NLRP3炎症小体在心肌梗死中作用的研究进展



NLRP3炎症小体在心肌梗死中作用的研究进展

陈海燕，谭春燕，胡厚祥

(川北医学院附属医院心内科，四川南充637000)

【摘要】NLRP3炎症小体是固有免疫系统中模式识别受体家族的重要组成部分。NLRP3炎症小体一旦被激活，将募集适配器凋亡相关微粒蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC)，并与之相互作用，从而招募并结合半胱天冬氨酸蛋白酶-1前体(procaspase-1)，使其自身裂解活化为半胱天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)，最终使IL-1β前体(pro-IL-1β)和IL-18前体(pro-IL-18)成熟活化为有活性的促炎性细胞因子(IL-1β和IL-18)，并启动焦亡性细胞死亡(pyroptosis)。NLRP3炎症小体与多种疾病的发病机理有着密切的关系。近年来研究报道，NLRP3炎症小体识别非微生物危险信号引起的无菌性炎性反应在心肌梗死的发展过程中发挥着重要作用。本文就NLRP3在心肌梗死中的相关研究作一综述。

【关键词】NLRP3;炎症小体;心肌梗死

急性心肌梗死(acutemyocardial infarction，AMI)严重威胁着广大患者的健康，被预测为全球人类未来死亡的主要原因。心肌梗死是因心肌严重而持久的缺血造成的心肌细胞死亡。心肌梗死后将引起左心室泵血功能进一步退化，最终导致心力衰竭。另外，心肌梗死后心肌细胞的异常放电将引起不稳定性和致命性心律失常。心肌梗死的根本原因在于冠状动脉粥样硬化，因冠状动脉内粥样斑块不稳定或破裂而导致血管内血栓形成，阻塞冠状动脉，最终导致心肌梗死。有效的再灌注和血管重建［如，溶栓治疗和经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention，PCI)］可有效的减少心肌梗死面积和改善临床症状。然而，再灌注本身也可引起和加重心肌损伤，称为再灌注损伤(reperfusion injury)［1］。

近来研究表明，伴随心肌梗死的炎症反应使白细胞聚集，导致心肌损伤和瘢痕形成。同时，心肌梗死处积聚的白细胞(如中性粒细胞和巨噬细胞)释放细胞因子、趋化因子和蛋白酶，加剧心肌梗死后的炎症反应，促进心肌的损伤和重构［2-3］。Kawaguchi等［4］使用ASC敲除鼠(ASC-/-mice)进行研究，发现在心肌缺血再灌注损伤中，无菌性炎症反应是通过炎症小体的活化产生的。这些研究说明炎症小体是心肌梗死病理生理过程中无菌性炎症反应的初始传感器。本文就当前的研究情况重点对NLRP3炎症小体在心肌梗死过程中的作用作一综述。

1　固有免疫系统和模式识别受体

固有免疫作为机体抵御外来病原体入侵的第一道防线，由种系编码的模式识别受体(pattern-recognition receptors，PRRs)多家族成员组成。固有免疫通过模式识别受体识别病原体的保守结构和内源性危险信号，即病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)和损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)来触发炎症反应。其中，DAMPs引发的炎症反应作为无菌性炎症反应的潜在机制已受到大家的广泛关注［5］。目前为止，模式识别受体分为4个不同的家族: Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)、RIG-I样受体(retinoic acid-inducible gene-I-like receptors，RLRs)、c-型凝集素受体(C-type lectin receptors，CLRs)和NOD样受体(Nod-like receptors，NLRs)。其中，TLRs和NLRs已被证实与心肌梗死中无菌性炎症反应有关［6-7］。NLRs是调节有活性的炎性细胞因子IL-1β释放的炎症小体的主要组成部分;而TLRs则通过诱导pro-IL-1β的合成来促进IL-1β的产生。二者共同参与心肌梗死过程中的炎性损伤。然而，关于RLRs和CLRs在心肌梗死过程中发挥的作用还有待进一步研究。

