NLRP3炎性小体在肺部疾病中的研究进展

祝佳佳 许海柱 贾维

2.200040 上海，复旦大学附属华东医院中医科

炎性小体是由胞浆内模式识别受体(PRRS)参与组装的多蛋白复合物，它能够识别宿主来源的危险信号分子(DAMPs)或者病原相关分子模式(PAMPs),是天然免疫系统的重要组成部分[1]。目前已知的炎性小体主要有4种，它们分别是核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白 1(NLRP1)、NLRP3、NLRC4和AIM2炎性小体[2]。其中NLRP3炎性小体目前研究最为广泛，它能被包括线粒体DNA、晶体颗粒物等危险信号或细菌、病毒等多种类型的病原体所激活，在炎症性肠病[3]、动脉粥样硬化症[4]、2型糖尿病[5]、类风湿性关节炎[6]以及病毒性肝炎[7]等多种疾病中发挥关键作用。研究发现，NLRP3炎性小体与急性肺损伤、肺部感染、支气管哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺癌、肺纤维化等肺部疾病的发生发展也密切相关，目前以NLRP3炎性小体为靶点来治疗肺部疾病受到广泛关注。

NLRP3炎性小体的组成和激活

NLRP3组成部分与NLR家族一样，包含NLRP3蛋白、pro-caspase-1和含有CARD结构域的凋亡相关颗粒样蛋白(ASC)，NLRP3受体蛋白含有PYD、NACHT、LRR三个结构域[1]。

NLRP3炎性小体的激活分为两个阶段，分别为启动阶段和激活阶段。启动阶段是由微生物或内源性细胞因子提供的启动信号，激活PRR(如TLR)通过刺激核因子κB(NF-kB)途径，促进了NLRP3的转录和表达，引起前体NLRP3蛋白和pro-IL-1β、pro-IL-18等前体细胞因子的表达升高[8]。在激活阶段中NLRP3炎性小体识别DAMPs和PAMPs等各种炎症诱导刺激,响应危险信号的NLRP3的PYD结构域与ASC的PYD结构域形成PYD-PYD相互作用，而ASC中的CARD结构域又可以和pro-caspase-1的CARD结构域结合形成类似的CARD-CARD相互作用，激活caspase-1裂解如pro-IL-1β、pro-IL-18等前体细胞因子，产生促炎因子IL-1β和IL-18等，从而促进细胞凋亡[9]。 迄今为止，已发现许多因素可启动NLRP3炎性小体激活，然而具体机制尚不清楚，目前提出的机制有以下几种[10]：离子通量、线粒体活性氧的产生、溶酶体破坏等。

NLRP3与肺部疾病

一、NLRP3与急性肺损伤

急性肺损伤(Acute Lung Injury，ALI)是可以引起急性呼吸衰竭的严重肺部疾病[11]。研究证明炎症反应是急性肺损伤发生发展中的最重要因素[12]。NLRP3炎性小体可以识别各种炎症刺激，释放各类炎症因子，进而引起炎症反应。目前许多证据表明NLRP3炎性小体在ALI中起关键作用[13]。有研究发现在气管内注入细胞外线粒体DNA，可以通过TLR9、p38 MAPK和NF-κB途径促进NLRP3炎性小体活化，引起NLRP3、ASC、caspase-1的转录增加以及IL-1β、IL-18和TNF-α的释放，从而引起肺损伤[14]。还有研究者发现肺泡巨噬细胞(AMs)中的NLRP3炎性体激活和随后的焦磷酸化是继发于急性胰腺炎的肺损伤的原因[15]。Grailer[16]等人在脂多糖诱导的ALI小鼠模型中，检测到来自嗜中性粒细胞的细胞外组蛋白直接激活NLRP3炎性小体，引起IL-1β表达升高，加重炎症反应，研究还发现NLRP3炎性体激活可以正反馈于细胞外组蛋白的释放，从而加剧ALI。Ying[11]等研究发现过表达的miR-495通过负调控NLRP3基因减轻了肺泡巨噬细胞的炎症和细胞凋亡并抑制了NLRP3炎症小体的活化，从而预防ALI。Ruan[17]等最近研究发现，在呼吸机诱发的肺损伤(VILI)中，丙泊酚可以通过激活Nrf2和抑制NLRP3的表达来改善肺损伤，这表明Nrf2激活剂和NLRP3抑制剂可能具有预防VILI的潜在作用。Zhang[18]等发现补充甘氨酸可以通过核因子κB(NF-κB)途径，下调NLRP3炎性小体的表达来预防LPS诱导的肺损伤。这些研究表明，NLRP3炎性小体在ALI中发挥了重要作用，可以为治疗ALI提供新的靶点。此外，中草药金银花的提取物异绿原酸A可以抑制Nf-κB/ NLRP3信号通路的蛋白表达，减缓急性肺损伤发生发展[19]。这为临床治疗急性肺损伤提供了新思路。

