NLRP3炎症小体在脓毒症及其相关器官功能障碍中的研究进展

王 敏，朱惠芳，罗开源

（1.赣南医学院2019级硕士研究生；2.赣南医学院第一附属医院儿童医学中心，江西 赣州 341000）

脓毒症是由于宿主对感染的反应失调导致危及生命的器官功能障碍［1-2］。脓毒症的病理生理极为复杂，与免疫反应密切相关，如果不能及早发现和治疗，很可能进一步发展为脓毒性休克，更严重者会出现多器官功能衰竭甚至死亡等不良结局。脓毒症仍是全球范围内主要的死亡原因之一，具有较高的发病率和死亡率，给全世界造成了巨大的经济损失。2017 年，全世界脓毒症病例近5 000 万，与脓毒症相关的死亡病例近1 100 万；同年5 月26 日，世界卫生大会和世界卫生组织已经将脓毒症列为全球卫生优先事项［3］。目前脓毒症尚无特异性生物标志物，也无特效治疗药物，寻求脓毒症早期诊断指标以及治疗的新靶点已经成为研究热点。

Nod样受体家族核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors family pyrin domain containing 3，NLRP3）炎症小体是固有免疫反应的重要组成部分，固有免疫系统通过特定的模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）识别体外入侵的各种微生物以及体内的危险刺激信号。PRRs的种类较多，存在形式多样，不仅在细胞膜上表达，也在细胞质中以及溶酶体膜等广泛分布，目前研究较多的主要有位于细胞膜上的Toll 样受体（Toll-Like Receptors，TLRs）和位于细胞质中的Nod 样受体（Nod-Like Receptors，NLRs），这两类PRRs 能识别病原体相关分子模式（Pathogen associated moleculal patterns，PAMPs）或损伤相关分子模式（Damage associated moleculal patterns，DAMPs）［4］。NLRP3 炎症小体能够促进半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（cysteinyl aspartate specific proteinase-1，Caspase-1）依赖性的白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和白细胞介素-18（interleukin-18，IL-18）的成熟，从而激活下游炎症相关信号通路。

已有证据表明NLRP3 炎症小体的过度激活与多种疾病的发生发展密切相关，包括代谢性疾病（如动脉粥样硬化、2 型糖尿病、肥胖）［5-6］、心脑血管疾病（缺血性卒中）［7］、炎症性疾病（如肝脏疾病、炎症性肠病）［8-9］、神经退行性疾病（如亨廷顿病、帕金森综合征、阿尔茨海默病、多发性硬化症）［10］、自身免疫性疾病（如自身免疫性脑炎）［11-12］以及肿瘤性疾病［13］。还有研究者推测NLRP3 与早产的关系，认为绒毛膜NLRP3 炎症小体的过早激活是导致早产的重要机制，胎盘中NLRP3 炎症小体的激活也参与了子痫前期和其他胎盘疾病的发生［14］。研究发现，多种细胞因子如IL-1β、IL-6、IL-12、IL-17、TNF-α、IFN-γ等与脓毒症的发生发展有关［15］。这提示NLRP3 炎症小体及其炎症信号通路或许有望成为脓毒症的诊断指标和治疗靶点。本综述主要总结了近年来NLRP3 炎症小体在脓毒症及其相关器官功能障碍中的研究进展。

