炎性小体在炎症性疾病中的研究进展

韩明伟，马瑞雪，刘梓谕，侯诗源，吕云华，吴兴安，刘蓉蓉

炎症反应是机体在应对各种有害刺激时产生的一种保护性免疫反应，这一过程受到宿主的严密调控。较弱的炎症反应能够导致病原体的持续感染，而过度的炎症反应却能造成慢性或全身系统性炎症性疾病[1]。炎性小体的激活在炎症性疾病的发生发展中具有关键的作用，最新的研究极大地促进了我们对炎性小体的认识[2]。炎性小体是机体在感受病原体相关分子模式(Pathogen-associated Molecular Patterns，PAMP)或损伤相关分子模式(Damage-associated Molecular Patterns，DAMP)刺激后形成的一种多蛋白复合物，一般含有凋亡相关斑点样蛋白(Apoptosis-associated Speck-like Protein Containing a CARD，ASC)、caspase蛋白酶及一种NOD样受体(NOD-like receptor，NLR)家族蛋白(如NLRP3)或HIN200家族蛋白(如AIM2)[3]。炎性小体与多种自身炎症性及自身免疫性疾病的发生有关，包括神经内分泌性疾病及代谢性疾病等。模式识别受体(Pattern Recognition Receptors,PRRs)家族的部分成员是炎性小体复合物的重要组成成分，通过感受特定的刺激，相关的NLR或AIM2就能寡聚体化成为Caspase-1活化的支架结构。活化的Caspase-1将前炎症细胞因子转变为具有生物活性的IL-1β和IL-18，结果导致细胞的程序性死亡，这也是细胞炎症性死亡一种类型[4-5]。本文将对炎性小体相关研究进展作一综述。

1 炎性小体的激活

1.1 NLRP3炎性小体 NLRP3炎性小体激活的刺激因素来源最为广泛[6]，目前多数研究认为其激活机制包括细胞内钾离子的外流、线粒体活性氧的生成、NLRP3的线粒体易位、线粒体DNA或磷脂的释放、以及在溶酶体裂解后组织蛋白酶的释放进入细胞质等[7]。然而这些并不均由NLRP3的刺激因素诱导产生，因此NLRP3激活的确切机制仍然具有争议。NLRP3激活的典型例子为脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)结合于Toll-样受体4(Toll-Like Receptor 4，TLR4)[8]，这一过程通过诱导NLRP3去泛素化，并迅速导致小鼠NLRP3炎性小体的激活，且抑制去泛素化作用也能抑制人体NLRP3的激活[9]。诱导过程一旦启动，NLRP3就能对相应刺激因素做出反应，然后聚集形成NLRP3炎性小体。目前认为NLRP3的刺激物包括ATP、成孔毒素、结晶物质、核酸、真菌、细菌或病毒病原体，它们均能诱导NLRP3炎性小体的形成[10]。这些刺激物可在机体感染过程中形成，也可以在没有感染的情况下，由机体促进生成，如炎症胆固醇结晶的形成，在后文中将会详细讨论[11]。

1.2 NLRC4炎性小体 NLRC4的激活剂主要为细菌鞭毛蛋白及Ⅲ型分泌系统(Type Ⅲ Secretion System，T3SS)蛋白。NLR凋亡抑制蛋白(NLR Family of Apoptosis Inhibitory Proteins，NAIP)可以作为多种细菌蛋白配体的特定胞质受体，人NAIP基因及其同源基因鼠Naip基因及其两者编码的蛋白在固有免疫中都起着至关重要的作用。小鼠Naip基因家族分子中的Naip5、Naip6通过识别鞭毛蛋白介导NLRC4炎症小体的激活，而Naip1及Naip2分别通过T3SS针状蛋白分子和杆状蛋白分子介导NLRC4炎症小体的激活[12]。

目前在人体中只有一种NAIP蛋白已有研究报道，其只结合于T3SS扣针蛋白，表明人类细胞中NLRC4炎性小体比NLRP3炎性小体的功能更为有限[12]。NAIP蛋白一旦与其配体结合，就能寡聚化NLRC4并形成NAIP/NLRC4炎性小体，但NAIP/NLRC4炎性小体在固有免疫系统中的功能并不稳定,一方面，NAIP/NLRC4激活为机体提供了一个强大的早期检测系统，该系统能快速启动并响应以消除细菌的入侵；另一方面，不恰当的NLRC4激活可能导致潜在的严重自身免疫性疾病。因此，进一步了解细菌配体结合NAIP从而激活炎性小体的机制，并使NAIP/NLRC4在机体主动防御中发挥作用是未来研究的重点。

