徐玲玲 綜述 楊俊偉 審校

·腎臟病基礎·

NLRP3炎性體與腎臟疾病

徐玲玲 綜述 楊俊偉 審校

炎性體（inflammasomes）是一類通過活化半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1（caspase-1）來間接調(diào)控白細胞介素1β（IL-1β）與IL-18的成熟和分泌的蛋白復合體。除了作為機體固有免疫及應激系統(tǒng)的重要防御成分，炎性體還參與了多種疾病如動脈粥樣硬化、糖尿病、淀粉樣變性及其他自身免疫性疾病的發(fā)生和進展。近年來，炎性體在腎臟病中的作用備受關注，且隨著研究的深入，其作用機制也逐漸明確。本文重點討論炎性體的基本概念、調(diào)控機制及其與腎臟疾病發(fā)生發(fā)展的關系。

腎臟疾病 炎性體 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1 白細胞介素

作為宿主抵抗病原體感染的第一道防線，固有免疫通過模式識別受體（pattern-recognition receptors，PRRs）來識別病原體相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs），激活下游信號通路，引發(fā)機體的炎癥反應及免疫應答。PRRs主要包括：RIG樣解旋酶受體（RIG-like helicases，RLHs）、Toll樣受體（Toll-like receptors，TLRs）和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域（nucleotide binding oligomerization domain，NOD）樣受體（NOD-like receptors，NLRs），其中NLRs屬于胞內(nèi)感應分子。部分NLRs不但可識別PAMPs，還可識別損傷相關的分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs），這樣在細胞感染或應激的狀態(tài)下均可被激活，形成一組由多個蛋白組成的分子平臺，該分子平臺進而活化半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1（caspase-1），調(diào)節(jié)促炎癥因子如白介素1β（IL-1β）及IL-18的成熟和分泌，參與機體固有免疫系統(tǒng)的防御體系及疾病的發(fā)生與發(fā)展［1］。

炎性體的構(gòu)成

NLRs基因家族由22個人類基因、35個小鼠基因及數(shù)百種植物基因組成。NLRs蛋白在結(jié)構(gòu)上主要有以下特征：（1）位于中間的核苷酸結(jié)合和寡聚物形成區(qū)域（nucleotide-binding and oligomerization domain，NACTH），是唯一一個所有NLRs家族成員都具有的結(jié)構(gòu)，通過三磷酸腺苷（ATP）介導的寡聚化激活信號復合物；（2）氨基端為熱蛋白結(jié)構(gòu)域（pyrin domain，PYD）或caspase募集區(qū)域（caspase recruitment domain，CARD），可調(diào)節(jié)同型蛋白之間的相互作用；（3）羧基端含有亮氨酸富集重復序列（leucine-rich repeats，LRRs），具有自我調(diào)節(jié)及作為配體感受器的功能（圖1）［2］。

根據(jù)NACTH結(jié)構(gòu)域的不同，可將NLRs分為三個亞類：即NODs、白介素轉(zhuǎn)化酶（interleukin—converting enzyme，ICE）激活因子（ICE protease—activating factor，IPAF）和NLRPs（NACHT，LRR and PYD domains-containing protein）（圖1）。目前所知的能形成炎性體的蛋白主要有NLRP3、IPAF-1（NLRC4）、NLRP1及黑素瘤缺乏因子2（absent in melanoma2，AIM-2）。NLRC4炎性體可被細菌的鞭毛蛋白和包含3、4型分泌系統(tǒng)的細菌（如沙門菌屬和銅綠假單胞菌）激活；NLRP1炎性體可被炭疽桿菌毒素和胞壁酰二肽肽多糖激活；AIM2屬于干擾素誘導蛋白200（hematopoietic interferon-inducible nuclear protein with 200-amino acids repeat，HIN-200）家族，包含HIN和PYD結(jié)構(gòu)域，在宿主抗病毒防御中可通過與DNA結(jié)合而激活、發(fā)揮DNA受體作用，并對單核細胞增生利斯特菌做出應答［3］。

