從人愿,袁 靜,夏金嬋

(河南中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

慢性阻塞性肺疾病(簡稱慢阻肺，COPD)是一種危害性極大的慢性呼吸道疾病，近年來發(fā)病率和病死率逐年增高。目前我國慢阻肺患者人數(shù)已超過一億人，其中全球40歲以上人群發(fā)病率已高達(dá)5%～19%，全世界每年有超過300萬人死于慢阻肺[1]。研究發(fā)現(xiàn)老齡化和抽煙引起的肺功能減弱和慢性氣道炎癥是慢阻肺發(fā)病的主要原因[2]，主要發(fā)病特點是不完全可逆的氣流阻塞，并且呈進(jìn)行性發(fā)展的趨勢。患者長期暴露在含有毒顆粒和有害氣體的環(huán)境中，會導(dǎo)致持續(xù)的慢性氣道炎癥反應(yīng)，大大提高患病率[3]。NOD樣受體蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(Nod-like receptor，pyrin domain 3 containing，NLRP3)炎癥小體是胞漿內(nèi)的一種多聚體蛋白復(fù)合物，是檢測致病微生物和無菌應(yīng)激原的關(guān)鍵信號平臺，能夠被多種刺激劑所激活，由傳感器分子NLRP3、適配器分子凋亡相關(guān)斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)和效應(yīng)蛋白半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1(cysteine-requiring aspartate protease-1， Caspase-1)組成。它們通過調(diào)控炎癥相關(guān)基因的表達(dá)等方式來發(fā)揮各種生物學(xué)效應(yīng)[4]。研究表明，NLRP3炎癥小體調(diào)控通路在慢阻肺疾病的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮了重要的作用[5]。本研究結(jié)合近兩年國內(nèi)外對NLRP3炎癥小體在COPD中作用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，進(jìn)一步探討NLRP3炎癥小體通路在慢阻肺中的作用，以期為臨床干預(yù)COPD提供全新高效的治療靶點。

1 NLRP3炎癥小體概述

1.1NLRP3炎癥小體的結(jié)構(gòu) NLRP3炎癥小體是由胞漿內(nèi)的模式識別受體(PRRs)參與組裝的多蛋白復(fù)合物，其組分由NLRP3、ASC、Caspase-1三部分組成[6]，在機(jī)體的固有免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用，被激活后可以促進(jìn)白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)和白細(xì)胞介素-18(interleukin-18，IL-18)的成熟和釋放[7]。如果沒有激活信號，NLRP3炎性小體則不能發(fā)生寡聚化，只有當(dāng)NLRP3受體識別出受損細(xì)胞或病原體釋放的危險信號后，銜接蛋白ASC和效應(yīng)蛋白Caspase-1才會形成亞細(xì)胞多蛋白復(fù)合物，利用蛋白水解途徑來激活前體pro-Caspase-1，同時催化前體pro-IL-1β和pro-IL-18進(jìn)行切割[7]。

NLRP3炎癥小體包括三個結(jié)構(gòu)域：即中央核苷酸結(jié)合寡聚(NACHT)結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域有助于自我寡聚并具有ATP活性；C端保留了一個富含亮氨酸的重復(fù)序列(LRR)結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域可以調(diào)節(jié)NLRP3的活性并檢測內(nèi)源性危險信號分子和微生物配體；N端末吡啶(PYD)結(jié)構(gòu)域與其自身的適應(yīng)蛋白ASC具有同型相互作用[8]。研究發(fā)現(xiàn)，炎癥小體的激活過程正是通過PYD結(jié)構(gòu)域招募接頭蛋白ASC和下游的效應(yīng)蛋白Caspase-1來實現(xiàn)的[9]。銜接蛋白ASC可以把NLRP3蛋白和Caspase-1前體連接起來, Caspase-1前體一旦被激活，通過蛋白水解釋放酶的活性形式，對細(xì)胞因子前體pro-IL-1β和pro-IL-18進(jìn)行切割,釋放成熟的細(xì)胞因子IL-1β和IL-18,發(fā)揮促炎作用[10]。

