炎癥小體NLRP3在腫瘤中的作用*

阮 萍

廣西中醫藥大學附屬瑞康醫院病理科，廣西南寧市 530011

炎癥與癌癥的相關性最早是在19世紀由Rudolf Virchow發現的，他觀察到白細胞在腫瘤組織中的浸潤，并提出癌癥可能發生于慢性炎癥部位[1]。慢性炎癥在腫瘤發展的各個階段都起著重要作用，包括發生、生長、侵襲和轉移。炎癥微環境在腫瘤發生中已被確認[2]。因此，對炎癥和癌癥的分子研究為癌癥的治療方法提供了新的曙光。

炎癥是固有免疫中的宿主防御反應之一。參與固有免疫的細胞可以通過模式識別受體(Pattern recognition receptor，PRR)識別微生物間共有的病原相關分子模式(Pathogen associated molecular patterns，PAMPs)及損傷和壞死細胞釋放的損傷相關的分子模式(Damage associated molecular patterns，DAMPs)。經典的固有免疫受體有Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)、核苷酸結合寡聚化結構域(Nucleotide binding oligomerization domain，NOD)樣受體(NLRs)、C型凝集素受體(C-typelectinreceptor，CLR)和維甲酸誘導基因I樣受體(Retinoic acid-inducible gene-I-like receptors,RLR)。它們位于細胞的不同部位，并識別不同的配體[3]。一旦這些傳感器檢測到危險信號，就可以啟動炎癥。各種固有免疫途徑可能與缺氧、化療、放療或免疫攻擊而死亡的腫瘤細胞釋放的細胞成分有關。由腫瘤或腫瘤成分激活的固有免疫細胞可能通過招募效應細胞來誘導抗腫瘤免疫，或通過提供促炎環境來促進腫瘤的發展。炎癥小體是一種新的固有免疫途徑，大量證據表明，炎癥小體在病原體感染和自身免疫性疾病中起重要作用。然而，它們在腫瘤進展中的作用仍不清楚。

1 炎癥小體概述

炎癥小體是一種多聚蛋白復合物，其概念是于2002年由Jurg Tshoop首次描述[4]。炎癥小體是由NLRs或肝再生增強因子(Augmenter of liver regenration，ALR)、凋亡相關斑點樣蛋白(Apoptosis associated speck- like protein containing CARD, ASC)和半胱天冬氨酶-1 (caspase-1)組成的蛋白復合體[2]。NLRs是識別PAMPs和DAMPs的固有免疫受體，在人和小鼠中分別分為22和34個亞型。在NLRs家族包括NLRP1、NLRP3、NLRC4、NLRP6和NLRP12。典型的炎癥小體傳感器還包括黑素瘤缺乏因子2(Absent in melanoma 2，AIM2)和pyrin[5]。ASC包含caspase激活和募集結構域CARD。一旦檢測到特定的分子模式，包括NLRs、ALR或Pyrin的傳感器就被激活，并通過ASC募集caspase-1的前體pro-caspase-1。被激活的caspase-1通過蛋白水解將IL-1β和IL-18的前體轉化為促炎細胞因子IL-1β和IL-18，從而啟動一種被稱為焦亡的細胞炎性壞死。焦亡是一種依賴于caspase-1或caspase-11的程序性細胞死亡，其特征是膜破裂，導致細胞內容物釋放。釋放的IL-1β和IL-18觸發炎癥細胞的分化，進而可以誘導自身免疫反應或腫瘤進展[6]。因此，研究炎癥小體與腫瘤之間的潛在機制很重要。

2 炎癥小體NLRP3

2.1 NLRP3的結構 NLRP3是最具特征性且研究最深入的一個炎癥小體。其主要表達于單核細胞、巨噬細胞、粒細胞、樹突狀細胞、上皮細胞及成骨細胞的細胞質內，在炎癥感染和內源性刺激作用下，NLRP3表達上調[7]。NLRP3和大部分NLRs一樣，由3個結構域組成： C端富含亮氨酸重復序列(Leucine-rich repeat, LRR)、中央核苷酸結核結構域(Nucleotide binding domain, NBD)和N-末端PYD結構域[8]。