圖1 人類NLRs家庭成員及其結(jié)構(gòu)域示意圖［2］

目前，針對上述炎性體與無菌性炎癥及腎臟疾病關系的研究較少。近期有研究表明與對照組相比，穩(wěn)定表達AIM2的胚胎腎293細胞對胞質(zhì)中的DNA更為敏感且更容易活化炎性體［4］。而免疫細胞中缺乏AIM2的小鼠對狼瘡易感性增加。但也有研究者發(fā)現(xiàn)，狼瘡性腎炎患者與正常人群的腎臟AIM2基因的表達并無明顯差異［5］。故除了NLRP3炎性體，其他炎性體在無菌性炎癥和腎臟疾病中的作用尚不明確。NLRP3炎癥復合物是目前研究最為清楚的炎癥復合物，NLRP3是由位于染色體1q44上NLRP3基因編碼的蛋白，包含1 016個氨基酸［6］，其PYD結(jié)構(gòu)域可與凋亡相關的斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）的同型蛋白相互作用，通過銜接蛋白ASC來募集caspase-1。NLRP3蛋白、ASC及caspase-1共同組成一個蛋白復合物，即NLRP3炎性體（圖2）［7］。我們下面重點討論NLRP3炎性體的活化及其在腎臟疾病中所起的作用。

圖2 NLRP3炎癥體的構(gòu)成及活化［7］

NLRP3炎性體的活化

正常情況下，NLRP3有自我調(diào)節(jié)的作用，但當存在NLRP3激動劑時，它可寡聚化并募集ASC，繼而活化caspase-1。NLRP3炎性體的激活主要有3種方式：（1）細胞外的ATP結(jié)合細胞膜表面的嘌呤受體P2X7，導致鉀離子外流、銜接P2X7受體的pannexin-1孔開放，胞外的NLRP3激動劑（如PAMPs）通過開放的pannexin-1孔進入胞質(zhì)，直接作用并激活NLRP3炎性體［8］；（2）晶體或微粒（如尿酸單鈉、二氧化硅、石棉及淀粉樣蛋白等）被細胞吞入，導致溶酶體破裂，溶酶體成分如溶酶體蛋白酶類（組織蛋白酶 B）釋放至胞質(zhì)后，被炎性體所識別［9］，故抑制溶酶體蛋白酶的活性可有效阻止炎性體的活化［10］；（3）所有細菌、病毒、ATP、微?；蚓w等炎性體的激動劑，均可刺激細胞產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS），進而激活NLRP3炎性體［11］。NLRP3炎性體活化后可激活caspase-1。根據(jù)引起相應細胞事件的不同可將caspase分為促炎癥型和促細胞凋亡型，caspase-1屬于促炎癥型，以IL-1β和IL-18前體作為底物，通過蛋白裂解方式使該因子以成熟的形式釋放至胞外發(fā)揮生物學作用（圖2）。

與NLRP3炎性體活化相關的疾病

盡管NLRP3炎性體-caspase-1-IL-1β/IL-18軸在抵抗病原體侵襲的過程中發(fā)揮極其重要的作用，然而，一旦該過程的調(diào)控出現(xiàn)紊亂，則必然會出現(xiàn)與之相關的炎癥反應和組織損傷。目前炎性體在自身免疫性疾病、無菌性炎癥和慢性炎癥反應等病理過程中的作用及意義備受關注。許多疾病均涉及NLRP3炎性體-caspase-1-IL-1β/IL-18軸的激活，如Cryoprin相關周期綜合征、動脈粥樣硬化、痛風及糖尿病等。