1.2NLRP3炎癥小體的活化和調(diào)控途徑 NLRP3炎癥小體的激活劑比較廣泛。它可以被一系列從微生物毒素到宿主內(nèi)源性代謝物諸如棕櫚酸酯、晶體等物質(zhì)所激活[11]。它也能夠被非病原體產(chǎn)生的損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)所激活，例如高濃度的三磷酸腺苷(ATP)、穿孔毒素、紫外線照射等多種環(huán)境損傷。此外，尿酸結(jié)晶、二氧化硅、石棉等這類晶體類物質(zhì)也可以激活NLRP3炎性小體[12]。NLRP3活化后可以通過控制多種促炎細(xì)胞因子的成熟和分泌，來調(diào)節(jié)機(jī)體的炎性反應(yīng)以及相關(guān)免疫細(xì)胞的功能[13]。NLRP3炎癥小體的活化需要兩種信號的參與,第一種信號是由病原相關(guān)分子模式誘導(dǎo)產(chǎn)生的。TLR配體活化轉(zhuǎn)錄因子NF-κB,可以促進(jìn)NLRP3基因的轉(zhuǎn)錄，從而上調(diào)NLRP3以及IL-1β/IL-18的前體，使其表達(dá)增加[14]。在多數(shù)細(xì)胞中,靜息狀態(tài)下的NLRP3表達(dá)量不高,因此它需要第一信號的活化來誘導(dǎo)NLRP3的轉(zhuǎn)錄和表達(dá),從而為激活階段做準(zhǔn)備。近期有研究顯示,第一信號的活化也可以通過激活白細(xì)胞介素1受體相關(guān)激酶(IRAK-1),發(fā)揮其激酶活性來激活TRAF6,從而促進(jìn)NLRP3寡聚化等作用,為NLRP3炎癥小體的激活做準(zhǔn)備[15]。NLRP3、ASC和Caspase-1組裝成炎癥小體，誘導(dǎo)成熟的IL-1β切割和釋放。盡管這些刺激物能夠誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體的組裝,但是它們不能直接與NLRP3結(jié)合。因此, NLRP3炎癥小體的激活和組裝可以通過誘導(dǎo)膜損傷、鉀離子外流和細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高等途徑產(chǎn)生的中間產(chǎn)物來發(fā)揮作用[16]。

現(xiàn)在普遍認(rèn)為，NLRP3炎癥小體的激活機(jī)制包括：①溶酶體損傷。研究發(fā)現(xiàn)諸如二氧化硅、晶體及特殊顆粒物等激活劑被巨噬細(xì)胞內(nèi)吞后，會導(dǎo)致溶酶體破裂損傷,細(xì)胞內(nèi)容物釋放出來，從而促進(jìn)NLRP3炎癥小體的聚集和活化。②鉀離子外流。當(dāng)細(xì)胞外ATP濃度過高時，會刺激P2X7嘌呤受體，導(dǎo)致鉀離子外流，形成連接轉(zhuǎn)運鉀離子的跨膜蛋白通道。胞外的激活劑可以通過跨膜蛋白通道進(jìn)入胞內(nèi)，促進(jìn)NLRP3炎癥小體的聚集和活化，達(dá)到激活NLRP3炎癥小體的目的。近期有研究發(fā)現(xiàn)該通道是NLRP3炎癥小體激活所必需的鉀外排通道[17]。但也有研究發(fā)現(xiàn)鈣離子內(nèi)流同樣可以激活NLRP3炎癥小體，但激活機(jī)制尚不清楚。③活性氧(ROS)的產(chǎn)生。目前認(rèn)為，許多NLRP3刺激物都會使線粒體發(fā)生功能上的障礙，線粒體損傷后的釋放物在炎癥小體的激活過程中發(fā)揮了非常重要的作用。阻止線粒體活性氧的產(chǎn)生?？梢砸种芅LRP3炎癥小體的活化，并且會使得由乙醇、LPS或ATP所引起的IL-1β和IL-18表達(dá)量下降[18]。也有研究表明鮑曼原蟲模式識別受體Omp34通過線粒體產(chǎn)生的ROS來激活細(xì)胞中的NLRP3炎性小體，故下調(diào)其ROS可防止這種模式識別受體誘導(dǎo)的NLRP3炎性小體過度活化引起的嚴(yán)重感染后果[19]。這些研究結(jié)果均表明線粒體損傷及其所產(chǎn)生的活性氧在炎癥體的激活過程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

NLRP3炎癥小體活化后會激活相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，釋放大量促炎性物質(zhì)，參與多種炎癥性疾病的發(fā)生發(fā)展[20]。但是，NLRP3炎癥小體的過度活化也會導(dǎo)致組織損傷。NLRP3去泛素化可能參與炎性小體的活化，但其作用和分子機(jī)制尚不清楚[21]，阻斷這一炎性通路的活化可能成為治療慢阻肺的一個研究方向[22]。

