細胞焦亡在腎臟疾病中的作用

周 翠 張 璐 丁國華

細胞死亡是生物體重要的病理生理過程，在不同理化或生物因素的作用下細胞有不同的死亡方式。相較于傳統的細胞死亡方式，細胞焦亡是新近發現的細胞死亡方式，其發生的具體機制尚不明確。細胞焦亡是一種依賴于半胱天冬氨酸蛋白酶caspase-1/4/5/11，由GSDMD(gasdermin D,GSDMD)介導并伴有炎性介質釋放的程序性細胞死亡方式。研究表明NLRP3(NOD-like receptor with pyrin domain 3，NLRP3)炎性小體作為一種促進炎性因子活化的平臺，能夠調節caspase-1前體活化并促使炎性因子活化及釋放，并由此調控細胞焦亡。在腎臟疾病中細胞焦亡介導的炎性反應是無菌性炎性反應。研究表明無菌性炎性反應是許多腎臟疾病的臨床特征，在腎臟疾病的進展中發揮重要作用。因此研究NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡對進一步揭示腎臟疾病的發病機制及研發藥物治療新靶點具有重要意義。

一、炎性小體

NLRP3炎性小體是Nod受體亞家族成員之一，是由模式識別受體(pattern recognition receptor, PRR)、凋亡相關微粒蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD,ASC)和caspase-1前體(pro-caspase-1)構成的多蛋白復合體[1]。當細胞受到內源性或者外源性危險信號刺激時，細胞內的模式識別受體通過識別病原相關分子模式(pathogen-associated molecular pattern，PAMP)和損傷相關分子模式(damage-associated molecular pattern，DAMP)啟動系列信號級聯反應并促進大量炎性介質的釋放，由此導致炎性反應的發生[2]。NLRP3是目前研究最多的炎性小體，研究表明NLRP3炎性小體作為一種促進炎性因子活化的平臺，能夠調節caspase-1前體活化并使pro-IL-1β和pro-IL-18轉變為成熟具有活性的炎性反應因子IL-1β和IL-18，由此啟動系列信號級聯反應并促進大量炎性介質的釋放。研究發現活化的NLRP3炎性小體參與調節細胞的炎性反應、代謝及生存，在自身免疫性疾病、心血管疾病、急慢性腎臟疾病、代謝性疾病等發生、發展過程中起重要作用。

二、細胞焦亡

細胞焦亡同時具有壞死和凋亡的特征，表現為細胞不斷脹大致細胞膜破裂，染色體DNA片段化，細胞內容物釋放進而激活強烈的炎性反應。細胞焦亡是一種由caspase-1/4/5/11介導的程序性細胞死亡，屬于一種重要的天然免疫反應。細胞焦亡途徑包括caspase-1介導的經典焦亡途徑和caspase-4/5/11介導的非經典焦亡途徑。經典焦亡途徑中，在內源性或者外源性危險信號刺激下，炎性小體NLRP3使pro-caspase-1激活為活化的caspase-1,并介導IL-1β和IL-18的成熟及釋放，從而招募更多的炎性細胞，進一步放大炎性反應[3]。在非經典焦亡途徑中，脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)可以直接激活caspase-4/5/11,從而導致細胞焦亡的發生。pro-caspase-1、ASC和NLRP3可參與非經典焦亡途徑，但不是其必需的。活化后的caspase-1/4/5/11通過切割下游GSDMD使后者C端結構域與N端結構域分離，暴露N端結構域，該結構域具有在膜上打孔的作用，導致細胞膜孔洞形成，細胞不斷膨脹直至破裂，細胞內容物IL-1β和IL-18等釋放，從而激活并放大炎性反應，引發細胞焦亡[4]。

三、細胞焦亡在腎病疾病中的作用

無菌性炎性反應是許多腎臟疾病的臨床特征。NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡通過誘發及放大無菌性炎性反應參與多種腎臟疾病的進展，包括急性腎損傷、糖尿病腎病、腎結石和其他腎臟病，下面對其在腎臟疾病中的研究進展進行介紹。

