NLRP3炎症小体在心血管疾病中的研究进展

2022-11-14刘铂王瑞莹周嘉惠孙晓波孙桂波于蕾哈尔滨商业大学药学院药物工程技术研究中心哈尔滨50076中国医学科学院药用植物研究所北京0093中国医学科学院基于经典名方的新药发现重点实验室北京0093教育部中药生物活性物质与资源利用重点实验室北京0093中药天然产物创新药物研发北京市重点实验室北京0093中草药物质基础与资源利用重点实验室北京0093

中南药学 2022年6期

关键词：心肌细胞纤维化硬化

刘铂，王瑞莹，周嘉惠，孙晓波，3，4，5，6，孙桂波，3，4，5，6*，于蕾*（.哈尔滨商业大学药学院药物工程技术研究中心，哈尔滨 50076；.中国医学科学院药用植物研究所，北京 0093；3.中国医学科学院基于经典名方的新药发现重点实验室，北京 0093；4.教育部中药生物活性物质与资源利用重点实验室，北京 0093；5.中药（天然产物）创新药物研发北京市重点实验室，北京 0093；6.中草药物质基础与资源利用重点实验室，北京 0093）

炎症在心血管疾病（cardiovascular disease，CVDS）发生发展中起着重要作用。常见的致病性、代谢性或缺血性致病因子诱发炎性细胞因子有白介素-1（IL-1）、白介素-6（IL-6）、白介素-1

（IL-1

）、白介素-18（IL-18）和肿瘤坏死因子-

（TNF-

）。临床研究表明抗炎治疗可降低心血管事件的发生率。因此，研究心血管疾病中抗炎治疗可能是未来研究的重点。越来越多的研究表明核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domainlike receptor protein 3，NLRP3）炎症小体与心血管疾病的发生发展密切相关。NLRP3 通过活化天冬氨酸蛋白水解酶-1（Caspase-1）和焦亡蛋白（GSDMD），释放大量炎症因子并且开启一种新的、可控的、有序的细胞死亡模式——细胞焦亡，加速心血管疾病的发生发展。NLRP3 作为研究比较深入的炎症小体，参与多种心血管疾病的过程。本文就NLRP3 参与心血管疾病的研究进展进行综述。

1 NLRP3 的介绍

1.1 NLRP3 的结构

炎症小体由模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）形成的多蛋白复合物，Toll样受体、核苷酸结合寡聚化结构域样受体（nucleotide-bindingoligomerization domain-like receptor，NLR）、黑色素瘤缺乏因子2 受体都属于模式识别受体。NLR 由亮氨酸重复区域、核苷酸结合和寡聚化结构域、氨基末端热蛋白结构域3 个结构域构成。NLR 家族中的NLRP3 最受关注。NLRP3 受体蛋白、凋亡相关斑点状蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）和Caspase-1 前体蛋白（pro-Caspase-1）组成了经典的NLRP3 炎症小体。NLRP3 炎症小体可识别许多危险信号，参与多种疾病病理过程中的炎症反应。

1.2 NLRP3 的激活

NLRP3 炎症小体的激活需要启动和激活两个信号。启动：在病原体相关分子模式（PAMPs）或损伤相关分子模式（DAMPs）的刺激下，Toll样受体激活NF-

B 通路，增加NLRP3、IL-1

前体蛋白（Pro-IL-1

）的表达。激活：继续在PAMPs、DAMPs 和其他危险信号的刺激下，NLRP3、ASC 和pro-Caspase-1 三者进行组装，形成具有活性的NLRP3 炎症小体，然后释放出活化的Caspase-1。活化的Caspase-1 对无活性的促炎细胞因子 pro-IL-1

、IL-18 前体蛋白（pro-IL-18）进行切割加工，使其转化为成熟的促炎细胞因子IL-1

、IL-18。此外，活化的Caspase-1 还作用于焦亡蛋白，使其产生具有打孔特性的N 端结构域，N 端结构域与细胞磷脂双分子层结合，使细胞膜形成蜂窝状的孔洞，释放大量的促炎细胞因子IL-1

