NLRP3 炎性小体的激活及其与心血管疾病的关系

李歆涵 廉姜芳 周建庆

《中国心血管病报告2018》指出，我国心血管疾病患病率及死亡率仍处于上升阶段，心血管疾病死亡率居首位，高于肿瘤及其他疾病，占居民疾病死亡构成的40%以上[1]。可见，中国心血管疾病负担日渐加重，已成为重大的公共卫生问题，因此防治心血管疾病刻不容缓[1]。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）是核苷酸结合寡聚化结构域样受体家族的一种，其特点是能被数量繁多且来源、结构性质、化学组成无关联的激动剂激活[2]，由于其广泛的作用，NLRP3 炎性小体及其上下游通路被认为是治疗多种心血管疾病的靶点。近年来，以炎性小体为靶点治疗心血管疾病的研究是研究热点。2017 年进行的CANTOS 试验结果显示，卡纳单抗[白细胞介素 -1β（interleukin 1β，IL-1β）单克隆抗体，IL-1β 为NLRP3 炎性小体激活的下游通路]可使患者心肌梗死后心血管事件的发生风险在标准药物治疗基础上再降低约15%[3]。2019 年COLCOT 试验也验证了动脉粥样硬化的炎症假说，结果显示与安慰剂组相比，0.5 mg 秋水仙碱治疗组可明显降低近期心肌梗死患者首次及总缺血性心血管事件的发生风险，秋水仙碱的抗炎作用部分源于它能够抑制NLRP3 炎性小体的激活[4]。这些临床试验表明，抑制炎症反应是心血管事件高危患者二级预防的关键治疗策略[4]。NLRP3 炎性小体已被证实在一些心血管疾病中起关键作用，如动脉粥样硬化、高血压、心肌缺血再灌注、动脉瘤或动脉炎的血管损伤、糖尿病心肌病、慢性心力衰竭等[5]。因此，本文就NLRP3 炎性小体的激活及其与心血管疾病的关系作一综述。

1 心脏中NLRP3 炎性小体的结构和激活

炎性小体复合物通常由3 个部分组成：由病原相关分子模式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）或损伤相关分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）触发的传感器受体——NLRP3 受体蛋白、促进炎症反应的衔接子ASC、引发炎症级联的效应子含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶 1（caspase-1）[5]。通常，NLRP3 受体蛋白不足以有效地形成炎性体而保持非激活的泛素化状态[6]。

NLRP3 炎性小体的激活需要两步。第一步，胞膜上的 Toll 样受体（toll-like receptor，TLR）接受刺激后激活 TLR4/MyD88、TRIF/ 核因子 κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB） 信号通路，由 NF-κB 介导NLRP3 受体蛋白及下游促炎因子如pro-IL-1β 的转录上调。第二步，由NLRP3 受体蛋白介导NLRP3炎性小体的组装[7]。当NLRP3 受体蛋白检测到PAMP或DAMP 时，NLRP3 受体蛋白中的吡啶结构域与ASC 中的吡啶结构域结合。接着，ASC 通过CARDCARD 相互作用与pro-caspase-1 结合。随后，pro-caspase-1 活化为caspase-1，继而诱导下游促炎因子 IL-1β、IL-18 成熟和分泌。同时，caspase-1 裂解gasdermin D 蛋白（GSDMD）为 GSDMD-NT 结构域（p30）和 GSDMD C 末端结构域（p20）[8]；GSDMD-NT与细胞膜上的磷脂酰肌醇结合，诱导膜孔形成并释放内容物，这种依赖caspase-1 的GSDMD 裂解被定义为典型的细胞焦亡[9]。细胞焦亡是一种细胞炎性凋亡，它的减少和增加均可导致组织损伤。目前，可以在单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞、平滑肌细胞、血管内皮细胞等许多其他细胞类型中观察到细胞焦亡[10]。给予适当刺激，心脏中的每种细胞类型都可能触发NLRP3 炎性小体，但激活该炎性小体所需的刺激及活化后的作用有所不同[11]。

