NLRP3炎症小体与支气管哮喘关系研究进展①

徐万超 虞坚尔 薛征（上海中医药大学附属市中医医院，上海200071）

支气管哮喘（bronchial asthma，BA）简称哮喘，是一种以气道慢性炎症为特征的异质性疾病，伴随气道高反应性与气道重塑，临床表现为呼吸困难、气短、胸闷或咳嗽等症状［1］。炎症小体是一种细胞内的蛋白复合物，在机体受到刺激后可出现在免疫及非免疫细胞中，其中NOD样受体（NOD-like-receptor，NLR）的炎症小体在人体的固有免疫中发挥重要作用［2-3］。根据炎症小体的氨基末端包含一个吡啶结构域（pyridine domain，PYD）或一个半胱天冬酶激活和募集结构域（caspase activation and recruitment domain，CARD），NLR家族有NLRP和NLRC等，由NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）组成的炎症小体被称为NLRP3炎症小体［4］。目前，NLRP3炎症小体在哮喘中研究较为广泛，本文简述了NLRP3炎症小体的结构、激活方式、下游因子及信号通路转导，并着重阐述其参与哮喘发病的相关机制。

1 NLRP3炎症小体结构、激活方式及下游因子

NLRP3炎症小体由3部分构成，即NLRP3、凋亡相关点样蛋白（apoptosis associated speck-like protein containing a CARD domain，ASC）、前半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1（pro-caspase-1）。NLRP3转录基因cias1位于人类1q44号染色体上［5］，ASC由N端的热蛋白结构域和C端的caspase募集结构域（CARD）组成，N端可以与NLRP3受体蛋白相结合，C端可募集两个pro-caspase-1［6］。NLRP3炎症小体可以被模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）激活，包括病原相关分子模式（pathogen associated molecular pattern，PAMP）和危险相关分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP）两 种 模式［4］。经典的途径下，NLRP3在激酶NEK7（NIMArelated kinase 7）的作用下可导致其复合物的分离及caspase-1自动被激活，而后在NF-κB的参与下，proIL-1β和proIL-18被切割并激活；在非经典途径下则需caspase-4、5、11，最终生成具有生物活性的IL-1β与IL-18［7］。近期研究发现两个激活途径下GSDMD（gasdermin D）蛋白均具有重要作用，GSDMD可以导致细胞膜穿孔，使IL-1β与IL-18从细胞质中释放出去，其本身也是细胞焦亡（pyroptosis）的关键蛋白［8-10］。

IL-1β和IL-18是NLRP3下游的主要促炎因子，均属于IL-1家族亚型，其亚型还包括IL-1α、IL-33等。IL-1β可以诱导辅助性T细胞（T helper cell，Th）2、Th17细胞分化，分泌炎症因子导致气道炎症［11］，同时IL-1β参与了环氧酶（cyclo-oxygen-ase，COX）2的活化并提高了前列腺素（prostaglandin，PG）E2和PGI2的水平，IL-1β在哮喘中还能调控核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）通路，并进一步上调趋化因子、黏附分子、补体系统等的表达［12-13］。IL-1β还可以调节胆碱能受体，激活嗜酸性粒细胞使其释放嗜酸性粒细胞主要碱性蛋白（eosinophil major basic protein，MBP）来拮抗毒蕈碱型受体（muscarinic receptor，M）2，从而导致乙酰胆碱增多，使M3受体活化且气道平滑肌收缩，气道内黏液分泌增加［14］。而目前对IL-18引起哮喘的相关机制仍待研究，有研究显示IL-18可以增加OVA致敏小鼠的肺组织和肺泡灌洗液中肥大细胞数量，以此证明哮喘发病可能与肥大细胞及其IL-18相关通路有关［15-16］。临床观察发现，重度哮喘患者的肺组织中IL-18和IL-18受体表达较轻度哮喘明显升高；哮喘患者血浆中IL-18较健康人群也有所上升，且不同炎症细胞中IL-18的表达也各不相同，IL-18/IL-18结合蛋白/IL-18受体的比例平衡可能是哮喘发病的内在机制，通过对IL-18受体的阻断可能会成为治疗哮喘的新靶点［17］。

