NLRP3炎性小体在呼吸系统疾病中的研究进展

张嘉诚，余佳，李满

(武汉大学人民医院肝胆外科，武汉 430060)

先天免疫系统是抵御微生物感染的第一道防线，其通过模式识别受体对微生物进行响应激活。炎性小体是一类多蛋白复合体，是介导宿主对微生物感染和细胞损伤免疫应答的重要组成部分[1]。在已知炎性小体中，核苷酸结合寡聚化结构域(nucleotide-binding oligomerization domain，NOD)样受体(NOD-like receptors，NLRs)家族一直备受关注。近年来研究显示，NLRs亚家族的核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎性小体具有重要作用[2]。NLRP3炎性小体识别相应分子模式并激活释放各类炎症因子[白细胞介素(interleukin，IL)-8、IL-1β等]，继而诱导炎症反应[1]。空气中各种病原体与肺中由气道上皮细胞、肺泡巨噬细胞、抗原呈递细胞和中性粒细胞共同表达的模式识别受体接触，激活下游信号转导引发先天免疫反应。研究表明，肺部针对有害刺激的早期免疫应答主要由炎性小体介导，促进炎症因子释放，从而起到保护作用，但是过量的炎症反应会加剧组织损伤，部分可导致呼吸系统疾病，大部分呼吸系统疾病的发生、发展起源于炎症反应，包括感染性肺炎、硅沉着病、哮喘、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)、急性肺损伤(acute lung injury，ALI)等[3]。现就NLRP3炎性小体在呼吸系统疾病中的研究进展予以综述。

1 NLRP3的组成及活化机制

NLR家族大多由三部分组成，即位于中心介导自身寡聚体形成的NOD、检测病原相关分子模式的一个富含亮氨酸重复序列的C端以及可变的N端结构域[4]，NLRP3即该N端的PYD(pyrin domain)结构域。一般情况下，NLRP3还需要酶组分胱天蛋白酶(caspase)-1和衔接分子ASC(apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruitment domain)参与组装，共同促进细胞因子IL-1β和IL-18的成熟，诱导溶解型细胞凋亡[2]。既往研究证实，诱导NLRP3活化的触发因子有很多，包括线粒体DNA和活性氧类(reactive oxygen species，ROS)[5]、晶体环境污染物(二氧化硅、石棉、明矾痛风相关病原体尿酸晶体和焦磷酸钙离子晶体)以及成孔毒素[2,6]。在巨噬细胞NLRP3激活过程中，现普遍认为有两个信号参与其中，第一信号(引发)由微生物分子或内源性分子组成，通过激活主要的转录激活因子核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)诱导NLRP3和IL-1β前体表达[6]；第二信号(激活)有许多刺激(如腺苷三磷酸、焦磷酸钙离子晶体)参与介导，促进ASC和caspase-1的组装，导致NLRP3炎性小体的活化[2]。

NLRP3炎性小体的激活机制分为经典途径和非经典途径。经典途径包括来自线粒体的ROS作为共同信号促进活化；细胞内K+浓度的降低，K+外排可能引起细胞外的Ca2+刺激激活炎性小体；溶酶体途径，通过吞噬颗粒物质(或活病原体)或通过无菌溶酶体损伤(无晶体)，导致NLRP3活化[2,7]。非经典途径一般由革兰阴性细菌诱导，脂多糖通过转染或感染被传递到细胞质中，并激活caspase-11，使pannexin-1通道打开，诱导NLRP3激活和IL-1β释放，促进K+外流，进而促进下游的炎症反应[4]；Viganò等[8]的研究表明，人体中可以通过caspase-4和caspase-5刺激脂多糖后，促使单核细胞释放IL-1α和IL-1β，从而激活后续的炎症反应。

