NLRP3炎症小体的活性调控在慢性气道炎症性疾病治疗中的研究进展

　　摘    要：NOD样受体结合蛋白3(NLRP3)的炎症小体可由NLRP3作为支架蛋白结合ASC，活化后产生二聚物，经过一系列步骤，促使了IL-1β等炎性因子的加工、成熟和释放，进而参与了慢性气道炎症性病变的发展进程，而NLRP3炎症小体活化和控制则直接影响着慢性阻塞性肺部疾患、支气管哮喘为代表的慢性气道炎症性病变发展，其具体机制尚未完全明了，进一步研究NLRP3炎症小体的活化和调控机制将有利于慢性气道炎症性疾病的诊治。

　　关键词: NL RP3炎症小体; IL-1β; IL-18;慢阻塞性肺疾病;支气管哮喘;慢性气道炎症;

　　Research progress in the regulation of NLRP3 inflammasome activity in the treatment of

　　chronic airway inflammatory diseases

　　Jia Zixi Zeng Dan Zhang Shaoze Li San Li Cheng Huang Jin Zhu Liming

　　Department of Respiratory and Critical Care Medicine, The First fliated Hospital of Hunan Normal

　　University/Hunan People's Hospital Hunan Geriatric Research Institute, Hunan Provincial People's

　　Hospital/The First ffliated Hospital of Hunan Normal University

　　Abstract：Nod-like receptor binding protein 3(NLRP3) can be used as a scaffold protein to bind to ASC, and activated to produce dimer. Through a series of steps, the processing, maturation and release of inflammatory factors such as IL-1β are promoted, and then participate in the development of chronic airway inflammatory diseases. However, the activation and control of NLRP3 inflammasome directly affects the development of chronic airway inflammatory diseases represented by chronic obstructive pulmonary disease and bronchial asthma. The specific mechanism of NLRP3 inflammasome activation and regulation has not been fully understood. Further research on the activation and regulation mechanism of NLRP3 inflammasome will be beneficial to the diagnosis and treatment of chronic airway inflammatory diseases.

　　Keyword：NLRP3 inflammasome; IL-1β; IL-18; COPD; bronchial asthma; Chronic airway inflammation;

　　慢性阻塞性肺部疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)、支气管哮喘(Bronchial Asthma)为最典型的肺部炎症性疾病，表现为气道炎症、气道阻塞和气道重塑。我国的慢性气道炎症性疾病的发病率逐年增高。在COPD、哮喘发生发展中，NLRP3炎症小体发挥着重要的调控作用[1,2,3,4]，其活性调控机制复杂，可通过不同途径实现。国内外的多项研究证实抑制NLRP3炎症小体活化可导致IL-1β、IL-18等炎症因子生成水平降低，进而延缓COPD、支气管哮喘的病程。本文就NLRP3炎症小体的活性调控过程与COPD、哮喘之间的关系进行综述。

　　1 NOD样受体蛋白3炎症小体

　　1.1 组成结构

　　NLRP3炎症小体是由NLRP3、凋亡相关的斑点样蛋白质(apoptosis-assoCiated speck-like protein, ASC)及半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶- 1(cysteinyl aspartate-specific protease, Caspase-1)构成的复合物[5]，它是机体固有免疫的组成部分，通过NLRP3作为支架蛋白结合ASC，激活后成为二聚物，即ASC斑点，进而招募并分解Caspase-1前体(pro-Caspase-1)，产生有酶活力的Caspase-1，能够促使IL-1β和IL-18等炎性因子的加工、成熟及排出[6,7]。

　　1.2 激活剂、活性调控过程及机制

　　NLRP3炎症小体的激活剂主要有微生物毒素[8,9]，它可被损伤相关分子模型(DAMPs)三磷酸腺苷(ATP)所活化[10]。NLRP3炎症小体激活离不开以下信号的影响，第一种信号是由病原分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)诱导产生[11]。第二种信号则来自危险相关分子模式（danger associated molecular patterns, DAMPs）或微生物产物的激活信号，由于细胞钾外流和线粒体活性氧(ROS)及溶酶体介导[12,13]，最终实现NLRP3炎症小体的激活(图1)。

　　1.2.1 离子调节

　　细胞膜上的K+外流、Ca2+内流，直接引起NLRP3炎症小体活化。细胞内K+外流也是NLRP3炎症小体活化的最主要原因[14,15,16]。可诱使K+外流的有DAMPs：如尿酸晶体(MSU)、胆固醇壳、游离DNA (cfDNA)等。当Ca2+内流、细胞膜间缝隙中连接蛋白半通道蛋白（Pannexin-1）释放，可以直接刺激NLRP3炎症小体活化[16]，除此之外，当Ca2+与细胞膜的钙敏感受体结合时，也会激发NLRP3炎症小体[17]。

