1、NLRP3炎症小体与动脉粥样硬化全文2021年NLRP3炎症小体与动脉粥样硬化（全文）动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）是一种与脂质代谢障碍有关的全身性疾病，是目前世界范围内最主要的致死、致残原因之一1，其病变特点是以动脉壁的脂质沉积、功能紊乱及斑块形成、慢性炎性细胞浸润为主要特征2。近来的研究发现，炎症是AS的病理基础，NOD样受体蛋白3（NLRP3）炎症小体可引发血管壁炎症反应，并导致AS的进展，是AS重要的调控因子3。现就近年来NLRP3与AS的关系的研究进展进行综述。一、NLRP3的结构NLRs是一种进化上高度保守的胞质受体家族，其结构：中间是NOD（nucleoti
2、de binding and oligomerization，NACHT）结构域，能介导自身寡聚反应；N端是热结构域（pyrin domain，PYD）或caspase募集结构域（caspase recruitment domain，CARD），可介导下游信号转导；C端为亮氨酸富集结构域（leucinerich repeat，LRR），用于识别配体。NLRP3（nucleotide binding domain and leucinerich repeat protein 3）炎症小体被研究的最为深入和广泛。NLRP3炎症小体由NOD样受体家族中的NLRP3受体蛋白、凋亡相关斑点样蛋白半胱氨酸
3、蛋白酶突变体（ASC）和效应分子前半胱氨酸天冬氨酸特异蛋白酶1（procaspase1）三部分构成，分为三个结构域：羧基端的亮氨酸富集结构域（LRR），在配体识别中起重要作用；中心核苷酸域（NACHT），在受体蛋白激活过程中介导自身寡聚化；氨基端热蛋白结构域（PYD），介导下游信号转导。LRR识别配体，促使炎症小体复合体组装，进一步活化NLRP3。NLRP3炎症小体主要被内源性或外源性伤/危险相关分子模式（DAMP）激活，在细胞溶质中形成NLRP3炎性体分子复合物，并参与无菌炎症过程4。NLRP3激活后可使无活性的caspase1前体（procaspase1）裂解为有活性的caspase1，活
4、化的caspase1将IL1前体（proIL1）和IL18前体（proIL18）裂解为成熟体IL1和IL18，从而引起无菌性炎性反应和caspase1依赖的细胞死亡，即细胞焦亡5。当细胞被DAMP刺激时，NLRP3由NACHT结构域组装，通过其PYD之间的相互作用为ASC自身寡聚化提供支架。由于NLRP3缺乏CARD，所以在ASC存在时才能募集胱天蛋白酶1，通过CARD亲和作用低聚ASC与半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1相互作用，并诱导半胱天冬酶l自身激活，促进一种有效的炎性细胞因子IL1前体的加工，并诱导成熟的IL1释放以引起组织炎症反应。此外，半胱天冬蛋白酶1促进GasderminD（GSDMD）
5、的活化与释放从而介导炎症程序性细胞死亡。常见的NLRP3炎症小体活化机制包括：细胞阳离子（如K+）外流，溶酶体破坏及线粒体活性氧（ROS）的产生6。其中，细胞内阳离子（如K+、Ca2+）浓度的变化在NLRP3激活中起关键作用。胞外ATP激活ATP门控离子通道P2X7并引发快速K+外流；胞外高浓度的Ca2+增加胞质Ca2+和环磷酸腺苷cAMP的浓度；流感M2蛋白触发高尔基体复合物释放出离子进入细胞溶质。上述变化可激活NLPR3炎症小体。此外，很多能够刺激并启动NLRP3炎症小体的物质，比如ATP、明矾、尿酸等，都会促进ROS的形成，而ROS也参与了NLRP3炎症小体的激活。虽然ROS抑制剂显示出
