NLRP3炎性小体与糖尿病心肌病的研究进展

张翠 刘振 刘婧扬 石新烨 刘志强 孙经武

滨州医学院附属医院心内科，滨州 256603

糖尿病患病率呈逐年上升趋势，其相关并发症可累及全身多处器官，严重危害着人类的生命健康，加剧全球疾病负担。糖尿病是心血管疾病的独立危险因素，并发症主要以大血管（如心血管疾病）和微血管病变（如影响肾脏、视网膜和神经系统的并发症）为主［1］。1972年，Rubler等［2］对4例死于心力衰竭（heart failure，HF）的糖尿病患者的心脏进行解剖时，发现了一种以心脏结构和功能异常为特征的心肌病，首次提出了糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）的概念。此后，将DCM定义为由糖尿病导致的一种特异性心肌病，与高血压或冠状动脉疾病（CAD）等其他心血管疾病无关。DCM是糖尿病的严重并发症，也是糖尿病患者死亡的主要原因，以结构和功能障碍为特征，包括心肌细胞死亡、心肌成纤维细胞激活、左心室功能障碍和代谢紊乱等，胰岛素抵抗、高脂血症和高血糖是DCM发展的3个重要独立危险因素［3］。

由于DCM的复杂性，其发病机制在过去的研究中尚未完全阐明，但近几年发现多种因素与DCM的发病相关，包括线粒体功能障碍、内皮功能障碍、代谢紊乱、心肌炎症、钙调比例失衡、RASS系统激活和细胞外基质（ECM）重构等［4］。这些病理生理变化导致氧化应激、心肌纤维化、心室肥大、左心室舒张功能障碍，最终导致HF［5］。其中，炎症在DCM的病理生理发展过程中起到了重要作用。作为NLRs家族最具特征性的炎症小体，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）与多种疾病的发生和进展相关，主要包括代谢障碍、癌症、缺血性心肌病、炎症性肠病、糖尿病与肥胖，以及自身免疫性和代谢性疾病等［6］。而在心肌细胞中大量表达的NLRP3炎性小体，可能会成为治疗DCM的新靶点。本文就NLRP3炎性小体在DCM中的作用机制及其相关治疗作出系统的综述。

NLRP3炎性小体

炎性小体是一种大型多分子复合物，由胞浆模式识别受体（PRRs）参与组装形成，能够协调宿主对抗感染因子并启动防御机制，是天然免疫系统的重要组成部分［7］。炎症小体以其控制蛋白水解酶caspase-1活化的能力而闻名，通过ASC募集caspase-1，活化的caspase-1反过来调节白细胞介素（IL）-1β和IL-18的蛋白水解成熟，产生相应的成熟炎症因子，诱导细胞焦亡［8］。其中，NLRP3是近几年研究较多、最具特征性的炎性小体。

1.NLRP3的结构

NLRP3属于NLRs蛋白家族，是一种介导有效炎性介质激活的胞浆信号复合体，广泛存在于炎症细胞和免疫细胞中，其多蛋白复合物是由传感器分子NLRP3［核苷酸结合域富亮氨酸重复序列（NLR）和含有受体3的pyrin结构域］、衔接蛋白ASC（含有半胱天冬酶募集结构域的凋亡相关斑点样蛋白）和效应蛋白procaspase-1组成［9］。NLRP3包含3个结构域：吡喃结构域（PYD）、核苷酸结合和寡聚结构域（NACHT）以及富亮氨酸重复序列结构域（LRRs）。ASC由C端caspase募集结构域（CARD）和N端PYD组成。Pro-caspase-1由一个CARD、一个p20和一个p10域组成［10］。NLRP3中央的NACHT结构域具有ATP酶活性，能够促进自身寡聚，需要与ATP结合才能激活NLRP3［11］。C端的LRR结构域可以调节NLRP3活性并感知内源性警报蛋白和微生物配体，N端的PYD结构域主要介导下游蛋白间的相互作用［9，12］。正常生理条件下，NLRP3的NACHT结构域与LRRs结合，使其处于自我抑制状态［11］，当出现病原相关分子模式（PAMLs）或损伤相关分子模式（DAMPs）时，NLRP3解除抑制状态并发生寡聚，其PYD结构域招募含有PYD的ASC衔接蛋白产生相互作用，而ASC的CARD结构域则连接下游的procaspase-1，将IL-1β前体和IL-18前体转化为具有活性的IL-1和IL-18，从而引起细胞程序性死亡-细胞焦亡［12］。因此，NLRP3炎性小体的组成成分能够使其激活后发挥作用。

