炎性小體在結(jié)直腸腫瘤中的研究進(jìn)展

李 冰(綜述) 鐘蕓詩(審校) 周平紅

(1復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院內(nèi)鏡中心 上海 200032; 2上海消化內(nèi)鏡診療工程技術(shù)研究中心 上海 200032)

炎癥和持續(xù)性感染在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、惡性轉(zhuǎn)化、侵襲、轉(zhuǎn)移等不同階段都起著關(guān)鍵作用。炎癥會(huì)誘導(dǎo)包括T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞、NK細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞在內(nèi)的免疫應(yīng)答[1]。炎性小體是近年來新發(fā)現(xiàn)的固有免疫系統(tǒng)中的多蛋白復(fù)合物,其基本組分是NOD樣受體(NOD-like receptor,NLR)等蛋白質(zhì)家族作為受體蛋白、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD,ASC)作為接頭蛋白、半胱天冬酶-1(caspase-1)作為效應(yīng)蛋白。由于ASC和caspase-1結(jié)構(gòu)較為固定,而受體蛋白種類復(fù)雜,因此以受體蛋白對(duì)炎性小體進(jìn)行分類。此外,經(jīng)典的炎性小體反應(yīng)途徑主要為,活化的caspase-1促使IL-1β、IL-18等炎性細(xì)胞因子成熟,啟動(dòng)炎癥相關(guān)的細(xì)胞程序性死亡,即細(xì)胞焦亡(pyroptosis)[2]。此外,組成炎性小體的NLR等不同受體蛋白除可以通過炎性小體的經(jīng)典反應(yīng)途徑外,也可通過其他非炎性小體途徑影響疾病的發(fā)生發(fā)展。

最新腫瘤發(fā)病和致死統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,結(jié)直腸癌作為最常見消化系統(tǒng)惡性腫瘤,其病死率高居全球第2位[3]。同時(shí),包括潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病在內(nèi)的炎性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)已被證實(shí)為結(jié)直腸癌發(fā)病的高危因素[4]。因此,炎性小體作為炎癥反應(yīng)的重要環(huán)節(jié),在結(jié)直腸癌發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。本文就不同炎性小體在結(jié)直腸腫瘤中的作用、相關(guān)機(jī)制和治療潛能等研究進(jìn)展進(jìn)行歸納總結(jié),另外個(gè)別受體蛋白還通過非炎性小體途徑進(jìn)行作用,因此也對(duì)這類機(jī)制進(jìn)行了闡述。

NLRP3

NLPR3的結(jié)構(gòu)和激活 NLRP3是目前研究較為深入的炎性小體組成分子。其屬于NLR蛋白質(zhì)家族,由熱蛋白結(jié)構(gòu)域(pyrin domain,PYD),核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域(nucleotide-binding and oligomerization domain,NACHT),以及富含亮氨酸重復(fù)序列(leucine-rich repeats,LRR)組成[5]。NLRP3能夠?qū)Σ≡嚓P(guān)分子模式(pathogen associated molecular pattern,PAMP)和損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular pattern,DAMP)等炎癥反應(yīng)相關(guān)的外源性和內(nèi)源性信號(hào)產(chǎn)生反應(yīng),從而啟動(dòng)固有免疫應(yīng)答[6]。NLRP3炎性小體主要在免疫相關(guān)細(xì)胞中表達(dá),特別是抗原呈遞細(xì)胞(antigen-presenting cells,APC)和炎癥刺激后大量產(chǎn)生的細(xì)胞,如巨噬細(xì)胞,樹突狀細(xì)胞,中性粒細(xì)胞[7]。關(guān)于NLRP3炎性小體的激活,以往研究認(rèn)為Toll樣受體(toll-like receptors,TLR)通過識(shí)別PAMP或DAMP產(chǎn)生自身磷酸化并導(dǎo)致核因子-κB(NF-κB)活化,進(jìn)而刺激NLRP3炎性小體組成分子的轉(zhuǎn)錄翻譯,及前體IL-1β和前體IL-18的表達(dá)[8-9]。此外,胞質(zhì)內(nèi)鉀、鈣離子的轉(zhuǎn)運(yùn),溶酶體組織蛋白酶-B的釋放會(huì)促進(jìn)非活性的炎性小體及前體IL-1β和IL-18活化、成熟和上調(diào)[10-11]。值得注意的是,陳志堅(jiān)研究組最新研究[12]發(fā)現(xiàn),NLRP3的多種差異極大的激動(dòng)劑均能引起細(xì)胞內(nèi)的反式高爾基體網(wǎng)絡(luò)(trans-golgi network,TGN)解體成分散的特殊結(jié)構(gòu)dTGN(dispersed TGN)。dTGN形成以后,其膜上富集的負(fù)電磷脂PtdIns4P會(huì)招募原本處于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的NLRP3到dTGN上組裝成激活的炎性小體,這一發(fā)現(xiàn)從一個(gè)新的層面揭示了NLRP3炎性小體激活的機(jī)制。

