NLRP3炎癥小體在代謝性疾病中的研究進展

程永芳 林珍梅 張玲 邢楠楠 （廣西中醫藥大學廣西中醫基礎研究重點實驗室，南寧 530200）

代謝性疾病是指機體內糖、脂肪、蛋白質等物質代謝或能量代謝異常引發的一類疾病，包括代謝障礙和代謝旺盛。代謝性疾病患病率的升高嚴重影響了全世界人類的身體健康與生命安全，盡早發現并及時進行干預治療，可大幅度延緩其進程，對于降低代謝性疾病的發病率及病死率具有重要意義［1］。

炎癥小體的激活和炎癥細胞因子的分泌是先天免疫防御抵御多種刺激的必要條件，并被認為與適應性免疫反應有關。感染性疾病、自身免疫性疾病的發病及進展均存在炎癥小體激活功能障礙，這些都與代謝因素有關。近年來，關于炎癥小體激活代謝調控方面的研究越來越多，NLRP3炎癥小體作為結構和功能最為明確且深入的炎癥小體，在代謝性疾病中的作用備受學者關注［2］。NLRP3炎癥小體介導的炎癥細胞因子可以在代謝組織內的各種細胞中以自分泌和旁分泌的方式發揮作用并導致代謝紊亂，過度和不當的炎癥小體激活是多種炎癥相關疾病的發病機制，如糖尿病、肥胖、痛風、動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）和高血壓［3-7］。靶向NLRP3或其他下游信號分子，如caspase-1、IL-1β或IL-18，具有巨大的治療潛力［8］。本文就NLRP3炎癥小體的結構功能、作用機制及其炎癥小體激活在代謝性疾病中發揮的重要作用進行綜述。

1 NLRP3炎癥小體簡介

炎癥小體由MARTINON等［9］于2002年首次提出，通過直接識別病原體相關分子模式（pathogenassociated molecular patterns，PAMPs）和損傷相關分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）的一種多蛋白復合體，是固有免疫反應的重要組成［10］。炎癥小體主要由三部分組成：模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）、凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein，ASC）和caspase-1前體（pro-cysteinyl aspartate specific proteinase-1, pro-caspase-1）［11］。炎癥小體調節caspase-1的活化，進而促進pro-IL-1β和pro-IL-18的切割、成熟，分泌大量的IL-1β和IL-18，進而介導炎癥反應。NLRP3炎癥小體是目前關注度較高且研究較為廣泛和深入的一種炎癥小體，由核心蛋白NLRP3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family pyrin domain containing 3）、ASC和效應器蛋白pro-caspase-1組成［12-14］。NLRP3是NLR（Nod likereceptor）蛋白家族成員，在巨噬細胞、中性粒細胞、淋巴細胞、成骨細胞、單核細胞和樹突狀細胞中廣泛表達，具有識別病原體的功能［15-16］。NLRP3是一種具有3個結構域的胞質蛋白：羧基末端具有特征性的NLR蛋白家族LRR（富含亮氨酸重復序列）結構域、中央具有ATP酶活性的核苷酸結合域（NACHT）和氨基末端的吡喃結構域（PYD）［17］。ASC銜接蛋白包含兩個結構域：N端pyrin結構域（PYD）和C端半胱天冬酶募集結構域（CARD）［3］。caspase-1包含氨基末端的CARD、中間的大催化結構域（p20）和羧基末端的小催化亞基結構域（p10）3個結構域［18］。當受到感染或其他因素的刺激時，NLRP3炎癥小體通過PYD/PYD和CARD/CARD結構域與ASC相互作用以提高pro-caspase-1的表達水平，同時對pro-IL-1β和pro-IL-18進行切割。NLRP3炎癥小體控制蛋白水解酶caspase-1的激活，caspase-1反過來調節IL-1β和IL-18促炎癥細胞因子的成熟和分泌，從而導致炎癥反應［13］。