2 NLRP3炎症小体在支气管哮喘中的作用

2.1 NLRP3炎症小体介导气道炎症哮喘是多种细胞与细胞组分共同参与的慢性气道炎症，NLRP3炎症小体可识别多种物质，在不同细胞及组分中均有重要作用，其不仅可以通过下游炎症因子诱发气道炎症，还可协同其他信号通路，进一步加重气道炎症。

2.1.1 介导嗜酸性粒细胞性哮喘目前，嗜酸性粒细胞导致的过敏性哮喘在临床上最为常见，表现出Th2/Th1的免疫失衡。2011年研究人员运用无佐剂的卵蛋白（ovalbumin，OVA）在小鼠体内造成气道慢性炎症，使小鼠肺中嗜酸性粒细胞聚集且IL-4、IL-5等炎症因子过表达，而缺少NLRP3炎症小体的模型小鼠肺部炎症反应明显减少，进而证明NLRP3炎症小体及IL-1β是诱导肺部Th2型过敏反应的关键因素［18］。OVA+氢氧化铝腹腔致敏是目前经典的哮喘造模方式，有关研究证明NLRP3炎症小体则是此类铝佐剂的作用靶点［19］，腹腔注射OVA+氢氧化铝可以促进哮喘小鼠腹膜巨噬细胞内NLRP3激活并释放IL-1β，同时促进Th2炎症反应，此方法也广泛应用于人类疫苗的制备［20］。多项研究也证明，在鼻病毒、尘螨、纳米颗粒等物质引发的过敏性哮喘的气道炎症中，NLRP3炎症小体发挥了重要作用［21-24］，近年来已成为过敏性哮喘及其他慢性气道炎症性疾病的研究热点。

2.1.2 介导中性粒细胞性哮喘嗜中性粒细胞哮喘有别于嗜酸性粒细胞哮喘，主要以哮喘患者痰液中性粒细胞增多为特点，可由臭氧、香烟烟雾、职业粉尘、内毒素、微生物感染等诱发，临床症状多表现中、重度哮喘，部分患者对类固醇类产生耐受［25］。NLRP3炎症小体与中性粒细胞哮喘密切相关，其下游的IL-1β被认为是中性粒细胞哮喘的关键因子，IL-1β可以激活下游Th17和Th1，分泌IL-17与干扰素γ（interferon-γ，INF-γ），进而加重气道炎症［26］。临床研究对85名哮喘患者痰液进行检测，发现NLRP3、caspase-1、4、5和IL-1β mRNA指标较正常组均显著升高［27］；在小鼠模型中，分别运用NLRP3、caspase-1、IL-β抑制剂均可减轻中性粒细胞小鼠的气道炎症及气道高反应，而给予哮喘小鼠外源性的IL-1β则加重对类固醇的耐受，但NLRP3炎症小体导致类固醇耐受的具体机制尚待研究，通过NLRP3靶点治疗类固醇耐受型的重症哮喘也在研究当中［28-29］。同时研究表明，使用如阿奇霉素等大环内酯类药物的干预可以减轻该类型的气道炎症，并提高哮喘患者的生活质量［30］。

2.1.3 线粒体活性氧通路诱发哮喘线粒体是人体重要的细胞器，在细胞的能量代谢、凋亡、钙离子动态平衡等方面均有重要作用，研究显示线粒体的功能障碍及活性氧（reactive oxygen species，ROS）的释放与哮喘发病相关，动物实验中运用线粒体ROS抑制剂可显著减少哮喘小鼠炎症细胞和气道上皮中NLRP3炎症小体的激活及NF-κB的转录［31］。使用臭氧诱导慢性气道炎症的小鼠，其NLRP3炎症小体被激活，同时支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）中炎症细胞及IL-1β等炎症因子表达增多，并出现气道重塑、肺功能下降等情况，通过抑制线粒体中钙调素依赖性蛋白激酶（Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase，CaMK）Ⅱ降低NLRP3炎性小体的表达，从而改善慢性气道炎症［32-33］。

2.1.4 调控巨噬细胞极化巨噬细胞在体内具有吞噬、分泌免疫因子、抗原提呈等作用，在不同炎症环境下可极化为M1、M2两型，M1可以针对侵入的病原体产生炎症因子，M2型则可在IL-4、IL-13等刺激下极化，进而缓解炎症状态［34］。研究表明，NLRP3可以通过上调IL-4的表达，进而促进M2巨噬细胞的极化，使M1/M2比值降低，而NLRP3沉默可使M1极化，调节气道炎症［35］。在流感病毒引发的哮喘中，被激活的NLRP3炎症小体可以使肺中的巨噬细胞产生IL-33，而后又激活其他炎症细胞产生IL-13，加重哮喘的症状［36］。

