小胶质细胞与NLRP3炎症小体在认知功能障碍中作用的研究进展

王彩红，刘荣鑫，汤 峰，魏晓涛，徐紫清，侯怀晶，张 杰，赵永强，薛建军

1甘肃中医药大学第一临床医学院，兰州 730000 甘肃省中医院 2麻醉科 3甘肃省中西医结合麻醉临床研究中心 4甘肃省中医药研究院中西医结合麻醉与循证医学研究所 5泌尿外科，兰州 730000

认知功能障碍是一种常见的神经系统疾病，包括认知减退、记忆力和注意力障碍[1]，是对以阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)为代表的一类影响认知功能的疾病的统称，其对患者的主观认知功能和生活质量产生了巨大影响，并与老年人死亡率增加相关[2-3]，但其病因及发病机制尚未阐明。研究显示，中枢神经系统的小胶质细胞、星形胶质细胞、常驻吞噬细胞和其他免疫细胞等介导的神经炎症在认知功能障碍的发生发展中发挥关键作用[4-5]。其中，小胶质细胞通过各种表面受体[如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)等]对刺激和病原体相关的分子作出应激反应，促使小胶质细胞向M1促炎型极化，进而促进了过度活跃的炎症状态形成。既往研究表明，大脑中炎症细胞因子的过度产生和小胶质细胞的激活，预示着大脑信号传导存在障碍，提示认知功能障碍的发生[6]。神经炎症是认知功能障碍相关疾病发生的主要驱动因素，过度的神经炎症可导致神经元死亡，最终导致认知功能障碍相关疾病不断加重[7]。同时，有研究证实，小胶质细胞中NLRP3炎症小体的激活与脑功能下降及认知功能障碍相关疾病的进程密切相关[7-11]，敲除NLRP3炎症小体可显著抑制大脑神经炎症反应，提示阻断NLRP3炎症小体在认知功能障碍相关疾病早期防治中具有较大潜力。本文通过查阅国内外最新文献，阐述了小胶质细胞、NLRP3炎症小体及二者共同在认知功能障碍中的作用，以期为认知功能障碍机制研究、临床防治及后续相关药物研发提供一定参考和依据。

1 小胶质细胞、NLRP3炎症小体与认知功能障碍

1.1 小胶质细胞

小胶质细胞介导的持续性神经炎症在认知功能障碍相关疾病的发生中发挥关键作用。小胶质细胞是从卵黄囊红髓样祖细胞衍生而来的巨噬细胞，具有调节神经元细胞程序性死亡、剥离发育中神经元的多余突触和促进神经突形成等多种功能[12]，是神经炎症发生的起点及大脑的第一道防线，可保护中枢神经系统免受过度神经炎症和免疫反应造成的伤害。随着大脑微环境的改变，小胶质细胞可从静止状态转变为阿米巴激活状态，分泌大量炎症介质和神经毒性物质，从而破坏神经元功能[13]，进而损害大脑神经，增加应激易损性，加剧认知功能障碍[14-15]。除静息态外，小胶质细胞还有两种功能不同的激活态，即促炎型M1和抗炎型M2。研究证实，调控小胶质细胞M1型与M2型之间不同形态的转化，可显著减轻大脑中枢神经系统炎症，在神经炎症引起的认知功能障碍相关疾病防治中具有较大潜力和广阔的应用前景[16]。

