NLRP3炎性小体在中枢神经系统疾病中的作用研究进展

张鹏飞，于春泽，于建云，杨力*

昆明医科大学 1.人体解剖学与组织胚胎学系，2.法医学院，昆明 650500

炎症是具有血管系统的活体组织对损伤因子所发生的防御反应。神经炎症是神经系统疾病发病机制的重要组成部分，过度的神经炎症会导致神经元死亡、加剧神经系统疾病的发展，抑制神经炎症有助于神经元的存活，改善神经系统疾病的症状和预后。大量研究证实，促炎因子白介素-1β（IL-1β）、白介素-18（IL-18）和肿瘤坏死因子TNF-α在炎症反应中起关键作用。最近研究发现NLRP3炎性小体可介导IL-1β和IL-18释放，对引发炎性反应部位的细胞焦亡至关重要。目前对神经系统疾病与炎性因子的研究较多，但对神经系统疾病与NLRP3炎性小体之间关系的研究还在起步阶段，探明它们间的具体关系和作用将对阐明中枢神经系统疾病的发病机制和提高治疗效果具有重要意义。本文对NLRP3炎性小体在常见神经系统疾病中的作用进行综述。

1 炎性小体的结构与功能

2002年，炎性小体（inflammasome）首次被描述为激活caspase-1的多蛋白复合物。当时观察到它们在单核细胞和巨噬细胞中高度表达。之后发现，炎性小体也在脑内皮细胞、肺内皮细胞和肠上皮细胞中广泛表达。炎性小体通常由传感器、适配器和效应器组成。炎性小体以其传感器命名，至今已鉴定出多种炎性小体。炎性小体包括核苷酸结合寡聚结构域样受体家族（nucleotide binding oligomeric domain like receptor，NLRs）、黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）和Pyrin炎症小体。作为炎性小体主要代表的NLRs包含有多个亚型，其中，NLRP 1由1个pyrin结构域（pyrin domaincontaining 1，PYD-containing 1）组成；NLRP 3由3个结构域（pyrin domain-containing 1，PYD-containing 3）组成；NAIP是NLR家族凋亡抑制蛋白；NLRC 4由4个胱天蛋白酶激活和募集结构域（caspase activation and recruitment domain-containing 4，CARD-containing 4）组成；此外，还有NLRP 2，NLRP 6，NLRP7，NLRP9和NLRP12等NLR家族蛋白[1]。

正常情况下，炎性小体可通过其依赖的细胞因子促进损伤细胞的有效清除和组织修复，从而促进组织再生；同时，炎性小体可协调宿主对入侵病原体的免疫反应和宿主衍生的危险信号；炎性小体还能维持体内促炎和抑炎因子平衡。病理条件下，炎症小体的激活与自身炎性疾病和自身免疫性疾病的发展有关，如结肠炎、I型糖尿病、多发性硬化症、白癜风等，可导致过度的炎性反应。慢性炎性小体活化还与代谢综合征、神经退行性疾病以及癌症进展有着紧密的联系[2]。随着近年研究的深入，NLRP3炎性小体在创伤性脑损伤、帕金森病、阿尔茨海默病、肌萎缩性侧索硬化症、多发性硬化症、脑缺血、创伤性脊髓损伤等中枢神经系统疾病中的重要作用引起了广泛关注。

2 NLRP3炎性小体在中枢神经系统疾病中的作用

2.1 NLRP3炎性小体在创伤性脑损伤中的作用

创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是全球人口死亡和残疾的最常见原因之一。TBI可导致创伤后应激障碍、慢性创伤性脑病和慢性神经炎症。创伤性脑损伤幸存者可能面临暂时或永久性残疾，如认知、运动、感觉功能受损，或情绪功能紊乱。这些问题不仅困扰患者的生活，而且会对家庭和社会产生持久的影响。目前，颅脑损伤的治疗主要集中于延缓神经元的退变、促进神经元再生、纠正多种神经胶质细胞状态，以及为脑驻留细胞提供更适宜的微环境。

