NLRP3炎性小體在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展

NLRP3炎性小體在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展

張嘉誠，余佳，李滿(武漢大學(xué)人民醫(yī)院肝膽外科，武漢430060)先天免疫系統(tǒng)是抵御微生物感染的第一道防線，其通過模式識別受體對微生物進(jìn)行響應(yīng)激活。炎性小體是一類多蛋白復(fù)合體，是介導(dǎo)宿主對微生物感染和細(xì)胞損傷免疫應(yīng)答的重要組成部分[1]。在已知炎性小體中，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域(nucleotide-bindingoligomerizationdomain，NOD)樣受體(NOD-likereceptors，NLRs)家族一直備受關(guān)注。近年來研究顯示，NLRs亞家族的核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-bindingoligomerizationdomain-likereceptorprotein3，NLRP3)炎性小體具有重要作用[2]。NLRP3炎性小體識別相應(yīng)分子模式并激活釋放各類炎癥因子[白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-8、IL-1β等]，繼而誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)[1]?？諝庵懈鞣N病原體與肺中由氣道上皮細(xì)胞、肺泡巨噬細(xì)胞、抗原呈遞細(xì)胞和中性粒細(xì)胞共同表達(dá)的模式識別受體接觸，激活下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)引發(fā)先天免疫反應(yīng)。研究表明，肺部針對有害刺激的早期免疫應(yīng)答主要由炎性小體介導(dǎo)，促進(jìn)炎癥因子釋放，從而起到保護(hù)作用，但是過量的炎癥反應(yīng)會加劇組織損傷，部分可導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病，大部分呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展起源于炎癥反應(yīng)，包括感染性肺炎、硅沉著病、哮喘、慢性阻塞性肺疾病(chronicobstructivepulmonarydisease，COPD)、急性肺損傷(acutelunginjury，ALI)等[3]?，F(xiàn)就NLRP3炎性小體在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展予以綜述。1NLRP3的組成及活化機(jī)制NLR家族大多由三部分組成，即位于中心介導(dǎo)自身寡聚體形成的NOD、檢測病原相關(guān)分子模式的一個(gè)富含亮氨酸重復(fù)序列的C端以及可變的N端結(jié)構(gòu)域[4]，NLRP3即該N端的PYD(pyrindomain)結(jié)構(gòu)域。一般情況下，NLRP3還需要酶組分胱天蛋白酶(caspase)-1和銜接分子ASC(apoptosis-associatedspeck-likeproteincontainingacaspaserecruitmentdomain)參與組裝，共同促進(jìn)細(xì)胞因子IL-1β和IL-18的成熟，誘導(dǎo)溶解型細(xì)胞凋亡[2]。既往研究證實(shí)，誘導(dǎo)NLRP3活化的觸發(fā)因子有很多，包括線粒體DNA和活性氧類(reactiveoxygenspecies，ROS)[5]、晶體環(huán)境污染物(二氧化硅、石棉、明礬痛風(fēng)相關(guān)病原體尿酸晶體和焦磷酸鈣離子晶體)以及成孔毒素[2,6]。在巨噬細(xì)胞NLRP3激活過程中，現(xiàn)普遍認(rèn)為有兩個(gè)信號參與其中，第一信號(引發(fā))由微生物分子或內(nèi)源性分子組成，通過激活主要的轉(zhuǎn)錄激活因子核因子κB(nuclearfactor-κB，NF-κB)誘導(dǎo)NLRP3和IL-1β前體表達(dá)[6]；第二信號(激活)有許多刺激(如腺苷三磷酸、焦磷酸鈣離子晶體)參與介導(dǎo)，促進(jìn)ASC和caspase-1的組裝，導(dǎo)致NLRP3炎性小體的活化[2]。