Cryoprin相關周期綜合征是NLRP3基因突變導致的一組罕見的自身免疫性疾病，以回歸熱和異常炎癥反應為特征，包括Muckle-Wells綜合征、家族性寒冷自身炎癥綜合征、慢性幼兒神經(jīng)和皮膚關節(jié)綜合征。IL-1拮抗劑可用于Cryoprin相關周期綜合征患者的治療［12］。在發(fā)生類似基因突變的小鼠中，NLRP3炎性體高度活化，體內(nèi)IL-1β水平也明顯增加。IL-1受體拮抗劑基因的隱性突變，可使患者IL-1受體（IL-1R）拮抗劑分泌減少，并對IL-1β應答增高。IL-1R拮抗劑——阿那白滯素可明顯改善患者的臨床癥狀［13］。

動脈粥樣硬化是脂肪、膽固醇結(jié)晶沉積導致動脈壁增厚的一種炎癥性紊亂。在動脈斑塊局部，IL-1β和IL-1R的表達明顯增多，且表達的水平與疾病的嚴重程度呈正相關?；颊哐逯蠭L-18的水平與動脈粥樣硬化引起的死亡率明顯相關［14］。近年的研究發(fā)現(xiàn)膽固醇結(jié)晶可促進NLRP3炎性體活化，進而加大了成熟IL-1β和IL-18的釋放［15］。

痛風與血尿酸增高及尿酸單鈉沉積關節(jié)所造成的炎癥反應有關。目前認為尿酸單鈉或鈣磷結(jié)晶激活NLRP3炎性體是造成痛風與假痛風的核心機制［16］。臨床上，使用IL-1β抑制劑或IL-1R阻斷劑均可改善這類結(jié)晶相關性關節(jié)炎的臨床癥狀［17］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，二氧化硅微粒、石棉、淀粉樣蛋白或瘧原蟲色素均可激活NLRP3炎性體，誘導IL-1β的釋放和誘發(fā)相應的臨床疾?。ㄈ缥危?8］、石棉肺［19］、阿爾茨海默病［20］及瘧疾［21］）。

2型糖尿病是一組以代謝紊亂為表現(xiàn)的臨床綜合征。代謝應激及高血糖可激活NLRP3炎性體，促使IL-1β分泌，而IL-1β水平的增加是2型糖尿病進展及胰島素抵抗的重要危險因素［22］。在IL-1β缺陷的小鼠中，胰腺β細胞的增生和胰島素分泌功能明顯增強，IL-1R阻斷劑可以刺激胰島素分泌并改善胰島β細胞的存活［23］。

與腎臟疾病的關系

研究表明，健康人腎臟的遠曲小管和集合管穩(wěn)定表達IL-18、caspase-1以及嘌呤受體P2X7［24］，在各種感染或非感染性疾病中，腎組織caspase-1、IL-18、IL-1β表達水平上調(diào)，表明炎性體激活可能在腎臟疾病的病理過程中發(fā)揮著關鍵的作用。

NLRP3炎性體與急性腎損傷 急性腎小管壞死（acute tubular necrosis，ATN）是急性腎損傷的重要病理改變。缺血-再灌注損傷或毒物誘導（藥物或放射線造影劑）均可導致ATN。在缺血誘導的急性腎衰竭（acute renal failure，ARF）中，腎組織IL-1β和IL-18表達明顯上調(diào)［25］；caspase-1抑制劑明顯改善缺血后ARF小鼠的腎臟結(jié)構(gòu)和功能損傷；caspase-1缺陷小鼠對缺血造成的ARF不敏感，這與腎臟中成熟IL-18產(chǎn)生減少密切相關；敲除NLRP3能降低小鼠的死亡率、減緩腎功能衰竭以及減少中性粒細胞的浸潤。這些數(shù)據(jù)均提示抑制NLRP3炎性體可以減少急性腎臟炎癥和組織損傷［26］。

順鉑誘導的小鼠ARF腎臟中，IL-1β、IL-18、IL-6表達明顯增加，順鉑介導的腎臟損傷與以上細胞因子的增加及腎臟中性粒細胞浸潤相關［27］。caspase-1缺陷小鼠的腎損傷明顯輕于對照小鼠［28］。