二、NLRP3与肺部感染

肺部感染是临床常见的肺部疾病之一，金黄色葡萄球菌是引起肺部感染的重要病原体，α-溶血素(Hla)作为金黄色葡萄球菌最重要的毒素，在肺部感染中起到重要作用[20]。已有实验发现金黄色葡萄球菌Hla可以激活NLRP3炎性小体,引起IL-18、IL-1β等炎症因子表达，从而引起肺部炎症。使用磷霉素处理后检测NLRP3炎性体相关蛋白的表达水平，证实磷霉素通过抑制Hla阻断了NLRP3炎性小体活化，减轻炎症反应[20]。Wu[21]等研究发现金黄色葡萄球菌感染的小鼠肺中NLRP3、ASC和caspase-1的mRNA表达水平明显增加，IL-1β、IL-18和TNF-α等炎症因子水平升高，而给予白藜芦醇治疗的小鼠则NLRP3、ASC和caspase-1的mRNA水平降低，且在支气管肺泡灌洗液(BALF)中也表现出较低的IL-1β(P<0.01)、IL-18(P<0.01)和TNF-α(P<0.01)水平，这一实验证明白藜芦醇通过抑制NLRP3介导的炎症减轻了小鼠的金黄色葡萄球菌肺炎。van Lieshout[22]在肺炎链球菌致死性气道感染过程中对NLRP3炎性小体在宿主反应中的作用研究发现，Nlrp3-/-和Asc-/-小鼠死亡率显著降低，同时细菌生长和传播减少，这表现出了Nlrp3-/-和Asc-/-小鼠强烈的宿主防御能力，说明NLRP3炎性体会削弱由肺炎链球菌引起的致死性肺炎期间的宿主防御能力。但Witzenrath[23]研究认为NLRP3炎性体在溶血性肺炎球菌引起的肺炎期间对小鼠有益，有助于肺炎球菌肺炎的宿主防御。Tian[24]等人也认为肺缺血后再灌注，炎症通过NLRP3炎性体依赖性方式增强了宿主对并发革兰氏阴性菌性肺部感染的防御能力。此外，在对支原体儿童肺炎的研究发现，与健康对照组相比，轻度组及重度组的NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β及IL-18等表达水平均显著升高，其中重度组的上述指标水平明显高于轻度组；急性组及恢复组患儿的上述指标较健康对照组明显升高，其中急性组患儿的上述指标又明显高于恢复组，这说明NLRP3炎性体信号通路可能与儿童支原体肺炎的发病和病程密切相关[25]。综上可知，NLRP3炎性小体在不同类型的肺部感染中发挥了重要作用。

