NLRP3炎性体与肾脏疾病

徐玲玲 综述 杨俊伟 审校

·肾脏病基础·

NLRP3炎性体与肾脏疾病

徐玲玲 综述 杨俊伟 审校

炎性体（inflammasomes）是一类通过活化半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1（caspase-1）来间接调控白细胞介素1β（IL-1β）与IL-18的成熟和分泌的蛋白复合体。除了作为机体固有免疫及应激系统的重要防御成分，炎性体还参与了多种疾病如动脉粥样硬化、糖尿病、淀粉样变性及其他自身免疫性疾病的发生和进展。近年来，炎性体在肾脏病中的作用备受关注，且随着研究的深入，其作用机制也逐渐明确。本文重点讨论炎性体的基本概念、调控机制及其与肾脏疾病发生发展的关系。

肾脏疾病 炎性体 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1 白细胞介素

作为宿主抵抗病原体感染的第一道防线，固有免疫通过模式识别受体（pattern-recognition receptors，PRRs）来识别病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs），激活下游信号通路，引发机体的炎症反应及免疫应答。PRRs主要包括：RIG样解旋酶受体（RIG-like helicases，RLHs）、Toll样受体（Toll-like receptors，TLRs）和核苷酸结合寡聚化结构域（nucleotide binding oligomerization domain，NOD）样受体（NOD-like receptors，NLRs），其中NLRs属于胞内感应分子。部分NLRs不但可识别PAMPs，还可识别损伤相关的分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs），这样在细胞感染或应激的状态下均可被激活，形成一组由多个蛋白组成的分子平台，该分子平台进而活化半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1（caspase-1），调节促炎症因子如白介素1β（IL-1β）及IL-18的成熟和分泌，参与机体固有免疫系统的防御体系及疾病的发生与发展［1］。

炎性体的构成

NLRs基因家族由22个人类基因、35个小鼠基因及数百种植物基因组成。NLRs蛋白在结构上主要有以下特征：（1）位于中间的核苷酸结合和寡聚物形成区域（nucleotide-binding and oligomerization domain，NACTH），是唯一一个所有NLRs家族成员都具有的结构，通过三磷酸腺苷（ATP）介导的寡聚化激活信号复合物；（2）氨基端为热蛋白结构域（pyrin domain，PYD）或caspase募集区域（caspase recruitment domain，CARD），可调节同型蛋白之间的相互作用；（3）羧基端含有亮氨酸富集重复序列（leucine-rich repeats，LRRs），具有自我调节及作为配体感受器的功能（图1）［2］。

根据NACTH结构域的不同，可将NLRs分为三个亚类：即NODs、白介素转化酶（interleukin—converting enzyme，ICE）激活因子（ICE protease—activating factor，IPAF）和NLRPs（NACHT，LRR and PYD domains-containing protein）（图1）。目前所知的能形成炎性体的蛋白主要有NLRP3、IPAF-1（NLRC4）、NLRP1及黑素瘤缺乏因子2（absent in melanoma2，AIM-2）。NLRC4炎性体可被细菌的鞭毛蛋白和包含3、4型分泌系统的细菌（如沙门菌属和铜绿假单胞菌）激活；NLRP1炎性体可被炭疽杆菌毒素和胞壁酰二肽肽多糖激活；AIM2属于干扰素诱导蛋白200（hematopoietic interferon-inducible nuclear protein with 200-amino acids repeat，HIN-200）家族，包含HIN和PYD结构域，在宿主抗病毒防御中可通过与DNA结合而激活、发挥DNA受体作用，并对单核细胞增生利斯特菌做出应答［3］。

