NLRP3炎症小体在代谢性疾病中的研究进展

程永芳 林珍梅 张玲 邢楠楠 （广西中医药大学广西中医基础研究重点实验室，南宁 530200）

代谢性疾病是指机体内糖、脂肪、蛋白质等物质代谢或能量代谢异常引发的一类疾病，包括代谢障碍和代谢旺盛。代谢性疾病患病率的升高严重影响了全世界人类的身体健康与生命安全，尽早发现并及时进行干预治疗，可大幅度延缓其进程，对于降低代谢性疾病的发病率及病死率具有重要意义［1］。

炎症小体的激活和炎症细胞因子的分泌是先天免疫防御抵御多种刺激的必要条件，并被认为与适应性免疫反应有关。感染性疾病、自身免疫性疾病的发病及进展均存在炎症小体激活功能障碍，这些都与代谢因素有关。近年来，关于炎症小体激活代谢调控方面的研究越来越多，NLRP3炎症小体作为结构和功能最为明确且深入的炎症小体，在代谢性疾病中的作用备受学者关注［2］。NLRP3炎症小体介导的炎症细胞因子可以在代谢组织内的各种细胞中以自分泌和旁分泌的方式发挥作用并导致代谢紊乱，过度和不当的炎症小体激活是多种炎症相关疾病的发病机制，如糖尿病、肥胖、痛风、动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）和高血压［3-7］。靶向NLRP3或其他下游信号分子，如caspase-1、IL-1β或IL-18，具有巨大的治疗潜力［8］。本文就NLRP3炎症小体的结构功能、作用机制及其炎症小体激活在代谢性疾病中发挥的重要作用进行综述。

1 NLRP3炎症小体简介

炎症小体由MARTINON等［9］于2002年首次提出，通过直接识别病原体相关分子模式（pathogenassociated molecular patterns，PAMPs）和损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）的一种多蛋白复合体，是固有免疫反应的重要组成［10］。炎症小体主要由三部分组成：模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）、凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein，ASC）和caspase-1前体（pro-cysteinyl aspartate specific proteinase-1, pro-caspase-1）［11］。炎症小体调节caspase-1的活化，进而促进pro-IL-1β和pro-IL-18的切割、成熟，分泌大量的IL-1β和IL-18，进而介导炎症反应。NLRP3炎症小体是目前关注度较高且研究较为广泛和深入的一种炎症小体，由核心蛋白NLRP3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family pyrin domain containing 3）、ASC和效应器蛋白pro-caspase-1组成［12-14］。NLRP3是NLR（Nod likereceptor）蛋白家族成员，在巨噬细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、成骨细胞、单核细胞和树突状细胞中广泛表达，具有识别病原体的功能［15-16］。NLRP3是一种具有3个结构域的胞质蛋白：羧基末端具有特征性的NLR蛋白家族LRR（富含亮氨酸重复序列）结构域、中央具有ATP酶活性的核苷酸结合域（NACHT）和氨基末端的吡喃结构域（PYD）［17］。ASC衔接蛋白包含两个结构域：N端pyrin结构域（PYD）和C端半胱天冬酶募集结构域（CARD）［3］。caspase-1包含氨基末端的CARD、中间的大催化结构域（p20）和羧基末端的小催化亚基结构域（p10）3个结构域［18］。当受到感染或其他因素的刺激时，NLRP3炎症小体通过PYD/PYD和CARD/CARD结构域与ASC相互作用以提高pro-caspase-1的表达水平，同时对pro-IL-1β和pro-IL-18进行切割。NLRP3炎症小体控制蛋白水解酶caspase-1的激活，caspase-1反过来调节IL-1β和IL-18促炎症细胞因子的成熟和分泌，从而导致炎症反应［13］。

