雷帕霉素通過調控NLRP3炎癥小體抑制成纖維樣滑膜細胞增殖*

楊俊杰，景銘，劉佳宇，孫萌萌，史雅彤，趙煜煒，辛文妤

(濱州醫學院藥學院，煙臺 264003)

類風濕關節炎(rheumatoid arthritis，RA)是一種自身免疫性疾病，主要表現為全身性關節腫痛、滑膜組織異常增生等，其發病機制至今未明[1]。研究表明，成纖維樣滑膜細胞(fibroblast-like synoviocytes，FLS)在RA的發生發展中起至關重要的作用，FLS異常增殖和侵襲，最終導致關節和軟骨的破壞[2]。而核苷酸寡聚化結構域樣受體(nod-like receptor，NLR)家族PYRIN域蛋白3(nod-like receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體在RA患者滑膜增殖過程中被激活且在滑膜組織中過表達[3]。NLRP3炎癥小體是由傳感-NLRP3、銜接子-凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis associated speck-like protein containing CARD，ASC)、效應蛋白-前半胱天冬蛋白酶(pro-caspase-1)三者相互結合形成的多蛋白復合物，發揮激活機體免疫炎癥的關鍵作用[4-5]。NLRP3炎癥小體的激活至少需要兩個信號：一是上調NLRP3和pro-IL-1β的啟動信號[6]；二是由對病原相關分子模式和危險相關分子模式刺激ASC和pro-caspase1的裝配，最終使NLRP3炎性小體激活[7]。近幾年研究發現，RA中NLRP3炎性小體異常激活，其活化的下游產物半胱天冬蛋白酶(caspase-1)和白細胞介素-1β(IL-1β)在RA炎癥活動過程中扮演了重要的角色[8-9]。

自噬是一種重要的細胞內機制，它通過降解細胞內病原體、受損的細胞器等起到細胞保護作用。研究表明自噬與RA-FLS的凋亡抗性，破骨細胞形成以及最終嚴重的骨和軟骨破壞有關[10-11]。研究發現細胞自噬與NLRP3炎癥小體之間相互調控關系緊密，可通過抑制NLRP3炎性小體激活使RA炎癥癥狀減輕[12]。雷帕霉素(rapamycin，RAPA)是一種大環內酯類免疫抑制劑，可以抑制mTOR信號通路的mTORC1，從而激活自噬。但RAPA對于FLS細胞的作用筆者未見報道。本實驗研究自噬促進劑RAPA對FLS細胞增殖以及NLRP3炎癥小體激活的影響，探討其潛在的機制，旨在為開發自噬相關藥物治療RA提供實驗基礎。

1 材料與方法

1.1材料 FLS細胞由煙臺大學藥學院提供，為人源滑膜組織提取，已進行過特征性的鑒定[13]。本實驗按照“濱州醫學院醫學倫理委員會—涉及人的生物醫學研究項目倫理審批件”執行，批準號：2018-20。RAPA(分子式：C51H79NO1；相對分子質量：914.19；純度≥98%；批號：53123-88-9)購自上海麥克林生化科技股份有限公司。腫瘤壞死因子-α(TNF-α)購自Sigma-Aldrich公司。CCK-8細胞增殖毒性檢測試劑盒(中國biosharp，批號：BS350B)。高內涵成像系統(OperettaTM，美國PerkinElmer公司)。透射電子顯微鏡(型號：JEM-1400，日本電子株式會社)。

1.2方法

1.2.1細胞培養 FLS細胞用磷酸鹽緩沖液(PBS)洗滌3次，用0.25%胰蛋白酶放入37 ℃、5%二氧化碳(CO2)培養箱中消化2 min。加入血清終止消化后，在含10%胎牛血清的DMEM/ F12培養液中培養。FLS細胞傳代至4～6代，用于后續實驗。

1.2.2CCK-8法檢測細胞活力及RAPA對FLS增殖的影響 將傳代的FLS細胞接種于96 孔板中，每孔細胞懸液100 μL(每孔含細胞5×103個)。根據實驗需要設置對照組及不同藥物濃度RAPA(100，200和400 nmol·L-1)組，每組設復孔3個。在接種細胞24 h后進行給藥處理，分別在含有相應濃度RAPA的DMEM/F12培養液中培養48 h，采用CCK-8試劑盒檢測各組細胞活力，選擇適宜的濃度進行后續實驗。之后將細胞分為對照組、TNF-α組、RAPA(100，200 nmol·L-1)組，RAPA預處理2 h，加入TNF-α(10 ng·mL-1)孵育48 h，每孔加入CCK-8溶液10 μL，37 ℃繼續孵育2 h，測定450 nm處吸光度值(A值)，計算細胞活力。細胞活力(%)=(測定組A值-空白組A值)/(對照組A值-空白組A值)×100%。

