NLRP3 炎性小體的激活及其與心血管疾病的關(guān)系

李歆涵 廉姜芳 周建慶

《中國心血管病報(bào)告2018》指出，我國心血管疾病患病率及死亡率仍處于上升階段，心血管疾病死亡率居首位，高于腫瘤及其他疾病，占居民疾病死亡構(gòu)成的40%以上[1]?？梢姡袊难芗膊∝?fù)擔(dān)日漸加重，已成為重大的公共衛(wèi)生問題，因此防治心血管疾病刻不容緩[1]。核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）是核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體家族的一種，其特點(diǎn)是能被數(shù)量繁多且來源、結(jié)構(gòu)性質(zhì)、化學(xué)組成無關(guān)聯(lián)的激動劑激活[2]，由于其廣泛的作用，NLRP3 炎性小體及其上下游通路被認(rèn)為是治療多種心血管疾病的靶點(diǎn)。近年來，以炎性小體為靶點(diǎn)治療心血管疾病的研究是研究熱點(diǎn)。2017 年進(jìn)行的CANTOS 試驗(yàn)結(jié)果顯示，卡納單抗[白細(xì)胞介素 -1β（interleukin 1β，IL-1β）單克隆抗體，IL-1β 為NLRP3 炎性小體激活的下游通路]可使患者心肌梗死后心血管事件的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)在標(biāo)準(zhǔn)藥物治療基礎(chǔ)上再降低約15%[3]。2019 年COLCOT 試驗(yàn)也驗(yàn)證了動脈粥樣硬化的炎癥假說，結(jié)果顯示與安慰劑組相比，0.5 mg 秋水仙堿治療組可明顯降低近期心肌梗死患者首次及總?cè)毖孕难苁录陌l(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，秋水仙堿的抗炎作用部分源于它能夠抑制NLRP3 炎性小體的激活[4]。這些臨床試驗(yàn)表明，抑制炎癥反應(yīng)是心血管事件高?；颊叨夘A(yù)防的關(guān)鍵治療策略[4]。NLRP3 炎性小體已被證實(shí)在一些心血管疾病中起關(guān)鍵作用，如動脈粥樣硬化、高血壓、心肌缺血再灌注、動脈瘤或動脈炎的血管損傷、糖尿病心肌病、慢性心力衰竭等[5]。因此，本文就NLRP3 炎性小體的激活及其與心血管疾病的關(guān)系作一綜述。

1 心臟中NLRP3 炎性小體的結(jié)構(gòu)和激活

炎性小體復(fù)合物通常由3 個部分組成：由病原相關(guān)分子模式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）或損傷相關(guān)分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）觸發(fā)的傳感器受體——NLRP3 受體蛋白、促進(jìn)炎癥反應(yīng)的銜接子ASC、引發(fā)炎癥級聯(lián)的效應(yīng)子含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶 1（caspase-1）[5]。通常，NLRP3 受體蛋白不足以有效地形成炎性體而保持非激活的泛素化狀態(tài)[6]。

NLRP3 炎性小體的激活需要兩步。第一步，胞膜上的 Toll 樣受體（toll-like receptor，TLR）接受刺激后激活 TLR4/MyD88、TRIF/ 核因子 κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB） 信號通路，由 NF-κB 介導(dǎo)NLRP3 受體蛋白及下游促炎因子如pro-IL-1β 的轉(zhuǎn)錄上調(diào)。第二步，由NLRP3 受體蛋白介導(dǎo)NLRP3炎性小體的組裝[7]。當(dāng)NLRP3 受體蛋白檢測到PAMP或DAMP 時，NLRP3 受體蛋白中的吡啶結(jié)構(gòu)域與ASC 中的吡啶結(jié)構(gòu)域結(jié)合。接著，ASC 通過CARDCARD 相互作用與pro-caspase-1 結(jié)合。隨后，pro-caspase-1 活化為caspase-1，繼而誘導(dǎo)下游促炎因子 IL-1β、IL-18 成熟和分泌。同時，caspase-1 裂解gasdermin D 蛋白（GSDMD）為 GSDMD-NT 結(jié)構(gòu)域（p30）和 GSDMD C 末端結(jié)構(gòu)域（p20）[8]；GSDMD-NT與細(xì)胞膜上的磷脂酰肌醇結(jié)合，誘導(dǎo)膜孔形成并釋放內(nèi)容物，這種依賴caspase-1 的GSDMD 裂解被定義為典型的細(xì)胞焦亡[9]。細(xì)胞焦亡是一種細(xì)胞炎性凋亡，它的減少和增加均可導(dǎo)致組織損傷。目前，可以在單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等許多其他細(xì)胞類型中觀察到細(xì)胞焦亡[10]。給予適當(dāng)刺激，心臟中的每種細(xì)胞類型都可能觸發(fā)NLRP3 炎性小體，但激活該炎性小體所需的刺激及活化后的作用有所不同[11]。

