NLRP3炎症小体在病理性心肌肥厚中的研究进展

吴浩亮 周文杰 崔胜宇 陶波 冯高科 易欣 吴青青 孟祥平 浦湧 范稣圳 徐林

(1.武汉大学人民医院心内科 武汉大学心血管病研究所 心血管病湖北省重点实验室，湖北 武汉 430060；2.武汉市第四医院，湖北 武汉 430030；3.武汉大学人民医院汉南医院(汉南区人民医院)，湖北 武汉 430090)

1 病理性心肌肥厚与NLRP3炎症小体

病理性心肌肥厚可由多种危险因素引起，例如心脏前后负荷过载、神经体液调节失衡，以及遗传因素等，表现为心脏体积增大、质量增加以及心功能下降。多种刺激因素通过各种复杂的信号通路刺激心肌细胞内蛋白质合成增加、体积增大，间质细胞增生，炎症细胞浸润增加，最终表现为心肌肥厚、纤维化程度增加[1]。随着病理性心肌肥厚的病程进展，会伴发一系列的不良心血管事件，如心律失常和心力衰竭(心衰)。在人们的普遍认知中，炎症一般只发生在缺血性心脏病中。但大量证据表明，炎症在非缺血性心脏病中也发挥着关键作用[2]。

1.1 NLRP3炎症小体及其激活

炎症小体NOD样受体蛋白3(NOD-like receptor protein 3，NLRP3)是一种多蛋白复合物，是NOD样受体(NOD-like receptor，NLR)家族最著名的炎症小体。 NLR作为固有免疫通过模式受体三大家族之一，能感应并识别病原体相关分子模式，激活细胞内炎症相关信号通路，抵御病原体入侵[3]。NLR家族成员种类很丰富，目前在人体内发现的NLR家族成员有22种之多[4]。NLR属于AAA-ATP酶超家族的STAND亚类，其结构中包含一个位于中心的ATP酶结构域。根据其内部结构域不同，NLR可分为两个亚群，包含半胱天冬酶激活和募集结构域(caspase activation and recruitment domain，CARD)的NLRC亚群和包含热蛋白结构域(pyrin domain，PYD)的NLRP亚群[5]。NLR最初被发现时，人们发现NLR在机体固有免疫和适应性免疫中发挥调控作用[6]。随着研究的深入，人们发现NLR也在细胞稳态、自噬[7-8]、凋亡[9-10]、焦亡[11-12]等多种病理生理过程中发挥很重要的作用。

在NLR众多家族成员中，关于NLRP3的研究最为广泛和深入。NLRP3在体内分布广泛，不仅存在于免疫细胞中，如树突状细胞[13]、中性粒细胞[14]和巨噬细胞[15]，还在众多非免疫细胞中表达，如心肌细胞[16]和成纤维细胞[17-18]。NLRP3在细胞中主要定位于细胞质中[18]。模式识别受体NLRP3可识别多种危险信号并被其激活，例如：细胞外ATP诱导K+外排，线粒体氧化应激触发活性氧(reactive oxygen species，ROS) 的生成，细胞内晶体结构诱导的溶酶体破坏以及细胞内钙离子超载等[19-20]。

激活的NLRP3招募凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC) 和半胱天冬酶-1前体(pro-caspase-1)组装成NLRP3炎症小体并将其切割成有活性的半胱天冬酶-1(caspase-1)，活性caspase-1触发白介素(interleukin，IL)-1β和IL-18活化和释放[21]。这两种活化的IL是重要的促炎介质，介导免疫细胞和非免疫细胞中的多种免疫反应和炎症反应[22]。此外，活性caspase-1还可诱导一种特殊形式的炎症性细胞死亡——细胞焦亡[23]。

由于NLRP3作用的特殊性，使它在心肌肥厚早期和后期扮演不同的角色。在心肌肥厚早期，NLRP3主要通过识别外界理化因素的刺激，并介导心肌细胞内的炎症反应，促进心肌肥厚，而在心肌肥厚终末期并向心衰发展过程中，NLRP3主要介导心肌细胞的死亡。此外NLRP3在心肌肥厚过程中对非心肌细胞也发挥重要的调控作用，而这些心肌细胞和非心肌细胞效应综合促进心肌肥厚的发生与发展。

