炎症小体在脓毒症中的研究进展

朱宇慧 周海东

[摘要] 脓毒症是由宿主对感染反应失调而引起的危及生命的器官功能障碍。炎症小体可被多种病原微生物和内源性危险信号激活，是机体固有免疫系统的重要组成部分。机体免疫系统紊乱是脓毒症的主要病理机制之一，炎症小体的活化及活性的調节在脓毒症的发生发展过程中具有重要作用。本文就常见炎症小体及其与脓毒症的相关研究进展作一综述。

[关键词] 脓毒症；炎症因子；作用机制

[中图分类号] R459.7      [文献标识码] A      [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2023.13.028

脓毒症是由宿主对感染反应失调而引起的危及生命的器官功能障碍。因对脓毒症发生机制和治疗方法认识有限，脓毒症的发病率和病死率并未明显降低。数据显示，我国重症监护病房患者中的20%是脓毒症患者，脓毒症患者的90d病死率为35.5%[1-2]。脓毒症病理机制复杂，是多因素共同作用并互相影响的结果。目前认为，宿主免疫反应失调和凝血功能紊乱是脓毒症的两大致病机制。炎症小体作为机体免疫系统的重要组成部分，可识别多种病原微生物和内源性危险信号，介导相关细胞因子的合成和释放，维持人体内环境稳态；同时，炎症小体也在细胞焦亡机制中发挥关键作用。脓毒症中，炎症小体的适度激活能抵御病原体感染，减少组织损伤；而炎症小体的过度活化会引起脓毒症休克、脏器功能衰竭或发生继发感染等。炎症小体与脓毒症的诊断、治疗和预后密切相关。本文综述炎症小体及其与脓毒症的相关研究进展，以期为研究机体通过炎症小体调控脓毒症的预防和治疗提供参考和借鉴。

1  炎症小体概述

炎症小体于2002年被首次报道；作为胞质内多蛋白复合物，炎症小体包括受体蛋白、接头蛋白及下游的胱天蛋白酶（caspase）家族3部分。参与形成炎症小体的受体蛋白包括核苷酸结合寡聚化结构域样受体（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor，NLR）、黑色素瘤缺乏因子2样受体（absent in melanoma 2-like receptor，ALR）和Pyrin。NLR家族以含半胱天冬酶募集结构域（caspase recruitment domain，CARD）的NLRC（NOD1、NOD2、NLRC3～5）及包含蛋白结构域的NLRP（NLRP1～14）最为常见。ALR家族包括黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）和γ干扰素诱导蛋白16两大类蛋白。受体蛋白识别病原体相关分子模式和损伤相关分子模式，启动炎症小体组装。凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing caspase recruitment domain，ASC）是由热蛋白结构域（pyrin domain，PYD）及CARD组成的二肽蛋白，可通过PYD-PYD与相应受体蛋白结合，并以CARD-CARD与caspase前体作用。

2  炎症小体的分类及活化

根据caspase的不同，炎症小体分为依赖caspase-1的经典途径和依赖caspase-11/4/5的非经典途径两类。参与依赖caspase-1经典途径的炎症小体主要有NLRP1、NLRP3、NLRC4、AIM2和Pyrin，通过相应受体蛋白感知激活信号，借助ASC招募caspase-1前体至效应区域激活。消皮素D（gasdermin D，GSDMD）N端与C端的分子内结合可抑制其寡聚化，caspase-1前体的活化不仅可解除该抑制，使GSDMD释放活性N端蛋白，形成焦亡孔道，导致细胞肿胀裂解；GSDMD对白细胞介素（interleukin，IL）-1β/ IL-18的前体进行切割，使其成为成熟形式的蛋白，通过焦亡孔道释放至胞外。IL-1β和IL-18可诱导其他细胞因子表达，募集和激活更多淋巴细胞至感染部位；亦可通过激活相关信号通路，上调多种促炎细胞因子的表达。依赖于caspase-11/4/5非经典途径的炎症小体通路主要有两种激活方式：①胞外脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）直接激活Toll样受体4，触发一系列胞内级联反应、活化caspase-11/4/5前体；②高速泳动族蛋白B1（high mobility group box-1 protein，HMGB1）和胞外LPS结合形成HMGB1-LPS复合物，经晚期糖基化终末产物受体内化，LPS进入胞质后直接与caspase-11/4/5前体结合导致其寡聚激活。caspase-11/4/5切割GSDMD引起细胞焦亡，激活相关炎症小体，活化caspase-1前体，释放成熟的IL-1β和IL-18。目前，仅发现NLRP3炎症小体参与依赖caspase-11/4/5的非经典途径。

