疟原虫感染引起的炎症小体反应研究进展

李 昕，董 彬，李承桓，袁 泉，冯 颖，姜 宁

(沈阳农业大学，辽宁沈阳 110161)

炎症小体(inflammasome)是多聚体蛋白复合物，通常包括传感器、适配器和半胱氨酸蛋白酶(caspases)。细胞质中病原相关分子模式(pathogen-associated molecular pattern，PAMPs)和损伤相关分子模式(danger-associated molecular patterns，DAMPs)的传感器包括核苷酸结合结构域(nucleotide-binding domain，NOD)样受体(NOD-like receptors，NLRs)、富含亮氨酸重复序列(leucine-rich repeat，LRR)、黑素瘤缺乏因子2(absent in melanoma，AIM2)样受体(AIM2-like receptors，ALRs)和三元基序家族蛋白(tripartite motif-containing protein， TRIM，如pyrin)。在这些传感器中，进化保守的NLRs家族成员，与AIM2和pyrin可组装成多聚体蛋白复合物——炎症小体。炎症小体激活在病原体防御中起重要作用，它有助于清除受损和转化的宿主细胞，并刺激适应性免疫反应。相反，异常炎症小体激活与许多炎症性疾病、传染病和癌症有关。炎症小体的激活是机体对传染性微生物应答所引起的caspase-1激活，从而使多位点加工和生产成熟IL-1β和IL-18的过程。炎症小体通过模式识别受体(pattern-recognition receptors，PRRs)如AIM2、NLRP3或NLRC4，识别PAMPs，从而导致炎症小体的形成，激活caspase-1、pro-IL-1β和pro-IL-18分解并生成IL-1β和IL-18[1-2]。因此，炎症小体激活受到严格调控，它包含许多分子和细胞信号。

疟疾是由疟原虫感染引起的一种疾病，以周期性规律发作，全身发冷、发热、多汗为主要特征。目前，疟疾仍然是人类历史上最具破坏性的全球卫生问题之一，可在热带地区引起高发病率和死亡率，每年估计有2.12亿临床病例和42.9万人死亡[3]。超过85%的疟疾病例和90%的死亡发生在撒哈拉以南非洲地区。大多数病例是由恶性疟原虫(Plasmodiumfalciparum，Pf)或间日疟原虫引起的，但人类感染也可能由卵形疟原虫、三日疟原虫和东南亚部分地区的猴疟疾诺氏疟原虫引起[4-6]。绝大多数威胁生命的疟疾病例是由恶性疟原虫感染引起的，主要发生于5岁以下的儿童[7-8]。

疟原虫生活史复杂，包含在中间宿主红细胞内发育阶段及在终末宿主按蚊体内的发育阶段。疟原虫在中间宿主红细胞内可发育成熟为雌雄配子体，按蚊吸血后雌雄配子体在其体内受精形成合子，进而发育形成动合子侵入按蚊胃壁形成卵囊，卵囊经过进一步发育形成子孢子，成熟的子孢子移行至按蚊唾液腺，在受感染按蚊下次吸血时，唾液腺中的子孢子进入中间宿主体内完成疟原虫在宿主之间的传播。

1 疟原虫与机体炎症小体反应

疟疾感染可触发多种先天免疫应答途径，其典型特征是周期性发热、寒战，这是由于机体对疟原虫及其分泌物反应而循环释放炎性细胞所致[9-10]。疟疾是一种复杂的疾病，其虫体和宿主成分对疾病的严重程度有很大影响。疟原虫在红细胞内复制，染虫红细胞(infected red blood cell，iRBC)的破裂会导致促炎细胞因子风暴，伴随着疟疾患者的发热[11-12]。疟疾感染通常伴随有红细胞生成失调，这是由细胞因子、一氧化氮和脂质过氧化物等促炎介质导致骨髓功能障碍所引起[13-14]。一些细胞因子的过度生产，包括TNF-α、IFN-γ、IL-12和IL-1β均与疟疾有关。疟原虫感染触发NLRP3/NLRP12依赖性炎症小体的形成和caspase-1激活单核细胞，从而导致IL-1β分泌[15]。 IL-1β是一个高度协同作用的细胞因子，有可能从根本上修改表达模式，对其他免疫调制剂产生影响[16-18]。

