靶向NLRP3炎癥小體在阿爾茨海默病治療中的新策略

師 強(qiáng)，鄭瑩瑩，楊彥玲

(1.延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院，陜西 延安 716000；2.延安大學(xué)附屬醫(yī)院，陜西 延安 716000)

炎癥反應(yīng)是機(jī)體對(duì)外界有害刺激做出的一種反應(yīng)，使機(jī)體能更好的對(duì)抗病原體、清除有害蛋白質(zhì)等。適度的反應(yīng)對(duì)機(jī)體有利，而過(guò)度放大的炎癥反應(yīng)則對(duì)機(jī)體有害，可造成機(jī)體自身正常的組織或細(xì)胞損傷。

人體具有通過(guò)適應(yīng)性免疫系統(tǒng)和固有免疫系統(tǒng)抵抗病原體對(duì)人體攻擊的能力,免疫系統(tǒng)激活的標(biāo)志之一就是炎癥。固有免疫系統(tǒng)在感知病原體的入侵和內(nèi)源性損傷信號(hào)中起著至關(guān)重要的作用。小膠質(zhì)細(xì)胞作為一種遍布大腦的固有免疫細(xì)胞,當(dāng)大腦中出現(xiàn)對(duì)機(jī)體不利的刺激時(shí),可迅速對(duì)有害刺激做出反應(yīng),保護(hù)大腦神經(jīng)元免受損害。小膠質(zhì)細(xì)胞胞膜或胞質(zhì)內(nèi)表達(dá)多種模式識(shí)別受體(pattern recognition receptor,PRR),包括Toll樣受體(TLR)、NOD樣受體(NLR)等。當(dāng)固有免疫系統(tǒng)的PRR識(shí)別到周?chē)h(huán)境中的病理相關(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)信號(hào)刺激后,可觸發(fā)下游級(jí)聯(lián)信號(hào)通路的活化,導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子的成熟與釋放[1]。其中有部分促炎細(xì)胞因子以其前體形式存在,需要使其成熟才能發(fā)揮作用,而炎癥小體可起到這種關(guān)鍵作用。通過(guò)特異性切割促炎細(xì)胞因子前體,使其成為活化態(tài)促炎因子,成熟并分泌到細(xì)胞外,導(dǎo)致炎癥在大腦中廣泛擴(kuò)散。

1 NLRP3炎癥小體

NLRP3炎癥小體是目前研究較多、較為深入的一種炎癥小體。NLRP3炎癥小體的核心部分是NOD樣受體家族NLRP3蛋白，其作為感受器蛋白，包含一個(gè)氨基末端的Pyrin結(jié)構(gòu)域(PYD)、中央NACHT結(jié)構(gòu)域和一個(gè)羧基末端的亮氨酸富集重復(fù)結(jié)構(gòu)域(LRRD)。NACHT結(jié)構(gòu)域具有ATPase活性，這對(duì)于NLRP3的寡聚至關(guān)重要，而LRR結(jié)構(gòu)域被認(rèn)為可以通過(guò)折疊回NACHT結(jié)構(gòu)域來(lái)誘導(dǎo)自身抑制作用[2]。當(dāng)NLRP3感受到PAMP或DAMP危險(xiǎn)信號(hào)刺激時(shí)，NLRP3通過(guò)NACHT域之間的同型相互作用進(jìn)行寡聚。而ASC具有兩個(gè)蛋白質(zhì)相互作用域：一個(gè)氨基末端PYD和一個(gè)羧基末端caspase募集結(jié)構(gòu)域(CARD)。寡聚后的NLRP3氨基末端PYD與ASC氨基末端PYD相互作用，形成“ASC”斑點(diǎn)”[3]。ASC再通過(guò)其CARD結(jié)構(gòu)域與pro-caspase-1的CARD相互連接，組裝形成NLRP3炎癥小體，其通過(guò)自身催化作用，將pro-caspase-1切割成活化態(tài)的caspase-1，然后特異性裂解pro-IL-1β、pro-IL-18，使其成為活化的IL-1β、IL-18，發(fā)揮促炎作用。