6、有抑制NLRP3激活的作用，但这种作用可能是由于ROS在核转录因子NFB信号通路上介导了NLRP3炎症小体上调和前体IL1转录，而不是直接抑制NLRP3本身的激活7。溶酶体破裂促使组织蛋白酶B等促炎物质释放从而激活NLRP3炎症小体8；炎症小体的活化调控包括多个层面，相关机制研究也较多，主要包括活性氧参与、黏膜免疫反应、免疫因子、细胞焦亡等多种方面。Zhong等研究表明，颗粒刺激可诱导线粒体产生ROS，并通过介导钙内流激活NLRP3炎症小体9。在正常情况下机体T细胞来源的干扰素（IFN）可通过激活诱导型NO合酶或特异性TNF所诱导的CD4+效应T细胞抑制NLRP3炎性小体激活10。最近研究提示
7、，IL1是肠道中NLRP3炎性小体下游最可能的效应分子，而IL18可能是通过继发效应间接受NLRP3的影响，因为IL18缺乏可以也取消了NLRP3在肠道中的保护作用11。二、NLRP3炎症小体与动脉粥样硬化NLRP3炎症小体的激活与多种疾病的发病机理密切相关，如AS、心肌缺血再灌注损伤、心肌病、阿尔茨海默病、痛风、代谢综合征等12。其中AS是一种慢性炎症性疾病，属无菌炎症，主要由炎症小体活化，诱导细胞分泌IL1等促炎因子介导。IL1、IL18是NLRP3活性水平提高后的的产物，二者参与到AS的形成，可以通过上调某些组分来增强炎症反应和斑块形成，从而加快AS的发展进程。在AS病情发展过程中，炎症
8、反应和脂质代谢失常，此时在NLRP3、IL1、TNF等炎性细胞因子的共同作用下，泡沫细胞、免疫细胞等大量形成，进而出现AS斑块。IL1和IL18的成熟则依赖于NLRP3炎症小体的激活。心血管疾病的危险因素包括高脂血症、高血压、高血糖、高尿酸血症、肥胖、牙周炎等，这些危险因素被证实具有独立调控炎症小体活化的能力，并可调节胆固醇结晶依赖通路的激活。在AS发展的过程中，胆固醇是NLRP3炎症小体通路的重要激活剂，在疾病早期就发挥重要作用。Zhu等13研究表明在稳定性冠心病及急性心肌梗死患者外周血单个核细胞（PBMC）中的NLRP3炎症小体及其下游细胞因子表达升高，并且他汀类药物对NLRP3炎症小体的
9、激活有抑制作用。Duewell等14在载脂蛋白E（ApoE）缺陷小鼠中发现，氧化低密度脂蛋白（oxLDL）可通过诱导胆固醇结晶和激活引发信号，引起NLBP3表达，释放IL1，导致动脉粥样化；根据Sheedy等15的研究，巨噬细胞通过清道夫受体结合oxLDL，促进细胞ROS产生等途径激活NLRP3炎症小体，促进IL1释放，参与AS病变进展。Jourdan等16利用糖尿病肥胖大鼠阐述了胆固醇晶体激活NLRP3炎症小体，从而产生一系列的炎症反应导致胰岛细胞的死亡。Peng等的研究表明17，oxLDL通过上调巨噬细胞内P2X7R诱导蛋白激酶R（proteinkinase R，PKR）磷酸化，促进大量磷
10、酸化PKR与NLRP3形成复合体，最终引起NLRP3炎症小体构型改变并活化。在AS和2型糖尿病小鼠模型中，oxLDL提供了启动NLRP3和IL1表达的第一信号，以此来催化和激活NLRP3炎症小体。根据后来的发现，清道夫受体CD36通过AS模型ApoE/小鼠巨噬细胞中Toll样受体TLR4/TLR6的协同作用来调控oxLDL介导的NLRP3炎症小体的启动18。充分证明，在NLRP3影响AS的这一过程中，oxLDL也起着一定的调节作用。LPS通过结合巨噬细胞凝集素样oxLDL受体1（LOX1）诱导细胞内线粒体ROS生成，线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）损伤，自噬小体形