1.急性腎損傷：急性腎損傷是各種病因引起的腎功能急劇下降而出現的臨床綜合征。研究表明，細胞焦亡在急性腎損傷中起重要作用。

缺血再灌注誘導急性腎損傷時焦亡相關蛋白caspase-1/11和 IL-1β表達水平明顯升高，即CHOP-caspase-11信號通路活化并導致腎小管細胞焦亡[5]。證明細胞焦亡參與缺血再灌注導致的急性腎損傷。在盲腸結扎穿孔術(cecal ligation and puncture，CLP)膿毒血癥導致的急性腎損傷的動物模型中，腎組織中焦亡相關蛋白NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β和IL-18表達增加。敲除NLRP3導致ASC、caspase-1、IL-1β以及IL-18表達下降，可減輕CLP誘導的急性腎損傷小鼠中性粒細胞浸潤、血壓下降、腎功能損傷；相似的，使用焦亡相關蛋白caspase-1抑制劑可顯著改善CLP誘導的急性腎損傷[6]。實驗表明細胞焦亡加重膿毒血癥誘導的急性腎損傷的病理損害，并且抑制細胞焦亡能減輕其損傷。類似研究發現造影劑誘導的腎損傷動物模型中腎組織caspase-1、IL-1β、IL-18和NLRP3表達增加，用NLRP3-siRNA下調NLRP3表達可明顯緩解造影劑誘導的腎小管細胞損傷[7]。Komada等[8]注射甘油模擬橫紋肌溶解導致的急性腎損傷動物模型中發現腎臟NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β表達均上調，進一步研究顯示，與對照組比較，分別敲除NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β的小鼠腎小管損害均顯著緩解。另外，研究發現山莨菪堿對橫紋肌溶解所致細胞損傷的保護作用與抑制TXNIP、NLRP3炎性小體的活化,進而下調ASC、caspase-1、IL-1β、IL-18表達有關[9]。證明細胞焦亡參與多種病因誘導的急性腎損傷的病理損害。

上述研究均表明細胞焦亡加重急性腎損傷的病理損害，抑制細胞焦亡對急性腎損傷起保護作用。由此推測NLRP3-caspase-1介導的細胞焦亡是急性腎損傷的重要生物學事件，參與急性腎損傷的病理損害過程，并且可以通過下調細胞焦亡緩解急性腎功能損傷。急性腎損傷病死率高，但目前臨床上沒有特異性的治療方法，上述研究表明NLRP3-caspase-1介導的細胞焦亡有望成為治療急性腎損傷的新靶點。

2.糖尿病腎病：糖尿病腎病是糖尿病的嚴重并發癥，持續性腎臟組織的無菌性炎性反應是糖尿病腎病重要的病理生理基礎，是糖尿病腎病的重要特征，并且越來越多研究表明糖尿病腎病進展與炎性因子活化有關。臨床研究發現，與無蛋白尿的糖尿病患者及非糖尿病患者比較，有蛋白尿的糖尿病患者IL-1β、NLRP3表達水平顯著升高，且血清IL-1β水平與蛋白尿水平呈正相關[10]。進一步臨床試驗發現，抑制IL-1β可以緩解2型糖尿病[11]。NLRP3炎性小體能夠調節caspase-1前體活化并促使炎性因子活化及釋放，并由此調控細胞焦亡，因此有理由認為NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡在糖尿病腎病中具有極其重要的作用。實驗發現，STZ誘導的糖尿病腎病模型動物中NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β和IL-18表達均較同齡對照組上調，通過抑制NLRP3炎性小體的活化，下調caspase-1、IL-1β和IL-18表達可以減輕糖尿病腎病腎纖維化，緩解糖尿病腎病的進展，對糖尿病腎病起保護作用[12，13]。該研究證明NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡參與糖尿病腎病的進展，并且抑制細胞焦亡對糖尿病腎病起保護作用。臨床發現姜黃素具有保護腎臟，抗纖維化作用。Lu等[14]實驗證明，姜黃素通過抑制NLRP3炎性小體，下調caspase-1和IL-1β可改善糖尿病腎纖維化情況，對腎臟起保護作用，表明姜黃素對糖尿病腎病的保護作用于其抑制NLRP3介導的細胞焦亡有關。Shahzad等[15]研究表明糖尿病腎病時焦亡相關蛋白caspase-1活化先于凋亡相關蛋白caspase-3活化，并且抑制caspase-1對糖尿病腎病具有顯著保護作用，而抑制caspase-3無明顯效果。表明細胞焦亡對糖尿病腎病的影響或許大于細胞凋亡對糖尿病腎病的影響，但該結論尚需進一步驗證。上述研究表明，NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡在糖尿病腎病中具有極其重要的作用，并且抑制NLRP3炎性小體活化介導的細胞焦亡有望為治療糖尿病腎病，延緩糖尿病腎病的進展提供新方向。