目前認(rèn)為NLRP3炎性小體的活化需要兩個(gè)步驟:啟動(dòng)(priming)和激活(activation)[4]。啟動(dòng)步驟(信號(hào)l)由可誘導(dǎo)NF-κB活化的炎癥刺激所引起(例如TLR4激動(dòng)劑)，通過(guò)活化NK-κB，上調(diào)NLRP3和IL-1β、IL-18基因的轉(zhuǎn)錄，使NLRP3蛋白和pro-IL-1β、pro-IL-18蛋白生成增多；激活步驟(信號(hào)2)由PAMP和DAMP所觸發(fā)(例如尿酸鹽結(jié)晶、鋁鹽、ATP、Aβ、K+外流等)，使NLRP3炎癥小體完成組裝步驟，然后通過(guò)自體催化、切割pro-caspase-1，生成活化的caspase-1，從而可介導(dǎo)IL-1β和IL-18的成熟、釋放[5]。同時(shí)，caspase-1活化，可以特異性地將焦亡(pyroptosis)的執(zhí)行者—gasderminD蛋白切割成氨基端結(jié)構(gòu)域和羧基端結(jié)構(gòu)域兩部分[6]，氨基端結(jié)構(gòu)域主要起抑制gasderminD分子活性的作用，切割后的氨基端結(jié)構(gòu)域插入細(xì)胞膜上，并與其他gasderminD片段發(fā)生寡聚，在細(xì)胞膜上形成10～20 nm的微孔[7]，使細(xì)胞內(nèi)的促炎性細(xì)胞因子及其他蛋白質(zhì)等物質(zhì)釋放出來(lái)，進(jìn)一步使炎癥擴(kuò)大，并導(dǎo)致細(xì)胞腫脹、裂解，使細(xì)胞死亡[8]。焦亡的發(fā)生依賴(lài)于caspase-1的活化，而caspase-1的活化依賴(lài)于炎癥小體的形成。

到目前為止，已發(fā)現(xiàn)許多因素可引起NLRP3炎癥小體激活。但是，確切的機(jī)制尚不清楚。NLRP3炎癥小體啟動(dòng)的潛在機(jī)制包括活性氧(ROS)產(chǎn)生和線粒體功能障礙、線粒體DNA氧化釋放、溶酶體損傷后釋放的組織蛋白酶B、K+外排、細(xì)胞外Ca2+穩(wěn)態(tài)的變化等。此外，據(jù)報(bào)道，NIMA相關(guān)激酶7(NEK7)與NLRP3的LRR結(jié)構(gòu)域結(jié)合，從而導(dǎo)致其活化和寡聚化[9]。此外，研究表明，翻譯后修飾參與了NLRP3活化[10]。盡管如此，在啟動(dòng)階段的泛素化和翻譯后修飾已經(jīng)證實(shí)可導(dǎo)致NLRP3炎癥小體失活[11]，而去磷酸化和去泛素化則使其活化[9]。而且，最近的研究揭示了微小RNA在NLRP3炎癥小體調(diào)控中的功能。例如，髓樣來(lái)源的miR-223通過(guò)抑制NLRP3炎癥小體來(lái)控制腸道炎癥[12]。miR-33還被證明可以調(diào)節(jié)類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎中巨噬細(xì)胞內(nèi)的NLRP3炎癥小體[13]。

