組相比，牙周病患者NLRP3的表達水平顯著增高，IL-1β和IL-18表達水平也顯著增高，提示NLRP3 的表達與IL-1β和IL-18呈正相關，NLRP3信號分子參與了抵御牙周病原微生物的反應。牙齦卟啉單胞菌(porphyromonas gingivalis，Pg)被認為參與了牙周疾病和動脈粥樣硬化的惡化。在牙周細胞，Pg通過激活NLRP3炎性體通路改變了IL-1β的表達，有研究在Pg感染和Pg-脂多糖刺激后，調查NLRP3炎性小體激活內皮細胞的情況，在這兩種情況下，可用5×10-3mmoL ATP預處理內皮細胞，反轉錄聚合酶鏈反應證明NLRP3信使RNA水平升高；然而，免疫印跡分析顯示，Pg感染使NLRP3蛋白水解和主要天然蛋白質減少，之后用ATP預處理或Pg-脂多糖刺激，沒有觀察到蛋白水解，NLRP3蛋白水平有所增加；用熱滅活的Pg感染內皮細胞也未觀察到NLRP3蛋白的蛋白水解作用；用Pg感染ATP預處理的細胞，放線菌酮抑制內皮細胞的蛋白質合成，但并未使NLRP3的蛋白降解；此外，用ATP預處理或Pg-脂多糖刺激后IL-1β的分泌顯著升高，但不是Pg感染后；這些數據表明，Pg和Pg-脂多糖在內皮細胞激活NLRP3炎性小體有差異，并建議通過Pg開發出一種新的潛在機制，以減少IL-1β的分泌和逃避宿主的免疫應答[15]。

3.2NLRP3與腎臟疾病在巨噬細胞中需要兩個刺激途徑產生促炎細胞因子IL-1β，包括TLR/核因子κB通路和NLRPs/ASC/caspase-1通路。外源性和內源性不同的信號觸發炎癥反應明顯，其中，對引發炎癥的內源性刺激物的作用知之甚少。作為血紅蛋白的組成部分之一，當溶血或廣泛的細胞損傷導致炎癥反應時游離血紅素被釋放。研究發現，血紅素在巨噬細胞中通過激活NLRP3炎性小體誘導IL-1β的分泌；血紅素還可通過P2X受體尤其是P2X7R和P2X4R激活NLRP3炎性小體；同時研究證明，血紅素是活化NLRP3炎性小體潛在的危險活化劑，在腎臟炎癥過程中對IL-1β的分泌起著的重要作用，并為先天免疫引發的機制提供了新的見解；進一步的研究將有利于開發新的分子靶點，并為治療腎臟炎癥分子提供診斷指標[16]。晶體是內源性的無機或有機成分，可觸發腎損傷時沉積或腎內形成的微粒。幾十年的研究都集中在溶質的過飽和度和晶體形成的分子機制，晶體引起的腎臟炎癥腎病至今仍不清楚。NLRP3炎性小體被證明是引發炎癥和急性腎損傷的草酸鹽腎病，磷酸鈣晶體、尿酸、半胱氨酸、腺嘌呤、某些藥物或造影劑及在橫紋肌溶解癥和輕鏈發性骨髓瘤潛在的肌紅蛋白，與潛在的先天免疫機制推動結晶腎病有關[17]。

