NLRP3炎癥小體在糖尿病腎病發(fā)病機制中的研究進展

李夢潔 梁棟 邢文華 林千愉 張慧 張曉敏

濱州醫(yī)學院附屬醫(yī)院腎內科，濱州 256603

糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）是糖尿病患者常見的微血管并發(fā)癥，且為終末期腎臟病的常見病因［1］。導致DN 進展的常見因素有脂代謝紊亂、高血糖、高血壓、氧化應激、腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)過度激活等。盡管DN 是非免疫性疾病，但炎癥反應仍是DN 的重要病理生理機制［2］。其中，炎癥小體是炎癥反應的關鍵介質，并與許多信號軸密不可分。核苷酸結合寡聚化結構域樣受 體蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）炎癥小體活化是DN 腎臟固有細胞炎癥性損傷中的“關鍵開關”。DN 時NLRP3 炎癥小體被激活，誘發(fā)的炎癥級聯(lián)反應可通過釋放炎癥因子、損傷內皮細胞、抑制足細胞自噬等參與DN的發(fā)展。此外，國內外學者還發(fā)現，許多藥物可以通過抑制NLRP3炎癥小體，從而改善DN 炎癥性損傷，延緩患者進展至終末期腎病的時間。但目前需要更多的研究明確其發(fā)揮作用的機制，本文對NLRP3 炎癥小體在DN 中的作用及其相關藥物研究進展兩方面進行綜述。

NLRP3炎癥小體在DN中的作用

NLRP3 炎癥小體是一種多蛋白復合物，它是由NLRP3 蛋白、凋亡相關斑樣點蛋白及含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-1（cysteinyl aspartate specific proteinase -1，caspase-1）前體所構成的多聚蛋白復合物。NLRP3 是復合物中的核心蛋白，它含有3 個不同的結構域，即N 端的熱蛋白結構域、中間的NACHT 結構域及C 端的亮氨酸富集重復結構域［3］。NLRP3 可以接受大多數病原微生物、多種結構域識別病原相關分子模式、危險相關分子模式和環(huán)境因子的刺激。NLRP3的激活主要有兩個方面：其一，激活模式識別受體誘導NLRP3 炎癥小體和白細胞介素（interleukin，IL）1β前體依賴的核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）轉錄上調，從而促使IL-1β 前體和NLRP3 炎癥小體蛋白過表達［4］；其二，NLRP3炎癥小體形成復合物，促使caspase-1及IL-1β等效應分子產生；NLRP3 炎癥小體由NLRP3、ASC 和caspase1 組成。一旦存在誘導因子，活化的caspase-1 會剪接前IL-1β 和前IL-18，分別形成 IL-1β 和IL-18，發(fā)揮其作用（圖1）。IL-1β和IL-18是由NLRP3炎癥小體激活后釋放的下游效應蛋白，它們在DN的發(fā)生和發(fā)展中扮演著重要的角色，其可以誘導腎臟足突細胞發(fā)生焦亡。相關實驗證明，DN 動物模型中NLRP3、ACS 和caspase-1 的過度表達，導致IL-1β 和IL-18 升高，隨后腎損傷惡化。IL-1β、IL-18 也可以進一步誘導IL-6和腫瘤壞死因子-α等炎癥介質，加重 DN的炎癥反應引起腎損傷。IL-1β細胞因子是DN炎癥反應的主要調節(jié)器［5］。DN患者的IL-1β表達水平在腎組織中明顯上調，且IL-1β 其水平與DN 患者的尿蛋白水平密切相關。此外，IL-18表達水平的升高與DN患者腎功能減退的程度呈正相關。以上研究均說明，NLRP3炎癥小體在DN中起重要作用。

圖1 NLRP3炎癥小體的組成和活化過程

NLRP3炎癥小體活化的信號調控途徑及其相關藥物

NLRP3 炎癥小體活化受多條信號傳導通路的影響，如活性氧（reactive oxygen species，ROS）-硫氧還蛋白互作蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）通路、NF-κB 通路、核轉錄因子E-2 相關因子-2（nuclear factor erythroid-related factor 2，Nrf2）通路、絲裂原激活蛋白激酶（mitogen-acti-vated protein kinases，MAPKs）通路等［6］。