2 NLRP3炎癥小體與AD

NLRP3炎癥小體在阿爾茨海默病(Alzheimer′sdisease，AD)中發(fā)揮了重要的作用，可加快疾病病程的進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，在患有AD的患者腦組織尸檢中發(fā)現(xiàn)了多種促炎性細(xì)胞因子的表達(dá)。此外，它們?cè)谀X脊液中的高表達(dá)已被證實(shí)[14]。有證據(jù)表明，Aβ可作為DAMP在小膠質(zhì)細(xì)胞中引發(fā)NLRP3炎癥小體相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生并因此引起炎癥[15]。盡管健康的大腦中存在正常水平的IL-1β，但其過(guò)量產(chǎn)生可能會(huì)引起炎癥和相關(guān)的病理改變[16]。在動(dòng)物模型和AD患者中，Aβ斑塊附近的小膠質(zhì)細(xì)胞中IL-1β過(guò)度表達(dá)[17]。CNS中的小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬Aβ斑塊，并進(jìn)一步分泌趨化和促炎性細(xì)胞因子，從而使Aβ的神經(jīng)毒性作用加劇。并且吞噬Aβ的小膠質(zhì)細(xì)胞溶酶體失穩(wěn)和胞質(zhì)內(nèi)組織蛋白酶B的生成，這可能是活化NLRP3的內(nèi)源性信號(hào)。Ising C，等[18]人的研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎癥功能缺失后，通過(guò)調(diào)節(jié)Tau蛋白激酶和磷酸酶的方式，減少Tau蛋白的過(guò)度磷酸化和聚集。而通過(guò)腦內(nèi)注射含有Aβ原纖維的勻漿誘導(dǎo)了Tau蛋白的病理變化，其過(guò)程依賴(lài)于NLRP3的激活。確定了NLRP3炎癥小體的激活在Tau蛋白病理改變中的重要作用，同時(shí)也支持了AD中淀粉樣蛋白級(jí)聯(lián)假說(shuō)。在CRND8APP轉(zhuǎn)基因小鼠(TgCRND8)的腦內(nèi)發(fā)現(xiàn)，與非轉(zhuǎn)基因同窩小鼠對(duì)照相比，NLRP3炎性小體的形成和激活增加。使用NLRP3炎癥小體抑制劑JC-124治療后，CRND8APP轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)Aβ沉積水平降低，可溶性和不溶性Aβ1-42水平降低，且淀粉樣前體蛋白(APP)的β切割減少，小膠質(zhì)細(xì)胞的激活減少，氧化應(yīng)激降低，突觸素增加，表明通過(guò)抑制NLRP3炎癥小體的激活具有神經(jīng)保護(hù)作用，更進(jìn)一步支持了NLRP3炎癥小體在AD發(fā)病機(jī)制中的重要作用[19]。通過(guò)調(diào)節(jié)NLRP3炎癥小體的激活，阻止了小膠質(zhì)細(xì)胞中促炎細(xì)胞因子的釋放，并減少了Tau蛋白的過(guò)度磷酸化和淀粉樣病變，并且保護(hù)了SH-SY5Y細(xì)胞免受小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)毒性。在AD動(dòng)物模型中通過(guò)下調(diào)NF-κB/IL-1β/NLRP3信號(hào)通路，顯著改善了海馬和皮層的組織病理學(xué)改變，并具有改善AD動(dòng)物模型的認(rèn)知功能[20]。

3 靶向NLRP3炎癥小體通路的治療策略

近年來(lái)，對(duì)NLRP3活性的調(diào)節(jié)已成為研究的重點(diǎn)，利用對(duì)NLRP3炎癥小體激活的分子機(jī)制的了解來(lái)識(shí)別有效的NLRP3抑制劑或抑制途徑，并評(píng)估其治療潛力。迄今為止已報(bào)道了許多NLRP3炎癥小體抑制劑，包括那些直接抑制NLRP3蛋白或間接抑制炎癥小體成分或相關(guān)信號(hào)事件的抑制劑。最近的證據(jù)表明IL-1β、組織蛋白酶B、P2X7受體和caspase-1是新的NLRP3調(diào)節(jié)因子，并且可用藥物進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.1 以IL-1為靶標(biāo)的治療

目前針對(duì)IL-1為靶標(biāo)的生物制劑正被用于NLRP3炎癥小體相關(guān)疾病的治療，包括IL-1β中和抗體canakinumab；IL-1受體拮抗劑anakinra；然而，這些蛋白質(zhì)并不具有完美的藥代動(dòng)力學(xué)特性，不太可能輕易跨越血腦屏障，從而限制了它們?cè)贏D等神經(jīng)炎癥相關(guān)疾病中的應(yīng)用。且靶向IL-1還有一個(gè)缺點(diǎn)，即對(duì)caspase-1依賴(lài)的焦亡沒(méi)有影響，因此，小膠質(zhì)細(xì)胞的死亡并沒(méi)有停止。

