NLRP3炎性小體、膽固醇結晶與動脈粥樣硬化關系的研究進展

羅彩云，丁家望，鄭霞霞，周天

(三峽大學第一臨床醫學院，宜昌市中心人民醫院心內科，湖北 宜昌 443002)

NLRP3炎性小體、膽固醇結晶與動脈粥樣硬化關系的研究進展

羅彩云，丁家望，鄭霞霞，周天

(三峽大學第一臨床醫學院，宜昌市中心人民醫院心內科，湖北 宜昌 443002)

動脈粥樣硬化(AS)與血管內皮功能障礙、炎癥、自身免疫等多種因素有關，是以血管壁炎癥反應為基礎的慢性病理過程。近來研究表明，炎性小體(Inflammasome)是炎癥反應的核心。炎性小體作為固有免疫的一種模式識別受體，通過激活半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶1(Caspase1)，介導炎性因子的分泌，參與各種炎癥性疾病包括動脈粥樣硬化的發生發展。膽固醇結晶被認為是動脈粥樣硬化病變的標志，作為內源性物質之一能激活NOD樣受體蛋白3(NLRP3)炎性小體，促進動脈粥樣硬化的發展。為了給研究動脈粥樣硬化抗炎癥治療提供新思路、新靶點，我們現將炎性小體活化及調控與膽固醇結晶、動脈粥樣硬化關系研究進展做一綜述。

NLRP3炎性小體；膽固醇結晶；動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化(Atherosclerosis，AS)是一種慢性炎癥性疾病，固有免疫和適應性免疫均參與動脈粥樣硬化的炎癥病理過程。炎性小體(Inflammasome)作為固有免疫的重要組成成分，能被多種病原相關分子模式或損傷相關分子模式激活，活化半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶1(Cysteine aspartate-specific protease 1，Caspase1)介導炎癥反應[1]，從而參與痛風、Ⅱ型糖尿病、動脈粥樣硬化等多種疾病的發展過程。動脈粥樣硬化斑塊病變具有脂質異常沉積、炎性細胞聚集、巨噬細胞游移、平滑肌增生等特點。近期研究表明，膽固醇結晶作為內源性分子能夠激活炎性小體，促進動脈粥樣硬化的發展[2]。動脈粥樣硬化疾病嚴重威脅著人類的健康，本文將從炎性小體、膽固醇結晶與動脈粥樣硬化三者的關系出發，為研究動脈粥樣硬化抗炎癥治療提供新靶點。

1 NLRP3炎性小體概述

NLR(Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors，NLRs)家族中NLRP3是最受關注的炎性小體，它是由NOD樣受體蛋白3(Nod-likereceptor protein，NLRP3)、凋亡相關微粒蛋白(Apoptosis-associated speck-like protein，ASC)和Caspase1組成的復合體。NLRP3是炎性小體的核心，由中心核苷酸寡聚結構域、C端亮氨酸重復結構域、N端熱蛋白結構域三部分構成。NLRP3在被多種刺激因素激活后形成巨大的蛋白復合體即炎性小體，活化Caspase1(即IL-1β轉化酶)，進而促進炎癥因子IL-1β和IL-18剪切成熟和分泌，發揮炎癥效應[3]。NLRP3炎性小體功能的發揮受到其自身結構的影響。近來研究發現，Caspase募集結構域蛋白8(Caspase recruitment domain-containing protein 8，CARD8)與Caspase1相互作用而對NLRP3炎性小體起負調控作用[4]。炎性小體的活性也與翻譯后修飾調控的水平相關，去泛素化酶BRCC3能促進NLRP3的C端亮氨酸重復結構域去泛素化而活化炎性小體[5]；而NLRP3磷酸化則會抑制ASC形成。