2 NLRP3炎症小体激活机制

NLRP3在骨髓细胞、肌肉细胞、神经元和内分泌细胞中表达［19］。在静息状态下，它以自动抑制形式存在，在受到刺激时被激活并组装成一个微米大小的细胞溶质复合物［20］。NLRP3炎症小体的活化过程受到机体严密的调控，其激活需要历经“启动”和“激活”两个阶段［10］。第一步，NLRP3炎症小体活化的“启动阶段”，在Toll样受体（Toll-like receptors，TLRs）的介导下，第一信号途径通过髓样分化因子（myeloid differentiation factor 88，MyD88），依赖核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）上调细胞内炎症小体成分NLRP3蛋白、caspase-1、pro-IL-1β和pro-IL-18的转录表达［21］；第二步，机体产生的DAMP和PAMP为NLRP3炎症小体的“激活阶段”提供了第二信号途径，通过多种分子和细胞效应，引起NLRP3炎症小体复合物形成，进而介导pro-IL-1β剪切成熟。上述两条信号通路为NLRP3炎症小体激活的直接途径。在启动阶段，NLRP3蛋白通过氨基端caspase-1招募细胞内的pro-caspase-1并使之发生自我剪切，释放出具有水解酶活性的成熟caspase-1［2］。活化的caspase-1把剪切底物pro-IL-1β、pro-IL-18转变成具有促炎功能的成熟IL-1β及IL-18并释放至胞外，造成局部组织炎症性损伤或全身性炎症反应［20］。NLRP3激活包括多个信号，可能的机制包括K+外流、Ca2+信号、活性氧（ROS）产生、溶酶体损伤、线粒体功能障碍、线粒体DNA释放、代谢变化、细胞膜孔道形成和反式高尔基体拆卸等多种复杂因素的参与，被证实都可以激活NLRP3炎症小体。NLRP3炎症小体的激活是固有免疫防御所必需的，是多种机制共同参与的结果，并且在适应性免疫反应中也起重要作用［22］。异常的NLRP3激活可以驱动体内的慢性炎症状态，从而调节炎症相关疾病的发病机制。

3 NLRP3炎症小体与代谢性疾病

近年来，随着对NLRP3炎症小体研究的不断深入，其在代谢性疾病中的作用也日益受到关注。众多研究表明，NLRP3炎症小体活性失调与许多代谢性疾病有关，包括糖尿病、肥胖、痛风、动脉粥样硬化、高血压［23-24］。

3.1 NLRP3在糖尿病中的作用 糖尿病是由遗传和环境因素引起的一组代谢紊乱性疾病，2型糖尿病是一种由促炎细胞因子刺激的炎症性疾病，患者长期血糖紊乱会导致多种并发症，如糖尿病视网膜病变、糖尿病肾病、糖尿病心肌淀粉样变性等。NLRP3炎症小体在糖尿病的病理生理过程中具有关键作用［25］。NLRP3的激活导致炎症细胞因子如IL-1β的过度分泌，IL-1β受体在胰岛β细胞和浸润的巨噬细胞表面高表达，与IL-1β结合后会激活NF-κB通路，从而损害胰岛细胞功能并诱导血糖水平失调，导致2型糖尿病的发生和发展，抑制NLRP3炎症小体可能是一种消除高血糖毒性和避免2型糖尿病的新方法［26］。2型糖尿病发病的主要原因是胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能受损，约95%的2型糖尿病患者胰岛组织会出现淀粉样蛋白包裹的沉积，这些胰岛淀粉样多肽（islet amyloid polypeptide，IAPP）和高浓度的葡萄糖都能作为第二信号激活NLRP3炎症小体，通过溶酶体破坏和胰腺浸润巨噬细胞中的高ROS浓度，导致促炎细胞因子IL-1β的释放，进一步诱发胰岛素抵抗和2型糖尿病。IAPP通过小鼠巨噬细胞溶酶体失稳导致NLRP3炎症小体激活进而释放IL-1β，过多的IL-1β会使胰岛β细胞功能受到损伤，加快2型糖尿病的病程［27］。在链脲佐菌素（Streptozocin，STZ）诱导的2型糖尿病小鼠模型中，NLRP3炎症小体被激活，NLRP3、ASC和caspase-1蛋白高表达，IL-1β、IL-6和IL-18表达显著增加［28］。表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（Epigallocatechin gallate，EGCG）抑制小鼠巨噬细胞中NLRP3炎症小体的激活来抑制caspase-1激活和IL-1β分泌，进而改善高脂饮食诱导的葡萄糖耐量并预防2型糖尿病小鼠NLRP3炎症小体依赖性炎症［29］。新方法禁食疗法通过抑制NLRP3炎症小体来改善大鼠高脂饮食和STZ诱导的胰岛素抵抗从而抑制炎症反应［30］。环境内分泌干扰物PCB118可以激活ROS诱导的胰岛β细胞内NLRP3炎症小体信号，引起胰岛β细胞炎症进而促进糖尿病的发展［31］。WEN等［32］发现利用NLRP3、ASC和caspase-1等基因敲除小鼠，棕榈酸酯激活NLRP3炎症小体会产生大量有活性的IL-1β和IL-18，进而干扰胰岛素信号通路。藏红花素抑制NLRP3炎症小体减轻大鼠糖尿病炎症［33］。低剂量乙醇通过抑制NLRP3炎症小体减轻糖尿病引起的肺损伤［34］。因此，抑制NLRP3炎症小体可能是治疗糖尿病发生发展的关键环节［35］。