3.腎結石：腎結石的主要成分是草酸鹽結晶。研究發現草酸鹽結晶刺激腎組織NLRP3炎性小體活化，上調ASC、caspase-1 、IL-1β的表達[16]。證明細胞焦亡參與腎結石中腎組織病理改變。Knauf等[17]發現，過量可溶性草酸鹽飲食所致的腎結石模型動物腎組織中NLRP3炎性小體明顯活化，抑制NLRP3炎性小體活化可緩解腎功能進行性損害并降低病死率。Ludwig-Portugall等[18]發現類似的現象,高嘌呤飲食誘導的腎結石動物模型腎組織中炎性小體活化，伴IL-1β和IL-18水平上調及腎纖維化，而早期使用NLRP3炎性小體特異性抑制劑可下調IL-1β和IL-18水平，并減輕結石導致的腎臟纖維化程度。表明NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡加重腎結石中腎組織的病理損害，抑制NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡能降低腎結石中腎組織腎損害程度，并對腎結石中腎組織起保護作用。但NLRP3炎性小體抑制劑對已發生纖維化的腎臟無逆轉作用。因此筆者有理由推斷，NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡加重腎結石導致的腎臟組織纖維化程度，并且早期抑制NLRP3介導的細胞焦亡可能是治療或緩解腎纖維化的方法。

4.其他腎臟病：研究證實NLRP3炎性小體活化以及IL-1β和IL-18促炎性因子在多種慢性腎臟病中起重要作用，NLRP3炎性小體活化與慢性腎臟疾病的發生、發展密切相關。

近年來研究發現NLRP3炎性小體的活化不僅存在于免疫細胞，還存在于腎固有細胞中，參與腎小球內皮細胞和足細胞損傷，并最終導致慢性腎衰竭[19]。醛固酮在足細胞損傷中起重要作用。Bai等[20]發現醛固酮刺激足細胞NLRP3、caspase-1和IL-18的表達，時間劑量呈正相關，抑制或敲除NLRP3可以緩解醛固酮導致的足細胞損傷，這表明NLRP3介導的細胞焦亡參與足細胞損傷。蛋白尿是慢性腎臟病進展的獨立危險因素并且影響其預后。NLRP3表達水平與蛋白尿程度呈正相關，白蛋白可以直接刺激腎小管上皮細胞，通過活化NLRP3、caspase-1破壞腎小管細胞的緊密連接，導致近端小管功能缺陷[21]。用siRNA下調NLRP3表達可以減輕白蛋白導致腎小管細胞損傷，提示NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡在腎小管細胞損傷中起重要作用[22]。NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡參與腎小管細胞損傷，并且抑制NLRP3介導的細胞焦亡對腎小管細胞損傷起保護作用。

在5/6腎切除的腎纖維化模型的研究中腎臟NLRP3、caspase-1、IL-1β表達水平持續升高，NLRP3基因敲除可明顯下調IL-1β和IL-18水平，減少細胞外基質沉積，改善腎小管間質纖維化程度，維持腎小管細胞線粒體形態并減少蛋白尿[23]。反之，NLRP3的過表達會加重慢性腎臟病的腎損害程度。類似的，單側輸尿管結扎動物模型出現顯著的線粒體功能障礙及腎纖維化，腎組織中焦亡相關蛋白caspase-1/IL-1β表達水平增加，細胞焦亡活化且IL-1β、IL-18和NLRP3表達水平隨著時間增加，通過下調焦亡相關蛋白caspase-1/IL-1β或敲除NLRP3可改善線粒體功能及腎纖維化[24]。上述研究表明NLRP3介導的細胞焦亡促進慢性腎衰竭進展，加重腎纖維化程度，并且抑制NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡延緩慢性腎衰竭的進展，減輕腎纖維化程度，對慢性腎衰竭及腎纖維化起保護作用。