　　1.2.2 溶酶体介导

　　溶酶体受二氧化硅、明矾、草酸钙以及尿酸盐等化合物以及纤维性蛋白物质的影响，可诱发溶酶体渗透性发生变化导致水肿、渗漏及释放组织蛋白酶B、C，进而引起NLRP3炎症小体活化[18,19]。一方面，由于溶酶体膜被破坏，伴有一个K+的渗透孔打开，K+外流同时刺激了NLRP3炎症小体[20]。另一方面，溶酶体破裂与Ca2+的细胞内外流通结合也能促进NLRP3的活化[21]。

　　1.2.3 线粒体ROS

　　线粒体是产生ROS的最重要来源，积累ROS后，细胞能够形成硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)，从而活化NLRP3炎症小体[15]。另外，NLRP3炎症小体还能被非线粒体ROS机制所激活[22,23]。

　　2 NLRP3炎症小体活性调控与COPD

　　持续存在的呼吸系统症状和气流受限是COPD的特点。下文从COPD中炎症反应、氧化应激机制出发阐述NLRP3炎症小体活化与COPD之间的联系，并总结与其相关的治疗，以进一步认识NLPR3炎症小体活性调控在COPD发展过程中所起的作用。

　　2.1 炎症反应机制

　　气道免疫炎症反应、NLRP3炎症小体激活与COPD的发生发展密切相关，当发生气道免疫炎症时，NLRP3炎症小体激活，NLRP3-Caspase-1-ASC复合物通过一系列过程促进IL-1β及IL-18 等炎性因子的产生和释放。图一中汇总了COPD发展过程中涉及的炎症因子，下面介绍NLRP3炎症小体活化后参与COPD进展相关的炎症因子。

　　对于COPD而言，NLRP3炎症小体的活化伴随着NLRP3-Caspase-1-ASC复合物作用致下游IL-1β和IL-18等炎症因子表达增加。Yang等[24]的研究表明，COPD模型组的呼吸系统阻力指数、BALF中IL-1β和IL-18的含量显著大于对照组和NLRP3基因敲除小鼠组，而COPD模型组的呼吸系统顺应性指数显著小于另外两组；在香烟烟雾中暴露后，检测COPD模型组肺外组织中NLRP3的蛋白质水平，发现NLRP3的转录和翻译水平上调，caspase-1的活性和IL-1β表达升高[25]；临床研究证实AECOPD患者的NLRP3炎症小体、IL-18和IL-1β的mRNA水平明显增高，且后两者的mRNA升高水平尤为显著[26]。此外，COPD炎症的激活与IL-1β、IL-18、IL-1α、IL-2、IL-8等炎症因子呈正相关[27]。综上所述，NLRP3炎症小体活化后产生的炎症因子对于COPD的发展至关重要（图2）。

　　2.2 氧化应激机制

　　COPD患者氧化应激增强，一方面，与慢性炎症引起氧化应激的细胞活性氧(ROS)水平升高有关[28]，线粒体产生ROS并使得ROS积累至一定水平后，细胞能够形成硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)，从而活化NLRP3炎症小体，另外，NLRP3炎症小体还能被非线粒体ROS机制所激活。另一方面，由蛋白酶/抗蛋白酶失调所致[29]，机理是由于小气道中的氧化应激水平增加、抗蛋白酶失活、以及促炎介质上调来完成的。不仅如此，氧化应激机制还可导致促炎过程激活[30]。中性粒细胞通过脱颗粒和产生ROS引起在COPD中的组织受损和炎症反应，更值得一提的是ROS的产生可以通过诱导促炎细胞因子如IL-1和TNF-α的上调而使得NLRP3炎症小体活化，进一步促使炎症的发生[31,32]。氧化应激的加强和促炎因素对COPD的发生发展也起着关键的作用，在后续治疗研究中，除了干预上述两个机制而达到治疗效果外，后文将继续从NLRP3炎症小体活性调控方面，涉及COPD治疗的其他有关的治疗途径与方法。

　　2.3 治疗

　　在COPD早期，患者机体已经发生了炎症反应和组织结构损伤，但大部分病患对COPD了解甚少，这也是临床上COPD患者治疗被延误的原因之一。以下我们对近几年来以减少NLRP3炎症小体激活及相关炎症因子的产生为靶点相关研究进行梳理。