2 NLRP3炎癥小體激活機制

NLRP3在骨髓細胞、肌肉細胞、神經元和內分泌細胞中表達［19］。在靜息狀態下，它以自動抑制形式存在，在受到刺激時被激活并組裝成一個微米大小的細胞溶質復合物［20］。NLRP3炎癥小體的活化過程受到機體嚴密的調控，其激活需要歷經“啟動”和“激活”兩個階段［10］。第一步，NLRP3炎癥小體活化的“啟動階段”，在Toll樣受體（Toll-like receptors，TLRs）的介導下，第一信號途徑通過髓樣分化因子（myeloid differentiation factor 88，MyD88），依賴核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）上調細胞內炎癥小體成分NLRP3蛋白、caspase-1、pro-IL-1β和pro-IL-18的轉錄表達［21］；第二步，機體產生的DAMP和PAMP為NLRP3炎癥小體的“激活階段”提供了第二信號途徑，通過多種分子和細胞效應，引起NLRP3炎癥小體復合物形成，進而介導pro-IL-1β剪切成熟。上述兩條信號通路為NLRP3炎癥小體激活的直接途徑。在啟動階段，NLRP3蛋白通過氨基端caspase-1招募細胞內的pro-caspase-1并使之發生自我剪切，釋放出具有水解酶活性的成熟caspase-1［2］。活化的caspase-1把剪切底物pro-IL-1β、pro-IL-18轉變成具有促炎功能的成熟IL-1β及IL-18并釋放至胞外，造成局部組織炎癥性損傷或全身性炎癥反應［20］。NLRP3激活包括多個信號，可能的機制包括K+外流、Ca2+信號、活性氧（ROS）產生、溶酶體損傷、線粒體功能障礙、線粒體DNA釋放、代謝變化、細胞膜孔道形成和反式高爾基體拆卸等多種復雜因素的參與，被證實都可以激活NLRP3炎癥小體。NLRP3炎癥小體的激活是固有免疫防御所必需的，是多種機制共同參與的結果，并且在適應性免疫反應中也起重要作用［22］。異常的NLRP3激活可以驅動體內的慢性炎癥狀態，從而調節炎癥相關疾病的發病機制。

3 NLRP3炎癥小體與代謝性疾病

近年來，隨著對NLRP3炎癥小體研究的不斷深入，其在代謝性疾病中的作用也日益受到關注。眾多研究表明，NLRP3炎癥小體活性失調與許多代謝性疾病有關，包括糖尿病、肥胖、痛風、動脈粥樣硬化、高血壓［23-24］。