1 NLRP3炎症小体结构及其下游细胞因子

自从MARTINON F 等［16］在2002 年提出炎症小体的概念以来，研究者们对它们的结构、功能及其机制的认识在不断完善。目前研究发现了5种主要的炎症小体，包括NLRP1、NLRP3、NLRC4、AIM2 和Pyrin 炎症小体［17］。迄今为止，研究最充分的炎症小体是NLRP3 炎症小体（一类分子量约为700 kDa 的胞浆内多聚体蛋白复合体），包括NLRP3、接头蛋白凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein，ASC）、Caspase-1 三部分。NLRP3 包含三个结构域：羧基末端富含亮氨酸重复序列的受体（LRR）结构域，主要通过LRR 识别和结合PAMPs 或DAMPs；氨基端吡啶（PYD）结构域，连接下游衔接蛋白及效应分子；具有ATP 酶活性的核苷酸结合和寡聚（Nacht）结构域，是Nod 样受体的核心部分，在LRR 识别并结合PAMPs 或DAMPs 后，发生自身寡聚化，使受体活化。ASC 被认为是参与NLRP3 炎症小体组装和凋亡过程的重要衔接蛋白，主要分布于人体的单核和巨噬细胞中，它包含两个重要的结构域：位于羧基端的吡啶（PYD）结构域和位于氨基端的半胱天冬酶募集（CARD）结构域，用以连接上游NLRP3 的PYD 和下游Caspase-1 的CARD 结构域。Caspase-1 是前半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（pro-cys⁃teinyl aspartate-specific proteases-1，procaspase-1）的活化形式，通常以无活性的酶原形式存在于细胞质中，一旦被激活，它能够促使前白细胞介素-1β（prointerleukin-1β，pro-IL-1β）和前白细胞介素-18（prointerleukin-18，pro-IL-18）转化为成熟的IL-1β、IL-18。此外，Caspase-1 还能诱导一种与机体自我保护相关的特殊类型的细胞死亡，称为细胞焦亡（pyroptosis）。作为下游细胞因子，IL-1β 和IL-18 在启动有效的促炎反应和引导随后的免疫反应中起着至关重要的作用。二者具有多种共同功能，也具有独特的作用。IL-1β 是一种能引起发烧的热原，具有广泛的生物学效应，能参与多种炎症反应，如中性粒细胞动员、急性期蛋白产生、Th17 细胞分化、增强Th17细胞和巨噬细胞的抗原提呈和糖酵解率等，已被认为是炎症小体激活的典型指标。IL-18 最初命名为干扰素-γ诱导因子，能诱导Th1细胞和NK细胞产生干扰素-γ、IL-12，刺激Th2 细胞产生IL-4、IL-10，诱导肥大细胞产生IL-13、TNF-α，以及通过刺激NO 和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生发挥促炎作用［18-20］。

2 NLRP3 炎症小体的激活

NLRP3 炎症小体主要在单核细胞/巨噬细胞中表达，在无免疫激活剂的情况下，Nacht 结构域和LRR 结构域之间发生内部相互作用，抑制NLRP3 和ASC之间的结合，从而阻止炎症小体的组装。NLRP3炎症小体能被许多种物质激活，如ATP、颗粒物（如二氧化硅、尿酸晶体、明矾和石棉）和胆固醇晶体、淀粉样蛋白β、透明质酸、RNA-DNA 杂交物、脂多糖、肽聚糖、细菌脱氧核糖核酸和病毒病原体等。NLRP3 炎症小体的适度激活是有益的，能够消除病原体感染，然而，一旦过度激活，它也会导致过度炎症反应，造成机体损伤。其激活分为启动和激活两个阶段：在启动阶段，特定的模式识别受体如TLRs，能够识别PAMPs，并随后激活κ 基因结合核因（nu⁃clear factor-κ-gene binding，NF-κB）信号通路，上调NLRP3、前IL-1β 和 前IL-18。 激 活 阶 段 主 要 由PAMPs 和DAMPs 等触发，从而促进NLRP3 炎症小体组装和Caspase-1 介导的IL-1β 和IL-18 分泌和细胞焦亡，这一阶段可能涉及细胞外腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine-triphosphate，ATP）的增加、细胞外渗透压或pH的改变、β-淀粉样纤维和细胞外基质成分的降解、钾外流的增加、钙信号、溶酶体损伤、线粒体功能障碍和ROS的产生等多种机制［21-22］。