在创伤性脑损伤后，神经炎症是显著加重脑组织损伤并导致功能缺陷的关键因素。研究报道，炎性小体在调控TBI的继发性损伤过程中具有重要意义。多种炎性小体，尤其是NLRP3炎性小体在损伤脑组织的神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞中被检测到，其可诱导神经炎症反应和神经元死亡，加重脑神经组织的损伤，与TBI的发病机制关系极为密切[3]。NLRP 3炎性小体由3个蛋白亚基组成：传感器NLRP 3、衔接蛋白ASC和效应器蛋白caspase-1。NLRP 3蛋白激活后先进行寡聚，然后募集并结合ASC，部分ASC将pro-caspase-1切割成其活性异构体caspase-1，最后NLRP 3、ASC与caspase-1结合形成完整的NLRP3炎性小体[4]。caspase-1通过裂解非活性的前体异构体pro-IL-1β和pro-IL-18形成活跃结构IL-1β和IL-18。这些细胞因子参与感染和创伤的免疫反应，进而导致炎症的发展。因此，caspase-1、IL-1β和IL-18通常可作为NLRP3炎性小体激活的指标。研究显示，中度TBI后NLRP3炎性小体的基因和蛋白质水平均有明显的上调[5]。有学者发现婴幼儿脑损伤后第1 d脑脊液中NLRP 3水平升高，第2 d水平降低，第3、4 d水平再次升高[6]。NLRP3的早期升高可能是由于细胞坏死或创伤性溶解，而晚期升高则可能是感染、细胞应激或其他炎性小体激活所致[6]。NLRP3炎性小体在脑损伤后被激活；抑制NLRP3炎性小体可使脑损伤模型小鼠的炎症减轻和神经功能改善[5]。有学者采用高压氧疗法研究观察到，高浓度氧可以抑制NLRP3炎性小体激活，并抑制小鼠创伤性脑损伤后的炎症反应[7]。说明NLRP3炎性小体参与TBI的炎症反应，而它的抑制很可能作为治疗TBI的一种新的重要途径。

2.2 NLRP3炎性小体在阿尔茨海默病中的作用

阿尔茨海默病（Alzheimer’sdisease，AD）是一种最常见的神经退行性疾病，其典型病理特征是细胞外淀粉样斑块、tau蛋白过度表达及神经纤维缠结形成，同时伴有胶质细胞激活和神经炎症[8]，导致患者记忆丧失和认知功能衰退，从轻度认知障碍发展为完全丧失语言能力和生活自理能力。

免疫系统参与AD发病机制已被广泛接受，越来越多的证据表明自体免疫和神经炎症过程之间存在活跃的交互作用。在AD的发病机制中，NLRP 3炎性小体发挥重要作用。它可以刺激先天免疫应答从而启动炎症反应，释放促炎因子IL-1β和IL-18，并在疾病发生发展过程中持续激活[9]，导致神经功能障碍和神经元凋亡。NLRP 3炎性小体可以调控caspase-1的活化、IL-1β和IL-18的成熟，在AD脑组织内显著增加，与疾病的发生发展相关[10]。NLRP3炎性小体已被证明与淀粉样斑块共定位，其水平在AD大脑中显著升高。NLRP 3炎性小体的激活可通过减弱小胶质细胞吞噬Aβ的作用从而增强Aβ聚集，促进神经炎症和tau病变的发展。有文献报道，培养的星形胶质细胞中加入Aβ后，NLRP 3炎性小体显著活化；对ASC或NLRP 3缺陷小鼠脑内注射Aβ后，tau磷酸化水平和病变特征显著下降[11]，说明Aβ诱导的tau病变依赖于NLRP3炎性小体。因此，靶向NLRP3炎性小体很可能成为一种潜在的AD治疗方法。

2.3 NLRP3炎性小体在帕金森病中的作用

帕金森病（Parkinson disease，PD）是一种进行性神经退行性疾病，主要由于中脑黑质多巴胺能神经元变性死亡和路易小体（Lewybody，LB）形成所致。研究表明，小胶质细胞激活和神经炎症可能是帕金森病多巴胺能神经元丢失的关键调节因素。小胶质细胞的激活和促炎介质在大脑中的过度释放可导致共刺激分子的表达，从而导致神经炎症和神经功能障碍。最近发现，PD患者的脑黑质组织中，激活的小胶质细胞和NLRP3炎性小体均显著增加，多巴胺能神经元数量减少[12]，进而引起神经功能异常。通过PD转基因小鼠研究发现，肺内NLRP 3炎性小体激活引起的外周炎症可将炎症细胞渗透到脑组织内，引起中枢炎症反应，导致多巴胺能神经元退化[13]。这些研究表明炎性小体与PD的发生发展存在重要关系，但该方向的研究尚少，进一步探明小胶质细胞及NLRP3炎性小体与帕金森病的关系将为深入阐明其发病机制奠定基础。