3.1 NLRP3在糖尿病中的作用 糖尿病是由遺傳和環境因素引起的一組代謝紊亂性疾病，2型糖尿病是一種由促炎細胞因子刺激的炎癥性疾病，患者長期血糖紊亂會導致多種并發癥，如糖尿病視網膜病變、糖尿病腎病、糖尿病心肌淀粉樣變性等。NLRP3炎癥小體在糖尿病的病理生理過程中具有關鍵作用［25］。NLRP3的激活導致炎癥細胞因子如IL-1β的過度分泌，IL-1β受體在胰島β細胞和浸潤的巨噬細胞表面高表達，與IL-1β結合后會激活NF-κB通路，從而損害胰島細胞功能并誘導血糖水平失調，導致2型糖尿病的發生和發展，抑制NLRP3炎癥小體可能是一種消除高血糖毒性和避免2型糖尿病的新方法［26］。2型糖尿病發病的主要原因是胰島素抵抗和胰島β細胞功能受損，約95%的2型糖尿病患者胰島組織會出現淀粉樣蛋白包裹的沉積，這些胰島淀粉樣多肽（islet amyloid polypeptide，IAPP）和高濃度的葡萄糖都能作為第二信號激活NLRP3炎癥小體，通過溶酶體破壞和胰腺浸潤巨噬細胞中的高ROS濃度，導致促炎細胞因子IL-1β的釋放，進一步誘發胰島素抵抗和2型糖尿病。IAPP通過小鼠巨噬細胞溶酶體失穩導致NLRP3炎癥小體激活進而釋放IL-1β，過多的IL-1β會使胰島β細胞功能受到損傷，加快2型糖尿病的病程［27］。在鏈脲佐菌素（Streptozocin，STZ）誘導的2型糖尿病小鼠模型中，NLRP3炎癥小體被激活，NLRP3、ASC和caspase-1蛋白高表達，IL-1β、IL-6和IL-18表達顯著增加［28］。表沒食子兒茶素-3-沒食子酸酯（Epigallocatechin gallate，EGCG）抑制小鼠巨噬細胞中NLRP3炎癥小體的激活來抑制caspase-1激活和IL-1β分泌，進而改善高脂飲食誘導的葡萄糖耐量并預防2型糖尿病小鼠NLRP3炎癥小體依賴性炎癥［29］。新方法禁食療法通過抑制NLRP3炎癥小體來改善大鼠高脂飲食和STZ誘導的胰島素抵抗從而抑制炎癥反應［30］。環境內分泌干擾物PCB118可以激活ROS誘導的胰島β細胞內NLRP3炎癥小體信號，引起胰島β細胞炎癥進而促進糖尿病的發展［31］。WEN等［32］發現利用NLRP3、ASC和caspase-1等基因敲除小鼠，棕櫚酸酯激活NLRP3炎癥小體會產生大量有活性的IL-1β和IL-18，進而干擾胰島素信號通路。藏紅花素抑制NLRP3炎癥小體減輕大鼠糖尿病炎癥［33］。低劑量乙醇通過抑制NLRP3炎癥小體減輕糖尿病引起的肺損傷［34］。因此，抑制NLRP3炎癥小體可能是治療糖尿病發生發展的關鍵環節［35］。

3.2 NLRP3在肥胖中的作用 隨著人們生活方式和飲食結構的改變，肥胖發生率不斷上升，肥胖癥是一種由多因素引起的慢性代謝性疾病，指機體脂肪組織堆積過多或分布異常，通常伴有體重增加，體內脂肪堆積會影響多種體內代謝過程，導致全身低水平慢性炎癥。脂肪組織是機體的重要器官，其主要功能是儲存和分泌脂肪酸，平衡機體血糖和血脂，還會分泌各種激素和細胞因子，影響能量代謝，參與炎癥反應。絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶24（Stk24）通過直接與NLRP3結合來干預脂肪組織巨噬細胞中的NLRP3炎癥小體組裝，從而減少IL-1β的分泌。因此，造血系統中的Stk24缺乏會促進NLRP3炎癥小體的激活，從而導致代謝紊亂的惡化［4］。高脂肪飲食（high-fat diet，HFD）會增加小鼠脂肪組織中NLRP3的表達，而熱量限制飲食會降低其表達，說明小鼠中的NLRP3阻斷可防止HFD誘導的肥胖，肥胖和高膳食脂肪攝入可能會激活NLRP3炎癥小體［36］。在HFD喂養期間，腸道微生物組成改變或腸道通透性的降低導致LPS循環水平升高，為NLRP3和IL-1β的上調提供主要信號［37］。另一個與肥胖相關的重要潛在聯系是觀察到Casp1-/-小鼠中脂肪酸的β-氧化增強，這可能是由于IL-1β分泌減少限制了β-氧化，從而減輕肥胖［38］。人體研究表明，脂肪組織中的NLRP3活性與肥胖及其代謝并發癥呈正相關，在小鼠模型中，NLRP3激活途徑或IL-1β的遺傳或藥理抑制可預防脂肪組織功能障礙，包括炎癥、脂肪生成缺陷，從而減輕肥胖及其相關代謝紊亂［39］。NLRP3是肥胖相關危險信號的分子傳感器，NLRP3介導的caspase-1依賴IL-1β分泌和關鍵代謝組織包括脂肪的炎癥促進肥胖誘導的炎癥［8］。多項人類和動物研究表明，靶向NLRP3炎癥小體作為肥胖的主要誘因，NLRP3在肥胖患者的脂肪組織中被激活，IL-1β分泌增加，導致局部脂肪組織炎癥［40］。NLRP3炎癥小體的激活在肥胖引起的炎癥中具有關鍵作用，NLRP3/IL-1β信號可能是人類肥胖和認知障礙之間關聯的基礎［41］。NLRP3炎癥小體的激活可能有助于開發治療和預防肥胖介導的代謝性疾病［42］。