11、成，进而激活NLRP3炎症小体19。巨噬细胞、血管平滑肌细胞和内皮细胞是IL1的主要来源，这些细胞也能表达炎症小体相关蛋白，并能激活炎症小体。游离脂肪酸（FFA）可诱导巨噬细胞中炎症小体活化，加剧AS病变进展20。FFA可直接作用于TLRs，激活NFB，从而促使IL6、肿瘤坏死因子（TNF）等炎症因子表达而发挥促炎作用。棕榈酸和硬脂酸作为主要的饱和脂肪酸，通过溶酶体破裂和线粒体反应性氧化物ROS产生，激活NLBP3炎症小体，并呈浓度依赖性地促进ILl和IL18分泌，干扰胰岛素信号通路。Usui等发现21，磷酸钙（calciumphosphate）结晶也能通过溶酶体组织蛋白酶B途径激活巨噬细胞中
12、NLRP3炎症小体，诱导caspase1活化，促使细胞释放大量IL1，加速AS病变进展。Wen等22发现，磷酸甘油（glycerophosphate，GP）诱导原代大鼠主动脉VSMCs发生钙化后，细胞内NLRP3、ASC及caspase1的mRNA水平增加，细胞释放大量IL1；沉默NLRP3蛋白后，可降低IL1水平，并能抑制VSMCs钙化。同时，人动脉钙化组织中炎症小体相关蛋白的mRNA水平均明显上调，caspase1活性升高，提示NLRP3炎症小体与动脉炎症及钙化疾病关系密切。高血压是AS的独立危险因素，能造成血管内皮的损害和促进AS斑块形成。Dalekos等23首次发现，与对照组相比，原发
13、性高血压患者血清IL1水平显著升高，提示细胞因子IL1与高血压存在一定相关关系，且IL1水平可能也是AS的独立危险因素。在高血压的发生与发展过程中，炎症扮演了重要的角色。在高盐诱导的高血压大鼠中，NLRP3和IL1水平较普通饮食的大鼠显著上升24，显示NLRP3炎症小体与高血压的发生发展密切相关。而高盐摄入诱导高血压模型中伴随炎症小体成分NLRP3、ASC及procaspase1的高表达，IL1的成熟及分泌增加，敲除ASC基因能阻断上述改变，提示NLRP3炎症小体/IL1信号通路可成为高血压治疗中的潜在靶点25。糖尿病是AS发生和发展的主要危险因素，糖尿病患者AS性心血管并发症的发生率比普通人
14、高24倍。近期的研究表明，NLRP3炎症小体的激活与许多代谢性疾病如AS和糖尿病发生发展密切相关。Zhou等26研究发现，高血糖可诱导与胰岛素抵抗相关的硫氧还蛋白结合蛋白（TXNIP）表达，TXNIP参与NLRP3炎症小体的活化，增加尿酸盐晶体依赖的炎症小体的激活。在糖尿病并发症方面，有学者27认为，在慢性高糖状态下，视网膜神经胶质细胞中的TXNIP水平表达会增加，其能够引起固有的免疫应答，进而将氧化应激和炎性反应联系在一起，临床表现为ROS产生、ATP释放、激活NLRP3炎性反应小体等，最终分泌出更多的IL1、TNF等炎性反应因子。肾小管上皮细胞系中的NLRRP3、IL1、IL18、ATP水
15、平均有所增加，但是对细胞外的ATP进行消耗后则可降低肾小管上皮细胞系中上述物质的水平，在此过程中，P2X4选择性拮抗剂直接削弱了NLRP3以及其炎性反应因子的表达。进一步提示，ATPP2X4信号对NLRP3炎性反应小体的活化起到了介导和剌激的作用，进而促进DN间质性炎性反应的发展。2型糖尿病病人外周血来源的巨噬细胞NLRP3和ASC表达增强，活性形式（切割）的caspase1和IL1增多，二甲双胍治疗2个月可以缓解病情并显著减轻上述改变28，提示NLRP3炎症小体可以成为糖尿病治疗的重要靶点。高尿酸血症出现在AS斑块形成之前，心脑血管事件的发生率及病死率明显高于血尿酸正常者，被认为是心血管疾病