图1 人类NLRs家庭成员及其结构域示意图［2］

目前，针对上述炎性体与无菌性炎症及肾脏疾病关系的研究较少。近期有研究表明与对照组相比，稳定表达AIM2的胚胎肾293细胞对胞质中的DNA更为敏感且更容易活化炎性体［4］。而免疫细胞中缺乏AIM2的小鼠对狼疮易感性增加。但也有研究者发现，狼疮性肾炎患者与正常人群的肾脏AIM2基因的表达并无明显差异［5］。故除了NLRP3炎性体，其他炎性体在无菌性炎症和肾脏疾病中的作用尚不明确。NLRP3炎症复合物是目前研究最为清楚的炎症复合物，NLRP3是由位于染色体1q44上NLRP3基因编码的蛋白，包含1 016个氨基酸［6］，其PYD结构域可与凋亡相关的斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）的同型蛋白相互作用，通过衔接蛋白ASC来募集caspase-1。NLRP3蛋白、ASC及caspase-1共同组成一个蛋白复合物，即NLRP3炎性体（图2）［7］。我们下面重点讨论NLRP3炎性体的活化及其在肾脏疾病中所起的作用。

图2 NLRP3炎症体的构成及活化［7］

NLRP3炎性体的活化

正常情况下，NLRP3有自我调节的作用，但当存在NLRP3激动剂时，它可寡聚化并募集ASC，继而活化caspase-1。NLRP3炎性体的激活主要有3种方式：（1）细胞外的ATP结合细胞膜表面的嘌呤受体P2X7，导致钾离子外流、衔接P2X7受体的pannexin-1孔开放，胞外的NLRP3激动剂（如PAMPs）通过开放的pannexin-1孔进入胞质，直接作用并激活NLRP3炎性体［8］；（2）晶体或微粒（如尿酸单钠、二氧化硅、石棉及淀粉样蛋白等）被细胞吞入，导致溶酶体破裂，溶酶体成分如溶酶体蛋白酶类（组织蛋白酶 B）释放至胞质后，被炎性体所识别［9］，故抑制溶酶体蛋白酶的活性可有效阻止炎性体的活化［10］；（3）所有细菌、病毒、ATP、微粒或晶体等炎性体的激动剂，均可刺激细胞产生活性氧（reactive oxygen species，ROS），进而激活NLRP3炎性体［11］。NLRP3炎性体活化后可激活caspase-1。根据引起相应细胞事件的不同可将caspase分为促炎症型和促细胞凋亡型，caspase-1属于促炎症型，以IL-1β和IL-18前体作为底物，通过蛋白裂解方式使该因子以成熟的形式释放至胞外发挥生物学作用（图2）。

与NLRP3炎性体活化相关的疾病

尽管NLRP3炎性体-caspase-1-IL-1β/IL-18轴在抵抗病原体侵袭的过程中发挥极其重要的作用，然而，一旦该过程的调控出现紊乱，则必然会出现与之相关的炎症反应和组织损伤。目前炎性体在自身免疫性疾病、无菌性炎症和慢性炎症反应等病理过程中的作用及意义备受关注。许多疾病均涉及NLRP3炎性体-caspase-1-IL-1β/IL-18轴的激活，如Cryoprin相关周期综合征、动脉粥样硬化、痛风及糖尿病等。

Cryoprin相关周期综合征是NLRP3基因突变导致的一组罕见的自身免疫性疾病，以回归热和异常炎症反应为特征，包括Muckle-Wells综合征、家族性寒冷自身炎症综合征、慢性幼儿神经和皮肤关节综合征。IL-1拮抗剂可用于Cryoprin相关周期综合征患者的治疗［12］。在发生类似基因突变的小鼠中，NLRP3炎性体高度活化，体内IL-1β水平也明显增加。IL-1受体拮抗剂基因的隐性突变，可使患者IL-1受体（IL-1R）拮抗剂分泌减少，并对IL-1β应答增高。IL-1R拮抗剂——阿那白滞素可明显改善患者的临床症状［13］。