3.3 NLRP3在痛風中的作用 痛風是一種常見的慢性炎癥性疾病，由于體內內環境穩態被破壞，尿酸生成和排泄失衡，造成體內尿酸鹽濃度升高［5］。尿酸單鈉（monosodium urate，MSU）晶體等內源性刺激因子是NLRP3炎癥小體激活劑，其特征是巨噬細胞中MSU晶體在人單核細胞和小鼠巨噬細胞中誘導細胞內損傷（如線粒體功能障礙）觸發NLRP3炎癥小體激活，并上調caspase-1蛋白酶和釋放成熟的IL-1β，導致痛風的發生［5，43-46］。MSU晶體激活NLRP3炎癥小體可能與ROS釋放有關，產生過量ROS將活化NLRP3炎癥小體，IL-1β分泌減少，從而誘導炎癥發生［47］。在急性痛風小鼠模型中，給小鼠口服類黃酮提取物可有效緩解足部水腫、減輕炎癥特征并降低小鼠足部組織中IL-1β的水平，類黃酮提取物通過抑制NLRP3/ASC/caspase-1軸緩解痛風關節炎［48］。大鼠關節處注入MSU晶體建立痛風性關節炎模型發現NLRP3蛋白表達水平異常升高，炎癥因子TNF-α、IL-1β水平高于正常水平［49］。C57BL/6小鼠的爪子關節內注射MSU晶體建立痛風性關節炎模型發現褪黑激素在體內外減輕痛風炎癥，其潛在機制可能涉及抑制NLRP3炎癥小體的組裝［50］。痛風性關節炎的發病機制復雜，NLRP3炎癥小體接受內源性危險信號如MSU或外源性病原體刺激，同時在游離脂肪酸和LPS的協同作用下，激活caspase-1前體產生活化的caspase-1分子。姜黃素類似物AI-44通過靶向組織蛋白酶B和抑制NLRP3炎癥小體激活治療痛風性關節炎［51］。天然化合物菊苣酸通過抑制IB的降解有效減輕MSU誘導的炎癥，從而減少NLRP3炎癥小體的激活［52］。馬錢素能夠通過抑制線粒體應激，從而阻斷NLRP3炎癥小體激活和線粒體功能障礙來預防痛風［43］。β-石竹烯顯著降低MSU晶體誘導的痛風性關節炎大鼠的踝關節炎癥，還抑制滑膜組織中NLRP3、caspase-1、ASC、p65和IL-1β的表達，從而減輕炎癥并保護踝關節功能［53］。NLRP3炎癥小體的激活并釋放IL-1β在痛風進展中發揮了重要作用［54-55］。

