NOD樣受體蛋白3炎性小體與肺部疾病的研究進展

蔡治祥 王曉武 李莉 畢生輝 陳漢威

1廣州市番禺區中心醫院（廣州511400）；2中國人民解放軍南部戰區總醫院心血管外科中心（廣州510010）

肺是機體溝通外界的主要場所，它容易受外界大氣、微粒粉塵及病原微生物因素的影響，導致肺組織損傷、炎癥以及感染相關的呼吸性肺病［1］。在抵御外來物質入侵過程中，NOD 樣受體蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）炎性小體能夠識別外源性病原體病原相關分子模式（pathogen associated molecular pattern，PAMPs）或內源性損傷相關分子模式（damage associated molecular pattern，DAMPs），并經模式識別受體（pattern recognition receptors，PRR）活化后介導下游通路炎性因子的表達來調控炎癥反應［2-4］，是機體固有免疫應答的重要組成部分。近年來研究［5-6］表明，炎性小體的異常活化與機體固有免疫失調導致的病態反應有關，它在人類許多免疫性疾病中扮演重要角色。基于以上背景，本文針對NLRP3 炎性小體與肺部疾病的作用進行重點綜述。

1 NLRP3 炎性小體的簡述

NLRP3 炎性小體是目前研究較深入的炎性小體之一，其結構與功能明確。它主要由三部分組成，即NLRP3 蛋白、凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC）和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶前體蛋白（procaspase-1）。

1.1 NLRP3 炎性小體的結構NLRP3 蛋白結構主要由中間段特征性核苷酸寡聚化區域（nucleotide-binding and oligomerizationdomain，NACTH）、亮氨酸重復序列（leucine-richrepeats，LRRs）的C 端和具有可變的效應結構域的N 端組成［2-3］。其中可變效應結構域包括熱蛋白結構域（pyrin domain，PYD）和胱天蛋白酶募集區域（caspase recruitment domain，CARD）［2-3］。ASC 位于NLRP3 炎性小體復合物核心區域，通過ASC 氨基端的CARD 招募procaspase-1 并加工形成caspase-1，活化后的caspase-1 通過一系列反應將促炎性因子的前體加工成為成熟、有致炎作用的炎性因子IL-1β 和IL-18，并釋放至細胞外，最終引起炎性反應［7］。

1.2 NLRP3 炎性小體的活化通常認為NLRP3炎性小體是被經典的雙信號模式被激活。該激活過程主要分為兩個階段：第一個階段，Toll 樣受體4（Toll-like receptor-4，TLR4）信號通路介導的核轉錄因子-κB（nuclear factor-Kappa-B，NF-κB）依賴的NLRP3 前體、pro-IL-1β 和pro-IL-18 等相關前體轉錄；第二階段，介導NLRP3 炎性小體的組裝和修飾階段。其中第二階段可通過DAMPs 和PAMPs 模式作用于胞質內的Nod 樣受體（NOD-like receptor，NLR）作為第二信號，最終介導NLRP3 炎性小體各組分（NLRP3，ASC，caspase-1 前體）的組裝及活化，完成IL-1β、IL-18等促炎因子的加工及分泌［5，8-9］。至今，尚無證據表明NLRP3 是直接被激活的，故推測NLRP3可識別多種物質并通過共同的上游信號通路使其活化，但具體機制仍不清楚。

目前，NLRP3 炎性小體經典的活化途徑主要有3 種。（1）鉀離子外流。 RIVERS-AUTY 等［10］認為，K+外流是NLRP3 炎性小體激活的共同通路。胞外的ATP與細胞表面的P2X2嘌呤受體結合致K+通道開放［11］，致K+外流招募泛連接蛋白pannexin-1，介導相關跨膜通道開放，隨后胞外物質進入細胞內激活NLRP3 炎性小體［12］。（2）溶酶體破壞［13］。晶體或微粒物質通過內吞作用進入細胞，吞噬后溶酶體膜的穩定性降低，引起溶酶體蛋白水解酶-B（cathepsin-B）釋放并進入胞漿，繼而激活NLRP3炎性小體。（3）線粒體活性氧類（reactive oxygen species，ROS）。損傷型線粒體活性氧（mtROS）誘導產生的心磷脂、損傷型線粒體DNA 等線粒體相關危險信號（mitochondrial DAMPs）能夠激活NLRP3。研究表明，NLRP3 炎性小體激活劑均能導致ROS 的產生，mtROS 是激活NLRP3 炎性小體的關鍵信號［14］。若細胞液中加入ROS 抑制劑乙酰半胱氨酸后，胞內的caspase-1 活化水平顯著降低，生成的炎性因子IL-1β 亦明顯減少［15］。線粒體源的硫氧化還原蛋白（thioredoxin-in-teracting protein）可活化心血管內皮細胞源的NLRP3 炎性小體，活化后的炎性小體復合物通過自身的催化裂解使procaspase-1 加工成有活性的caspase-1，最終催化pro-IL-1β、pro-IL-18 為有促炎活性的白細胞介素IL-1β、IL-18［16］。其中IL-1β 能夠介導一氧化氮合成酶（NOS）等炎性介質的合成和釋放，IL-18 介導T 細胞和自然殺傷細胞分泌干擾素-Y［17-18］。

