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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(nucleotidebindingandoligomerization,NACHT)结构域,能介导自身寡聚反应;N端是热结构域(pyrindomain,PYD)或caspase募集结构域(caspaserecruitmentdomain,CARD),可介导下游信号转导;C端为亮氨酸富集结构域(leucine-richrepeat,LRR),用于识别配体。
NLRP3(nucleotide-bindingdomainandleucine-richrepeatprotein3)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(pro-caspase-1)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caspase-1前体(pro-caspase-1)裂解为有活性的caspase-1,活化的caspase-1将IL-1β前体(pro-IL-1β)和IL-18前体(pro-IL-18)裂解为成熟体IL-1β和IL-18,从而引起无菌性炎性反应和caspase-1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IL-1β前体的加工,并诱导成熟的IL-1β释放以引起组织炎症反应。
此外,半胱天冬蛋白酶-1促进Gasdermin-D(GSDMD)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NF-κB信号通路上介导了NLRP3炎症小体上调和前体IL-1β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γ-干扰素(IFN-γ)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,IL-1β是肠道中NLRP3炎性小体下游最可能的效应分子,而IL-18可能是通过继发效应间接受NLRP3的影响,因为IL-18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IL-1β等促炎因子介导。
IL-1β、IL-18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,炎症反应和脂质代谢失常,此时在NLRP3、IL-1β、TNF-α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。
IL-1β和IL-18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(ox-LDL)可通过诱导胆固醇结晶和激活引发信号,引起NLBP3表达,释放IL-1β,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ox-LDL,促进细胞ROS产生等途径激活NLRP3炎症小体,促进IL-1β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],ox-LDL通过上调巨噬细胞内P2X7R诱导蛋白激酶R(proteinkinaseR,PKR)磷酸化,促进大量磷酸化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,ox-LDL提供了启动NLRP3和IL-1β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ox-LDL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,ox-LDL也起着一定的调节作用。
LPS通过结合巨噬细胞凝集素样ox-LDL受体-1(LOX-1)诱导细胞内线粒体ROS生成,线粒体DNA(mitochondrialDNA,mtDNA)损伤,自噬小体形成,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IL-1β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NF-κB,从而促使IL-6、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)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IL-lβ和IL-18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NLRP3炎症小体,诱导caspase-1活化,促使细胞释放大量IL-1β,加速AS病变进展。
Wen等[22]发现,β-磷酸甘油(β-glycerophosphate,β-GP)诱导原代大鼠主动脉VSMCs发生钙化后,细胞内NLRP3、ASC及caspase-1的mRNA水平增加,细胞释放大量IL-1β;沉默NLRP3蛋白后,可降低IL-1β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,caspase-1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,原发性高血压患者血清IL-1β水平显著升高,提示细胞因子IL-1β与高血压存在一定相关关系,且IL-1β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IL-1β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pro-caspase-1的高表达,IL-1β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/IL-1β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高2-4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IL-1β、TNFα等炎性反应因子。
肾小管上皮细胞系中的NLRRP3、IL-1β、IL-18、ATP水平均有所增加,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,ATP-P2X4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caspase-1和IL-1β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IL-1β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IL-1β几乎可以完全抑制由单钠尿酸盐引发的炎症,而IL-1β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IL-1β。
Riteau等[29]近期发现,单钠尿酸盐可以通过激活胞外的ATP-P2X7R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,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IL-1β。
在高脂诱导的肥胖小鼠模型中,脂肪组织NLRP3、ASC和caspase-1表达上调,IL-1β的成熟体增多,敲除NLRP3和caspase-1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的caspase-1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IL-1β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caspase-1,增加IL-1β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[34-35]。
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IL-1β和IL-18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。
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