NLRP3炎性小体及其在结肠炎相关性结直肠癌中作用研究进展

楚师成,高俊苹,任 翔,耿 松

(滨州医学院附属医院 1.结直肠疝外科,山东 滨州 256600;2.超声科)

NLRP3炎性小体是天然免疫的重要组成部分,对白细胞介素(IL)-1β和IL-18的产生至关重要,其参与多种疾病的发生与演变,尤其在恶性疾病中可发挥双重作用。本研究就NLRP3炎性小体及其在恶性疾病尤其是结肠炎相关性结直肠癌中的作用进行综述。

1 NLRP3炎性小体

1.1天然免疫:天然免疫是宿主对微生物感染和危险相关内源性刺激的第一道防线,可以通过模式识别受体(PRRs)、巨噬细胞、树突细胞(DC)和上皮细胞识别病原体相关分子模式(PAMPs),如核酸或微生物细胞壁成分和损伤相关分子模式(DAMPs),如受损宿主细胞释放的结构部分[1]。PRRs由膜结合的Toll样受体(TLRs)、C型凝集素受体和细胞质中Nod样受体(NLRs)、RIG-I样受体(维甲酸诱导基因Ⅰ)和黑素瘤缺乏因子2(AIM2)受体组成[2],其中根据体系结构不同,NLRs被细分为NLRP和NLRC。NLRP1(小鼠NLRP1b)、NLRP3和NLR家族凋亡抑制蛋白(NAIP)-NLRC4是公认的具有组装炎性反应能力的NLRs[3]。炎性小体是细胞内的多蛋白复合体,是先天性免疫的重要组成部分。典型的炎性小体由传感器、适配器和效应器组成,以分层的方式组装,并发挥重要作用。

1.2NLRP3炎性小体的启动与激活:NLRP3炎性小体是一种多聚体胞浆蛋白复合体,是天然免疫必不可少的部分,由细胞质模式识别受体NLRP3、适配蛋白、凋亡相关斑点样蛋白(ASC)和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)组成,用于调节肥胖过程中的肥胖和胰岛素敏感性[4]。基础水平的NLRP3表达不足以使其活跃,因此需要两个独立的信号-启动和激活来促进其组装[5]。启动是NLRP3激活的必要步骤,确保了NLRP3激活的可控性,分为转录途径和非转录途径[6]。转录启动途径涉及核因子(NF)-κB信号通路,可以识别PAMPs或DAMPS并上调NLRP3和IL-1β的转录。非转录途径依赖于转录后修饰(PTM)和线粒体活性氧,通过磷酸化和泛素化的PTM可以大大缩短转录启动的时间,为NLRP3提供快速启动。转录或非转录途径一旦启动,将致力于激活NLRP3炎性小体。激活信号通常由多种PAMPs和DAMPs提供,包括细菌和病毒核酸、ATP、尿酸、β-淀粉样蛋白、空气污染物、胆固醇晶体和氧化磷脂(OxPLs)[7],它们刺激依赖NLRP3的炎性小体组装和caspase-1的激活。然后,激活的caspase-1将Pro-IL-1β和Pro-IL-18以及潜在的致孔蛋白Gasdermin-D(GSDMD)切割成它们的生物活性形式,驱动炎性反应[8]。

1.3NLRP3炎性小体组装后对细胞的影响:根据细胞类型和激活类型不同,NLRP3炎性小体激活后导致两种不同的细胞命运,一种是诱导细胞焦亡(一种炎性细胞死亡的溶解形式)进而促进IL-1家族细胞因子的释放,另外的一些炎性刺激,如oxPLs,可以在没有细胞焦亡的情况下促进IL-1β以及IL-18的分泌[9]。如感染的DC、巨噬细胞和中性粒细胞可以在保持存活的同时分泌IL-1β和L-18,达到高度活跃状态,使免疫刺激反应增强,因此这些细胞状态被称为“过度活跃”。

2 NLRP3炎性小体在恶性疾病中的作用

NLRP3炎性小体的异常激活与许多疾病有关,如肥胖、溃疡性结肠炎、阿尔茨海默病、内毒素休克、痛风和动脉粥样硬化等。NLRP3的作用取决于它对细菌或微生物触发的反应,如在许多感染性疾病中,NLRP3炎性小体主要通过调节炎性小体效应细胞因子的释放,对宿主具有保护作用[10]。然而,NLRP3与几种炎性疾病直接相关,并在代谢性疾病和癌症的发病机制中发挥双重作用。