1.3 AIM2炎性小体 非NLR家族的AIM2也能形成包含Caspase-1的炎性小体。通过募集ASC(含有CARD的细胞凋亡相关斑点蛋白)和Caspase-1形成AIM2炎性小体，从而激活Caspase-1，并通过促进细胞因子成熟和细胞死亡引发炎症反应[13]。在机体保持稳态的情况下，AIM2分子内中的PYD和HIN结构域保持着自抑构象，并通过dsDNA与HIN的结合而解除，从而使PYD结构域游离出来并与ASC复合体相互作用[14]。然而，AIM2似乎并不能识别dsDNA的特定序列或结构，而是与至少80个碱基对的DNA链相结合使炎性小体的激活作用达到最佳[13]。目前关于AIM2炎性小体激活和调节的过程及机制仍是研究的热点。

2 炎症性疾病中炎性小体的功能和作用

越来越多的研究认识到炎症相关成分对神经系统疾病和代谢性疾病的进展具有显著的促进作用[15]，与此类疾病所伴随的错误折叠蛋白聚集以及某些代谢产物异常累积均属于内源性DAMPs，且均已被证实为NLRP3炎性小体的直接激活剂，这些激活剂在此类疾病的起始及进展中均发挥着非常重要的作用[4,14]。

2.1 阿尔兹海默症 脑内β淀粉样蛋白沉积形成斑块是阿尔兹海默症(Alzheimer′s Disease，AD)的特征性改变[16]。研究表明β淀粉样蛋白能激活小鼠的NLRP3炎性小体，导致IL-1β产生。纤维性β淀粉样蛋白通过依赖小鼠巨噬细胞释放组织蛋白酶B，诱导形成依赖于NLRP3炎性小体的Caspase-1的激活[17]。值得注意的是，在AD小鼠模型中应用组织蛋白酶B抑制剂能显著减少脑中淀粉样斑块的负荷并改善记忆障碍，提示这可能是一种潜在的通过靶向炎性小体的治疗方法[18]。另一项重要研究进一步表明，细胞表面受体CD36介导了可溶性β淀粉样蛋白的内化作用，并逐步转化为β淀粉样蛋白，并激活NLRP3炎性小体[19]。

NLRP3炎性小体和AD的进展之间存在直接关系，这已经在NLRP3及Caspase-1缺陷的APP/PS1小鼠(β淀粉样蛋白缓慢沉积的转基因小鼠)中被证实[18]。这类小鼠能显著缓解与AD相关的病理改变，包括β淀粉样蛋白分泌的减少、神经炎症及认知障碍的减弱等[20]。近期的研究也指出，通过与NLRC4炎性小体结合而增加IL-1β，Caspase-1和磷酸化tau蛋白的产生，可能与AD的病理改变和记忆障碍有关，因此针对NLRC4炎性小体的靶向治疗策略可能对AD的治疗有益[21]。近期的研究通过分析额颞叶阿尔兹海默症患者的脑皮质样本，发现其Caspase-1的裂解增多，同时伴有ASC及IL-1β水平的上升，均提示有炎性小体的激活[22]。另外通过对AD和轻度认知障碍(Mild Cognitive Impairment，MCI)患者的炎性小体复合物基因和蛋白表达的深度分析，结果显示两种不同的炎性小体NLRP3和NLRP1在AD患者中被激活，但在MCI患者中未发生激活，提示炎性小体的激活与疾病严重程度之间存在关联[23]。另外有报道指出，在AD患者的大脑中活化的Caspase-1的表达增强，进一步证实在炎性小体的激活与人类AD发生发展间存在关联[24]。总之，体内外的研究表明NLRP3炎性小体在AD的发病机理中有着重要作用，同时对于体内NLRP3-Caspase-1信号通路轴的研究也是治疗AD的一个潜在的靶点。

2.2 帕金森病 帕金森病(Parkinson′s Disease，PD)的特征性病理改变包括黑质中多巴胺生成细胞死亡以及在神经元中出现特定内含物的聚集，主要由α突触核蛋白(alpha-Synuclein，αSyn)组成[25]。细胞内的αSyn能够通过多种机制被释放到细胞外，细胞外的αSyn可以激活原代小胶质细胞和星型胶质细胞，诱导细胞因子IL-1β的产生[26]。在大鼠PD模型中，使用腺病毒在其大脑黑质区导入外源性IL-1β，结果表现出多巴胺神经元死亡以及PD进展的现象[27]。最近发现纤维αSyn及单体αSyn均能通过人原发性单核细胞TLR2信号通路引起前体IL-1β的表达，但只有纤维αSyn能通过诱导Caspase-1的激活和成熟IL-1β的产生来完全激活炎性小体[11]。