3.4 NLRP3在AS中的作用 AS是一種與年齡相關的慢性炎癥性疾病，主要發生在動脈血管，廣泛的免疫細胞浸潤、脂質沉積和血管平滑肌細胞增殖導致AS斑塊的形成。2010年，DUEWELl等［56］首次發現NLRP3炎癥小體在AS形成和發展中的重要作用。NLRP3的激活需要涉及TLRs或IL-1R的啟動信號來激活NF-κB轉錄，上調pro-IL-1β的表達，同時誘導溶酶體破裂和ROS生成，并促進膽固醇結晶的沉積［57］。PRRs通過PAMPs和DAMPs識別游離脂肪酸等危險信號誘導定位于細胞核的NF-κB，并誘導NLRP3和pro-IL-1β的表達［58］；NLRP3炎癥小體成分如NLRP3、ASC、IL-1β和IL-18在頸AS斑塊內的巨噬細胞和泡沫細胞中高表達，表明NLRP3與AS的發病機制有關［59］。NLRP3炎癥小體與AS存在密切聯系，可以通過調節caspase-1的激活，促進前體細胞因子pro-IL-1β和pro-IL-18裂解成熟，釋放IL-1β和IL-18，并引發一系列的炎癥反應［60］。PI3K可以抑制NLRP3的激活，降低p65表達水平并減少THP-1細胞中ROS的產生，抑制PI3K可以減少AS病變和斑塊面積，并降低載脂蛋白E（ApoE）基因敲除小鼠模型中NLRP3和IL-1β水平，進而延緩AS的進展［61］。小鼠血管平滑肌細胞中的甾醇抗性激活蛋白會誘導內皮功能障礙和血管炎癥，通過激活NLRP3炎癥小體加速AS［62］。脂肪酸氧化抑制NLRP3炎癥小體激活導致促炎細胞因子IL-1β水平降低，進而減輕AS［63］。半乳糖凝集素-3通過激活NLRP3炎癥小體啟動炎癥病變，促進IL-1β、IL-18、TNF-α等炎癥因子的成熟與分泌，進而發揮良好的抗AS作用［64］。缺少低密度脂蛋白受體（LDLR）的小鼠采用NLRP3-、ASC-或IL-1α/β-骨髓重建并喂食高膽固醇飲食時顯著減少了早期AS和IL-18炎癥因子的釋放［56］。在AS患者的主動脈組織標本中，NLRP3的表達增加，這種模式與疾病的嚴重程度相關［65-66］。因此，NLRP3炎癥小體激活誘導促進炎癥的發生和AS細胞因子如IL-1β和IL-18的分泌，有助于AS的形成和發展［6，67］。同樣，抑制NLRP3炎癥小體表達可減輕AS。

3.5 NLRP3在高血壓中的作用 在高血壓的發生與發展過程中，炎癥扮演了非常重要的角色。高血壓患者的特點是免疫/炎癥細胞的異常激活，隨之釋放相關的促炎細胞因子，進而影響血壓和心率調節等幾個生理過程，NLRP3在協調免疫/炎癥反應中起著關鍵作用。通過采用腹腔感染鼠巨細胞病毒（murine cytomegalovirus，MCMV）構建小鼠高血壓模型，與對照組小鼠相比，MCMV組小鼠收縮壓、舒張壓與平均動脈壓均顯著升高，且小鼠主動脈組織中炎癥小體相關蛋白NLRP3、ASC、caspase-1、IL-18、IL-1β表達均顯著增加［68］。在小鼠內耳中，MCMV感染可以提高ROS水平并激活NLRP3炎癥小體。下調NLRP3炎癥小體關鍵成分的表達可以延緩高血壓的發生，在動物模型和人類中，該炎癥小體的藥理抑制可導致血壓降低［7］。高血壓患者的臨床研究報告顯示其炎癥小體信號的過度激活，特征為外周血T淋巴細胞中NLRP3和caspase-1的mRNA和蛋白表達增加，血清IL-1β和IL-18水平升高，表明NLRP3可能在高血壓相關炎癥中發揮作用［69］。

4 結語與展望

NLRP3和代謝性疾病的關聯已經在動物和人類研究中得到了報道。NLRP3炎癥小體的激活與多種代謝疾病有關，包括糖尿病、肥胖、痛風、AS和高血壓等。了解NLRP3在炎癥和代謝性疾病中的不同功能，明確其激活途徑，靶向NLRP3或其下游炎癥細胞因子，例如IL-1β、IL-18或caspase-1，可能在代謝性疾病的發展中具有很好的治療作用，為治療NLRP3相關疾病提供新的靶點。