2 NLRP3炎性小體激活機制

炎性小體在多種固有免疫細胞及組織中表達。研究表明，NLRP3炎性小體在靜息細胞中表達水平較低，被雙信號激活后而發揮生物學效應[6]。啟動信號是由TOLL樣受體或細胞因子受體介導，通過活化核因子NF-κB(Nuclear factor-kappa，NF-κB)途徑上調NLRP3基因表達[7]。激活信號來自細菌或病毒核酸、代謝性刺激物如尿酸鹽結晶、β-淀粉樣蛋白等多種外源性或內源性分子。NLRP3炎性小體能被多種化學結構不同的物質激活，但是，目前尚未證實這些配體能直接結合NLRP3炎性小體，其識別物質的多樣性提示NLRP3炎性小體與激動劑并不直接相互作用。目前研究認為激活NLRP3炎性小體機制主要包括3種：(1)活性氧(Reactive oxygen species，ROS)產生：線粒體來源的活性氧是調節NLRP3炎性小體活化的關鍵信號[8]。線粒體產生的硫氧化還原蛋白(Thioredoxin-interacting protein，TXNIP)能夠激活表達于心臟微血管內皮細胞的NLRP3炎性小體[9]。(2)溶酶體降解：膽固醇結晶經吞噬細胞內吞作用進入胞內，降低溶酶體膜的穩定性，使溶酶體內容物組織蛋白酶B進入細胞質，促進NLRP3炎性小體的活化[2，16]。(3)鉀離子外流：細胞內低鉀濃度促進炎性小體的組裝與活化，有研究認為，鉀離子外流是NLRP3炎性小體激活的共同通路[10]。

以上激活炎性小體的機制并不是單獨發揮作用，而是通過相互作用或者存在共同通路共同促進NLRP3炎性小體的激活。炎性小體的激活和調節受多種因素的影響，鈣敏感受體[11]、鳥苷酸結合蛋白5[12]和雙鏈RNA依賴的蛋白激酶[13](Double-stranded RNA-activated protein kinase，PKR)及miR223[14]等在其中發揮了重要作用。

3 膽固醇結晶與NLRP3炎性小體

動脈粥樣硬化疾病危險因素如高膽固醇、高血糖、高甘油三酯等會導致血管內皮細胞和平滑肌細胞線粒體損傷，使活性氧產生過多、氧化低密度脂蛋白(Oxidized low-density lipoprotein，oxLDL)增加，對動脈內膜造成功能性損傷，更多的巨噬細胞通過CD36受體吞噬oxLDL轉變為泡沫細胞，促進動脈粥樣硬化的發展[15]。膽固醇結晶存在于動脈粥樣硬化基本病變脂紋、纖維斑塊到復雜病變的各個階段，被認為是動脈粥樣硬化的病變標志。Duewell等[2]利用新的觀察技術發現微小的膽固醇結晶出現于動脈粥樣硬化斑塊形成早期，并與早期階段浸潤的炎癥細胞同時出現，能激活NLRP3炎性小體，介導Caspase1活化和成熟IL-1β大量釋放。他們推測，膽固醇結晶作為內源性分子激活NLRP3炎性小體促進動脈粥樣硬化的發展。Rajamaki等[16]的研究結果進一步證實NLRP3炎性小體的激活依賴于膽固醇結晶介導的K+外流和溶酶體降解。膽固醇結晶與NLRP3炎性小體在動脈粥樣硬化疾病中的相互作用引起了極大的關注，為探究其中的機制，許多學者進行了深入的研究。在AS中，內質網應激在泡沫細胞積聚的膽固醇結晶的誘導下通過未折疊或錯誤折疊蛋白的積聚來激活炎性小體[17]。除此之外，膽固醇調控元件結合蛋白2(Sterol regulatory element binding protein 2，SREBP2)參與膽固醇生物合成及LDL攝取以維持膽固醇體內的平衡，但是，當SREBP2表達增強與高血脂協同作用時，可激活炎性小體引起內皮細胞功能紊亂，促進動脈粥樣硬化斑塊的形成[18]。動脈粥樣硬化斑塊形成的重要環節包括內皮細胞的活化及炎性細胞的募集，內皮細胞的活化是炎性細胞募集的先決條件，有研究發現，膽固醇結晶是通過補體系統活化內皮細胞[19]，進一步促進NLRP3炎癥小體的激活和炎癥因子的釋放。因此，膽固醇結晶在AS早期即發揮重要作用，也是炎性小體的主要激活物，是否還有其他相關信號如核內轉錄因子2 (NF-E2-related factor-2，Nrf2)[20]參與調控膽固醇結晶誘導的炎癥小體激活，有待進一步深入研究。

