NLRP3炎癥小體：阿爾茨海默病炎癥反應核心機制及潛在靶點

時建銓 徐俊

阿爾茨海默病（AD）是導致老年人群認知功能障礙的最常見疾病，已經成為全球重大公共健康問題［1］。迄今阿爾茨海默病的發病機制仍不明確，現有的一線藥物均不能有效延緩或阻止疾病進展，多項藥物臨床試驗相繼折戟沉沙［2］。持續過度的炎癥反應在阿爾茨海默病的病理生理學機制中發揮重要作用［3］，其中，核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（NLRP3）炎癥小體信號轉導通路是關鍵環節，抑制NLRP3炎癥小體的激活可以改善阿爾茨海默病轉基因模型的行為學和病理損害［4］。本文擬就NLRP3炎癥小體結構和激活機制、參與阿爾茨海默病炎癥反應機制、特異性NLRP3炎癥小體抑制劑以及潛在阿爾茨海默病治療策略進行綜述。

一、NLRP3炎癥小體的分子結構、組裝及激活機制

固有免疫通過模式識別受體（PRRs）識別病原相關分子模式（PAMP）和損傷相關分子模式（DAMP），以清除病原體和受損宿主細胞并修復損傷組織；模式識別受體包括Toll樣受體（TLR）、核苷酸結合寡聚化結構域（NOD）樣受體（NLR）、RIG?I樣受體（RLR）等，激活后啟動下游信號轉導通路，介導免疫反應，其中某些NOD樣受體激活后可以形成炎癥小體，從而導致炎性反應［5］。

NLRP3炎癥小體是目前研究最多的一種炎癥小體，包括NLRP3、凋亡相關斑點樣蛋白（ASC）和Caspase?1 前體共三部分［6］，其中，NLRP3 包含羧基端（C端）富含亮氨酸重復序列（LRR）結構域、中間NOD結構域以及氨基端（N端）熱蛋白結構域（PYD），C端LRR結構域識別PAMP或DAMP后，中間NOD結構域即介導自身寡聚化，繼而N端PYD結構域與ASC相結合，募集Caspase?1前體，激活NLRP3炎癥小體，促進白細胞介素（IL）?1β和18的活化成熟［7］。

NLRP3炎癥小體可以通過識別外來危險信號（如細菌、病毒等病原體）和內在危險信號［如ATP、尿酸鹽、β?淀粉樣蛋白（Aβ）、氧化修飾低密度脂蛋白（ox?LDL）等］，導致自身激活［8］。迄今 NLRP3炎癥小體的激活機制尚不明確，公認的激活模型包括3種，即溶酶體破壞模型、半通道模型和活性氧（ROS）模型［8］。溶酶體破壞模型通過包括Aβ等在內的晶體或顆粒物質導致溶酶體破壞，釋放組織蛋白酶，從而激活NLRP3炎癥小體；半通道模型通過細胞外ATP等激活細胞表面P2X7受體，開放鉀離子通道使鉀離子外流，從而激活NLRP3炎癥小體；活性氧模型作用于硫氧還蛋白相互作用蛋白（TXNIP），從而 激活 NLRP3 炎癥 小體［8］。雖然，NLRP3激動劑可以通過不同模型激活NLRP3炎癥小體，但是目前尚未發現可以同時通過3種模型激活NLRP3炎癥小體的激動劑［9］。NLRP3炎癥小體激活后，活化的Caspase?1切割消皮素D（GSDMD）并釋放N端結構域，引起細胞膜穿孔，從而誘導細胞焦亡并誘發強烈的炎癥反應［10］。

二、NLRP3炎癥小體是阿爾茨海默病炎癥反應的核心機制

持續過度的炎癥反應在阿爾茨海默病的病理生理學機制中發揮重要作用［11］。一方面，腦小膠質細胞是清除Aβ的重要途徑；另一方面，炎癥反應是小膠質細胞損傷神經元的關鍵媒介；與此同時，腦組織炎癥微環境改變還可調節小膠質細胞清除Aβ的能力［3］。因此，由小膠質細胞介導的炎癥反應機制一直是阿爾茨海默病研究的焦點。既往研究顯示，NLRP3炎癥小體主要表達于外周免疫細胞。Gustin等［12］發現，腦組織小膠質細胞表達 NLRP3、ASC和Caspase?1，而星形膠質細胞則不表達，表明腦組織NLRP3炎癥小體的激活主要發生于小膠質細胞。

