NLRP3炎症小体及血管细胞黏附分子-1在痛风性关节炎中的研究进展*

2022-12-27张春泽苏娟

中国医学创新 2022年30期

张春泽苏娟

痛风是一种单钠尿酸盐（MSU）结晶沉积诱导的全身慢性炎症疾病，受饮食习惯、生活方式、环境及地域等多种因素的影响。随着人们生活水平的改善，痛风的患病率逐年增加，其中，男性患病率远高于女性[1]。GA 是急性痛风发作时关节部位的炎症表现，与体内血尿酸水平明显升高有关。其发病与机体炎症及免疫关系非常密切，其中NLRP3 炎症小体的激活与白细胞介素-1β（interleukin，IL-1β）的释放在痛风炎症中起关键作用[2]。此外，血管细胞黏附分子-1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）也参与了本病炎症反应的过程。本病可合并高血压、肥胖症、糖尿病、心血管疾病、代谢综合征等疾病，对患者生活质量和长期预后产生了负面的影响[3]。因此，在合并症并存的情况下管理GA 患者具有极大的挑战性。通过长期降尿酸治疗可诱导体内MSU 晶体溶解，最终能够预防痛风的发作和痛风石的形成进而提高患者的生活质量[4]。此外，进一步研究GA 的发病机制有利于新药的进展和采取更有利的预防措施。

1 NLRP3炎症小体

1.1 NLRP3 炎症小体的概述炎症小体为一种胞质型蛋白复合体，可以识别体内外各种信号、危险因子及微生物病原体。它的定义最早于2002 年提出，Martinon 等[5]发现其在微生物感染及免疫与代谢调节过程中发挥了关键的作用。炎症小体分为多种亚型，其中NLPR3 炎症小体是目前研究最多且最为重要的亚型。

有研究已证实NLRP3、凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）和半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-1（cysteinyl aspartate specific proteinase 1，Caspase-1）三部分构成了NLRP3 炎症小体复合体，其广泛存在于免疫细胞，包括抗原提呈细胞、单核-巨噬细胞、T 和B 淋巴细胞等[6]。NLRP3 炎症小体的核心蛋白为NLRP3，其中心富含一个核苷酸结合和寡聚化（nucleotide binding and oligomerization domain，NACHT）结构域，它可促进自身寡聚化并具有ATP酶活性，同时NLRP3 蛋白C-端的亮氨酸重复序列（leucine-rich repeat domain，LRR）结构域可感知内源性信号并能够调节自身NLRP3 蛋白的活性，而位于NLRP3 蛋白N-端的吡喃（pyrin domain，PYD）结构域可以与ASC 相互关联[7]。其中，ASC包含两个转导域，一个转导域连接上游NLRP3 蛋白的PYD 结构域，另一个连接下游的Caspase-1，进而把NLRP3 蛋白与Caspase-1 联系在一起[8]。NLRP3 炎症小体的效应蛋白为Caspase-1，它能够将IL-1β 前体（pro-IL-1β）转化为活性IL-1β，从而分泌到胞外引起强烈的炎症反应[9]。这三种蛋白质之间的相互作用紧密调节NLRP3 炎症小体的功能，以确保在其激活时发挥免疫活性并参与炎症调控。

