NLRP3炎症小体在慢性阻塞性肺疾病中作用的研究进展

从人愿,袁 静,夏金婵

(河南中医药大学基础医学院，河南 郑州 450046)

慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺，COPD)是一种危害性极大的慢性呼吸道疾病，近年来发病率和病死率逐年增高。目前我国慢阻肺患者人数已超过一亿人，其中全球40岁以上人群发病率已高达5%～19%，全世界每年有超过300万人死于慢阻肺[1]。研究发现老龄化和抽烟引起的肺功能减弱和慢性气道炎症是慢阻肺发病的主要原因[2]，主要发病特点是不完全可逆的气流阻塞，并且呈进行性发展的趋势。患者长期暴露在含有毒颗粒和有害气体的环境中，会导致持续的慢性气道炎症反应，大大提高患病率[3]。NOD样受体蛋白结构域相关蛋白3(Nod-like receptor，pyrin domain 3 containing，NLRP3)炎症小体是胞浆内的一种多聚体蛋白复合物，是检测致病微生物和无菌应激原的关键信号平台，能够被多种刺激剂所激活，由传感器分子NLRP3、适配器分子凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)和效应蛋白半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1(cysteine-requiring aspartate protease-1， Caspase-1)组成。它们通过调控炎症相关基因的表达等方式来发挥各种生物学效应[4]。研究表明，NLRP3炎症小体调控通路在慢阻肺疾病的发生发展过程中发挥了重要的作用[5]。本研究结合近两年国内外对NLRP3炎症小体在COPD中作用的研究进展进行综述，进一步探讨NLRP3炎症小体通路在慢阻肺中的作用，以期为临床干预COPD提供全新高效的治疗靶点。

1 NLRP3炎症小体概述

1.1NLRP3炎症小体的结构 NLRP3炎症小体是由胞浆内的模式识别受体(PRRs)参与组装的多蛋白复合物，其组分由NLRP3、ASC、Caspase-1三部分组成[6]，在机体的固有免疫系统中发挥着十分重要的作用，被激活后可以促进白细胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)和白细胞介素-18(interleukin-18，IL-18)的成熟和释放[7]。如果没有激活信号，NLRP3炎性小体则不能发生寡聚化，只有当NLRP3受体识别出受损细胞或病原体释放的危险信号后，衔接蛋白ASC和效应蛋白Caspase-1才会形成亚细胞多蛋白复合物，利用蛋白水解途径来激活前体pro-Caspase-1，同时催化前体pro-IL-1β和pro-IL-18进行切割[7]。

NLRP3炎症小体包括三个结构域：即中央核苷酸结合寡聚(NACHT)结构域，该结构域有助于自我寡聚并具有ATP活性；C端保留了一个富含亮氨酸的重复序列(LRR)结构域，该结构域可以调节NLRP3的活性并检测内源性危险信号分子和微生物配体；N端末吡啶(PYD)结构域与其自身的适应蛋白ASC具有同型相互作用[8]。研究发现，炎症小体的激活过程正是通过PYD结构域招募接头蛋白ASC和下游的效应蛋白Caspase-1来实现的[9]。衔接蛋白ASC可以把NLRP3蛋白和Caspase-1前体连接起来, Caspase-1前体一旦被激活，通过蛋白水解释放酶的活性形式，对细胞因子前体pro-IL-1β和pro-IL-18进行切割,释放成熟的细胞因子IL-1β和IL-18,发挥促炎作用[10]。

1.2NLRP3炎症小体的活化和调控途径 NLRP3炎症小体的激活剂比较广泛。它可以被一系列从微生物毒素到宿主内源性代谢物诸如棕榈酸酯、晶体等物质所激活[11]。它也能够被非病原体产生的损伤相关分子模式(DAMPs)所激活，例如高浓度的三磷酸腺苷(ATP)、穿孔毒素、紫外线照射等多种环境损伤。此外，尿酸结晶、二氧化硅、石棉等这类晶体类物质也可以激活NLRP3炎性小体[12]。NLRP3活化后可以通过控制多种促炎细胞因子的成熟和分泌，来调节机体的炎性反应以及相关免疫细胞的功能[13]。NLRP3炎症小体的活化需要两种信号的参与,第一种信号是由病原相关分子模式诱导产生的。TLR配体活化转录因子NF-κB,可以促进NLRP3基因的转录，从而上调NLRP3以及IL-1β/IL-18的前体，使其表达增加[14]。在多数细胞中,静息状态下的NLRP3表达量不高,因此它需要第一信号的活化来诱导NLRP3的转录和表达,从而为激活阶段做准备。近期有研究显示,第一信号的活化也可以通过激活白细胞介素1受体相关激酶(IRAK-1),发挥其激酶活性来激活TRAF6,从而促进NLRP3寡聚化等作用,为NLRP3炎症小体的激活做准备[15]。NLRP3、ASC和Caspase-1组装成炎症小体，诱导成熟的IL-1β切割和释放。尽管这些刺激物能够诱导NLRP3炎症小体的组装,但是它们不能直接与NLRP3结合。因此, NLRP3炎症小体的激活和组装可以通过诱导膜损伤、钾离子外流和细胞内钙离子浓度升高等途径产生的中间产物来发挥作用[16]。