1.ROS-TXNIP--NLRP3通路

TXNIP 是體內NLRP3 炎癥小體激活的關鍵調節(jié)因子。ROS-TXNIP-NLRP3 信號通路目前在DN 的腎臟損傷中被高度關注，多項研究表明NLRP3 的活化與TXNIP 相關。ROS 是NLRP3 炎癥小體活化的上游信號及觸發(fā)因素，TXNIP 對ROS 高度敏感。在生理情況下，硫氧還蛋白（thioredoxin，TRX）與TXNIP 結合而抑制其活性，因此不激活NLRP3；在病理情況下，胞內ROS 含量增加時，TRX/TXNIP 復合物解離，TXNIP 與NLRP3 的亮氨酸富集重復結構域結合而激活NLRP3 炎癥小體，進而生成并釋放IL-1β［7］。研究發(fā)現，在高糖處理的大鼠系膜細胞中，ROS、TXNIP、NLRP3、caspase-1 及IL-1β 的表達水平均有所提高，表明ROS-TXNIP-NLRP3 信號通路活化；當沉默TXNIP或敲除TXNIP 可抑制高糖誘導的ROS-TXNIP-NLRP3 信號通路的活性［8］。An 等［9］研究發(fā) 現，通過阻 斷ROS-TXNIP-NLRP3，DN小鼠模型可以抑制細胞發(fā)生焦亡，從而緩解DN 進展。高糖誘導的足細胞可以通過沉默TXNIP 表達來減輕炎癥反應［10］。故ROS-TXNIP-NLRP3 在DN 中發(fā)揮了重要作用，而相關藥物可能通過抑制該通路活化，對腎臟損傷起保護作用。其中，通過降低TXNIP 與NLRP3 的共域性，中藥湯參方可緩解腎損傷［11］。毛柳甙是紅景天中的一種成分，它可以減緩高糖作用對大鼠腎小球系膜細胞的增殖影響。通過降低ROS 水平，可以有效減少TXNIP、NLRP3 炎癥小體以及caspase-1 的表達。還有一些中草藥提取物可通過抑制ROS-TXNIP-NLRP3 信號通路的激活發(fā)揮腎臟保護作用，例如：加味升降散、肉桂、千金藤素、胡椒堿、姜黃素等［12-15］。

2.NF-κB-NLRP3炎癥小體通路

NF-κB 是一種重要的炎癥刺激因子，NF-κB 的抑制因子（inhibitor kappa B，IκB）調控NF-κB 兩個亞基：p50 和p65 的激活［16］。在DN 狀態(tài)下，炎癥小體通過細胞內或細胞外受體激活NF-κB，促進大量IL-1β 的產生，并參與調節(jié)腫瘤壞死因子受體相關因子家族作為信號傳遞器。腫瘤壞死因子受體相關因子作用于NF-κB 誘導激酶，NF-κB 誘導激酶作用于IκBα 激酶的上游。并且，在DN 狀態(tài)下，小泛素相關修飾因子（small ubiquitin-related modifier，SUMO）起著重要作用。其中包括SUMO1 和SUMO2/3 的表達增加，SUMO1 和SUMO2/3 作為細胞中的應激蛋白，當SUMO2/3 誘導的IκBα的變化占主導地位并顯著降低IκBαSUMO化時，這些因子可能通過改變IκBαSUMO 化與非SUMO 化之間的平衡來調控NF-κB 的功能，IκBα 的表達降低，并且在隨后的步驟中激活NF-κB 信號傳導，激活的NF-κB 易位至細胞核以調節(jié)下游基因，包括細胞間黏附分子-1 和轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）β1。綜 上，NF-κB 是免疫應答的重要介質，在形成預激活的NLRP3 炎癥小體過程中扮演著重要角色［17］。當炎癥小體被高濃度葡萄糖刺激激活時，會產生大量的IL-1β，IL-1β 與細胞膜表面的受體相互作用，隨后是TRAF 激活和NIK 刺激，NIK 繞過SUMO 通路來調節(jié)NF-κB的激活；在正常情況下，非活性的NF-κB 與細胞質中的κB 抑制因子（IκBα、IκBβ、IκBγ）非共價結合，IκBα 在刺激后被泛素化，允許激活的NF-κB 易位到細胞核，并與目標DNA 的特定增強子或啟動子結合，導致這些基因的激活；TGF-β1、ICAM-1 等基因過表達，導致DN 的發(fā)生發(fā)展（圖2）。研究發(fā)現，通過對小鼠腎臟組織進行檢測，糖尿病組小鼠與非糖尿病組小鼠相比，NLRP3炎癥小體及NF-κB 的表達升高。但是，如果應用抑制劑下調NF-κB，就可以降低NLRP3 炎癥小體的表達［18］。以上均提示NF-κB/NLRP3 這一信號通路異常對足細胞造成的傷害可能是DN發(fā)生發(fā)展的關鍵點。相關體內或體外實驗表明，通過這一途徑，許多藥物能夠緩解DN 對腎臟的損害。例如，黃葵膠囊在體內通過抑制腎臟組織NLRP3 炎癥小體的活化和 NF-κB 來緩解DN 腎小管上皮-間充質的分化［19］。甘草素可以減輕高糖引起的細胞外基質積聚、氧化應激和炎癥反應，這是通過抑制NF-κB/NLRP3 炎癥途徑實現的［20］。吡格列 酮通過下調NF-κB 的表達，使NLRP3、IL-18 和IL-1β 的水平進一步降低［18］。深入研究NF-κB 信號通路及藥物作用機理，或許能夠找到一種有效的方法來抑制NLRP3激活，這將成為一項非常重要的研究領域。