1.2 NLRP3 炎症小体在GA 中的作用在无外界免疫刺激时，NLRP3 炎症蛋白复合体之间的内部作用抑制NLRP3 蛋白和ASC 之间的相互反应最终阻碍NLRP3 炎症小体的组装。此外，NLRP3 炎症小体的特殊之处在于其可由多种不同的外界信号激活，其中MSU 晶体可以作为免疫损伤信号激活NLRP3 炎症小体。研究发现，NLRP3 炎症小体的激活依赖于双信号启动系统[10]。其一，单核细胞膜表面的Toll 样受体（toll-like receptor，TLR）能够识别MSU 晶体并激活细胞内核因子NF-κB 信号进而促进NLRP3 炎症小体成分的合成及pro-IL-1β 的转录。其二，MSU 晶体也可以作为刺激信号诱导NLRP3 炎症小体的组装以及Caspase-1 前体（pro-Caspase-1）的激活，活性Caspase-1 能够将pro-IL-1β 水解为成熟的IL-1β。研究表明，IL-1β 炎症因子是导致痛风炎症发生发展的核心，其可促进血管扩张导致单核细胞的招募和中性粒细胞进入MSU晶体沉积的部位并诱发关节炎症[4]。且持续分泌的IL-1β 可导致基质降解酶的产生，从而破坏软骨和骨骼[11]。为了避免严重的组织损伤，必须要严格调控NLRP3 炎症小体的组装和激活。此外，中性粒细胞是一把双刃剑具有双面性，它既可以捕获病原体减轻炎症反应，又能加剧炎症反应与组织损伤。当MSU 晶体沉积于关节时，关节周围的局部免疫细胞中可激活NLRP3 炎症小体从而导致中性粒细胞快速和剧烈的募集，使得患者急性痛风性关节炎的强烈发作[12]。然而，中性粒细胞胞外陷阱（neutrophil extracellular traps，NETs）是活化的中性粒细胞释放至胞外的微粒样结构，其在局部高密度中性粒细胞下能够形成聚集性NETs，这些聚集性NETs 紧密包裹着关节及关节周围沉积的MSU 晶体，并通过蛋白酶水解酶捕获和降解局部细胞及趋化因子缓解急性痛风的发作，但中性粒细胞在持续性炎症时也会无法控制的释放NETs，随后产生一系列的不良影响如大量NETs 导致血管阻塞、组织损伤及与痛风进展和恶化相关的长期炎症[13]。

NLRP3 炎症小体的激活途径尚未完全明确，目前已经提出一些机制来阐明其激活途径[8]。（1）胞外三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）通过由pannexin 1（Panx1）半通道组成的致脓性P2X7受体依赖性孔诱导K+外流；（2）病原相关分子模式与损伤相关分子模式激发活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生；（3）吞噬细胞吞噬环境刺激物（如二氧化硅、石棉、淀粉样蛋白-β 和明矾等）形成细胞内结晶或颗粒样结构导致溶酶体破裂及组织蛋白酶B 的释放。此外，线粒体损害、溶酶体破坏、自噬功能异常等也可以激活NLRP3 炎症小体。

有研究发现，GA 患者外周血单个核细胞中NLRP3 蛋白、ASC 的表达显著增高，同时血清中IL-1β、IL-2、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）等促炎因子表达也升高，提示NLRP3 炎症小体与GA 发病相关，同时也说明IL-1β 参与了本病的进展[14]。Wang 等[15]通过大鼠痛风模型研究显示，口服菊苣提取物可通过抑制痛风大鼠的NF-κB 和NLRP3 蛋白信号通路能够显著降低IL-1β 的释放，进一步缓解痛风关节肿胀及炎症活动。同样，Li 等[16]研究证实，植物化学物质β-石竹烯能够抑制滑膜组织中NLRP3 蛋白、Caspase-1、ASC 及IL-1β 的表达，显著降低MSU诱导的GA 大鼠踝关节的炎症。上述两种研究都间接说明了NLRP3 蛋白与IL-1β 能够诱导GA 的发生与发展。

2 VCAM-1

2.1 VCAM-1 的概述 VCAM-1 为一种90-kDa 膜表面糖蛋白，是免疫球蛋白超家族的成员之一，它在细胞间黏附及信号传递、免疫与炎症、感染、肿瘤转移及血管生成的过程中发挥关键的作用[17]。通常，VCAM-1 主要在内皮细胞的表面表达，其主要作用为介导细胞间黏附与跨细胞迁移[18]。VCAM-1的表达在炎症条件下受促炎细胞因子、ROS、氧化低密度脂蛋白、高浓度葡萄糖及TLR 激动剂等多种信号的刺激。