研究表明,NLRP3可以促进肿瘤的发生,如NLRP3介导淋巴瘤细胞产生的IL-18可以减少地塞米松诱导的细胞凋亡,从而促进淋巴瘤细胞的增殖[11];在原位乳腺肿瘤模型中,NLRP3基因缺陷的小鼠肺转移较少,具有驱动骨髓来源的抑制性细胞聚集作用的IL-1β(可促进原发和转移性乳腺肿瘤)的产生减少[12];而在胃中过度表达IL-1β的转基因小鼠中,在幽门螺杆菌定植后更容易患上胃癌[13]。此外,尽管NLRP3在头颈部鳞状细胞癌中的直接作用尚不清楚,但头颈部鳞状细胞癌患者外周血中IL-1β浓度升高[14]。但同时也有研究表明,在人肝癌组织中NLRP3炎性小体成分的表达显著下调,甚至丢失。17β-雌二醇(E2)通过上调NLRP3来抑制肝癌细胞的生长[15],进一步表明NLRP3在肝癌中具有保护作用。其他间接证据也表明,NLRP3炎性小体在肿瘤发生过程中具有保护作用,如NLRP3可以抑制主要表达在髓系细胞中的离子通道蛋白-TRE176B,激活炎性小体,并使CD8+T细胞依赖的抗肿瘤免疫增强[16]。

3 NLRP3炎性小体在结肠炎相关性结直肠癌的作用

结直肠癌(CRC)是一种发病率和死亡率都很高的破坏性胃肠道肿瘤,是世界范围内第三大常见的恶性肿瘤,在发达国家尤其流行,据世界卫生组织的GLOBOCAN数据库报道每年全球大约有180多万新发病例[17]。结肠炎相关性癌症(CAC)是结直肠癌的一个重要亚型,通常与长期肠道炎症有关,如炎性反应性肠病(IBD)。据统计,与健康人相比,IBD患者患CRC的可能性高达30倍[18],其导致的CAC是比散发性结直肠癌发病年龄更早的恶性肿瘤。

3.1NLRP3炎性小体抑制CAC进展:NLRP3缺陷小鼠对偶氮甲烷(AOM,一种DNA损伤剂)/葡聚糖硫酸钠(DSS,一种致肠炎性改变的化学物质)诱导的CAC具有超敏反应[19]。AOM和DSS的结合加速了肿瘤的发展,用于研究炎性反应介导的CRC。与野生型小鼠相比,缺乏适配器ASC和caspase-1的小鼠肿瘤患病率增加。将重组IL-18注射到NLRP3缺陷小鼠体内,减少了对AOM和DSS的反应形成的肿瘤数量,进一步证明了NLRP3炎性小体对结直肠癌的保护作用[3]。此外,NLRP3介导的IL-18信号被发现在限制结肠癌肝转移生长方面具有重要作用。IL-18的缺陷表达导致肝脏NK细胞的成熟受限、配体FasL的表面表达下降、对肿瘤的敏感性降低,最终导致肿瘤的转移[20]。

3.2NLRP3炎性小体促进CAC发展:NLRP3的表达是结直肠癌细胞上皮向间充质转化的先决条件,提示NLRP3在结直肠癌中具有促进细胞迁移和增殖的作用。有学者认为NLRP3过度表达与较短的寿命和较差的预后相关,一项遗传学研究也支持该观点,该研究表明NF-κB轴的基因改变影响结直肠癌患者的预后[21]。最近的研究表明,NLRP3抑制剂(MCC950、姜黄素、巴马汀等)在改善结肠炎和CAC方面取得了成功[22],这提供了强有力的证据,表明NRLP3的过度激活不利于肠道内环境的稳定,加速癌症的发展。

3.3影响CAC实验结果的因素:只有在正常饮食的CAC和某些形式的肝癌的背景下,NLRP3的保护效果才能体现。有学者认为,小鼠肠道微生物的差异品系遗传背景的差异,以及实验技术的差异导致了NLRP3在实验性结肠癌中的不同作用[23]。除这些因素外,营养和饮食也可能对实验的结果产生影响[24]。高脂饮食产生的危险信号可以被NLRP3感应,并对炎性反应诱导的肥胖和胰岛素抵抗产生促进作用。在高胆固醇和高脂饮食等营养因素的影响下,NLRP3炎性小体的激活可以促使全身产生低级别炎性反应,增加AOM-DSS诱导的CAC小鼠模型中的炎性反应和肿瘤负担,从而促进CAC的发展。

综上,NLRP3炎性小体是先天性免疫中必不可少的一部分,其激活与组装受到严格控制。NLRP3信号在特定癌症中的功能与多种因素相关,对肿瘤的发生和发展起着复杂的作用。因此,探索特定疾病中NLRP3炎性小体的特定功能及其激活的途径和调控机制作用为充分理解其如何发挥促肿瘤和抗肿瘤功能提供了新的机遇和挑战。