4 NLRP3炎性小體與AS

AS是血管性病變，炎癥反應在動脈粥樣硬化疾病的發生發展中發揮著重要作用。早期的炎癥反應起保護作用，炎癥反應過度可引起組織損傷、粥樣斑塊不穩定、破裂甚至心血管突發事件。炎性小體作為炎癥反應的核心，與動脈粥樣硬化發病機理有著密切的關聯。NLRP3炎性小體在AS斑塊中高表達，并且，巨噬細胞內oxLDL參與NLRP3炎性小體的調控，提示NLRP3炎性小體可能參與介導AS炎性反應過程[2，15]。內皮細胞和巨噬細胞從血液中攝取的膽固醇，可形成微小膽固醇結晶，而膽固醇結晶導致的IL-1β升高完全依賴于NLRP3炎癥小體的激活[2]。NLRP3炎性小體激活后活化Caspase1，促進炎癥因子IL-1β、IL-18分泌和釋放。IL-1β水平與動脈粥樣硬化疾病嚴重程度相關[21]。IL-1 β促進其他細胞因子和趨化因子的合成和分泌，誘導巨噬細胞活化及淋巴細胞激活、血管平滑肌細胞遷移和增生，并增加細胞與細胞間的相互作用及促進細胞凋亡、胞外膽固醇的堆積。沉積的結晶進一步使巨噬細胞中溶酶體破裂和活性氧產生，活化NLRP3炎性小體。同時活化的Caspase1能介導單核巨噬細胞等受到病原體感染或內源性因素刺激后引起的細胞焦亡[22]，使巨噬細胞釋放內容物組織金屬蛋白酶，降低斑塊的穩定性。上述機制形成正反饋，使得斑塊面積增加及穩定性下降。動脈粥樣硬化病變中顯著增強的氧化應激反應、內質網應激與NLRP3炎癥小體的相互作用也是斑塊穩定性下降的原因。

為探究NLRP3炎性小體在AS中的作用，大量研究人員建立了NLRP3炎性小體與AS相關性的實驗模型。高脂飲食的載脂蛋白E基因缺陷(Apolipoprotein E deficient，APOE-/-)的小鼠敲除Caspase1基因可以減弱動脈粥樣硬化斑塊的形成[23]。同樣的，低密度脂蛋白受體缺陷的小鼠與NLRP3-，ASC-或者IL-1a/Iβ基因缺陷的小鼠骨髓進行重組，并給予高膽固醇飲食后，觀察到動脈粥樣硬化斑塊面積明顯減少，IL-18表達水平降低[2]。這表明NLRP3炎性小體參與動脈粥樣硬化疾病的發生發展。但是隨后Menu等[24]通過對各類(APOE-/-NLRP3-/-、APOE-/-ASC-和APOE-/-Caspas e-/-)基因雙敲除小鼠的研究發現，各組間斑塊面積、巨噬細胞浸潤和斑塊穩定性都沒有顯著性差異。目前，造成這兩組實驗結果不一致的原因尚不清楚，可能與實驗模型處理因素有關。為進一步驗證NLRP3炎性小體與AS的關系，Zheng等[25]運用慢病毒載體介導的RNA干擾技術對載脂蛋白E基因缺陷的小鼠進行處理，成功沉默NLRP3基因后發現炎癥因子浸潤和斑塊內脂質積聚減少、組織金屬蛋白酶表達降低，結果證明，抑制NLRP3炎性小體能穩定動脈粥樣硬化斑塊。

由此可見，NLRP3炎性小體的活化及相關炎癥因子的釋放與動脈粥樣硬化的發生、發展、轉歸有著密切的聯系。抑制NLRP3炎性小體能穩定動脈粥樣硬化斑塊，降低因不穩定斑塊造成的心血管事件的風險，并對動脈粥樣硬化疾病起保護作用。