三、NLRP3与肺癌

肺癌是临床中最常见的恶性肿瘤，居全球癌症相关死亡原因首位[26]。目前许多研究发现NLRP3炎症小体与肺癌的发生发展有一定相关性。例如研究发现NLRP3炎症小体的激活可以促进肺癌A549细胞的增殖和迁移[27-28]。炎性小体拮抗剂如新型靶向IL-1β可以降低健康个体中肺癌的发生率[29]。Zou[30]等也研究证实白藜芦醇苷可以抑制非小细胞肺癌细胞中NLRP3、ASC和前caspase-1的表达，下调磷酸化NF-κBp65的相对表达，对非小细胞肺癌细胞增殖和迁移起到一定的抑制作用，延缓了非小细胞肺癌的进展。Ismini[31]研究比较原发性肺癌患者和健康个体的支气管肺泡灌洗液中获得的肺泡巨噬细胞和外周血白细胞中的NLRP3，结果发现肺癌患者未刺激的外周血白细胞中IL-1β和IL-18的分泌明显增高，并且IL-1β分泌可通过NLRP3刺激而进一步增加。相反，在肺泡巨噬细胞观察到了不同的IL-1β分泌特征，转录和分泌TLR4介导的NLRP3激活标记也减少。表明在肺癌中，肺泡巨噬细胞的先天免疫反应已经受到损害。同时实验中又观察到全身促炎状态，这也可能构成导致癌症发生和发展的促炎环境，支持了炎症诱发癌症的假说。但是Teng[32]等发现从Trillium tschonoskii Maxim (TTM)分离出的主要皂苷多茶素VI(PPVI)通过增加细胞内活性氧水平激活NF-κB信号通路，活化NLRP3炎性小体，促进炎性细胞因子的释放和GSDMD的裂解，引起非小细胞肺癌细胞的凋亡。Xie[33]等研究也发现槐耳提取物可以上调肺癌凋亡相关基因的mRNA和蛋白质表达，从而诱导NLRP3依赖性热解，促进细胞凋亡而在非小细胞肺癌中表现出抗肿瘤作用。通过以上研究可以发现，NLRP3炎性小体参与了肺癌发展过程，但是NLRP3炎性小体的激活对肺癌进展与否的影响仍存有争议，需要更多的实验研究来进行更深入的探索。

四、NLRP3与肺纤维化

肺纤维化是指成纤维细胞增殖和大量细胞外基质聚集, 同时伴有炎症损伤和组织结构破坏的一种肺部疾病[34]。环境污染物、吸烟、肺损伤、药物等因素均能导致肺泡上皮细胞损伤, 发生炎症反应和氧化应激等病变导致肺纤维化[35]。研究发现，NLRP3炎性小体在环境污染引起的肺纤维化(如尘肺)、药物性(如博来霉素)肺纤维化、自身免疫性肺纤维化中均发挥了重要作用。例如，在粉尘诱导的大鼠模型中，发现粉尘接受组大鼠肺纤维化程度在第7天，第14天，第28天和第56天显著高于对照组，随着暴露时间的增加，检测到其肺组织中NLRP3、Caspase-1、IL-1β、IL-18 以及TGF-β(1)的水平也高于对照组，这一结果说明，NLRP3 / IL-1β/ TGF-β(1)信号轴参与粉尘诱导的肺纤维化过程[36]。Zhou[37]等人将大鼠及人支气管上皮(16HBE)分别给予不同时间及不同剂量炭黑纳米颗粒(CBNP)处理，并建立了O型叉头转录因子(FOXO)3a和miR-96过表达或抑制的16HBE细胞，以了解相关机制，结果发现暴露于CBNPs的大鼠及16HBE，均出现NLRP3炎性小体表达的显著增多，并伴随着活性氧的增加，miR-96的降低以及FOXO3a的表达呈剂量和时间依赖性，而MiR-96过表达或FOXO3a抑制可通过抑制NLRP3炎性体来部分挽救纤维化作用，最终实验表明，CBNPs可以通过miR-96靶向FOXO3a调节的NLRP3炎性体途径诱导肺纤维化。在Xu[38]研究他汀类药物与博来霉素诱导的肺纤维化的实验中可以发现，他汀预处理博来霉素诱导小鼠可增强其体内和体外caspase-1介导的免疫反应，加剧其肺部损伤和纤维化。 而Nlrp3(-/-)和caspase-1(-/-)小鼠这一反应却消失，表明他汀药物可以通过增强NLRP3的活化导致肺纤维化加重。Lasithiotaki[39]等研究发现，自身免疫性肺纤维化患者肺泡腔分泌的IL-1β和IL-18水平较对照组和特发性肺纤维化患者显著升高，并且在其支气管肺泡灌洗液细胞中，NLRP3和caspase-1的mRNA水平也被上调，说明NLRP3炎性小体在自身免疫性肺纤维化患者中被激活，而在特发性肺纤维化中显示NLRP3炎性小体激活受损。此外还有研究认为机械牵张可能通过NLRP3依赖性途径促进内皮-间质转化和肺纤维化[40]。关于肺纤维化的治疗，实验发现吡非尼酮(PFD)通过抑制脂多糖(LPS)诱导的活性氧的产生，显著降低了NLRP3表达，降低了IL-1β和TGF-β1水平，明显改善了肺部炎症和纤维化[41]。以上研究证明NLRP3的激活与肺纤维化的进展密切相关，抑制NLRP3的活化为治疗肺纤维提供新的治疗方向。