16、病死率的独立危险因素之一，控制尿酸水平对冠心病的防治有着重要的临床意义。随着尿酸的不断积累，尿酸盐结晶形成，尿酸盐结晶可激活NLRP3炎症小体，导致IL1释放，这可能与高尿酸血症在AS形成过程中发挥的作用有关。在动物的气囊模型以及腹膜炎模型中，缺乏IL1几乎可以完全抑制由单钠尿酸盐引发的炎症，而IL1的产生与NLRP3炎症体密切相关。单钠尿酸盐可以被Toll样受体及NOD样受体识别，激活TLRs以及NLRP3炎症体，产生IL1。Riteau等29近期发现，单钠尿酸盐可以通过激活胞外的ATPP2X7R信号通路，影响胞内K+水平，激活NLRP3炎症体。细胞吞噬单钠尿酸盐，驱使NADPH生成ROS，
17、进而使硫氧还蛋白相互作用蛋白从抗氧化蛋白硫氧还蛋白上释放，结合至LRR区域，使NLRP3蛋白抑制性蛋白解离，激活NLRP3炎症体30；TXNIP进入线粒体与TRX2结合，使线粒体功能紊乱，释放被氧化的线粒体DNA，激活NLRP3炎症体；单钠尿酸盐刺激细胞后，内质网释放储存的Ca2+，当细胞中抑制或干扰了内质网钙离子释放通道1,4,5三磷酸肌醇受体（IP3R），Ca2+的释放以及NLRP3炎症体的激活均受到抑制。Ca2+影响NLRP3炎症体的激活可能是细胞质中ca2+促使NLRP3炎症体形成络合物。另外，Ca2+释放导致线粒体Ca2+超负荷从而损伤线粒体，激活NLRP3炎症体。肥胖常伴随着胰岛素
18、抵抗、糖尿病及代谢综合征的发生31，这些病理改变都可促进AS，是心血管疾病的重要危险因素。肥胖与脂肪组织的炎症反应及NLRP3炎症小体的活化相关。随着脂肪的积累超过脂肪细胞的容纳量，过多的脂肪侵入其他组织中，除了三酰甘油和脂肪酸，这些组织中的神经酰胺也越来越多。肥胖相关的神经酰胺通过触发脂肪组织中的巨噬细胞，激活NLRP3炎症小体及释放IL1。在高脂诱导的肥胖小鼠模型中，脂肪组织NLRP3、ASC和caspase1表达上调，IL1的成熟体增多，敲除NLRP3和caspase1基因可改善脂肪组织炎症，减轻高脂诱导的胰岛素抵抗32。Koenen等33观察到腹型肥胖患者腹部脂肪较之皮下脂肪有更高水平
19、的caspase1表达，提示腹内脂肪组织中可能存在NLPR3炎症小体的活化；而肥胖的2型糖尿病患者在体质量减轻后，血清中NLPR3和IL1的表达量减少。此外，吸烟是冠心病、脑卒中和外周动脉疾病的危险因素。高脂饮食的ApoE/小鼠经过12周的尼古丁干预，其主动脉粥样硬化程度显著高于非干预组。而细胞实验证实了尼古丁可通过激活人主动脉内皮细胞内NLRP3炎症小体，产生活化caspase1，增加IL1释放，促进内皮细胞的焦亡，且这一通路的激活是ROS介导的，从而提示尼古丁通过NLRP3炎症小体途径促进AS发生和发展3435。病原菌也是一种重要的炎症小体激活剂。近年来研究发现，牙周疾病可通过下调人类单核
20、巨噬细胞中ASC的表达，来分解NLRP3炎症小体复合体36。高同型半胱氨酸也是心血管疾病的独立危险因素，可直接激活NLRP3炎症小体，从而促进AS：同型半胱氨酸高活性巯基自氧化产生大量ROS，而ROS可上调NLRP3基因表达，是NLRP3炎症小体激活的关键因素。Zhang等37报道同型半胱氨酸能激活肾脏足细胞NLRP3炎症小体诱导肾小球硬化。此外，牙周炎被认为是AS的危险因素之一，这可能与它对炎症小体的调节有关。三、展望综上所述，NLRP3炎症小体触发的炎性反应在AS形成中起重要作用，脂代谢紊乱、高血压与肾脏疾病、高同型半胱氨酸血症、肥胖、糖尿病、吸烟及代谢综合征等多种心血管危险因素均可激活NLRP3炎症小体，通过促IL1和IL18等的表达，促进AS发生和进展，最终导致心血管疾病和事件的发生。因此，炎症小体的发现丰富了我们对心血管疾病发病机制的认识，虽然目前尚无针对NLRP3的药物，但干预NLRP3炎症小体的激活可能成为AS疾病防治的新靶点。
