NLRP3炎性体在尘肺病发病中的作用研究进展

代金娥 李如意 赵生涛 李少莹

尘肺病是我国危害人数最多的职业病，2018年报道超过97.5万例职业病病例，其中90%为尘肺病[1]。尘肺是常见的职业性肺病之一，以尘粒所致的肺组织慢性炎症及弥漫性纤维化为特征[2]，尽管病因已明确，但其发病机制还未被完全阐明。目前认为尘肺发病与NLRP3炎性体参与的炎症反应及纤维化密切相关。

炎性体是能感知病原体相关的分子模式(PAMPS)或宿主衍生的危险相关分子模式(DAMPS)的一大类细胞内免疫受体蛋白复合物[3]。NLRP3炎性体，可被多种刺激物激活，不仅包括病原体，还包括无菌损伤，如二氧化硅、石棉、胆固醇晶体和明矾等外源性危险信号[4]，引起炎性反应。本文将对NLRP3炎性体功能及其在尘肺病中的作用机制研究进展进行综述。

NLRP3的结构和功能

NLRP3炎性体，是由NLRS家族传感器蛋白NLRP3、凋亡相关斑点样蛋白(ASC)和半胱氨酸蛋白酶-1前体(Pro-caspase-1)组成的大分子多蛋白复合体[5]。NLRP3炎性体识别到细菌、病毒、葡萄糖、机械损伤、紫外线、二氧化硅、石棉等内外源性激活物后，炎性体中ASC聚合成大的丝状簇，活化pro-caspase-1，最终激活caspase-1。首先，活化的caspase-1进一步活化炎性因子白细胞介素1β前体(pro-IL-1β)和白细胞介素18前体(pro-IL-18)，促进IL-1、IL-18的成熟和分泌[6]。同时，活化的caspase-1还可以通过切割GSDMD蛋白，产生GSDMD-C端结构域和具有焦亡活性的GSDMD-N端结构域, GSDMD-N端可以结合细胞内膜并自身低聚化形成环形复合物，随后诱导细胞膜穿孔，细胞破裂，导致焦亡的发生[7]。GSDMD蛋白属于Gasdermin家族蛋白成员之一，被认为是焦亡通路中的关键蛋白。随着后续对GSDMD蛋白更深入的研究，有报道发现，NLRP3炎性体激活后也可诱导GSDMD缺陷细胞的炎性死亡，推测caspase-1参与了GSDMD依赖细胞和GSDMD缺陷细胞两种死亡途径[8-9]。另外，最新研究报道，caspase-1通过化学二聚作用在GSDMD依赖的细胞中诱导细胞焦亡，而在GSDMD缺陷的细胞中通过激活caspase-3诱导细胞凋亡[10]。因此，caspase-1在细胞焦亡中有重要的作用，具体作用机制还需进一步阐明。此外，新近研究发现[11]在细胞外发现ASC斑点，斑点蛋白具有朊病毒样结构，能抵抗蛋白水解酶，且胞外ASC斑点仍保持其促pro-IL-1β成熟的能力，胞外ASC斑点被摄入巨噬细胞，导致细胞中的溶酶体损伤和IL-1β产生。该项研究提示ASC可能具有延续内源性危险信号炎症反应的作用，阻断ASC斑点的胞外作用可为疾病的治疗提供一种新思路。

