NLRP3 炎性小體及其下游細胞因子在哮喘中的作用研究進展

黃莎莎 黃麗端 許秋鳳 陳淑珍

支氣管哮喘簡稱哮喘,是一種慢性疾病,表現為氣道高反應性(airway hyperresponsiveness, AHR)、氣道重塑、黏液分泌增多、喉中發出轟鳴聲等[1]。哮喘是世界上僅次于癌癥的第二大致死和致殘疾病,嚴重危害人們的健康。哮喘發病過程有多種細胞參與,包括嗜酸性粒細胞(eosinophil, Eos)、中性粒細胞(neutrophil, Neu)、樹突細胞(dendritic cell, DC)、T 細胞、肥大細胞等。

根據氣道炎癥模式不同,可將哮喘分為 2 型高炎癥性哮喘和 2 型低炎癥性哮喘。根據發病時痰液中顯著增加的細胞不同,2 型高炎癥性哮喘可分為嗜酸性粒細胞性哮喘(eosinophilic asthma, EA)和混合性哮喘,2 型低炎癥性哮喘可分為中性粒細胞性哮喘(neutrophilic asthma, NA)和寡細胞性哮喘[1]。臨床患者中以 EA 或 NA 患者居多。既往研究表明,核苷酸結合寡聚化結構域樣受體家族含熱蛋白結構域蛋白 3 (nucleotide-binding domain, leucine-rich-containing family, pyrin domain-containing-3, NLRP3)炎性小體貫穿于哮喘的各個時期,在其過度激活后,機體產生大量炎性細胞因子白細胞介素-1β (interleukin 1β, IL-1β)、IL-18 以及 IL-33,將導致機體出現氣道重塑等不良后果,在哮喘的發生、發展中發揮重要作用。本文主要介紹 NLRP3 炎性小體及其下游細胞因子 IL-1β、IL-18、IL-33 在哮喘中的作用。

一、NLRP3 炎性小體

1.NLRP3炎性小體的結構: NLRP3是胞質內NOD樣受體(NOD-like receptor, NLR)中的一員,在固有免疫反應中扮演重要角色。正常狀態下,NLRP3 蛋白處于無活性狀態;當與其配體結合時,中部結構域發生變構,招募接頭蛋白ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD, ASC)并與其結合,進而共同招募半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶 1 (cysteinyl aspartate specific proteinase 1, caspase-1)前體pro-caspase-1,三者共同組成NLRP3 炎性小體[2]。

2.NLRP3炎性小體的激活機制: 目前認為激活 NLRP3炎性小體需要兩種模式受體配合完成,其激活過程需要兩個信號。首先,Toll樣受體等識別病原體相關分子模式,活化核因子κB,誘導NLRP3、pro-IL-1β、pro-IL-18、pro-IL-33蛋白表達,此為啟動信號;隨后,胞質內模式受體NLRP3 識別危險信號并與ASC、pro-caspase-1組裝成NLRP3炎性小體,使pro-caspase-1自切割為成熟的caspase-1。最后,pro-IL-1β、pro-IL-18、pro-IL-33被 caspase-1切割形成成熟的IL-1β、IL-18 和 IL-33,分泌至胞外,參與炎性反應,這是激活信號[2]。

NLRP3 炎性小體的激活信號錯綜復雜。研究顯示,溶酶體損傷、細胞內外離子(如K+、Cl-、Ca2+等)濃度異常、活性氧激活、高爾基體解體以及高爾基體與線粒體相關內質網膜共同作用等狀況都可能引起 NLRP3 炎性小體激活[3]。

圖1 NLRP3 炎性小體激活信號通路

3.NLRP3炎性小體與哮喘: 作為固有免疫的重要組成部分,NLRP3 炎性小體是治療哮喘的一個關鍵靶點。哮喘急性發作的患兒經布地奈德混懸液霧化吸入治療后,哮喘癥狀明顯緩解,這與IL-1β 水平、NLRP3 mRNA 的降低有關[4]。Ma等[5]研究發現,哮喘小鼠肺泡巨噬細胞中的NLRP3、caspase-1 和 IL-1β 表達升高;敲除NLRP3基因(NLRP3-/-)小鼠肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid, BALF)中Eos和Neu數量減少、IgE濃度降低,AHR得到緩解。此外,NLRP3抑制劑RRx-001和MCC950,caspase-1抑制劑VX-765和 Ac-YVAD-CHO都能有效改善小鼠哮喘癥狀[5,6]。這些研究表明,NLRP3炎性小體及其下游產物caspase-1在哮喘的發病過程中發揮著巨大作用,但其作用機制仍有待于進一步研究。隨著研究的不斷深入,NLRP3 炎性小體下游細胞因子 IL-1β、IL-18 和 IL-33 也被證實與哮喘關系緊密,深入了解三者在哮喘中的作用,將為治療哮喘提供新思路。