圖2 糖尿病腎病中的NF-κB-NLRP3炎性小體通路

3.Nrf2-NLRP3炎癥小體通路

Nrf2 是一種轉錄因子，其敏感性受到氧化還原狀態(tài)的影響。但當機體受到ROS 等刺激時，Nrf2 與Kelch 樣ECH關聯(lián)蛋白1 分離并移至細胞核，使Nrf2/抗氧化反應元件序列結合基因的表達提高，進而發(fā)揮Nrf2 的抗氧化作用［21］。Nrf2 可以調節(jié)NLRP3 介導的炎癥表達，通過應急反應蛋白和多種抗氧化酶來消除過多的ROS［22］。通過調節(jié)下游的抗氧化因子，Nrf2-NLRP3 炎癥小體通路發(fā)揮了抗氧化的作用，并通過抑制促炎因子的表達來減輕腎臟損傷，目前已成為DN治療的新靶點，提供了治療DN的新可能。目前，針對該途徑進行了多項藥物研究，其中，在米諾環(huán)素藥物研究中發(fā)現，DN 的小鼠通過誘導Nrf2 表達的增加，可以抑制NLRP3 炎癥小體活化，進而提高腎功能；反之，米諾環(huán)素不能降低Nrf2 敲除的DN 小鼠中NLRP3 的表達［23］。此外，中藥成分如白藜蘆醇、白皮杉醇、木犀草素、葛花總黃酮、五味子醇提液、冠心丹參方、丹皮酚等，均可通過激活Nrf2，啟動抗氧化機制，使腎臟細胞內炎癥小體NLRP3水平降低［24-27］。

4.MAPKs通路

DN受MAPK信號通路的調節(jié)。MAPK信號通路主要包括3 條：p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinases，p38MAPK）通路、細胞 外信號調節(jié)激酶（extracellular-signal regulated protein kinase，ERK）通路和c-Jun N 末端激酶（c-Jun Nterminal kinas，JNK）通路［28］。

p38MAPK 的主要作用是對一些應激因子和細胞因子進行調控，以誘導凋亡。高糖可以導致p38MAPK 信號通路成分的磷酸化，使系膜細胞分泌增殖增強；抑制p38MAPK通路會使系膜細胞的細胞外基質下降，從而使腎小球基底膜增厚 速度減 慢，引 起DN 的進程延緩［29］。ATP 作 為NLRP3 炎癥小體的激動劑也能激活p38MAPKs。p38MAPK激活和mRNA 表達受上游激動劑絲裂原活化蛋白激酶和絲裂原活化蛋白激酶激酶控制［30］。p38MAPK 的磷酸化被認為是通過一個蘇氨酸-甘氨酸-酪氨酸基序來實現雙重磷酸化。因此，p38 蛋白TGY 基序中酪氨酸和蘇氨酸的磷酸化導致了p38 蛋白的激活。在炎癥體激活時，p38MAPK 可通過增加TGF-β 的基因表達來對p38MAPK 信號傳導進行正反饋調節(jié)，進而出現惡性循環(huán)［31］。同 時，激 活p38MAPKs 還能增強活化轉錄因子2 的基因表達，導致NLRP3 介導的IL-1β 和IL-18 的分泌明顯增加，并釋放其他炎癥因子的釋放，如IL-6 和IL-8，促使DN 的發(fā)生。