1.1 恶性疟原虫感染

在恶性疟原虫感染中，iRBC激活了炎症小体，并导致巨噬细胞中Fcγ受体介导的吞噬作用[19]。炎症小体复合物存在于含有NLRP3或NLRP12炎症小体的疟疾患者单核细胞中。初步研究表明，在恶性疟原虫感染期间，GPI锚蛋白在诱导促炎细胞因子产生过程中起关键作用。以前MEFV被认为是恶性疟原虫的保护因子，与间日疟原虫没有显著相关性[20]。iRBC表面表达的变异表面抗原(variant surface antigens，VSAPAM)的抗体能保护母体，避免产生疟疾贫血，这是由于恶性疟原虫感染触发Th1反应，增加了IL-1、TNF-1和IFN-1等促炎症细胞因子的分泌，有助于控制胎盘感染[21]。

1.2 间日疟原虫感染

与恶性疟原虫感染相比，间日疟原虫感染的临床症状较轻，病死率较低。但间日疟原虫感染后，可以在宿主肝脏内驻留，处于休眠阶段，从而逃避宿主的免疫系统以及大多数抗疟药物的识别。然而这些无临床症状间日疟原虫感染者却依然具有传播能力，使间日疟原虫感染所引起的疟疾可持续复发并广泛传播，大大增加了抗疟工作的难度。此外，间日疟原虫较恶性疟原虫虫株更具有基因多态性[22-24]。

间日疟原虫感染可引起宿主广泛的炎性和抗炎性细胞因子表达，其中炎症小体受体NLRP1在形成发热、贫血和血小板减少等临床表现中发挥了重要作用。此外，IL-1β与患者的寄生虫血症显著相关，而IL-18可减轻宿主贫血症状。血小板减少症是间日疟原虫感染后主要的并发症，与疾病的严重程度呈正相关[25]。有研究表明，NLRP1可能在内皮细胞，尤其在内皮功能紊乱中扮演重要角色[26]。由于间日疟原虫以内皮细胞为靶点，诱导血管损伤，携带NLRP1功能增强单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)的个体，更容易发生间日疟原虫相关血管疾病[27]。另一方面，NLRP1炎症小体的激活与小鼠造血祖细胞的焦亡有关，进一步阐明NLRP1在间日疟感染后引发的宿主贫血中发挥重要作用[28]。

1.3 约氏疟原虫感染

约氏疟原虫感染后可触发一系列先天免疫反应。在约氏疟原虫感染早期，浆细胞样树突状细胞(plasmacytoid dendritic cells，pDCs)是Ⅰ型干扰素(type Ⅰ interferon，IFN-Ⅰ)的主要来源，对宿主的抗性是必不可少的。然而，与经典树突状细胞(conventional dendritic cells，cDCs)和巨噬细胞不同的是，活化的pDCs由于其较差的抗原提呈特性，不能有效地向T细胞提呈抗原[29]。研究表明，疟原虫核酸在约氏疟原虫感染最初24 h，激活并诱发大量的IFN-α/β产生。升高的IFN-Ⅰ有效地激活cDCs/巨噬细胞，促进cDCs成熟，从而有效地提供抗原，随后激活适应性免疫反应。在疟疾感染过程中，从破裂的iRBC释放的gDNA、RNA、Hz和GPI被免疫细胞捕获[30]。gDNA-Hz复合物和iRBC可诱导TLR9和NLRP3/AIM2炎症小体激活[31]。约氏疟原虫感染过程中，小鼠原代pDCs、cDCs和巨噬细胞中AIM2和NLRP3依赖性炎症小体被gDNA和Hz激活。此外，还有研究表明pDCs和巨噬细胞中的寄生虫RNA可以激活NLRP3炎症小体。

2 疟原虫PAMPs与炎症小体

疟原虫PAMPs是可以被PRRs检测到的微生物结构，被认为是宿主受体的配体[32]。疟原虫PAMPs包括GPI锚蛋白、疟色素、疟原虫DNA和疟原虫RNA等。PRRs通常识别核内体膜或细胞表面的PAMPs，而RIG样受体(RIG-I-like receptors，RLRs)和NLRs的识别位置在细胞质。PRRs被激活后，将触发不同的转录程序，并诱导多个下游途径参与病原体清除。然而，过度激活会引起全身炎症和疾病，对机体有害。

2.1 GPIs与炎症小体

糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositols，GPIs)在真核生物中普遍存在，它们主要作用在于将某些细胞表面蛋白锚定到细胞膜上。与哺乳动物细胞相比，原生动物GPI锚点是巨噬细胞合成细胞因子的有效刺激因子，也是导致原生动物结构多样性和具有生物活性效力差异的关键因素[33-34]。这种活性是由它们的精细结构决定的，恶性疟原虫裂殖子中的GPI锚点有2或3个脂酰链，并通过激活TLR2-TLR6或TLR1-TLR2异二聚体，以及TLR4同型二聚体，引发丝裂原活化蛋白激酶类磷酸化，同时也是核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)家族成员的抑制剂[35]。有研究表明，在小鼠体内TLRs的激活可诱导一氧化氮的产生，并促使TNF和IL-1等促炎细胞因子的合成[36]。

