NLRP3炎症体与糖尿病并发症的研究进展

潘 盼(综述),陈海冰(审校)

(上海交通大学附属第六人民医院内分泌代谢科 上海市糖尿病研究所 上海市糖尿病重点实验室 上海市糖尿病临床医学中心，上海 200233)=

随着糖尿病病程的延长，糖尿病并发症的发生率也逐年增加，通过糖尿病并发症发生机制的研究，对其进行早期的预防、诊断和治疗至关重要。糖尿病并发症的研究已经明确,炎症在诱发糖尿病并发症中发挥着重要作用。目前，新的研究又发现核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎症体与糖尿病及其并发症的产生及发展有关[1-3]。该文就NLRP3,炎症体与糖尿病并发症的最近研究成果进行综述，探讨NLRP3炎症体与糖尿病并发症的关系，为糖尿病并发症的早期诊治提供新的方向。

1 NLRP3炎症体

NLRP3炎症体是核苷酸结合寡聚化结构域样受体被激活后形成的巨大的蛋白复合体——炎症体，包含NLRP3、细胞凋亡相关的斑点样蛋白质(apoptosis-associated speck-like protein，ASC)和caspase-1前体。NLRP3又称cryopyrin、PYPAF1或Nalp3，由寒冷诱导自身炎症综合征1基因编码,是核苷酸结合寡聚化结构域样受体家族成员之一，由N端热蛋白结构域(pyrin domain,PYD)、C端亮氨酸重复序列和中间的核苷酸结合寡聚域(NOD domain,NACHT)三部分组成。ASC亦称TMS1，由PYCARD基因编码，是一种连接蛋白，其结构包括N端PYD结构域和C端CARD。NLRP3的激活可致其PYD结构域与ASC的PYD结构域连接,导致ASC的CARD与caspase-1的CARD结合，由此完成NLRP3炎性体的装配[4]。

NLRP3炎症体可以激活胱天蛋白酶caspase-1,进而对白细胞介素(interluekin,IL)1β和IL-18等炎性因子的前体形式进行切割，使其成熟并释放到胞外，引起炎性反应。近年来，对糖尿病炎症机制的研究发现，IL-1β、活性氧类(reactive oxygen species，ROS)、硫氧还蛋白相互作用蛋白与2型糖尿病的发病有关。慢性高血糖下，持续高血糖诱导产生ROS，ROS可以直接激活NLRP3炎症体或通过刺激硫氧还蛋白释放硫氧还蛋白相互作用蛋白间接激活NLRP3炎症体，进而引起IL-1β的成熟和分泌,导致β细胞死亡或功能障碍，进一步加重慢性高血糖，导致糖尿病恶化；其中NLRP3炎症体激活是糖尿病炎症机制的中心环节[1]。

核苷酸结合寡聚化结构域蛋白受体属于胞内感应分子，不但可以识别病原相关分子模式、损伤相关分子模式，还可识别环境刺激因素，激活NLRP3炎症体[5]。目前发现的NLRP3炎症体激活机制主要有三种:①晶体类物质被细胞吞噬后，溶酶体被破坏并释放组织蛋白酶B，通过某些直接或间接的方式激活NLRP3炎症体[6]，故抑制成熟溶酶体或溶酶体蛋白酶可以有效阻断炎症体的激活[7]；②细胞外的ATP结合细胞膜表面的嘌呤受体P2X7R，使其介导的离子通道打开，导致钾离子外流，钙离子内流，并诱导细胞膜上的泛连接蛋白1小孔开放，进而微生物分子进入胞质，被NLRP3识别，激活炎症体[8]；③目前发现的所有NLRP3激活剂都能够诱导产生ROS，即ROS可作为共同信号激活NLRP3炎症体，导致ASC和caspase-1前体寡聚化和募集，并引发caspase-1前体的自我剪切和激活，激活的caspase-1 剪切IL-1β前体，促进IL-1β的成熟和分泌，导致细胞毒性反应和炎性反应[1]。而在最近的研究中发现，动脉粥样硬化和糖尿病肾病患者的NLRP3、IL-1β上调，这很可能意味着在疾病的发生、发展过程中存在NLRP3炎症体被激活[3,9]。