3  炎症小体与脓毒症的发生发展

既往研究认为，脓毒症的初始阶段主要发生全身炎症反应综合征；当宿主感染严重或抵抗力较弱、无法清除现有病原体、造成组织损伤后，便会发生失代偿性炎症反应综合征。二者在脓毒症初期可能同时发生，只是主导地位不同。脓毒症早期常表现为促炎症反应，触发细胞因子级联反应，机体释放大量促炎细胞因子，患者多有高热、高代谢等临床症状；后期则表现为抗炎反应强于促炎反应，产生抗炎介质和细胞因子，可减轻细胞、组织、器官损伤，引起免疫抑制甚至免疫麻痹，导致现有感染无法完全清除或继发再次感染，病情进一步加重。研究表明，免疫细胞所释放的细胞因子可引起血小板减少，甚至发生弥散性血管内凝血，这与脓毒症患者的预后紧密相关[3-4]。人体免疫细胞合成和分泌的IL-1β、IL-18是诱导全身炎症反应的必需介质，又是机体清除病原体的必要因子，而维持适当的炎症反应对机体极为重要。IL-1β和IL-18的成熟和活化受caspase-1的调控，而后者的调控与炎症小体密切相关。综上，炎症小体在脓毒症的发生发展及治疗过程中起着极为重要的作用。

3.1  NLRP1炎症小体与脓毒症

NLRP1炎症小体由NLRP1受体、ASC和caspase-1前体组成。研究发现，NLRP1b经自切割或被炭疽致死因子水解后，可产生新的N末端。新的N末端促使NLRP1b经N端介导的蛋白酶体降解途径发生降解，释放含有CARD结构域的NLRP1b活性C端，完成炎症小体组装及下游caspase-1前体的活化[5-7]。Robinson等[8]研究表明，人NLRP1受体也可在肠病毒3C蛋白酶刺激下，通过此途径暴露含CARD结构域的活性C端，激活人NLRP1炎症小体。鼠NLRP1各亚型的刺激物不甚相同，NLRP1b除可响应炭疽致死因子外，还参与宿主对原虫（如刚地弓形虫）的清除。缺乏NLRP1b和NLRP3，宿主感染刚地弓形虫后，IL-1β和IL-18促炎细胞因子生成减少，携带寄生虫量增加，最终可死于感染[9]。NLRP1a则可促进NLRP1a-caspase-1复合物的形成，活化IL-1β。研究发现，NLRP1aQ593P Il1r–/– 小鼠在感染淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒后，会出现较长时间的骨髓发育不良甚至免疫抑制[10]。人NLRP1炎症小体则可识别胞壁酰二肽、双链RNA及多种病毒蛋白酶[11-13]。另有研究表明，脓毒症患者的外周血单个核细胞中NLRP1基因表达减少，指出NLRP1的表达与脓毒症患者病情严重程度、存活率相关[14-15]。脓毒症休克患者中，存活者NLRP1的信使RNA明显高于死亡者。当脓毒症患者处于免疫抑制时，可通过增加炎症小体活性，改善患者的免疫功能，这可能有利于改善脓毒症患者的预后。