在內(nèi)毒素誘導的小鼠ARF模型中，注射內(nèi)毒素組小鼠腎臟中caspase-1、IL-18、IL-1β的表達明顯高于對照組；caspase-1缺陷小鼠的腎小球濾過率較野生型小鼠明顯改善［29］。上述研究均提示在急性腎損傷過程中，NLRP3炎性體-caspase-1-IL-1β/IL-18軸發(fā)揮了重要作用。

NLRP3炎性體與慢性腎臟病 眾多動物模型和人類的慢性腎臟病均涉及炎性體調(diào)節(jié)細胞因子（如IL-1β、IL-18）的形成［24］。體外研究發(fā)現(xiàn)IL-1β或IL-18可呈劑量依賴性的誘導腎小管上皮細胞向肌成纖維細胞轉(zhuǎn)化（epithelial-myofibroblast transition，EMT）［30］，表明炎性體在慢性腎臟病發(fā)生發(fā)展中亦發(fā)揮重要作用。

單側(cè)輸尿管梗阻（unilateral ureteric obstruction，UUO）小鼠模型是研究腎間質(zhì)纖維化常用的動物模型。在UUO小鼠腎組織中可見IL-1β、IL-18和caspase-1的表達增加；NLRP3基因敲除的小鼠UUO后腎組織中capase-1活性減低，IL-1β和IL-18的生成減少，同時腎小管損傷、間質(zhì)纖維化及炎癥浸潤程度均較野生型小鼠明顯減輕［31］；予IL-18拮抗劑則可緩解UUO小鼠的腎損傷及纖維化。在腎損傷過程中，損傷及壞死組織釋放DAMPs如ROS、胞外ATP、尿酸、核酸和細胞外基質(zhì)成分（透明質(zhì)酸、二聚糖等），進而活化NLRP3炎性體。壞死細胞線粒體碎片ATP通過P2X7受體活化NLRP3炎性體［32］，與野生小鼠相比，P2X7敲除小鼠在UUO后顯示小管損傷減輕和炎癥、纖維化減輕；而二聚糖這種細胞外基質(zhì)蛋白則可通過依賴ROS的方式激活NLRP3炎性體，由此促使caspase-1介導的IL-1β的成熟和分泌，缺乏二聚糖的小鼠在UUO后則顯示其腎臟、肺、循環(huán)中caspase-1的活性與IL-1β的表達減少，且結(jié)構(gòu)及功能不易受到損傷［33］。

糖尿病腎病是導致終末期腎病的主要原因之一，其確切的發(fā)病機制不明，目前認為除了受代謝、遺傳、血流動力學、氧化應激及炎癥等多種因素影響外，NLRP3炎性體的激活也參與了糖尿病腎病的病理過程。在糖尿病腎病動物模型中，腎臟中IL-1的表達增加，與近端小管上皮細胞產(chǎn)生透明質(zhì)酸增多急切相關，并導致了血管上皮細胞的滲透性增加；腎小管上皮細胞固有表達IL-18，而糖尿病腎病患者的血IL-18水平升高、尿IL-18排泄增加，患者血、尿中IL-18的濃度與尿白蛋白排泄率及尿β2微球蛋白的排泄率有直接且密切的相關性［34］；同時IL-18的升高可作為2型糖尿病患者早期腎損傷的標志及決定因素之一。

此外，非糖尿病腎病患者腎組織中NLRP3 mRNA的表達水平與患者腎功能明確相關。在狼瘡性腎炎小鼠模型中，抑制NLRP3炎性體活化可預防狼瘡性腎炎的進展。狼瘡性腎炎患者的血清IL-1β和IL-18水平明顯增加，而且與疾病的活動及嚴重程度呈正相關，因此，這三個指標的變化可評估狼瘡性腎炎的活動性［35］。

小結(jié)：NLRP3炎性體可識別大量細菌、病毒及一些內(nèi)源性信號，激活caspase-1進而促使IL-1β、 IL-18的產(chǎn)生和分泌。大量研究結(jié)果證實了NLRP3炎性體-caspase-1-IL-1β/IL-18軸在腎臟急性或慢性損傷中的作用。阻止病理性炎性體的激活應是未來治療腎臟病的一種重要手段。

1 Anders HJ，Muruve DA.The inflammasomes in kidney disease.JAm Soc Nephrol，2011，22（6）：1007-1018.

2 Schroder K，Tschopp J.The inflammasomes.Cell，2010，140（6）：821 -832.

3 Kim S，Bauernfeind F，Ablasser A，et al.Listeria monocytogenes is sensed by the NLRP3 and AIM2 inflammasome.Eur J Immunol，2010，40（6）：1545-1551.