2 NLRP3炎癥小體在COPD中的作用

COPD是一種以持續(xù)氣流受限為特征的疾病，香煙、煙霧及有害顆粒等刺激物均可引起氣道和肺組織的慢性炎癥。研究發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體在慢阻肺患者的穩(wěn)定期和急性加重期的炎性調(diào)控通路中均發(fā)揮了重要的作用。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體對機(jī)體的調(diào)控具有雙重作用，它可以參與宿主的免疫防御過程，而過度的炎癥反應(yīng)則導(dǎo)致Caspase-1依賴性細(xì)胞焦亡[23]。

2.1NLRP3炎癥小體與細(xì)胞焦亡 細(xì)胞焦亡(pyroptosis)又稱細(xì)胞炎性壞死，是一種細(xì)胞死亡的炎癥形式。細(xì)胞焦亡是機(jī)體的一種重要的天然免疫反應(yīng)，一方面，它可以保護(hù)多細(xì)胞生物不受致病菌和微生物的侵襲，在抗擊感染中發(fā)揮重要的作用[24]。另一方面，如果過度激活則會引發(fā) caspase-1 依賴的細(xì)胞焦亡，形態(tài)學(xué)表現(xiàn)為細(xì)胞不斷脹大直至膜破裂，導(dǎo)致內(nèi)容物釋放進(jìn)而激活強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)。

研究發(fā)現(xiàn)多種慢性炎癥疾病與NLRP3炎性小體的過度激活及其介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡關(guān)系密切[25]。而COPD的主要發(fā)病機(jī)制就是慢性氣道炎癥，炎性小體作為炎癥反應(yīng)的重要組成部分，其激活過程參與COPD的發(fā)生發(fā)展。NLRP3炎性小體被激活后，即可引發(fā)Caspase-1 依賴的細(xì)胞焦亡，即細(xì)胞在炎癥和應(yīng)激的病理條件下發(fā)生的死亡。而這一過程需要 GSDMD蛋白作為底物參與其中。GSDMD蛋白是Gasdermin家族蛋白成員之一，由500多個氨基酸組成[26]。Caspase-1通過切割GSDMD蛋白使其N、C兩端的結(jié)構(gòu)域分開，進(jìn)而釋放具有內(nèi)源性誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡活性的N端片段。N端蛋白可以識別并結(jié)合細(xì)胞膜上的磷脂分子，并進(jìn)一步在細(xì)胞膜上寡聚化形成孔道狀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致細(xì)胞滲透壓變化，最終使得細(xì)胞膜裂解，內(nèi)容物釋放,引起細(xì)胞焦亡[27]。有研究發(fā)現(xiàn)沙棘變應(yīng)原Der f1可能通過調(diào)控NLRP3炎性信號通路來誘導(dǎo)人支氣管上皮細(xì)胞(HBECs)發(fā)生焦亡，Der f1刺激細(xì)胞后會增強(qiáng)IL-1β的釋放，而這與Caspase-1的激活有關(guān)[28]。進(jìn)一步了解GSDMD的作用機(jī)制可能為COPD慢性炎癥治療干預(yù)提供新的途徑。

2.2NLRP3炎癥小體調(diào)控通路在COPD中的作用COPD患者的穩(wěn)定期和急性加重期交替出現(xiàn)，其發(fā)病特點首先是免疫反應(yīng)的改變，其次是肺部和全身的慢性炎癥，而NLRP3炎性小體是炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)控分子[29]。COPD的急性加重期的特點主要是呼吸急促、咳痰等癥狀，這些癥狀均依賴于促炎性物質(zhì)的介導(dǎo)?？茖W(xué)證據(jù)表明NLRP3炎性小體持續(xù)活化，釋放大量的炎癥因子IL-1β和IL-18,可能參于COPD疾病的發(fā)生發(fā)展過程[30]。有研究者分離了慢阻肺患者穩(wěn)定期和急性加重期的外周血單個核細(xì)胞(peripheral blood mononuclear cells，PBMCs)并對其分析發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定期和急性加重期的COPD患者的NLRP3mRNA及血漿中IL-18和IL-1β水平均明顯升高，且急性加重期COPD患者顯著高于穩(wěn)定期COPD患者[6]。這表明NLRP3炎性小體參與慢阻肺患者的機(jī)體炎癥反應(yīng)，可能是通過增加mRNA轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)相關(guān)炎癥信號通路。