矽肺病与NLRP3 炎性体

一、硅尘诱导NLRP3 炎性体活化

矽肺是由于长期接触并吸入致病性二氧化硅粉尘，肺泡巨噬细胞的核苷酸结合寡聚化结构域(NOD)样受体识别硅尘，胞内NLRP3炎性体被激活[12]，进而IL-1β、IL-18活化、释放。目前认为肺泡巨噬细胞吞噬二氧化硅后可通过以下途径激活NLRP3炎性体:(1) 活性氧：被吞噬的二氧化硅诱导巨噬细胞产生大量活性氧(ROS)及ATP，可活化NLRP3炎性体，导致IL-1的分泌，产生初始炎症反应[13]。(2)溶酶体损伤：被肺泡巨噬细胞吞噬的二氧化硅晶体导致溶酶体肿胀溶解，溶解破裂的溶酶体释放溶酶体半胱氨酸蛋白酶组织蛋白酶B，从而诱导内源的未知配体进一步活化炎性体,且与二氧化硅无关的溶酶体损伤足以引起NLRP3炎症[14]。溶酶体半胱氨酸组织蛋白酶是一个蛋白酶家族，之后的研究中发现：除了组织蛋白酶B外，组织蛋白酶C、L、S和Z也被认为与NLRP3炎性体激活有关，且五种组织蛋白酶在NLRP3炎性体的激活中可能有互补作用[15]。(3)钾外流：肺泡巨噬细胞吞噬二氧化硅后出现应激损伤，导致胞内ATP 释放到细胞外，ATP在细胞外激活嘌呤型P2X7受体，一方面P2X7受体诱导活性氧生成，激活NLRP3炎性体；另一方面使pannexin-1 通道逐渐开放，钾离子外流，引起NLRP3炎性体活化[16]。另有研究提示，二氧化硅在激活NLRP3炎性体的同时也可以激活多种免疫细胞，如：调节性T细胞、应答性T细胞以及Th17细胞，暴露于二氧化硅的患者常出现自身免疫性疾病的并发症，如RA、SSc、SLE和血管炎[17]。其次，尽管有吸烟、营养不良、遗传易感性等混杂因素存在，但流行病学数据显示，尤其是在吸烟者中二氧化硅暴露会增加肺癌的风险[18]。这些结果清楚地表明，暴露于二氧化硅可导致多种疾病的发生发展。

据报道，有很多因素影响了二氧化硅对NLRP3炎性体的激活。TNF-β可促进二氧化硅或ATP在肺泡巨噬细胞中介导的caspase-1的激活和IL-1β的分泌[19]。有研究表明，二氧化硅晶体的表面反应活性也可影响肺泡巨噬细胞中炎性小体的激活，抗氧化剂TRX(硫氧还蛋白)可抑制炎性小体的激活[20]。溶酶体膜渗透作用 (LMP)是肺泡巨噬细胞吞噬二氧化硅后激活NLRP3炎性体的中心途径。Forrest[21]等证明了小鼠肺泡巨噬细胞吞噬二氧化硅、多壁碳纳米管和钛纳米带后，溶酶体解偶联蛋白抑制剂Bafilomycin A1可在体外阻断LMP，同时溶酶体酸化是二氧化硅诱导LMP的先决条件，而溶酶体组织蛋白酶的渗漏是调控NLRP3炎性体活化和HMGB1释放的主要因子。另外，除了肺泡巨噬细胞外，二氧化硅晶体也可通过肺泡上皮细胞激活NLRP3炎性体，从而延长炎症信号并影响成纤维细胞增殖，介导一系列肺部疾病[22]。无定形二氧化硅颗粒(SPs)广泛应用于化妆品、食品和医药产品，未修饰的1000-nm SPs(mSP1000s)，可以显著地诱导THP-1人类巨噬样细胞产生IL-1β, 而mSP1000s经表面修饰后通过减少ROS诱导的NLRP3炎性体的激活，进而减弱体内炎症反应[23]。这一发现为建立安全有效的SPs提供了基础。综上所述，有很多因素参与了二氧化硅对NLRP3炎性体的激活，其余尚未被发现的机制还有待被阐明。