2　NLRP3　炎症小体及其活化

炎症小体是一种多蛋白复合形成的胞内模式识别受体，通过识别病原体相关分子模式(PAMPs)或损伤相关分子模式(DAMPs)活化，并可作为激活caspase-1的分子平台。大多数的炎症小体都包含有NLR家族蛋白、凋亡相关微粒蛋白(ASC)和半胱氨酸蛋白酶1(caspase-1)。目前为止，NLRs家族蛋白在人类已发现有23种分子［8］，每种炎症小体根据其包含的NLR家族蛋白不同而命名。NLRs参与组成的炎症小体包括: NLRP1、NLRP3、NLRP6、NLRP7、NLRP12和NLRC4。而AIM2炎症小体和IFI16炎症小体由PYHIN参与组成。

在这些炎症小体中，NLRP3是研究最为广泛的炎症小体，大量研究表明:在很多疾病中，NLRP3通过识别危险信号诱导无菌性炎症而产生。NLRP3炎症小体主要包括3个组成结构:①位于中央区的核苷酸结合寡聚化域(NACHT域)，它在低聚体结构形成的过程中发挥着重要作用;②C端亮氨酸富集结构域(LRRs)，LRR识别相应配体，并在NLRP3功能调节中发挥重要作用;③N端效应结构域(包括PYD、CARD和BIR)，能够介导下游信号传导［9］。NLRP3的LRRs识别相应配体后启动NLRP3炎症小体复合体的组装。目前科研工作者普遍认为，NLRP3炎症小体活化的共同上游机制包括:细胞内K+外流、溶酶体破裂以及活性氧(ROS)的产生［10］。NLRP3炎症小体一旦被激活，其PYD结构域募集适配器ASC和pro-caspase-1，使pro-caspase-1自身裂解为有活性的caspase-1。活化的caspase-1进一步将促炎性细胞因子前体pro-IL-1β和pro-IL-18裂解为其成熟的分泌形式。同时，活化的caspase-1触发一种特殊的细胞程序性死亡，即细胞焦亡(pyroptosis)［11］。细胞焦亡是近年来发现的一种新的细胞程序性死亡方式，它兼有细胞凋亡和细胞坏死的特征。与凋亡相似的是:细胞焦亡有核浓缩、DNA断裂及TUNEL染色阳性;与坏死共同的特征为:焦亡细胞的细胞膜完整性遭到破坏，细胞内离子平衡丧失，出现细胞肿胀继而膜破裂，细胞内容物释放后引起大量炎症反应［12］。激活NLRP3的内源性的危险信号包括:细胞外ATP、尿酸盐结晶、磷酸钙晶体、胆固醇结晶、淀粉样蛋白质-β、透明质酸和胰岛淀粉样多肽;而NLRP3炎症小体外源性的激活剂包括石棉和二氧化硅［10］。在各种疾病的发展过程中，上述这些危险因素通过活化NLRP3，诱导IL-1β释放，从而产生炎症反应。然而，诱导IL-1β释放的过程还需要pro-IL-1β的转录诱导［13］。因此，对pro-IL-1β的转录诱导过程和炎症小体介导的IL-1β释放过程进行调节被认为是炎症细胞因子调控中必不可少的环节。

3　NLRP3　炎症小体与心肌梗死

炎症反应是参与介导心肌梗死后心肌损伤和修复的一个重要过程。有研究表明，对心肌梗死过程中炎症反应进行干预可有效改善心肌梗死症状，减少MI面积［14］。在这些炎性介质中，IL-1β是心肌梗死过程中早期突出的炎性介质。Abbat等［15］在急性心肌梗死的动物模型上实验，显示IL-1β中和抗体及IL-1β重组受体拮抗剂(IL-1RA)可减轻小鼠急性心肌梗死后心脏的扩大及心肌功能的紊乱，表明IL-1β参与急性心肌梗死发生发展中细胞的损伤过程。此外，Marchetti等［16］建立大鼠心肌缺血再灌注模型(缺血30 min，再灌注24 h)，发现抑制NLRP3炎症小体的活性可减少心肌梗死面积及大鼠血清中心肌肌钙蛋白I的水平。

