NLRP3炎症小体及其在支气管哮喘中的研究进展

2021-12-09韩艳奇高志丹黄翠萍

湖北科技学院学报(医学版) 2021年3期

韩艳奇，高志丹，黄翠萍

(1.湖北科技学院药学院，湖北咸宁 437100；2.湖北科技学院护理学院)

哮喘的特点是气道炎症、气道重塑以及气道高反应性，如何有效治疗哮喘中的炎症对于良好的哮喘预后至关重要。炎性小体是细胞内含有的多蛋白复合物，控制Caspase-1的活化，在炎症和先天免疫中发挥着重要作用。近年来，越来越多的证据[1-2]分析显示NLRP3炎性小体参与了哮喘等气道疾病的炎症过程。我们对炎症小体在气道炎症中的作用做一综述。

1 NLRP3结构

所有的炎性小体中，NLRP3炎症小体作为固有免疫的重要组分，主要由NLRP3、ASC和Caspase-1组成，在机体的免疫反应中以及疾病的发生发展过程中发挥着极其关键的作用。

1.1 NLRP3蛋白

NLRP3属于NLRPs亚家族。NLRPs超家族的基本功能结构域由3种序列组成，包括氨基末端的PYD结构域，中间的NHCAT核苷酸寡聚域，以及碳末端富含亮氨酸的LRR结构域。NLRP3的特点是其N端的PYD结构域与ASC蛋白的PYD结构域相互作用，从而促进pro-caspase-1募集形成炎性小体复合物，即NLRP3-ASC-Caspase1。

1.2 接头蛋白ASC

1999年，Masumoto等[3]在白血病细胞中发现了ASC分子，其分子量大小为22kDa，在多种巨噬细胞中均有较高水平的表达。在正常状态的细胞中，ASC可以作为可溶蛋白存在于细胞核以及细胞质中[4]。在细胞程序性死亡时，ASC会在细胞质中聚集成中空的斑点样，故又称其为凋亡相关斑点样蛋白。ASC是NLRP3炎性小体的接头蛋白，由PYD和CARD两部分构成，在炎性小体的激活过程中，ASC从细胞核内转移至胞浆中形成ASC斑点，并最终形成炎性小体复合物。

1.3 效应蛋白Caspase-1

Caspase-1又称IL-1β转化酶，是一种细胞内半胱氨酸蛋白酶，它能够启动或执行细胞程序，引发细胞因子诱导的炎症或炎症性受体介导的通路[5]。Caspase-1通过结合TLR激活MyD88/NF-κB介导的信号通路，诱导pro-IL-1β、pro-IL-18基因的表达和无活性的pro-IL-1β、pro-IL-18蛋白的合成，IL-1β和IL-18的前体裂解为有生物活性的细胞因子分泌到细胞外。IL-1β控制着发烧、疼痛、血管扩张以及低血压基因的表达，IL-1释放以后可以对内皮细胞作出反应，促进免疫细胞向感染或受损组织浸润。IL-18是形成干扰素γ所必须的细胞因子，它是一种介导着适应性免疫反应的协同刺激细胞因子。Caspase-1可通过炎症小体诱导的自催化模式被激活。活化的Caspase-1可以裂解细胞因子pro-IL-1β和pro-IL-18，使他们形成具有生物活性的形式，即IL-1β和IL-18。活化的caspase-1还能裂解gasdermin D(GSDMD)，使GSDMD的n端结构域在质膜上形成孔，从而触发裂解的促炎症形式的细胞死亡，称为焦亡[6-7]。细胞焦亡是一种形态学变化不同于凋亡、坏死等细胞死亡的形式，其特征是caspase-1介导的细胞肿胀和裂解，导致细胞膜完整性丧失，促使大量促炎介质释放。光镜下焦亡细胞表现为细胞肿胀膨大，并且有许多气泡状突出物。相对坏死细胞而言，细胞焦亡的肿胀程度更低；电镜下，可以清楚看到在细胞质膜破裂前，焦亡的细胞形成大量小泡，即焦亡小体，之后细胞膜上会形成孔隙，细胞膜破裂，内容物流出[8]。