二、IL-1β、IL-18、IL-33 概述

1.IL-1β: IL-1β主要由骨髓細胞產生,其中,巨噬細胞是其最主要的來源。作為機體免疫的重要組成部分,巨噬細胞在過敏原等刺激下可以產生過量炎性細胞因子,引發或加重哮喘,給機體造成不可逆轉的損傷[7]。caspase-1是使IL-1β切割成熟的關鍵酶,除了caspase-1,caspase-8、caspase-11以及組織蛋白酶 G等也可以切割pro-IL-1β并使其成熟,但效率遠不如caspase-1[8]。

2.IL-18: IL-18主要在骨髓細胞、上皮細胞中表達,其中 Neu是哮喘患者血液中主要表達IL-18的白細胞。Neu活化后釋放的炎性細胞因子、蛋白酶、氧自由基等物質將誘導機體產生AHR、氣道重塑等不良癥狀[9]。IL-18與IL-1β同屬于IL-1家族,caspase-1、caspase-8、顆粒酶B、蛋白酶3等也能切割活化IL-18[8]。

3.IL-33: IL-33也是IL-1家族中的一員,主要在上皮細胞、DC中表達。上皮細胞與 DC 在哮喘的發展中發揮重要作用,其中上皮細胞與氣道重塑、AHR等有關,而DC對于誘發、維持和抑制肺部變應性炎癥至關重要[7,10]。研究普遍認為,成熟的caspase-1切割pro-IL-33使其成熟并分泌至胞外,發揮生理活性。然而,另有研究者提出IL-33的生成僅受NLRP3蛋白影響,而非NLRP3炎性小體;還有研究認為成熟的caspase-1導致IL-33失活,與上述經典炎性小體激活途徑調控IL-33活化的理論大相徑庭[11,12]。同樣,除了caspase-1,研究顯示組織蛋白酶G等多種蛋白酶也能對IL-33進行切割活化[13]。

總之,盡管IL-1β、IL-18、IL-33可被多種酶切割成熟,但最主要的仍是通過經典NLRP3炎性小體激活途徑,即caspase-1切割來完成。同時,表達三者的細胞,大多參與哮喘的發生、發展,并發揮著重要作用。深入研究NLRP3炎性小體下游細胞因子IL-1β、IL-18、IL-33將為治愈哮喘提供思路。

三、IL-1β、IL-18、IL-33與嗜酸性粒細胞性哮喘

EA屬于2型高炎癥性哮喘,是輔助性T淋巴細胞1 (T helper cell 1, Th1)/Th2細胞失衡而致的哮喘類型,初始CD4+T細胞傾向分化為Th2[1]。Th2可分泌多種Th2型細胞因子(如IL-4、IL-5、IL-13等),這些細胞因子皆在哮喘的誘發過程中發揮作用。在正常機體內,Eos只能生存2～5天;但在EA患者體內,Eos的壽命被Th2型細胞因子大大延長,使氣道被大量Eos浸潤,這是發生EA 的前提條件[14]。在哮喘患者中,EA患者占絕大多數,NLRP3炎性小體下游細胞因子在其發生、發展中發揮重要作用。

1.IL-1β: IL-1β可以招募Eos到氣道中,通過增強Eos活性、抑制其凋亡并增加Th2型細胞因子分泌從而誘發哮喘[15,16]。IL-1受體拮抗劑(interleukin-1 receptor antagonist, IL-1Ra)是IL-1β的天然抑制劑,可與IL-1β結合,阻斷IL-1β的作用。研究顯示,IL-1Ra-/-小鼠AHR加重、炎性細胞因子分泌增加[17]。綜上所述,IL-1β可促進哮喘的發生、發展,治療靶點是治療哮喘的一個重要思路。

2.IL-18: IL-18可提高IgE水平,促進Eos趨化因子eotaxin的產生與分泌,增加炎癥部位Eos數量,且可以同時增強Th1、Th2型反應,產生對應的下游因子,如干擾素-γ (interferon γ, IFN-γ)、IL-13等引發哮喘[18,19]。使用IL-18中和抗體治療后,小鼠的哮喘癥狀得到明顯緩和[19]。然而,Hofstra等[20]用IL-18和IL-12聯合治療哮喘小鼠,檢測治療前后血清中IgE、BALF中Eos數量以及AHR程度,發現治療后的小鼠各項體征都有所改善。研究指出,IL-18可與IL-12協同作用,共同促進Th1增殖與激活,誘導Th1介導的免疫反應,促進IFN-γ分泌,調節Th1/Th2細胞平衡,從而改善EA[20]。目前IL-18對EA的作用機制仍不完全清楚,無論是使其惡化或改善,都表明IL-18在EA中發揮著作用。