2 NLRP3在COPD中的作用

COPD主要表现为慢性且持续性气流受限的呼吸症状，是一种常见的可预防、可治疗的疾病，COPD的危险因素主要是烟草烟雾(cigarette smoke，CS)、室内室外的空气污染和职业性灰尘[9-10]。NLRP3可能参与CS暴露的COPD的发病过程，研究发现，COPD小鼠表现出肺部炎症症状，而剔除NLRP3炎性小体的小鼠不仅失去生成NLRP3炎性小体的能力，同时也没有表现出相应的COPD症状，证实了NLRP3炎性小体对于COPD的发展必不可少[11]。然而，NLRP3炎性小体参与COPD的确切机制尚未阐明。Faner等[12]通过研究呼吸系统疾病网络生物医学研究中心肺部生物库提供的肺组织标本，发现稳定期COPD患者的肺组织中NLRP3和IL-1β的信使RNA表达显著上调，caspase-1和ASC均为非活性形式，说明NLRP3炎性小体在稳定的COPD中被引发，但是没有被激活；而在感染性COPD急性发作期间炎性小体被激活，并参与了急性发作的整个过程。Eltom等[13]在比较CS暴露小鼠与野生型小鼠模型时发现，CS暴露小鼠COPD和肺气肿的肺组织中caspase-1的活性水平更高；而caspase-1的活化以及后续IL-1β和IL-18等炎症因子的释放是NLRP3炎性小体发生作用的必要条件，说明CS暴露可以激活并产生更多的NLRP3炎性小体参与炎症反应的发生、发展。既往研究表明，NLRP3在CS与COPD之间充当桥梁作用，CS暴露后产生的ROS、腺苷三磷酸可作为信号分子介导COPD炎症反应的发生[2,14]。

Cao等[15]的研究提示，脂氧素受体激动剂BML-111可通过阻止NLRP3炎性小体的激活来抑制COPD小鼠的肺部炎症。Peng等[16]发现，褪黑素通过沉默信息调节因子1抑制NLRP3炎性小体和炎症因子IL-1β的表达，从而减轻气道炎症。这些研究均为以NLRP3炎性小体为靶点治疗COPD提供了依据和思路，只是既往的临床研究中，NLRP3相关靶向药物(如IL-1α和IL-1β以及IL-18和嘌呤能P2X7受体)的抑制剂并未取得期待的治疗效果[16]。临床与基础研究结果不一致甚至存有矛盾，表明COPD的发病机制可能不仅仅局限于NLRP3炎性小体信号通路，同时有其他的炎性机制参与。此外，临床与试验本身也可能存在显著的差异，如临床上中重度COPD患者会接受糖皮质激素治疗，而糖皮质激素可能抑制炎性小体成分，降低临床试验药物的效果。

3 NLRP3在病毒性感染性肺炎中的作用

研究表明，NLRP3炎性小体可以被甲型流感病毒(influenza A virus，IAV)的RNA和蛋白质激活[17]，但也有作用表现相反的蛋白，如IAV的NS1(non-structural protein 1)蛋白。NS1可以通过抑制NF-κB的激活抑制NLRP3炎性小体的激活，同时也作为NLRP3炎性小体的下调因子，抑制IL-1β和IL-18的分泌，证明NS1蛋白可以作为逃避宿主免疫反应的位点[18]。Tate等[17]通过NLRP3抑制剂MCC950暂时抑制NLRP3炎性小体观察感染不同时期NLRP3作用的实验发现，NLRP3对早期IAV感染起保护作用，而在感染后期，MCC950处理的小鼠较未处理的小鼠症状轻，说明NLRP3在后期可能导致病情恶化，这与以往的研究结果一致，证明NLRP3炎性小体对不同时期的感染作用不同[19-20]。

在IAV感染期间，NLRP3炎性小体激活需要2个信号，信号1涉及Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)对病毒RNA的识别，信号2则包括K+的流出、溶酶体的成熟以及ROS的产生，而NLRP3炎性小体的具体促炎作用主要由于下游的炎症因子IL-1β和IL-18，两者的区别在于，IL-1β增加急性期信号转导，将免疫细胞(如中性粒细胞)转移到原发感染的部位，并诱导次生细胞因子和黏附分子(如肿瘤坏死因子-α)产生，最终引起肺炎加重；而IL-18对于IAV感染小鼠的双重作用仍需要进一步的研究[17]。人呼吸道合胞病毒亦是一种可以引起肺炎的病毒，研究发现，中药金欣口服液可以通过干扰NLRP3的信号转导途径，抑制IL-1β和其他炎症因子的生成，减轻组织损伤[21]，证实了NLRP3炎性小体作为治疗靶点的可行性，未来针对病毒性感染性肺炎的治疗可以更多地考虑这一方面。