2.4 NLRP3炎性小体在肌萎缩性侧索硬化症中的作用

肌萎缩性侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是由运动皮层，脑干和脊髓内的运动神经元退化引起的成人发作性进行性神经退行性疾病[14]，可以导致肌肉萎缩和瘫痪。有研究发现NLRP3炎性小体在SOD1G93A大鼠（ALS转基因鼠）大脑中大量激活。在ALS患者和ALS模型小鼠中均观察到NLRP3激活及其蛋白水平的上调；caspase-1和IL-1β共同在ALS病理发展中发挥关键作用[15]。此外，在ALS死亡患者脊髓中也发现NLRP 3、ASC、IL-18和caspase-1水平升高。这些研究支持NLRP 3炎性小体在ALS的发病机制中具有重要作用，并提示NLRP3炎性小体的靶向调控可能是ALS的一种适宜的神经保护策略。

2.5 NLRP3炎性小体在多发性硬化症中的作用

多发性硬化症（multiple sclerosis，MS）是一种多因子、免疫介导的中枢神经系统疾病，以炎症、脱髓鞘和神经退行性变为特征。当前还没有针对MS的有效疗法，需要进一步阐明驱动MS病理的机制，以探求可以显著改善疾病进展的治疗方法。多发性硬化患者的病变严重程度与IL-1、IL-18、caspase-1水平密切相关。EAE转基因小鼠血清中ILs和caspase-1水平均显著升高。同时，在EAE模型小鼠的脊髓中也观察到NLRP3表达增加，而Nlrp3-/-小鼠的病变严重程度降低、星形胶质细胞增生减少、炎症细胞浸润减少，症状得到改善[16]。上述研究说明，详细评估抑制NLRP3在多发性硬化症中的神经保护作用，将为多发性硬化症的有效治疗提供新的切入点；探索抑制NLRP3活化的药物及方法将对有效治疗MS提供新的希望。

2.6 NLRP3炎性小体在脑缺血中的作用

脑缺血与神经功能缺失、认知功能障碍和严重脑损伤高度相关，其发生发展机制被证实与神经炎症密切相关，是脑缺血后继发脑损伤的主要因素。NLRP 3作为脑缺血后神经炎症反应的重要介质，介导神经细胞损伤和神经炎性反应[17]。衔接蛋白ASC和效应蛋白caspase-1是NLRP3炎性复合体的重要组成部分，研究显示脑缺血后ASC和caspase-1的表达水平均明显升高，并在调节IL-1β和IL-18的裂解和释放中发挥重要作用[18]；NLRP 3炎性小体在脑缺血后通过产生促炎因子IL-1β和IL-18加剧神经炎性反应[19]；敲除NLRP3基因可以减少脑缺血后脑组织坏死体积并减轻神经元的损伤[20]；说明NLRP3炎性小体在脑缺血的发病过程中发挥着重要作用，抑制NLRP3的表达可为脑缺血的治疗提供新的思路。

2.7 NLRP3炎性小体在创伤性脊髓损伤中的作用

创伤性脊髓损伤（traumatic spinal cord injury，TSCI）会引起强烈的炎症反应，包括小胶质细胞激活和促炎因子释放，导致永久性损伤。近期有研究探索了TSCI与炎性小体的关系。脊髓损伤可诱导脊髓中NLRP 1炎性小体组分的表达。脊髓损伤可上调NLRP1炎性小体成分的mRNA和蛋白水平，包括NLRP 1、ASC、caspase-1，进而提高促炎因子IL-1β和IL-18的水平[21]。在脊髓损伤实验模型中，血红素加氧酶-1可减弱NLRP 1表达，从而减少神经元细胞死亡、改善神经功能。NLRP3炎性小体的激活和表达水平的增加发生于脊髓损伤后，并在脊髓神经炎症反应过程中发挥重要作用。口服甘草酸治疗，可通过抑制NLRP 3炎性小体激活来降低NLRP 3炎性小体成分（包括NLRP 3、ASC和caspase-1）以及IL-1β和IL-18的表达，并促进TSCI的功能恢复[22]。这证明NLRP 3炎性小体很可能是脊髓损伤中的重要介质和治疗靶点。

有趣的是，虽然在黑色素瘤2（AIM2）炎性小体中不包含任何NLR家族成员，但AIM2活化后，也可与ASC相互作用，招募caspase-1形成炎性小体，导致IL-1β和IL-18的释放以及炎症反应。近期研究发现，AIM2主要在正常脊髓的神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞中表达，当脊髓损伤后，其表达明显增加[23]。