3.3NLRP3與2型糖尿病NLRP3炎性小體在2型糖尿病中起到關鍵作用。Zheng等[18]研究推測，NLRP3基因的變異(NLRP3基因兩個常見的變種是rs10754558和rs4612666)可能導致2型糖尿病易患性，通過對952例2型糖尿病患者和871例健康人采用聚合酶鏈反應檢測，顯示2型糖尿病患者rs10754558的GG基因型和G等位基因頻率均顯著高于對照組(GG型，19.6%比14.5%，P= 0.019;G等位基因，43.9%比39.8%，P= 0.013)；且rs10754558的GG基因型具有較高的低密度脂蛋白膽固醇水平與胰島素抵抗，可用于評價胰島素抵抗指數；NLRP3基因變種(rs10754558)參與胰島素抵抗，增加了我國漢族人群2型糖尿病的風險。NLRP3炎性小體已經牽涉于胰島素抵抗和β細胞功能衰竭誘導肥胖；內源性大麻素通過激活外周大麻素受體1(cannabinoids，CB1)導致胰島素抵抗，同時促進β細胞衰竭。Jourdan等[19]研究表明，糖尿病大鼠β細胞衰竭與CB1受體信號轉導無關，而是M1巨噬細胞浸潤到胰腺的胰島細胞，并認為這會導致激活巨噬細胞的NLRP3-ASC 小體， 這對體外孵化的野生型人類或嚙齒動物的巨噬細胞的復制有影響，但不通過內源性大麻素激活CB1受體-缺陷型或NLRP3(-/-)小鼠中巨噬細胞；外周CB1受體封鎖，體內的巨噬細胞耗竭或CB1受體巨噬細胞特異性剔除可逆轉或阻止這些變化，使血糖恢復正常和葡萄糖誘導胰島素的分泌。這些研究結果提示，內源性大麻素和炎性體激活使β細胞功能衰竭，認為識別巨噬細胞表達的CB1受體可作為2型糖尿病的治療靶點。

3.4NLRP3與動脈粥樣硬化NLRP3炎性小體在動脈粥樣硬化中的作用仍存在爭議。Zheng等[20]通過對8周齡載脂蛋白E缺陷的小鼠進行高脂肪喂養，4周后對NLRP3干預或注射模擬病毒懸液；4周后第1次注射慢病毒，通過病理組織學分析和反轉錄聚合酶鏈反應評估了NLRP3基因沉默對斑塊成分的穩定性和膽固醇流出及膠原代謝的影響；結果顯示，NLRP3基因沉默抑制斑塊進展，同時抑制促炎細胞因子的產生；此外，這種RNA干擾減少巨噬細胞和脂質的斑塊含量，并增加平滑肌細胞和膠原蛋白斑塊的含量，從而導致動脈粥樣硬化斑塊的穩定。因此，NLRP3炎性小體可能在動脈粥樣硬化中起著至關重要的作用，慢病毒介導的NLRP3基因沉默將是一個新的戰略，以抑制斑塊進展并減少局部炎癥。此外，膽固醇晶體是動脈粥樣硬化斑塊中最早被確定的NLRP3炎性小體激活物。研究表明，細胞外的膽固醇結晶能夠被單核細胞或巨噬細胞吞噬后，以膽固醇酯的形式儲存，而膽固醇結晶導致的IL-1β升高完全依賴于NLRP3炎性小體的激活，但具體的機制尚不清楚[21]。隨著技術的發展，膽固醇結晶在動脈粥樣硬化中的作用仍需進一步研究。

3.5NLRP3與痛風痛風是一種常見的以血清尿酸升高和關節內結晶的單鈉尿酸鹽沉積反復發作為特點的自身炎癥性疾病。越來越多的證據表明，單鈉尿酸鹽晶體誘發的炎癥是TLRs固有免疫的一個范例，NLRP3炎性小體和IL-1受體途徑參與痛風的發展[22]。固有免疫成分TLR-2、TLR-4、CD14、NLRP3、ASC、caspase-1及caspase募集結構域8對痛風性炎癥的發展至關重要。最近的研究表明，固有免疫組分基因功能的突變對自身炎癥性疾病(包括遺傳性周期性發熱綜合征、關節炎以及炎癥性腸病)的發展做出貢獻[22]。臨床遺傳學研究需要進一步推進，以確認先天免疫中痛風在病因學中的作用。Meng等[23]研究探討NLRP3基因17單核苷酸多態性的遺傳變異與原發性痛風性關節炎的關系，對480例原發性痛風患者和480例對照者進行基因型與表型分析，發現rs7512998的基因頻率與對照組患者相比顯著不同(P<0.05)，而其余的單核苷酸多態性位點差異無統計學意義；NLRP3基因17單核苷酸多態性的單倍型表示個別的單核苷酸多態性與原發性痛風關節炎顯著相關；CTATCAGCGCCCAGTGC是在病例和對照組中最常見的單倍型，頻率分別為0.224和0.243，雖然沒有顯著的關系被確定，但這是首次研究調查NLRP3基因的單核苷酸多態性與原發性痛風性關節炎的風險之間的關聯。今后還需進一步的臨床研究和功能分析探索NLRP3基因多態性與原發性痛風性關節炎風險之間的潛在關聯。