动脉粥样硬化是脂肪、胆固醇结晶沉积导致动脉壁增厚的一种炎症性紊乱。在动脉斑块局部，IL-1β和IL-1R的表达明显增多，且表达的水平与疾病的严重程度呈正相关。患者血清中IL-18的水平与动脉粥样硬化引起的死亡率明显相关［14］。近年的研究发现胆固醇结晶可促进NLRP3炎性体活化，进而加大了成熟IL-1β和IL-18的释放［15］。

痛风与血尿酸增高及尿酸单钠沉积关节所造成的炎症反应有关。目前认为尿酸单钠或钙磷结晶激活NLRP3炎性体是造成痛风与假痛风的核心机制［16］。临床上，使用IL-1β抑制剂或IL-1R阻断剂均可改善这类结晶相关性关节炎的临床症状［17］。进一步研究发现，二氧化硅微粒、石棉、淀粉样蛋白或疟原虫色素均可激活NLRP3炎性体，诱导IL-1β的释放和诱发相应的临床疾病（如矽肺［18］、石棉肺［19］、阿尔茨海默病［20］及疟疾［21］）。

2型糖尿病是一组以代谢紊乱为表现的临床综合征。代谢应激及高血糖可激活NLRP3炎性体，促使IL-1β分泌，而IL-1β水平的增加是2型糖尿病进展及胰岛素抵抗的重要危险因素［22］。在IL-1β缺陷的小鼠中，胰腺β细胞的增生和胰岛素分泌功能明显增强，IL-1R阻断剂可以刺激胰岛素分泌并改善胰岛β细胞的存活［23］。

与肾脏疾病的关系

研究表明，健康人肾脏的远曲小管和集合管稳定表达IL-18、caspase-1以及嘌呤受体P2X7［24］，在各种感染或非感染性疾病中，肾组织caspase-1、IL-18、IL-1β表达水平上调，表明炎性体激活可能在肾脏疾病的病理过程中发挥着关键的作用。

NLRP3炎性体与急性肾损伤 急性肾小管坏死（acute tubular necrosis，ATN）是急性肾损伤的重要病理改变。缺血-再灌注损伤或毒物诱导（药物或放射线造影剂）均可导致ATN。在缺血诱导的急性肾衰竭（acute renal failure，ARF）中，肾组织IL-1β和IL-18表达明显上调［25］；caspase-1抑制剂明显改善缺血后ARF小鼠的肾脏结构和功能损伤；caspase-1缺陷小鼠对缺血造成的ARF不敏感，这与肾脏中成熟IL-18产生减少密切相关；敲除NLRP3能降低小鼠的死亡率、减缓肾功能衰竭以及减少中性粒细胞的浸润。这些数据均提示抑制NLRP3炎性体可以减少急性肾脏炎症和组织损伤［26］。

顺铂诱导的小鼠ARF肾脏中，IL-1β、IL-18、IL-6表达明显增加，顺铂介导的肾脏损伤与以上细胞因子的增加及肾脏中性粒细胞浸润相关［27］。caspase-1缺陷小鼠的肾损伤明显轻于对照小鼠［28］。

在内毒素诱导的小鼠ARF模型中，注射内毒素组小鼠肾脏中caspase-1、IL-18、IL-1β的表达明显高于对照组；caspase-1缺陷小鼠的肾小球滤过率较野生型小鼠明显改善［29］。上述研究均提示在急性肾损伤过程中，NLRP3炎性体-caspase-1-IL-1β/IL-18轴发挥了重要作用。

NLRP3炎性体与慢性肾脏病 众多动物模型和人类的慢性肾脏病均涉及炎性体调节细胞因子（如IL-1β、IL-18）的形成［24］。体外研究发现IL-1β或IL-18可呈剂量依赖性的诱导肾小管上皮细胞向肌成纤维细胞转化（epithelial-myofibroblast transition，EMT）［30］，表明炎性体在慢性肾脏病发生发展中亦发挥重要作用。