2.NLRP3的激活

近几年，对炎性小体的研究越来越深入，但对于炎性小体激活的确切机制尚未有明确定论。有研究发现，在大多数细胞中，NLRP3炎性小体的激活需要两个步骤：启动和激活。启动步骤：静息状态下，细胞中NLRP3的基础水平较低，不足以组装和激活NLRP3炎性小体［9］。因此，启动步骤需要Toll样受体（TLRs）或细胞因子受体诱导［如肿瘤坏死因子（TNF）或IL-1β］，它们识别PAMPs或DAMPs，进而上调NLRP3和IL-1β的miRNA转录水平［13］，并通过翻译后修饰降低NLRP3的激活阈值，从而导致caspase-1介导的炎症因子成熟与释放，以及细胞焦亡。这些翻译后修饰主要包括：BRCC3介导的NLRP3去泛素化、LUBAC介导的ASC泛素化、依赖SYK和JNK的ASC磷酸化［14］。激活步骤：接受启动信号后，NLRP3炎性小体会被PAMPs或DAMPs等多种因素激活。大多数的PRR具有特异性，仅能识别一种或几种PAMPs或DAMPs，然而，NLPR3能被广泛的细菌、病毒和真菌的PAMPs和内源性DAMPs激活，如：成孔毒素、晶体、聚集体（β-淀粉样蛋白）、细胞外ATP、颗粒刺激物和透明质酸［11］。NLRP3通过N端PYD招募ASC形成ASC朊蛋白样寡聚物，组装后的NLRP3炎性小体触发pro-caspase-1自动切割，介导pro-IL-1β、pro-IL-18、和gasdermin D（GSDMD）的蛋白水解过程，导致细胞膜孔隙形成，并诱导细胞焦亡和IL-1β/IL-18的释放［15］。

NLRP3炎性小体与CAD

炎性反应是DCM发生、发展过程中的关键因素，越来越多的证据表明，NLRP3对控制炎性反应和协调抗微生物宿主防御至关重要。研究发现，在2型糖尿病大鼠模型中，NLRP3炎性小体、IL-1β、IL-18及TNF-α等炎症因子的水平明显增加，导致糖尿病大鼠心脏功能障碍，而NLRP3基因沉默后能有效减轻DCM的炎性反应，从而改善DCM的细胞凋亡、心室功能障碍及心肌纤维化［16］。

1.NLRP3炎性小体参与DCM细胞焦亡过程

焦亡是由caspase-1/4/5/11引发的一种程序性细胞死亡的炎症形式，通常在细胞内病原体感染时发生，主要导致细胞肿胀、质膜裂解及促炎因子的释放，从而激活强烈的炎症和免疫反应。研究表明，高糖诱导的活性氧（ROS）过度生成是慢性炎症的主要原因，因此，ROS诱导的NLRP3依赖性凋亡和促炎因子的成熟可能有助于自身免疫性或代谢性疾病的发展，如DCM［17］。

Qiu等［18］研究发现，在高糖和缺氧/复氧（hypoxia/reoxygenation，H/R）条件下使用高浓度的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激H9C2心肌细胞，H9C2细胞的存活率降低，ROS产生和细胞焦亡增加，并伴随NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β和IL-18等炎症因子的表达增加，加重H9C2中HG和H/R诱导的心肌损伤。此外，当加入炎性小体抑制剂BAY11-7082时，LPS通过下调NLRP3炎性小体减轻了HG+H/R诱导的心肌损伤。Elmadbouh等［19］发现，与对照组相比，链霉素诱导的DCM组心肌细胞中焦亡蛋白caspase-1、TLR4以及NLRP3表达水平显著增加，骨成型蛋白-7治疗组可显著降低炎症诱导的细胞焦亡，改善DCM心脏重塑。

