NLRP3炎性小體在顱腦創傷后神經炎癥反應中的作用研究進展

焦春春，冀 兵

顱腦創傷是常見的中樞神經系統疾病，其死亡率和致殘率較高。依據病因不同顱腦創傷可分為原發性腦損傷和繼發性腦損傷，其中神經炎癥反應是繼發性腦損傷的關鍵機制之一[1]。炎癥反應是通過清除和控制最初的刺激，通過釋放細胞和介質來對抗外來物質，從而幫助防止感染、保護受損組織，盡管炎癥對人體組織有防御和修護作用，但過度的炎癥反應會導致組織進一步的損傷[1-2]。NOD樣受體蛋白(NOD-like receptor protein，NLRP3)屬于Nod-like受體家族，被病原體和損傷相關信號激活，形成多聚蛋白復合物，屬于一種促炎因子，能促進顱腦損傷后的神經炎癥反應的發生和發展。研究發現，通過抑制NLRP3炎性小體的表達和激活，可以減輕顱腦創傷后的神經炎癥反應[3]。另外，有很多小分子可以通過對NLRP3炎性小體的調控，來減輕顱腦創傷后的神經炎癥反應[4-10]。現就NLRP3炎性小體在顱腦創傷中的作用研究進展綜述如下。

1 NLRP3炎性小體及其信號通路

1.1 NLRP3炎性小體 炎性小體是由多種蛋白質組成的復合體，炎性小體能夠調節胱冬肽酶-1(Caspase-1)的活化進而在天然免疫防御的過程中促進細胞因子白細胞介素(IL)-1β和IL-18前體pro-IL-1β和pro-IL-18的成熟和分泌，還能調節Caspase-1依賴的形式編程性細胞凋亡，誘導細胞在炎性和應激的病理條件下死亡。其中，NLRP3是炎性小體中的一種，其基礎結構是以NOD樣受體(NLR)蛋白家族作為受體蛋白、凋亡相關微粒蛋白(ASC)作為接頭蛋白、Caspase作為效應蛋白。NLRP3炎性小體通路失調與許多人類疾病的發生發、展密切相關，如神經炎癥、代謝性炎癥和免疫炎癥，提示NLRP3炎性小體是炎性疾病的潛在藥物靶點[11]。

1.2 NLRP3炎性小體的信號通路 NLRP3炎性小體包含3個結構域，即富含亮氨酸的含重復受體(LRR)結構域、核苷酸結合和寡聚結構域(NACHT)和pyrin結構域(PYD)。NLRP3炎性小體的激活包括啟動和激活兩個階段[11]，①在啟動階段：細菌內毒素如脂多糖(LPS)可以通過核轉錄因子(NF)-κB途徑激活Toll-4樣受體(TLR4)受體、調控NLRP3炎性小體和炎性細胞因子前體pro-IL-1β和pro-IL-18的表達；此外，有研究表明，在啟動階段NLRP3的去泛素化作用也可以調控NLRP3炎性小體的活化[12]。②激活階段：當LRR結構域識別“危險”信號時，氨基末端的PYD與凋亡相關微粒蛋白的PYD結構域相互作用，進而通過Caspase募集結構域(CARD-CARD)相互作用招募單體pro-Caspase-1，這些蛋白經寡聚后，pro-Caspase-1被裂解為具有活性的Caspase-1，從而促進pro-IL-1β和pro-IL-18成熟和分泌。NIMA相關的激酶7(Nek7)位于嘌呤能受體(P2X7)和鉀外排的下游，通過其催化結構域與NLRP3的LRR結構域結合，形成NLRP3-Nek7復合物，并調控NLRP3炎性小體的組裝和激活[13]。另外，LPS在人單核細胞中通過激活含TIR結構域的適配器誘導干擾素β(TLR4-TRIF)-Caspase-8途徑，促進NLRP3炎性小體的激活和IL-1β的成熟，是NLRP3炎性小體激活階段的另一種途徑[2，11]。

