炎癥小體NLRP3在腫瘤中的作用*

阮 萍

廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬瑞康醫(yī)院病理科，廣西南寧市 530011

炎癥與癌癥的相關(guān)性最早是在19世紀(jì)由Rudolf Virchow發(fā)現(xiàn)的，他觀察到白細(xì)胞在腫瘤組織中的浸潤，并提出癌癥可能發(fā)生于慢性炎癥部位[1]。慢性炎癥在腫瘤發(fā)展的各個(gè)階段都起著重要作用，包括發(fā)生、生長、侵襲和轉(zhuǎn)移。炎癥微環(huán)境在腫瘤發(fā)生中已被確認(rèn)[2]。因此，對炎癥和癌癥的分子研究為癌癥的治療方法提供了新的曙光。

炎癥是固有免疫中的宿主防御反應(yīng)之一。參與固有免疫的細(xì)胞可以通過模式識(shí)別受體(Pattern recognition receptor，PRR)識(shí)別微生物間共有的病原相關(guān)分子模式(Pathogen associated molecular patterns，PAMPs)及損傷和壞死細(xì)胞釋放的損傷相關(guān)的分子模式(Damage associated molecular patterns，DAMPs)。經(jīng)典的固有免疫受體有Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域(Nucleotide binding oligomerization domain，NOD)樣受體(NLRs)、C型凝集素受體(C-typelectinreceptor，CLR)和維甲酸誘導(dǎo)基因I樣受體(Retinoic acid-inducible gene-I-like receptors,RLR)。它們位于細(xì)胞的不同部位，并識(shí)別不同的配體[3]。一旦這些傳感器檢測到危險(xiǎn)信號(hào)，就可以啟動(dòng)炎癥。各種固有免疫途徑可能與缺氧、化療、放療或免疫攻擊而死亡的腫瘤細(xì)胞釋放的細(xì)胞成分有關(guān)。由腫瘤或腫瘤成分激活的固有免疫細(xì)胞可能通過招募效應(yīng)細(xì)胞來誘導(dǎo)抗腫瘤免疫，或通過提供促炎環(huán)境來促進(jìn)腫瘤的發(fā)展。炎癥小體是一種新的固有免疫途徑，大量證據(jù)表明，炎癥小體在病原體感染和自身免疫性疾病中起重要作用。然而，它們在腫瘤進(jìn)展中的作用仍不清楚。

1 炎癥小體概述

炎癥小體是一種多聚蛋白復(fù)合物，其概念是于2002年由Jurg Tshoop首次描述[4]。炎癥小體是由NLRs或肝再生增強(qiáng)因子(Augmenter of liver regenration，ALR)、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(Apoptosis associated speck- like protein containing CARD, ASC)和半胱天冬氨酶-1 (caspase-1)組成的蛋白復(fù)合體[2]。NLRs是識(shí)別PAMPs和DAMPs的固有免疫受體，在人和小鼠中分別分為22和34個(gè)亞型。在NLRs家族包括NLRP1、NLRP3、NLRC4、NLRP6和NLRP12。典型的炎癥小體傳感器還包括黑素瘤缺乏因子2(Absent in melanoma 2，AIM2)和pyrin[5]。ASC包含caspase激活和募集結(jié)構(gòu)域CARD。一旦檢測到特定的分子模式，包括NLRs、ALR或Pyrin的傳感器就被激活，并通過ASC募集caspase-1的前體pro-caspase-1。被激活的caspase-1通過蛋白水解將IL-1β和IL-18的前體轉(zhuǎn)化為促炎細(xì)胞因子IL-1β和IL-18，從而啟動(dòng)一種被稱為焦亡的細(xì)胞炎性壞死。焦亡是一種依賴于caspase-1或caspase-11的程序性細(xì)胞死亡，其特征是膜破裂，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物釋放。釋放的IL-1β和IL-18觸發(fā)炎癥細(xì)胞的分化，進(jìn)而可以誘導(dǎo)自身免疫反應(yīng)或腫瘤進(jìn)展[6]。因此，研究炎癥小體與腫瘤之間的潛在機(jī)制很重要。

