NLRP3炎症小体与心室重塑的研究进展

林立超 综述，朱鹏立，余惠珍,3 审校

(1.福建医科大学 省立临床医学院 心内科，福建 福州 350001；2.福建省临床老年病研究所，福建 福州 350001；3.福建省立医院南院 内科，福建 福州 350028)

心室重塑是心力衰竭(心衰)进程中重要的病理过程[1]。压力超负荷(高血压、主动脉狭窄)、心肌缺血(心肌梗死)、心肌炎症病变(心肌炎)等均可发生重塑[2]，导致心脏的结构、性状和功能改变。心脏由心肌细胞、非心肌细胞(内皮细胞、成纤维细胞和浸润的炎症细胞)和细胞外基质组成。心肌细胞在压力超负荷状态下，可通过心肌肥大增强心脏收缩力，维持心脏泵血功能，但该代偿状态是有限的，超过这一极限将导致心肌供血不足，使心肌细胞损伤或死亡，即使早期没有心肌细胞的损伤/死亡，仍能通过炎症诱导心室重塑，最终导致心衰[3]。此外，心肌细胞在缺血状态下发生凋亡、坏死或其他形式细胞死亡(焦亡)，导致心室壁变薄，心肌收缩功能减弱[4]。成纤维细胞是心脏中最为丰富的细胞，在多种病理刺激下，可分化为肌成纤维细胞，分泌胶原蛋白，促进细胞外基质沉淀和纤维化形成[5]。

目前认为，除经典的神经体液机制和交感神经系统机制外，炎症反应在心室重塑中也起着重要的作用，并且在已知机制无法解释的射血分数保留型心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)中，炎症反应也愈来受到关注[6]。在近年的研究中，学者发现NLRP3炎症小体及其下游的炎症因子在心力衰竭的动物模型中表达升高，并参与心室重塑的病理过程[3,5]。对炎症体的深入研究将有助于对心室重塑机制的理解，并可能为改善心功能提供新的干预靶点。本文对NLRP3炎症小体与心室重塑的研究进展作一综述。

1 NLRP3炎症小体概述

1.1 NLRP3炎症小体的组成和功能

炎症反应是先天免疫系统对有害刺激的反应，是机体的一种保护机制[7]。机体内细胞能够接受外源性的危险信号(病原体)和/或内源性的危险信号(细胞内容物)。前者又称病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)，后者又称损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)[8]。质膜上或质内的受体(pattern recognition receptors，PRRs)能够识别这些危险信号，然后经下游通路激活炎症反应[9]。炎症小体是一种多蛋白复合物，由受体蛋白(pattern recognition receptors，PRRs)、衔接蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)和效应蛋白(cysteine-aspartic acid protease family，caspase family)组成[8]。

PRRs是炎症体的核心成分，大致可分为NLR家族和非NLR家族。前者即NOD样受体(NOD-like receptors，NLRs)，后者包括Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)、RIG样受体(RIG-like receptors，RLRs)，C-型凝集素样受体(C-type lectin receptors，CTLs)和AIM样受体(AIM-like receptors，ALRs)[10]。其中，TLRs和CTLs存在于细胞膜上，而NLRs、RLRs和ALRs存在于细胞内。NLR家族又可分为NLRA亚家族、NLRB亚家族、NLRC亚家族以及NLRP1-14[10]。在NLR家族中，各成员的组成有所不同，其中对于NLRP3的研究最为广泛和全面。NLRP3由三部分组成，分别是羧基端亮氨酸富集结构域(leucine-rich repeat domain，LRRs)，中央区核苷酸结合寡聚化结构域(nucleotide-binding oligomerization domain,NOD),也称NACHT和氨基端效应结构域(pyrin domain, PYD)[11]。受体蛋白通过LRR识别PAMPs或DAMPs，然后经PYD与衔接蛋白的PYD结合[12]。ASC为炎症小体所通用，与PRRs结合后进而通过自身半胱天冬酶活化募集结构域(caspase-activating and recruitment domain，CARD)与效应蛋白(pro-caspase-1)的CARD结合，从而激活效应蛋白[12]。效应蛋白被激活后启动下游的炎症或焦亡通路。前者为经典通路，将pro-caspase-1切割为活性形式的caspase-1，促进下游的白介素-1β(IL-1β)和白介素-18(IL-18)的成熟和分泌，进而引起一系列炎症反应[13]。后者是一种新型细胞死亡过程，主要依赖caspase-1将pro-Gasdermin D剪切为活性形式的Gasdermin D，随后诱导焦亡，此外，caspase-11也可直接剪切pro-Gasdermin D或再次激活NLRP3炎症小体[14]。