现在普遍认为，NLRP3炎症小体的激活机制包括：①溶酶体损伤。研究发现诸如二氧化硅、晶体及特殊颗粒物等激活剂被巨噬细胞内吞后，会导致溶酶体破裂损伤,细胞内容物释放出来，从而促进NLRP3炎症小体的聚集和活化。②钾离子外流。当细胞外ATP浓度过高时，会刺激P2X7嘌呤受体，导致钾离子外流，形成连接转运钾离子的跨膜蛋白通道。胞外的激活剂可以通过跨膜蛋白通道进入胞内，促进NLRP3炎症小体的聚集和活化，达到激活NLRP3炎症小体的目的。近期有研究发现该通道是NLRP3炎症小体激活所必需的钾外排通道[17]。但也有研究发现钙离子内流同样可以激活NLRP3炎症小体，但激活机制尚不清楚。③活性氧(ROS)的产生。目前认为，许多NLRP3刺激物都会使线粒体发生功能上的障碍，线粒体损伤后的释放物在炎症小体的激活过程中发挥了非常重要的作用。阻止线粒体活性氧的产生。可以抑制NLRP3炎症小体的活化，并且会使得由乙醇、LPS或ATP所引起的IL-1β和IL-18表达量下降[18]。也有研究表明鲍曼原虫模式识别受体Omp34通过线粒体产生的ROS来激活细胞中的NLRP3炎性小体，故下调其ROS可防止这种模式识别受体诱导的NLRP3炎性小体过度活化引起的严重感染后果[19]。这些研究结果均表明线粒体损伤及其所产生的活性氧在炎症体的激活过程中发挥了关键的作用。

NLRP3炎症小体活化后会激活相应的信号转导通路，释放大量促炎性物质，参与多种炎症性疾病的发生发展[20]。但是，NLRP3炎症小体的过度活化也会导致组织损伤。NLRP3去泛素化可能参与炎性小体的活化，但其作用和分子机制尚不清楚[21]，阻断这一炎性通路的活化可能成为治疗慢阻肺的一个研究方向[22]。

2 NLRP3炎症小体在COPD中的作用

COPD是一种以持续气流受限为特征的疾病，香烟、烟雾及有害颗粒等刺激物均可引起气道和肺组织的慢性炎症。研究发现NLRP3炎症小体在慢阻肺患者的稳定期和急性加重期的炎性调控通路中均发挥了重要的作用。此外，也有研究发现NLRP3炎症小体对机体的调控具有双重作用，它可以参与宿主的免疫防御过程，而过度的炎症反应则导致Caspase-1依赖性细胞焦亡[23]。

2.1NLRP3炎症小体与细胞焦亡 细胞焦亡(pyroptosis)又称细胞炎性坏死，是一种细胞死亡的炎症形式。细胞焦亡是机体的一种重要的天然免疫反应，一方面，它可以保护多细胞生物不受致病菌和微生物的侵袭，在抗击感染中发挥重要的作用[24]。另一方面，如果过度激活则会引发 caspase-1 依赖的细胞焦亡，形态学表现为细胞不断胀大直至膜破裂，导致内容物释放进而激活强烈的炎症反应。

研究发现多种慢性炎症疾病与NLRP3炎性小体的过度激活及其介导的细胞焦亡关系密切[25]。而COPD的主要发病机制就是慢性气道炎症，炎性小体作为炎症反应的重要组成部分，其激活过程参与COPD的发生发展。NLRP3炎性小体被激活后，即可引发Caspase-1 依赖的细胞焦亡，即细胞在炎症和应激的病理条件下发生的死亡。而这一过程需要 GSDMD蛋白作为底物参与其中。GSDMD蛋白是Gasdermin家族蛋白成员之一，由500多个氨基酸组成[26]。Caspase-1通过切割GSDMD蛋白使其N、C两端的结构域分开，进而释放具有内源性诱导细胞凋亡活性的N端片段。N端蛋白可以识别并结合细胞膜上的磷脂分子，并进一步在细胞膜上寡聚化形成孔道状结构,导致细胞渗透压变化，最终使得细胞膜裂解，内容物释放,引起细胞焦亡[27]。有研究发现沙棘变应原Der f1可能通过调控NLRP3炎性信号通路来诱导人支气管上皮细胞(HBECs)发生焦亡，Der f1刺激细胞后会增强IL-1β的释放，而这与Caspase-1的激活有关[28]。进一步了解GSDMD的作用机制可能为COPD慢性炎症治疗干预提供新的途径。

