NLRP3炎癥小體與支氣管哮喘關系研究進展①

徐萬超 虞堅爾 薛征（上海中醫藥大學附屬市中醫醫院，上海200071）

支氣管哮喘（bronchial asthma，BA）簡稱哮喘，是一種以氣道慢性炎癥為特征的異質性疾病，伴隨氣道高反應性與氣道重塑，臨床表現為呼吸困難、氣短、胸悶或咳嗽等癥狀［1］。炎癥小體是一種細胞內的蛋白復合物，在機體受到刺激后可出現在免疫及非免疫細胞中，其中NOD樣受體（NOD-like-receptor，NLR）的炎癥小體在人體的固有免疫中發揮重要作用［2-3］。根據炎癥小體的氨基末端包含一個吡啶結構域（pyridine domain，PYD）或一個半胱天冬酶激活和募集結構域（caspase activation and recruitment domain，CARD），NLR家族有NLRP和NLRC等，由NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NLRP3）組成的炎癥小體被稱為NLRP3炎癥小體［4］。目前，NLRP3炎癥小體在哮喘中研究較為廣泛，本文簡述了NLRP3炎癥小體的結構、激活方式、下游因子及信號通路轉導，并著重闡述其參與哮喘發病的相關機制。

1 NLRP3炎癥小體結構、激活方式及下游因子

NLRP3炎癥小體由3部分構成，即NLRP3、凋亡相關點樣蛋白（apoptosis associated speck-like protein containing a CARD domain，ASC）、前半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1（pro-caspase-1）。NLRP3轉錄基因cias1位于人類1q44號染色體上［5］，ASC由N端的熱蛋白結構域和C端的caspase募集結構域（CARD）組成，N端可以與NLRP3受體蛋白相結合，C端可募集兩個pro-caspase-1［6］。NLRP3炎癥小體可以被模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）激活，包括病原相關分子模式（pathogen associated molecular pattern，PAMP）和危險相關分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP）兩 種 模式［4］。經典的途徑下，NLRP3在激酶NEK7（NIMArelated kinase 7）的作用下可導致其復合物的分離及caspase-1自動被激活，而后在NF-κB的參與下，proIL-1β和proIL-18被切割并激活；在非經典途徑下則需caspase-4、5、11，最終生成具有生物活性的IL-1β與IL-18［7］。近期研究發現兩個激活途徑下GSDMD（gasdermin D）蛋白均具有重要作用，GSDMD可以導致細胞膜穿孔，使IL-1β與IL-18從細胞質中釋放出去，其本身也是細胞焦亡（pyroptosis）的關鍵蛋白［8-10］。

IL-1β和IL-18是NLRP3下游的主要促炎因子，均屬于IL-1家族亞型，其亞型還包括IL-1α、IL-33等。IL-1β可以誘導輔助性T細胞（T helper cell，Th）2、Th17細胞分化，分泌炎癥因子導致氣道炎癥［11］，同時IL-1β參與了環氧酶（cyclo-oxygen-ase，COX）2的活化并提高了前列腺素（prostaglandin，PG）E2和PGI2的水平，IL-1β在哮喘中還能調控核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）通路，并進一步上調趨化因子、黏附分子、補體系統等的表達［12-13］。IL-1β還可以調節膽堿能受體，激活嗜酸性粒細胞使其釋放嗜酸性粒細胞主要堿性蛋白（eosinophil major basic protein，MBP）來拮抗毒蕈堿型受體（muscarinic receptor，M）2，從而導致乙酰膽堿增多，使M3受體活化且氣道平滑肌收縮，氣道內黏液分泌增加［14］。而目前對IL-18引起哮喘的相關機制仍待研究，有研究顯示IL-18可以增加OVA致敏小鼠的肺組織和肺泡灌洗液中肥大細胞數量，以此證明哮喘發病可能與肥大細胞及其IL-18相關通路有關［15-16］。臨床觀察發現，重度哮喘患者的肺組織中IL-18和IL-18受體表達較輕度哮喘明顯升高；哮喘患者血漿中IL-18較健康人群也有所上升，且不同炎癥細胞中IL-18的表達也各不相同，IL-18/IL-18結合蛋白/IL-18受體的比例平衡可能是哮喘發病的內在機制，通過對IL-18受體的阻斷可能會成為治療哮喘的新靶點［17］。