1.2 NLRP3炎症小体的激活

NLRP3炎症小体的激活主要涉及两个步骤：第一步是上调各组分及下游因子的表达。DAMPs或PAMPs激活细胞膜上的TLRs，使转录因子NF-κB(nuclear factor-κB)在转录水平上调NLRP3蛋白的表达[15]。第二步是活化NLRP3，促进多蛋白复合体的组装。目前认为，NLRP3的活化主要涉及三种机制[16-18]。第一种是钾离子外流。当细胞内钾离子浓度<90 mmol/L时，NLRP3炎症小体能自发形成，钾离子浓度升高则抑制其形成。细胞内钾离子外流由细胞膜上P2X7受体和pannexin-1孔道激活引起，三磷酸腺苷(ATP)是其主要的刺激物[16]。第二种是活性氧(reactive oxygen species，ROS)形成。ROS激活NLRP3炎症小体与硫氧还蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein ，TXNIP)和硫氧还蛋白(Trx)的失衡有关[17]。第三种是溶酶体损伤。细胞吞噬特定的胆固醇结晶或微粒导致溶酶体损伤，释放组织蛋白酶，启动下游效应蛋白，促进炎症体形成与激活[18]。此外，研究发现溶酶体损伤释放的组织蛋白酶也能激活TXNIP，后者可直接激活NLRP3炎症小体的效应蛋白发挥下游作用[19]，提示NLRP3活化的机制并非完全独立。

2 NLRP3炎症小体与心肌肥大

心肌肥大是应对长期的压力超负荷所产生的代偿状态，能够增强心脏收缩力，维持心脏泵血功能。但这种代偿是有限度的，超过一定限度，心肌耗氧将超过冠脉血供，引起心肌缺血损伤，导致心肌收缩力下降，最后发展为心衰。为研究在心肌肥大时是否有炎症反应的参与，研究人员结扎大鼠主动脉构建左心肌肥大的动物模型，于术后1、3、5、7、14天行超声心动图、显微镜观察心脏解剖、功能以及组织水平改变，并行定量PCR等技术分析炎症基因的表达水平。研究认为，心肌肥大可分为早期炎症阶段和心肌肥大阶段。前者为主动脉结扎术后3～5天，期间趋化因子MCP家族、IL-1β、NLRP3、TNF-α等表达增加。后者为术后7～14天，由炎症细胞(单核/巨噬细胞)浸润，参与心肌肥大，导致心脏重量/体重增加[20]。但心肌肥大中的炎症体来源以及在心室重塑过程中所起的具体作用尚未完全明确。

根据心肌肥大与炎症反应间的联系，有学者试图通过抑制其中的某一环节来了解NLRP3炎症体在心肌肥大中的作用。RAGE(receptor for advanced glycation endproducts)是细胞膜受体，在多种细胞类型中低表达[21]，有报道显示其与血管紧张素II诱导的心肌肥大相关，但机制尚未阐明。Lim S等[22]在体外利用血管紧张素II诱导心肌肥大，并检测到NLRP3水平升高，随后经sRAGE(PAGE抑制剂)处理，发现NLRP3水平减低并且心肌肥大缓解，故提出存在PAGE—NF-κB—NLRP3—IL-1β信号通路，该通路参与心肌肥大。此外，Li R等[23]为研究雷公藤内酯醇(雷公藤的活性成分)如何影响心室重塑，建立主动脉缩窄的心室重塑小鼠模型，检测发现手术组小鼠左心室组织提取液中NLRP3炎症体的水平显著增高，随后腹腔内注射一定量雷公藤内酯醇，结果显示NLRP3炎症体和下游炎症因子被抑制，并且雷公藤内酯醇治疗组的左心室重量较对照组明显降低，提示该治疗能缓解心肌肥大，故研究认为雷公藤内酯醇可能是通过抑制NLRP3诱导的炎症反应而发挥抗心肌肥大作用。