NLRP3炎性小體的激活機(jī)制分為經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑。經(jīng)典途徑包括來自線粒體的ROS作為共同信號促進(jìn)活化；細(xì)胞內(nèi)K+濃度的降低，K+外排可能引起細(xì)胞外的Ca2+刺激激活炎性小體；溶酶體途徑，通過吞噬顆粒物質(zhì)(或活病原體)或通過無菌溶酶體損傷(無晶體)，導(dǎo)致NLRP3活化[2,7]。非經(jīng)典途徑一般由革蘭陰性細(xì)菌誘導(dǎo)，脂多糖通過轉(zhuǎn)染或感染被傳遞到細(xì)胞質(zhì)中，并激活caspase-11，使pannexin-1通道打開，誘導(dǎo)NLRP3激活和IL-1β釋放，促進(jìn)K+外流，進(jìn)而促進(jìn)下游的炎癥反應(yīng)[4]；Viganò等[8]的研究表明，人體中可以通過caspase-4和caspase-5刺激脂多糖后，促使單核細(xì)胞釋放IL-1α和IL-1β，從而激活后續(xù)的炎癥反應(yīng)。2NLRP3在COPD中的作用COPD主要表現(xiàn)為慢性且持續(xù)性氣流受限的呼吸癥狀，是一種常見的可預(yù)防、可治療的疾病，COPD的危險(xiǎn)因素主要是煙草煙霧(cigarettesmoke，CS)、室內(nèi)室外的空氣污染和職業(yè)性灰塵[9-10]。NLRP3可能參與CS暴露的COPD的發(fā)病過程，研究發(fā)現(xiàn)，COPD小鼠表現(xiàn)出肺部炎癥癥狀，而剔除NLRP3炎性小體的小鼠不僅失去生成NLRP3炎性小體的能力，同時(shí)也沒有表現(xiàn)出相應(yīng)的COPD癥狀，證實(shí)了NLRP3炎性小體對于COPD的發(fā)展必不可少[11]。然而，NLRP3炎性小體參與COPD的確切機(jī)制尚未闡明。Faner等[12]通過研究呼吸系統(tǒng)疾病網(wǎng)絡(luò)生物醫(yī)學(xué)研究中心肺部生物庫提供的肺組織標(biāo)本，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定期COPD患者的肺組織中NLRP3和IL-1β的信使RNA表達(dá)顯著上調(diào)，caspase-1和ASC均為非活性形式，說明NLRP3炎性小體在穩(wěn)定的COPD中被引發(fā)，但是沒有被激活；而在感染性COPD急性發(fā)作期間炎性小體被激活，并參與了急性發(fā)作的整個(gè)過程。Eltom等[13]在比較CS暴露小鼠與野生型小鼠模型時(shí)發(fā)現(xiàn)，CS暴露小鼠COPD和肺氣腫的肺組織中caspase-1的活性水平更高；而caspase-1的活化以及后續(xù)IL-1β和IL-18等炎癥因子的釋放是NLRP3炎性小體發(fā)生作用的必要條件，說明CS暴露可以激活并產(chǎn)生更多的NLRP3炎性小體參與炎癥反應(yīng)的發(fā)生、發(fā)展。既往研究表明，NLRP3在CS與COPD之間充當(dāng)橋梁作用，CS暴露后產(chǎn)生的ROS、腺苷三磷酸可作為信號分子介導(dǎo)COPD炎癥反應(yīng)的發(fā)生[2,14]。Cao等[15]的研究提示，脂氧素受體激動劑BML-111可通過阻止NLRP3炎性小體的激活來抑制COPD小鼠的肺部炎癥。Peng等[16]發(fā)現(xiàn)，褪黑素通過沉默信息調(diào)節(jié)因子1抑制NLRP3炎性小體和炎癥因子IL-1β的表達(dá)，從而減輕氣道炎癥。這些研究均為以NLRP3炎性小體為靶點(diǎn)治療COPD提供了依據(jù)和思路，只是既往的臨床研究中，NLRP3相關(guān)靶向藥物(如IL-1α和IL-1β以及IL-18和嘌呤能P2X7受體)的抑制劑并未取得期待的治療效果[16]。臨床與基礎(chǔ)研究結(jié)果不一致甚至存有矛盾，表明COPD的發(fā)病機(jī)制可能不僅僅局限于NLRP3炎性小體信號通路，同時(shí)有其他的炎性機(jī)制參與。此外，臨床與試驗(yàn)本身也可能存在顯著的差異，如臨床上中重度COPD患者會接受糖皮質(zhì)激素治療，而糖皮質(zhì)激素可能抑制炎性小體成分，降低臨床試驗(yàn)藥物的效果。3NLRP3在病毒性感染性肺炎中的作用研究表明，NLRP3炎性小體可以被甲型流感病毒(influenzaAvirus，IAV)的RNA和蛋白質(zhì)激活[17]，但也有作用表現(xiàn)相反的蛋白，如IAV的NS1(non-structuralprotein1)蛋白。NS1可以通過抑制NF-κB的激活抑制NLRP3炎性小體的激活，同時(shí)也作為NLRP3炎性小體的下調(diào)因子，抑制IL-1β和IL-18的分泌，證明NS1蛋白可以作為逃避宿主免疫反應(yīng)的位點(diǎn)[18]。