2 炎癥小體NLRP3

2.1 NLRP3的結(jié)構(gòu) NLRP3是最具特征性且研究最深入的一個(gè)炎癥小體。其主要表達(dá)于單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、粒細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、上皮細(xì)胞及成骨細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，在炎癥感染和內(nèi)源性刺激作用下，NLRP3表達(dá)上調(diào)[7]。NLRP3和大部分NLRs一樣，由3個(gè)結(jié)構(gòu)域組成： C端富含亮氨酸重復(fù)序列(Leucine-rich repeat, LRR)、中央核苷酸結(jié)核結(jié)構(gòu)域(Nucleotide binding domain, NBD)和N-末端PYD結(jié)構(gòu)域[8]。

啟動(dòng)NLRP3炎癥小體需要兩個(gè)不同的步驟，即轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平的第一信號(hào)和第二信號(hào)。第一信號(hào)包括TLR配體，如脂多糖誘導(dǎo)的TLR4/MYD88信號(hào)，通過NF-κB的激活，進(jìn)而誘導(dǎo)pro-IL-1β、pro-IL-18和NLRP3的轉(zhuǎn)錄和生成。第二個(gè)信號(hào)由PAMPs、DAMPS、ATP和尿酸結(jié)晶等多種刺激誘導(dǎo)，促進(jìn)NLRP3-Asc-pro-caspase-1多蛋白復(fù)合物的形成。一旦激活，pro-caspase-1將被切割成p35和p10片段，p35片段隨即將被加工成CARD和p20亞基。激活的caspase-1導(dǎo)致IL-1β和IL-18的成熟和釋放，并通過切割Gasdermin D蛋白暴露的毒性N端與細(xì)胞膜的磷脂酶相結(jié)合，從而在細(xì)胞膜上形成孔洞來啟動(dòng)細(xì)胞焦亡[5]。

2.2 NLRP3的激活機(jī)制 NLRP3炎癥小體可以被不同的刺激所觸發(fā)，其激活機(jī)制主要有四種假說，包括鉀離子外流、鈣離子流量、活性ROS產(chǎn)生和線粒體功能障礙及溶酶體損傷。

鉀離子外流、細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度降低是NLRP3炎癥小體激活的重要機(jī)制。細(xì)胞外ATP刺激嘌呤型P2X7ATP受體，并觸發(fā)鉀離子快速外流，募集Pannin-1半通道蛋白，誘導(dǎo)細(xì)胞膜相應(yīng)受體逐漸開放。細(xì)胞外的NLRP3激動(dòng)劑進(jìn)入胞漿，與NLRP3蛋白復(fù)合物結(jié)合，并觸發(fā)炎癥小體分泌IL-1β[9]。幾項(xiàng)研究證實(shí)，細(xì)胞外鉀濃度的升高也會(huì)阻止NLRP3復(fù)合體的激活，而胞內(nèi)鉀濃度的降低則會(huì)啟動(dòng)NLRP3炎癥小體的激活[10]。研究表明，阻斷內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的細(xì)胞內(nèi)鈣釋放通道——三磷酸肌醇(IP3)受體，會(huì)減少鈣離子流量，從而抑制NLRP3的激活[11]，而在RPMI培養(yǎng)基中加入鈣離子則會(huì)誘發(fā)鉀外流和NLRP3炎癥小體激活[10]。但也有研究者在比較NLRP3炎癥小體激活中細(xì)胞內(nèi)鉀濃度降低和細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加的趨勢后，發(fā)現(xiàn)NLRP3激活不依靠鈣離子[12]。因此，鈣信號(hào)在NLRP3復(fù)合物激活中的作用尚未清楚。

鈣離子流入線粒體基質(zhì)和鈣離子超載所造成的線粒體功能障礙及PAMPs和DAMPS、ATP等刺激物通過損害NADPH氧化酶和其他線粒體氧化系統(tǒng)，導(dǎo)致了ROS的釋放，從而觸發(fā)NLRP3復(fù)合物的形成。線粒體死亡導(dǎo)致氧化的DNA釋放到胞漿中，隨后介導(dǎo)了NLRP3的激活[13]。