这些研究的发现让人们对心肌肥大有了更深入的理解，也为NLRP3炎症体成为心肌肥大的干预靶点提供了理论依据，但通过抑制NLRP3炎症小体来阻断心肌肥大这一代偿机制是否能够延缓甚至阻止心衰进程，尚不能明确。

3 NLRP3炎症小体与心肌损伤

心肌损伤可由多种原因导致，心肌细胞数量的减少可直接影响心肌收缩功能，此外，其所释放的内容物(DAMPs)可通过活化NLRP3，引起炎症级联反应，参与心肌进一步损伤。根据损伤的机制，可大致分为缺血性心肌损伤和非缺血性心肌损伤。

3.1 NLRP3炎症小体和缺血性心肌损伤

缺血性心肌损伤可由稳定性心绞痛、不稳定性心绞痛和急性心肌梗死引起。心脏对缺血性损伤极其敏感，损伤最初是由组织血供减少所致，随后由于再灌注发生强烈和高度特异性的炎症反应而进一步恶化[24]。NLRP3炎症体是先天免疫系统中的大分子蛋白质复合物，其可接受外源性的PAMPs和/或内源性的DAMPs[8]。当心肌细胞受损甚至死亡后，会释放出细胞内容物(DAMPs)，通过TLR4-NF-κB通路上调NLRP3炎症小体的基因表达，继而活化NLRP3，促进炎症体的组装激活。激活的炎症体继续切割活化下游的炎症因子，引起炎症级联反应，通过其诱导的坏死、焦亡，进一步释放细胞内容物，导致更大范围的心肌损伤、心室扩张和心功能障碍[25]。有研究发现秋水仙碱不仅是传统上用于治疗痛风的药物，还能降低心梗后血浆中炎症细胞因子(IL-1β、IL-18)水平[26]，但其是否能改善不良心室重塑和心功能障碍仍不明朗。Fujisue K等[27]行左冠状动脉前降支永久闭塞术构建心肌梗死小鼠模型，每日定量予以口服秋水仙碱，于术后1、3、7、28天观察实验指标。结果显示，治疗组与对照组小鼠术后24小时NLRP3炎症小体在缺血梗死区域表达增加，而秋水仙碱能够抑制这些表达，减少炎症细胞浸润，抑制左室瘢痕扩大。

虽然炎症反应是机体的防御机制，但如此扩大的炎症反应显然没有好处，所以，针对性的干预治疗具有一定的前景。但目前包括秋水仙碱在内的NLRP3炎症体靶向药物仍处于动物实验阶段，其能否应用以及如何应用于今后的临床工作仍需要进一步的研究。

3.2 NLRP3炎症小体与非缺血性心肌损伤

非缺血性心肌损伤可由糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)、心肌炎等疾病引起。DCM是指糖尿病患者出现的，不能用其他心脏疾病所解释的心肌疾病，是患者死亡的主要原因之一，常见于2型糖尿病。该病的特点是在机体代谢紊乱和微血管病变的基础上出现广泛的心肌细胞损伤、死亡，导致心功能异常，最终进展为心力衰竭[28]。电镜显示，DCM小鼠和大鼠心肌含有肿胀的原纤维和线粒体，是细胞焦亡的特征[29]，而焦亡是炎症体介导的特殊的细胞死亡形式，提示炎症体可能参与DCM形成。为研究这一假设，Luo B等[30]采用高脂饮食和低剂量链脲佐菌素诱导2型糖尿病大鼠模型，并沉默一组实验对象的NLRP3表达，通过超声心动图和组织病理学等方法评估沉默组与对照组中DCM的发展。结果表明，NLRP3炎症体参与高葡萄糖诱导的心肌损伤，其所介导的焦亡在DCM中作用明显。目前尚没有专门针对糖尿病引起心肌病的疗法，抑制NLRP3炎症小体为临床实践提供了新方向。此外，在心肌炎的有关研究中，抑制NLRP3炎症体对心肌细胞的保护作用也逐渐被认同[31-32]。