NLRP3與結(jié)直腸腫瘤的關(guān)系及作用機(jī)制 NLRP3炎性小體在結(jié)直腸腫瘤發(fā)生發(fā)展中的研究主要集中于其在結(jié)腸炎相關(guān)腸癌中的作用機(jī)制。雖然炎癥通常被認(rèn)為是針對(duì)損傷因素和感染起保護(hù)作用的有益反應(yīng),但I(xiàn)BD等慢性腸道炎癥被認(rèn)為是結(jié)直腸癌發(fā)生的危險(xiǎn)因素[13]。當(dāng)使用氧化偶氮甲烷 (azoxymethane,AOM)/葡聚糖硫酸鈉(dextran sodium sulfate,DSS)結(jié)腸癌誘發(fā)模型時(shí),由于炎癥反應(yīng)升高和腸上皮屏障遭到破壞,Nlrp3_/_小鼠出現(xiàn)了不典型增生和腫瘤的形成。并且,在炎性小體成分ASC和caspase-1靶向缺失的小鼠中,研究者觀察到類似的結(jié)果,從而證實(shí)了NLRP3炎性小體在抵抗結(jié)腸炎相關(guān)腫瘤發(fā)生過程中起著關(guān)鍵作用[14-15]。進(jìn)一步對(duì)NLRP3炎性小體在結(jié)直腸腫瘤發(fā)生中的作用機(jī)制進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)在NLRP3和caspase-1缺陷的AOM/DSS結(jié)腸癌誘發(fā)小鼠模型中,腸道中的IL-18顯著降低,而使用重組IL-18可有效阻止腫瘤的發(fā)展[15]。此外,經(jīng)AOM/DSS處理的Il18_/_和Il18r1_/_小鼠相對(duì)野生型小鼠也更易發(fā)生腸息肉[16]。因此,NLRP3介導(dǎo)IL-18的分泌,可促進(jìn)腸上皮細(xì)胞分化、維持腸上皮完整性并在結(jié)腸炎緩解期減少腸上皮細(xì)胞的增殖,從而保護(hù)結(jié)腸炎免于向惡性轉(zhuǎn)化[17]。最近研究發(fā)現(xiàn)[18]:NLRP3炎性小體除了可以對(duì)抗腸炎相關(guān)腸癌的發(fā)生,其還可以發(fā)揮抑制結(jié)直腸癌遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的作用;caspase-1缺陷的小鼠更易發(fā)生腸癌肝轉(zhuǎn)移,并且正是由于NLRP3的缺失而造成。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),NLRP3炎性小體通過增強(qiáng)IL-18介導(dǎo)的NK細(xì)胞殺傷腫瘤細(xì)胞的功能,從而抑制肝臟中的腸癌轉(zhuǎn)移灶的生長(zhǎng)。