3.2  NLRP3炎症小体与脓毒症

既往研究表明，NLRP3炎症小体与脓毒症的发生及预后密切相关。荜苃明碱、大黄素、紫丁香酚等多种药物均可通过抑制NLRP3炎症小体活性，提高脓毒症模型组的细胞活力和小鼠存活率[16-19]。NLRP3炎症小体的激活受多种因素调节，如胞外腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）浓度升高、胞外渗透压或酸碱度变化、K+外流、活性氧（reactive oxygen species，ROS）过量、线粒体功能障碍、NLRP3翻译后修饰等，这些因素均可影响脓毒症患者的预后。嘌呤能离子通道型受体7（purinergic ligand-gated ion channel 7 receptor，P2X7R）是一类非特异性阳离子通道，与K+外流相关，可被胞外ATP激活。Sun等[20]研究发现，脓毒症相关性脑病的P2X7R、NLRP3高度表达，给予P2X7R抑制剂后，NLRP3表达减少，病情进展得以延缓。Martínez-García等[21]研究发现，因胞外ATP浓度升高而被激活的P2X7R，可通过线粒体缺氧诱导因子-1α（hypoxia- inducible factor-1 alpha，HIF-1α）使NLRP3炎症小体活化受损，诱发免疫抑制。提示无论激活的P2X7R促进或抑制NLRP3蛋白表达，均可能加快病情发展，在脓毒症早期降低胞内ATP浓度、抑制P2X7R，可改善患者预后。硫氧还蛋白互作蛋白（thioredoxin interacting protein，TXNIP）是一种内源性氧化还原调节剂，ROS生成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶，促使TXNIP与NLRP3受体结合，诱导NLRP3炎症小体组装。Yang等[22]研究发现，LPS处理后TXNIP、NLRP3、切割型caspase-1表达均升高，沉默TXNIP可明显降低上述蛋白的表达，提高细胞和小鼠存活率。多项以脓毒症患者和同期健康体检者为研究对象的临床试验发现，脓毒症患者外周血单个核细胞中NLRP3蛋白高度表达、血清IL-1β浓度增高[14，23]。另有研究表明，脓毒症患者若外周血单个核细胞中IL-1β浓度降低、ASC斑点形成受抑，NLRP3炎症小体形成受损，预后更差[21，24]。推测轻度炎症可活化NLRP3炎症小体，减轻炎症或减缓炎症发展过程；重度炎症除不能激活NLRP3炎症小体外，可破坏其组装，炎症进一步加重，波及全身。

3.3  NAIP-NLRC4炎症小体与脓毒症

神经元凋亡抑制蛋白（neuronal apoptosis inhibitor protein，NAIP）和NLRC4同屬NLR家族。C57BL/6小鼠可编码7种NAIP亚型，但目前仅发现4种亚型能够识别不同的刺激物。NAIP1可识别Ⅲ型分泌系统（type Ⅲ secretion system，T3SS）针样蛋白，NAIP2可识别T3SS基座蛋白，NAIP5和NAIP6可识别胞质鞭毛蛋白。人只有1种NAIP蛋白，仅识别T3SS针样蛋白。因CARD结构域的存在，NLRC4受体可直接活化caspase-1前体。在炎症小体的组装中，通常需要ASC放大信号，ASC允许caspase-8与NAIP/NLRC4结合，诱导细胞凋亡[25]。Zhang等[26]研究发现，NLRC4受体可通过caspase-1激活内源性凋亡。NLRC4因在鼠伤寒沙门菌感染引起的细胞凋亡过程中发挥重要作用而被发现，其机制可能为NAIP/NLRC4通过识别沙门菌毒力岛（Salmonella pathogenicity islands，SPI）-1和SPI-2抑制细菌复制和感染，再联合小肠上皮细胞将炎症局限于肠道进而清除[27-28]。研究发现，感染伤寒沙门菌后，若NAIP/NLRC4活性不足，NLRP3-ASC-caspase-1也可被激活，但可能因小肠上皮细胞未能参与，并不能阻止炎症侵犯淋巴结及全身[28-29]。NAIP/NLRC4除在肠道表达外，肺脏、脾脏、皮肤等器官也有表达，且已有研究证明其在铜绿假单胞菌感染引起的急性肺炎及LPS所致急性肺损伤中的表达明显增高，基因敲除或抑制NLRC4受体活性，小鼠病死率降低[30-32]。NLRC4炎症小体在获得性肺炎继发脓毒症患者中表达明显增高，尤其是未存活者[14]。整体而言，NAIP/ NLRC4炎症小体具有保护肺、胃、肠等黏膜屏障免受细菌、病原体侵袭的作用，可影响脓毒症的发生发展，改善其预后；但也可能因病原体不同、感染途径各异、宿主细胞的差别，导致预后不尽相同，需更多的临床试验加以验证。