3.IL-33: IL-33可與腫瘤發生抑制蛋白 2 (suppression of tumorigenicity 2, ST2)結合,激活Eos等細胞,促進Th2型細胞因子分泌,加重哮喘癥狀,參與氣道重塑,在哮喘、鼻炎等疾病過程中發揮重要作用[21,22]。An等[22]實驗發現,ST2-/-小鼠明顯降低了OVA致敏引發的AHR、炎性細胞浸潤、肺組織中Th2型細胞因子、纖維化相關蛋白的表達以及血清總IgE 水平。馮凈凈等[21]研究發現,哮喘小鼠IL-33、IgE水平升高,BALF中Eos比例、Th2型細胞因子升高;使用IL-33抗體阻斷后,IL-4、IL-13、IL-17的表達均下降。上述研究表明,調控IL-33水平有望成為治療哮喘的有效方法。

圖2 IL-1β、IL-18、IL-33在嗜酸性粒細胞性哮喘中的作用機制

四、IL-1β、IL-18、IL-33與中性粒細胞性哮喘

NA有別于傳統的EA,是較難治療的哮喘類型,氣道炎癥程度高于EA,且對激素治療效果不明顯。NA屬于2型低炎癥性哮喘,是由 Th17/調節性T細胞(regulatory T cell, Treg)失衡誘導的,初始CD4+T細胞傾向分化為Th17[1,23]。Th17分泌的IL-17可以刺激巨噬細胞、氣道上皮細胞、成纖維細胞等產生IL-8、IL-1β等多種細胞因子,其中IL-8又被稱為中性粒細胞因子,可以激活和招募Neu,誘導AHR及促進氣道重塑[23]。因此,IL-17、Th17已成為治療NA的熱門靶點。與此同時,NLRP3炎性小體的下游細胞因子也在其中發揮著重要作用,值得進一步探究。

1.IL-1β: IL-1β能促進粒細胞集落刺激因子(granulocyte colony stimulating factor, G-CSF)分化Neu,能誘導IL-8合成,還能促進Th17分化進而影響IL-17產生,直接或間接誘發中性粒細胞性炎癥,導致NA的發生[8,15,24]。IL-1β需與IL-1受體(interleukin-1 receptor, IL-1R) 結合后才能進行信號轉導,發揮功能。研究顯示,IL-1R-/-哮喘小鼠的氣道炎癥能被有效緩解[15]。綜上所述,IL-1β貫穿NA發生、發展的過程,是影響NA的重要因子,深入研究IL-1β的作用將為治療NA提供新思路。

2.IL-18: IL-18可促進Neu增殖并將其招募至氣道,誘導NA發生[9]。IL-18還能單獨或協同IL-23、IL-12促使Th17分化和IL-17生成[25,26]。在難治性哮喘小鼠模型中,IL-18-/-小鼠的BALF中Neu減少,且AHR程度也有所降低,氣道狀態更好。另有實驗證明,在原代人類肺泡上皮細胞中,IL-18可以誘導IL-6、IL-8表達,促進Th17發育,招募Neu至炎癥部位[27]。綜上所述,IL-18可單獨或聯合IL-23、IL-12促進NA發生,減少或抑制IL-18可以緩解和治療哮喘。

3.IL-33: IL-33可直接作用于肥大細胞,促進IL-1β和IL-6產生,從而增強Th17分化,最終可能誘發Neu主導的氣道炎癥。IL-33還可通過促進DC成熟抑制Treg分化,誘導Th17生成,升高IL-17水平。Park等[28]研究顯示,在IL-33的刺激下,未成熟的DC (IM-DC)將轉化為成熟的DC (IL-33-MAT-DC)。IL-33-MAT-DC可以通過減少Treg轉錄調節因子 Foxp3的表達來抑制Treg的分化。IL-33在NA中的作用機制尚不明確,基于其對Th17的調控作用,IL-33有待于成為哮喘治療的新靶點。

圖3 IL-1β、IL-18、IL-33在中性粒細胞性哮喘中的作用機制

五、展 望

哮喘作為僅次于癌癥的世界第二大致死和致殘疾病,給患者帶來了不可逆轉的傷害。NLRP3炎性小體及其下游細胞因子IL-1β、IL-18和IL-33是影響哮喘發生、發展的關鍵。但目前為止,以其為治療靶點的臨床應用實例較少,它們在哮喘中的作用也尚未完全研究透徹。深入研究 NLRP3 炎性小體及其下游細胞因子在哮喘中的作用及機制,以便有的放矢地進行藥物研究,為臨床緩解和治療哮喘提供思路。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。