1.2 早期病理性心肌肥厚与NLRP3炎症小体

在病理性心肌肥厚早期，各种危险因素诱发体内神经体液因素稳态失调，通过复杂的信号通路激活心肌细胞以及间质细胞的无菌性炎症反应。持续的炎症反应刺激诱发心肌发生肥厚。尽管此时心肌肥厚程度不明显，但相关的炎症分子表达水平却显著升高。交感神经持续异常兴奋是诱发心肌肥厚的一种常见的刺激因素，在一项关于异丙肾上腺素(isoproterenol，ISO)快速过度激活β1肾上腺素受体 (β1-adrenergic receptor，β1-AR)诱发心肌炎症的研究中发现，ISO可快速激活β1-AR/ROS信号轴快速激活NLRP3炎症小体，而激活的NLRP3可特异性激活IL-18，激活的IL-18招募巨噬细胞聚集，诱发炎症反应。使用NLRP3抑制剂MCC950或caspase-1抑制剂Z-VAD-FMK治疗均可阻断ISO诱发的炎症反应以及后续心肌肥厚的发生[24]。此外，在压力过载或血管紧张素Ⅱ持续输注诱发的心肌肥厚早期，NLRP3炎症小体相关蛋白表达水平明显上调，伴随着NLRP3表达水平的上调，心肌肥厚程度和炎症细胞浸润水平也明显上调。而通过抑制NLRP3和其下游相关组件的表达或活性时，心脏肥厚程度则明显降低[25-27]。

1.3 晚期病理性心肌肥厚与NLRP3炎症小体

病理性心肌肥厚若不进行有效的干预，会快速进入心衰阶段。心衰还是多种心脏结构和功能性疾病发展的终末形式，也是引起心脏患者死亡的最主要原因。在心肌肥厚向心衰进展的过程中，NLRP3炎症小体也充当了一个重要的不良驱动因素[28]。目前临床上对于无菌性炎症持续刺激对心衰的影响认识不足，治疗思路一般以对症治疗为主，未相对应地纠正内在病因[29-30]。其中，Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ)通过响应压力超负荷激活细胞内核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和NLRP3炎症小体，诱导从心肌肥厚到心衰过程的进展。在压力超负荷模型诱导的心衰模型中，CaMKⅡ通过上调促炎基因NF-κB以及增加细胞内活性氧途径促进NLRP3炎症小体的形成，诱发心衰[26]。此外，长期的血管紧张素刺激会大幅降低心肌细胞功能，诱发心衰。在血管紧张素持续输注4周诱发的心衰模型中，心肌组织中NLRP3炎症小体相关的炎性分子表达水平显著升高。而NLRP3的缺失则可保护心脏免受长期持续血管紧张素输注造成的心功能下降，NLRP3基因敲除的小鼠在受到长期血管紧张素Ⅱ刺激后心肌细胞凋亡率明显下降，心肌纤维化程度也明显减轻[31]。

2 NLRP3炎症小体与病理性心肌肥厚的治疗

NLRP3在自身免疫和炎症反应中发挥的强大作用使其成为一个极富吸引力的明星靶点。由于其作为一种促炎介质存在，关于NLRP3激活剂的研究一般将其作为一种免疫佐剂增强疫苗免疫刺激和自身免疫力[32]。绝大多数NLRP3相关药物研究则集中寻找NLRP3上游、本身以及其下游靶分子的抑制剂，减轻自身免疫性疾病和其他疾病模型中的无菌性炎症反应。

2.1 NLRP3炎症小体上游相关分子与病理性心肌肥厚的治疗

由于NLRP3可被多种细胞内信号分子激活，抑制这些分子的活性成为间接抑制NLRP3活性的一种有效的治疗手段。细胞内K+外排可作为一种信号激活NLRP3，而有学者研究发现cGAS-STING轴激活可促发细胞溶质K+的外排，从而触发NLRP3炎症小体激活，随后激活IL-1β和IL-18的释放，以促进无菌性炎症反应。巴菲霉素、沙西加宁或dynasore(一种高效GTP酶抑制剂)可阻断STING的激活，抑制细胞质中K+外排，从而降低细胞内NLRP3激活水平，减轻细胞内炎症反应[33]。Li等[34]在后续的研究中发现，在心肌细胞中以上无菌性炎症促发机制同样存在。

NF-κB作为一种重要的促炎基因，也可诱导NLRP3的激活。抑制NF-κB的激活也可降低NLRP3的激活。激活NF-κB的信号通路众多，其中，晚期糖基化终末产物受体(receptor of advanced glycation endproducts，RAGE)是一种先天免疫受体，可激活体内NF-κB的活性。研究者发现RAGE抑制剂可通过抑制NF-κB/NLRP3/IL-1β轴减轻血管紧张素Ⅱ引起的心肌细胞肥大[35]。在心肌细胞内，CaMKⅡ可响应压力超负荷，诱导NF-κB激活，介导压力超负荷诱发的心肌细胞炎症反应。CaMKⅡ抑制剂KN-93治疗后的心脏NLRP3激活水平明显降低，肥厚程度也改善较为明显[26]。Li等[36]发现沙库巴曲缬沙坦对于压力负荷过载再释放后的心脏具有保护作用，减轻炎症细胞浸润、心脏纤维化和胶原沉积，延缓其向心衰方向进展。这种保护作用与抑制NF-κB/NLRP3轴的激活有关。