5 抗炎性小體的治療策略

NLRP3炎性小體是目前研究最廣泛的炎性小體，動脈粥樣硬化、糖尿病、痛風等各種炎癥性疾病和自身免疫性疾病均有炎性小體的參與。以NLRP3炎性小體為靶點的抗炎癥治療是目前減輕疾病發生發展的重要治療措施。Toldo等[26]的研究證明急性心梗老鼠模型腹腔內注射單克隆IL-1β IgG抗體，較對照組能明顯改善收縮功能障礙、抑制心肌凋亡、限制心室擴張，表明抑制IL-1β能改善急性心梗后心肌重塑，抗IL-1β藥物可能成為預防急性心梗并發心衰靶向目標。目前，抗IL-1β藥物主要有阿那白滯素、康納單抗、利納西普三種，臨床有效性均已得到證實。但是，Toldo等[26]的研究也證實抑制IL-1β并不能控制無菌性炎癥反應的程度。提示僅僅通過抑制炎癥因子來達到治療疾病的效果是遠遠不夠的。近來發現，在疾病發展的早期，以NLRP3炎癥小體自身組分或激活機制為治療靶點，不僅可以抑制炎癥因子的釋放，還能抑制細胞的凋亡及減輕組織的損傷。如小分子藥物包括格力本、小白菊內酯、P2X7受體(Purinergic 2X7 receptor)拮抗劑AZD9056等[27]。新的研究發現，MCC950小分子對AIM2、NLRC4及NLRP1炎性小體沒有抑制作用，但卻能特異性抑制NLRP3激活，其作用的發揮與抑制ASC低聚化、Caspase-1依賴的細胞程序性死亡及IL-1α分泌有關[28]。而β-羥基丁酸(β-hydroxybutyrate，BHB)能抑制ATP誘導的Caspase1剪切及IL-1β的活化，抑制ASC低聚化及ASC形成，并且，BHB還可影響細胞內鉀濃度，從而通過這條共同通路抑制激活物激活NLRP3炎性小體[29]。這些NLRP3炎癥小體的小分子抑制劑將為治療動脈粥樣硬化等疾病提供廣闊前景。

6 結語

動脈粥樣硬化是一種慢性血管炎癥性疾病，涉及低密度脂蛋白的氧化、血管內皮細胞損傷、氧化應激、高膽固醇血癥等多種因素，其中血管內皮下脂質斑塊的形成是動脈粥樣硬化的標志。現有研究證實，膽固醇結晶、炎性小體及其之間的相互作用與動脈粥樣硬化的發生發展有著密切的關聯，這為動脈粥樣硬化的預防及治療提供了新的思路。膽固醇結晶活化炎性小體主要通過K+外流、活性氧產生、溶酶體破裂及線粒體損傷等激活機制，但是涉及其具體的分子機制以及是否存在其他通路還有待于進一步證實，影響炎癥小體的組裝和調控因素也不是很清楚，小分子抑制劑是否有明顯的臨床療效，這些問題值得深入的探究。

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Roles of NLRP3 inflammasome and cholesterol crystals in the development of atherosclerosis.

LUO Cai-yun,DING Jia-wang,ZHENG Xia-xia,ZHOU Tian.The First College of Clinical Medical Science,China Three Gorges University,Department of Cardiology,the Central People's Hospital of Yichang,Yichang 443002,Hubei,CHINA

Atherosclerosis(AS)is the chronic inflammation of the blood vessel wall,which is associated with a variety of factors such as vascular endothelial dysfunction,inflammation and autoimmune.Recent studies have shown that the inflammasome is the core of the inflammatory response.Inflammasome,one of the innate immune pattern recognition receptors,can activate Cysteine aspartate-specific protease 1(Caspase 1)and promote the release of inflammatory cytokines,then participate in the development of many inflammatory diseases including atherosclerosis.Cholesterol crystals are the sign of atherosclerotic lesions.As one of endogenous substances,they can activate the NOD-like receptor protein 3(NLRP3)inflammasome and promote the development of atherosclerosis.For providing a new target for anti-inflammatory therapy,this article will focus on the roles of inflammasome and cholesterol crystals in the development of atherosclerosis.

NLRP3 inflammasome;Cholesterol crystals;Atherosclerosis

R543.5

A

1003—6350（2016）11—1837—04

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.11.037

2015-10-09)

湖北省自然科學基金（編號：2014CFC1035）

丁家望。E-mail：Dingjiawang@medmail.com.cn