以上研究发现也在Xie等［20］的实验中被证实：DCM模型大鼠Chemerin、CMKLR1、NLRP3、caspase-1和炎症因子表达增加，镜下切片大鼠心肌纤维化、肥大、超微结构紊乱、功能受损，然而沉默CMKLR1和NLRP3则能降低炎症因子水平和细胞焦亡，而在CMKLR1-siRNA治疗组，焦亡和炎症的关键因子显著降低，DCM大鼠的心肌炎症、纤维化、肥厚等情况明显减轻。以上实验数据表明，NLRP3炎症小体参与DCM的细胞焦亡过程。

2.NLRP3炎性小体参与DCM心肌纤维化过程

心肌纤维化（myocardial fibrosis，MF）是心肌重构的主要表现，是多种心脏疾病发展过程的共同病理结果。MF是一个复杂的病理过程，主要是由于心肌成纤维细胞（CFs）的异常增多，心肌组织中胶原纤维过度沉积（主要是Ⅰ型和Ⅲ型胶原纤维），或胶原成分发生改变，从而导致心肌瘢痕组织形成、左室舒张功能障碍，最终导致HF的一种病理改变。

CFs是MF的关键细胞，参与MF的发展。有研究发现，向小鼠原代CFs中加用转化生长因子-β（TGF-β）刺激后，CFs中NLRP3炎症小体的表达明显增加，CFs显著分化，将NLRP3-/-小鼠的原代CFs分离并添加TGF-β后，CFs的分化减弱，而肉桂醛和别嘌呤醇能够抑制TGF-β/Smads通路，降低NLRP3炎症小体的表达，从而减弱MF［21-22］。这表明，NLRP3在CFs的分化过程中起到了重要作用。葡萄糖则通过诱导ROS产生NLRP3炎性小体，导致MF。在一项动物和H9C2细胞模型中，Kang等［21］证实果糖诱导能够增加心脏氧化应激和ROS，上调CD36，继而以TLR4/6-IRAK4/1依赖的方式刺激NLRP3炎性小体，促进糖尿病大鼠心脏炎症和纤维化。这一结论也在Zhang等［23］的实验中得到证实，在高糖环境下，ROS和三磷酸腺苷嘌呤受体（P2X7R）可以介导NLRP3炎性小体激活，促进大鼠心脏成纤维细胞胶原合成，相反，H3松弛素则明显减弱P2X7受体介导的NLRP3炎性小体的激活，从而抑制心肌炎性反应及心肌纤维化。在DCM大鼠模型中，NLRP3、胶原蛋白（collagen）-1、collagen-3、caspase-3和bax显著上调，bcl2显著下调，糖尿病大鼠的心肌纤维化、NLRP3炎性小体激活和凋亡明显加重［23］，而NLRP3基因沉默后，2型糖尿病大鼠的左心室纤维化减轻［16］。以上研究证实，NLRP3炎性小体具有促进心肌纤维化的作用。

以NLRP3为靶点治疗DCM的药物

目前，关于DCM的治疗方法多以控制血糖、血压、血脂与改善HF等对症治疗为主。针对DCM发病机制的治疗药物尚处于动物实验阶段，但值得注意的是，近年来已经确定了一些DCM治疗的潜在靶点，包括激活Nrf2通路、抑制丙酮酸脱氢酶激酶、抗氧化、SERCA过表达、减少TXNIP的表达、调控micRNA等［24］。NLRP3炎性小体是近几年DCM治疗的一个潜在新方向，针对NLRP3炎性小体在DCM中的治疗药物可分为化学药物和天然药物两类。

