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NLRP3炎癥小體在心肌梗死中作用的研究進(jìn)展

陳海燕，譚春燕，胡厚祥

(川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心內(nèi)科，四川南充637000)

【摘要】NLRP3炎癥小體是固有免疫系統(tǒng)中模式識別受體家族的重要組成部分。NLRP3炎癥小體一旦被激活，將募集適配器凋亡相關(guān)微粒蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC)，并與之相互作用，從而招募并結(jié)合半胱天冬氨酸蛋白酶-1前體(procaspase-1)，使其自身裂解活化為半胱天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)，最終使IL-1β前體(pro-IL-1β)和IL-18前體(pro-IL-18)成熟活化為有活性的促炎性細(xì)胞因子(IL-1β和IL-18)，并啟動焦亡性細(xì)胞死亡(pyroptosis)。NLRP3炎癥小體與多種疾病的發(fā)病機理有著密切的關(guān)系。近年來研究報道，NLRP3炎癥小體識別非微生物危險信號引起的無菌性炎性反應(yīng)在心肌梗死的發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用。本文就NLRP3在心肌梗死中的相關(guān)研究作一綜述。

【關(guān)鍵詞】NLRP3;炎癥小體;心肌梗死

急性心肌梗死(acutemyocardial infarction，AMI)嚴(yán)重威脅著廣大患者的健康，被預(yù)測為全球人類未來死亡的主要原因。心肌梗死是因心肌嚴(yán)重而持久的缺血造成的心肌細(xì)胞死亡。心肌梗死后將引起左心室泵血功能進(jìn)一步退化，最終導(dǎo)致心力衰竭。另外，心肌梗死后心肌細(xì)胞的異常放電將引起不穩(wěn)定性和致命性心律失常。心肌梗死的根本原因在于冠狀動脈粥樣硬化，因冠狀動脈內(nèi)粥樣斑塊不穩(wěn)定或破裂而導(dǎo)致血管內(nèi)血栓形成，阻塞冠狀動脈，最終導(dǎo)致心肌梗死。有效的再灌注和血管重建［如，溶栓治療和經(jīng)皮冠狀動脈介入治療(percutaneous coronary intervention，PCI)］可有效的減少心肌梗死面積和改善臨床癥狀。然而，再灌注本身也可引起和加重心肌損傷，稱為再灌注損傷(reperfusion injury)［1］。

近來研究表明，伴隨心肌梗死的炎癥反應(yīng)使白細(xì)胞聚集，導(dǎo)致心肌損傷和瘢痕形成。同時，心肌梗死處積聚的白細(xì)胞(如中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞)釋放細(xì)胞因子、趨化因子和蛋白酶，加劇心肌梗死后的炎癥反應(yīng)，促進(jìn)心肌的損傷和重構(gòu)［2-3］。Kawaguchi等［4］使用ASC敲除鼠(ASC-/-mice)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在心肌缺血再灌注損傷中，無菌性炎癥反應(yīng)是通過炎癥小體的活化產(chǎn)生的。這些研究說明炎癥小體是心肌梗死病理生理過程中無菌性炎癥反應(yīng)的初始傳感器。本文就當(dāng)前的研究情況重點對NLRP3炎癥小體在心肌梗死過程中的作用作一綜述。

1　固有免疫系統(tǒng)和模式識別受體

固有免疫作為機體抵御外來病原體入侵的第一道防線，由種系編碼的模式識別受體(pattern-recognition receptors，PRRs)多家族成員組成。固有免疫通過模式識別受體識別病原體的保守結(jié)構(gòu)和內(nèi)源性危險信號，即病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)來觸發(fā)炎癥反應(yīng)。其中，DAMPs引發(fā)的炎癥反應(yīng)作為無菌性炎癥反應(yīng)的潛在機制已受到大家的廣泛關(guān)注［5］。目前為止，模式識別受體分為4個不同的家族: Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)、RIG-I樣受體(retinoic acid-inducible gene-I-like receptors，RLRs)、c-型凝集素受體(C-type lectin receptors，CLRs)和NOD樣受體(Nod-like receptors，NLRs)。其中，TLRs和NLRs已被證實與心肌梗死中無菌性炎癥反應(yīng)有關(guān)［6-7］。NLRs是調(diào)節(jié)有活性的炎性細(xì)胞因子IL-1β釋放的炎癥小體的主要組成部分;而TLRs則通過誘導(dǎo)pro-IL-1β的合成來促進(jìn)IL-1β的產(chǎn)生。二者共同參與心肌梗死過程中的炎性損傷。然而，關(guān)于RLRs和CLRs在心肌梗死過程中發(fā)揮的作用還有待進(jìn)一步研究。