目前也存在與該結論不一致的研究，Pulskens 等[25]發現敲除NLRP3的單側輸尿管結扎小鼠早期腎損傷較野生型小鼠更明顯，并且與野生型小鼠組相比NLRP3基因敲除對腎纖維化以及炎性反應無明顯影響，其機制與NLRP3炎性小體具有防止早期腎間質水腫并維持血管完整性有關。因此抑制NLRP3炎性小體活化在單側輸尿管結扎動物模型中對腎纖維化的作用還存在爭議，還需更充分的實驗進行驗證。

此外發現狼瘡性腎炎的動物模型肌酐升高及蛋白尿，伴NLRP3以及IL-1β表達水平上調，通過調節P2X7下調NLRP3的表達可以緩解狼瘡性腎炎蛋白尿及肌酐水平[26]。該研究提示NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡參與狼瘡性腎炎的進展，臨床上可以通過抑制NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡，從而減少炎性介質的釋放來緩解狼瘡性腎炎的腎組織損害。腎組織活檢發現IgA腎病、微小病變型腎病、膜性腎病、局灶節段性硬化、高血壓性腎病腎組織中NLRP3水平均較正常腎組織顯著升高[21，26]。Muckle-Wells綜合征是一種比較罕見的自身免疫性疾病，由于NLRP3基因突變，導致過度的caspase-1活化以及IL-1β的釋放。隨著病情進展高達25%的Muckle-Wells綜合征患者出現腎淀粉樣變性導致的蛋白尿以及腎衰竭，而炎性因子抑制劑的應用對這類患者有明顯的療效[27]。在艾滋病相關性腎病的研究中發現，HIV轉基因小鼠(Tg26)表現為NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β蛋白以及mRNA的表達水平上升。人類免疫缺陷病毒導致足細胞焦亡是具有時間和量依賴的。使用caspase-1抑制劑會減少caspase-1和IL-1β的表達，減少足細胞焦亡，對艾滋病相關性腎病起保護作用[28]。研究提示細胞焦亡參與多種腎臟疾病的進展，抑制細胞焦亡可緩解腎臟疾病的病理損害。

上述研究表明，NLRP3、caspase-1和IL-1β是許多腎臟疾病進展的危險因素并影響腎臟疾病的預后。無菌性炎性反應是許多腎臟疾病的臨床特征，在腎臟疾病的進展中發揮重要作用。NLPR3炎性小體介導的細胞焦亡通過促進炎性因子的成熟和釋放參與許多腎臟疾病的進展。并且可以通過抑制NLRP3炎性小體介導的細胞焦亡，減少細胞焦亡誘發的炎性反應對許多腎臟疾病起緩解作用。因此調控NLRP3-caspase-1介導的細胞焦亡有望為腎臟疾病的診治提供新方向。

四、展 望

腎臟疾病具有發生率高、病程長、療效不理想、治療藥物不良反應多等特點。因此尋找腎臟疾病治療過程中的新的干預方式具有極其重要的意義。綜上所述，NLRP3-caspase-1介導的細胞焦亡在諸多腎臟疾病的進展中發揮著極其重要的角色。NLRP3、caspase-1、IL-18和IL-1β水平是許多腎臟疾病進展的危險因素并影響腎臟疾病的預后。目前相關研究主要通過間接檢測方法反映焦亡水平，期待更為直接的檢測技術，為細胞焦亡在腎病疾病中的作用提供更確切的證據。焦亡與凋亡、自噬之間的關系、它們之間存在怎樣的相互作用以及是否相互轉換還有待進一步闡明。細胞焦亡是否在腎臟疾病中具有雙刃作用，適度的細胞焦亡起保護作用，而過度細胞焦亡起損傷作用，仍有待于進一步探索。深入研究NLRP3-caspase-1介導的細胞焦亡在腎臟疾病發生、發展和轉歸中的分子機制，有望為臨床治療腎臟疾病提供新思路。