溶酶體損傷和組織蛋白酶B的釋放也是NLRP3炎癥小體激活的原因。研究發(fā)現(xiàn)，包括硅晶和鋁鹽在內(nèi)的顆?？梢鹑苊阁w損傷，釋放并激活組織蛋白B，從而激活NLRP3[14]。

3 NLRP3和腫瘤

炎癥小體是固有免疫系統(tǒng)中誘導(dǎo)pro-caspase-1活化和炎性細(xì)胞因子成熟的多聚蛋白平臺(tái)。IL-1β的過表達(dá)除了與自身免疫病相關(guān)外，也可能導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。包括NLRP3、NLRP6、NLRC4、NLRP1和AIM2在內(nèi)的幾個(gè)炎癥小體均可能通過調(diào)節(jié)固有和獲得性免疫、凋亡、分化和腸道微生物而在腫瘤發(fā)生中發(fā)揮致病作用。NLRP3在腫瘤進(jìn)展中的作用非常復(fù)雜。已有研究表明，在各種癌癥中，NLRP3既有促癌作用，也有抑瘤作用。

3.1 NLRP3的抑瘤作用 在氧化偶氮甲烷—葡聚糖硫酸鈉(AOM-DSS)誘導(dǎo)發(fā)生結(jié)腸癌的小鼠模型中，NLRP3基因敲除的小鼠更容易出現(xiàn)結(jié)腸息肉，并對AOM/DSS誘發(fā)的結(jié)腸炎相關(guān)性結(jié)腸癌高度敏感，在腫瘤的發(fā)展過程中在顯示出腫瘤加速生長并伴隨著組織IL-18水平的降低。這些發(fā)現(xiàn)表明，NLRP3可以抑制腫瘤的形成，而IL-18與結(jié)腸癌的發(fā)生密切相關(guān)。經(jīng)AOM-DSS誘導(dǎo)后，IL-18-/-小鼠比對照組小鼠更容易發(fā)生腫瘤，這表明IL-18具有潛在的保護(hù)和抗腫瘤功能，包括修復(fù)結(jié)腸炎相關(guān)性結(jié)直腸癌中的上皮屏障損傷，而使用重組IL-18可抑制腫瘤的進(jìn)展，這意味著產(chǎn)生細(xì)胞因子如IL-18可能成為結(jié)直腸癌的潛在候選治療藥物[15]。NLRP3在肝細(xì)胞癌中也表現(xiàn)出類似的抑制腫瘤作用，與肝組織對比，肝癌組織中炎癥小體的表達(dá)明顯減少或完全消失，且炎癥小體表達(dá)下調(diào)與肝癌的晚期和低分化等臨床特征密切相關(guān)[16]。NLRP3在抑制腫瘤進(jìn)展方面也很重要。NLRP3介導(dǎo)的IL-18通過誘導(dǎo)輔助T細(xì)胞產(chǎn)生干擾素-γ并增強(qiáng)T細(xì)胞和NK細(xì)胞的細(xì)胞毒作用，間接抑制結(jié)腸炎相關(guān)性結(jié)直腸癌的腫瘤進(jìn)展[17]。此外，枯否細(xì)胞中激活的NLRP3通過釋放IL-18，促進(jìn)肝臟NK細(xì)胞的成熟和FasL的表達(dá)，從而抑制了結(jié)腸癌的肝轉(zhuǎn)移[18]。在化療過程中受損或死亡的腫瘤細(xì)胞釋放ATP，刺激NLRP3炎癥小體和IL-1β受體信號(hào)通路，激活細(xì)胞毒性T細(xì)胞從而抑制腫瘤生長。此外，化療藥物如奧沙利鉑無法誘導(dǎo)NLRP3缺陷小鼠細(xì)胞毒性T細(xì)胞的激活[19]。