2　NLRP3　炎癥小體及其活化

炎癥小體是一種多蛋白復(fù)合形成的胞內(nèi)模式識別受體，通過識別病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)或損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)活化，并可作為激活caspase-1的分子平臺。大多數(shù)的炎癥小體都包含有NLR家族蛋白、凋亡相關(guān)微粒蛋白(ASC)和半胱氨酸蛋白酶1(caspase-1)。目前為止，NLRs家族蛋白在人類已發(fā)現(xiàn)有23種分子［8］，每種炎癥小體根據(jù)其包含的NLR家族蛋白不同而命名。NLRs參與組成的炎癥小體包括: NLRP1、NLRP3、NLRP6、NLRP7、NLRP12和NLRC4。而AIM2炎癥小體和IFI16炎癥小體由PYHIN參與組成。

在這些炎癥小體中，NLRP3是研究最為廣泛的炎癥小體，大量研究表明:在很多疾病中，NLRP3通過識別危險信號誘導(dǎo)無菌性炎癥而產(chǎn)生。NLRP3炎癥小體主要包括3個組成結(jié)構(gòu):①位于中央?yún)^(qū)的核苷酸結(jié)合寡聚化域(NACHT域)，它在低聚體結(jié)構(gòu)形成的過程中發(fā)揮著重要作用;②C端亮氨酸富集結(jié)構(gòu)域(LRRs)，LRR識別相應(yīng)配體，并在NLRP3功能調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用;③N端效應(yīng)結(jié)構(gòu)域(包括PYD、CARD和BIR)，能夠介導(dǎo)下游信號傳導(dǎo)［9］。NLRP3的LRRs識別相應(yīng)配體后啟動NLRP3炎癥小體復(fù)合體的組裝。目前科研工作者普遍認(rèn)為，NLRP3炎癥小體活化的共同上游機制包括:細(xì)胞內(nèi)K+外流、溶酶體破裂以及活性氧(ROS)的產(chǎn)生［10］。NLRP3炎癥小體一旦被激活，其PYD結(jié)構(gòu)域募集適配器ASC和pro-caspase-1，使pro-caspase-1自身裂解為有活性的caspase-1?；罨腸aspase-1進(jìn)一步將促炎性細(xì)胞因子前體pro-IL-1β和pro-IL-18裂解為其成熟的分泌形式。同時，活化的caspase-1觸發(fā)一種特殊的細(xì)胞程序性死亡，即細(xì)胞焦亡(pyroptosis)［11］。細(xì)胞焦亡是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新的細(xì)胞程序性死亡方式，它兼有細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死的特征。與凋亡相似的是:細(xì)胞焦亡有核濃縮、DNA斷裂及TUNEL染色陽性;與壞死共同的特征為:焦亡細(xì)胞的細(xì)胞膜完整性遭到破壞，細(xì)胞內(nèi)離子平衡喪失，出現(xiàn)細(xì)胞腫脹繼而膜破裂，細(xì)胞內(nèi)容物釋放后引起大量炎癥反應(yīng)［12］。激活NLRP3的內(nèi)源性的危險信號包括:細(xì)胞外ATP、尿酸鹽結(jié)晶、磷酸鈣晶體、膽固醇結(jié)晶、淀粉樣蛋白質(zhì)-β、透明質(zhì)酸和胰島淀粉樣多肽;而NLRP3炎癥小體外源性的激活劑包括石棉和二氧化硅［10］。在各種疾病的發(fā)展過程中，上述這些危險因素通過活化NLRP3，誘導(dǎo)IL-1β釋放，從而產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。然而，誘導(dǎo)IL-1β釋放的過程還需要pro-IL-1β的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)［13］。因此，對pro-IL-1β的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)過程和炎癥小體介導(dǎo)的IL-1β釋放過程進(jìn)行調(diào)節(jié)被認(rèn)為是炎癥細(xì)胞因子調(diào)控中必不可少的環(huán)節(jié)。

3　NLRP3　炎癥小體與心肌梗死

炎癥反應(yīng)是參與介導(dǎo)心肌梗死后心肌損傷和修復(fù)的一個重要過程。有研究表明，對心肌梗死過程中炎癥反應(yīng)進(jìn)行干預(yù)可有效改善心肌梗死癥狀，減少MI面積［14］。在這些炎性介質(zhì)中，IL-1β是心肌梗死過程中早期突出的炎性介質(zhì)。Abbat等［15］在急性心肌梗死的動物模型上實驗，顯示IL-1β中和抗體及IL-1β重組受體拮抗劑(IL-1RA)可減輕小鼠急性心肌梗死后心臟的擴大及心肌功能的紊亂，表明IL-1β參與急性心肌梗死發(fā)生發(fā)展中細(xì)胞的損傷過程。此外，Marchetti等［16］建立大鼠心肌缺血再灌注模型(缺血30 min，再灌注24 h)，發(fā)現(xiàn)抑制NLRP3炎癥小體的活性可減少心肌梗死面積及大鼠血清中心肌肌鈣蛋白I的水平。