、IL-18，从而产生炎症风暴，介导细胞焦亡。

2 NLRP3 与心血管疾病

NLRP3 广泛表达于髓系细胞，如树突细胞、单核/巨噬细胞和中性粒细胞。此外，树突细胞、单核/巨噬细胞和中性粒细胞及一些其他免疫细胞常常在心脏发挥作用，而巨噬细胞占免疫细胞的70%以上。其他非免疫细胞，如内皮细胞和心脏成纤维细胞也属于心脏天然免疫的重要参与者。这些细胞和心肌细胞中的NLRP3 炎症小体激活启动炎症反应，在动脉粥样硬化、心肌缺血再灌注损伤（MIRI）和不同病因的心力衰竭（HF）中起重要作用。

2.1 NLRP3 与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是MIRI 的主要原因，是一种血管病理过程，发病机制复杂，主要由遗传、环境和全身因素共同作用。动脉粥样硬化主要特征包括内皮损伤，脂蛋白聚集，单核细胞黏附、迁移及分化为巨噬细胞和泡沫细胞，平滑肌细胞募集和增殖。诱发动脉粥样硬化的因素包括吸烟，高脂肪饮食，高血压和缺乏运动引起的超重或肥胖。诸多研究表明，NLRP3 炎症小体在动脉粥样硬化的病理过程中具有重要作用。

内皮损伤或内膜完整性丧失是动脉粥样硬化的第一步。吸烟是动脉粥样硬化的主要危险因素之一。尼古丁增加NLRP3 和ASC 的表达，并触发主动脉内皮细胞中的NLRP3 炎性小体激活和内皮细胞焦亡。污染是NLRP3 炎性小体激活介导的内皮损伤的另一个重要原因。丙烯醛和镉这两种常见的环境污染物同样会提高NLRP3炎性小体的表达，导致内皮损伤。据报道NLRP3 炎性小体与代谢病引起的内皮损伤有关，包括氧化低密度脂蛋白（Ox-LDL）和胆固醇等脂质的异常吸收。Ox-LDL 以剂量依赖的方式上调血管内皮细胞NLRP3、Caspase-1 和IL-1

的蛋白水平，介导内皮细胞焦亡。进一步的研究表明，Ox-LDL 通过改善线粒体功能和阻断NF-

B 通路来抑制甲基胞嘧啶双加氧酶2（TET2）的活性，从而显著降低Caspase-1、NLRP3 和IL-1

的表达。总而言之，众多的研究表明在MIRI 的发病机制中NLRP3 炎症小体发挥着关键作用，因此NLRP3-Caspase-1 信号通路轴的研究可作为治疗动脉粥样硬化引起MIRI 的一个潜在的靶点。

2.2 NLRP3 与心肌缺血再灌注损伤

大多数MIRI 病例涉及继发性阻塞性动脉粥样硬化血管疾病的血液供应减少。虽然早期再灌注可减轻心脏损伤，但晚期再灌注会激活NLRP3炎症小体，加重MIRI。研究表明抑制NLRP3 炎症小体可明显减轻心肌缺血再灌注损伤，减小心肌梗死面积。Caspase-1 抑制剂VX-765 对大鼠急性心肌梗死有很强的保护作用，VX-765 可使大鼠心肌梗死面积缩小至（29.2±4.9）%，而未用VX-765 的心肌梗死面积为（60.3±3.8）%。此外，VX-765 可降低血清中IL-1 水平，保持线粒体复合体Ⅰ酶的活性，并抑制心脏乳酸脱氢酶的释放。