鉴于脊髓损伤后炎症变化的特点，炎性小体的抑制及炎症反应的阻断将是今后TSCI研究的重要领域。

2.8 NLRP3炎性小体在其它神经系统疾病中的作用

除上述研究外，NLRP3炎性小体还在其它神经疾病中被发现。例如，拉斯穆森脑炎（Rasmussen's encephalitis，RE）是一种以抽搐和进行性认知障碍为特征的炎症性脑病，RE患者的皮层和白质样本中IL-1、IL-18、NLRP1、NLRP3和caspase-1均出现高表达[24]。NLRP 3在颞叶癫痫患者颞新皮层的表达上调，且主要出现在局部的神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞[25]。促炎因子和趋化因子等炎性介质也与神经性疼痛的发展有关，NLRP3炎性小体在神经性疼痛的发病机制中发挥关键作用；注射miR-186可显著降低三叉神经痛小鼠促炎因子IL-1β和IL-18水平，同时miR-186可能通过靶向NLRP3炎性小体减轻三叉神经痛[26]。

3 NLRP3炎性小体激活及调节机制

3.1 NLRP3炎性小体的启动与激活

NLRP 3炎性小体的激活包括经典途径和非经典途径。经典途径需要两步完成，启动信号使NLRP3炎性小体成分和相关分子的转录上调，随后的激活信号使NLRP3蛋白寡聚并结合ASC，进行炎症小体活化。启动主要有两个功能：一是上调炎性小体成分NLRP 3，caspase-1和pro-IL-1β的表达，这种转录上调可以通过识别各种病原相关分子模式、微生物相关分子模式或损伤相关分子模式来诱导，经识别Toll样受体、NOD 2、TNF或IL-1β等因子，导致NF-κB激活和基因转录；二是诱导NLRP3的翻译后修饰（protein translational modifications，PTMs），使NLRP 3稳定在一个自抑制的无活性状态。在启动之后，NLRP3炎性小体可被多种刺激物激活，包括ATP、K+离子载体、血红素、颗粒物、病原体相关RNA、细菌和真菌毒素及其成分，但尚未观察到它们与NLRP3炎性小体的相互作用，基于它们在生化上的差异，可能会具有诱导某些细胞信号的作用。此外，还发现多种分子和细胞信号转导作用，如离子通量、线粒体功能障碍和活性氧物质（reactive oxygen species，ROS）的产生以及溶酶体破坏，均可激活NLRP 3炎性小体[27]。非经典激活途径可通过CASP11依赖的、ZBP 1依赖的和TAK 1依赖的机制诱导NLRP3炎性小体激活[28]。

3.2 NLRP3炎性小体的调节机制

在NLRP3炎性小体激活的过程中常伴有多种调控机制，包括NLRP 3翻译后的修饰，并以泛素化和磷酸化最为明显。NLRP 3泛素化在NLRP 3炎性小体激活中可能发挥双向作用，并取决于泛素连接酶和泛素化类型。也有研究显示NLRP3的磷酸化可能对炎性小体的激活具有反作用，但具体机制不清楚。NLRP 3炎性小体激活的过程还与其它蛋白的作用相关。Hsp 90可保护NLRP 3免受蛋白酶和自噬降解，Hsp 90招募SGT 1到NLRP3形成复合物，维持NLRP3处于不活跃但信号正常的状态。PKR的敲除或抑制可减少炎性小体介导的caspase-1激活以及IL-1和IL-18成熟，从而抑制炎性小体的激活。TXNIP作为氧化传感器与NLRP3相互作用后能激活NLRP 3炎性小体。PKR和MARK 4也可通过与NLRP 3相互作用促进其激活。另有研究发现，所有对NLRP 3的刺激，无论是否诱导K+外流以及NLRP3突变，需要Nek 7激活NLRP3炎性小体，因此Nek 7成为NLRP3寡聚化的近端调节因子和NLRP3炎性小体的组装成分，是激活过程中的关键调节因子[29]。最近研究证实，DDX3X也是NLRP 3炎性小体激活所必需的一种蛋白，DDX3X参与应激颗粒形成，通过隔离DDX3X形成的应激颗粒能够抑制NLRP 3炎性小体的激活[30]。这些研究说明参与NLRP3激活的蛋白种类较多、调控过程复杂，还需要大量深入的研究以阐明其确切的调节机制。

尽管炎性小体激活的下游结果是炎症和细胞死亡，但控制配体检测和每个炎性小体传感器激活的分子机制截然不同，关键是NLRP3炎性小体激活过程被精确调节以提供足够的免疫保护而不会对宿主组织造成损害。

4 展望

本文对NLRP 3炎性小体在多种常见中枢神经系统疾病中的作用进行归纳总结，并陈述NLRP3炎性小体的主要激活及调节机制。随着免疫学研究的发展，人们更加清晰地观察到NLRP3炎性小体在不同神经系统疾病中具有重要意义，深入阐明中枢神经疾病中NLRP3炎性小体的作用将为全面理解疾病的发生发展、提出以NLRP3炎性小体抑制剂为核心的特异性靶向治疗方法奠定基础。