2.1.5 刺激DC成熟树突状细胞（dendritic cell，DC）是目前已知的功能最强的抗原呈递细胞，DC的成熟需要NLRP3炎症小体释放IL-1β诱导，在血清淀粉样蛋白A（serum amyloid A，SAA）诱导的肺部慢性过敏性炎症中，SAA会激活Toll样受体2（toll-like receptors 2，TLR2）、髓样分化因子（myeloid differentiation factor 88，MyD88）、NLRP3等炎症通路，释放下游IL-1α、IL-1β、IL-6等因子，最终使DC成熟［37］。同时，OVA致敏的小鼠在DC中可激活三磷酸腺苷（adenosine-triphosphate，ATP）/嘌呤受体P2X7轴，进而激活NLRP3炎症小体，并增加NLRP3、ASC、caspase-1的表达，促进Th2与Th17的分化，并诱导DC中高迁移 率 族 蛋 白B1（high mobility group box1 protein，HMGB1）的表达与释放，加重哮喘的反应；在抑制NLRP3后HMGB1表达减少，同时哮喘症状得到缓解［38］。

2.2 NLRP3炎症小体与气道重塑气道重塑是由气道慢性炎症导致的气道结构及功能持续发生改变，表现为气道上皮脱落、杯状细胞增生、基底膜增厚及上皮细胞-间充质转化（EMT），并且出现间质组织纤维化、平滑肌细胞增生等现象［39-40］。NLPR3炎症小体主要依靠NLRP3/IL-1β轴介导气道重塑，气道平滑肌可以产生IL-1β，并通过NF-κB、p42/p4 MAPK、p38MAPK和JNK等多条炎症信号通路促进金属基质蛋白酶9（MMP-9）导致气道重塑［41］；由气道上皮细胞分泌的IL-1β可以协同TGF-β1，降低E-cadherin并增强Tenascin C表达，从而加强EMT促进气道重塑［42］。同时有研究证明IL-β基因敲除小鼠在香烟烟雾引发的气道重塑模型中，其临床症状较对照组小鼠明显减轻［43］，其相关机制仍需探索。

2.3 NLRP3炎症小体诱发气道上皮细胞焦亡近年来，细胞焦亡成为研究热点，当细胞受到外界微生物或多种情况的刺激后，可通过NOD等细胞通路使caspase-1表达，导致细胞质中GSDM蛋白家族之一的GSDMD分解，分解后的氨基末端转移到细胞膜上形成有活性孔隙，令IL-1β、IL-18分泌，伴随着空隙的不断增加，水分子等物质进入细胞内进而引起细胞的肿胀及裂解死亡［8］。哮喘气道上皮焦亡的过程目前存在一定的争议，还没有证据证明GSDMD在哮喘小鼠气道上皮细胞大量表达，但近期有研究证明GSDMB可以引起哮喘疾病中人气道上皮的焦亡。GSDMB位于人17q21号染色体上，早先发现其与哮喘有极强的遗传关联性，但具体功能未知。在研究哮喘与细胞焦亡时发现，哮喘患者气道上皮细胞中GSDMB高度表达，caspase-1可以裂解GSDMB蛋白，使其释放具有活性的N末端片段，令气道上皮细胞膜表面形成孔隙，而rs11078928可以通过删除外显子6，进而影响N端氨基酸的转录，使GSDMB蛋白失去功能并终止细胞焦亡［44］。小鼠本身不具备GSDMB基因，而转基因GSDMB的小鼠在没有明显气道炎症的情况下出现了气道高反应性、气道重塑等表现［45］，提示哮喘小鼠模型的气道上皮细胞焦亡尚需进一步研究。

3 小结和展望

NLRP3炎症小体与哮喘气道炎症细胞及相关信号通路的激活密切相关，同时还可以介导气道重塑，并在气道上皮细胞焦亡中起重要作用，但对NLRP3炎症小体与哮喘的关系研究尚需进一步完善，如：①NLRP3炎症小体可作为哮喘伴肥胖患者的潜在治疗靶点，但NLPR3与能量代谢相关通路的关联性仍待探究［46-47］；②小鼠气道上皮细胞焦亡的存在验证及细胞焦亡的发生是否与NLRP3炎症小体有相关性；③气道上皮细胞焦亡与气道重塑之间关联性等问题。因此，通过深入研究NLRP3炎症小体及下游的炎症反应，可以进一步揭示哮喘的发病机制，以期为临床治疗哮喘提供更好的参考。