2 顱腦創傷與神經炎癥反應

顱腦創傷是指發生于頭顱部的外傷，以跌墜傷和撞傷最為多見，常發生于交通事故、災難中，顱腦創傷后的腦損傷可以分為原發性腦損傷和繼發性腦損傷，繼發性腦損傷是一個漸進的過程，發生在幾分鐘到幾天內，其病理機制包括氧化應激、神經炎癥和線粒體功能障礙，最終導致神經元損傷和死亡[14-16]。神經炎癥是一種細胞和分子反應，旨在清除感染或損傷產生的病原體和死亡/受損細胞，并幫助受損區域恢復正常狀態，但過度的炎癥反應會導致進一步的組織損傷，被認為是繼發性細胞損傷的主要原因，直接損傷細胞，并促進其他損傷因素，如氧化應激和水腫的形成[2]。

神經炎癥反應是指中樞神經系統的廣泛免疫反應，可在外周或大腦內啟動。正常情況下，由于血腦屏障的存在，外周的免疫細胞及促炎介質無法進入中樞神經系統，當顱腦創傷后血腦屏障被破壞導致的外周白細胞進入中樞神經系統，進而產生神經炎癥反應。研究表明，在沒有免疫細胞外周浸潤的情況下，神經系統也會受到常駐腦細胞(主要是小膠質細胞和星形膠質細胞)的持續免疫監視，因此，神經元損傷在不破壞血腦屏障和伴隨白細胞浸潤的情況下能觸發膠質細胞活化，進而導致神經炎癥反應[2，17-18]。研究發現，腦細胞表達特殊的模式識別受體(PRRs)可以感知病原體相關分子模式(PAMPs)和危險/損害相關分子模式(DAMPs)，PAMPs是典型的在感染組織中積累的外來分子，而DAMPs是在患病大腦中發現的錯誤折疊的蛋白質、聚集的肽或錯誤定位的核酸[2]。顱腦創傷后數小時內從外周循環招募的中性粒細胞通過促進水腫和氧化應激以及炎性細胞因子和神經毒性蛋白酶的產生來介導早期發病機制，由于顱腦創傷后血腦屏障可能被破壞，導致外周炎性細胞進入大腦和受傷區域，通過在血腦屏障上的作用以及直接的化學吸引，趨化因子包括CXCL8和CCL2(也稱為單核細胞趨化蛋白-1)分別是中性粒細胞和單核細胞向損傷部位遷移的關鍵介質。一旦進入大腦，這些細胞就會釋放過多的炎性細胞因子、趨化因子和活性氧(ROS)，促進中樞神經炎癥反應[19]。

3 NLRP3炎性小體在顱腦創傷后神經炎癥反應中的作用

3.1 NLRP3炎性小體在顱腦創傷中的作用 NLRP3炎性小體是一種多蛋白復合物，由Caspase-1、NLRP3和銜接蛋白組成。研究發現，顱腦創傷后在皮質神經元、星形膠質細胞和小膠質細胞中能檢測到NLRP3炎性小體，其產生的機制主要是在顱腦創傷后激活了NLRP3炎性小體，導致凋亡相關微粒蛋白和Caspase-1的上調，進而促進IL-1β和IL-18的成熟，從而導致顱腦創傷后炎癥級聯反應的發生和發展。另外，炎癥體成分凋亡相關微粒蛋白或NLRP3的“敲除”可以減少體外IL-1β的產生[3]。此外，一些研究表明，NLRP3炎性小體也參與了腦炎、腦膜炎、阿爾茨海默病、亨廷頓氏病、帕金森病等中樞神經系統疾病的炎癥反應[20]。由此可知，通過抑制或阻礙NLRP3 炎性小體的組裝能夠有效地抑制下游炎性因子的釋放，控制炎癥，從而減輕顱腦損傷[3，21]。