目前，心臟中NLRP3 炎性小體的具體激活機(jī)制主要有4 種——溶酶體破裂和組織蛋白酶B（cathepsin B，CSTB）釋放假說、離子流假說、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激假說、活性氧（reactive oxygen species，ROS）和線粒體假說。（1）溶酶體破裂和CSTB 假說。一些晶體或顆粒物質(zhì)（如草酸鈣晶體）被吞噬后會導(dǎo)致溶酶體破裂，釋放CSTB 及其修飾的蛋白質(zhì)，激活NLRP3 炎性小體[12]。（2）離子流假說[13]。K+外流是NLRP3 炎性小體激活上游的常見機(jī)制[13]。Di 等[14]發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞中，K+通道蛋白TWIK2 是K+外流和NLRP3 炎性小體激活的中介物。ATP 刺激細(xì)胞后，細(xì)胞膜上的配體門控離子通道P2X7 受體促進(jìn)Ca2+及Na+內(nèi)流并弱化介導(dǎo)K+內(nèi)流的TWIK2，觸發(fā)K+外流，誘導(dǎo)細(xì)胞膜半通道蛋白pannexin-1 募集，形成大的膜孔，激動劑由此穿過細(xì)胞膜直接激活NLRP3 炎性小體[15]。Green 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，K+外流促進(jìn)NLRP3 炎性小體活化，Cl-外流促進(jìn)ASC 聚集，而Ca2+在NLRP3 炎性小體激活中的作用存在爭議[13]。（3）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激假說。近年來，許多研究表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在各種心血管疾病的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用。Chen 等[17]總結(jié)了 p38 MAPK、JNK、XBP1、CHOP、TXNIP、mTORC1、NF-κB 是將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與 NLRP3炎性小體的激活聯(lián)系起來的重要分子節(jié)點(diǎn)。（4）ROS和線粒體假說。大多數(shù)激活劑通過誘導(dǎo)ROS 產(chǎn)生激活NLRP3 炎性小體[18]。硫氧還蛋白相互作用蛋白TXNIP 是氧化應(yīng)激與炎癥的重要連接點(diǎn)，ROS/TXNIP/NLRP3 通路已被廣泛認(rèn)可。高ROS 水平誘導(dǎo) TXNIP 從硫氧還蛋白（thioredoxin，TRX）上解離[19]，TXNIP 通過絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶NEK7 間接激活 NLRP3 炎性小體[20]。Sharif 等[2]也證實(shí)了 NLRP3炎性小體激活中NEK7 許可的必要性。此外，ROS主要在線粒體產(chǎn)生，線粒體功能異常引起的mtROS和mtDNA 上調(diào)參與NLRP3 炎性小體的激活[21]。線粒體外膜蛋白NIX 介導(dǎo)的線粒體自噬可通過減少ROS 的產(chǎn)生、抑制NLRP3 炎性小體的激活來抑制巨噬細(xì)胞的焦亡[22]。以上假說在功能上互相交叉，共同促進(jìn)心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展。