啟動NLRP3炎癥小體需要兩個不同的步驟，即轉錄和轉錄后水平的第一信號和第二信號。第一信號包括TLR配體，如脂多糖誘導的TLR4/MYD88信號，通過NF-κB的激活，進而誘導pro-IL-1β、pro-IL-18和NLRP3的轉錄和生成。第二個信號由PAMPs、DAMPS、ATP和尿酸結晶等多種刺激誘導，促進NLRP3-Asc-pro-caspase-1多蛋白復合物的形成。一旦激活，pro-caspase-1將被切割成p35和p10片段，p35片段隨即將被加工成CARD和p20亞基。激活的caspase-1導致IL-1β和IL-18的成熟和釋放，并通過切割Gasdermin D蛋白暴露的毒性N端與細胞膜的磷脂酶相結合，從而在細胞膜上形成孔洞來啟動細胞焦亡[5]。

2.2 NLRP3的激活機制 NLRP3炎癥小體可以被不同的刺激所觸發，其激活機制主要有四種假說，包括鉀離子外流、鈣離子流量、活性ROS產生和線粒體功能障礙及溶酶體損傷。

鉀離子外流、細胞內鉀離子濃度降低是NLRP3炎癥小體激活的重要機制。細胞外ATP刺激嘌呤型P2X7ATP受體，并觸發鉀離子快速外流，募集Pannin-1半通道蛋白，誘導細胞膜相應受體逐漸開放。細胞外的NLRP3激動劑進入胞漿，與NLRP3蛋白復合物結合，并觸發炎癥小體分泌IL-1β[9]。幾項研究證實，細胞外鉀濃度的升高也會阻止NLRP3復合體的激活，而胞內鉀濃度的降低則會啟動NLRP3炎癥小體的激活[10]。研究表明，阻斷內質網上的細胞內鈣釋放通道——三磷酸肌醇(IP3)受體，會減少鈣離子流量，從而抑制NLRP3的激活[11]，而在RPMI培養基中加入鈣離子則會誘發鉀外流和NLRP3炎癥小體激活[10]。但也有研究者在比較NLRP3炎癥小體激活中細胞內鉀濃度降低和細胞內Ca2+增加的趨勢后，發現NLRP3激活不依靠鈣離子[12]。因此，鈣信號在NLRP3復合物激活中的作用尚未清楚。

鈣離子流入線粒體基質和鈣離子超載所造成的線粒體功能障礙及PAMPs和DAMPS、ATP等刺激物通過損害NADPH氧化酶和其他線粒體氧化系統，導致了ROS的釋放，從而觸發NLRP3復合物的形成。線粒體死亡導致氧化的DNA釋放到胞漿中，隨后介導了NLRP3的激活[13]。

溶酶體損傷和組織蛋白酶B的釋放也是NLRP3炎癥小體激活的原因。研究發現，包括硅晶和鋁鹽在內的顆粒可引起溶酶體損傷，釋放并激活組織蛋白B，從而激活NLRP3[14]。

3 NLRP3和腫瘤

炎癥小體是固有免疫系統中誘導pro-caspase-1活化和炎性細胞因子成熟的多聚蛋白平臺。IL-1β的過表達除了與自身免疫病相關外，也可能導致腫瘤的發生。包括NLRP3、NLRP6、NLRC4、NLRP1和AIM2在內的幾個炎癥小體均可能通過調節固有和獲得性免疫、凋亡、分化和腸道微生物而在腫瘤發生中發揮致病作用。NLRP3在腫瘤進展中的作用非常復雜。已有研究表明，在各種癌癥中，NLRP3既有促癌作用，也有抑瘤作用。

3.1 NLRP3的抑瘤作用 在氧化偶氮甲烷—葡聚糖硫酸鈉(AOM-DSS)誘導發生結腸癌的小鼠模型中，NLRP3基因敲除的小鼠更容易出現結腸息肉，并對AOM/DSS誘發的結腸炎相關性結腸癌高度敏感，在腫瘤的發展過程中在顯示出腫瘤加速生長并伴隨著組織IL-18水平的降低。這些發現表明，NLRP3可以抑制腫瘤的形成，而IL-18與結腸癌的發生密切相關。經AOM-DSS誘導后，IL-18-/-小鼠比對照組小鼠更容易發生腫瘤，這表明IL-18具有潛在的保護和抗腫瘤功能，包括修復結腸炎相關性結直腸癌中的上皮屏障損傷，而使用重組IL-18可抑制腫瘤的進展，這意味著產生細胞因子如IL-18可能成為結直腸癌的潛在候選治療藥物[15]。NLRP3在肝細胞癌中也表現出類似的抑制腫瘤作用，與肝組織對比，肝癌組織中炎癥小體的表達明顯減少或完全消失，且炎癥小體表達下調與肝癌的晚期和低分化等臨床特征密切相關[16]。NLRP3在抑制腫瘤進展方面也很重要。NLRP3介導的IL-18通過誘導輔助T細胞產生干擾素-γ并增強T細胞和NK細胞的細胞毒作用，間接抑制結腸炎相關性結直腸癌的腫瘤進展[17]。此外，枯否細胞中激活的NLRP3通過釋放IL-18，促進肝臟NK細胞的成熟和FasL的表達，從而抑制了結腸癌的肝轉移[18]。在化療過程中受損或死亡的腫瘤細胞釋放ATP，刺激NLRP3炎癥小體和IL-1β受體信號通路，激活細胞毒性T細胞從而抑制腫瘤生長。此外，化療藥物如奧沙利鉑無法誘導NLRP3缺陷小鼠細胞毒性T細胞的激活[19]。