細胞炎性死亡在是機體固有免疫反應中的一種防御性機制，保護機體不被細菌、病毒等病原體感染，但過度活化、分泌的炎性信號會導致組織損傷及多種疾病的發生發展。若caspase-1 過度活化，激活下游信號并過度分泌炎性細胞因子，可導致細胞炎癥性死亡，細胞死亡將釋放高濃度的炎性細胞因子，引起細胞因子風暴，繼而加重炎性反應［19-20］。

2 炎性小體和肺部疾病

在機體抵御病原體、微粒等外來有害刺激時，NLRP3炎性小體活化caspase-1導致細胞因子IL-1β和IL-18 的成熟和釋放，在炎性相關的特異性和非特異性免疫中，特別是炎癥相關的肺部疾病中扮演著重要角色［5-6，21-22］。NLRP3 炎性小體復合物具有多重作用，BRUCHARD 等［23］發現NLRP3 炎性小體還可能還存在一些其他的作用，如在T 細胞分化過程中作為轉錄調節因子。MIZUSHINA 等［24］也發現在部分肺部疾病中NLRP3 炎性小體并不是IL-1β 唯一的調控者。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中，并誘導炎癥反應［25］。研究發現在肺組織細胞中NLRP3 炎性小體的過度激活導致的異常炎癥反應與多種肺部疾病有關，如肺動脈高壓、慢性阻塞性肺病、肺間質纖維化、肺泡纖維化和哮喘等炎癥相關肺部疾病。NLRP3 炎性小體在該類疾病的發生發展中發揮重要作用，但具體機制尚未完全清楚。

2.1 NLRP3 炎性小體和肺部感染呼吸道感染是臨床較常見的疾病，同NLRP3 炎性小體參與固有免疫反應一樣，NLRP3/ASC/Caspase-1 軸與肺部感染亦關系密切［21］。研究［26］發現，鮑曼不動桿菌可活化NLRP3 炎性小體并作用于免疫細胞產生IL-1β，繼而導致小鼠肺部炎癥反應。甲型流病毒是一種常見的呼吸道RNA 病毒，它能夠感染機體并通過單鏈病毒RNA 與TLR7 受體結合，介導胞質內NLRP3 炎性小體各組分表達。此外，甲型流病毒的M2 蛋白能夠觸發K+離子外流，并介導了NLRP3炎性小體復合物的組裝［27］。與正常小鼠比，Nlrp3、caspase-1 和Asc 基因敲除大鼠表現為更低炎癥反應和高度的易感性。故推測NLRP3 炎性小體在IAV 感染的動物實驗中作為保護性因子［28-29］。肺炎鏈球菌毒素（pneumolysin virulence factor）為一種新型炎性小體活化劑，在肺炎鏈球菌致病的呼吸道感染疾病中NLRP3 有重要的保護作用［30］。結核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis，MTB）ESAT-6毒素可活化NLRP3 炎性小體，繼而分泌大量促炎性因子IL-1β。研究發現，小鼠的對照組和NLRP3基因敲除組對MTB 具有相似的抵抗性，而Asc 基因敲除小鼠則較易被MTB 感染，推測當敲除NLRP3 基因后，其調控的代償機制增加了IL-1β 的表達水平［31-32］。而奈瑟菌感染巨噬細胞，其通過ATP誘導IL-1β 分泌，而不是通過NLRP3/ASC/Caspase-1 軸介導IL-1β 分泌［33］。衣原體肺炎疾病中，NLRP3 炎性小體的活化并非損傷性mtROS 介導，而是與線粒體膜電位消失、功能失調有關［34］。綜上，NLRP3 炎性小體在肺部感染性疾病中參與并發揮多種作用。

2.2 NLRP3炎性小體和肺纖維化在博來霉毒誘導肺纖維化小鼠模型中，Nlrp3基因敲除組IL-1β 水平低表達及肺組織聚集中性粒細胞減少，在caspase-1 和Asc 基因敲除組和caspase-1 抑制劑處理組中，博來霉毒所致的中性粒細胞侵潤也是減弱的，肺組織損傷和炎癥反應嚴重程度與支氣管肺泡灌洗液（brachalveolar lavage fluid，BAL）中細胞外ATP（eATP）和尿酸的水平呈正相關，特發性肺間質纖維化患者的支氣管肺泡灌洗液中eATP 也處于較高水平［35-36］。研究［35］表明，使用他汀類藥物是發生間質性肺病的一個潛在危險因素，在動物實驗中發現他汀類藥物可使博來霉毒誘導caspase-1 過度活化，繼而加劇肺損傷。故NLRP3 在肺纖維化的病理過程中扮演重要角色，為肺纖維化提供了一個有治療意義的新靶點。