2 NLRP3 炎性小體的激活與心血管疾病的關(guān)系

2.1 NLRP3 炎性小體的激活與動脈粥樣硬化的關(guān)系 在冠心病早期，高膽固醇血癥和氧化修飾的低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，ox-LDL）是斑塊形成的關(guān)鍵危險(xiǎn)因素[23]。血管內(nèi)皮細(xì)胞是血液和血管壁之間的屏障，血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷被認(rèn)為是動脈粥樣硬化病變的起點(diǎn)。當(dāng)血液脂質(zhì)或炎癥介質(zhì)（如DAMP）升高，NLRP3 炎性小體途徑被激活，焦亡相關(guān)蛋白 NLRP3、caspase-1、IL-1β 等水平上調(diào)，最終觸發(fā)血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致內(nèi)皮完整性喪失[24]。低密度脂蛋白（low density lipoprotein，LDL）促進(jìn)膽固醇晶體沉積在血管壁，巨噬細(xì)胞吞噬后破壞溶酶體，釋放ROS，ROS 誘導(dǎo)LDL 受體1 活化并將LDL 氧化成ox-LDL[25-26]。與膽固醇、LDL 相比，結(jié)晶膽固醇和ox-LDL 具有更強(qiáng)的激活炎性體效果[23]。在吞噬氧化、乙?；?、糖基化或其他修飾的膽固醇后，巨噬細(xì)胞失去了遷移能力，以泡沫細(xì)胞的形式留在原位，成為斑塊核心的基礎(chǔ)[27]。位于細(xì)胞膜的TLR4 識別ox-LDL 和膽固醇結(jié)晶，通過TLR4/MyD88/NF-κB 信號通路來上調(diào) NF-κB 的表達(dá)。NF-κB 促進(jìn)細(xì)胞內(nèi) IL-1β、IL-18 前體的轉(zhuǎn)錄[28]。然后ROS/TXNIP/NLRP3 通路激活，接下來的連續(xù)過程是 NLRP3 炎性小體組裝、casepase-1 活化、IL-lβ和IL-18 前體成熟、膜孔形成誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡。促炎因子IL-1β、IL-18 誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞的浸潤和活化，并促進(jìn)細(xì)胞外纖維素、膽固醇的積累及磷酸鈣結(jié)晶沉積，被吞噬后進(jìn)一步破壞巨噬細(xì)胞的溶酶體，形成正反饋，加重組織損傷[29]。NLRP3 炎性小體的激活促進(jìn)平滑肌細(xì)胞、巨噬細(xì)胞的遷移能力并增加巨噬細(xì)胞中溶酶體中脂質(zhì)的沉積[30]。IL-18 還可誘發(fā)血管平滑肌細(xì)胞及巨噬細(xì)胞壞死，釋放基質(zhì)金屬蛋白酶，降低斑塊的穩(wěn)定性[31]，導(dǎo)致血管栓塞和組織梗死。Vogel 等[32]研究驗(yàn)證了血小板可能是各種損傷相關(guān)分子模式DAMP 分子的潛在靶標(biāo)，血小板上TLR4/NLRP3 的激活是血小板聚集和血栓形成的關(guān)鍵。

綜上所述，動脈粥樣硬化中內(nèi)皮功能障礙、LDL積累和氧化、單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的募集、平滑肌細(xì)胞的遷移和增殖、促炎因子的激活、血小板的黏附等過程均有NLRP3 炎性小體參與[24]。在動脈粥樣硬化斑塊中也觀察到了NLRP3 炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，且與斑塊破裂和血管炎癥呈正相關(guān)[24]。由此可見，NLRP3 炎性小體的激活在動脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展中起了關(guān)鍵作用。在最新的報(bào)道中，Tian 等[33]證實(shí)了新發(fā)現(xiàn)的抗炎因子IL-36 受體拮抗劑（IL-36RN）可通過IL-36RN/NLRP3 炎性體途徑發(fā)揮抗動脈粥樣硬化的作用。目前，NLRP3 炎性小體激活相關(guān)的分子機(jī)制正不斷被擴(kuò)展研究。

2.2 NLRP3 炎性小體的激活與心肌缺血再灌注的關(guān)系 眾所周知，心肌梗死后炎癥反應(yīng)可包裹壞死組織，并形成瘢痕。然而，過強(qiáng)或過弱的炎癥反應(yīng)會影響瘢痕的形成，增加心臟破裂風(fēng)險(xiǎn)[34]。再灌注挽救梗死心肌邊界區(qū)域時發(fā)生的炎癥反應(yīng)可損傷這部分心肌，即缺血再灌注損傷[34]。有證據(jù)表明，心肌缺血再灌注損傷觸發(fā)的無菌炎癥反應(yīng)是通過NLRP3炎性小體介導(dǎo)的[35]。

在急性心肌梗死動物模型中，NLRP3 炎性小體3～24 h 內(nèi)在心肌中形成，且加劇缺血再灌注損傷；在再灌注和未再灌注的急性心肌梗死小鼠中，炎性小體的表達(dá)分別在第1 天和第3 天達(dá)到峰值[36]。然而，心肌缺血再灌注誘導(dǎo)炎癥的機(jī)制不明。Kawaguchi等[37]發(fā)現(xiàn)心臟成纖維細(xì)胞中NLRP3 炎性小體的激活在心肌缺血再灌注損傷后的初始炎癥反應(yīng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。Xu 等[38]發(fā)現(xiàn)TRAF5 基因的表達(dá)在缺血再灌注損傷小鼠的心臟組織和心肌細(xì)胞中明顯上調(diào)，而TRAF5 基因敲除小鼠心臟受損較重，同時還發(fā)現(xiàn)TRAF5 通過抑制NF-κB 抑制炎癥反應(yīng)，可能成為心肌缺血再灌注損傷的新治療靶標(biāo)。值得注意的是，去乙酰化酶SIRT1 被激動劑激活后，通過Akt-PDH 信號通路抑制了ROS 介導(dǎo)的NLRP3炎性小體激活，并改善了缺血再灌注損傷期間的心肌細(xì)胞焦亡，提示SIRT1 信號傳導(dǎo)是治療心肌缺血再灌注損傷的潛在機(jī)制[39]。亦有研究表明，高度選擇性caspase-1 抑制劑VX-785 通過PI3K/Akt 通路保護(hù)離體的灌注大鼠心臟，減少心肌梗死面積[40]。這些結(jié)果表明，NLRP3 炎性小體的激活及其介導(dǎo)的焦亡是心肌缺血再灌注損傷新的潛在治療靶點(diǎn)，建議進(jìn)一步研究NLRP3 炎性小體在心肌缺血再灌注中的作用。