使用神经毒素1-甲基-4苯基-1,2,3,6,-四氢吡啶(MPTP)处理小鼠从而诱导黑质多巴胺能神经元丢失而诱导产生的小鼠PD模型，证明NRRP3小鼠对于PD的发生有抵抗作用，这为NLRP3炎性小体与PD之间存在某种联系提供了在体实验证据[27]。此外来源于患者样本研究结果也证实了这一点，PD患者血清中IL-1β和NLRP3水平显著升高[28]。αSyn的聚集能作为内源性危险信号从而被小胶质细胞识别，并激活NLRP3炎性小体诱导细胞凋亡。随后NLRP3募集并激活Caspase-1并促进IL-1β的成熟和分泌，分泌至细胞外的IL-1β通过引发炎症反应进一步损害多巴胺能神经元[29]。总之，目前认为巴胺生成细胞及NLRP3炎性小体能通过双向作用互相调节，因为炎性小体能损伤这些神经元，同时来源于这些神经元的多巴胺能够抑制NLRP3的功能。

2.3 动脉粥样硬化 动脉粥样硬化(Atherosclerosis，AS)是一种由于脂质代谢不平衡而导致动脉血管逐渐狭窄的慢性疾病[30]。长期以来基于小鼠模型的研究表明，IL-18可能在AS的起始及进展中发挥着至关重要的作用。相比于未发病的动脉血管，动脉粥样硬化斑块附近的IL-18和IL-18受体浓度均升高[22]。载脂蛋白E(Apolipoprotein E，ApoE)对于胆固醇的正常生理代谢十分重要。ApoE缺陷的小鼠会自发地形成AS病变，而且在这类小鼠中已经发现，IL-18水平升高会导致血管炎症并增加动脉硬化斑块的不稳定性，但IL-18缺陷小鼠可以使动脉粥样硬化病变体积减小。

在体内实验中，给小鼠腹腔注射胆固醇结晶诱导产生了急性炎症反应，并且这一反应在组织蛋白酶B、组织蛋白酶L等NLRP3炎性小体成分缺乏的小鼠中发生衰减[11]。在这一模型中，通过激活NLRP3炎性小体释放出IL-1β，同时IL-1β又反过来促进粥样斑块破裂[23]。NLRP3炎性小体主要在人颈动脉粥样硬化斑块内的巨噬细胞和泡沫细胞中表达。相比于正常对照，来自于人AS样本斑块中IL-18及IL-1β高表达，并且与疾病严重程度呈正相关。关于IL-18及IL-1β对动脉粥样硬化形成的作用有待进一步的研究。

2.4 2型糖尿病 2型糖尿病(Type 2 Diabetes Mellitus，T2DM)是威胁全球公众健康的主要因素之一。目前已经发现，IL-1β能通过促进胰岛素抵抗作用，导致胰岛β细胞功能损害与细胞凋亡[31]。在细胞培养中，IL-1β通过诱导胰岛素受体底物-1产生JNK依赖的丝氨酸磷酸化，抑制胰岛素的敏感性，导致胰岛素靶向细胞中胰岛素诱导的PI3K-Akt信号通路的中断[11,31]。同时，IL-1β可以诱导TNF-α的表达，TNF-α可以独立破坏胰岛素的信号转导。此外，临床试验报道IL-1受体的拮抗剂(IL-1RA)或者抗IL-1β的中和抗体能够改善患者血糖控制水平及β细胞功能[32]。有研究对232例葡萄糖调节受损(Impaired Glucose Regulation，IGR)及T2DM患者的血清样本进行研究，结果显示与正常对照相比，IGR或者T2DM患者的血清IL-18水平显著升高。研究数据还显示通过阻断IL-1β能减缓T2D患者的疲劳[32]。不过应当用纳入更多患者样本的实验来进一步证实这一观点，即在T2D患者中可以应用靶向IL-1β的治疗方法。此外，最近的研究还发现，用抑制剂阻滞大麻素1型受体(Cannabinoid-1 Receptor，CB1R)能延迟T2DM在Zucker糖尿病肥胖大鼠中的进展，表明CB1R也是T2DM治疗的一个潜在的靶点[33]。