NLRP3與腸道菌群的關(guān)系 NLRP3炎性小體與腸道菌群的相關(guān)性也在炎性腸病和結(jié)直腸腫瘤中逐漸得到證實(shí)。Hirota等[19]的研究結(jié)果顯示,從Nlrp3_/_小鼠中分離的巨噬細(xì)胞對(duì)細(xì)菌胞壁成分?；谋憩F(xiàn)為無反應(yīng),中性粒細(xì)胞表現(xiàn)出趨化性降低和自發(fā)性細(xì)胞凋亡增加。 此外,Nlrp3_/_小鼠表現(xiàn)出結(jié)腸β-防御素表達(dá)的改變,抗微生物分泌物的減少和腸道獨(dú)特的菌群類型。而NLRP3炎性小體下游細(xì)胞因子IL-1β 和IL-18的缺失也被證實(shí)與這種對(duì)腸道病原菌的抵抗能力下降有關(guān)[20]。當(dāng)NLRP3炎性小體存在時(shí),其通過直接增強(qiáng)IL-1β的分泌來促進(jìn)局部抗微生物多肽的分泌,從而使腸道微生物群重塑;同時(shí)局部的T細(xì)胞也在維持腸道穩(wěn)態(tài),對(duì)抗其他有害的腸道炎癥中發(fā)揮著重要作用,表現(xiàn)出對(duì)結(jié)腸炎和結(jié)直腸腫瘤很強(qiáng)的抵抗能力[21]。但是,目前仍需要進(jìn)一步的研究工作來闡明腸道菌群與NLRP3炎性小體在腸道炎癥及結(jié)直腸癌中相互作用的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

NLRP3的促癌作用 在其他研究中,與報(bào)道的NLRP3具有抵抗結(jié)直腸腫瘤發(fā)生發(fā)展功能相反的是:DSS誘導(dǎo)性腸炎在Nlrp3_/_小鼠中卻表現(xiàn)出減弱,并且暴露于DSS時(shí)加用caspase-1抑制劑治療可改善結(jié)腸炎;這可能因?yàn)榇傺准?xì)胞因子IL-1β、NF-α和IFN-γ的局部減少[22]。NLRP3炎性小體的促癌功能也表現(xiàn)在:巨噬細(xì)胞通過NLRP3炎性小體與腫瘤細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞間相互作用而增強(qiáng)結(jié)直腸癌的侵襲和轉(zhuǎn)移能力,這可能為結(jié)直腸癌發(fā)生肝轉(zhuǎn)移的機(jī)制之一[23]。因此,NLRP3炎性小體在結(jié)直腸腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用仍存在一定爭(zhēng)議,需要進(jìn)一步研究來解釋其功能的多樣性。

NLRP6NLRP6與NLRP3同屬于NLR家族,具有相似的分子結(jié)構(gòu)。目前對(duì)于NLRP6炎性小體的研究集中于其在腸道上皮中的保護(hù)作用。與NLRP3相似的是,在AOM/DSS結(jié)腸癌誘發(fā)模型中,NLRP6缺失型小鼠結(jié)腸炎和結(jié)腸炎相關(guān)性腫瘤的易感性增加[24]。NLRP6可促進(jìn)caspase-1的激活,增加IL-18的產(chǎn)生,與NLRP3相似。而NLRP6及下游IL8會(huì)影響腸道微生物菌群組成結(jié)構(gòu),NLRP6基因表達(dá)缺失可導(dǎo)致腸道的炎癥普雷沃氏菌(Prevotellaceae)和 TM7細(xì)菌數(shù)量增加,加重結(jié)腸炎癥[25]。進(jìn)一步研究表明,NLRP6炎性小體不僅通過IL-18在上皮細(xì)胞中調(diào)節(jié)包括血管生成素-4,內(nèi)凝集素-1(intelectin-1)和抵抗素樣β分子在內(nèi)的抗菌肽(antimicrobial peptide,AMP)的轉(zhuǎn)錄[26],而且也間接下調(diào)了IL-22結(jié)合蛋白(IL-22BP)的表達(dá),使得IL-22升高以誘導(dǎo)上皮抗菌反應(yīng),從而調(diào)控結(jié)直腸腫瘤的發(fā)生。Muc2黏蛋白是NLRP6炎性小體發(fā)揮作用的另一效應(yīng)蛋白,是由杯狀細(xì)胞產(chǎn)生的大分子糖蛋白,其構(gòu)成了固有防御系統(tǒng)的第一道防線。Muc2缺失的小鼠會(huì)出現(xiàn)自發(fā)性結(jié)腸炎,且無法在黏膜表面阻止和清除黏附的病原體[27]。NLRP6炎性小體對(duì)Muc2的分泌起到關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用,其缺乏會(huì)導(dǎo)致杯狀細(xì)胞無法通過分泌黏液而將細(xì)菌排出[28],從而影響腸炎和腸炎相關(guān)性腫瘤的發(fā)生。