研究表明，免疫细胞如浆细胞、吞噬细胞和NK 细胞等，它们可释放TNF-α 介导炎症反应与损伤，同时TNF-α 也会诱导细胞黏附因子如细胞间黏附分子1（intercellular cell adhesion molecule 1，ICAM-1）与VCAM-1 的表达[19-20]。人VCAM-1 由7 个胞外免疫球蛋白（Ig）样结构域、跨膜区以及19 个氨基酸组成的胞质结构域三部分构成。目前整合素α4β1 已被证明为VCAM-1 的重要配体，是介导B 细胞与淋巴生发中心牢固黏附所必需的因子[21]。在VCAM-1 的胞外7 个Ig 样结构域中，结构域1 和/或4 参与白细胞整合素α4β1 的直接结合，导致白细胞黏附于血管内皮细胞表面[21]。而Lee 等[22]研究表明VCAM-1 的胞外Ig 样结构域6 主要诱导白细胞在炎症中迁移，对白细胞黏附作用较小。活化的血管内皮细胞表面VCAM-1 与配体整合素α4β1 结合通过一系列的复杂反应后激活VCAM-1 的下游信号分子，包括Ca2+、Ras 相关的C3 肉毒素底物1（ras-related C3 botulinum toxin substrate 1，Rac1）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 2，NOX2）、ROS、基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）、蛋白激酶Cα（protein kinase Cα，PKCα）以及蛋白酪氨酸磷酸酶1B（protein tyrosine phosphatase 1B，PTP1B）等，这些信号能够降低血管内皮细胞表面黏附作用，同时也可减弱内皮细胞之间的连接。此外，Rac1-蛋白激酶A（protein kinase A，PAK）-肌球蛋白轻链（myosin light chain，MLC）信号通路能够使得肌动蛋白重构。最终，在炎症条件以上因素能够促进白细胞跨血管内皮迁移。

2.2 VCAM-1 在GA 中的作用 GA 是由关节周围的MSU 晶体沉积引发的急性炎症反应[4]。其中，高尿酸血症是本病发生发展最危险的因素。此外，痛风可能导致全身持续性炎症，同时还可能诱发心血管疾病。之前的研究发现尿酸具有抗氧化能力，然而高浓度尿酸也容易导致血管内皮功能障碍与炎症反应[23]。通常，由于内皮细胞（endothelial cell，EC）之间的屏障作用，免疫细胞难以黏附及浸润损伤血管壁。但早期研究表明，高浓度尿酸能够激活EC 的免疫炎症反应且诱导其细胞表面VCAM-1 表达增加，使大量单核细胞黏附于血管壁加重内皮的损伤[24]。

血管单层EC 通过包含大量跨膜蛋白的复杂结构连接在一起，EC 之间的连接结构在炎症过程中能够调节白细胞迁移出血管。在急性痛风发作时，白细胞沿着血管内皮流动的速度减慢，然后白细胞黏附及停滞于血管内皮上，此过程是由白细胞与EC 之间的细胞与分子复杂作用机制介导的，其中包括白细胞黏附级联反应[25]。同时这些相互作用也能导致EC 激活，使EC 表面E-选择素、趋化因子如ICAM-1、VCAM-1 表达上调[26]。研究发现，VCAM-1 与白细胞的黏附、游走、迁移等过程关系密切，参与了急性GA 的发病过程[27]。此外，白细胞沿血管壁爬行与黏附期间，其与EC 之间的连接处结合并跨EC 迁移突破小血管壁至外周组织中，白细胞渗出后吞噬异物、衰老细胞、细菌、代谢产物等，释放多种细胞毒物因子进而引起发热、疼痛、肿胀等组织与关节炎症的表现[28]。

早期研究发现，在促炎细胞因子或ROS 的刺激下，血管EC 表面VCAM-1 的表达在数小时内显著增加，且循环血液和组织中的淋巴细胞和嗜酸性粒细胞也参与了VCAM-1 的黏附与激活，这表明VCAM-1 与炎症反应过程密切相关[29]。研究人员还发现痛风患者脐静脉EC 表面VCAM-1 的水平增加，同时伴随单核细胞黏附增加，这进一步说明VCAM-1 参与痛风与炎症的发展[30]。