NOD样受体蛋白3炎性小体与肺部疾病的研究进展

蔡治祥 王晓武 李莉 毕生辉 陈汉威

1广州市番禺区中心医院（广州511400）；2中国人民解放军南部战区总医院心血管外科中心（广州510010）

肺是机体沟通外界的主要场所，它容易受外界大气、微粒粉尘及病原微生物因素的影响，导致肺组织损伤、炎症以及感染相关的呼吸性肺病［1］。在抵御外来物质入侵过程中，NOD 样受体蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）炎性小体能够识别外源性病原体病原相关分子模式（pathogen associated molecular pattern，PAMPs）或内源性损伤相关分子模式（damage associated molecular pattern，DAMPs），并经模式识别受体（pattern recognition receptors，PRR）活化后介导下游通路炎性因子的表达来调控炎症反应［2-4］，是机体固有免疫应答的重要组成部分。近年来研究［5-6］表明，炎性小体的异常活化与机体固有免疫失调导致的病态反应有关，它在人类许多免疫性疾病中扮演重要角色。基于以上背景，本文针对NLRP3 炎性小体与肺部疾病的作用进行重点综述。

1 NLRP3 炎性小体的简述

NLRP3 炎性小体是目前研究较深入的炎性小体之一，其结构与功能明确。它主要由三部分组成，即NLRP3 蛋白、凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC）和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶前体蛋白（procaspase-1）。

1.1 NLRP3 炎性小体的结构NLRP3 蛋白结构主要由中间段特征性核苷酸寡聚化区域（nucleotide-binding and oligomerizationdomain，NACTH）、亮氨酸重复序列（leucine-richrepeats，LRRs）的C 端和具有可变的效应结构域的N 端组成［2-3］。其中可变效应结构域包括热蛋白结构域（pyrin domain，PYD）和胱天蛋白酶募集区域（caspase recruitment domain，CARD）［2-3］。ASC 位于NLRP3 炎性小体复合物核心区域，通过ASC 氨基端的CARD 招募procaspase-1 并加工形成caspase-1，活化后的caspase-1 通过一系列反应将促炎性因子的前体加工成为成熟、有致炎作用的炎性因子IL-1β 和IL-18，并释放至细胞外，最终引起炎性反应［7］。

1.2 NLRP3 炎性小体的活化通常认为NLRP3炎性小体是被经典的双信号模式被激活。该激活过程主要分为两个阶段：第一个阶段，Toll 样受体4（Toll-like receptor-4，TLR4）信号通路介导的核转录因子-κB（nuclear factor-Kappa-B，NF-κB）依赖的NLRP3 前体、pro-IL-1β 和pro-IL-18 等相关前体转录；第二阶段，介导NLRP3 炎性小体的组装和修饰阶段。其中第二阶段可通过DAMPs 和PAMPs 模式作用于胞质内的Nod 样受体（NOD-like receptor，NLR）作为第二信号，最终介导NLRP3 炎性小体各组分（NLRP3，ASC，caspase-1 前体）的组装及活化，完成IL-1β、IL-18等促炎因子的加工及分泌［5，8-9］。至今，尚无证据表明NLRP3 是直接被激活的，故推测NLRP3可识别多种物质并通过共同的上游信号通路使其活化，但具体机制仍不清楚。

目前，NLRP3 炎性小体经典的活化途径主要有3 种。（1）钾离子外流。 RIVERS-AUTY 等［10］认为，K+外流是NLRP3 炎性小体激活的共同通路。胞外的ATP与细胞表面的P2X2嘌呤受体结合致K+通道开放［11］，致K+外流招募泛连接蛋白pannexin-1，介导相关跨膜通道开放，随后胞外物质进入细胞内激活NLRP3 炎性小体［12］。（2）溶酶体破坏［13］。晶体或微粒物质通过内吞作用进入细胞，吞噬后溶酶体膜的稳定性降低，引起溶酶体蛋白水解酶-B（cathepsin-B）释放并进入胞浆，继而激活NLRP3炎性小体。（3）线粒体活性氧类（reactive oxygen species，ROS）。损伤型线粒体活性氧（mtROS）诱导产生的心磷脂、损伤型线粒体DNA 等线粒体相关危险信号（mitochondrial DAMPs）能够激活NLRP3。研究表明，NLRP3 炎性小体激活剂均能导致ROS 的产生，mtROS 是激活NLRP3 炎性小体的关键信号［14］。若细胞液中加入ROS 抑制剂乙酰半胱氨酸后，胞内的caspase-1 活化水平显著降低，生成的炎性因子IL-1β 亦明显减少［15］。线粒体源的硫氧化还原蛋白（thioredoxin-in-teracting protein）可活化心血管内皮细胞源的NLRP3 炎性小体，活化后的炎性小体复合物通过自身的催化裂解使procaspase-1 加工成有活性的caspase-1，最终催化pro-IL-1β、pro-IL-18 为有促炎活性的白细胞介素IL-1β、IL-18［16］。其中IL-1β 能够介导一氧化氮合成酶（NOS）等炎性介质的合成和释放，IL-18 介导T 细胞和自然杀伤细胞分泌干扰素-Y［17-18］。