4 NLRP3在细菌性感染性肺炎中的作用

金黄色葡萄球菌是社区获得性和医院获得性感染性肺炎的重要病原体，感染严重时亦可以引起严重坏死性肺炎[22]。α-溶血素是诱导肺部炎症的关键毒力因子，在宿主生物中主要诱导炎症信号转导和细胞死亡。已有实验证明，α-溶血素以类似成孔毒素的方式激活IL-1β的加工分泌，其诱导细胞坏死的功能实现需要宿主NLRP3炎性小体的信号转导[23]。Kebaier等[24]的实验发现，NLRP3炎性小体介导了α-溶血素诱导的肺损伤，与野生型小鼠相比，NLRP3缺陷型(NLRP3-/-)的小鼠在感染肺炎后肺顺应性并没有降低，也没有明显的炎症反应，证实NLRP3炎性小体在介导肺炎的肺损伤中起作用，但是NLRP3-/-小鼠并未完全免受感染侵袭，说明炎症反应不仅仅依赖于NLRP3，NLRP3炎性小体亦未参加金黄色葡萄球菌所致肺炎的后续清除，NLRP3+/+的小鼠表现肺部过度炎症，说明NLRP3对于组织是不利的。

除α-溶血素外，细菌毒素的杀白细胞素A/B介导caspase-1活化，IL-18和IL-1β的分泌以及细胞死亡也需要NLRP3炎性小体的参与，只是在细胞死亡后，金黄色葡萄球菌从人单核细胞逃逸且不依赖于NLRP3信号通路，而是取决于白细胞素A/B的受体CD11b[25]。NLRP3炎性小体对于金黄色葡萄球菌所致的炎症反应至关重要，金黄色葡萄球菌通过修饰自身细胞壁防止被感染宿主细胞中的溶酶体降解，这种修饰间接导致了NLRP3传感能力的降低，最终达到免疫逃避的目的[26]。肺炎链球菌溶血素是肺炎链球菌主要的毒力因子，可以在细胞表面形成空洞，造成细胞裂解组织损伤[27]；而另一方面肺炎链球菌溶血素同时也可以干扰质膜并引起K+外排，作为激活剂激活NLRP3炎性小体，引发IL-1β和IL-18的分泌，导致下游一系列炎症反应的发生[28]。研究显示，IL-1β是抗肺炎球菌感染所必需的，而IL-1β的产生依赖于NLRP3炎性小体和TLR2，故而NLRP3炎性小体是肺炎链球菌感染的先天免疫应答的重要介质[28-29]。van Lieshout等[30]的实验显示，相比于野生型小鼠，NLRP3-/-小鼠表达的细胞因子和趋化因子水平降低，其中IL-1β的水平显著降低，并且在感染菌血症的48 h内死亡，而野生型的小鼠仅表现出较轻的肺炎症状，表明NLRP3在早期肺炎链球菌引起的肺炎中起到有益的作用[28,30]。总之，NLRP3炎性小体广泛参与细菌性感染性肺炎的发生、发展。

5 NLRP3在哮喘中的作用

哮喘的特征在于气道阻塞的反复发作，通常与气道高反应原性和慢性气道炎症有关，患者一般表现为反复发作的喘息、气促、胸闷和咳嗽等症状[31]。根据炎症表型以及诱导细胞比例可将哮喘分为嗜酸粒细胞型、中性粒细胞型、混合粒细胞型及寡粒细胞型[32]。对嗜酸粒细胞型哮喘的研究比较透彻，花粉、屋尘螨等可以激活TLR类模式受体，诱导先天细胞因子(IL-25、IL-35等)的合成，刺激TLR也可以促进树突状细胞的募集与成熟，在细胞质内经过处理产生过敏性肽片段，该片段与人类白细胞抗原分子结合后经抗原呈递细胞引起炎症反应；与嗜酸粒细胞型哮喘相比，中性粒细胞型哮喘与NLRP3炎性小体的关系更加密切，其中一种表达IL-17的CD4+特定诱导效应T细胞(辅助性T细胞17)起关键作用，其效应作用必须通过NLRP3炎性小体的活化产生活性的IL-1β、IL-18促进后续的炎症反应[33]。Simpson等[34]发现，在中性粒细胞型哮喘的疾病发展过程中，与NLRP3途径息息相关的caspase-4、caspase-5、caspase-1的基因表达水平显著升高，而在其他亚型却没有发现该变化。研究证明，ROS也在哮喘的气道炎症和组织损伤中扮演着重要角色，而线粒体ROS通过激活NLRP3炎性小体，导致气道炎性细胞和上皮细胞中产生成熟的IL-1β，抑制ROS的生成能够通过调节NF-κB的激活减轻哮喘的症状，因此利用ROS抑制剂治疗哮喘是一种可行的思路[35]。