為了進(jìn)一步研究炎癥小體在心肌I/R損傷的病理生理過程中發(fā)揮的作用，Kawaguchi等［4］使用ASC敲除鼠(ASC-/-mice)和caspase-1敲除鼠(caspase-1-/-mice)建立心肌缺血再灌注模型(結(jié)扎左前降支冠狀動脈30 min，再灌注48 h)進(jìn)行研究，在入侵的中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞以及在心肌I/R處的心肌成纖維細(xì)胞中都能檢測到大量的ASC表達(dá)。而且，與野生鼠(WT mice)相比，ASC-/-鼠和caspase-1-/-鼠I/R后炎癥反應(yīng)大幅下降，表現(xiàn)為炎性細(xì)胞浸潤減少，細(xì)胞因子和趨化因子表達(dá)降低。此外，敲除鼠的心肌梗死面積、心肌纖維化以及梗死后左心室功能紊亂程度均明顯減低。

NLRP3炎癥小體識別不同的危險信號，誘導(dǎo)無菌性炎癥反應(yīng)，使之成為AMI過程中發(fā)揮作用的模式識別受體的最佳候選成員。Mezzaroma等［17］在使用永久性心肌梗死模型的老鼠身上進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)使用小干擾RNA(siRNA)或藥物抑制NLRP3和P2X7受體將使炎癥小體活化受到抑制，從而減少心肌細(xì)胞的死亡，最終減輕心肌梗死后心肌的重構(gòu)。P2X7是一種嘌呤受體通道，它被受損細(xì)胞釋放的細(xì)胞外ATP激活，從而引起K+外流，最終活化NLRP3炎癥小體。心肌細(xì)胞中，NLRP3炎癥小體的組裝和活化進(jìn)一步誘導(dǎo)caspase-1依賴的心肌細(xì)胞焦亡。Sandanger等［18］在小鼠和大鼠身上建立永久性心肌梗死模型，檢測到心肌缺血處成纖維細(xì)胞的NLRP3表達(dá)明顯上調(diào)，這說明NLRP3參與心肌梗死的發(fā)展過程。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，心肌梗死期間受損組織釋放的細(xì)胞外ATP刺激心肌成纖維細(xì)胞，使之分泌IL-1β引起炎癥反應(yīng)。此外，使用Langendorff離體心臟灌注模型模擬人體的心肌缺血再灌注，發(fā)現(xiàn)NLRP3敲除后可保護(hù)心肌缺血再灌注損傷后心臟的功能以及減少心肌梗死的面積。近來，Liu等［19］在C57BL/6J小鼠身上建立心肌缺血再灌注模型(缺血30 min，再灌注3～24 h)，檢測到缺血的心臟中NLRP3表達(dá)上調(diào)，caspase-1活性增加，IL-1β和IL-18產(chǎn)生增加;心肌內(nèi)注射NLRP3小干擾RNA (siRNA)或腹腔注射炎癥小體抑制劑BAY 11-7028后可減少心肌缺血再灌注損傷區(qū)域的巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的浸潤。同時，心肌細(xì)胞的凋亡和心肌梗死面積也隨之減少。

然而，在研究NLRP3在心肌梗死和心肌缺血再灌注損傷過程中所起作用的同時，我們也發(fā)現(xiàn)了一些有趣的問題。Sandanger等［18］從小鼠身上分離出心臟，并使用Langendorff離體心臟灌注模型模擬人體的心肌缺血再灌注，發(fā)現(xiàn)與野生鼠和ASC敲除鼠相比，NLRP3敲除鼠在進(jìn)行心肌缺血再灌注后，其心臟功能明顯得到改善，心肌損傷也顯著減輕，這表明在心肌缺血再灌注損傷中NLRP3和ASC起著不同的作用。同樣地，Shigeoka等［20］在小鼠身上建立腎缺血再灌注模型實驗，發(fā)現(xiàn)與野生鼠相比，NLRP3敲除鼠中腎I/R損傷減輕，而ASC敲除鼠中I/R損傷無明顯改變。近來，在肝臟缺血再灌注研究中發(fā)現(xiàn)，NLRP3敲除后肝臟缺血再灌注損傷明顯減輕，而ASC敲除后肝臟I/R損傷并無明顯改善［21］。這些研究表明，炎癥小體的組件(如NLRP3和ASC)可能有獨立于炎癥小體的功能，而NLRP3和ASC在不同的細(xì)胞可能有著不同的功能。此外，NLRP3參與一種炎癥小體(NLRP3炎癥小體)的組成，而ASC可參與多種炎癥小體(如NLRP3、NLRP1、NLRP6 和AIM2炎癥小體)的組成，表明其他炎癥小體可能存在潛在的功能補充作用。