3.2 NLRP3在肥胖中的作用 随着人们生活方式和饮食结构的改变，肥胖发生率不断上升，肥胖症是一种由多因素引起的慢性代谢性疾病，指机体脂肪组织堆积过多或分布异常，通常伴有体重增加，体内脂肪堆积会影响多种体内代谢过程，导致全身低水平慢性炎症。脂肪组织是机体的重要器官，其主要功能是储存和分泌脂肪酸，平衡机体血糖和血脂，还会分泌各种激素和细胞因子，影响能量代谢，参与炎症反应。丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶24（Stk24）通过直接与NLRP3结合来干预脂肪组织巨噬细胞中的NLRP3炎症小体组装，从而减少IL-1β的分泌。因此，造血系统中的Stk24缺乏会促进NLRP3炎症小体的激活，从而导致代谢紊乱的恶化［4］。高脂肪饮食（high-fat diet，HFD）会增加小鼠脂肪组织中NLRP3的表达，而热量限制饮食会降低其表达，说明小鼠中的NLRP3阻断可防止HFD诱导的肥胖，肥胖和高膳食脂肪摄入可能会激活NLRP3炎症小体［36］。在HFD喂养期间，肠道微生物组成改变或肠道通透性的降低导致LPS循环水平升高，为NLRP3和IL-1β的上调提供主要信号［37］。另一个与肥胖相关的重要潜在联系是观察到Casp1-/-小鼠中脂肪酸的β-氧化增强，这可能是由于IL-1β分泌减少限制了β-氧化，从而减轻肥胖［38］。人体研究表明，脂肪组织中的NLRP3活性与肥胖及其代谢并发症呈正相关，在小鼠模型中，NLRP3激活途径或IL-1β的遗传或药理抑制可预防脂肪组织功能障碍，包括炎症、脂肪生成缺陷，从而减轻肥胖及其相关代谢紊乱［39］。NLRP3是肥胖相关危险信号的分子传感器，NLRP3介导的caspase-1依赖IL-1β分泌和关键代谢组织包括脂肪的炎症促进肥胖诱导的炎症［8］。多项人类和动物研究表明，靶向NLRP3炎症小体作为肥胖的主要诱因，NLRP3在肥胖患者的脂肪组织中被激活，IL-1β分泌增加，导致局部脂肪组织炎症［40］。NLRP3炎症小体的激活在肥胖引起的炎症中具有关键作用，NLRP3/IL-1β信号可能是人类肥胖和认知障碍之间关联的基础［41］。NLRP3炎症小体的激活可能有助于开发治疗和预防肥胖介导的代谢性疾病［42］。

3.3 NLRP3在痛风中的作用 痛风是一种常见的慢性炎症性疾病，由于体内内环境稳态被破坏，尿酸生成和排泄失衡，造成体内尿酸盐浓度升高［5］。尿酸单钠（monosodium urate，MSU）晶体等内源性刺激因子是NLRP3炎症小体激活剂，其特征是巨噬细胞中MSU晶体在人单核细胞和小鼠巨噬细胞中诱导细胞内损伤（如线粒体功能障碍）触发NLRP3炎症小体激活，并上调caspase-1蛋白酶和释放成熟的IL-1β，导致痛风的发生［5，43-46］。MSU晶体激活NLRP3炎症小体可能与ROS释放有关，产生过量ROS将活化NLRP3炎症小体，IL-1β分泌减少，从而诱导炎症发生［47］。在急性痛风小鼠模型中，给小鼠口服类黄酮提取物可有效缓解足部水肿、减轻炎症特征并降低小鼠足部组织中IL-1β的水平，类黄酮提取物通过抑制NLRP3/ASC/caspase-1轴缓解痛风关节炎［48］。大鼠关节处注入MSU晶体建立痛风性关节炎模型发现NLRP3蛋白表达水平异常升高，炎症因子TNF-α、IL-1β水平高于正常水平［49］。C57BL/6小鼠的爪子关节内注射MSU晶体建立痛风性关节炎模型发现褪黑激素在体内外减轻痛风炎症，其潜在机制可能涉及抑制NLRP3炎症小体的组装［50］。痛风性关节炎的发病机制复杂，NLRP3炎症小体接受内源性危险信号如MSU或外源性病原体刺激，同时在游离脂肪酸和LPS的协同作用下，激活caspase-1前体产生活化的caspase-1分子。姜黄素类似物AI-44通过靶向组织蛋白酶B和抑制NLRP3炎症小体激活治疗痛风性关节炎［51］。天然化合物菊苣酸通过抑制IB的降解有效减轻MSU诱导的炎症，从而减少NLRP3炎症小体的激活［52］。马钱素能够通过抑制线粒体应激，从而阻断NLRP3炎症小体激活和线粒体功能障碍来预防痛风［43］。β-石竹烯显著降低MSU晶体诱导的痛风性关节炎大鼠的踝关节炎症，还抑制滑膜组织中NLRP3、caspase-1、ASC、p65和IL-1β的表达，从而减轻炎症并保护踝关节功能［53］。NLRP3炎症小体的激活并释放IL-1β在痛风进展中发挥了重要作用［54-55］。