3 NLRP3炎症小体与脓毒症

NLRP3 炎症小体作为炎症反应激活的上游信号，可通过级联信号反应在炎症性疾病中发挥作用。脓毒症作为一类全身炎症性疾病，其发生发展过程中炎症反应从促炎状态到免疫抑制状态的动态变化也可能反映在炎症小体中［23］。关于NLRP3炎症小体和脓毒症临床关系的研究仍比较少，但是已有较多细胞实验和动物实验显示NLRP3 炎症小体及下游炎症通路的激活在脓毒症中发挥了重要作用［24］。CHALY Y等［25］研究证明，卵泡抑素样蛋白1可进入单核/巨噬细胞，然后进入线粒体，促进ATP的产生，可能为激活NLRP3 炎症小体提供了重要刺激。JIN L等［26］在动物实验中评估了NLRP3在盲肠结扎和穿孔（cecal ligation and puncture，CLP）所致脓毒症小鼠中的作用，研究结果表明，NLRP3 基因缺陷和NLRP3 抑制剂处理的小鼠在CLP 诱导的脓毒症中发挥保护作用。WATANY MM 等［27］进行了一项临床病例对照研究，用于评价IL-31、IL-1β和NLRP3作为脓毒症诊断和预后标志物的能力，研究结果表明，NLRP3对脓毒症的诊断效果优于IL-1β和IL-31，而IL-1β 对脓毒性休克的诊断效果优于NLRP3 和IL-31，任意两两联合或同时使用以上三个生物标志物时，诊断效能均提高。 此外，有研究结果表明［27-28］，脓毒症患者NLRP3基因表达与循环IL-1β水平呈正相关。陈俞余等［29］研究结果提示，NLRP3 炎症小体对脓毒症患者预后的预测价值较高，该研究观察到下游因子IL-1β 和IL-18 水平并不会进一步升高，从而推测过度的炎症信号激活可能会触发机体保护性代偿机制。

4 NLRP3与脓毒症相关器官功能障碍

脓毒症相关器官功能障碍在很大程度上影响着脓毒症幸存者的生活质量，已有多项研究表明NLRP3 炎症小体激活可能在脓毒症相关器官功能障碍中发挥着重要作用。

4.1 NLRP3 与脓毒症脑损伤NLRP3 抑制剂MCC950 和Caspase-1 抑 制剂Ac-YV ADCMK 能抑 制脓毒症相关性脑病（sepsis-associated encephalopathy，SAE）小鼠海马区NLRP3/Caspase-1 通路的激活，从而减轻海马神经元性细胞焦亡和神经炎症，减少长期认知障碍，提高存活率［30］。 Caspase-1 抑制剂VX765 可抑制脓毒症小鼠脑组织和血清中的IL-1β表达，减少小胶质细胞的激活，减轻血脑屏障破坏从而发挥脑保护作用［31］。丙酮酸乙酯能减弱脓毒症小鼠中NLRP3 激活，从而抑制小胶质细胞的激活，改善认知障碍［32］。氢能抑制SAE 诱导的野生型小鼠NLRP3、Caspase-1、IL-1β 和IL-18 的表达以及神经细胞凋亡和线粒体功能障碍，减轻脑损伤［33］。

4.2 NLRP3与脓毒症心脏损伤一氧化碳释放分子-3（Carbon monoxide releasing molecules 3，CORM-3）能抑制脓毒症小鼠心脏成纤维细胞中NLRP3 与ASC 的结合，从而改善心肌损伤［34］。二氧化硫可以通过TLR4/NLRP3 信号通路，下调脓毒症大鼠中NLRP3 的表达，进而干扰其下游的炎性细胞因子，减轻心功能不全［35］。Intermedin1-53（IMD1-53）可通过NLRP3/Caspase-1/IL-1β 通路，抑制脓毒症心肌细胞中NLRP3 的活性，对脓毒症炎症反应导致的心脏损伤发挥保护作用［36］。

4.3 NLRP3 与脓毒症肝损伤LI Q 等［37］研究发现，淫羊藿素（一种内源性激素肽）可能通过抑制细胞凋亡、过量ROS的产生和NLRP3炎症小体激活等途径来抵抗脓毒症肝损伤。苦参碱是从苦参属草本植物中提取出来的药物单体，HOU N 等［38］研究发现，它诱导的自噬是抑制NLRP3 炎症小体激活的关键，并能进一步导致Caspase-1、IL-1β 水平降低，减轻CLP小鼠模型的肝损伤。