4　抗炎癥小體治療策略

越來越多的研究表明，NLRP3炎癥小體啟動的炎性反應(yīng)參與心肌梗死的病理生理過程。因此，針對NLRP3和IL-1β的治療可能成為治療MI潛在而有效的治療策略。調(diào)節(jié)炎癥小體，可從其上游通路及下游效應(yīng)因子進(jìn)行調(diào)控。上游通路包括:調(diào)控NF-κB以調(diào)節(jié)pro-IL-1β和pro-IL-18的表達(dá)、拮抗激動受體(如P2X7r)、干擾其復(fù)合體組件(NLRPs、ASC、和caspase-1)及細(xì)胞內(nèi)激動劑(如ROS);下游效應(yīng)因子包括成熟的IL-1β和IL-18［22］。

大量動物實驗表明，針對炎癥小體組件及活化劑的抗體和抑制劑能夠取得良好效果，但其在人體發(fā)揮的效應(yīng)還尚不明確。炎癥小體抑制劑Bay 11-7082通過抑制NLRP3的ATP酶的活化起作用; P2X7r抑制劑AZD9056，正在人類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(RA)上進(jìn)行測試，但至今尚無良好的效果［23］。針對ROS(3種激活NLRP3炎癥小體途徑之一)的治療似乎是一種很好的選擇，但是研究結(jié)果顯示其在人體的效果并不令人滿意。依達(dá)拉奉是一種自由基清除劑，早在2001年就有人發(fā)現(xiàn)它可改善患者腦缺血性發(fā)作后的臨床癥狀［22］，但是進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的效果并不局限于阻滯炎癥小體的活化。Caspase-1抑制劑已在很多動物身上進(jìn)行實驗，VRT-018858是一種選擇性的非縮氨酸類的caspase-1抑制劑，它可減輕大鼠短暫性腦缺血后的腦損傷。Ac-YVAD.CMK是另一種caspase-1抑制劑，F(xiàn)ann等［24］在C57BL/6J小鼠身上建立腦缺血再灌注模型(閉塞的大腦中動脈1 h，再灌注3 h)進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)Ac-YVAD.CMK可減少小鼠腦缺血再灌注后的腦梗死面積，并減少IL-1β和IL-18的產(chǎn)生。但是，caspase-1抑制劑對人體心血管疾病的作用還有待進(jìn)一步研究。

在針對炎癥小體的治療策略中，研究更為廣泛的是對IL-1途徑進(jìn)行調(diào)制［25］。阿那白滯素(Anakinra)是一種非糖基化的人類IL-1受體拮抗劑重組體，它通過競爭性的結(jié)合IL-1I型受體來阻滯IL-1(包括IL-1α和IL-1β)的生物學(xué)活性;利納西普(Rilonacept)是一種二聚融合蛋白，位于人類IL-1R 和IL-1R輔助蛋白的配體結(jié)合域，能夠阻滯IL-1α 和IL-1β;康納單抗(Canakinumab)是一種能夠中和IL-1β的單克隆抗體，它通過選擇性的與IL-1β結(jié)合，使其失活。此外，有研究表明在大鼠心肌梗死模型中，抗IL-18中和抗體能夠明顯減少大鼠MI的梗死面積。在其他一些缺血再灌注損傷模型中，抗IL-18也能取得明顯的效果。

綜上所述，大量研究表明，NLRP3在心肌梗死過程中通過形成炎癥小體后活化caspase-1，介導(dǎo)IL-1β 和IL-18的產(chǎn)生，在AMI過程中起著關(guān)鍵作用。針對NLRP3炎癥小體及其上游通路和下游效應(yīng)因子的藥物在動物身上也取得了良好的效果。然而，由于基因組的反應(yīng)性不同，將動物模型上做的研究轉(zhuǎn)移到人類疾病還存在很大的障礙。另外，炎癥反應(yīng)在心肌梗死中的作用有利也有弊，完全干預(yù)炎癥小體相關(guān)的固有免疫還可能導(dǎo)致機會性感染。因此，對于NLRP3炎癥小體激活的確切機制以及針對NLRP3在人類身上的有效治療策略還需進(jìn)一步的研究。

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通訊作者:胡厚祥，E-mail: hhxiang17@163.com

作者簡介:陳海燕(1988-)，女，四川南充人，碩士研究生，主要從事心血管疾病方面的研究。

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(81070101)

收稿日期:2014-12-25

doi:10.3969/j.issn.1005-3697.2015.02.06

【文章編號】1005-3697(2015)02-0155-05

【中圖分類號】R541.4

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

網(wǎng)絡(luò)出版時間: 2015-5-1 01∶33網(wǎng)絡(luò)出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1254.R.20150501.1333.003.html