　　近年来的动物实验证明BML-111(脂氧素受体激动剂)可通过调控NLRP3炎症小体的活化程度而产生ROS[33]，从而介导慢阻肺的抗炎作用，该项结论在Cao等[34]的研究中也得到了证实。肺康复是COPD有效的非药物治疗，一项回顾性分析调查指出在行肺康复训练的十二周后(包括下肢肌肉训练、上肢伸展训练及呼吸训练等)，证实了肺康复训练后的肺功能较前改善，炎症因子水平也较前降低[35]。另外，COPD病患在系统肺康复训练后，其运动耐量和生活质量都得到了改善，尤以中重度患者明显[36]。此外临床研究表明中医药方法如二陈加味汤可通过控制PBMCs中的NLRP3、ASC、Caspase-1 mRNA的表达，降低IL-1β、IL-18等炎症因子的生成，改善COPD的炎症反应；红景天苷通过抑制血清中和肺内促炎细胞因子TNF-α、IL-6和IL-1β的产生减少NLPR3炎症小体活化来改善COPD病情[37,38]。上述研究明确了阻断NLRP3炎症小体表达可能抑制COPD的炎症反应，从而达到治疗作用。

　　3 NLRP3炎症小体活性调控与支气管哮喘

　　支气管哮喘表现为可逆性气流受限，多项研究表明NLRP3炎性小体的激活在哮喘的气道炎症、气道高反应性机制中起着重要作用[39,40]。

　　3.1 NLRP3炎症小体与气道炎症、气道高反应性

　　NLRP3炎症小体与哮喘的发生及其严重程度关系密切。研究表明，哮喘致敏源尘螨能促使相应的细菌产生大量ATP，活化NLRP3炎症小体，加剧气道炎症反应[41]；过敏源吸入后也能促使气道ROS的形成，进一步刺激NLRP3炎症小体，加速IL-1β等炎症因子产生与释放。在OVA诱导的哮喘动物模型气道炎症中，NLRP3炎性体的激活和气道炎症促炎细胞因子的产生显着增加，抑制剂MCC950通过调节NLRP3的激活而有效防止哮喘的进展，证实了NLRP3与哮喘的关联性，炎症因子IL-1β、IL-18参与了哮喘发病[42]（图2）。

　　3.2 治疗

　　哮喘对治疗的反应具有异质性。NLRP3是嗜酸性粒细胞哮喘的重要调节因子，诸多研究也已经证实在哮喘的发生发展中存在NLRP3炎症小体的激活与IL-1β等炎症因子的增加，NLRP3作为感染和细胞应激的免疫传感器，与哮喘的发展和恶化有关，然而目前通过调控NLRP3炎症小体来明确治疗哮喘研究较少。NLRP3抑制剂，如：MCC950、半胱天冬酶-1抑制剂VX-765和Ac-YVAD-CHO，可以有效控制NLRP3和caspase-1的活性，抑制NLRP3炎症小体活化，降低IL-1β和IL-18表达水平，其中Ac-YVAD-cho 和 MCC950在抑制气道反应性机制也有研究，而这一过程主要通过抑制了IL-1β反应而实现[42]。RRx-001可抑制哮喘经典、非经典途径及替代 NLRP3炎性小体的激活达到治疗过敏性哮喘的目的[43]。

　　抑制NLRP3/caspase-1/ASC通路哮喘药物治疗的主要机制。临床上常用药物苏黄止咳胶囊通过破坏NLRP3炎症小体的组装，有效抑制NLRP3炎症小体的活性，降低caspase-1的转录表达，最终减少IL-1β的形成和释放，达到改善哮喘的肺功能的目的[44]。另外，R03Cn和R07Kn水提取物、R10MK和R19Sz有机提取物也能明显降低caspase-1的活化[45]，从而降低NLRP3炎症小体的活化和表达。植物化学物质姜黄素和地塞米松联合给药时，可通过调节NLRP3活化来调节暴露于 LPS 的哮喘发作[46]。中药五味子乙素(SB)通过抑制NLRP3炎症小体的活化并延缓细胞焦亡，缓解哮喘中的气道炎症和气道重塑[47]。我国学者在对重症哮喘最新研究中发现间充质干细胞可用做治疗重症哮喘[48]，这对于重症哮喘的治疗无疑是一大进步。

　　4 展望

　　虽然目前对NLRP3炎症小体涉及的慢性气道炎症性疾病有了颇多研究，然而并非所有的文献数据都报道了NLRP3炎性小体的直接作用，且没有直接的临床和实验数据报告显示NLRP3炎症小体激活参与COPD恶化、哮喘治疗转归，但从近年来有关的研究成果来看，其机理主要集中在减少相关促炎细胞因子产生，从而破坏NLRP3炎症小体组装活化。我们仍需思考的是，在慢性气道炎症性疾病的急性加重期或稳定期，治疗上均存在一定的差异，如相关促炎细胞因子抑制剂是针对哪一期效果更佳？临床的药物能减少促炎细胞因子产生，但对NLRP3炎症小体本身是否有直接抑制作用？这都是我们在未来研究中需要进一步明确的。

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