为了进一步研究炎症小体在心肌I/R损伤的病理生理过程中发挥的作用，Kawaguchi等［4］使用ASC敲除鼠(ASC-/-mice)和caspase-1敲除鼠(caspase-1-/-mice)建立心肌缺血再灌注模型(结扎左前降支冠状动脉30 min，再灌注48 h)进行研究，在入侵的中性粒细胞和巨噬细胞以及在心肌I/R处的心肌成纤维细胞中都能检测到大量的ASC表达。而且，与野生鼠(WT mice)相比，ASC-/-鼠和caspase-1-/-鼠I/R后炎症反应大幅下降，表现为炎性细胞浸润减少，细胞因子和趋化因子表达降低。此外，敲除鼠的心肌梗死面积、心肌纤维化以及梗死后左心室功能紊乱程度均明显减低。

NLRP3炎症小体识别不同的危险信号，诱导无菌性炎症反应，使之成为AMI过程中发挥作用的模式识别受体的最佳候选成员。Mezzaroma等［17］在使用永久性心肌梗死模型的老鼠身上进行研究，发现使用小干扰RNA(siRNA)或药物抑制NLRP3和P2X7受体将使炎症小体活化受到抑制，从而减少心肌细胞的死亡，最终减轻心肌梗死后心肌的重构。P2X7是一种嘌呤受体通道，它被受损细胞释放的细胞外ATP激活，从而引起K+外流，最终活化NLRP3炎症小体。心肌细胞中，NLRP3炎症小体的组装和活化进一步诱导caspase-1依赖的心肌细胞焦亡。Sandanger等［18］在小鼠和大鼠身上建立永久性心肌梗死模型，检测到心肌缺血处成纤维细胞的NLRP3表达明显上调，这说明NLRP3参与心肌梗死的发展过程。进一步研究发现，心肌梗死期间受损组织释放的细胞外ATP刺激心肌成纤维细胞，使之分泌IL-1β引起炎症反应。此外，使用Langendorff离体心脏灌注模型模拟人体的心肌缺血再灌注，发现NLRP3敲除后可保护心肌缺血再灌注损伤后心脏的功能以及减少心肌梗死的面积。近来，Liu等［19］在C57BL/6J小鼠身上建立心肌缺血再灌注模型(缺血30 min，再灌注3～24 h)，检测到缺血的心脏中NLRP3表达上调，caspase-1活性增加，IL-1β和IL-18产生增加;心肌内注射NLRP3小干扰RNA (siRNA)或腹腔注射炎症小体抑制剂BAY 11-7028后可减少心肌缺血再灌注损伤区域的巨噬细胞和中性粒细胞的浸润。同时，心肌细胞的凋亡和心肌梗死面积也随之减少。

然而，在研究NLRP3在心肌梗死和心肌缺血再灌注损伤过程中所起作用的同时，我们也发现了一些有趣的问题。Sandanger等［18］从小鼠身上分离出心脏，并使用Langendorff离体心脏灌注模型模拟人体的心肌缺血再灌注，发现与野生鼠和ASC敲除鼠相比，NLRP3敲除鼠在进行心肌缺血再灌注后，其心脏功能明显得到改善，心肌损伤也显著减轻，这表明在心肌缺血再灌注损伤中NLRP3和ASC起着不同的作用。同样地，Shigeoka等［20］在小鼠身上建立肾缺血再灌注模型实验，发现与野生鼠相比，NLRP3敲除鼠中肾I/R损伤减轻，而ASC敲除鼠中I/R损伤无明显改变。近来，在肝脏缺血再灌注研究中发现，NLRP3敲除后肝脏缺血再灌注损伤明显减轻，而ASC敲除后肝脏I/R损伤并无明显改善［21］。这些研究表明，炎症小体的组件(如NLRP3和ASC)可能有独立于炎症小体的功能，而NLRP3和ASC在不同的细胞可能有着不同的功能。此外，NLRP3参与一种炎症小体(NLRP3炎症小体)的组成，而ASC可参与多种炎症小体(如NLRP3、NLRP1、NLRP6 和AIM2炎症小体)的组成，表明其他炎症小体可能存在潜在的功能补充作用。