1.2 NLRP3炎症小体

NLRP3炎症小体引发的无菌性神经炎症是认知功能障碍发生、发展的关键驱动因素。NLRP3炎症小体是一种多蛋白复合物，由NLRP3、半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-1(Caspase-1)和含Caspase募集结构域(casepase recruitment domain，CARD)的凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)组成，是β淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)触发的小胶质细胞炎症激活的关键信号传导介质[9]。NLRP3炎症小体是细胞内的促炎模式识别受体。Aβ的积累和沉积以及神经纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)的形成，促使小胶质细胞的NLRP3炎症小体激活[9]，其通过自催化形式将pro-Caspase-1裂解为活化的Caspase-1。激活的Caspase-1作为炎症小体效应蛋白，能够将失活的促炎细胞因子pro-白介素(interleukin，IL)-1β和pro-IL-18分别裂解为成熟的IL-1β和IL-18。最终通过小胶质细胞将成熟的IL-1β和IL-18释放至细胞外，触发和传播神经炎症，发挥多种非特异性炎症作用[17]。NLRP3炎症小体已被证明在认知功能障碍的患者中被激活[8]。敲除NLRP3可抑制促炎过程，改善淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)/早老素-1(prosenoxin 1，PS1)小鼠的认知功能障碍[18]。同时，有研究发现，NLRP3炎症小体的激活限制了M2型小胶质细胞的有益清除功能，而NLRP3或Caspase-1的缺失则增加了小胶质细胞斑块的吞噬作用[19-20]，这意味着NLRP3炎症小体的激活是认知功能障碍的早期病理改变。激活小胶质细胞中的NLRP3炎症小体通常可加剧多巴胺能神经元的丢失[21-22]。因此，通过抑制NLRP3炎症小体的激活与表达，可减少小胶质细胞向M1型极化、Aβ沉积与NFTs形成、减轻神经炎症，是防治早期认知功能障碍的关键举措，同样也是未来研究的热点问题和主要方向，更是研制防治早期认知功能障碍药物的关键作用靶点。

2 小胶质细胞—NLRP3炎症小体在认知功能障碍中的作用

在中枢神经系统，NLRP3炎症小体主要存在于免疫细胞、神经元细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞的细胞质中[23]，小胶质细胞通过细胞内NLRP3炎症小体介导慢性神经炎症反应、神经元死亡和细胞焦亡，从而驱动认知功能障碍的发生和进展[24-25]。NLRP3炎症小体的活性及其严密调控作用在很大程度上决定了小胶质细胞的形态和调控功能。“小胶质细胞—NLRP3炎症小体”可通过共同作用减少大脑中炎症因子的释放、减少Aβ沉积、调控细胞自噬，进而减轻大脑神经炎症、调控大脑微环境、改善神经元和大脑神经损害，最终达到防治认知功能障碍的作用。

2.1 减少炎症因子释放

小胶质细胞是大脑的常驻免疫细胞，淀粉样斑块和细胞外Tau被小胶质细胞所包围。斑块联合引发小胶质细胞NLRP3炎症小体信号，导致IL-1β和IL-18的产生，并在大脑内形生一个炎症环境[26]。这种炎症环境在认知功能障碍早期引起小胶质细胞的慢性激活。持续的NLRP3炎症小体信号可引发小胶质细胞功能障碍，降低其清除Aβ和NFTs的能力，形成Aβ和Tau沉积、炎症因子大量释放和小胶质细胞激活的破坏性循环[27-28]。Wang等[29]研究发现，经异氟醚麻醉后的高龄小鼠，其小胶质细胞被激活后，海马区、小胶质细胞中的NLRP3表达增加，IL-18、IL-1β分泌增加，进而导致小鼠出现认知功能障碍，而敲除小鼠NLRP3基因后异氟醚诱导的小胶质细胞和NLRP3炎症小体活性被抑制。在一项褪黑素减轻患有海湾战争疾病军人神经炎症及认知和情绪功能障碍的研究中，通过抑制核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)-NLRP3-Caspase-1信号转导通路，可抑制小胶质细胞的激活，降低NLRP3炎症小体、IL-18、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和干扰素-γ(interferon-γ，IFN-γ)的表达，减少IL-1β、单核细胞趋化蛋白-1和巨噬细胞趋化蛋白-1α的数量[30]。此外，有研究发现，辅酶Q10的类似物依地苯酮通过靶向神经小胶质细胞-NLRP3炎症小体的激活，下调促炎细胞因子(IL-1β、IL-18、TNF-α)水平，调节恶性NLRP3/Caspase-1/IL-1β神经炎症循环，可起到保护神经的作用，并延缓认知功能障碍等神经炎症相关疾病的病理进展[31]。因此，NLRP3炎症小体正逐渐成为颇具前景的认知功能障碍治疗新靶点。