3.4  AIM2炎癥小体与脓毒症

AIM2炎症小体包括AIM2受体、ASC、caspase-1前体3部分。静态下，AIM2因PYD和HIN结构域间形成的某一分子内复合物而处于自我抑制状态。当HIN与双链DNA结合后，可诱发PYD寡聚，而后与ASC结合，再招募caspase-1前体至活化区域，随后IL-1β、IL-18成熟释放，GSDMD-NT形成。但有研究表示，PYD结构域也可通过自身寡聚而活化AIM2炎症小体。AIM2炎症小体参与如动脉粥样硬化、结肠炎、癌症等无菌炎症过程；也在弗朗西丝菌、肺炎球菌等细菌感染和小鼠巨细胞病毒、牛痘病毒等病毒感染及真菌、原虫感染中发挥重要作用。与此相对，某些病原体也可通过相关蛋白抑制AIM2活化，从而使病毒得以复制，如病毒蛋白pUL83在人巨细胞病毒感染早期、单纯疱疹病毒1型的被膜蛋白VP22、乙型肝炎e抗原。研究表明，M2型丙酮酸激酶抑制剂紫草宁可减少活化的AIM2、NLRP3炎症小体，提高经LPS处理的细胞活力及盲肠结扎穿孔脓毒症模型小鼠的生存率，而M2型丙酮酸激酶介导的糖酵解主要通过磷酸化真核翻译起始因子2α激酶2调节巨噬细胞炎症小体活性，提示代谢组学可能是脓毒症的另一靶点[33]。另有研究报道，在LPS诱导的急性肺损伤中，中性粒细胞胞外诱捕网（neutrophil extracellular trap，NET）合成增多，AIM2识别相关DNA并活化，进一步促进肺泡巨噬细胞焦亡，加重病情；基因敲除AIM2或NET DNA降解后，小鼠生存率得以提高[34]。过量NET可附着于受损的血管上皮细胞，促进血小板聚集和凝血，形成免疫血栓。研究表明，免疫血栓全身性形成是弥散性血管内凝血发展的一个阶段[35]。在脓毒症患者中，AIM2炎症小体的基因表达增多[36]。因此，调控AIM2炎症小体可能是治疗脓毒症的新靶点。

3.5  Pyrin炎症小体与脓毒症

Pyrin炎症小体包括Pyrin受体、ASC、caspase-1前体。静态下，Pyrin蛋白受多种因素影响而处于静息状态。如被小G蛋白超家族成员RhoA鸟苷三磷酸（guanosine triphosphate，GTP）激活的RhoA蛋白激酶C样激酶磷酸化人Ser208、Ser242（小鼠对应位点为Ser205、Ser241），调节蛋白14-3-3再与之结合覆盖活化位点；PYD结构域同B-box结合，未能暴露活化位区域；CC结构域形成反平行二聚体；B30.2二聚体同富含脯氨酸的CC结构域结合形成三聚体等。活化Pyrin通过RhoA GTP酶修饰和失活，使肌动蛋白细胞骨架紊乱，Pyrin蛋白Ser208、Ser242同时发生去磷酸化，激活的Pyrin在微管蛋白的协助下募集ASC与caspase-1前体。研究证实，艰难梭菌毒素A和艰难梭菌毒素B糖基化、嗜组织菌Fic-结构域效应蛋白腺苷酰化、肉毒杆菌C3毒素腺苷二磷酸-核糖基化、副溶血性弧菌腺苷酰化、洋葱伯克霍尔德菌TecA脱氨化等修饰信号可被Pyrin炎症小体识别[37-38]。后续研究证实，百日咳毒素腺苷二磷酸-核糖基化、耶尔森菌YopE/T/M/J通过不同作用机制也可激活Pyrin炎症小体[39-41]。适度激活该炎症小体有利于病原菌的清除，恢复机体内环境稳态；而过度刺激可能致感染无法有效控制甚至进一步加重，诱发脓毒症。有关Pyrin炎症小体在脓毒症患者中的作用机制亟待进一步研究探索。

4  总结和展望

综上所述，在脓毒症的不同阶段，针对不同的临床表现和炎症反应状态，对不同炎症小体的活性进行精准调控，对脓毒症的预防、发展、治疗和预后都有积极意义。随着对脓毒症、炎症小体研究的不断深入，人们对炎症小体的分子结构、作用机制、信号传导、活性调控等有了更清晰的认识。各炎症小体在脓毒症的发生发展中起重要作用。但仍有很多问题亟待探究，如各炎症小体具体激活物的信号路径、各炎症小体之间的相互作用机制等。亟需更多关于炎症小体的临床及相关通路研究，为脓毒症的早期诊断、针对性治疗提供理论依据。

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