细胞内氧化应激水平和活性氧含量的升高同样是一个刺激NLRP3炎症小体激活的危险因素。NADPH氧化酶(NADPH oxidase，NOX)是跨膜蛋白，参与催化细胞内ROS的产生。在代谢性心肌肥厚中，NOX通过诱导NLRP3的激活加重心肌肥厚，而敲除NOX基因后，NLRP3表达水平明显下降，心肌肥厚程度也明显减轻[37]。β-羟基丁酸是一种内源性酮体，通过升高体内β-羟基丁酸水平可降低心肌细胞内氧化应激水平，从而发挥抑制NLRP3炎症小体激活的作用，延缓心肌肥厚向心衰的发展[38]。

NLRP3作为一种免疫相关的模式识别受体，免疫调节剂治疗对依赖NLRP3激活的心肌肥厚同样有治疗作用。在ISO诱导和血管紧张素Ⅱ诱导心肌肥厚模型中，免疫调节剂曲妥内酯可通过抑制心肌细胞和成纤维细胞NLRP3炎症小体的活化，减轻心肌肥厚和心脏纤维化程度[39-40]。

2.2 NLRP3炎症小体自身与病理性心肌肥厚的治疗

除了上述通过抑制NLRP3上游关键效应分子间接抑制NLRP3激活的方式，聚焦抑制NLRP3炎症小体自身治疗心肌肥厚的研究也层出不穷，其中最具代表性的是NLRP3抑制剂——MCC950。MCC950特异性极高，可阻断所有刺激诱导NLRP3的激活，有效降低NLRP3上游多靶点抑制可能带来的副作用。MCC950在2001年初次被Coll等[41]发现时，被当作一种二芳基磺酰脲类药物，可特异性阻断IL-1β的成熟。随后在2015年被表征为一种特异性的NLRP3抑制剂——MCC950，在多种炎症相关疾病以及自身免疫病中发挥重要的抗炎作用。MCC950在治疗压力超负荷和持续血管紧张素Ⅱ输注诱导的心肌肥厚动物模型中显著改善了心肌肥厚和纤维化程度，减轻了炎症细胞的浸润[42]。在一项关于表观遗传调节酶甲基胞嘧啶双加氧酶2在心肌重构模型中影响的研究[43]中，发现甲基胞嘧啶双加氧酶2缺失显著加重了心肌慢性缺血和压力超负荷诱导的心肌肥厚，使用MCC950治疗对压力超负荷诱导的心脏肥大向心衰发展有明显的抑制作用，显著减轻了主动脉缩窄术诱导的心肌肥厚的程度。一项探究NLRP3抑制剂对压力超负荷诱导的心肌肥厚治疗效果的研究[44]结果显示，MCC950通过下调钙调磷酸酶表达和抑制丝裂原活化蛋白激酶激活来减轻压力超负荷诱导心脏肥大，不仅如此，MCC950治疗后的心脏成纤维细胞炎症水平和巨噬细胞浸润程度也明显减轻。一项关于SNO-MLP在心肌肥厚中作用的研究[45]中，利用NLRP3抑制剂MCC950治疗或敲除NLRP3基因显著降低了小鼠体内caspase-1和IL-1β的水平，显著改善心肌肥厚。

2.3 NLRP3炎症小体下游相关分子与病理性心肌肥厚的治疗

此外，抑制NLRP3下游效应分子caspase-1、IL-18和IL-1β的激活也可减轻病理性心肌肥厚。在上述一项关于二氧化硅纳米颗粒相关的心肌肥厚研究中，二氧化硅纳米颗粒可通过诱发溶酶体破坏激活NLRP3从而诱发心肌肥厚。研究者发现使用caspase-1抑制剂VX-765可通过抑制NLRPP3/caspase-1/IL-1β轴减轻心肌肥厚程度[46]。IL-18特异性抗体可阻断ISO介导的早期心脏炎症和纤维化[24]。另一项关于SNO-MLP在心肌肥厚中作用的研究[45]发现，使用中和抗体canakinumab特异性抑制NLRP3炎症小体下游效应分子IL-1β可显著改善持续血管紧张素Ⅱ输注诱导的心肌肥厚。由于IL-1β是自身免疫性疾病治疗中的明星分子，IL-1β中和抗体canakinumab作为一种治疗自身免疫性疾病的药物已应用于临床。在一项IL-1β抑制剂canakinumab相关的临床试验[47]中，接受IL-1β抑制剂canakinumab治疗的自身免疫性疾病患者心血管事件发生率明显下降。另一项临床研究[48]也表明通过阻断强效细胞因子IL-1β可显著降低心血管患者死亡率和再住院率。

3 小结

综上所述，无菌性炎症是刺激心肌肥厚以及诱导心衰的关键驱动因素。其中，NLRP3炎症小体活化可诱发和加剧病理性心肌肥厚，抑制NLRP3炎症小体本身或其上下游效应分子可显著改善心肌肥厚以及减缓向心衰方向发展。与NLRP3炎症小体相关的靶向药物研究处于发展阶段，部分靶向药物已进入临床阶段，并取得了令人满意的结果。因此，NLRP3相关药物治疗病理性心肌肥厚具有很强的临床应用前景，值得深入探讨。