2 NLRP3炎性小体的激活机制

炎性小体的激活是导致疾病发生炎症反应的主要途径之一，NLRP3炎性小体的激活不是直接识别、激活活化的简单模式完成的，而是通过感知细胞内环境紊乱的方式，为其活化做准备。相关资料[9]显示，已有多种细胞信号被提出能够激活NLRP3炎性小体，其激活方式主要由2种信号完成，第一种信号为启动信号，第二种信号为ATP，病毒RNA等刺激引发的激活信号。

2.1 NLRP3炎性小体的启动阶段

启动信号主要是促使NLRP3蛋白表达升高，此为NLRP3炎性小体活化的关键步骤，其高表达能够促进炎症小体的活化。研究显示[10]，NLRP3炎性小体的启动阶段主要依赖于不同的刺激因子，通过激活NF-κB诱导NLRP3和pro-IL-1β表达。还有相关研究[3，11]指出，炎性小体活化的起始阶段不是通过上调NLRP3基因表达途径完成的，如细菌脂多糖(LPS)激活TLR4/MyD88信号，导致NLRP3去泛素化，该过程依赖于线粒体中产生的活性氧(ROS)，进一步加快了NLRP3炎性小体活化的启动信号。因此，起始阶段对炎性小体活化的调节作用依赖于转录调控和转录后修饰两个方面。

2.2 NLRP3炎症小体的激活

考虑到NLRP3激活物的化学和结构多样性，NLRP3不太可能与它的激活物发生物理作用。相反，NLRP3很可能感知到一种共同的细胞信号，从而对NLRP3激活物做出反应，促进IL-1β和IL-18的活化，进而发挥一系列炎症作用。一些分子被认为是NLRP3炎症小体激活的触发因素，包括K+外流、Ca2+信号、活性氧(ROS)、线粒体功能障碍和溶酶体破裂。

2.2.1 溶酶体依赖途径

溶酶体既能分解外界进入细胞内的物质，也能消化内源性的大分子。颗粒物通过内吞作用激活NLRP3炎性小体，破坏溶酶体膜，导致蛋白酶家族溶酶体半胱氨酸蛋白酶组织蛋白酶B释放到胞质中。据报道[6]溶酶体组织蛋白酶B的释放对IL-1的释放是必需的，但对IL-1前体细胞的生成不是必需的，结果指出组织蛋白酶B参与了NLRP3炎症小体的激活。

2.2.2 离子通道依赖途径

研究分析[12]，细胞内K+外流以及细胞外Ca2+内流都能促使NLRP3炎性小体活化。目前认为，离子流变化使炎性小体活化的机制主要与细胞内离子浓度的变化有关，离子浓度的变化使NLRP3的构象发生了改变，使PYD结构域暴露，导致其与下游的NLRP3炎性小体效应分子发生作用，进一步激活了NLRP3炎性小体。高浓度的K+外流可阻断NLRP3炎症小体的激活，但并不能阻断AIM2(absent in melanoma 2)和NLRC4(NLR-family CARD-containing protein 4)等炎症小体的激活；研究显示[13]，抑制Ca2+信号能够阻断NLRP3炎症小体的活化，但对AIM2和NLRC4等炎症小体的活化没有影响；内质网(ER)作为细胞内钙离子的主要存储库，似乎对Ca2+信号参与的NLRP3炎症小体激活的过程至关重要[13]，因为药理抑制或敲低肌醇1，4，5-三磷酸受体(IP3R)上的小发卡RNA(shRNA)可以阻断Ca2+动员以及NLRP3炎症小体的活化[14]。

2.2.3 线粒体功能障碍与活性氧(ROS)途径

相关研究[15]得出，大量的NLRP3激动剂都能加快活性氧的产生，炎症小体活化所需的ROS是由线粒体产生的。早期的研究[16]发现，线粒体内正常负电位降低引起的线粒体功能障碍与NLRP3炎症小体的激活相关，线粒体DNA也参与了NLRP3炎症小体的活化，心脏磷脂是一种线粒体特异性磷脂，通常位于线粒体内膜，可移位至线粒体外膜，与NLRP3的LRRs结合，从而激活NLRP3炎症小体。以上机制参与炎症小体的活化仍然存有很多说法，有待进一步研究。

3 NLRP3炎症小体与哮喘气道炎症的关系

NLRP3炎症小体是先天免疫系统的重要组成部分，可以被多种物质激活，介导caspase-1激活和促炎细胞因子IL-18/IL-1β的分泌，以应对微生物感染和细胞损伤。然而，NLRP3炎性小体的异常激活已被证实与多种炎症疾病有关。越来越多的研究表明NLRP3炎性小体在哮喘的气道炎症中发挥着重要作用。