3.2 靶向調控NLRP3通路 研究發現很多小分子能直接或間接靶向調控NLRP3炎性小體通路，如微小核糖核酸(MicroRNA-223)、小分子抑制劑(MCC950)、JC124、Apelin-13、ω-3脂肪酸(ω3 FAs)等。①顱腦損傷后NLRP3炎性小體途徑被激活，可誘導神經炎癥反應從而導致腦水腫、神經功能損傷，而MicroRNA-223能通過反饋NLRP3炎性小體調節炎癥反應和腦損傷，NLRP3 mRNA在其3′UTR中包含保存的miR-223綁定站點，miR-223可以通過這3′UTR站點直接調節NLRP3表達，減輕神經炎癥反應和神經功能損傷[4-5]。②MCC950是一種有效的、選擇性的小分子NLRP3炎性小體抑制劑，其干預可減輕腦水腫、縮小病灶體積、改善長期運動和認知功能、改善創傷性顱腦損傷術后神經系統預后；MCC950通過抑制NLRP3誘導的凋亡相關斑點樣蛋白的寡聚來阻止NLRP3炎性小體的激活，進而減少了IL-1β和IL-18的釋放，從而減少炎性細胞因子的產生和炎性細胞的浸潤[6-7]。③JC124(新型NLRP3抑制劑)治療顱腦創傷后繼發性腦損傷,可明顯降低損傷性退化神經元的數量、損傷腦內炎性細胞反應。在顱腦創傷后經JC124干預，導致NLRP3、凋亡相關微粒蛋白、IL-1、Caspase-1等炎性因子表達水平降低，進而減輕顱腦創傷后的神經炎癥反應，表明JC124對顱腦損傷后腦損傷具有特殊的抗炎作用[8]。④Apelin是一種具有77個氨基酸的肽，是G蛋白偶聯受體APJ的內源性配體。Apelin-13結合APJ可通過腺苷單磷酸活化蛋白激酶(AMPK)/硫氧還原型相互作用蛋白(TXNIP)/NLRP3信號通路降低顱腦損傷后的氧化應激和神經炎癥反應，從而減輕早期腦損傷。研究發現，Apelin-13通過其受體APJ激活AMPK，從而促進TXNIP的磷酸化和降解，進一步抑制內質網應激的過度活化并降低NLRP3的水平[9]。⑤ω-3FAs是一種潛在的抗炎劑，研究表明，用ω3脂肪酸處理的大鼠比沒有用ω-3FAs處理的大鼠顱腦創傷后誘導的Caspase-1裂解和IL-1β分泌明顯減少[10]。G蛋白偶聯受體40(GPR40)抑制劑GW1100能夠降低ω-3 FAs在顱腦創傷后改善神經元死亡和行為缺陷的能力，進而消除了ω-3FAs的抗炎作用，GPR40的下游支架蛋白β-Arrestin-2(ARRB2)通過與ω-3 FAs治療組中的NLRP3直接結合來激活以抑制炎癥[10]。由此可知，在顱腦損傷后ω-3 FAs能調節NLRP3炎性小體的活化，進而減輕顱腦損傷。

4 小結與展望

創傷性顱腦損傷具有高發病率、高致殘率和高致死率的特點，給整個社會和個人帶來了巨大的經濟負擔。炎性小體可以通過擴大炎癥反應信號誘導中樞神經系統損傷，其中NLRP3炎性小體是研究的熱點之一，顱腦創傷后通過啟動NLRP3炎性小體的激活，促進其下游炎性因子的釋放，誘導神經炎癥反應的發生。由于NLRP3炎性小體具有在顱腦創傷后促進神經炎癥反應的作用，因此，NLRP3炎性小體可成為治療顱腦創傷的新靶點。相信隨著對顱腦損失機制的進一步研究和靶點的細化，會發現更多抗炎物質，為治療顱腦創傷提供更多新的選擇。