1.2.3透射電子顯微鏡觀察RAPA對FLS細胞自噬小體的影響 取對數生長期細胞接種于96孔板中，將細胞分為：對照組、TNF-α組、RAPA組。RAPA組加入200 nmol·L-1RAPA培養2 h，每孔加入10 ng·mL-1TNF-α10 μL，對照組給予相應體積培養液，TNF-α刺激48 h后收集細胞于1.5 mL EP管中，400×g離心10 min，棄去上清液，4 ℃戊二醛中過夜；PBS清洗3次，每次10 min，后經4 ℃的1%鋨酸固定1.5 h，常規乙醇和丙酮梯度脫水，環氧樹脂浸透、包埋、聚合；制備厚度0.5 μm半薄切片光鏡定位后，再制備60 nm厚度超薄切片，醋酸鈾和枸櫞酸鉛染色，透射電子顯微鏡觀察。

1.2.4免疫熒光法檢測RAPA對FLS細胞LC3B表達的影響 按照文獻[14]的方法，采用細胞免疫熒光觀察FLS細胞內的自噬水平。按照“1.2.3 ”的方法對細胞進行預處理，之后采用4%多聚甲醛溶液室溫固定30 min；PBS洗滌3次，每孔加入0.3% Triton-X100溶液50 μL，室溫靜置15 min；PBS洗滌3次，每孔加入LC3B一抗(用1%無菌BSA以1：200稀釋為工作液)50 μL，4 ℃靜置過夜。次日37 ℃下避光孵育二抗(羊抗兔IgG-TRITC，1：1000)2 h，隨后用DAPI染核30 min，以PBS輕輕洗細胞3次，使用高內涵成像系統對細胞進行成像與分析。

1.2.5蛋白免疫印跡(Western blotting)法檢測自噬與NLRP3炎癥小體相關蛋白 按照“1.2.3”的方法對細胞進行預處理，離心收集細胞，低溫條件下裂解細胞，高速離心后吸取上清液，BCA 法測定蛋白濃度，按比例加入十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE)蛋白上樣緩沖液，沸水浴5 min，-20 ℃保存。每組取蛋白質樣本30 μg進行凝膠電泳，然后轉膜、封閉。經SDS-PAGE電泳與濕轉法轉膜，封閉后經一抗、二抗孵育，化學發光顯影后采用圖像處理軟件進行分析。

2 結果

2.1RAPA對FLS細胞增殖的影響 CCK-8檢測結果表明，400 nmol·L-1RAPA能明顯抑制FLS的細胞活力(P<0.05)，而100，200 nmol·L-1RAPA對FLS細胞活力無明顯影響，說明RAPA在低于200 nmol·L-1時對FLS細胞無明顯毒性作用(圖1)。因此，后續實驗中采用≤200 nmol·L-1RAPA作為給藥組劑量。

以對照組細胞增殖活力為100%計算，TNF-α組細胞增殖活力為(120.56±1.25)%，表明TNF-α可明顯誘導FLS增殖；與TNF-α組比較，100，200 nmol·L-1RAPA組細胞活力明顯下降(P<0.05)，說明RAPA可明顯抑制FLS細胞的增殖(圖1)。

A.對照組；B.TNF-α組；C.100 mol·L-1RAPA組；D.200 mol·L-1RAPA組；①與空白對照組比較，t=4.538，27.89，P<0.05；②與TNF-α組比較，t=3.793，11.58，P<0.05。

2.2RAPA對FLS細胞內自噬小體的影響 透射電鏡下觀察可見，FLS細胞凸起且長，細胞核較為規整，核內染色質疏松，呈細顆粒狀分布在細胞核周圍。核仁明顯，粗面內質網豐富，細胞質突起長而粗，細胞質中往往缺乏高爾基復合體，可見少量小泡和囊泡[15]。TNF-α組細胞內自噬小體增多，細胞核呈不規則；RAPA組FLS細胞細胞質中自噬小體和自噬溶酶體明顯多于TNF-α組，且透射電鏡下可見典型細胞凋亡：細胞漿致密，細胞器互相靠近，染色質濃縮，沿核膜排列，形成不同形狀及大小塊狀，線粒體腫脹及空泡樣變，可見核碎裂及凋亡小體(圖 2)。

A.對照組；B.TNF-α組；C.200 mol·L-1RAPA組；①與對照組比較，t=4.950，P<0.01；②與TNF-α組比較，t=3.474，P<0.05。

2.3RAPA對FLS細胞內LC3B蛋白水平的影響 采用綠色熒光標記自噬蛋白LC3B，綠色斑點代表自噬體的形成[16]。免疫熒光結果顯示，TNF-α組綠色熒光呈彌散狀分布于細胞中，LC3B蛋白表達較多且表達于細胞質中，熒光較為強烈。RAPA組綠色熒光成斑點狀出現在細胞中，熒光增強。結果表明：與對照組比較，10 ng·mL-1的TNF-α增加FLS細胞內LC3B蛋白的表達，而RAPA能夠進一步增強LC3B蛋白的表達，細胞自噬水平升高，見圖3。

A.對照組；B.TNF-α組；C.200 mol·L-1RAPA組；①與對照組比較，t=3.641，P<0.01；②與TNF-α組比較，t=5.398，P<0.01。