AIM2

AIM2的炎性小體途徑 黑色素瘤缺乏因子(absent in melanoma 2,AIM2)是一種細(xì)胞內(nèi)DNA感受器,能夠感受到DNA病毒或細(xì)菌感染時(shí)釋放到細(xì)胞質(zhì)的dsDNA,募集ASC后進(jìn)而激活caspase-l,促進(jìn)炎性細(xì)胞因子成熟與分泌,形成經(jīng)典的炎性小體反應(yīng)[29]。臨床研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)AIM2的表達(dá)與結(jié)直腸癌分級(jí)呈負(fù)相關(guān),其表達(dá)缺失與結(jié)直腸癌患者的預(yù)后不良( 生存時(shí)間短、復(fù)發(fā)率高、轉(zhuǎn)移率高) 密切相關(guān),可能成為指示患者預(yù)后的標(biāo)志物之一[30]。而關(guān)于AIM2在腫瘤中深入的機(jī)制探索,除了上述的炎性小體經(jīng)典反應(yīng)途徑,目前還有研究集中于不依賴炎性小體的方式。

AIM2非炎性小體依賴途徑 Wilson研究團(tuán)隊(duì)[31]觀察到Aim2基因缺陷AOM/DSS誘導(dǎo)結(jié)直腸癌小鼠模型中出現(xiàn)了比Asc缺陷小鼠更大的腫瘤負(fù)荷,Aim2_/_/ApcMin/+的腫瘤負(fù)荷也高于ApcMin/+小鼠。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)AIM2的作用不依賴于炎性小體激活和IL-1β,而是AIM2與DNA依賴性蛋白激酶(DNA-PK)相互作用并限制其活化。而AIM2的缺失會(huì)促進(jìn)DNA-PK介導(dǎo)的Akt過度活化,從而促進(jìn)細(xì)胞增殖和減少細(xì)胞凋亡,導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。此外,Man等[32]研究也發(fā)現(xiàn)Aim2缺陷型小鼠結(jié)腸腫瘤易感性增加,炎性小體相關(guān)細(xì)胞因子和其他炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生無顯著改變。他們指出,這種情況下腫瘤的發(fā)生是由于腸道干細(xì)胞發(fā)生了不可控增殖,異常Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在沒有AIM2的情況下增強(qiáng)了干細(xì)胞向腫瘤發(fā)育的能力[32]。此外,他們還發(fā)現(xiàn)Aim2缺陷型小鼠在與野生型小鼠合養(yǎng)發(fā)生腸道菌群互換后,合養(yǎng)的AIM2缺陷小鼠比分開飼養(yǎng)的AIM2缺陷小鼠在結(jié)腸腫瘤的發(fā)生率和數(shù)量上明顯下降。揭示了結(jié)直腸腫瘤發(fā)生可能受到宿主遺傳因素和腸道微生物群共同調(diào)控,AIM2表達(dá)和有益的腸道微生物群具有預(yù)防結(jié)直腸腫瘤的潛力。

NLRP1,NLRP12和NLRC4

NLRP1的抑制腫瘤作用 NLRP1炎性小體雖然在各類中首先被描述,但其在人結(jié)直腸腫瘤中的研究目前還不夠深入。在動(dòng)物模型中,Nlrp1b_/_小鼠與野生型小鼠相比,腸道炎癥加重,腫瘤易感性增加,IL-1β和IL-18 水平降低;而在恢復(fù)腸道中NLRP1表達(dá)后,小鼠腸道腫瘤的生長(zhǎng)得到抑制,生存期延長(zhǎng),表明腸道上皮細(xì)胞中 NLRP1可通過經(jīng)典途徑抑制腸道腫瘤形成[33-34]。

NLRP12與結(jié)直腸腫瘤 NLRP12可介導(dǎo)經(jīng)典炎性小體反應(yīng),產(chǎn)生IL-1β 和IL-18,但目前對(duì)于其在腸道炎癥及腫瘤中的研究集中于不依賴炎性小體的抗炎抑癌作用。在Nlrp12基因缺陷小鼠中,炎性細(xì)胞因子、趨化因子和致癌因子的產(chǎn)生增多,結(jié)腸炎癥和腫瘤易感性增加,這可能與NLRP12抑制巨噬細(xì)胞中的NF-κB和ERK活化的功能缺失相關(guān)[35]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),NLRP12通過與腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子3(TNF receptor-associated factor 3,TRAF3)和NF-κB 誘導(dǎo)激酶(NF-κB inducing kinase,NIK)的相互作用負(fù)性調(diào)控非經(jīng)典NF-κB信號(hào)通路,從而調(diào)控腸道炎癥和腫瘤的發(fā)生發(fā)展[36]。