3.4 NLRP3在AS中的作用 AS是一种与年龄相关的慢性炎症性疾病，主要发生在动脉血管，广泛的免疫细胞浸润、脂质沉积和血管平滑肌细胞增殖导致AS斑块的形成。2010年，DUEWELl等［56］首次发现NLRP3炎症小体在AS形成和发展中的重要作用。NLRP3的激活需要涉及TLRs或IL-1R的启动信号来激活NF-κB转录，上调pro-IL-1β的表达，同时诱导溶酶体破裂和ROS生成，并促进胆固醇结晶的沉积［57］。PRRs通过PAMPs和DAMPs识别游离脂肪酸等危险信号诱导定位于细胞核的NF-κB，并诱导NLRP3和pro-IL-1β的表达［58］；NLRP3炎症小体成分如NLRP3、ASC、IL-1β和IL-18在颈AS斑块内的巨噬细胞和泡沫细胞中高表达，表明NLRP3与AS的发病机制有关［59］。NLRP3炎症小体与AS存在密切联系，可以通过调节caspase-1的激活，促进前体细胞因子pro-IL-1β和pro-IL-18裂解成熟，释放IL-1β和IL-18，并引发一系列的炎症反应［60］。PI3K可以抑制NLRP3的激活，降低p65表达水平并减少THP-1细胞中ROS的产生，抑制PI3K可以减少AS病变和斑块面积，并降低载脂蛋白E（ApoE）基因敲除小鼠模型中NLRP3和IL-1β水平，进而延缓AS的进展［61］。小鼠血管平滑肌细胞中的甾醇抗性激活蛋白会诱导内皮功能障碍和血管炎症，通过激活NLRP3炎症小体加速AS［62］。脂肪酸氧化抑制NLRP3炎症小体激活导致促炎细胞因子IL-1β水平降低，进而减轻AS［63］。半乳糖凝集素-3通过激活NLRP3炎症小体启动炎症病变，促进IL-1β、IL-18、TNF-α等炎症因子的成熟与分泌，进而发挥良好的抗AS作用［64］。缺少低密度脂蛋白受体（LDLR）的小鼠采用NLRP3-、ASC-或IL-1α/β-骨髓重建并喂食高胆固醇饮食时显著减少了早期AS和IL-18炎症因子的释放［56］。在AS患者的主动脉组织标本中，NLRP3的表达增加，这种模式与疾病的严重程度相关［65-66］。因此，NLRP3炎症小体激活诱导促进炎症的发生和AS细胞因子如IL-1β和IL-18的分泌，有助于AS的形成和发展［6，67］。同样，抑制NLRP3炎症小体表达可减轻AS。

3.5 NLRP3在高血压中的作用 在高血压的发生与发展过程中，炎症扮演了非常重要的角色。高血压患者的特点是免疫/炎症细胞的异常激活，随之释放相关的促炎细胞因子，进而影响血压和心率调节等几个生理过程，NLRP3在协调免疫/炎症反应中起着关键作用。通过采用腹腔感染鼠巨细胞病毒（murine cytomegalovirus，MCMV）构建小鼠高血压模型，与对照组小鼠相比，MCMV组小鼠收缩压、舒张压与平均动脉压均显著升高，且小鼠主动脉组织中炎症小体相关蛋白NLRP3、ASC、caspase-1、IL-18、IL-1β表达均显著增加［68］。在小鼠内耳中，MCMV感染可以提高ROS水平并激活NLRP3炎症小体。下调NLRP3炎症小体关键成分的表达可以延缓高血压的发生，在动物模型和人类中，该炎症小体的药理抑制可导致血压降低［7］。高血压患者的临床研究报告显示其炎症小体信号的过度激活，特征为外周血T淋巴细胞中NLRP3和caspase-1的mRNA和蛋白表达增加，血清IL-1β和IL-18水平升高，表明NLRP3可能在高血压相关炎症中发挥作用［69］。

4 结语与展望

NLRP3和代谢性疾病的关联已经在动物和人类研究中得到了报道。NLRP3炎症小体的激活与多种代谢疾病有关，包括糖尿病、肥胖、痛风、AS和高血压等。了解NLRP3在炎症和代谢性疾病中的不同功能，明确其激活途径，靶向NLRP3或其下游炎症细胞因子，例如IL-1β、IL-18或caspase-1，可能在代谢性疾病的发展中具有很好的治疗作用，为治疗NLRP3相关疾病提供新的靶点。