单侧输尿管梗阻（unilateral ureteric obstruction，UUO）小鼠模型是研究肾间质纤维化常用的动物模型。在UUO小鼠肾组织中可见IL-1β、IL-18和caspase-1的表达增加；NLRP3基因敲除的小鼠UUO后肾组织中capase-1活性减低，IL-1β和IL-18的生成减少，同时肾小管损伤、间质纤维化及炎症浸润程度均较野生型小鼠明显减轻［31］；予IL-18拮抗剂则可缓解UUO小鼠的肾损伤及纤维化。在肾损伤过程中，损伤及坏死组织释放DAMPs如ROS、胞外ATP、尿酸、核酸和细胞外基质成分（透明质酸、二聚糖等），进而活化NLRP3炎性体。坏死细胞线粒体碎片ATP通过P2X7受体活化NLRP3炎性体［32］，与野生小鼠相比，P2X7敲除小鼠在UUO后显示小管损伤减轻和炎症、纤维化减轻；而二聚糖这种细胞外基质蛋白则可通过依赖ROS的方式激活NLRP3炎性体，由此促使caspase-1介导的IL-1β的成熟和分泌，缺乏二聚糖的小鼠在UUO后则显示其肾脏、肺、循环中caspase-1的活性与IL-1β的表达减少，且结构及功能不易受到损伤［33］。

糖尿病肾病是导致终末期肾病的主要原因之一，其确切的发病机制不明，目前认为除了受代谢、遗传、血流动力学、氧化应激及炎症等多种因素影响外，NLRP3炎性体的激活也参与了糖尿病肾病的病理过程。在糖尿病肾病动物模型中，肾脏中IL-1的表达增加，与近端小管上皮细胞产生透明质酸增多急切相关，并导致了血管上皮细胞的渗透性增加；肾小管上皮细胞固有表达IL-18，而糖尿病肾病患者的血IL-18水平升高、尿IL-18排泄增加，患者血、尿中IL-18的浓度与尿白蛋白排泄率及尿β2微球蛋白的排泄率有直接且密切的相关性［34］；同时IL-18的升高可作为2型糖尿病患者早期肾损伤的标志及决定因素之一。

此外，非糖尿病肾病患者肾组织中NLRP3 mRNA的表达水平与患者肾功能明确相关。在狼疮性肾炎小鼠模型中，抑制NLRP3炎性体活化可预防狼疮性肾炎的进展。狼疮性肾炎患者的血清IL-1β和IL-18水平明显增加，而且与疾病的活动及严重程度呈正相关，因此，这三个指标的变化可评估狼疮性肾炎的活动性［35］。

小结：NLRP3炎性体可识别大量细菌、病毒及一些内源性信号，激活caspase-1进而促使IL-1β、 IL-18的产生和分泌。大量研究结果证实了NLRP3炎性体-caspase-1-IL-1β/IL-18轴在肾脏急性或慢性损伤中的作用。阻止病理性炎性体的激活应是未来治疗肾脏病的一种重要手段。

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NLRP3 inflammasomes and kidney diseases

XU Ling-ling，YANG Jun-wei
Institution：Center For Kidney Diseases，2ndAffiliated Hospital of Nanjing Medical University，Nanjing 210003，China

Inflammasomes are a class of protein complexeswhich are characterized by regulating thematuration of proinflammatory cytokines including interleukin-1β（IL-1β）and interleukin-18（IL-18）through activation of caspase-1.As part of the innate immune and stress defense system，inflammasomes are thought to be involved in the progression of multiple diseases such as atherosclerosis，diabetes，amyloidosis and many other autoimmune disorders.Recently，there is a significant research progress on inflammasomes in kidney diseases.In this review，the relationship between inflammasomes and kidney diseases is discussed.

kidney disease inflammasome caspase-1 interleukin

2011-08-22

（本文编辑 律 舟）

南京医科大学第二附属医院肾脏病中心（南京，210003）