臨床研究和動物實驗結果均顯示，Aβ可刺激小膠質細胞產生 IL?1β［13］，小膠質細胞經纖維狀 Aβ刺激后可分泌更多 IL?1β［14］；阿爾茨海默病患者腦組織、腦脊液、外周血 IL?1β表達水平均顯著升高［15?17］；經Aβ處理的阿爾茨海默病轉基因模型小鼠腦組織和神經元均表達高水平的 Caspase?1 和 IL?1β［18?19］，尤其是Aβ斑塊周圍小膠質細胞表達的IL?1β水平更高［20?21］；IL?1β可誘導阿爾茨海默病模型大鼠皮質神經元發生Tau蛋白磷酸化等特征性病理改變［22］；阿爾茨海默病轉基因小鼠海馬過表達IL?1β，可加重中樞神經系統慢性炎癥反應［23］。上述研究結果表明，IL?1β在阿爾茨海默病的病理生理學機制中發揮重要作用。

IL?1β是NLRP3炎癥小體激活后的主要效應因子。Halle等［24］的研究顯示，Aβ可以促進小膠質細胞溶酶體破壞和組織蛋白酶B釋放，激活NLRP3炎癥小體，一方面導致小膠質細胞分泌IL?1β，進而誘導炎癥反應；另一方面分泌的IL?1β通過下游信號轉導通路持續過度激活小膠質細胞，表明NLRP3炎癥小體激活是Aβ誘導小膠質細胞炎癥反應的關鍵環節。我們課題組的前期研究提示，某些因素（如大氣細顆粒物PM2.5暴露）可以加劇阿爾茨海默病細胞模型NLRP3炎癥小體激活、炎癥反應和介導的神經元損傷［25］。動物實驗表明，青蒿素可通過抑制NLRP3炎癥小體激活而減輕APPswe/PS?1dE9轉基因小鼠腦組織 Aβ的沉積［26］。Heneka 等［27］發現，NLRP3或Caspase?1基因敲除可調節阿爾茨海默病轉基因小鼠的小膠質細胞表型，增強其吞噬能力，改善Aβ沉積和行為學異常。進一步研究顯示，Aβ可以誘導皮質神經元焦亡，Caspase?1短發夾RNA（shRNA）則具有減輕阿爾茨海默病轉基因小鼠腦組織神經元焦亡并改善其行為學異常的作用［28］。Dempsey等［29］發現，NLRP3炎癥小體抑制劑可減輕APP/PS?1轉基因小鼠小膠質細胞焦亡，增強小膠質細胞清除Aβ的能力。由此可見，NLRP3炎癥小體是阿爾茨海默病炎癥反應的核心機制。

三、NLRP3炎癥小體抑制劑

NLRP3炎癥小體是阿爾茨海默病藥物研發的新靶點［4］，目前臨床常用抗IL?1β抗體和重組 IL?1β受體阻斷劑治療NLRP3炎癥小體相關疾病，例如Canakinumab、Anakinra等。此外，某些小分子化合物也具有抑制NLRP3炎癥小體激活的功效，如β?羥丁酸［30］、Bay 11?7082［31］等，但這些抑制劑均缺乏特異性，有可能引起免疫抑制效應［32］。因此，特異性NLRP3炎癥小體抑制劑方是最佳選擇。迄今已經證實的特異性NLRP3炎癥小體抑制劑主要包括MCC950、CY?09、OLT1177、Tranilast以及Oridonin共5種。

1.MCC950 2015 年，Coll等［33］首次報告一種新型特異性NLRP3炎癥小體抑制劑——MCC950。MCC950特異性抑制巨噬細胞NLRP3炎癥小體激活的機制是：抑制NLRP3誘導的ASC寡聚化，同時對AIM2、NLRC4和NLRP1無明顯抑制作用。進一步的在體實驗顯示，MCC950可以顯著減少IL?1β和18的生成，減輕實驗性自身免疫性腦脊髓炎（EAE）模型 小 鼠 的 疾 病 嚴 重 程 度［33］。 Dempsey 等［29］發 現 ，MCC950可以減輕APP/PS?1轉基因小鼠腦組織Aβ之聚集，改善其行為學異常。

