靶向NLRP3炎症小体在阿尔茨海默病治疗中的新策略

师 强，郑莹莹，杨彦玲

(1.延安大学医学院，陕西 延安 716000；2.延安大学附属医院，陕西 延安 716000)

炎症反应是机体对外界有害刺激做出的一种反应，使机体能更好的对抗病原体、清除有害蛋白质等。适度的反应对机体有利，而过度放大的炎症反应则对机体有害，可造成机体自身正常的组织或细胞损伤。

人体具有通过适应性免疫系统和固有免疫系统抵抗病原体对人体攻击的能力,免疫系统激活的标志之一就是炎症。固有免疫系统在感知病原体的入侵和内源性损伤信号中起着至关重要的作用。小胶质细胞作为一种遍布大脑的固有免疫细胞,当大脑中出现对机体不利的刺激时,可迅速对有害刺激做出反应,保护大脑神经元免受损害。小胶质细胞胞膜或胞质内表达多种模式识别受体(pattern recognition receptor,PRR),包括Toll样受体(TLR)、NOD样受体(NLR)等。当固有免疫系统的PRR识别到周围环境中的病理相关分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP)和损伤相关分子模式(damage-associated molecular pattern,DAMP)信号刺激后,可触发下游级联信号通路的活化,导致促炎细胞因子的成熟与释放[1]。其中有部分促炎细胞因子以其前体形式存在,需要使其成熟才能发挥作用,而炎症小体可起到这种关键作用。通过特异性切割促炎细胞因子前体,使其成为活化态促炎因子,成熟并分泌到细胞外,导致炎症在大脑中广泛扩散。

1 NLRP3炎症小体

NLRP3炎症小体是目前研究较多、较为深入的一种炎症小体。NLRP3炎症小体的核心部分是NOD样受体家族NLRP3蛋白，其作为感受器蛋白，包含一个氨基末端的Pyrin结构域(PYD)、中央NACHT结构域和一个羧基末端的亮氨酸富集重复结构域(LRRD)。NACHT结构域具有ATPase活性，这对于NLRP3的寡聚至关重要，而LRR结构域被认为可以通过折叠回NACHT结构域来诱导自身抑制作用[2]。当NLRP3感受到PAMP或DAMP危险信号刺激时，NLRP3通过NACHT域之间的同型相互作用进行寡聚。而ASC具有两个蛋白质相互作用域：一个氨基末端PYD和一个羧基末端caspase募集结构域(CARD)。寡聚后的NLRP3氨基末端PYD与ASC氨基末端PYD相互作用，形成“ASC”斑点”[3]。ASC再通过其CARD结构域与pro-caspase-1的CARD相互连接，组装形成NLRP3炎症小体，其通过自身催化作用，将pro-caspase-1切割成活化态的caspase-1，然后特异性裂解pro-IL-1β、pro-IL-18，使其成为活化的IL-1β、IL-18，发挥促炎作用。

目前认为NLRP3炎性小体的活化需要两个步骤:启动(priming)和激活(activation)[4]。启动步骤(信号l)由可诱导NF-κB活化的炎症刺激所引起(例如TLR4激动剂)，通过活化NK-κB，上调NLRP3和IL-1β、IL-18基因的转录，使NLRP3蛋白和pro-IL-1β、pro-IL-18蛋白生成增多；激活步骤(信号2)由PAMP和DAMP所触发(例如尿酸盐结晶、铝盐、ATP、Aβ、K+外流等)，使NLRP3炎症小体完成组装步骤，然后通过自体催化、切割pro-caspase-1，生成活化的caspase-1，从而可介导IL-1β和IL-18的成熟、释放[5]。同时，caspase-1活化，可以特异性地将焦亡(pyroptosis)的执行者—gasderminD蛋白切割成氨基端结构域和羧基端结构域两部分[6]，氨基端结构域主要起抑制gasderminD分子活性的作用，切割后的氨基端结构域插入细胞膜上，并与其他gasderminD片段发生寡聚，在细胞膜上形成10～20 nm的微孔[7]，使细胞内的促炎性细胞因子及其他蛋白质等物质释放出来，进一步使炎症扩大，并导致细胞肿胀、裂解，使细胞死亡[8]。焦亡的发生依赖于caspase-1的活化，而caspase-1的活化依赖于炎症小体的形成。