2 NLRP3炎症体和糖尿病大血管病变——动脉粥样硬化

糖尿病大血管病变主要累及主动脉、冠状动脉、脑动脉等部位，表现为动脉粥样硬化。相对于非糖尿病人群，糖尿病人群中动脉粥样硬化的患病率较高，发病年龄较轻，病情进展较快,同时糖尿病(主要是2型糖尿病)人群动脉粥样硬化的易患因素，如肥胖、高血压、脂代谢异常等的发生率均明显增高。

2.1动脉粥样硬化与炎症 目前，动脉粥样硬化的发病机制可被归纳为：慢性或反复的内皮损伤、血脂沉积及其氧化作用、单核巨噬细胞和平滑肌细胞反应等。研究发现，剔除参与动脉粥样硬化的炎症基因，在几乎所有情况下均会导致动脉粥样硬化减少，但这种改变在动脉粥样硬化早期比较明显，在后期动脉粥样硬化的进展中则并不明显[10]。而无论是以何种形式发生的动脉粥样硬化，均有各种生长因子和细胞因子(包括IL-1β、IL-18等)参与，存在动脉壁免疫细胞聚集，具有炎症性疾病的特征[11]。

2.2炎症与胆固醇结晶 无菌鼠动脉粥样硬化模型的成功构建提示动脉粥样硬化的炎症是内源性的[12]，与其相关的内源性分子之一是胆固醇[13]。高血胆固醇水平与动脉粥样硬化性疾病的发展密切相关。在动脉粥样硬化病变靠近激活的免疫细胞处，可以发现大量的不同形式的胆固醇，如在巨噬细胞、泡沫细胞以胆固醇酯形式存在，在胞内/外则以晶体胆固醇形式存在。另外，最近的激光反射显微镜已经发现，在动脉粥样硬化病变处除了组织中有胆固醇晶体沉淀外，在细胞外空间以及免疫细胞中也存在更多、更小的胆固醇晶体。

2.3NLRP3炎症体与动脉粥样硬化 Menu等[14]研究使用apoE缺陷小鼠动脉粥样硬化模型的研究证实，NLRP3炎症体在动脉粥样硬化发生和发展过程中必不可少。体外实验表明，在小鼠及人类细胞，胆固醇晶体可以通过激活NLRP3炎症体刺激早期巨噬细胞分泌大量的IL-1β诱发炎性反应[9,15]。将缺乏NLRP3、ASC或IL-1α/β的小鼠骨髓转移到受过辐射的有动脉粥样硬化性倾向的低密度脂蛋白(low-density lipoprotein，LDL)受体缺陷的小鼠，且高胆固醇喂养，与植入野生型小鼠相比，前者主动脉病变显著减少，且循环中IL-18的水平降低[9]。由此可以得知，小鼠动脉粥样硬化与炎症体激活有关，且其动脉粥样硬化硬化程度与LDL及IL-18有关，LDL受体缺陷或低IL-18水平者动脉粥样硬化病变较轻。

LDL是动脉粥样硬化进展的核心，早期即在动脉内膜沉积，发生修饰(如氧化)，形成变性LDL，并促进单核细胞募集，形成富含胆固醇的巨噬细胞泡沫细胞[11]。变性LDL首先被巨噬细胞Toll样受体(如Toll样受体4/6、CD14)和各种清道夫受体(如CD36、清道夫受体A)识别，通过骨髓分化主要反应蛋白88及IL-1受体相关激酶4的激酶活性产生信号，激活核因子κB，进而允许pro-IL-1β和NLRP3炎症体的上调，引起IL-1β表达增加。此外，LDL的氧化依赖于巨噬细胞和上皮细胞周围产生的ROS，氧化的LDL本身也会诱使ROS生成。变性LDL也可以诱导胆固醇晶体被巨噬细胞吞噬，引起溶酶体破裂，溶酶体蛋白酶释放；与此同时，组织蛋白酶与ROS结合介导NLRP3炎症体激活，对caspase-1前体进行剪切，促进细胞因子IL-1的成熟和分泌，造成持续的炎症体组件上调以及炎性反应，导致大量的免疫细胞浸润和动脉粥样硬化斑块形成的进展[2]。