2.3 NLRP3 炎性小體的激活與高血壓的關(guān)系 高血壓是一種多因素引起的慢性心血管疾病，越來越多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將炎癥視為高血壓發(fā)生、發(fā)展的基本過程。適應(yīng)性和先天免疫系統(tǒng)都參與了高血壓的發(fā)生、發(fā)展[41]。血管平滑肌細(xì)胞的遷移在高血壓的病理及生理機(jī)制中具有重要作用[42]。Han 等[42]發(fā)現(xiàn)姜黃素通過抑制自發(fā)性高血壓大鼠血管平滑肌細(xì)胞中NF-κB 介導(dǎo)的NLRP3 表達(dá)，從而抑制血管平滑肌細(xì)胞遷移。Sun 等[41]研究發(fā)現(xiàn)，在自發(fā)性高血壓大鼠主動脈的平滑肌細(xì)胞中觀察到NF-κB 上調(diào)、NLRP3炎性小體激活及組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶表達(dá)增加，同時發(fā)現(xiàn)沉默NLRP3 基因可改善自發(fā)性高血壓大鼠主動脈的血管重塑和表型轉(zhuǎn)換，減緩高血壓疾病進(jìn)展。提示NLRP3 炎性小體是高血壓患者血管平滑肌細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化和增殖的關(guān)鍵正調(diào)控因子。此外，腎素血管緊張素系統(tǒng)的激活與高血壓的發(fā)生密切相關(guān)，證據(jù)表明NLRP3 炎性小體的激活在其中起關(guān)鍵作用。Hu 等[43]發(fā)現(xiàn)在應(yīng)激性高血壓大鼠模型中，外部環(huán)境壓力上調(diào)了延髓腹外側(cè)區(qū)頭端腎素原、腎素原受體的表達(dá)，繼而增加ROS 的產(chǎn)生，并在原代培養(yǎng)的小膠質(zhì)細(xì)胞中觸發(fā)了小膠質(zhì)M1 表型轉(zhuǎn)換和NLRP3 炎性小體激活，繼而下游促炎因子釋放，導(dǎo)致腎交感神經(jīng)活動增強(qiáng)及血壓升高。MCC950（一種特異性NLRP3 炎性小體抑制劑）可有效降低高血壓大鼠的血壓，減輕其腎臟炎癥、纖維化和功能障礙[44]。研究發(fā)現(xiàn)，血管緊張素Ⅱ增強(qiáng)了溶酶體膜通透性，隨后釋放CSTB，通過上述的溶酶體破裂和組織蛋白酶B 釋放假說激活NLRP3 炎性小體[45]。Zhang等[46]發(fā)現(xiàn)通過抑制鈣敏感受體，可抑制血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞中NLRP3 炎性小體及血管平滑肌細(xì)胞膠原合成[44]。以上結(jié)果提示高血壓高度相關(guān)的腎素血管緊張素系統(tǒng)與NLRP3 炎性小體之間有一定的關(guān)系，為抑制NLRP3 炎性小體抗高血壓提供了支持。

3 小結(jié)和展望

大量體內(nèi)和體外研究證實(shí)，NLRP3 炎性小體的激活參與了多種心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，而抑制NLRP3 炎性小體的激活可減緩心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展，但具體機(jī)制仍有待深入研究。臨床COLCOT 試驗(yàn)和CANTOS 試驗(yàn)顯示出靶向NLRP3炎性小體的激活治療心血管疾病具有一定的安全性和有效性，但全身性靶向抑制NLRP3 炎性小體可能產(chǎn)生干擾免疫穩(wěn)態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，提高NLRP3 炎性小體抑制劑治療的有效性和安全性，可能是未來的研究重點(diǎn)。