Tate等[17]通過NLRP3抑制劑MCC950暫時(shí)抑制NLRP3炎性小體觀察感染不同時(shí)期NLRP3作用的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NLRP3對早期IAV感染起保護(hù)作用，而在感染后期，MCC950處理的小鼠較未處理的小鼠癥狀輕，說明NLRP3在后期可能導(dǎo)致病情惡化，這與以往的研究結(jié)果一致，證明NLRP3炎性小體對不同時(shí)期的感染作用不同[19-20]。在IAV感染期間，NLRP3炎性小體激活需要2個(gè)信號，信號1涉及Toll樣受體(Toll-likereceptor，TLR)對病毒RNA的識別，信號2則包括K+的流出、溶酶體的成熟以及ROS的產(chǎn)生，而NLRP3炎性小體的具體促炎作用主要由于下游的炎癥因子IL-1β和IL-18，兩者的區(qū)別在于，IL-1β增加急性期信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，將免疫細(xì)胞(如中性粒細(xì)胞)轉(zhuǎn)移到原發(fā)感染的部位，并誘導(dǎo)次生細(xì)胞因子和黏附分子(如腫瘤壞死因子-α)產(chǎn)生，最終引起肺炎加重；而IL-18對于IAV感染小鼠的雙重作用仍需要進(jìn)一步的研究[17]。人呼吸道合胞病毒亦是一種可以引起肺炎的病毒，研究發(fā)現(xiàn)，中藥金欣口服液可以通過干擾NLRP3的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，抑制IL-1β和其他炎癥因子的生成，減輕組織損傷[21]，證實(shí)了NLRP3炎性小體作為治療靶點(diǎn)的可行性，未來針對病毒性感染性肺炎的治療可以更多地考慮這一方面。4NLRP3在細(xì)菌性感染性肺炎中的作用金黃色葡萄球菌是社區(qū)獲得性和醫(yī)院獲得性感染性肺炎的重要病原體，感染嚴(yán)重時(shí)亦可以引起嚴(yán)重壞死性肺炎[22]。α-溶血素是誘導(dǎo)肺部炎癥的關(guān)鍵毒力因子，在宿主生物中主要誘導(dǎo)炎癥信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞死亡。已有實(shí)驗(yàn)證明，α-溶血素以類似成孔毒素的方式激活I(lǐng)L-1β的加工分泌，其誘導(dǎo)細(xì)胞壞死的功能實(shí)現(xiàn)需要宿主NLRP3炎性小體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[23]。Kebaier等[24]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎性小體介導(dǎo)了α-溶血素誘導(dǎo)的肺損傷，與野生型小鼠相比，NLRP3缺陷型(NLRP3-/-)的小鼠在感染肺炎后肺順應(yīng)性并沒有降低，也沒有明顯的炎癥反應(yīng)，證實(shí)NLRP3炎性小體在介導(dǎo)肺炎的肺損傷中起作用，但是NLRP3-/-小鼠并未完全免受感染侵襲，說明炎癥反應(yīng)不僅僅依賴于NLRP3，NLRP3炎性小體亦未參加金黃色葡萄球菌所致肺炎的后續(xù)清除，NLRP3+/+的小鼠表現(xiàn)肺部過度炎癥，說明NLRP3對于組織是不利的。除α-溶血素外，細(xì)菌毒素的殺白細(xì)胞素A/B介導(dǎo)caspase-1活化，IL-18和IL-1β的分泌以及細(xì)胞死亡也需要NLRP3炎性小體的參與，只是在細(xì)胞死亡后，金黃色葡萄球菌從人單核細(xì)胞逃逸且不依賴于NLRP3信號通路，而是取決于白細(xì)胞素A/B的受體CD11b[25]。NLRP3炎性小體對于金黃色葡萄球菌所致的炎癥反應(yīng)至關(guān)重要，金黃色葡萄球菌通過修飾自身細(xì)胞壁防止被感染宿主細(xì)胞中的溶酶體降解，這種修飾間接導(dǎo)致了NLRP3傳感能力的降低，最終達(dá)到免疫逃避的目的[26]。肺炎鏈球菌溶血素是肺炎鏈球菌主要的毒力因子，可以在細(xì)胞表面形成空洞，造成細(xì)胞裂解組織損傷[27]；而另一方面肺炎鏈球菌溶血素同時(shí)也可以干擾質(zhì)膜并引起K+外排，作為激活劑激活NLRP3炎性小體，引發(fā)IL-1β和IL-18的分泌，導(dǎo)致下游一系列炎癥反應(yīng)的發(fā)生[28]。研究顯示，IL-1β是抗肺炎球菌感染所必需的，而IL-1β的產(chǎn)生依賴于NLRP3炎性小體和TLR2，故而NLRP3炎性小體是肺炎鏈球菌感染的先天免疫應(yīng)答的重要介質(zhì)[28-29]。