3.6NLRP3與阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)AD是一種慢性神經變性疾病，特征為進行性的神經元喪失和認知功能衰退。低聚β淀粉樣蛋白通過影響突觸的可塑性和長時程抑制參與AD的發病機制。中樞神經系統的小膠質細胞在AD的發展中有神經毒性，但是低聚β淀粉樣蛋白是如何誘導小膠質細胞的神經毒性的機制尚不清楚。Parajuli等[24]研究表明，低聚β淀粉樣蛋白促進了IL-1β前體分泌為成熟的IL-1β，同時提高了小膠質細胞的毒性作用。Tan等[25]研究表明，在 AD轉基因小鼠模型中，NLRP3的抑制作用可能主要來自記憶力減退和減少低聚β淀粉樣蛋白沉積，推測變異NLRP3基因也可能影響AD的易患性；在1133例晚發性AD患者和1159例健康對照者中選定3個功能的單核苷酸多態性NLRP3基因(rs2027432、rs10754558和rs35829419)進行基因分型，在調整了年齡、性別和載脂蛋白E基因ε4狀態后，5′-側翼rs2027432多態性似乎與晚發性AD最相關，而rs10754558的基因型頻率僅在載脂蛋白E基因ε4攜帶者差異有統計學意義，提示，NLRP3基因遺傳變異可能會導致我國北方漢族患晚發性AD的風險[26]。

4小結

隨著研究的深入，研究者對NLRP3炎性小體有了較多的認識，不僅發現了很多不同的激活劑，還發現其與炎癥性疾病的發生密切相關。但NLRP3炎性小體在體內對免疫反應的調控及其在炎癥疾病中的作用機制均需進一步明確。炎性小體的發現為探討炎性相關疾病的發病機制開辟了新的途徑，深入對IL-1β和IL-18上游調控靶點的NLRP3炎性小體進行研究，可為相關炎性疾病的防治提供新的策略，為臨床應用提供理論依據。

參考文獻

[1]Liu D,Rhebergen AM,Eisenbarth SC.Licensing Adaptive Immunity by NOD-Like Receptors[J].Front Immunol,2013,4:486.

[2]Maekawa T,Kracher B,Vernaldi S,etal.Conservation of NLR-triggered immunity across plant lineages[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2012,109(49):20119-20123.

[3]Latz E.The inflammasomes:mechanisms of activation and func-tion[J].Curr Opin Immunol,2010,22(1):28-33.

[4]Guarda G,Zenger M,Yazdi AS,etal.Differential expression of NLRP3 among hematopoietic cells[J].J Immunol,2011,186(4):2529-2534.

[5]Franchi L,Munoz-Planillo R,Nunez G.Sensing and reacting to microbes through the inflammasomes[J].Nat Immunol,2012,13(4):325-332.

[6]Jin C,Flavell RA.Molecular mechanism of NLRP3 inflammasome activation[J].J Clin Immunol,2010,30(5):628-631.

[7]Kanneganti TD,Lamkanfi M,Kim YG,etal.Pannexin-1-mediated recognition of bacterial molecules activates the cryopyrin inflammasome independent of Toll-like receptor signaling[J].Immunity,2007,26(4):433-443.

[8]Cassel SL,Eisenbarth SC,Iyer SS,etal.The Nalp3 inflammasome is essential for the development of silicosis[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2008,105(26):9035-9040.

[9]Zhou R,Yazdi AS,Menu P,etal.A role for mitochondria in NLRP3 inflammasome activation[J].Nature,2011,469(7329):221-225.

[10]Halle A,Hornung V,Petzold GC,etal.The NALP3 inflammasome is involved in the innate immune response to amyloid-beta[J].Nat Immunol,2008,9(8):857-865.

[11]Yu HB,Finlay BB.The caspase-1 inflammasome:a pilot of innate immune responses[J].Cell Host Microbe,2008,4(3):198-208.