到目前为止，已发现许多因素可引起NLRP3炎症小体激活。但是，确切的机制尚不清楚。NLRP3炎症小体启动的潜在机制包括活性氧(ROS)产生和线粒体功能障碍、线粒体DNA氧化释放、溶酶体损伤后释放的组织蛋白酶B、K+外排、细胞外Ca2+稳态的变化等。此外，据报道，NIMA相关激酶7(NEK7)与NLRP3的LRR结构域结合，从而导致其活化和寡聚化[9]。此外，研究表明，翻译后修饰参与了NLRP3活化[10]。尽管如此，在启动阶段的泛素化和翻译后修饰已经证实可导致NLRP3炎症小体失活[11]，而去磷酸化和去泛素化则使其活化[9]。而且，最近的研究揭示了微小RNA在NLRP3炎症小体调控中的功能。例如，髓样来源的miR-223通过抑制NLRP3炎症小体来控制肠道炎症[12]。miR-33还被证明可以调节类风湿关节炎中巨噬细胞内的NLRP3炎症小体[13]。

2 NLRP3炎症小体与AD

NLRP3炎症小体在阿尔茨海默病(Alzheimer′sdisease，AD)中发挥了重要的作用，可加快疾病病程的进展。研究发现，在患有AD的患者脑组织尸检中发现了多种促炎性细胞因子的表达。此外，它们在脑脊液中的高表达已被证实[14]。有证据表明，Aβ可作为DAMP在小胶质细胞中引发NLRP3炎症小体相关信号转导，导致促炎细胞因子的产生并因此引起炎症[15]。尽管健康的大脑中存在正常水平的IL-1β，但其过量产生可能会引起炎症和相关的病理改变[16]。在动物模型和AD患者中，Aβ斑块附近的小胶质细胞中IL-1β过度表达[17]。CNS中的小胶质细胞吞噬Aβ斑块，并进一步分泌趋化和促炎性细胞因子，从而使Aβ的神经毒性作用加剧。并且吞噬Aβ的小胶质细胞溶酶体失稳和胞质内组织蛋白酶B的生成，这可能是活化NLRP3的内源性信号。Ising C，等[18]人的研究发现，NLRP3炎症功能缺失后，通过调节Tau蛋白激酶和磷酸酶的方式，减少Tau蛋白的过度磷酸化和聚集。而通过脑内注射含有Aβ原纤维的匀浆诱导了Tau蛋白的病理变化，其过程依赖于NLRP3的激活。确定了NLRP3炎症小体的激活在Tau蛋白病理改变中的重要作用，同时也支持了AD中淀粉样蛋白级联假说。在CRND8APP转基因小鼠(TgCRND8)的脑内发现，与非转基因同窝小鼠对照相比，NLRP3炎性小体的形成和激活增加。使用NLRP3炎症小体抑制剂JC-124治疗后，CRND8APP转基因小鼠脑内Aβ沉积水平降低，可溶性和不溶性Aβ1-42水平降低，且淀粉样前体蛋白(APP)的β切割减少，小胶质细胞的激活减少，氧化应激降低，突触素增加，表明通过抑制NLRP3炎症小体的激活具有神经保护作用，更进一步支持了NLRP3炎症小体在AD发病机制中的重要作用[19]。通过调节NLRP3炎症小体的激活，阻止了小胶质细胞中促炎细胞因子的释放，并减少了Tau蛋白的过度磷酸化和淀粉样病变，并且保护了SH-SY5Y细胞免受小胶质细胞介导的神经毒性。在AD动物模型中通过下调NF-κB/IL-1β/NLRP3信号通路，显着改善了海马和皮层的组织病理学改变，并具有改善AD动物模型的认知功能[20]。

3 靶向NLRP3炎症小体通路的治疗策略

近年来，对NLRP3活性的调节已成为研究的重点，利用对NLRP3炎症小体激活的分子机制的了解来识别有效的NLRP3抑制剂或抑制途径，并评估其治疗潜力。迄今为止已报道了许多NLRP3炎症小体抑制剂，包括那些直接抑制NLRP3蛋白或间接抑制炎症小体成分或相关信号事件的抑制剂。最近的证据表明IL-1β、组织蛋白酶B、P2X7受体和caspase-1是新的NLRP3调节因子，并且可用药物进行调节。