目前，心脏中NLRP3 炎性小体的具体激活机制主要有4 种——溶酶体破裂和组织蛋白酶B（cathepsin B，CSTB）释放假说、离子流假说、内质网应激假说、活性氧（reactive oxygen species，ROS）和线粒体假说。（1）溶酶体破裂和CSTB 假说。一些晶体或颗粒物质（如草酸钙晶体）被吞噬后会导致溶酶体破裂，释放CSTB 及其修饰的蛋白质，激活NLRP3 炎性小体[12]。（2）离子流假说[13]。K+外流是NLRP3 炎性小体激活上游的常见机制[13]。Di 等[14]发现巨噬细胞中，K+通道蛋白TWIK2 是K+外流和NLRP3 炎性小体激活的中介物。ATP 刺激细胞后，细胞膜上的配体门控离子通道P2X7 受体促进Ca2+及Na+内流并弱化介导K+内流的TWIK2，触发K+外流，诱导细胞膜半通道蛋白pannexin-1 募集，形成大的膜孔，激动剂由此穿过细胞膜直接激活NLRP3 炎性小体[15]。Green 等[16]研究发现，K+外流促进NLRP3 炎性小体活化，Cl-外流促进ASC 聚集，而Ca2+在NLRP3 炎性小体激活中的作用存在争议[13]。（3）内质网应激假说。近年来，许多研究表明内质网应激在各种心血管疾病的发病机制中起着重要作用。Chen 等[17]总结了 p38 MAPK、JNK、XBP1、CHOP、TXNIP、mTORC1、NF-κB 是将内质网应激与 NLRP3炎性小体的激活联系起来的重要分子节点。（4）ROS和线粒体假说。大多数激活剂通过诱导ROS 产生激活NLRP3 炎性小体[18]。硫氧还蛋白相互作用蛋白TXNIP 是氧化应激与炎症的重要连接点，ROS/TXNIP/NLRP3 通路已被广泛认可。高ROS 水平诱导 TXNIP 从硫氧还蛋白（thioredoxin，TRX）上解离[19]，TXNIP 通过丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶NEK7 间接激活 NLRP3 炎性小体[20]。Sharif 等[2]也证实了 NLRP3炎性小体激活中NEK7 许可的必要性。此外，ROS主要在线粒体产生，线粒体功能异常引起的mtROS和mtDNA 上调参与NLRP3 炎性小体的激活[21]。线粒体外膜蛋白NIX 介导的线粒体自噬可通过减少ROS 的产生、抑制NLRP3 炎性小体的激活来抑制巨噬细胞的焦亡[22]。以上假说在功能上互相交叉，共同促进心血管疾病的发生、发展。

2 NLRP3 炎性小体的激活与心血管疾病的关系

2.1 NLRP3 炎性小体的激活与动脉粥样硬化的关系 在冠心病早期，高胆固醇血症和氧化修饰的低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，ox-LDL）是斑块形成的关键危险因素[23]。血管内皮细胞是血液和血管壁之间的屏障，血管内皮细胞损伤被认为是动脉粥样硬化病变的起点。当血液脂质或炎症介质（如DAMP）升高，NLRP3 炎性小体途径被激活，焦亡相关蛋白 NLRP3、caspase-1、IL-1β 等水平上调，最终触发血管内皮细胞凋亡，导致内皮完整性丧失[24]。低密度脂蛋白（low density lipoprotein，LDL）促进胆固醇晶体沉积在血管壁，巨噬细胞吞噬后破坏溶酶体，释放ROS，ROS 诱导LDL 受体1 活化并将LDL 氧化成ox-LDL[25-26]。与胆固醇、LDL 相比，结晶胆固醇和ox-LDL 具有更强的激活炎性体效果[23]。在吞噬氧化、乙酰化、糖基化或其他修饰的胆固醇后，巨噬细胞失去了迁移能力，以泡沫细胞的形式留在原位，成为斑块核心的基础[27]。位于细胞膜的TLR4 识别ox-LDL 和胆固醇结晶，通过TLR4/MyD88/NF-κB 信号通路来上调 NF-κB 的表达。NF-κB 促进细胞内 IL-1β、IL-18 前体的转录[28]。然后ROS/TXNIP/NLRP3 通路激活，接下来的连续过程是 NLRP3 炎性小体组装、casepase-1 活化、IL-lβ和IL-18 前体成熟、膜孔形成诱导细胞焦亡。促炎因子IL-1β、IL-18 诱导巨噬细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、血管平滑肌细胞的浸润和活化，并促进细胞外纤维素、胆固醇的积累及磷酸钙结晶沉积，被吞噬后进一步破坏巨噬细胞的溶酶体，形成正反馈，加重组织损伤[29]。NLRP3 炎性小体的激活促进平滑肌细胞、巨噬细胞的迁移能力并增加巨噬细胞中溶酶体中脂质的沉积[30]。IL-18 还可诱发血管平滑肌细胞及巨噬细胞坏死，释放基质金属蛋白酶，降低斑块的稳定性[31]，导致血管栓塞和组织梗死。Vogel 等[32]研究验证了血小板可能是各种损伤相关分子模式DAMP 分子的潜在靶标，血小板上TLR4/NLRP3 的激活是血小板聚集和血栓形成的关键。

综上所述，动脉粥样硬化中内皮功能障碍、LDL积累和氧化、单核细胞和淋巴细胞的募集、平滑肌细胞的迁移和增殖、促炎因子的激活、血小板的黏附等过程均有NLRP3 炎性小体参与[24]。在动脉粥样硬化斑块中也观察到了NLRP3 炎性小体介导的细胞焦亡，且与斑块破裂和血管炎症呈正相关[24]。由此可见，NLRP3 炎性小体的激活在动脉粥样硬化的发生、发展中起了关键作用。在最新的报道中，Tian 等[33]证实了新发现的抗炎因子IL-36 受体拮抗剂（IL-36RN）可通过IL-36RN/NLRP3 炎性体途径发挥抗动脉粥样硬化的作用。目前，NLRP3 炎性小体激活相关的分子机制正不断被扩展研究。