细胞炎性死亡在是机体固有免疫反应中的一种防御性机制，保护机体不被细菌、病毒等病原体感染，但过度活化、分泌的炎性信号会导致组织损伤及多种疾病的发生发展。若caspase-1 过度活化，激活下游信号并过度分泌炎性细胞因子，可导致细胞炎症性死亡，细胞死亡将释放高浓度的炎性细胞因子，引起细胞因子风暴，继而加重炎性反应［19-20］。

2 炎性小体和肺部疾病

在机体抵御病原体、微粒等外来有害刺激时，NLRP3炎性小体活化caspase-1导致细胞因子IL-1β和IL-18 的成熟和释放，在炎性相关的特异性和非特异性免疫中，特别是炎症相关的肺部疾病中扮演着重要角色［5-6，21-22］。NLRP3 炎性小体复合物具有多重作用，BRUCHARD 等［23］发现NLRP3 炎性小体还可能还存在一些其他的作用，如在T 细胞分化过程中作为转录调节因子。MIZUSHINA 等［24］也发现在部分肺部疾病中NLRP3 炎性小体并不是IL-1β 唯一的调控者。NLRP3 炎性小体主要表达于中性粒细胞、巨噬细胞、单核细胞和树突状细胞中，并诱导炎症反应［25］。研究发现在肺组织细胞中NLRP3 炎性小体的过度激活导致的异常炎症反应与多种肺部疾病有关，如肺动脉高压、慢性阻塞性肺病、肺间质纤维化、肺泡纤维化和哮喘等炎症相关肺部疾病。NLRP3 炎性小体在该类疾病的发生发展中发挥重要作用，但具体机制尚未完全清楚。

2.1 NLRP3 炎性小体和肺部感染呼吸道感染是临床较常见的疾病，同NLRP3 炎性小体参与固有免疫反应一样，NLRP3/ASC/Caspase-1 轴与肺部感染亦关系密切［21］。研究［26］发现，鲍曼不动杆菌可活化NLRP3 炎性小体并作用于免疫细胞产生IL-1β，继而导致小鼠肺部炎症反应。甲型流病毒是一种常见的呼吸道RNA 病毒，它能够感染机体并通过单链病毒RNA 与TLR7 受体结合，介导胞质内NLRP3 炎性小体各组分表达。此外，甲型流病毒的M2 蛋白能够触发K+离子外流，并介导了NLRP3炎性小体复合物的组装［27］。与正常小鼠比，Nlrp3、caspase-1 和Asc 基因敲除大鼠表现为更低炎症反应和高度的易感性。故推测NLRP3 炎性小体在IAV 感染的动物实验中作为保护性因子［28-29］。肺炎链球菌毒素（pneumolysin virulence factor）为一种新型炎性小体活化剂，在肺炎链球菌致病的呼吸道感染疾病中NLRP3 有重要的保护作用［30］。结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis，MTB）ESAT-6毒素可活化NLRP3 炎性小体，继而分泌大量促炎性因子IL-1β。研究发现，小鼠的对照组和NLRP3基因敲除组对MTB 具有相似的抵抗性，而Asc 基因敲除小鼠则较易被MTB 感染，推测当敲除NLRP3 基因后，其调控的代偿机制增加了IL-1β 的表达水平［31-32］。而奈瑟菌感染巨噬细胞，其通过ATP诱导IL-1β 分泌，而不是通过NLRP3/ASC/Caspase-1 轴介导IL-1β 分泌［33］。衣原体肺炎疾病中，NLRP3 炎性小体的活化并非损伤性mtROS 介导，而是与线粒体膜电位消失、功能失调有关［34］。综上，NLRP3 炎性小体在肺部感染性疾病中参与并发挥多种作用。

2.2 NLRP3炎性小体和肺纤维化在博来霉毒诱导肺纤维化小鼠模型中，Nlrp3基因敲除组IL-1β 水平低表达及肺组织聚集中性粒细胞减少，在caspase-1 和Asc 基因敲除组和caspase-1 抑制剂处理组中，博来霉毒所致的中性粒细胞侵润也是减弱的，肺组织损伤和炎症反应严重程度与支气管肺泡灌洗液（brachalveolar lavage fluid，BAL）中细胞外ATP（eATP）和尿酸的水平呈正相关，特发性肺间质纤维化患者的支气管肺泡灌洗液中eATP 也处于较高水平［35-36］。研究［35］表明，使用他汀类药物是发生间质性肺病的一个潜在危险因素，在动物实验中发现他汀类药物可使博来霉毒诱导caspase-1 过度活化，继而加剧肺损伤。故NLRP3 在肺纤维化的病理过程中扮演重要角色，为肺纤维化提供了一个有治疗意义的新靶点。