2.4RAPA對FLS細胞自噬及NLRP3信號通路的影響 進一步探索在FLS細胞增殖過程中RAPA與NLRP3炎癥小體激活之間的關系。采用TNF-α誘導FLS細胞增殖，結果顯示TNF-α預處理后自噬相關蛋白LC3Ⅱ、Beclin-1水平增加，同時NLRP3炎癥小體的表達水平也相應提高。采用RAPA處理后，FLS細胞內LC3-II、Beclin1的表達水平進一步增加，P62的表達水平下調，說明RAPA誘導FLS細胞自噬水平提高；同時，采用RAPA處理后細胞內NLRP3、caspase-1的表達水平下調，說明NLRP3炎癥小體的活化被抑制(圖 4)。結果表明RAPA可以進一步誘導FLS細胞自噬，同時相應地抑制NLRP3炎癥小體相關蛋白的表達。

A.對照組；B.TNF-α組；C.200 mol·L-1RAPA組；①與對照組比較，t=2.221～6.791，P<0.01；②與TNF-α組比較，t=2.834～9.889，P<0.01。

3 討論

RA是一種慢性、全身性自身免疫性疾病，其特征是關節滑膜持續發炎[17]?；葘咏M織中出現的炎癥細胞的浸潤以及RA患者FLS細胞的增殖和凋亡平衡失調，使FLS不斷地“腫瘤樣”增生，是造成滑膜組織增生和關節結構破壞的主要原因[18]。TNF-α是一種主要的免疫調節和前炎性因子，其在RA中表達上調且在RA病理機制中發揮重要作用。TNF-α在RA中刺激滑膜細胞和軟骨細胞合成PGE2和膠原酶，引起骨和軟骨的吸收破壞，促進成纖維細胞的增生[19]。并且TNF-α可刺激體外培養的滑膜細胞NF-κB活化以及IL-6、IL-1β等炎癥因子分泌[20]。故本研究采用TNF-α處理FLS細胞，經TNF-α誘導后，FLS細胞增殖活力明顯升高，同時NLRP3炎癥小體表達升高。這與WANG等[21]造模方式一致，較好模擬RA患者體內病理學特點。

自噬是真核細胞在自噬相關基因(autophagy related gene，Atg)的調控下利用溶酶體降解自身細胞質蛋白和受損細胞器的過程[22]。研究表明，NLRP3炎癥小體的活性受到自噬的負調控，自噬可以通過不同的機制調節NLRP3炎癥小體的激活[23-24]。自噬可以通過降解炎癥小體進而負調控炎癥小體活性、降低炎性因子IL-1β、IL-18水平從而在骨關節炎中發揮重要作用[25]。研究發現RAPA可通過抑制NF-κB/MAPK信號通路產生抵抗炎癥的作用[26]。同時RAPA還能抑制Th17細胞增殖并誘導Treg細胞的分化，從而降低炎癥因子水平，改善RA[27]?；诖?，采用自噬誘導劑RAPA探討其在FLS細胞增殖過程中對NLRP3炎癥小體激活的影響。

研究發現，RAPA可下調NF-κB信號通路和NLRP3炎癥小體的活化，減少炎癥因子TNF-α、IL-1β的表達[28]；此外，RAPA通過以自噬和P62/SQSTM1依賴方式限制NLRP3炎癥小體的活化[29]。研究表明，RAPA對NLRP3炎癥小體活化通路的兩種信號均可產生影響，即有效抑制NLRP3和caspase-1表達升高，這可能是基于對mTOR/TLR4信號通路的抑制[30]，也有可能是直接通過對NLRP3的抑制降低下游因子的持續上調[31]。本實驗給予RAPA干預，200 nmol·L-1RAPA無明顯細胞毒性且可以顯著抑制FLS細胞的增殖。筆者采用透射電子顯微鏡和免疫熒光兩種方法觀察RAPA對FLS細胞中自噬的影響，發現TNF-α能夠提高FLS細胞內自噬水平并引起細胞增殖，這可能與TNF-α刺激細胞產生炎癥反應有關[32]，而RAPA可以進一步提高細胞內自噬水平但明顯抑制細胞增殖。筆者對FLS細胞的自噬通路的分子機制進行探究，發現RAPA干預后LC3Ⅱ、Beclin-1表達水平均上調，P62表達水平下降，與此同時相應的NLRP3和caspase-1的表達水平下降。表明自噬促進劑RAPA對NLRP3炎癥小體起到負向調控作用。結合研究結果，推測RAPA可以提高FLS細胞自噬水平從而清除堆積的有害物質，降低NLRP3炎癥小體的表達，從而抑制炎性因子的釋放進而在RA中起到防治作用。

綜上所述，本研究結果顯示RAPA可能通過增強FLS細胞中自噬水平，抑制NLRP3炎癥小體的激活從而抑制了FLS細胞增殖。由此可推測在FLS細胞中自噬水平提高可以抑制NLRP3炎癥小體的激活，這將為治療RA提供一個新的方向，為進一步開發自噬調控劑及NLRP3炎性小體抑制劑用于治療和預防RA及不同的自身免疫性疾病提供了實驗基礎。