2 NLRP3炎癥小體在支氣管哮喘中的作用

2.1 NLRP3炎癥小體介導氣道炎癥哮喘是多種細胞與細胞組分共同參與的慢性氣道炎癥，NLRP3炎癥小體可識別多種物質，在不同細胞及組分中均有重要作用，其不僅可以通過下游炎癥因子誘發氣道炎癥，還可協同其他信號通路，進一步加重氣道炎癥。

2.1.1 介導嗜酸性粒細胞性哮喘目前，嗜酸性粒細胞導致的過敏性哮喘在臨床上最為常見，表現出Th2/Th1的免疫失衡。2011年研究人員運用無佐劑的卵蛋白（ovalbumin，OVA）在小鼠體內造成氣道慢性炎癥，使小鼠肺中嗜酸性粒細胞聚集且IL-4、IL-5等炎癥因子過表達，而缺少NLRP3炎癥小體的模型小鼠肺部炎癥反應明顯減少，進而證明NLRP3炎癥小體及IL-1β是誘導肺部Th2型過敏反應的關鍵因素［18］。OVA+氫氧化鋁腹腔致敏是目前經典的哮喘造模方式，有關研究證明NLRP3炎癥小體則是此類鋁佐劑的作用靶點［19］，腹腔注射OVA+氫氧化鋁可以促進哮喘小鼠腹膜巨噬細胞內NLRP3激活并釋放IL-1β，同時促進Th2炎癥反應，此方法也廣泛應用于人類疫苗的制備［20］。多項研究也證明，在鼻病毒、塵螨、納米顆粒等物質引發的過敏性哮喘的氣道炎癥中，NLRP3炎癥小體發揮了重要作用［21-24］，近年來已成為過敏性哮喘及其他慢性氣道炎癥性疾病的研究熱點。

2.1.2 介導中性粒細胞性哮喘嗜中性粒細胞哮喘有別于嗜酸性粒細胞哮喘，主要以哮喘患者痰液中性粒細胞增多為特點，可由臭氧、香煙煙霧、職業粉塵、內毒素、微生物感染等誘發，臨床癥狀多表現中、重度哮喘，部分患者對類固醇類產生耐受［25］。NLRP3炎癥小體與中性粒細胞哮喘密切相關，其下游的IL-1β被認為是中性粒細胞哮喘的關鍵因子，IL-1β可以激活下游Th17和Th1，分泌IL-17與干擾素γ（interferon-γ，INF-γ），進而加重氣道炎癥［26］。臨床研究對85名哮喘患者痰液進行檢測，發現NLRP3、caspase-1、4、5和IL-1β mRNA指標較正常組均顯著升高［27］；在小鼠模型中，分別運用NLRP3、caspase-1、IL-β抑制劑均可減輕中性粒細胞小鼠的氣道炎癥及氣道高反應，而給予哮喘小鼠外源性的IL-1β則加重對類固醇的耐受，但NLRP3炎癥小體導致類固醇耐受的具體機制尚待研究，通過NLRP3靶點治療類固醇耐受型的重癥哮喘也在研究當中［28-29］。同時研究表明，使用如阿奇霉素等大環內酯類藥物的干預可以減輕該類型的氣道炎癥，并提高哮喘患者的生活質量［30］。

2.1.3 線粒體活性氧通路誘發哮喘線粒體是人體重要的細胞器，在細胞的能量代謝、凋亡、鈣離子動態平衡等方面均有重要作用，研究顯示線粒體的功能障礙及活性氧（reactive oxygen species，ROS）的釋放與哮喘發病相關，動物實驗中運用線粒體ROS抑制劑可顯著減少哮喘小鼠炎癥細胞和氣道上皮中NLRP3炎癥小體的激活及NF-κB的轉錄［31］。使用臭氧誘導慢性氣道炎癥的小鼠，其NLRP3炎癥小體被激活，同時支氣管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）中炎癥細胞及IL-1β等炎癥因子表達增多，并出現氣道重塑、肺功能下降等情況，通過抑制線粒體中鈣調素依賴性蛋白激酶（Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase，CaMK）Ⅱ降低NLRP3炎性小體的表達，從而改善慢性氣道炎癥［32-33］。

2.1.4 調控巨噬細胞極化巨噬細胞在體內具有吞噬、分泌免疫因子、抗原提呈等作用，在不同炎癥環境下可極化為M1、M2兩型，M1可以針對侵入的病原體產生炎癥因子，M2型則可在IL-4、IL-13等刺激下極化，進而緩解炎癥狀態［34］。研究表明，NLRP3可以通過上調IL-4的表達，進而促進M2巨噬細胞的極化，使M1/M2比值降低，而NLRP3沉默可使M1極化，調節氣道炎癥［35］。在流感病毒引發的哮喘中，被激活的NLRP3炎癥小體可以使肺中的巨噬細胞產生IL-33，而后又激活其他炎癥細胞產生IL-13，加重哮喘的癥狀［36］。