4 NLRP3炎症小体与心肌纤维化

心室重塑不仅有心肌细胞质(心肌肥大)和量(心肌数量减少)的改变，非心肌细胞(成纤维细胞和浸润炎症细胞)和细胞外基质(主要是胶原纤维)也发生相应的变化。心肌纤维化是不可逆的病理生理过程，心脏成纤维细胞产生的胶原纤维在细胞间过度积累，导致心脏顺应性降低，舒张功能障碍[33]。此外，炎症细胞浸润到受损组织后能分泌大量促炎介质和促纤维化因子，促进细胞外基质蛋白沉积[34]，这些细胞因子包括NLRP3炎症小体的下游细胞因子IL-1β和IL-18。IL-1β不仅能以剂量依赖的方式直接刺激胶原蛋白的合成，也促进其他促纤维生长因子的释放，如TNF-α、IL-6和TGF-β1[34]。这提示NLRP3炎症体作为IL-1β和IL-18的上游复合物，可能也参与心肌纤维化。

近年来，研究人员试图验证这一假设。Wan Y等[35]首先通过异丙肾上腺素诱导小鼠心肌纤维化，建立4个实验组，然后使用不同剂量皂苷元环增效醇(黄芪的有效成分)抑制炎症反应，最后采用苏木精-伊红染色评估组织炎症细胞浸润情况及心肌纤维化，用定量PCR评估蛋白表达水平，结果显示高剂量的皂苷元环增效醇能显著下调NLRP3炎症小体途径中的NLRP3、caspase-1和IL-18的基因表达，而低剂量的皂苷元环增效醇没有明显抑制作用，该结果一方面支持这一假说，另一方面也表明皂苷元环增效醇对于炎症体的抑制存在剂量依赖效应。此外，在对雷公藤内酯醇的进一步研究发现，其还可通过抑制NLRP3炎症体的活化，降低IL-1β成熟，进而抑制心脏成纤维细胞内信号传导，导致胶原蛋白生成减少，发挥抗心肌纤维化的作用[36]。

心肌纤维化是心衰的独立危险因素，迄今尚未有完善的抗心肌纤维化的治疗策略。随着NLRP3炎症体在心肌纤维化中作用的研究深入，其有望成为抗心肌纤维化治疗的有效补充。

5 NLRP3炎症小体与其他心室重塑病理过程

除了上述的三个方面，心室重塑还包括血管重塑和电生理重塑。前者常发生在心肌梗死、高血压患者中，冠状动脉侧支循环的形成是血管重塑的主要机制[2]。NLRP3炎症体在血管壁细胞(内皮细胞、平滑肌细胞、结缔组织细胞)中的作用已得到了广泛的关注，主要参与内皮细胞的功能障碍[37]、平滑肌细胞的迁移增殖[38]、血管周围脂肪组织功能障碍[39]，提示其与血管功能及结构密切相关。但大部分研究并非针对冠状动脉，故NLRP3炎症小体是否参与冠脉侧支的血管重塑以及在其中起到何种作用仍有待进一步研究。后者常由心肌肥大或心肌梗死所致，并常发生致死性的心律失常(室性快速型心律失常)，是心衰患者的主要死亡原因，但对于电生理重塑机制的理解却知之甚少。近期发表在Circulation杂志上的一篇文章首次揭示了NLRP3炎症小体与房颤的联系，Yao C等[40]提出了包括NLRP3增强Ryr2表达在内的多种机制，并认为靶向抑制NLRP3炎症体及其下游炎症因子可能成为房颤治疗的新选择。该研究不仅证实了NLRP3炎症小体对心房电生理重塑作用，也为今后对心室电生理重塑的研究提供了重要的理论依据。

6 结 语

综上所述，在心室重塑涉及的多个病理过程中，NLRP3炎症小体已经成为研究热点。抑制NLRP3炎症小体可能成为延缓心室重塑的新方向。但是未来其靶向药物能否步入临床、如何选择合适的给药途径与剂量，仍有待大样本的临床研究。