3 靶向炎性小体的治疗方法

研究靶向抑制炎性小体激活的小分子化合物为多种炎症性及代谢性疾病的治疗提供了更加广阔的前景。小分子抑制剂格列本脲常用于治疗T2DM，它是第一种被鉴定出能抑制NLRP3的化合物[34]。尽管已知格列本脲是在P2X7受体的下游以及NLRP3的上游发挥作用，但其发挥作用的机制仍然没有阐明[34]。最近发现的一组NLRP3的抑制剂能够靶向作用于P2X7信号通路，其属于核苷类逆转录酶抑制剂(Nucleoside Reverse Transcriptase Inhibitors，NRTIs)，主要用于阻止逆转录病毒的复制[28]。研究已经发现在动物模型中NRTIs能有效对抗数种炎症性及自身免疫性疾病[28]。最新的研究证明非甾体类抗炎药，例如氟芬那酸和甲芬那酸能够抑制NLRP3炎性小体的激活，并且证实其在AD动物模型中展示出神经保护的作用。因此，该类药物也可能是PD患者的潜在治疗药物。在LPS和6-羟多巴胺诱导的PD模型中，可以通过使用Caspase-1抑制剂抑制NLRP3/Caspase-1/IL-1β轴的活性从而保护多巴胺能神经元。

其他个别靶向作用于NLRP1、NLRC4或AIM2的小分子抑制物也已经有在体及离体实验研究，不过它们在体内的疗效仍待进一步进行评估。研究表明二肽基肽酶9能抑制人NLRP1炎性小体的形成，并且这一过程需要CARD8的参与。NLRC4炎性小体的过度激活可以导致婴儿巨噬细胞活化综合征(Macrophage Activation Syndrome，MAS)以及血清中IL-18水平的显著增高，有研究针对难治性MAS患者给予实验性IL-18抑制剂治疗，结果显示患者的病情持续性改善。对于AIM2炎性小体，目前发现在人巨细胞病毒感染过程中所释放的病毒蛋白pUL83能与AIM2相互作用，从而抑制AIM2的激活。同样，单纯疱疹病毒1型的包膜蛋白VP22能抑制AIM2炎性小体的寡聚化，阻碍AIM2的活化，然而这些实验研究结果运用到临床治疗仍然有很长的路要走。

另一篇研究发现化合物MCC950是一种高度选择性NLRP3炎性小体抑制剂。MCC950能在纳摩尔浓度下同时阻断经典及非经典NLRP3依赖的炎性小体的激活，但其对NLRC4、NLRP1及AIM2炎性小体没有作用[29]。在体内实验中，已经发现MCC950能够减少IL-1β的产生，同时降低AD动物模型疾病的严重程度，进一步证实了前文所讨论的AD的加重与NLRP3炎性小体的作用密切相关[20]。尽管MCC950对NLRP3抑制作用的机制还没有完全了解，但许多针对MCC950在体及离体的药物代谢动力学的评估已经开始实施，展示出其在治疗方面的显著作用[35]。另有研究指出Ⅰ型干扰素能抑制炎性小体的激活作用，但具体机制还不清楚[11]。研究表明，IFN刺激基因的产物胆固醇25α-羟化酶(Ch25h)，能同时抑制IL-1β、NLRP3、NLRC4及AIM2炎性小体的激活，表明Ch25h对于不同的炎性小体均有广泛的抑制活性[36]。更为重要的是，Ch25h的底物25-羟基胆固醇能够抑制NLRP3炎性小体的激活以及IL-1β的产生[37]。因此，开发靶向作用于炎性小体的治疗方法为多种炎症性疾病的有效治疗提供了可能。

4 总结与展望

对于炎性小体激活方式以及与疾病关系的进一步认识也带来了新的问题，如对翻译修饰后的炎性小体成分靶向作用能否调节炎性小体的激活,更为重要的是，我们需要更好的认识炎性小体激活带来的利和弊之间的平衡性。迄今为止，靶向NLRP3炎性小体的研究已经取得了一定的进展。已经证明一些外源性化合物可以通过不同的机制抑制炎性小体的激活，然而其靶向治疗的效果仍然比较有限。针对其他炎性小体的靶向抑制剂正在研究当中，未来对于多种炎性小体的联合作用可能是重要的研究方向。随着对于炎性小体激活以及疾病发病机制认识的逐渐加深，探寻炎症性疾病新型靶向治疗方法也将逐步加强。