3 NLRP3炎症体与微血管病变——糖尿病肾病

微血管病变是糖尿病的特异性并发症，典型改变为微循环障碍和微血管基膜增厚，尤以糖尿病肾病为重。当前，糖尿病肾病发病率逐年升高，已成为慢性肾衰竭的主要原因。高尿酸血症、高脂血症及炎症均与糖尿病肾病的进展与恶化密切相关[3]。最近的研究表明，NLRP3炎症体介导的炎症与肾脏损伤进展有关[16-17]。

3.1糖尿病肾病NLRP3激活的证据 已知NLRP3炎症体由NLRP3、ASC及caspase-1组成。最近的动物研究发现，NLRP3炎症体-caspase-1-IL-1β/IL-18轴在肾脏疾病中起着重要作用[3]。NLRP3炎症体可以通过调控caspase-1的激活而促进IL-1β、IL-18成熟。患糖尿病时，循环及局部促炎因子IL-1β、IL-18水平的升高可以诱发持续的炎症，进而造成糖尿病患者肾脏损伤的发生和发展。Wang等[3]关于STZ大鼠的研究发现，STZ诱导的伴有高尿酸血症和高脂血症的糖尿病肾病模型中，除IL-1β、IL-18的水平升高外，NLRP3炎症体的组件ASC、caspase-1存在过度表达。以上证据表明，在糖尿病肾病发生、发展过程中，NLRP3炎症体被激活。

3.2糖尿病肾病与尿酸 糖尿病肾病患者肾功能减退，肾小球滤过功能受损，尿酸滤过减少，导致血浆尿酸水平增高，在肾小球功能受损早期，即可出现高尿酸血症。此外，糖尿病患者脂质代谢紊乱会导致尿酸盐清除延迟，血清尿酸水平升高[18]；而非酯化脂肪酸也可以通过协同作用提高尿酸水平[19]。因此，研究发现血清尿酸水平升高可能与糖尿病肾病进展有关[20-21]。进一步的干预研究发现，尿酸合成抑制剂——别嘌呤醇可以降低血清总胆固醇和三酰甘油水平，减轻果糖喂养糖尿病大鼠的肾脏病理改变程度[22-23]。而在2型糖尿病db/db小鼠和糖尿病肾损伤患者，别嘌呤醇同样也起到了肾脏保护作用[3]。除此之外，研究还发现口服黄酮类药物——槲皮素可以通过调节大鼠肾尿酸盐转运相关蛋白(如葡萄糖转运蛋白9、肾脏尿酸转运蛋白、有机阴离子转运蛋白1、尿酸盐转运子等)降低尿酸水平，减轻果糖诱导的糖尿病大鼠的高尿酸血症和肾功能紊乱[22-23]。与此同时，研究还发现槲皮素可以防止糖尿病大鼠的肾脏损伤[24]。动物的干预研究表明，高尿酸血症可以在糖尿病基础上诱发或加重肾脏损伤，通过降低血清尿酸水平可以有效预防或减轻糖尿病肾病。当前大量的流行病学研究证实，糖尿病肾病患者血尿酸水平与肾脏损害密切相关,且对糖尿病肾病发生、发展起促进作用[25]。Momeni等[26]有关尿酸与糖尿病肾病的人群干预性研究亦证实，降尿酸药物别嘌呤醇可以通过降低血尿酸水平，延缓糖尿病肾病的进展。这些结果与动物研究结果完全一致。