3.2 以NLRP3炎癥小體為靶標(biāo)的治療

與直接阻斷細(xì)胞因子相比，靶向NLRP3的小分子抑制劑治療炎癥小體相關(guān)疾病更具優(yōu)勢(shì)。最近，有研究者進(jìn)一步還發(fā)現(xiàn)用MCC950抑制NLRP3炎癥小體后，促進(jìn)了APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠中Aβ的清除，并有助于小鼠認(rèn)知功能的改善。研究者還證明了激活炎癥小體將有助于淀粉樣蛋白的積累和APP/PS1小鼠神經(jīng)元功能的惡化，并證明阻斷炎癥小體的組裝可能是減輕神經(jīng)元功能損害潛在的方向[21]。最近，研究還表明，長(zhǎng)期腦內(nèi)應(yīng)用MCC950可以抑制Tau病理改變[22]。且實(shí)驗(yàn)證實(shí)，MCC950表現(xiàn)出對(duì)各種臨床前免疫病理模型的治療作用，包括AD、創(chuàng)傷性腦損傷、動(dòng)脈粥樣硬化、脂肪性肝炎、心肌梗死、心律失常、糖尿病和結(jié)腸炎。盡管這些研究提供了針對(duì)NLRP3的令人信服的證據(jù)，但由于其肝毒性[23]，MCC950治療類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的II期臨床試驗(yàn)已被暫停。

4 可抑制NLRP3炎癥小體通路的活性成分

在藥物開(kāi)發(fā)中，許多植物天然產(chǎn)物(從天然來(lái)源中分離出的單一化合物)或植物提取物(包含各種代謝產(chǎn)物)已顯示出抗神經(jīng)炎癥的活性。當(dāng)前用于治療神經(jīng)退行性疾病的一些化合物就是來(lái)源于天然產(chǎn)物，例如從蠶豆的幼苗中分離出來(lái)的左旋多巴，目前在臨床上廣泛應(yīng)用于帕金森病治療。同樣，用于治療AD的氫溴酸加蘭他敏是一種來(lái)自加蘭胡斯屬植物的天然產(chǎn)物。來(lái)自植物和草藥的天然產(chǎn)物已被廣泛用作飲食和膳食補(bǔ)充劑。這些可作為日常飲食的天然藥物已被發(fā)現(xiàn)具有抗炎、抗氧化、改善認(rèn)知功能等多種細(xì)胞保護(hù)作用。

一些體外和體內(nèi)臨床前研究闡明了靶向AD中炎癥小體激活的潛在分子。例如，在體外實(shí)驗(yàn)中，天然化合物紫檀通過(guò)抑制NLRP3/caspase-1炎性途徑減弱由Aβ1-42誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞神經(jīng)炎癥[24]。此外，蘿卜硫烷是一種十字花科蔬菜的異硫氰酸酯活性成分，是從花椰菜種子和芽中獲得的，它可抑制組織蛋白酶B活化的NLRP3炎癥小體，對(duì)通過(guò)使用Aβ1-42單體誘導(dǎo)的人小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮改善神經(jīng)炎癥作用，降低了IL-1β的分泌[25]。先前的研究還發(fā)現(xiàn)蝦青素(AST)及其合成的二十二碳六烯酸-酸化的AST二酯(AST-DHA)可通過(guò)減少APP/PS1小鼠的病理特征中炎癥小體表達(dá)來(lái)減輕認(rèn)知障礙[26]。近年來(lái)，采用AD小鼠模型研究了淫羊藿提取物對(duì)大鼠的神經(jīng)保護(hù)作用，特別是對(duì)雙側(cè)海馬立體定向注射Aβ1-42的大鼠。結(jié)果表明，淫羊藿通過(guò)抑制NF-κB/MAPK途徑對(duì)NLRP3炎癥小體具有保護(hù)作用[27]。此外，中藥腦靈煎劑通過(guò)抑制AD大鼠神經(jīng)炎癥恢復(fù)認(rèn)知功能，包括抑制NF-κB信號(hào)通路和ASC依賴(lài)性炎癥小體[28]。

5 結(jié)論與展望

越來(lái)越多的證據(jù)支持NLRP3炎癥小體激活在AD的病理機(jī)制及病程進(jìn)展中的重要作用，因此開(kāi)發(fā)有效且選擇性的NLRP3調(diào)節(jié)劑對(duì)AD是有治療價(jià)值的。隨著人口老齡化而受炎癥小體相關(guān)疾病影響的個(gè)體數(shù)量增加，對(duì)NLRP3特異性療法的需求可能會(huì)更大。我們對(duì)NLRP3激活的理解仍需不斷完善，進(jìn)一步揭示NLRP3炎癥小體組裝背后的分子原理，以及有效抑制NLRP3信號(hào)通路的藥物的開(kāi)發(fā)，將為包括AD在內(nèi)的一系列疾病提供幫助。