[12]Wen H,Ting JP,O′Neill LA.A role for the NLRP3 inflammasome in metabolic diseases--did Warburg miss inflammation?[J].Nat Immunol,2012,13(4):352-357.

[13]Gamonal J,Acevedo A,Bascones A,etal.Levels of interleukin-1 beta,-8,and -10 and RANTES in gingival crevicular fluid and cell populations in adult periodontitis patients and the effect of periodontal treatment[J].J Periodontol,2000,71(10):1535-1545.

[14]Bostanci N,Emingil G,Saygan B,etal.Expression and regulation of the NALP3 inflammasome complex in periodontal diseases[J].Clin Exp Immunol,2009,157(3):415-422.

[15]Huck O,Elkaim R,Davideau JL,etal.Porphyromonas gingivalis-impaired innate immune response via NLRP3 proteolysis in endothelial cells[J].Innate Immun,2015,21(1):65-72.

[16]Li Q,Fu W,Yao J,etal.Heme induces IL-1beta secretion through activating NLRP3 in kidney inflammation[J].Cell Biochem Biophys，2014,69(3):495-502.

[17]Mulay SR,Evan A,Anders HJ.Molecular mechanisms of crystal-related kidney inflammation and injury.Implications for cholesterol embolism,crystalline nephropathies and kidney stone disease[J].Nephrol Dial Transplant，2014,29(3):507-514.

[18]Zheng Y,Zhang D,Zhang L,etal.Variants of NLRP3 gene are associated with insulin resistance in Chinese Han population with type-2 diabetes[J].Gene，2013,530(1):151-154.

[19]Jourdan T,Godlewski G,Cinar R,etal.Activation of the Nlrp3 inflammasome in infiltrating macrophages by endocannabinoids mediates beta cell loss in type 2 diabetes[J].Nat Med，2013,19(9):1132-1140.

[20]Zheng F,Xing S,Gong Z,etal.Silence of NLRP3 suppresses atherosclerosis and stabilizes plaques in apolipoprotein E-deficient mice[J].Mediators Inflamm，2014,2014:507208.

[21]Rajamaki K,Lappalainen J,Oorni K,etal.Cholesterol crystals activate the NLRP3 inflammasome in human macrophages:a novel link between cholesterol metabolism and inflammation[J].PLoS One，2010,5(7):e11765.

[22]Qing YF,Zhang QB,Zhou JG.Innate immunity functional gene polymorphisms and gout susceptibility[J].Gene，2013,524(2):412-414.

[24]Parajuli B,Sonobe Y,Horiuchi H,etal.Oligomeric amyloid beta induces IL-1beta processing via production of ROS:implication in Alzheimer′s disease[J].Cell Death Dis，2013,4:e975.

[25]Tan MS,Yu JT,Jiang T，etal.The NLRP3 inflammasome in Alzheimer′s disease[J].Mol Neurobiol，2013,48(3):875-882.

[26]Tan MS,Yu JT,Jiang T,etal.NLRP3 polymorphisms are associated with late-onsetalzheimer′s disease in Han Chinese[J].J Neuroimmunol，2013,265(1/2):91-95.

Research Progress of NLRP3 Inflammasome in Inflammatory DiseasesLIXiang,LIUHong-mei,LINWen-yuan.(DepartmentofClinicalLaboratory,YichangSecondPeople′sHospital,theSecondRlospitalofThreeGorgeUniversity,Yichang443000,China)

Abstract:Inflammation is a protective response to remove dangerous stimuli from the body.The inflammasome regulates inflammation through the cleavage of proinflammatory cytokines into mature forms.NLRP3 inflammasome can activate caspase-1 that causes the secretion of pro-inflammatory cytokines such as interleukin (IL)-1β,IL-18 and IL-33 to participate the immune response to pathogens.All sorts of endogenous or exogenous stimuli can activate NLRP3 inflammasome to further activate caspase-1 through different signaling pathways.Here is to introduce the structure of NLRP3 inflammatory corpuscle,activation ways and recent studies of noninfectious inflammatory disease.

Key words:NLRP3 inflammatory； Inflammation； Interleukin-1β

收稿日期：2015-04-13修回日期：2015-06-30編輯：鄭雪

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.24.012

中圖分類號：R392.11

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)24-4451-04