2.2.1 心脏NLRP3 炎症小体的初始激活位点成纤维细胞心脏纤维化是许多心脏病理生理状况的一个共同特征，细胞焦亡和炎症是心脏成纤维化的重要过程之一。心脏成纤维细胞是MIRI 中炎症激活的最初部位，其中NLRP3 炎症小体的激活被认为是MIRI 的关键。在缺氧复氧刺激下心脏成纤维细胞会分泌大量IL-1

，诱导NLRP3炎症小体活化，这种活化作用由心脏成纤维细胞K外流和活性氧（ROS）生成所介导。Sandanger等研究表明，在大鼠非再灌注模型中，左心室心脏成纤维细胞中的NLRP3、IL-1

和IL-18 表达升高。心脏中主要细胞群为成纤维细胞群，可参与调节心肌纤维化、修复和重构的过程。2.2.2 NLRP3 炎症介导的心肌缺血再灌注损伤的关键分子TXNIP NLRP3 炎性小体介导的MIRI的关键分子是硫氧还蛋白（TRX）相互作用蛋白（TXNIP），在MIRI 过程中，心肌组织中TXNIP水平升高；免疫沉淀实验显示TXNIP 与NLRP3 具有直接相互作用关系，

TXNIP

基因敲除降低了小鼠心肌组织中NLRP3 的表达和梗死面积。研究表明，MIRI 可刺激心肌微血管内皮细胞（CMECs）的NLRP3 炎症体激活，但对心肌细胞无明显影响；

TXNIP

基因敲除可抑制CMECs 的NLRP3 炎症体激活；ROS 刺激可激活TXNIP 介导的NLRP3 炎症小体，而这种作用可被ROS 清除剂EUK134.45 抑制。激活蛋白C（APC）通过抑制凋亡、调控NLRP3 炎症，对MIRI 发挥心脏保护作用。体内研究表明MIRI 经APC 治疗梗死范围显著缩小，NLRP3 炎症小体的表达水平降低。心脏成纤维细胞、心肌细胞和巨噬细胞的体外实验表明，APC通过蛋白酶激活受体1 和雷帕霉素复合物靶点1 信号通路全面抑制NLRP3 炎性小体的激活。由此可见，NLRP3 炎症小体的作用机制复杂多样，在不同细胞中有不同的机制表现。

2.3 NLRP3 与充血性心力衰竭

HF 通常指充血性心力衰竭，是许多心脏疾病的最后阶段。多种因素引起的心肌病和心肌炎是HF 的特殊病因。NLRP3 炎症小体在HF 的发生、发展和预后中起重要作用。一项涉及54名HF 患者的临床试验报道显示，运动组与对照组相比，ASC 甲基化增加，血浆IL-1

和ASC mRNA 水平降低，提示运动通过对ASC 的表观遗传调节改善HF。此外，心脏重构和纤维化是HF 发生的主要机制，NLRP3 炎性小体在其中同样起着至关重要的作用。2.3.1 压力负荷引起的心力衰竭钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ

（CaMK Ⅱ

）在HF 发病机制中起重要作用。在HF 期间，NLRP3 炎症小体激活CaMK Ⅱ

，这种CaMK Ⅱ

激活主要发生在血管紧张素Ⅱ（Ang Ⅱ）输注的早期，巨噬细胞明显募集之前。

NLRP3

基因敲除或MCC950介导的NLRP3 炎症小体抑制作用可减轻心脏缺血引起的炎症，主要表现为Ang Ⅱ输注过程中巨噬细胞聚集和纤维化减少，这与CaMK Ⅱ

缺失的效果相似。另一项研究发现，心肌细胞中CaMK Ⅱ

缺失可减轻压力负荷引起的CD68、IL-1

和IL-18 等细胞因子的累积。从心肌细胞特异性CaMK Ⅱ

缺失和主动脉缩窄（TAC）的小鼠分离的心肌细胞显示NLRP3 水平、Caspase-1 活性和IL-18 活性降低，表明压力负荷时CaMK Ⅱ

诱导了NLRP3 炎症小体的激活。有报道称TET2 的突变可促进HF，TET2缺乏可增加IL-1

的表达，诱导NLRP3 激活加速HF，而MCC950 治疗可显著抑制HF 的发生。2.3.2 心肌病和心肌炎引起的心力衰竭心肌病和心肌炎可诱发HF，而NLRP3 炎症体参与其中。由于糖尿病的高发病率特点，糖尿病性心肌病的患者正在迅速增加。NLRP3 炎症体可介导果糖对大鼠心肌细胞的细胞毒作用。此外，果糖处理的H9c2 细胞中CD36、TLR4、TLR6、NLRP3、IL-1

、Smad 2/3 磷酸化和Smad 4 表达增加，而

NLRP3

基因敲除则显著减轻果糖所致的大鼠心脏炎症和纤维化。H3 松弛素是一种活性肽，在高葡萄糖条件下能显著抑制心肌细胞中的 NLRP3 炎症激活和胶原蛋白合成。此外，ROS 的过量生产和配体门控离子通道7 在NLRP3介导的高糖诱导的纤维化过程中起着至关重要的作用。利用糖尿病心肌病动物模型进行的基因敲除实验表明，非编码RNA 如miRNA-30d 和lncRNA Kcnq1ot1，分别在介导NLRP3 激活和细胞焦亡中起重要作用。多种病原体，包括细菌、病毒和寄生虫会导致心脏病。柯萨奇病毒B3（CVB3）引起的心肌炎是最常见和最重要的感染性心脏病。NLRP3 炎症小体与CVB3 诱导的心肌炎密切相关。IL-1

、Caspase-1和ASC 在感染后的前7 d 持续升高。而使用抑制剂抑制Caspase-1 或使用中和抗体阻断IL-1

/caspase-1途径会降低心肌酶活性，改善心功能，提高存活率。在HF 的发展过程中，体内的NLRP3 炎症小体通过上调Caspase-1、IL-1

及IL-18 等多种炎症因子，诱发一系列炎症反应，促使离子通道功能异常，进而诱发心律失常。提示沉默

NLRP3

基因，可降低NLRP3 的表达从而达到治疗心血管疾病的目的，但还需要进一步的研究证实。

3 以NLRP3 炎症小体为靶点治疗心血管疾病的药物

尽管有各种治疗方案可供选择，但心血管疾病仍是一个严重的健康问题。目前心血管疾病治疗的一个新方向便是NLRP3 炎症小体。针对NLRP3 炎症小体的心血管疾病治疗药物可分为化学药物和天然药物两类。

3.1 化学药物

别嘌呤醇是一种黄嘌呤氧化酶抑制剂，主要用于痛风治疗，它通过抑制NLRP3 炎症小体的激活，减少心脏炎症和纤维化，从而改善果糖诱导的代谢综合征的心脏损伤。秋水仙碱通过调节NLRP3 炎症小体，显著减轻心脏炎症，提高存活率，并防止心肌梗死发展为慢性心力衰竭。二甲双胍和恩格列净这两种抗糖尿病药物均可以抑制NLRP3 炎症小体，减缓糖尿病心肌病的发展，但机制不同，二甲双胍促进AMPK磷酸化，而恩格列净抑制sGC-cGMP-PKG 通路。吡非尼酮作为第一个用于治疗特发性肺纤维化的小分子药物，通过抑制NLRP3 炎症小体的形成来减少心肌纤维化和心室重构。代谢调节剂他汀类药物靶向调节OxLDL 诱导的内皮细胞NLRP3 炎症小体激活，对心脏具有保护作用。MCC 950 是一种NLRP3 炎症抑制剂，能特异性阻断NLRP3 炎症小体的激活，而不影响其他炎症小体，不仅在研究中得到了广泛的应用，而且具有潜在的临床应用价值。这些药物都能靶向作用于NLRP3 炎症小体，通过改善新陈代谢、减轻炎症，起到保护心血管系统的作用。