3.2 NLRP3的促瘤作用 也有研究表明，NLRP在腫瘤的發生發展過程中可通過影響宿主腫瘤免疫、促進腫瘤細胞的增殖、分化及調節腫瘤微環境，從而推動腫瘤的發展進程。在肉瘤和轉移性黑色素瘤的小鼠模型中，激活的NLRP3通過抑制自然殺傷(NK)細胞和T細胞，募集髓系來源的抑制細胞(Myeloid-derived suppressor cells，MDSCs)和調節性T細胞(regulatory T cells，Tregs)，從而促進了腫瘤的發生和進展。而沉默NLRP3使宿主小鼠腫瘤相關MDSCs的數量減少5倍，且效率降低，這表明NLRP3通過調節宿主免疫來影響腫瘤發生[3]。研究證實炎癥小體復合體的主要成分ASC促進原代黑色素瘤細胞的增殖，將其敲除后，可通過抑制細胞增殖來預防DMBA/TPA誘導的皮膚癌發生[20]。NLRP3通過激活細胞周期素D1和誘導IL-1β的產生來影響腫瘤細胞的分化。IL-1β激活NF-κB，啟動JNK信號轉導，促進腫瘤細胞增殖、侵襲和腫瘤進展[21]。近期研究發現，瘦素通過雌激素受體信號通路和活性氧的產生激活NLRP3，NLRP3則通過誘導腫瘤生長、刺激細胞周期基因及抑制凋亡基因表達實現對乳腺腫瘤生長的調控[22]。NLRP3還可通過激活腫瘤干細胞(Cancer stem cells,CSCs)的途徑，誘導腫瘤細胞的自我更新，加速腫瘤進展[23]。腫瘤相關巨噬細胞(Tumor-associated macrophages,TAMs)是浸潤至腫瘤的免疫細胞之一，在腫瘤淋巴管生成和增殖中起重要作用。TAMs胞漿內的NLRP3激活之后，IL-1β和鞘磷脂-1-磷酸信號的產生促使炎性腫瘤微環境的形成，從而有利于腫瘤的轉移[24]。

化療藥物吉西他濱和5-氟尿嘧啶因激活MDSCs的NLRP3，產生IL-1，并誘導CD4+T細胞分泌IL-17，導致其藥物作用被削弱，而吉西他濱和5-氟尿嘧啶在NLRP3或Caspase-1敲除小鼠體內顯示出更強的抗腫瘤作用，表明化療介導的NLRP3激活是腫瘤生長的正調控因子[3]。

NLRP3在腫瘤發生中的作用可能取決于組織或細胞的類型。NLRP3在腸癌中展示了其抗腫瘤作用，但在胃癌和前列腺癌中卻表現為促腫瘤的作用[3]。因此，需要使用條件基因敲除模型和藥理學激活劑或抑制劑對NLRP3進行綜合分析，以分析腫瘤中NLRP3活性的確切機制。

綜上所述，近年來相關研究進展極大地加深了我們對NLRP3功能及其在宿主防御、疾病包括腫瘤發病機制中調控的認識。越來越多的證據表明，NLRP3在腫瘤發生和抗癌免疫中起著雙刃劍的作用。但其在不同腫瘤類型，腫瘤的不同發展階段，以及在腫瘤的形成、發展和侵襲中的作用機制等方面仍然存在爭議。需要進一步的研究對其產生、激活和調節背后的分子機制進行更深入的探討，從而為相關臨床腫瘤靶向藥物及免疫治療的開發提供新靶點或方向。