2.3 NLRP3 炎性小体和肺动脉高压VILLEGAS等［37］研究表明，低氧诱导肺动脉高压与NLRP3 炎性小体、caspase-1 的活化、IL-1β 的表达水平上调关系密切。CERO 等［38］证实Asc 基因敲除小鼠对低氧诱导肺高压具有一定抵抗性，原因可能与减少右心收缩压和肺血管的重塑有关，而NLRP3 基因敲除小鼠与对照组无明显差异，提示ASC 可能涉及多种炎性小体复合物。鞣花酸可通过抑制NLRP3 炎性小体的活化，对野百合碱诱导大鼠肺动脉高压疾病中具有一定的治疗作用［39］。研究通过量化分析炎性细胞因子的表达水平，继而评估特发性肺动脉高压患者的生存率［40］。炎性小体可能成为针对肺动脉高压治疗新的靶点［41］。

2.4 NLRP3 炎性小体和急性肺损伤（acute lung injury，ALI）ALI 和急性呼吸窘迫征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是临床较常见急性呼吸衰竭疾病。王虎等［42］和顾娜等［43］发现海水吸入性肺损伤组及PM2.5 致肺损伤组大鼠肺组织内NLRP3、IL-18、IL-1β 及caspase-1 的表达水平不同程度上调。与野生和IL-1β 基因敲除小鼠相比，高氧环境下NLRP3 基因敲除小鼠具有较高死亡率，NLRP3 基因敲除小鼠炎性细胞和炎性因子低表达，炎症反应较轻，而肺组织IL-1β 的表达量与野生小鼠差异无统计学意义［24］。DOLINAY 等［44］通过机械通气诱导肺损伤小鼠模型，并分析炎性小体在ALI 中的作用，结果表明机械通气对IL-1α、caspase-1 活化结构域-10、IL-1 受体-1 和受体-2（IL-1 r1、IL-1 r2）等炎性小体通路相关的因子的调节具有重要作用，机械通气与炎性小体适配衔接蛋白的表达量呈正相关，机械通气对IL-18 或caspase-1 基因敲除小鼠肺损伤和炎症反应相对较轻，推测原因是该组肺泡毛细血管膜通透性相对稳定和肺水肿相对较轻，故提示炎性小体及其调控的促炎因子在ALI 中具有促进作用。研究发现，不仅褪黑素可通过抑制NLRP3 炎性小体的表达［45］，中药成分苍术苷也可通过抑制NLRP3 炎症小体活化，继而减轻脂多糖诱导的ALI［46］，提示中药成分研究可作用NLRP3/ASC/Caspase-1 轴，为ALI 的治疗提供新思路。

2.5 NLRP3 炎性小体和慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）吸烟为COPD 发病的首要危险因素［47-48］。SUFFWAN 等［48］发现暴露在吸烟环境下，Nlrp3 基因敲除组小鼠BAL 中caspase-1 活化、IL-18/IL-1β 表达水平和中性粒细胞计数较野生型正常小鼠均降低。近年来研究表明，NLRP3 炎性小体与COPD关系越来越密切。FANER 等［49］发现在急性加重期组和稳定期组COPD 患者肺组织NLRP3 mRNA水平均显著高于对照组。孙世民等［50］研究发现，与COPD 稳定期相比，急性加重期患者血清IL-1β水平显著升高。DIMA 等［51］发现慢阻肺患者痰液和血清中IL-18、IL-1β 均不同程度的增高。以上研究表明，NLRP3 炎症小体对COPD 的诊断和治疗具有重要指导意义。

2.6 NLRP3 炎性小体和哮喘与COPD 一样，哮喘的急性发作与炎性小体的活化、气道炎症反应关系密切。研究［52］表明，在哮喘患者血清、诱导痰及支气管肺泡灌洗液中IL-1β 水平较正常明显升高。Th2 型反应是过敏性炎症反应的关键，NLRP3是Th2 型反应的重要调节因子，其活化可促进Th2程序的转录。动物实验表明，Nlrp3、caspase-1 和Asc 基因敲除小鼠中Th2 细胞因子水平降低［53］。KIM 等［54］发现抑制mtROS 水平，NLRP3 炎症小体的活化和IL-1β 表达水平均降低，继而可以减轻过敏性气道炎症反应。在衣原体和嗜血杆菌感染的激素抵抗型哮喘小鼠模型中，能够通过P2X7 受体促使NLRP3 炎性小体的活化，故推测NLRP3 炎性小体有可能成为激素抵抗型哮喘治疗的新靶点［55］。

3 小结和展望

NLRP3 炎性小体通过调控炎症反应，在肺纤维化和肺动脉高压中具有保护性作用，而在ALI/ARDS、COPD 和哮喘中会加重肺组织损伤和重构。NLRP3 炎性小体在肺部疾病中的具体作用尚未清楚，NLRP3 炎性小体与肺部疾病的相关性研究仍充满着挑战，进一步研究二者的相关性可能为疾病的治疗提供新靶点和新方向。