3.3尿酸与NLRP3激活：相关性研究和干预研究 目前研究已经发现，STZ诱导的肾脏炎症与在高尿酸血症和脂质紊乱状态下NLRP3炎症体激活有关。相关试验的蛋白质印迹法和多聚酶链反应分析均表明，链脲佐菌素诱导大鼠肾脏NLRP3炎症体及其组件ASC、caspase-1表达增加[3]。而通过降尿酸药(如别嘌呤醇、槲皮素)降低尿酸和血脂水平，NLRP3炎症体激活可能被抑制，并且可以防止STZ诱导的肾脏损伤[3]。其他的研究发现，尿酸可以导致促炎细胞因子(如IL-1β和IL-18)的分泌，高尿酸水平也是诱发肺损伤中NLRP3炎症体激活的一个重要因素[6]。这些研究结果提示，高尿酸水平与NLRP3炎症体激活有关。根据目前已发现的NLRP3炎症体激活机制，可以推测尿酸可能通过溶酶体吞噬尿酸结晶，或激活ROS，或经由巨噬细胞Toll样受体/清道夫受体识别信号而激活NLRP3炎症体，促进IL-1β和IL-18的成熟和分泌而诱发肾脏炎症，导致糖尿病肾病的发生和发展。

4 结 语

NLRP3炎症体是核苷酸结合寡聚化结构域样受体被激活后形成的巨大的蛋白复合体，在高血糖、肥胖、高脂血症、高尿酸血症等因素刺激下，巨噬细胞Toll样受体和清道夫受体可识别信号，进而激活NLRP3炎症体，促进IL-1β、IL-18的成熟和分泌，产生强大的内源性炎性反应，诱导糖尿病动脉粥样硬化及糖尿病肾病发生及发展。目前的研究已初步阐明NLRP3炎症体在动脉粥样硬化中的作用机制，但其在糖尿病肾病的作用机制还不甚明确，仅能确定高尿酸血症可能与之相关。现有的研究已证实，通过药物(如别嘌呤醇)干预减少动物及糖尿病肾病患者体内NLRP3炎症体激活的刺激信号(即高尿酸)，可以有效减少NLRP3炎症体激活，降低血清IL-1β/IL-18水平，从而预防甚至减轻糖尿病肾病。进一步研究NLRP3在动脉粥样硬化和糖尿病肾病的炎症作用机制，甚至NLRP3炎症体对糖尿病其他并发症 (如糖尿病视网膜病变、中枢神经系统并发症等)的炎症作用机制前景广阔；NLRP3炎症体可以作为新的干预靶点，为未来糖尿病及其并发症的防治提供新的方向。

[1] Schroder K,Zhou R,Tschopp J.The NLRP3 inflammasome:a sensor for metabolic danger?[J].Science,2010,327(5963):296-300.

[2] De Nardo D,Latz E.NLRP3 inflammasomes link inflammation and metabolic disease[J].Trends Immunol,2011,32(8):373-379.

[3] Wang C,Pan Y,Zhang QY,etal.Quercetin and allopurinol ameliorate kidney injury in STZ-treated rats with regulation of renal NLRP3 inflammasome activation and lipid accumulation[J].PLoS One,2012,7(6):e38285.

[4] Lamkanfi M.Emerging inflammasome effector mechanisms[J].Nat Rev Immunol,2011,11(3):213-220.

[5] Grishman EK,White PC，Savani RC.Toll-like receptors,the NLRP3 inflammasome,and interleukin-1 beta in the development and progression of type 1 diabetes[J].Pediatr Res,2012,71(6):626-632.

[6] Gasse P,Riteau N,Charron S,etal.Uric acid is a danger signal activating NALP3 inflammasome in lung injury inflammation and fibrosis[J].Am J Respir Crit Care Med,2009,179(10):903-913.

[7] Hornung V,Bauernfeind F,Halle A,etal.Silica crystals and aluminum salts activate the NALP3 inflammasome through phagosomal destabilization[J].Nat Immunol,2008,9(8):847-856.

[8] Kanneganti TD,Lamkanfi M,Kim YG,etal.Pannexin-1-mediated recognition of bacterial molecules activates the cryopyrin inflammasome independent of Toll-like receptor signaling[J].Immunity,2007,26(4):433-443.