2.1.5 刺激DC成熟樹突狀細胞（dendritic cell，DC）是目前已知的功能最強的抗原呈遞細胞，DC的成熟需要NLRP3炎癥小體釋放IL-1β誘導，在血清淀粉樣蛋白A（serum amyloid A，SAA）誘導的肺部慢性過敏性炎癥中，SAA會激活Toll樣受體2（toll-like receptors 2，TLR2）、髓樣分化因子（myeloid differentiation factor 88，MyD88）、NLRP3等炎癥通路，釋放下游IL-1α、IL-1β、IL-6等因子，最終使DC成熟［37］。同時，OVA致敏的小鼠在DC中可激活三磷酸腺苷（adenosine-triphosphate，ATP）/嘌呤受體P2X7軸，進而激活NLRP3炎癥小體，并增加NLRP3、ASC、caspase-1的表達，促進Th2與Th17的分化，并誘導DC中高遷移 率 族 蛋 白B1（high mobility group box1 protein，HMGB1）的表達與釋放，加重哮喘的反應；在抑制NLRP3后HMGB1表達減少，同時哮喘癥狀得到緩解［38］。

2.2 NLRP3炎癥小體與氣道重塑氣道重塑是由氣道慢性炎癥導致的氣道結構及功能持續發生改變，表現為氣道上皮脫落、杯狀細胞增生、基底膜增厚及上皮細胞-間充質轉化（EMT），并且出現間質組織纖維化、平滑肌細胞增生等現象［39-40］。NLPR3炎癥小體主要依靠NLRP3/IL-1β軸介導氣道重塑，氣道平滑肌可以產生IL-1β，并通過NF-κB、p42/p4 MAPK、p38MAPK和JNK等多條炎癥信號通路促進金屬基質蛋白酶9（MMP-9）導致氣道重塑［41］；由氣道上皮細胞分泌的IL-1β可以協同TGF-β1，降低E-cadherin并增強Tenascin C表達，從而加強EMT促進氣道重塑［42］。同時有研究證明IL-β基因敲除小鼠在香煙煙霧引發的氣道重塑模型中，其臨床癥狀較對照組小鼠明顯減輕［43］，其相關機制仍需探索。

2.3 NLRP3炎癥小體誘發氣道上皮細胞焦亡近年來，細胞焦亡成為研究熱點，當細胞受到外界微生物或多種情況的刺激后，可通過NOD等細胞通路使caspase-1表達，導致細胞質中GSDM蛋白家族之一的GSDMD分解，分解后的氨基末端轉移到細胞膜上形成有活性孔隙，令IL-1β、IL-18分泌，伴隨著空隙的不斷增加，水分子等物質進入細胞內進而引起細胞的腫脹及裂解死亡［8］。哮喘氣道上皮焦亡的過程目前存在一定的爭議，還沒有證據證明GSDMD在哮喘小鼠氣道上皮細胞大量表達，但近期有研究證明GSDMB可以引起哮喘疾病中人氣道上皮的焦亡。GSDMB位于人17q21號染色體上，早先發現其與哮喘有極強的遺傳關聯性，但具體功能未知。在研究哮喘與細胞焦亡時發現，哮喘患者氣道上皮細胞中GSDMB高度表達，caspase-1可以裂解GSDMB蛋白，使其釋放具有活性的N末端片段，令氣道上皮細胞膜表面形成孔隙，而rs11078928可以通過刪除外顯子6，進而影響N端氨基酸的轉錄，使GSDMB蛋白失去功能并終止細胞焦亡［44］。小鼠本身不具備GSDMB基因，而轉基因GSDMB的小鼠在沒有明顯氣道炎癥的情況下出現了氣道高反應性、氣道重塑等表現［45］，提示哮喘小鼠模型的氣道上皮細胞焦亡尚需進一步研究。

3 小結和展望

NLRP3炎癥小體與哮喘氣道炎癥細胞及相關信號通路的激活密切相關，同時還可以介導氣道重塑，并在氣道上皮細胞焦亡中起重要作用，但對NLRP3炎癥小體與哮喘的關系研究尚需進一步完善，如：①NLRP3炎癥小體可作為哮喘伴肥胖患者的潛在治療靶點，但NLPR3與能量代謝相關通路的關聯性仍待探究［46-47］；②小鼠氣道上皮細胞焦亡的存在驗證及細胞焦亡的發生是否與NLRP3炎癥小體有相關性；③氣道上皮細胞焦亡與氣道重塑之間關聯性等問題。因此，通過深入研究NLRP3炎癥小體及下游的炎癥反應，可以進一步揭示哮喘的發病機制，以期為臨床治療哮喘提供更好的參考。