4　抗炎症小体治疗策略

越来越多的研究表明，NLRP3炎症小体启动的炎性反应参与心肌梗死的病理生理过程。因此，针对NLRP3和IL-1β的治疗可能成为治疗MI潜在而有效的治疗策略。调节炎症小体，可从其上游通路及下游效应因子进行调控。上游通路包括:调控NF-κB以调节pro-IL-1β和pro-IL-18的表达、拮抗激动受体(如P2X7r)、干扰其复合体组件(NLRPs、ASC、和caspase-1)及细胞内激动剂(如ROS);下游效应因子包括成熟的IL-1β和IL-18［22］。

大量动物实验表明，针对炎症小体组件及活化剂的抗体和抑制剂能够取得良好效果，但其在人体发挥的效应还尚不明确。炎症小体抑制剂Bay 11-7082通过抑制NLRP3的ATP酶的活化起作用; P2X7r抑制剂AZD9056，正在人类风湿性关节炎(RA)上进行测试，但至今尚无良好的效果［23］。针对ROS(3种激活NLRP3炎症小体途径之一)的治疗似乎是一种很好的选择，但是研究结果显示其在人体的效果并不令人满意。依达拉奉是一种自由基清除剂，早在2001年就有人发现它可改善患者脑缺血性发作后的临床症状［22］，但是进一步研究发现其产生的效果并不局限于阻滞炎症小体的活化。Caspase-1抑制剂已在很多动物身上进行实验，VRT-018858是一种选择性的非缩氨酸类的caspase-1抑制剂，它可减轻大鼠短暂性脑缺血后的脑损伤。Ac-YVAD.CMK是另一种caspase-1抑制剂，Fann等［24］在C57BL/6J小鼠身上建立脑缺血再灌注模型(闭塞的大脑中动脉1 h，再灌注3 h)进行实验，发现Ac-YVAD.CMK可减少小鼠脑缺血再灌注后的脑梗死面积，并减少IL-1β和IL-18的产生。但是，caspase-1抑制剂对人体心血管疾病的作用还有待进一步研究。

在针对炎症小体的治疗策略中，研究更为广泛的是对IL-1途径进行调制［25］。阿那白滞素(Anakinra)是一种非糖基化的人类IL-1受体拮抗剂重组体，它通过竞争性的结合IL-1I型受体来阻滞IL-1(包括IL-1α和IL-1β)的生物学活性;利纳西普(Rilonacept)是一种二聚融合蛋白，位于人类IL-1R 和IL-1R辅助蛋白的配体结合域，能够阻滞IL-1α 和IL-1β;康纳单抗(Canakinumab)是一种能够中和IL-1β的单克隆抗体，它通过选择性的与IL-1β结合，使其失活。此外，有研究表明在大鼠心肌梗死模型中，抗IL-18中和抗体能够明显减少大鼠MI的梗死面积。在其他一些缺血再灌注损伤模型中，抗IL-18也能取得明显的效果。

综上所述，大量研究表明，NLRP3在心肌梗死过程中通过形成炎症小体后活化caspase-1，介导IL-1β 和IL-18的产生，在AMI过程中起着关键作用。针对NLRP3炎症小体及其上游通路和下游效应因子的药物在动物身上也取得了良好的效果。然而，由于基因组的反应性不同，将动物模型上做的研究转移到人类疾病还存在很大的障碍。另外，炎症反应在心肌梗死中的作用有利也有弊，完全干预炎症小体相关的固有免疫还可能导致机会性感染。因此，对于NLRP3炎症小体激活的确切机制以及针对NLRP3在人类身上的有效治疗策略还需进一步的研究。

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通讯作者:胡厚祥，E-mail: hhxiang17@163.com

作者简介:陈海燕(1988-)，女，四川南充人，硕士研究生，主要从事心血管疾病方面的研究。

基金项目:国家自然科学基金项目(81070101)

收稿日期:2014-12-25

doi:10.3969/j.issn.1005-3697.2015.02.06

【文章编号】1005-3697(2015)02-0155-05

【中图分类号】R541.4

【文献标志码】A

网络出版时间: 2015-5-1 01∶33网络出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1254.R.20150501.1333.003.html