五、NLRP3与支气管哮喘

NLRP3炎性小体作为炎症反应的核心，与支气管哮喘发作及病情严重程度密切相关。有研究发现屋尘螨变应原通过与NF-κB核易位和线粒体ROS产生相关的TLR4-PI3K-δ轴激活NLRP3炎性小体产生促炎症因子，加重哮喘反应[42]。IL-1β是一种强效的炎性细胞因子，Simpson[43]等发现与其他哮喘亚型相比，中性粒细胞性哮喘患者的痰中，上清液IL-1β水平和IL-1βmRNA表达均显著升高，表明IL-1β在中性粒细胞性哮喘中起关键作用。在衣原体和嗜血杆菌感染引起的类固醇耐药性严重哮喘小鼠实验中，与轻度哮喘小鼠相比，重度哮喘小鼠的NLRP3和IL-1βmRNA表达均较高，证明疾病严重程度和类固醇抵抗与NLRP3和IL-1β表达相关[44]。研究发现苏黄止咳胶囊可以通过抑制ASC寡聚化，破坏NLRP3炎性小体组装，抑制其活化，减少IL-1β等炎性因子产生以改善哮喘患者的肺功能[45]。Chen[46]等在甲苯二异氰酸酯(TDI)诱导的哮喘小鼠模型中发现，给予NLRP3抑制剂MCC950、半胱天冬酶-1抑制剂VX-765和Ac-YVAD-CHO能够有效抑制NLRP3及caspase-1的活化，减少IL-1β和IL-18表达，抑制TH2 / TH17反应。 由此证实，阻断NLRP3 / caspase-1轴能够有效阻止TDI诱导的哮喘的进展，可以用作哮喘患者的治疗靶标。

六、NLRP3与慢性阻塞性肺疾病

与支气管哮喘一样，慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)的急性发作与NLRP3炎性小体激活引起的炎症反应也密切相关。Wang[47]等研究发现慢阻肺急性加重组患者NLRP3mRNA、Caspase-1、ASC、IL-18、IL-1β的mRNA水平明显高于吸烟者，而且，当慢阻肺急性加重组中患者病情稳定后，上述指标明显减少。Nachmias[48]等人研究也发现NLRP3及其激活后产生的炎症细胞因子(IL-8和MCP-1)在慢阻肺及慢阻肺急性加重体外模型中表达升高，并且慢阻肺急性加重中上述指标的表达水平更高。Rotta Detto[49]等发现非典型流感嗜血杆菌NTHi可以诱导慢阻肺患者肺组织细胞中NLRP3炎性体的上调以及caspase-1依赖性IL-1β表达显著升高，加重炎症反应。这些发现均提示NLRP3炎性因子参与了慢阻肺患者急性加重的过程。对于甲型流感病毒(IAV)引起的慢阻肺急性加重，有研究发现疏风解毒胶囊联合奥司他韦可以抑制NLRP3炎性小体激活，降低IL-1β和IL-18水平，从而减轻临床症状[50]。而在空气颗粒物(PM2.5)引起的气道炎症及肺气肿小鼠模型中，硫化氢可以通过Nrf2途径抑制NLRP3炎性小体活化，减少IL-1β分泌，改善肺气肿及气道炎症[51]。Cao[52]等也发现脂氧素受体激动剂BML-111可以通过上调Nrf-2来预防NLRP3炎性体激活并抑制活性氧产生，从而对慢阻肺模型小鼠发挥抗炎作用。以上研究均发现NLRP3在慢阻肺急性加重中扮演重要角色，但在慢阻肺稳定期患者中的研究发现，NLRP3炎性小体的表达与健康对照组并无明显差异，说明NRLP3炎性体在稳定慢阻肺炎症反应中可能发挥次要作用[53]。

小 结

综上所述，NLRP3炎性小体与急性肺损伤、肺部感染、支气管哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺癌、肺纤维化等肺部疾病的发病以及疾病的进展均有一定的相关性，随着对NLRP3炎性小体活化机制的进一步研究，将有可能为以上肺部疾病的治疗提供新思路。而在肺癌方面，NLRP3激活是否引起肿瘤的迁移进展仍存有争议，需要进一步深入研究。