2.2NLRP3炎症小体调控通路在COPD中的作用COPD患者的稳定期和急性加重期交替出现，其发病特点首先是免疫反应的改变，其次是肺部和全身的慢性炎症，而NLRP3炎性小体是炎症反应的关键调控分子[29]。COPD的急性加重期的特点主要是呼吸急促、咳痰等症状，这些症状均依赖于促炎性物质的介导。科学证据表明NLRP3炎性小体持续活化，释放大量的炎症因子IL-1β和IL-18,可能参于COPD疾病的发生发展过程[30]。有研究者分离了慢阻肺患者稳定期和急性加重期的外周血单个核细胞(peripheral blood mononuclear cells，PBMCs)并对其分析发现，稳定期和急性加重期的COPD患者的NLRP3mRNA及血浆中IL-18和IL-1β水平均明显升高，且急性加重期COPD患者显著高于稳定期COPD患者[6]。这表明NLRP3炎性小体参与慢阻肺患者的机体炎症反应，可能是通过增加mRNA转录来调节相关炎症信号通路。

也有研究表明NLRP3炎性小体在COPD患者的稳定期启动但未激活，其激活过程发生在COPD的急性加重期[29]，这一研究结果提示炎性小体参与COPD的急性加重期的炎性爆发。最新的遗传学和药理学研究表明，COPD患者的痰液和支气管肺泡灌洗液(BAL)中可高度检测到白细胞介素-1样细胞因子，这意味着多蛋白复合物炎性小体参与其中[31]。NLRP3炎症小体通过调节Caspase-1依赖性蛋白水解加工，从而来控制白细胞介素-1样细胞因子的成熟和分泌，这表明它与COPD典型的气道炎症有关。有研究显示，COPD的发生发展与线粒体活性氧(mtROS)的产生增加、抗氧化能力下降以及线粒体数量的减少有关，还与mtROS激活的NLRP3炎症小体的活化有关[32]。故氧化应激也被认为是COPD发病过程中的关键特征和机制。研究发现烟雾诱导小鼠肺组织损伤，会上调IL-1β和IL-18及Caspase-1 的mRNA的表达，而使用P2X7受体拮抗剂或者敲除该基因则会使其表达下调[33]。另外发现使用Caspase-1 抑制剂后，该模型小鼠的肺泡灌洗液中的炎性细胞变少，同时IL-1βmRNA表达水平也随之降低[34]。也有研究证实了半乳糖苷(AAL)通过增强NF-κB的转录活动而发挥较强的抗炎活性，但其抗炎机制尚未阐明。这提示AAL可能在调节先天免疫反应方面具有重要的药物特性[35]。NLRP3激活的药理学抑制在多种炎症性疾病的啮齿类动物模型中产生了强有力的治疗效果，这一发现强调了NLRP3作为药物靶点的潜力。

MicroRNAs(miRNAs)是一种新型的基因调控分子，参与生命过程中一系列的重要进程，包括早期发育，细胞增殖、细胞凋亡、细胞死亡等。Yan等[36]研究发现，miR-223过表达会降低脂多糖诱导的急性肺损伤模型中的炎症反应，同时还会抑制NLRP3炎症小体和TLR4/NF-κB信号通路。研究发现miR-33可以上调NLRP3mRNA和蛋白的表达，增加初级巨噬细胞中Caspase-1的活性，降低线粒体的耗氧量，导致细胞活性氧的积累来调控NLRP3炎症小体的信号通路[37]。Wu等[38]研究发现，miR-155可能通过抑制靶向基因FOXO3a而成为NLRP3炎症通路的正调控因子，并且沉默miR-155基因后可以通过调控这一通路来抑制炎症反应的发生[39]，而炎症反应对于COPD的发生发展至关重要。此外，miR-155也被认为在肺的发育过程中发挥了重要的作用[40]。虽然有大量研究证实多种microRNA均可通过调控NLRP3炎症信号通路来发挥抑炎作用，但其在COPD中的具体调控机制尚未见报道，深入研究MicroRNAs调控NLRP3炎症信号通路在COPD中的具体作用机制可能成为一种干预COPD潜在的治疗靶点。

3 总结和展望

尽管大量研究证实了NLRP3炎症小体通路与COPD典型气道炎症有关，并发现了其通路可能参与COPD急性加重期和肺功能进行性下降的过程，这些研究成果均表明了NLRP3炎症小体与COPD进展密切相关，但是其在COPD中的具体作用尚不清楚。深入研究NLRP3炎症小体通路在COPD中的具体调控机制，可能为进一步开发和检测新的COPD干预措施和治疗方法提供新的途径和潜在靶点。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。