3.2 NLRP3的促瘤作用 也有研究表明，NLRP在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中可通過影響宿主腫瘤免疫、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、分化及調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境，從而推動(dòng)腫瘤的發(fā)展進(jìn)程。在肉瘤和轉(zhuǎn)移性黑色素瘤的小鼠模型中，激活的NLRP3通過抑制自然殺傷(NK)細(xì)胞和T細(xì)胞，募集髓系來源的抑制細(xì)胞(Myeloid-derived suppressor cells，MDSCs)和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cells，Tregs)，從而促進(jìn)了腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展。而沉默NLRP3使宿主小鼠腫瘤相關(guān)MDSCs的數(shù)量減少5倍，且效率降低，這表明NLRP3通過調(diào)節(jié)宿主免疫來影響腫瘤發(fā)生[3]。研究證實(shí)炎癥小體復(fù)合體的主要成分ASC促進(jìn)原代黑色素瘤細(xì)胞的增殖，將其敲除后，可通過抑制細(xì)胞增殖來預(yù)防DMBA/TPA誘導(dǎo)的皮膚癌發(fā)生[20]。NLRP3通過激活細(xì)胞周期素D1和誘導(dǎo)IL-1β的產(chǎn)生來影響腫瘤細(xì)胞的分化。IL-1β激活NF-κB，啟動(dòng)JNK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲和腫瘤進(jìn)展[21]。近期研究發(fā)現(xiàn)，瘦素通過雌激素受體信號(hào)通路和活性氧的產(chǎn)生激活NLRP3，NLRP3則通過誘導(dǎo)腫瘤生長、刺激細(xì)胞周期基因及抑制凋亡基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)對乳腺腫瘤生長的調(diào)控[22]。NLRP3還可通過激活腫瘤干細(xì)胞(Cancer stem cells,CSCs)的途徑，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的自我更新，加速腫瘤進(jìn)展[23]。腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(Tumor-associated macrophages,TAMs)是浸潤至腫瘤的免疫細(xì)胞之一，在腫瘤淋巴管生成和增殖中起重要作用。TAMs胞漿內(nèi)的NLRP3激活之后，IL-1β和鞘磷脂-1-磷酸信號(hào)的產(chǎn)生促使炎性腫瘤微環(huán)境的形成，從而有利于腫瘤的轉(zhuǎn)移[24]。

化療藥物吉西他濱和5-氟尿嘧啶因激活MDSCs的NLRP3，產(chǎn)生IL-1，并誘導(dǎo)CD4+T細(xì)胞分泌IL-17，導(dǎo)致其藥物作用被削弱，而吉西他濱和5-氟尿嘧啶在NLRP3或Caspase-1敲除小鼠體內(nèi)顯示出更強(qiáng)的抗腫瘤作用，表明化療介導(dǎo)的NLRP3激活是腫瘤生長的正調(diào)控因子[3]。

NLRP3在腫瘤發(fā)生中的作用可能取決于組織或細(xì)胞的類型。NLRP3在腸癌中展示了其抗腫瘤作用，但在胃癌和前列腺癌中卻表現(xiàn)為促腫瘤的作用[3]。因此，需要使用條件基因敲除模型和藥理學(xué)激活劑或抑制劑對NLRP3進(jìn)行綜合分析，以分析腫瘤中NLRP3活性的確切機(jī)制。

綜上所述，近年來相關(guān)研究進(jìn)展極大地加深了我們對NLRP3功能及其在宿主防御、疾病包括腫瘤發(fā)病機(jī)制中調(diào)控的認(rèn)識(shí)。越來越多的證據(jù)表明，NLRP3在腫瘤發(fā)生和抗癌免疫中起著雙刃劍的作用。但其在不同腫瘤類型，腫瘤的不同發(fā)展階段，以及在腫瘤的形成、發(fā)展和侵襲中的作用機(jī)制等方面仍然存在爭議。需要進(jìn)一步的研究對其產(chǎn)生、激活和調(diào)節(jié)背后的分子機(jī)制進(jìn)行更深入的探討，從而為相關(guān)臨床腫瘤靶向藥物及免疫治療的開發(fā)提供新靶點(diǎn)或方向。