vanLieshout等[30]的實(shí)驗(yàn)顯示，相比于野生型小鼠，NLRP3-/-小鼠表達(dá)的細(xì)胞因子和趨化因子水平降低，其中IL-1β的水平顯著降低，并且在感染菌血癥的48h內(nèi)死亡，而野生型的小鼠僅表現(xiàn)出較輕的肺炎癥狀，表明NLRP3在早期肺炎鏈球菌引起的肺炎中起到有益的作用[28,30]。總之，NLRP3炎性小體廣泛參與細(xì)菌性感染性肺炎的發(fā)生、發(fā)展。5NLRP3在哮喘中的作用哮喘的特征在于氣道阻塞的反復(fù)發(fā)作，通常與氣道高反應(yīng)原性和慢性氣道炎癥有關(guān)，患者一般表現(xiàn)為反復(fù)發(fā)作的喘息、氣促、胸悶和咳嗽等癥狀[31]。根據(jù)炎癥表型以及誘導(dǎo)細(xì)胞比例可將哮喘分為嗜酸粒細(xì)胞型、中性粒細(xì)胞型、混合粒細(xì)胞型及寡粒細(xì)胞型[32]。對嗜酸粒細(xì)胞型哮喘的研究比較透徹，花粉、屋塵螨等可以激活TLR類模式受體，誘導(dǎo)先天細(xì)胞因子(IL-25、IL-35等)的合成，刺激TLR也可以促進(jìn)樹突狀細(xì)胞的募集與成熟，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)經(jīng)過處理產(chǎn)生過敏性肽片段，該片段與人類白細(xì)胞抗原分子結(jié)合后經(jīng)抗原呈遞細(xì)胞引起炎癥反應(yīng)；與嗜酸粒細(xì)胞型哮喘相比，中性粒細(xì)胞型哮喘與NLRP3炎性小體的關(guān)系更加密切，其中一種表達(dá)IL-17的CD4+特定誘導(dǎo)效應(yīng)T細(xì)胞(輔助性T細(xì)胞17)起關(guān)鍵作用，其效應(yīng)作用必須通過NLRP3炎性小體的活化產(chǎn)生活性的IL-1β、IL-18促進(jìn)后續(xù)的炎癥反應(yīng)[33]。Simpson等[34]發(fā)現(xiàn)，在中性粒細(xì)胞型哮喘的疾病發(fā)展過程中，與NLRP3途徑息息相關(guān)的caspase-4、caspase-5、caspase-1的基因表達(dá)水平顯著升高，而在其他亞型卻沒有發(fā)現(xiàn)該變化。研究證明，ROS也在哮喘的氣道炎癥和組織損傷中扮演著重要角色，而線粒體ROS通過激活NLRP3炎性小體，導(dǎo)致氣道炎性細(xì)胞和上皮細(xì)胞中產(chǎn)生成熟的IL-1β，抑制ROS的生成能夠通過調(diào)節(jié)NF-κB的激活減輕哮喘的癥狀，因此利用ROS抑制劑治療哮喘是一種可行的思路[35]。6NLRP3在硅沉著病中的作用硅沉著病是世界上最重要的職業(yè)病之一，為結(jié)晶二氧化硅(silicondioxide,SiO2)或SiO2所致，很早便為人所知[36]。在硅沉著病的整個(gè)疾病發(fā)展過程中，NLRP3炎性小體參與其中并占有很大比重。Cassel等[37]研究顯示，SiO2可以作為一個(gè)活化分子，刺激巨噬細(xì)胞中的NLRP3與ASC等銜接因子組裝，在caspase-1介導(dǎo)下共同促進(jìn)IL-1β的分泌，參與疾病的發(fā)生；同時(shí)，細(xì)胞產(chǎn)生的ROS也作為NLRP3信號通路的上游信號用于激活NLRP3炎性小體；而在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，采用鼻內(nèi)滴注SiO2處理小鼠，與野生型小鼠嚴(yán)重的疾病表現(xiàn)相比，ASC-/-和NLRP3-/-小鼠的肺部炎癥和肺纖維化更輕微，進(jìn)一步證實(shí)了NLRP3炎性小體參與硅沉著病的發(fā)展。近年的研究表明，巨噬細(xì)胞的自噬作用可以通過螯合或降解炎性小體和細(xì)胞因子(如IL-1β前體)抑制SiO2暴露后的NLRP3炎性小體的活性以及后續(xù)的疾病進(jìn)展[38]。7NLRP3在ALI中的作用ALI及更嚴(yán)重的急性呼吸窘迫綜合征由肺部對多種間接或直接損傷的復(fù)雜反應(yīng)引起，導(dǎo)致ALI和急性呼吸窘迫綜合征的病因很多，包括肺炎、休克、出血、膿毒血癥等。NLRP3炎性小體密切參與ALI疾病的發(fā)生、發(fā)展，研究顯示，中性粒細(xì)胞釋放出的細(xì)胞外組蛋白是NLRP3的活化劑，能夠直接激活脂多糖引發(fā)的炎性小體；來自巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的關(guān)鍵因子IL-1β在接收到NLRP3炎性小體傳遞