2.2 疟色素与炎症小体

疟原虫有能力将血红素聚合于其食物液泡内的惰性晶体疟色素(hemozoin，Hz)中。这种晶体是在分裂发生期间从受iRBC中释放出来的，一旦释放，Hz被免疫细胞迅速吞噬，激活肉瘤基因(sarcoma gene，SRC)激酶并诱导促炎细胞因子的产生[37]。Hz被认为是TLR9的配体[38]。虽然Hz的转录活性需要表面DNA的存在，但其确实具有免疫活性。随着对疟疾炎症的了解越来越多，Hz令人意外地成为先天免疫激活几乎所有方面的关键组成部分。之前认为Hz是一种传递介质，将DNA引入溶酶体腔室。然而，Hz不仅仅协助DNA参与TLR9激活，同时它对NLRP3、AIM2的激活也至关重要，甚至在免疫细胞浆中发生IFN-1响应。还有研究表明，Hz是NLRP3炎症小体的有效激活因子[39]。NLRP3是大量成熟的IL-1β的主要来源，Hz在其中发挥重要作用。激活的TNF-α和IL-1β是疟疾感染中与死亡最密切相关的细胞因子[40]。

2.3 疟原虫DNA与炎症小体反应

DNA是疟原虫感染期间先天免疫的主要触发因素。疟原虫基因组中具有高度刺激作用的胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤二核苷酸(cytosine-phosphate-guanine dinucleotide，CpG)基序，可激活TLR9。疟原虫CpG DNA通过Hz刺激TLR9[41]，增强DNA进入溶酶体腔的能力，以增强免疫刺激。此外，研究表明来自寄生虫的蛋白质-DNA复合物可直接激活TLR9[42]。疟原虫的基因组高度丰富，在恶性疟原虫和间日疟原虫中都大量存在的富含AT的茎环结构已被证明参与了细胞质DNA传感通路，如干扰素基因刺激因子(stimulator of IFN genes protein，STING)、 TANK结合激酶1(tank-binding kinase 1，TBK1)和干扰素调节因子3(IFN-regulatory factor 3，IRF3)等[43]。最近的研究表明，疟原虫DNA同时兼备具有刺激作用的CpG和富含AT茎环结构的双重能力。

2.4 疟原虫RNA与炎症小体

疟原虫RNA作为一种疟原虫PAMPs，也可以激活炎症小体并引发炎症反应。鼠源性疟疾病原，如伯氏疟原虫和约氏疟原虫，或恶性疟原虫的RNA可以激活PRRs。在RNA聚合酶Ⅲ、抗黑色素瘤分化相关基因5(melanoma differentiation associated gene 5，MDA5)和线粒体抗病毒信号蛋白(mitochondria anti-viral signaling protein，MAVS)的作用下，约氏疟原虫在红细胞内期可诱导机体产生IFN-I[44]。此外，RNA传感器TLR7在疟疾小鼠模型的先天免疫初始激活中发挥作用[45]。以上研究表明，胞质传感器和IFN-I反应在抑制疟原虫生长和寄生虫血症方面发挥了重要的作用。

3 小结与展望

多年来对疟疾发病机制的研究使人们一致认为疟疾的临床表现往往是先天免疫细胞过度激活的结果。先天免疫受体在微生物的免疫监测和启动免疫保护中起关键作用。然而，先天免疫系统是一把典型的“双刃剑”，有时会对病原体反应过度，对机体产生有害影响，从而引发临床表现。在疟原虫感染过程中，AIM2、NLRP3或NLRC4等炎症小体，及其下游炎症因子TNF-α、IFN-γ、IL-12、IL-1β和IL-18等，在很多疾病的病理过程中发挥重要的致炎作用，故成为近年来的研究热点。促炎细胞因子以及疟疾感染期间产生的一氧化氮，对抑制寄生虫的生长至关重要[46]。然而，过度产生促炎细胞因子可能导致严重的病理反应。虽然近几年对各种疟原虫及其各组分激活炎症小体的研究越来越多，但仍有很多问题尚不清楚，比如激活炎症小体的明确机制、炎症小体活化过程中负调控机制，怎样利用负调控机制研发新药，治疗由于炎症小体过度活化导致的病理损害等。因此，对于疟原虫感染中炎症小体的活化、调控和负调控机制的深入研究至关重要，将感染过程中由于炎症小体产生的致炎作用保持在“治病”而不是“致病”的状态，将逐渐成为抗疟研究人员的科研重点。