3.1 临床样本

有研究显示炎症小体在感染加重中被过度活化，在特应性哮喘患者先天免疫反应中发挥重要作用[17]。哮喘和特应性疾病的发生与先天性免疫反应中炎症小体功能下降有关，哮喘患者的先天性免疫功能受损而导致呼吸道微生物感染的概率增加。病毒和细菌都与哮喘发作有关，导致哮喘症状恶化和肺功能下降，甚至危及生命。炎症小体在感知外部损伤(如病毒和细菌)并据此作出反应中的关键作用亦日益受到重视。相关研究指出[18]甲型流感病毒感染的哮喘患者和正常志愿者支气管上皮细胞中炎性小体活化以及caspase-1、IL-6，TNFα、IL-1β等表达增强，提示支气管上皮细胞炎性小体的活化可能参与了病毒诱导的哮喘加重的发病机制。

3.2 体外研究

NLRP3炎症小体可以被多种危险信号激活，其活化后释放的白介素18、白介素1β等炎症因子引发的一系列炎症反应在哮喘气道炎症中发挥着重要的作用。研究证实[2]，NLRP3炎症小体在人类支气管上皮细胞(NHBE)原代培养的细胞中通过炎性刺激可以诱导IL-1β和NLRP3蛋白表达；PM暴露通过NLRP3依赖机制诱导活化的胸内淋巴结树突状细胞数量增加，气道上皮细胞NLRP3炎症小体活化，IL-1β表达显著增强[1]；抑制LPS刺激的骨髓源性单核细胞(BMDCs)中NLRP3炎性小体的活化可降低气道炎症反应，并阻断Th2、Th17的极化[19]。这些结果表明不同物质引起的NLRP3炎症小体活化参与了哮喘气道炎症。

3.3 体内研究

Chen等[20]通过甲苯二异氰酸酯(TDI)复制哮喘小鼠模型发现，TDI暴露引起NLRP3和caspase-1的表达增强，气道高反应性(AHR)、中性粒细胞浸润、杯状细胞上皮化增生、胶原沉积和TH2/TH17反应的增加。特异性caspase-1抑制剂VX-765、Ac-YVAD-CHO和高选择性NLRP3抑制剂MCC950有效抑制TDI诱导的NLRP3和caspase-1活化，显著减轻气道高反应性、气道炎症、气道重构、TH2/TH17反应和caspase-1、IL-1β及IL-18的蛋白表达。Ather等[21]证实，血清淀粉样蛋白A刺激C57/BL6小鼠通过TLR2信号活化NLRP3炎症小体，进一步诱导IL-1β分泌，从而参与过敏性气道炎症。暴露在臭氧环境下的C57/BL6小鼠出现线粒体功能障碍和NLRP3炎症小体激活，非线粒体活性氧机制导致NLRP3炎症小体活化在臭氧诱导气道炎症和气道高反应的发生机制中发挥关键作用[22]。七氟醚可通过抑制Th2反应和NLRP3表达改善卵清蛋白诱导的过敏性气道炎症[23]。暴露MWCNT(一种活化NLRP3炎性小体的纳米工程材料)24h，能有效诱导野生型小鼠急性肺部炎症，显著提高气道阻力，该作用在IL-1R-/-小鼠中被阻断；暴露MWCNT 28d后，与野生型小鼠相比，最初在IL-1R-/-小鼠中被阻断的炎症反应显著增强，该研究被认为是NLRP3炎性小体参与变应性哮喘的最具说服力的证据[24]。

目前皮质类固醇是治疗哮喘的一线药物，而由固有免疫系统蛋白(如TLRs和NLRP3炎性小体等蛋白)激活所驱动的中性粒细胞哮喘对皮质类固醇不敏感或耐药。研究表明[25]中性粒细胞引起的气道炎症反应以及对类固醇耐药反应都与NLRP3和IL-1β蛋白表达密切相关，NLRP3炎性小体活化导致严重的类固醇耐药性哮喘，NLRP3抑制剂MCC950改善了类固醇抵抗性哮喘的特征。NLRP3炎性小体有望为研究不同类型哮喘的发病机制提供思路。