NLRC4的腸道保護(hù)作用 NLRC4同樣在腸道中發(fā)揮著保護(hù)作用。NLRC4炎性小體在腸道的吞噬細(xì)胞中促進(jìn)成熟IL-1β產(chǎn)生,通過特異性反應(yīng)清除病原體,保護(hù)腸道[37]。其可通過下游caspase-1調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞修復(fù)損傷,預(yù)防結(jié)腸炎相關(guān)的腫瘤的形成[38]。

炎性小體與治療干預(yù)對(duì)炎性小體在腸道炎癥及腫瘤中作用和機(jī)制的研究為相關(guān)疾病提供了治療途徑。以往已經(jīng)出現(xiàn)針對(duì)炎性小體產(chǎn)物IL-1β和IL-18的藥物,如中和IL-1β的卡納單抗及IL-18結(jié)合蛋白用于治療炎癥相關(guān)疾病,而直接作用炎性小體的產(chǎn)生有可能獲得更好的治療效果。

NLRP3作為研究較為深入的類型,為治療途徑的首選靶標(biāo)。新型小分子特異性抑制劑,如MCC950和CY-09已被用于靶向抑制NLRP3激活,并在治療多種炎癥性疾病中發(fā)揮作用[39-40]。近期一項(xiàng)在小鼠模型中的研究使用MCC950治療IBD,在喂服3周后,疾病癥狀得到明顯改善[41]。與抑制caspase-1或阻斷IL-1β受體相比,使用另一NLRP3抑制劑INF39在減輕腸道炎癥性改變方面取得更好的效果,揭示了NLRP3抑制劑在腸道炎癥中的應(yīng)用價(jià)值[42]。另外一項(xiàng)關(guān)于穿心蓮內(nèi)酯(Andrographolide)的研究表明,其通過誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞中的線粒體自噬,可使NLRP3炎性小體失活,從而在小鼠模型中阻止結(jié)腸癌的發(fā)生[43]。相似的是,AMPK激活劑GL-V9通過觸發(fā)細(xì)胞中的自噬分解NLRP3炎性小體可以治療結(jié)腸炎并且預(yù)防結(jié)腸炎相關(guān)腫瘤的發(fā)生[44]。目前,各種藥物雖在動(dòng)物模型中取得一定成效,但距離臨床應(yīng)用還有距離。

結(jié)語我們將NLRP1、NLRP3、NLRC4、NLRP6、NLRP12和AIM2調(diào)控炎性腸病及結(jié)直腸腫瘤發(fā)生發(fā)展的途徑歸納如下:(1)通過形成的炎性小體改變IL-1β和IL-18等細(xì)胞因子分泌而直接影響細(xì)胞增殖與凋亡;(2)調(diào)節(jié)腸道菌群平衡;(3)影響非炎性小體依賴的信號(hào)通路。由此反映出各類炎性小體發(fā)揮作用的機(jī)制有相似之處,又有各自獨(dú)特的途徑,且同一種炎性小體在結(jié)直腸腫瘤中也存在著促進(jìn)和抑制腫瘤發(fā)生的不同表型。

此外,針對(duì)炎性小體的藥物雖在體外和動(dòng)物模型中正逐步得到開發(fā)應(yīng)用,但我們不禁思考如何開發(fā)出直接針對(duì)炎性小體成分的藥物用于結(jié)直腸腫瘤的預(yù)防和治療,而不是針對(duì)IL-1β等效應(yīng)分子;針對(duì)炎性小體這一固有免疫系統(tǒng)成分的干預(yù),是否會(huì)影響到適應(yīng)性免疫反應(yīng)？因?yàn)檠装Y的發(fā)生本身就具有兩面性,如何平衡藥物對(duì)炎性小體抑制后對(duì)人體的利與弊？隨著對(duì)炎性小體在包括結(jié)直腸腫瘤在內(nèi)的各類疾病中的不斷深入研究,期望能開發(fā)出可被臨床應(yīng)用的相關(guān)新藥和治療方法。