4 Fernandes-Alnemri T，Yu JW，Datta P，et al.AIM2 activates the inflammasome and cell deathin response to cytoplasmic DNA.Nature，2009，458（7237）：509-513.

5 Kimkong I，Avihingsanon Y，Hirankarn N.Expression profile of HIN200 in leukocytes and renal biopsy of SLE patients by real-time RT-PCR.Lupus，2009，18（12）：1066-1072.

6 ZakiMH，Lamkanfi M，Kanneganti TD.T The Nlrp3 inflammasome：contributions to intestinal homeostasis.Trends Immunol，2011，32（4）：171-179.

7 Lamkanfi M.Emerging inflammasome effector mechanisms.Nat Rev Immunol，2011，11（3）：213-220.

8 Kanneganti TD，Lamkanfi M，Kim YG，Chen G，et al.P Pannexin-1-mediated recognition of bacterial molecules activates the cryopyrin inflammasome independent of Toll-like receptor signaling.Immunity，2007，26（4）：433-443.

9 Gasse P，Riteau N，Charron S，et al.Uric acid is a danger signal activating NALP3 inflammasome in lung injury inflammation and fibrosis.Am JRespir Crit Care Med，2009，179（10）：903-913.

10 Hornung V，Bauernfeind F，Halle A，et al.Silica crystals and aluminum salts activate the NALP3 inflammasome through phagosomal destabilization.Nat Immunol，2008，9（8）：847-856.

11 Zhou R，Tardivel A，Thorens B，et al.Thioredoxin-interacting protein links oxidative stress to inflammasome activation.Nat Immunol，2010，11（2）：136-140.

12 Kotter I，Horneff G.IL-1 antagonists.Z Rheumatol，2010，69（7）：581 -593.

13 McGonagle D，Tan AL，Madden J，et al.Successful treatment of resistant pseudogout with anakinra.Arthritis Rheum，2008，58（2）：631-633.

14 Blankenberg S，Tiret L，Bickel C，et al.Interleukin-18 is a strong predictor of cardiovascular death in stable and unstable angina. Circulation，2002，106（1）：24-30.

15 Duewell P，Kono H，Rayner KJ，et al.NLRP3 inflammasomes are required for atherogenesis and activated by cholesterol crystals. Nature，2010，464（7293）：135713-61.

16 Martinon F，Petrilli V，Mayor A，et al.Gout-associated uric acidcrystals activate the NALP3 inflammasome.Nature，2006，440（7081）：237-241.

17 Winzer M，Tausche AK，Aringer M.Crystal-induced activation of the inflammasome：gout and pseudogout.Z Rheumatol，2009，68（9）：733 -739.

18 Hornung V，Bauernfeind F，Halle A，et al.Silica crystals and aluminum saltsactivate the NALP3 inflammasome through phagosomal destabilization.Nat Immunol，2008，9（8）：847-856.

19 Dostert C，Pétrilli V，Van Bruggen R，et al.Innate immune activation through Nalp3 inflammasome sensing of asbestos and silica.Science，2008，320（5876）：674-677.

20 Halle A，Hornung V，Petzold GC，et al.The NALP3 inflammasome is involved in the innate immune response to amyloid-beta.Nat Immunol，2008，9（8）：857-865.

21 Shio MT，Eisenbarth SC，Savaria M，et al.Malarial hemozoin activates the NLRP3 inflammasome through Lyn and Syk kinases.PLoSPathog，2009，5（8）：e1000559.