2.CY?09 2017 年，Jiang等［34］發現，CY?09可以直接與NLRP3中間NOD結構域相結合，抑制NLRP3?ATP酶活性，進而抑制NLRP3炎癥小體的組裝和激活，但對NLRC4、NLRP1、NOD2和RIG?I則無明顯抑制作用，表明CY?09可以特異性抑制NLRP3炎癥小體的激活。進一步的在體實驗，CY?09對Cryopyrin相關周期性綜合征和2型糖尿病動物模型均顯示出極佳的療效［34］。

3.OLT1177 是一種治療關節炎的藥物，目前正在進行治療急性痛風性關節炎的Ⅱ期臨床試驗。Marchetti等［35］發現，OLT1177 可以減少關節炎動物模型外周血中性粒細胞浸潤，減輕關節腫脹，抑制IL?1β分泌。進一步的體外實驗提示，OLT1177具有抑制NLRP3炎癥小體激活的作用，而對AIM2和NLRC4無明顯抑制作用［36］。在體試驗結果提示，OLT1177可降低Cryopyrin相關周期性綜合征患者外周血單核細胞Caspase?1活性和抑制IL?1β生成，其抑制NLRP3炎癥小體的主要機制是直接結合NLRP3、抑制 ATP 酶活性［36］。

4.Tranilast 是一種抗過敏藥，安全性極佳，大多數患者可耐受每日高達600 mg的劑量［37］。Tranilast還具有抗炎癥反應作用，可抑制肥大細胞IgE誘導的組胺分泌，但其分子機制尚未明確［37］。Huang等［38］認為，Tranilast為一特異性 NLRP3 炎癥小體抑制劑，通過直接與NLRP3中間NOD結構域相結合，抑制ASC寡聚化。進一步的在體實驗亦顯示，Tranilast對NLRP3炎癥小體相關疾病具有預防和治療作用［38］。

5.Oridonin 是冬凌草屬的主要生物活性成分，廣泛用于治療炎癥性疾病，具有抗腫瘤、抗炎癥反應和促凋亡作用［39?41］。He 等［42］發現，Oridonin 可以特異性抑制NLRP3炎癥小體激活，且不影響AIM2和NLRC4的激活。Oridonin通過共價鍵與NLRP3中間NOD結構域的半胱氨酸279（Cys279）相結合，以阻止NEK7與NLRP3相互作用、抑制NLRP3炎癥小體的激活。進一步的在體試驗，Oridonin對腹膜炎、痛風性關節炎和2型糖尿病患者等均具有顯著療效［42］。

四、靶向NLRP3炎癥小體的潛在阿爾茨海默病治療策略

盡管目前尚無NLRP3炎癥小體抑制劑用于治療阿爾茨海默病的臨床研究，但有研究提示NLRP3炎癥小體可能是阿爾茨海默病的治療新靶點。大量臨床研究與動物實驗結果提示多種藥物具有NLRP3炎癥小體抑制作用：紫檀芪主要通過抑制NLRP3/Caspase?1信號轉導通路，從而減輕Aβ42誘導的小膠質細胞系炎癥反應［43］；青蒿素通過抑制核因子 ?κ B（NF?κ B）和 NLRP3 炎 癥 小 體 激 活 ，減 輕APPswe/PS?1dE9轉基因小鼠Aβ在腦組織中的沉積和神經炎癥［26］；丁苯酞通過抑制NLRP3炎癥小體激活，改善APPswe/PS?1dE9轉基因小鼠的腦組織病理損害［44］；NLRP3炎癥小體抑制劑可以減輕APP/PS?1轉基因小鼠腦小膠質細胞焦亡，增強小膠質細胞清除Aβ的能力［29］；于腦組織注射MCC950可以抑制外源性Tau蛋白的病理改變［45］。

五、展望

近年來，關于NLRP3炎癥小體的研究頗受關注，證實其在阿爾茨海默病的發生發展過程中發揮重要作用，針對阿爾茨海默病模型的研究提示，抑制NLRP3炎癥小體的激活可以減輕炎癥反應、病理改變和行為學異常，因此，NLRP3炎癥小體是藥物研發的新靶點。然而，NLRP3炎癥小體的激活/抑制機制及其調控腦小膠質細胞功能狀態和阿爾茨海默病病理生理學過程的機制仍待進一步研究，這些對于阿爾茨海默病發病機制的研究具有重要意義，將為探索新的治療方法提供更多依據和靶點。特異性NLRP3炎癥小體抑制劑在阿爾茨海默病患者中的有效性和安全性尚待臨床試驗的驗證。

利益沖突無