2.2 减少Aβ沉积

内源性分子(如Aβ和Tau)及外周因素(如血清淀粉样蛋白A等)可触发失调的小胶质细胞-NLRP3炎症小体活动，驱动认知功能障碍的发生和发展[32-33]。认知功能障碍的特点是Aβ斑块沉积，然后形成由高磷酸化Tau组成的神经纤维内缠结，这些病变与突触损伤和最终的认知功能障碍相关。同时，Aβ原纤维具有独特的结构特征，被视为一种损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)，可被Toll样受体或NLRs识别，并传递促炎信号。被NLRP3炎症小体激活的小胶质细胞是增加神经毒性蛋白Aβ沉积、神经原纤维缠结，并最终导致神经元死亡和认知功能障碍的关键因素。NLRP3炎症小体导致含有CARD的凋亡样蛋白形成，然后形成新的Aβ斑块，导致Aβ沉积[23]，进而形成恶性循环。小胶质细胞是中枢神经系统中的巨噬细胞和原代免疫细胞，负责吞噬和清除Aβ[34]，反之Aβ的长期诱导可引起小胶质细胞功能障碍，进而导致认知功能障碍[35]。研究发现，NLRP3炎症小体激活可促进小胶质细胞的促炎反应，抑制Aβ的清除[36]，增加其沉积。同样，Liu等[37]的研究结果亦表明，Aβ通过激活NLRP3炎症小体信号通路并上调小胶质细胞中NLRP3炎症小体相关分子的表达，增加IL-1β的分泌，进而加剧神经炎症反应，加速神经元死亡，加速认知功能障碍的发展，是认知功能障碍防治过程中的主要作用靶点。敲除APP/PS1小鼠AD模型中的NLRP3或Caspase-1基因，可抑制神经炎症、Aβ沉积和认知功能障碍相关病理变化[19]。清除或减少大脑中Aβ或Tau蛋白的异常沉积是治疗AD的关键策略。

2.3 调控自噬

自噬是一种溶酶体依赖的降解途径。目前，自噬已被证实与NLRP3炎症小体活化密切相关，可负向调节NLRP3炎症小体的激活[38]。研究发现，在炎症环境中增强自噬可显著抑制过度炎症，并改善认知功能障碍[39-41]。自噬可导致蛋白质沉积和神经元丢失，越来越多的研究证实其在认知功能障碍中发挥关键作用[42]。Ying等[43]研究证实，通过BCL2相关基因3(BAG3)可逆转内毒素诱导的自噬标志物表达变化，如该实验中p62表达增加、自噬调控因子(Beclin-1)表达减少，进而逆转被内毒素抑制的自噬，表明该途径是减轻认知功能障碍持续性神经炎症的机制之一。同时，Qiu等[44]在体外及体内实验研究中发现，通过上调含Src同源2结构域蛋白酪氨酸磷酸酶2(Src homology 2 region-containing protein tyrosine phosphatase 2，SHP2)、调控腺苷酸活化蛋白激酶(AMP activa-ted protein kinase，AMPK)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)和PTEN诱导假定激酶1(PTEN-induced putative kinase 1，PINK1)/E3泛素蛋白连接酶(E3 ubiquitin-protein ligase)Parkin信号通路，诱导小胶质细胞线粒体自噬，可抑制NLRP3炎症小体的激活和表达，减轻神经炎症和神经元死亡，从而发挥改善认知功能障碍的作用。目前，应用自噬诱导治疗和微RNA抑制NLRP3炎症小体激活成为防治认知功能障碍的可能方式。研究表明，自噬蛋白(如自噬相关蛋白7)、微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain3，LC3B)和Beclin-1通过维持线粒体的完整性以调控NLRP3炎症小体的激活[45-46]。实验研究表明，LC3B等自噬蛋白的缺失可促使巨噬细胞中Caspase-1裂解、ASC形成和IL-1β释放[47-48]，加剧神经炎症，进而加快认知功能障碍进程。因此，抑制NLRP3炎症小体的激活、调控细胞适度自噬是当前认知功能障碍防治领域具有应用前景的防治措施之一。