也有研究表明NLRP3炎性小體在COPD患者的穩(wěn)定期啟動但未激活，其激活過程發(fā)生在COPD的急性加重期[29]，這一研究結(jié)果提示炎性小體參與COPD的急性加重期的炎性爆發(fā)。最新的遺傳學(xué)和藥理學(xué)研究表明，COPD患者的痰液和支氣管肺泡灌洗液(BAL)中可高度檢測到白細(xì)胞介素-1樣細(xì)胞因子，這意味著多蛋白復(fù)合物炎性小體參與其中[31]。NLRP3炎癥小體通過調(diào)節(jié)Caspase-1依賴性蛋白水解加工，從而來控制白細(xì)胞介素-1樣細(xì)胞因子的成熟和分泌，這表明它與COPD典型的氣道炎癥有關(guān)。有研究顯示，COPD的發(fā)生發(fā)展與線粒體活性氧(mtROS)的產(chǎn)生增加、抗氧化能力下降以及線粒體數(shù)量的減少有關(guān)，還與mtROS激活的NLRP3炎癥小體的活化有關(guān)[32]。故氧化應(yīng)激也被認(rèn)為是COPD發(fā)病過程中的關(guān)鍵特征和機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)煙霧誘導(dǎo)小鼠肺組織損傷，會上調(diào)IL-1β和IL-18及Caspase-1 的mRNA的表達(dá)，而使用P2X7受體拮抗劑或者敲除該基因則會使其表達(dá)下調(diào)[33]。另外發(fā)現(xiàn)使用Caspase-1 抑制劑后，該模型小鼠的肺泡灌洗液中的炎性細(xì)胞變少，同時IL-1βmRNA表達(dá)水平也隨之降低[34]。也有研究證實了半乳糖苷(AAL)通過增強(qiáng)NF-κB的轉(zhuǎn)錄活動而發(fā)揮較強(qiáng)的抗炎活性，但其抗炎機(jī)制尚未闡明。這提示AAL可能在調(diào)節(jié)先天免疫反應(yīng)方面具有重要的藥物特性[35]。NLRP3激活的藥理學(xué)抑制在多種炎癥性疾病的嚙齒類動物模型中產(chǎn)生了強(qiáng)有力的治療效果，這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了NLRP3作為藥物靶點的潛力。

MicroRNAs(miRNAs)是一種新型的基因調(diào)控分子，參與生命過程中一系列的重要進(jìn)程，包括早期發(fā)育，細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞死亡等。Yan等[36]研究發(fā)現(xiàn)，miR-223過表達(dá)會降低脂多糖誘導(dǎo)的急性肺損傷模型中的炎癥反應(yīng)，同時還會抑制NLRP3炎癥小體和TLR4/NF-κB信號通路。研究發(fā)現(xiàn)miR-33可以上調(diào)NLRP3mRNA和蛋白的表達(dá)，增加初級巨噬細(xì)胞中Caspase-1的活性，降低線粒體的耗氧量，導(dǎo)致細(xì)胞活性氧的積累來調(diào)控NLRP3炎癥小體的信號通路[37]。Wu等[38]研究發(fā)現(xiàn)，miR-155可能通過抑制靶向基因FOXO3a而成為NLRP3炎癥通路的正調(diào)控因子，并且沉默miR-155基因后可以通過調(diào)控這一通路來抑制炎癥反應(yīng)的發(fā)生[39]，而炎癥反應(yīng)對于COPD的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。此外，miR-155也被認(rèn)為在肺的發(fā)育過程中發(fā)揮了重要的作用[40]。雖然有大量研究證實多種microRNA均可通過調(diào)控NLRP3炎癥信號通路來發(fā)揮抑炎作用，但其在COPD中的具體調(diào)控機(jī)制尚未見報道，深入研究MicroRNAs調(diào)控NLRP3炎癥信號通路在COPD中的具體作用機(jī)制可能成為一種干預(yù)COPD潛在的治療靶點。

3 總結(jié)和展望

盡管大量研究證實了NLRP3炎癥小體通路與COPD典型氣道炎癥有關(guān)，并發(fā)現(xiàn)了其通路可能參與COPD急性加重期和肺功能進(jìn)行性下降的過程，這些研究成果均表明了NLRP3炎癥小體與COPD進(jìn)展密切相關(guān)，但是其在COPD中的具體作用尚不清楚。深入研究NLRP3炎癥小體通路在COPD中的具體調(diào)控機(jī)制，可能為進(jìn)一步開發(fā)和檢測新的COPD干預(yù)措施和治療方法提供新的途徑和潛在靶點。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。