4.4 NLRP3与脓毒症肺损伤血红素加氧酶-1是一种诱导型限速酶，能催化血红素裂解成胆绿素、亚铁和一氧化碳。LUO YP 等［39］研究发现，诱导血红素加氧酶-1（heme oxygenase 1，HO-1）能通过减弱NLRP3 活化来保护肺组织。JIANG L 等［40］研究发现，一氧化碳释放分子-2（Carbon monoxide releasing molecules 2，CORM-2）可能通过减少肺组织中ROS生成来抑制NLRP3 炎症小体的激活，从而减轻脓毒症急性肺损伤（acute lung injury，ALI）。鞘氨醇激酶1（Sphingosine kinase 1，SphK1）是催化生物活性脂质1- 磷 酸2（Shingosine 2）形 成 的 主 要 激 酶。ZHONG M 等［41］研究发现，SphK1在NLRP3炎症小体激活中起关键作用，抑制SphK1 能抑制小鼠巨噬细胞NLRP3 炎症小体激活并抑制Caspase-1 的成熟和IL-1β 的释放，减轻脓毒症小鼠肺部损伤和脓毒症诱导的微血管渗漏。

4.5 NLRP3 与脓毒症肾损伤Sirtuin1（SIRT1）是于Sirtuin 家族的去乙酰化酶，其过度表达可能通过抑制NLRP3的激活下调NLRP3、IL-1β、IL-18的表达，进而抵抗脓毒症肾损伤［42］。

以上研究表明NLRP3 炎症小体的激活很有可能在脓毒症相关器官功能障碍中扮演着较为重要的角色，阻断NLRP3 炎症小体激活可能减轻脓毒症及其相关并发症的严重程度。但目前针对这一领域的研究尚不充分，且脓毒症的发病机制相对复杂，因此，NLRP3 炎症小体究竟在脓毒症所致的器官损伤中发挥着怎样的作用，阻断NLRP3 炎症小体激活以预防脓毒症相关器官损伤是否可靠仍需要研究者进行更加深入的探索。

5 总结和展望

脓毒症病情进展的关键环节是全身炎症反应的激活与放大，这一过程也涉及多个炎症信号通路的激活。大量细胞实验和动物实验结果表明，NLRP3炎症小体介导的级联反应可能作为重要的炎症信号通路，参与脓毒症及脓毒症导致的多器官损伤病情进展的重要反应过程，但其相关的临床研究却还是非常有限。

关于NLRP3 和脓毒症的现有临床研究主要针对脓毒症的诊断及预后评估，因为早期诊断脓毒症、确定其严重程度、预测脓毒性休克发生的可能性，对于及时、恰当处理脓毒症病情和改善预后都至关重要。由于脓毒症的临床表现千差万别，常使得这一过程变得尤为复杂。此外，各种炎性指标如C 反应蛋白、降钙素原、IL-6 以及病情评分如急性生理和慢性健康评分（Acute Physiology and Chronic Health Evaluation，APACHEⅡ）、序贯器官衰竭评分（Sequential Organ Failure Assessment，SOFA）虽已广泛运用于临床，但这些指标既具有一定的临床应用价值，又存在各自的局限性，因此，有研究者们将目光落在了多指标联合上。

NLRP3 炎症小体是近年来的研究热点，其介导的炎症信号通路可能参与多种疾病的发生发展。因此炎症小体的发现为研究炎症相关疾病的发病机制、诊断及治疗开辟了新的领域，尤其在脓毒症及其并发症中的作用日益显著。然而，目前研究者对炎症小体的了解大多基于细胞实验和动物实验，临床研究相对较少，尚有诸多问题未能得出共识，例如，NLRP3 炎症小体作为先天免疫反应的重要介质，其活化程度是否因感染源或病原体的不同而不同？NLRP3 炎症小体的激活在不同严重程度的脓毒症患者的不同阶段各有着怎样的特点？NLRP3炎症小体及其下游炎症因子的水平在脓毒症患者与健康者中存在怎样的差异？在脓毒症患者幸存者中NLRP3 炎症小体激活是减弱还是增强，是保护性的还是危害性的？是否存在其他发挥不同和互补作用的炎症小体与NLRP3 炎症小体共同参与了疾病的发生发展过程，相关机制如何？仍需要进一步临床研究来阐明。

总之，NLRP3 炎症小体及其炎症信号通路具有潜在的诊断、治疗和预后价值，有望成为今后脓毒症治疗中一个有吸引力的靶点。