2.4 维持突触稳态

认知功能障碍的重要特征是突触异常和功能障碍，如突触损伤、突触丧失和突触结构变化，这些异常改变发生在认知功能障碍的早期阶段，因此在行为症状发生之前，维持突触稳态在认知功能障碍早期防治中具有举足轻重的作用。突触是神经元之间正常交流的必要条件，其减少神经冲动在神经元之间的传递是神经退行性疾病认知功能障碍的重要机制之一[49]。突触变性与认知功能障碍相关[50]。AD小鼠模型的实验研究表明，突触密度在Aβ沉积之前已出现明显下降[51]。突触丧失和功能障碍将严重破坏信号传导和神经元通讯，导致中枢神经系统功能异常。因此，突触变性是记忆障碍和认知缺陷的重要潜在机制之一。可溶性Aβ低聚物可在突触处结合，导致突触缺失和突触形状、大小及组成发生改变。来自AD受试者大脑皮层的可溶性Aβ低聚物或由人类淀粉样前体蛋白(amyloid prebody protein，APP)转染细胞释放的Aβ低聚物可改变突触的数量、组成和形状，导致突触可塑性缺陷和认知功能损害[50]。体外及体内研究均表明，可溶性Aβ低聚物可对长期认知功能障碍发挥治疗作用[50]。NLRP3炎症小体抑制剂能够改善突触可塑性，在认知功能障碍小鼠模型中较少引起小胶质细胞激活[52]。对于突触变化在认知功能障碍中作用机制的研究，可确定治疗认知功能障碍手段的可行性。确定逆转或防止突触损失的靶点，可为认知功能障碍患者提供新的治疗途径。同时，在认知功能障碍早期事件中检测突触损失，有助于防止重大突触损伤的发生。

3 小结与展望

认知功能障碍作为一种认知减退、记忆力和注意力障碍的神经系统退行性病变，在多种疾病中可见，如AD、亨廷顿舞蹈症、创伤性脑损伤、帕金森等，同时也可作为一种疾病单独出现。认知是大脑的基础功能，既往研究证实，神经炎症严重影响大脑的基础功能认知，使其发生认知功能障碍，出现执行功能、学习和记忆、感知运动功能、语言、复杂注意力和社会认知等6种认知能力衰退。近年来，小胶质细胞、NLRP3炎症小体在神经炎症、认知功能障碍领域得以广泛研究，并指出了其存在的因果关系，但仍存在诸多未知问题需研究进一步探索。如Aβ及Tau如何在分子和细胞水平触发小胶质细胞和NLRP3炎症小体信号？小胶质细胞和NLRP3炎症小体介导的神经炎症如何加速认知能力下降？个别炎症小体靶蛋白(如IL-1β、IL-18、GSDMD)在认知功能障碍中的精确病理生理功能是什么？慢性外周或系统性NLRP3炎症小体信号如何促进神经炎症的发生？对于这些问题的回答将为认知功能障碍相关疾病驱动机制的研究提供洞察力，并有助于目前正在开展的临床试验，如NLRP3炎症小体抑制剂对认知功能障碍、其他炎症性和神经退行性疾病的临床研究。

此外，认知功能障碍属于中医学“神病”“呆证”“善忘”“痴呆”的范畴。临床上应用中医药治疗认知功能障碍的历史悠久、疗效确切[53]。研究表明，中医药可调控NLRP3炎症小体和小胶质细胞极化[54]，对神经炎症及认知功能障碍具有显著的改善和治疗效果。同时，在“整体观、个体化、治未病”等中医学理论的指导下，中医药防治认知功能障碍相关疾病具有重视基础病证与当前病证共同调治的特点，且具有作用靶点与机制多样、副作用小、不良反应少、患者耐受性好等优势，但目前此方面的高质量研究相对较少，未来可通过与现代技术(网络药理学、蛋白组学、代谢组学、基因组学等)相结合，进一步明确作用机制，推动中医药的临床应用，并借此研制出疗效更好、机制更明确的中医药类药品。