[9] Duewell P,Kono H,Rayner KJ,etal.NLRP3 inflammasomes are required for atherogenesis and activated by cholesterol crystals[J].Nature,2010,464(7293):1357-1361.

[10] Kleemann R,Zadelaar S and Kooistra T.Cytokines and atherosclerosis:a comprehensive review of studies in mice[J].Cardiovasc Res,2008,79(3):360-376.

[11] Lusis AJ.Atherosclerosis[J].Nature,2000,407(6801):233-241.

[12] Wright SD,Burton C,Hernandez M,etal.Infectious agents are not necessary for murine atherogenesis[J].J Exp Med,2000,191(8):1437-1442.

[13] Goldstein JL，Brown MS.Lipoprotein receptors,cholesterol metabolism,and atherosclerosis[J].Arch Pathol,1975,99(4):181-184.

[14] Menu P,Pellegrin M,Aubert JF,etal.Atherosclerosis in ApoE-deficient mice progresses independently of the NLRP3 inflammasome[J].Cell Death Dis,2011,2:e137.

[15] Rajamaki K,Lappalainen J,Oorni K,etal.Cholesterol crystals activate the NLRP3 inflammasome in human macrophages:a novel link between cholesterol metabolism and inflammation[J].PLoS One,2010,5(7):e11765.

[16] Anders HJ,Muruve DA.The inflammasomes in kidney disease[J].J Am Soc Nephrol,2011,22(6):1007-1018.

[17] Vilaysane A,Chun J,Seamone ME,etal.The NLRP3 inflammasome promotes renal inflammation and contributes to CKD[J].J Am Soc Nephrol,2010,21(10):1732-1744.

[18] Collantes Estevez E,Pineda Priego M,Anon Barbudo J,etal.Hyperuricemia-hyperlipemia association in the absence of obesity and alcohol abuse[J].Clin Rheumatol,1900,9(1):28-31.

[19] Joosten LA,Netea MG,Mylona E,etal.Engagement of fatty acids with Toll-like receptor 2 drives interleukin-1beta production via the ASC/caspase 1 pathway in monosodium urate monohydrate crystal-induced gouty arthritis[J].Arthritis Rheum,2010,62(11):3237-3248.

[20] Hovind P,Rossing P,Johnson RJ,etal.Serum uric acid as a new player in the development of diabetic nephropathy[J].J Ren Nutr,2011,21(1):124-127.

[21] Hovind P,Rossing P,Tarnow L,etal.Serum uric acid as a predictor for development of diabetic nephropathy in type 1 diabetes:an inception cohort study[J].Diabetes,2009,58(7):1668-1671.

[22] Hu QH,Wang C,Li JM,etal.Allopurinol,rutin,and quercetin attenuate hyperuricemia and renal dysfunction in rats induced by fructose intake:renal organic ion transporter involvement[J].Am J Physiol Renal Physiol,2009,297(4):F1080-F1091.

[23] Reungjui S,Roncal CA,Mu W,etal.Thiazide diuretics exacerbate fructose-induced metabolic syndrome[J].J Am Soc Nephrol,2007,18(10):2724-2731.

[24] Anjaneyulu M,Chopra K.Quercetin,an anti-oxidant bioflavonoid,attenuates diabetic nephropathy in rats[J].Clin Exp Pharmacol Physiol,2004,31(4):244-248.

[25] Miao Y,Ottenbros SA,Laverman GD,etal.Effect of a reduction in uric acid on renal outcomes during losartan treatment:a post hoc analysis of the reduction of endpoints in non-insulin-dependent diabetes mellitus with the Angiotensin Ⅱ Antagonist Losartan Trial[J].Hypertension,2011,58(1):2-7.

[26] Momeni A,Shahidi S,Seirafian S,etal.Effect of allopurinol in decreasing proteinuria in type 2 diabetic patients[J].Iran J Kidney Dis,2010,4(2):128-132.