二、NLRP3炎性体的激活与自噬

自噬是维持细胞内环境稳定的关键，通常被认为是一种促生存机制。过强的自噬也与细胞死亡有关[24]。自噬的主要作用是降解炎性体和炎性体细胞因子如pro-IL-1β[25]。目前关于自噬与二氧化硅诱导NLRP3炎性体激活之间的关系有不同的观点。自噬作为慢性炎症治疗的潜在靶点，Forrest[26]等利用高表达溶菌酶抑制自噬体形成的Atg5fl/flLysM-Cre+小鼠模型，研究肺泡巨噬细胞自噬在二氧化硅诱导的NLRP3炎性体活化和慢性疾病中的作用，结果显示，暴露于二氧化硅的Atg5fl/flLysM Cre+小鼠肺泡灌洗液中促炎介质IL-18和HMGB1水平显著升高，同时在自噬缺陷小鼠中炎症介质的释放增强，提示自噬在减轻NLRP3炎性体活性方面具有重要作用。Liu Haiju[27]等提出了不同的观点，在矽肺小鼠模型中，自噬抑制剂可抑制二氧化硅诱导的巨噬细胞活化和凋亡，在BBC3基因敲除抑制自噬的小鼠模型研究中，减弱自噬的同时矽肺纤维化程度也明显降低，认为抑制BBC3引起的自噬表达可能成为治疗矽肺的一种新的治疗策略。总之，自噬参与二氧化硅诱导NLRP3炎性体的激活是确切的，其最终的结果是导致炎性因子的水平上升或是下降，还有待于进一步的研究。

三、NLRP3炎性体的激活与上皮-间质转化(EMT)

矽肺特征在于慢性炎症和成纤维细胞积聚。研究表明EMT在成纤维细胞积聚中起重要作用[28]。EMT不仅控制胚胎发育中器官的形成，而且控制创伤愈合、组织再生、癌症进展和组织纤维化[29]。二氧化硅可诱导气道及肺泡上皮细胞发生EMT[30]。EMT导致矽肺的纤维化，已有研究证实，在大鼠矽肺病模型中，吡非尼酮干预抑制了大鼠EMT和肺纤维化，其作用机制可能与TGF-β1/smad通路有关[31]。在对二氧化硅诱导的EMT是否受NLRP3炎性体调控的研究中发现：二氧化硅诱导人支气管上皮16HBE细胞EMT，且与时间和剂量相关，同时，二氧化硅持续激活NLRP3炎性体，药理抑制或基因敲除NLRP3炎性体可抑制由二氧化硅诱导的EMT[32]。EMT与NLRP3炎性体之间的关系已明确，抑制EMT可抑制矽肺纤维化。

JIANG 等[31]发现ZC3H4可能是二氧化硅诱导EMT过程中的一种新型调节剂，可为矽肺纤维化研究提供参考。

四、 NLRP3炎性体的激活与卵泡抑素样蛋白1(Fstl1)

Fstl1最初被鉴定为TGF-β1诱导型基因，编码细胞外糖蛋白，属于富含半胱氨酸的分泌蛋白家族，其氨基酸序列包含卵泡抑素样结构域，且在物种中高度保守[33]。在人类风湿性关节炎和其他自身免疫疾病中起双重免疫调节剂的作用[34]。 DONG Y[35]等在IPF和博莱霉素损伤小鼠模型中证明，Fstl1是一种促纤维化因子。为了进一步验证Fstl1在硅尘诱导的小鼠肺纤维化模型中的是否存在促纤维化作用，FANG Y[36]等在矽肺患者和二氧化硅诱导的矽肺小鼠模型的外周血样本中发现：血清FSTL1水平升高，同时发现FSTL1可以增加NLRP3炎性体介导的IL-1β的产生，用小鼠中和抗体阻断FSTL1后减少了二氧化硅诱导的NLRP3炎性体的表达，同时抑制了caspase-1活性和体内IL-1β的分泌。这些结果清楚地表明，FSTL1可调节NLRP3炎性体的激活，可能在矽肺病的发生发展过程中起了重要作用。