2.2 NLRP3 炎性小体的激活与心肌缺血再灌注的关系 众所周知，心肌梗死后炎症反应可包裹坏死组织，并形成瘢痕。然而，过强或过弱的炎症反应会影响瘢痕的形成，增加心脏破裂风险[34]。再灌注挽救梗死心肌边界区域时发生的炎症反应可损伤这部分心肌，即缺血再灌注损伤[34]。有证据表明，心肌缺血再灌注损伤触发的无菌炎症反应是通过NLRP3炎性小体介导的[35]。

在急性心肌梗死动物模型中，NLRP3 炎性小体3～24 h 内在心肌中形成，且加剧缺血再灌注损伤；在再灌注和未再灌注的急性心肌梗死小鼠中，炎性小体的表达分别在第1 天和第3 天达到峰值[36]。然而，心肌缺血再灌注诱导炎症的机制不明。Kawaguchi等[37]发现心脏成纤维细胞中NLRP3 炎性小体的激活在心肌缺血再灌注损伤后的初始炎症反应中发挥了关键作用。Xu 等[38]发现TRAF5 基因的表达在缺血再灌注损伤小鼠的心脏组织和心肌细胞中明显上调，而TRAF5 基因敲除小鼠心脏受损较重，同时还发现TRAF5 通过抑制NF-κB 抑制炎症反应，可能成为心肌缺血再灌注损伤的新治疗靶标。值得注意的是，去乙酰化酶SIRT1 被激动剂激活后，通过Akt-PDH 信号通路抑制了ROS 介导的NLRP3炎性小体激活，并改善了缺血再灌注损伤期间的心肌细胞焦亡，提示SIRT1 信号传导是治疗心肌缺血再灌注损伤的潜在机制[39]。亦有研究表明，高度选择性caspase-1 抑制剂VX-785 通过PI3K/Akt 通路保护离体的灌注大鼠心脏，减少心肌梗死面积[40]。这些结果表明，NLRP3 炎性小体的激活及其介导的焦亡是心肌缺血再灌注损伤新的潜在治疗靶点，建议进一步研究NLRP3 炎性小体在心肌缺血再灌注中的作用。

2.3 NLRP3 炎性小体的激活与高血压的关系 高血压是一种多因素引起的慢性心血管疾病，越来越多的实验数据将炎症视为高血压发生、发展的基本过程。适应性和先天免疫系统都参与了高血压的发生、发展[41]。血管平滑肌细胞的迁移在高血压的病理及生理机制中具有重要作用[42]。Han 等[42]发现姜黄素通过抑制自发性高血压大鼠血管平滑肌细胞中NF-κB 介导的NLRP3 表达，从而抑制血管平滑肌细胞迁移。Sun 等[41]研究发现，在自发性高血压大鼠主动脉的平滑肌细胞中观察到NF-κB 上调、NLRP3炎性小体激活及组蛋白乙酰转移酶表达增加，同时发现沉默NLRP3 基因可改善自发性高血压大鼠主动脉的血管重塑和表型转换，减缓高血压疾病进展。提示NLRP3 炎性小体是高血压患者血管平滑肌细胞表型转化和增殖的关键正调控因子。此外，肾素血管紧张素系统的激活与高血压的发生密切相关，证据表明NLRP3 炎性小体的激活在其中起关键作用。Hu 等[43]发现在应激性高血压大鼠模型中，外部环境压力上调了延髓腹外侧区头端肾素原、肾素原受体的表达，继而增加ROS 的产生，并在原代培养的小胶质细胞中触发了小胶质M1 表型转换和NLRP3 炎性小体激活，继而下游促炎因子释放，导致肾交感神经活动增强及血压升高。MCC950（一种特异性NLRP3 炎性小体抑制剂）可有效降低高血压大鼠的血压，减轻其肾脏炎症、纤维化和功能障碍[44]。研究发现，血管紧张素Ⅱ增强了溶酶体膜通透性，随后释放CSTB，通过上述的溶酶体破裂和组织蛋白酶B 释放假说激活NLRP3 炎性小体[45]。Zhang等[46]发现通过抑制钙敏感受体，可抑制血管紧张素Ⅱ诱导的血管平滑肌细胞中NLRP3 炎性小体及血管平滑肌细胞胶原合成[44]。以上结果提示高血压高度相关的肾素血管紧张素系统与NLRP3 炎性小体之间有一定的关系，为抑制NLRP3 炎性小体抗高血压提供了支持。

3 小结和展望

大量体内和体外研究证实，NLRP3 炎性小体的激活参与了多种心血管疾病的发生、发展过程，而抑制NLRP3 炎性小体的激活可减缓心血管疾病的发生、发展，但具体机制仍有待深入研究。临床COLCOT 试验和CANTOS 试验显示出靶向NLRP3炎性小体的激活治疗心血管疾病具有一定的安全性和有效性，但全身性靶向抑制NLRP3 炎性小体可能产生干扰免疫稳态的风险。因此，提高NLRP3 炎性小体抑制剂治疗的有效性和安全性，可能是未来的研究重点。