ERK 在細胞信號傳導過程中扮演著至關重要的角色，對多種參與細胞反應的基因的整合和轉錄產生了顯著的影響［32］。在正常情況下，ERK1/2位于細胞質內，在高糖和各種生長因子等分子刺激后被磷酸化。激活的ERK1/2 進入細胞核，影響轉錄因子，促使基因轉錄和表達，參與細胞增殖分化。ERK1 介導的翻譯后修飾可能會讓NLRP3 炎癥小體對第二信號ATP 做出反應［33］。在DN 中，NLRP3炎癥小體被激活并進一步激活RAF-1，導致MEK1/2的激活，隨后導致ERK1/2 的激活。ERK1/2 磷酸化細胞內中磷脂酶A2從而促進花生四烯酸和二十烷醇類物質的釋放，這可能會對DN 腎血流動力學產生影響。ERK1/2 激活的信號通路可通過多種因素如蛋白激酶C、酪氨酸蛋白激酶和糖基化終末產物受體等促進系膜細胞增殖，從而引發(fā)腎小球腎炎［6］。

JNK是信號轉導的重要信號分子，位于胞質內。高糖條件下JNK可調節(jié)多種炎癥因子的產生及氧化應激反應。轉化生長因 子活化激酶1（transforming growth factor kinase 1，TAK1）位于JNK 的上游，是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶。TAK1-JNK通路通過溶酶體斷裂激活，是一種應激反應性的MAPK 信號通路。該通路的激活是NLRP3炎癥小體通過適配器蛋白凋亡相關斑樣點蛋白寡聚而完全激活所必需的［34］。近些年，相關實驗已證實，JNK 通路可以促進腎臟炎癥反應，加重腎損害。以上都說明MAPKs 通路對于DN 來說是至關重要的，所以，阻斷該信號通路對于DN 來說是一個有效的防治策略。相關研究發(fā)現，黃芪總提取物能通過抑制阿霉素介導的ROS-ERK1/ 2-NLRP3中ERK1/2信號轉導，抑制NLRP3 的激活，起到其腎臟保護作用［35］。其他一些中藥復方也能顯著抑制p38MAPK 活性，進而阻止DN 的發(fā)生，如尿毒清顆粒、糖腎平膠囊、黃葵膠囊、通心絡、腎康丸、玉液湯、藿樸夏苓湯、丹紅化瘀口服液、黃連解毒湯、補腎活血湯、芪地糖腎顆粒、消渴平合劑等［36］。

展 望

NLRP3 炎癥小體是近年來發(fā)現的重要蛋白復合物，在DN 進展過程中，NLRP3 炎癥小體活化與DN 腎損傷有很大關系。NLRP3 通過多種途徑調節(jié)體內多種因子，盡管其激活機制和傳導方式尚未明確，但其介導炎癥反應在DN的發(fā)展中發(fā)揮重要作用已達成共識。當前以NLRP3為中心的信號調控途徑相關實驗已廣泛開展，如ROS-TXNIP 通路、NF-κB通路、Nrf2通路、MAPKs通路等。一些新的藥物或是成分被發(fā)現能對NLRP3 炎癥小體進行特異性抑制，其中許多中藥成分為治療DN 提供了新的途徑。但我們仍需對NLRP3的激活機制和作用通路進行深入研究，對DN的發(fā)病機制進一步挖掘，尋找DN治療的新方向。

作者貢獻聲明李夢潔：文章撰寫、對文章的知識性內容作批評性審閱；梁棟、張曉敏：對文章的知識性內容作批評性審閱、指導、支持性貢獻；邢文華、林千愉、張慧：指導、支持性貢獻