3.1 以IL-1为靶标的治疗

目前针对IL-1为靶标的生物制剂正被用于NLRP3炎症小体相关疾病的治疗，包括IL-1β中和抗体canakinumab；IL-1受体拮抗剂anakinra；然而，这些蛋白质并不具有完美的药代动力学特性，不太可能轻易跨越血脑屏障，从而限制了它们在AD等神经炎症相关疾病中的应用。且靶向IL-1还有一个缺点，即对caspase-1依赖的焦亡没有影响，因此，小胶质细胞的死亡并没有停止。

3.2 以NLRP3炎症小体为靶标的治疗

与直接阻断细胞因子相比，靶向NLRP3的小分子抑制剂治疗炎症小体相关疾病更具优势。最近，有研究者进一步还发现用MCC950抑制NLRP3炎症小体后，促进了APP/PS1转基因小鼠中Aβ的清除，并有助于小鼠认知功能的改善。研究者还证明了激活炎症小体将有助于淀粉样蛋白的积累和APP/PS1小鼠神经元功能的恶化，并证明阻断炎症小体的组装可能是减轻神经元功能损害潜在的方向[21]。最近，研究还表明，长期脑内应用MCC950可以抑制Tau病理改变[22]。且实验证实，MCC950表现出对各种临床前免疫病理模型的治疗作用，包括AD、创伤性脑损伤、动脉粥样硬化、脂肪性肝炎、心肌梗死、心律失常、糖尿病和结肠炎。尽管这些研究提供了针对NLRP3的令人信服的证据，但由于其肝毒性[23]，MCC950治疗类风湿性关节炎的II期临床试验已被暂停。

4 可抑制NLRP3炎症小体通路的活性成分

在药物开发中，许多植物天然产物(从天然来源中分离出的单一化合物)或植物提取物(包含各种代谢产物)已显示出抗神经炎症的活性。当前用于治疗神经退行性疾病的一些化合物就是来源于天然产物，例如从蚕豆的幼苗中分离出来的左旋多巴，目前在临床上广泛应用于帕金森病治疗。同样，用于治疗AD的氢溴酸加兰他敏是一种来自加兰胡斯属植物的天然产物。来自植物和草药的天然产物已被广泛用作饮食和膳食补充剂。这些可作为日常饮食的天然药物已被发现具有抗炎、抗氧化、改善认知功能等多种细胞保护作用。

一些体外和体内临床前研究阐明了靶向AD中炎症小体激活的潜在分子。例如，在体外实验中，天然化合物紫檀通过抑制NLRP3/caspase-1炎性途径减弱由Aβ1-42诱导的小胶质细胞神经炎症[24]。此外，萝卜硫烷是一种十字花科蔬菜的异硫氰酸酯活性成分，是从花椰菜种子和芽中获得的，它可抑制组织蛋白酶B活化的NLRP3炎症小体，对通过使用Aβ1-42单体诱导的人小胶质细胞发挥改善神经炎症作用，降低了IL-1β的分泌[25]。先前的研究还发现虾青素(AST)及其合成的二十二碳六烯酸-酸化的AST二酯(AST-DHA)可通过减少APP/PS1小鼠的病理特征中炎症小体表达来减轻认知障碍[26]。近年来，采用AD小鼠模型研究了淫羊藿提取物对大鼠的神经保护作用，特别是对双侧海马立体定向注射Aβ1-42的大鼠。结果表明，淫羊藿通过抑制NF-κB/MAPK途径对NLRP3炎症小体具有保护作用[27]。此外，中药脑灵煎剂通过抑制AD大鼠神经炎症恢复认知功能，包括抑制NF-κB信号通路和ASC依赖性炎症小体[28]。

5 结论与展望

越来越多的证据支持NLRP3炎症小体激活在AD的病理机制及病程进展中的重要作用，因此开发有效且选择性的NLRP3调节剂对AD是有治疗价值的。随着人口老龄化而受炎症小体相关疾病影响的个体数量增加，对NLRP3特异性疗法的需求可能会更大。我们对NLRP3激活的理解仍需不断完善，进一步揭示NLRP3炎症小体组装背后的分子原理，以及有效抑制NLRP3信号通路的药物的开发，将为包括AD在内的一系列疾病提供帮助。