2.3 NLRP3 炎性小體和肺動脈高壓VILLEGAS等［37］研究表明，低氧誘導肺動脈高壓與NLRP3 炎性小體、caspase-1 的活化、IL-1β 的表達水平上調關系密切。CERO 等［38］證實Asc 基因敲除小鼠對低氧誘導肺高壓具有一定抵抗性，原因可能與減少右心收縮壓和肺血管的重塑有關，而NLRP3 基因敲除小鼠與對照組無明顯差異，提示ASC 可能涉及多種炎性小體復合物。鞣花酸可通過抑制NLRP3 炎性小體的活化，對野百合堿誘導大鼠肺動脈高壓疾病中具有一定的治療作用［39］。研究通過量化分析炎性細胞因子的表達水平，繼而評估特發性肺動脈高壓患者的生存率［40］。炎性小體可能成為針對肺動脈高壓治療新的靶點［41］。

2.4 NLRP3 炎性小體和急性肺損傷（acute lung injury，ALI）ALI 和急性呼吸窘迫征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是臨床較常見急性呼吸衰竭疾病。王虎等［42］和顧娜等［43］發現海水吸入性肺損傷組及PM2.5 致肺損傷組大鼠肺組織內NLRP3、IL-18、IL-1β 及caspase-1 的表達水平不同程度上調。與野生和IL-1β 基因敲除小鼠相比，高氧環境下NLRP3 基因敲除小鼠具有較高死亡率，NLRP3 基因敲除小鼠炎性細胞和炎性因子低表達，炎癥反應較輕，而肺組織IL-1β 的表達量與野生小鼠差異無統計學意義［24］。DOLINAY 等［44］通過機械通氣誘導肺損傷小鼠模型，并分析炎性小體在ALI 中的作用，結果表明機械通氣對IL-1α、caspase-1 活化結構域-10、IL-1 受體-1 和受體-2（IL-1 r1、IL-1 r2）等炎性小體通路相關的因子的調節具有重要作用，機械通氣與炎性小體適配銜接蛋白的表達量呈正相關，機械通氣對IL-18 或caspase-1 基因敲除小鼠肺損傷和炎癥反應相對較輕，推測原因是該組肺泡毛細血管膜通透性相對穩定和肺水腫相對較輕，故提示炎性小體及其調控的促炎因子在ALI 中具有促進作用。研究發現，不僅褪黑素可通過抑制NLRP3 炎性小體的表達［45］，中藥成分蒼術苷也可通過抑制NLRP3 炎癥小體活化，繼而減輕脂多糖誘導的ALI［46］，提示中藥成分研究可作用NLRP3/ASC/Caspase-1 軸，為ALI 的治療提供新思路。

2.5 NLRP3 炎性小體和慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）吸煙為COPD 發病的首要危險因素［47-48］。SUFFWAN 等［48］發現暴露在吸煙環境下，Nlrp3 基因敲除組小鼠BAL 中caspase-1 活化、IL-18/IL-1β 表達水平和中性粒細胞計數較野生型正常小鼠均降低。近年來研究表明，NLRP3 炎性小體與COPD關系越來越密切。FANER 等［49］發現在急性加重期組和穩定期組COPD 患者肺組織NLRP3 mRNA水平均顯著高于對照組。孫世民等［50］研究發現，與COPD 穩定期相比，急性加重期患者血清IL-1β水平顯著升高。DIMA 等［51］發現慢阻肺患者痰液和血清中IL-18、IL-1β 均不同程度的增高。以上研究表明，NLRP3 炎癥小體對COPD 的診斷和治療具有重要指導意義。

2.6 NLRP3 炎性小體和哮喘與COPD 一樣，哮喘的急性發作與炎性小體的活化、氣道炎癥反應關系密切。研究［52］表明，在哮喘患者血清、誘導痰及支氣管肺泡灌洗液中IL-1β 水平較正常明顯升高。Th2 型反應是過敏性炎癥反應的關鍵，NLRP3是Th2 型反應的重要調節因子，其活化可促進Th2程序的轉錄。動物實驗表明，Nlrp3、caspase-1 和Asc 基因敲除小鼠中Th2 細胞因子水平降低［53］。KIM 等［54］發現抑制mtROS 水平，NLRP3 炎癥小體的活化和IL-1β 表達水平均降低，繼而可以減輕過敏性氣道炎癥反應。在衣原體和嗜血桿菌感染的激素抵抗型哮喘小鼠模型中，能夠通過P2X7 受體促使NLRP3 炎性小體的活化，故推測NLRP3 炎性小體有可能成為激素抵抗型哮喘治療的新靶點［55］。

3 小結和展望

NLRP3 炎性小體通過調控炎癥反應，在肺纖維化和肺動脈高壓中具有保護性作用，而在ALI/ARDS、COPD 和哮喘中會加重肺組織損傷和重構。NLRP3 炎性小體在肺部疾病中的具體作用尚未清楚，NLRP3 炎性小體與肺部疾病的相關性研究仍充滿著挑戰，進一步研究二者的相關性可能為疾病的治療提供新靶點和新方向。