22 Spranger J，Kroke A，M?hlig M，et al.Inflammatory cytokines and the risk to develop type 2 diabetes：results of the prospective populationbased European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition（EPIC）-Potsdam Study.Diabetes，2003，52（3）：812-817.

23 Malozowski S，Sahlroot JT.Interleukin-1-receptor antagonist in type 2 diabetesmellitus.N Engl JMed，2007，357（3）：302-303.

24 Gauer S，Sichler O，Obermuller N，et al.IL-18 is expressed in the intercalated cell of human kidney.Kidney Int，2007，72（9）：1081 -1087.

25 Bonventre JV，Zuk A.Ischemic acute renal failure：an inflammatory disease？Kidney Int，2004，66（2）：480-485.

26 Shigeoka AA，Mueller JL，Kambo A，et al.An inflammasomeindependent role for epithelial-expressed Nlrp3 in renal ischemiareperfusion injury.J Immunol，2010，185（10）：6277-6285.

27 Faubel S，Lewis EC，Reznikov L，et al.Cisplatin-induced acute renal failure is associated with an increase in the cytokines interleukin（IL）-1beta，IL-18，IL-6，and neutrophil infiltration in the kidney.J Pharmacol Exp Ther，2007，322（1）：8-15.

28 Faubel S，Ljubanovic D，Reznikov L，et al.Caspase-1-deficientmice are protected against cisplatin-induced apoptosis and acute tubular necrosis.Kidney Int，2004，66（6）：2202-2213.

29 Wang W，F(xiàn)aubel S，Ljubanovic D，et al.Endotoxemic acute renal failure is attenuated in caspase-1-deficientmice.Am JPhysiol Renal Physiol，2005，288（5）：F997-1004.

30 Liang D，Liu HF，Yao CW，et al.Effects of interleukin 18 on injury and activation of human proximal tubular epithelial cells.Nephrology（Carlton），2007，12（1）：53-61.

31 Vilaysane A，Chun J，Seamone ME，et al.The NLRP3 inflammasome promotes renal inflammation and contributes to CKD.J Am Soc Nephrol，2010，21（10）：1732-1744.

32 Mariathasan S，Weiss DS，Newton K，et al.Cryopyrin activates the inflammasome in response to toxins and ATP.Nature.2006，9，440（7081）：228-232.

33 Babelova A，Moreth K，Tsalastra-Greul W，et al.Biglycan，a danger signal that activates the NLRP3 inflammasome via toll-like and P2X receptors.JBiol Chem，2009，284（36）：24035-24048.

34 Wong CK，Ho AW，Tong PC，et al.Aberrant activation profile of cytokines and mitogen-activated protein kinases in type 2 diabetic patientswith nephropathy.Clin Exp Immunol，2007，149（1）：123 -131.

35 Hu D，Liu X，Chen S，Bao C.Expressions of IL-18 and its binding protein in peripheral blood leukocytes and kidney tissues of lupus nephritis patients.Clin Rheumatol，2010，29（7）：717-721.

NLRP3 inflammasomes and kidney diseases

XU Ling-ling，YANG Jun-wei
Institution：Center For Kidney Diseases，2ndAffiliated Hospital of Nanjing Medical University，Nanjing 210003，China

Inflammasomes are a class of protein complexeswhich are characterized by regulating thematuration of proinflammatory cytokines including interleukin-1β（IL-1β）and interleukin-18（IL-18）through activation of caspase-1.As part of the innate immune and stress defense system，inflammasomes are thought to be involved in the progression of multiple diseases such as atherosclerosis，diabetes，amyloidosis and many other autoimmune disorders.Recently，there is a significant research progress on inflammasomes in kidney diseases.In this review，the relationship between inflammasomes and kidney diseases is discussed.

kidney disease inflammasome caspase-1 interleukin

2011-08-22

（本文編輯 律 舟）

南京醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院腎臟病中心（南京，210003）