1.化学药物

二甲双胍作为一线降糖药物，能够激活AMPK和自噬，通过mTOR通路抑制NLRP3炎性小体的产生，发挥心脏保护及抗炎作用，改善糖尿病大鼠的左心室功能、心肌纤维化和细胞焦亡［25］。同为降糖药物的SGLT2抑制剂（如达格列净、恩格列净）亦有此相同作用，但两种药物作用的通路不同，达格列净通过抑制NLRP3/ACS炎性小体的激活延缓DCM的发展进程［26］，而恩格列净则通过抑制sGC-cGMP-PKG通路发挥作用［27］。褪黑素是人松果体产生的一种胺类激素，能够抑制LncRNA MALAT1/miR-141介导的NLRP3炎性小体的激活和TGF-β1/Smads通路，显著改善心功能并减少胶原纤维的生成，产生抗纤维化作用，可能是治疗DCM的潜在药物［28］。瑞舒伐他汀是一种选择性3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂，可以阻断硫氧还蛋白相互作用蛋白（TXNIP）的过度表达，降低NLRP3、caspase-1和IL-1β的水平，长期治疗能够抑制MAPKs的过度磷酸化，改善糖尿病大鼠的心功能［29］。以往的抗炎药物治疗可能会导致宿主防御受损或继发炎症，靶向NLRP3炎性小体的炎症通路可能提供了一种更精确的方法来减少有害炎症，同时，改善糖尿病大鼠的心肌炎症、纤维化、细胞凋亡及心室重构，延缓DCM的发展。

2.天然药物

皂苷是绞股蓝的主要成分，具有抗炎、心脏保护和神经保护的作用。在H9C2细胞和DCM小鼠模型中，皂苷能够降低线粒体ROS水平，抑制NLRP3炎性小体的激活，改善HG诱导的心肌损伤［30］。复方贞术调脂方是一种治疗糖脂代谢障碍的中药方剂，能够抑制心肌细胞内脂质积累、氧化应激和NLRP3炎性小体诱导的炎性反应，改善血脂和促炎因子的水平，减轻心肌肥厚，改善糖尿病小鼠的心脏功能［31］。槲皮素是一种天然黄酮类化合物，具有抗炎、免疫调节、清除自由基、降血脂等作用，糖尿病大鼠模型经槲皮素治疗后，Ⅰ型胶原、NLRP3、caspase-1、IL-1β和IL-18等蛋白表达水平降低，大鼠心脏射血分数增加，这表明槲皮素可能通过减轻DCM的炎症作用来改善心功能障碍和心肌纤维化［32］。桦木醇是从桦树皮中提取的一种三萜类化合物，具有调脂、抗炎、抗肿瘤等作用，有研究发现，在db/db小鼠心肌组织中，Sirt1明显降低，NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β、NK-κB水平明显升高，经桦树醇治疗能显著逆转这些变化，桦树醇还可有效改善db/db小鼠和H9C2细胞的胰岛素抵抗、高血糖和心脏炎症，其可能是通过调控Sirt1/NLRP3/NK-κB信号通路发挥作用［33］。

总结与展望

DCM作为糖尿病的并发症，其发病率高，危害性大。因此，研究其发病机制并研发靶向治疗药物对DCM的预防及治疗具有重要意义。NLRP3炎性小体可以作为一种有前景的分子标志物，可用于未来开发有效和靶向治疗DCM和其他心血管疾病的低毒性疗法。因此，了解其激活的分子机制，并开发靶向药物，对DCM和其他心血管疾病具有重要价值。尽管对于NLRP3与DCM之间的研究取得了一定成果，仍有许多问题亟待解决，NLRP3炎性小体与信号通路的研究在DCM中仍具有局限性，未来仍需要深入探索。

作者贡献声明张翠：查阅文献，收集整理数据，起草文章；刘振：查阅文献，收集整理数据，对文章的知识性内容作批评性审阅；刘婧扬、石新烨、刘志强：收集整理数据；孙经武：对文章的知识性内容作批评性审阅，获取研究经费，指导