五、NLRP3炎性体的激活与纤维化

NLRP3炎性体与肺纤维化形成密切相关，参与早期的炎症反应，从而导致肺内肉芽肿及肺纤维化形成[37]。NLRP3 炎性体释放的IL-1在调节肺损伤和纤维化的介质中起着关键作用，同时IL-1基因多态性可能会增加患矽肺病的风险[38]。已证明用IL-1受体拮抗剂治疗可有效减轻二氧化硅诱导的肺纤维化，中和IL-1可减轻二氧化硅诱导的小鼠肺部炎症和纤维化[39]。

目前与NLRP3炎性体有关的TGF-β1信号通路已被明确。宋占帅[40]等在对二氧化硅矽肺纤维化模型大鼠的研究中发现以NLRP3炎症体为中心的NLRP3-Caspase-1-IL-1β/IL-18-TGF-β1 信号通路与矽肺肺纤维化的发生发展有密切的关系，肺泡巨噬细胞吞噬硅尘，通过启动和激活步骤，最终使IL-1β和IL-18成熟与分泌，产生促炎作用，调控TGF-β1的表达，进而引起肺部炎症反应，最终导致肺部纤维化。且尚有其它通路未被阐明。贺今[41]等测定了20例不同期别矽肺患者肺泡巨噬细胞中NLRP3炎性体的mRNA表达水平。贰期和叁期矽肺患者 NLRP3、ASC、Caspase-1及其下游炎性分子IL-1β及IL-18 较壹期表达增高，与贰期比较，叁期患者的NLRP3、IL-1β无明显差异。另外他们发现ASC、Caspase-1、IL-18 在叁期矽肺患者表达中显著性增高，认为可能存在其他的炎性刺激通路所致。

石棉肺病与NLRP3 炎性体

石棉肺是由于接触并吸入石棉粉尘引起的肺部弥漫性纤维化疾病。接触石棉会产生特定的自身抗体[17]。石棉的免疫毒理作用导致免疫系统的失调，表现为自身免疫性疾病的发生或改变宿主肿瘤免疫力[42]。在石棉肺患者和石棉粉尘小鼠模型中，证实了吸入石棉与肺纤维化的发生有关[43]。另外，在体内外实验中发现，吸入石棉可诱导NLRP3炎性体的组装，激活caspase-1和促炎细胞因子IL-1和IL-18成熟、释放，抑制炎性体激活途径或炎性体介导的细胞因子的释放，可减弱纤维化反应[44]。在体内石棉小鼠模型的研究中发现，肺泡巨噬细胞吞噬石棉颗粒后，产生大量的ATP及ROS，ATP可进一步激活NLRP3炎性体，活化、释放IL-1[16]。研究结果提示吸入石棉可诱导NLRP3炎性体的激活，且ATP-NLRP3炎性体通路在石棉粉尘引起的肺部炎症、纤维化中发挥了重要的作用。

煤工尘肺病与NLRP3 炎性体

煤工尘肺病是由于吸入煤矿粉尘引起[45]，它是一种致命的肺纤维化疾病。肺泡巨噬细胞吞噬煤矿粉尘后激活NLRP3炎性体，介导 IL-1β和IL-18的释放。从不同角度对NLRP3炎性体进行研究，其基因多态性与疾病相关。JI X[46]等在我国的煤工尘肺病风险的关联研究中发现，NLRP3rs1539019多态性与煤工尘肺病显着相关，且这种关联在吸烟者中更为明显，该种多态性能会增加疾病发展的风险。这一发现可为治疗提供新方向。

结 语

综上所述，NLRP3炎性体作为炎症反应和纤维化的重要调控器，在尘肺发生发展过程中发挥着关键作用。尽管关于NLRP3炎性体与尘肺病的发病相关机制研究已经取得了很大进展，但多集中于矽肺与NLRP3炎性体活化及炎症反应，对煤工尘肺病等其他尘肺病的研究较少。此外，与NLRP3炎性体相关的焦亡激活在尘肺病中的作用未见报道，对NLRP3炎性体与尘肺病发病机制间的深入研究，可望为尘肺病提供新的治疗思路和靶点。