6 NLRP3在硅沉着病中的作用

硅沉着病是世界上最重要的职业病之一，为结晶二氧化硅(silicon dioxide,SiO2)或SiO2所致，很早便为人所知[36]。在硅沉着病的整个疾病发展过程中，NLRP3炎性小体参与其中并占有很大比重。Cassel等[37]研究显示，SiO2可以作为一个活化分子，刺激巨噬细胞中的NLRP3与ASC等衔接因子组装，在caspase-1介导下共同促进IL-1β的分泌，参与疾病的发生；同时，细胞产生的ROS也作为NLRP3信号通路的上游信号用于激活NLRP3炎性小体；而在后续的实验中，采用鼻内滴注SiO2处理小鼠，与野生型小鼠严重的疾病表现相比，ASC-/-和NLRP3-/-小鼠的肺部炎症和肺纤维化更轻微，进一步证实了NLRP3炎性小体参与硅沉着病的发展。近年的研究表明，巨噬细胞的自噬作用可以通过螯合或降解炎性小体和细胞因子(如IL-1β前体)抑制SiO2暴露后的NLRP3炎性小体的活性以及后续的疾病进展[38]。

7 NLRP3在ALI中的作用

ALI及更严重的急性呼吸窘迫综合征由肺部对多种间接或直接损伤的复杂反应引起，导致ALI和急性呼吸窘迫综合征的病因很多，包括肺炎、休克、出血、脓毒血症等。NLRP3炎性小体密切参与ALI疾病的发生、发展，研究显示，中性粒细胞释放出的细胞外组蛋白是NLRP3的活化剂，能够直接激活脂多糖引发的炎性小体；来自巨噬细胞和中性粒细胞的关键因子IL-1β在接收到NLRP3炎性小体传递的信号后释放，加剧ALI的损伤；细胞外组蛋白激活NLRP3炎性小体的途径较复杂(包括经典途径K+外排和ROS生成)，部分依赖于Ca2+浓度的升高，而被激活的炎性小体可以正反馈地促进细胞外组蛋白的释放，加重炎症反应[39]。因此，NLRP3炎性小体可以成为靶标来对抗ALI或急性呼吸窘迫综合征，近期的研究也趋于这一方向。Yu等[40]的最新研究显示，在重症急性胰腺炎所致的ALI中，表面活性蛋白可以通过抑制NLRP3炎性小体和NF-κB的激活来减轻肺损伤，起到保护肺部的作用。此外，嘌呤能P2X7受体是NLRP3活化的上游，选择性P2X7抑制剂可以降低大鼠ALI的严重程度，改善ALI[41]。另有学者发现，青蒿琥酯可以减少由肾缺血再灌注介导的ALI中的NLRP3炎性小体激活，某种程度上通过抑制肺部ROS途径达到减轻损伤的目的(ALI大鼠模型由肾缺血再灌注介导远程肺部炎症所致)[42]。未来以NLRP3炎性小体为靶点治疗ALI或将可以实现。

8 小 结

NLRP3炎性小体是目前比较热门的研究领域。随着研究的深入，研究者对炎性小体的认识愈发全面，而在呼吸系统各类疾病中，NLRP3也扮演着重要的角色，参与各类疾病的病程。在细菌性感染疾病中，病原菌的有效应对实现了免疫逃避，但NLRP3炎性小体仍然可以作为治疗呼吸系统疾病的靶点，但目前NLRP3在疾病中的具体机制仍未明确(包括活化的信号、激活的途径等方面)。因此，将NLRP3炎性小体作为靶点用于治疗肺部疾病还需要进一步的研究。