NLRP3炎症小体----介导动脉粥样硬化与炎症反应的桥梁

  动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)是多种心、脑血管疾病共同的病理基础,探索AS形成及发展的机制是医学研究的重点领域。炎症反应贯穿AS形成及发展的全过程,参与AS早期形成、病变进展,直至粥样斑块破裂导致急性心、脑血管事件的发生。近5年,细胞内模式识别受体NLRP3炎症小体介导的慢性炎症反应受到广泛关注,被认为是介导AS与炎症反应的桥梁。本文就近年来NLRP3炎症小体参与AS形成及发展的相关研究做一综述。


1.炎症小体

  外源性病原微生物感染和机体某些内源性危险因子通过触发机体的固有免疫系统(innate immune system)激发和维持的非感染性炎症反应(sterile inflammation)在AS形成和发展中发挥作用。近年研究表明,先天固有免疫识别受体信号通路是介导先天性免疫系统和AS的桥梁,模式识别受体(pattern-recognition receptors,PRRs)则是先天固有免疫的一种独特存在形式,通过感知病原体关联的分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)识别外源性入侵的病原体以及机体内源性的危险因素。对于模式识别受体的认识在过去20年的研究中一直围绕细胞膜表面的模式识别受体,其中Toll样受体为典型代表;而在近5-10年,细胞胞浆内的核苷酸结合寡聚结构域样受体(nucleotide-binding oligomerization domain(NOD)-like receptors, NLRs)受到极大关注。


  NLRs家族是一种功能和结构上高度相似的细胞浆内模式识别受体。人类NLRs家族大概有23个成员,都具有3个特征性结构,分别是C末端的富含亮氨酸的重复结构域(LRR),位于中心的NACHT结构域(NACHT),和N末端的PYD结构域,其中LRR负责感受识别细胞内的病原体相关分子模式及其他配体,而PYD结构域则连接下游的衔接蛋白[1]。NLRs通过识别那些突破细胞膜表面进入细胞内的外源性病原体成分以及内源性激活物(包括死亡细胞成分、小分子免疫激活物和某些晶体或聚集物等),启动细胞内炎症介质的释放和反应。虽然每种NOD样受体家族成员都有其各自相对严格的配体,但目前对这些受体的确切配体和其相互作用的机制仍有很多争议。


  NLRP3是研究最为广泛和深入的NLR,与NLRs家族其他成员不同,NLRP3的配体更多的是内源性的,如细胞坏死成分、细胞外基质成分、二聚糖、透明质酸、尿酸盐结晶等,包括近年研究发现的葡萄糖、胰岛淀粉样多肽、胆固醇结晶、氧化低密度脂蛋白(ox-LDL)都可以激活NLRP3炎症小体[2-5],在非感染情况下引发和维持慢性炎症反应,这就为NLRP3在AS形成及发展中的作用奠定了基础。NLRP3同样具有三个特征性结构,分别是C末端LRR,位于中心的NACHT,和N末端的PYD结构域。在外源性病原体成分或内源性配体的作用下,NLRP3的结构打开,由其PYD结构域招募转接蛋白ASC,再由ASC的CARD结构域继续招募胱天蛋白酶-1(caspase-1)前体,形成NLRP3炎症小体,并对caspase-1前体进行剪切,生成有生物活性的caspase-1进一步促进IL-1β前体(pro-IL-1β)和IL-18前体(pro-IL-18)的切割活化,最终促进IL-1β和IL-18的成熟及分泌[6]。IL-1β和IL-18被认为是炎症反应的主开关,诱发下游其他炎症介质的级联样释放[7-11],在AS的形成及进展中发挥作用。2017年欧洲心脏病学会(ESC)年会上公布并同步发表于《新英格兰医学杂志》的CANTOS研究最新结果显示,IL-1β单克隆抗体卡纳单抗(Canakinumab)可以在标准药物治疗基础上,将心肌梗死后不良心血管事件的发生风险进一步降低15%[12],该研究首次直接证明靶向抑制IL-1β可以降低心血管事件的发生,为AS的炎症假说提供了直接证据,也为后续更多炎症靶向药物的开发提供了依据。而NLRP3炎症小体作为促进IL-1β生成的重要上游激活物,是IL-1β生成的关键环节,其研究意义更为突出。

 

2.NLRP3炎症小体与AS

  Duewell等[5]2010年在NATURE杂志上发表的一篇文章对于NLRP3炎症小体的研究具有里程碑式的意义,该研究第一次揭示了胆固醇结晶能够通过活化NLRP3炎症小体诱发炎症反应,进一步参与AS形成,NLRP3炎症小体关键组分缺失后动脉硬化程度及炎症反应均有明显减轻。高同型半胱氨酸血症(HHcy)已被证实与AS及血管炎症反应有关,AS小鼠体内,HHcy可以激活巨噬细胞中NLRP3炎症小体及下游炎症因子,促进ROS的产生及单核细胞向内膜下的迁移,干扰NLRP3活性后Hhcy上述功能则被逆转,表明NLRP3炎症小体在Hhcy促AS中起到关键的介导作用[13]。2017年Science一项重要研究表明,TET2,一个易位的造血干细胞的体细胞突变,可以促进AS发展。人AS病变中TET2表达减少,而TET2缺失的小鼠巨噬细胞浸润明显增加,血管炎症反应加重,TET2缺失的巨噬细胞中NLRP3炎症小体及下游炎症因子表达却显著增加,提示NLRP3炎症小体在TET2调控AS中的关键作用[14]。


  血管内皮细胞功能障碍被认为是AS病变中的始动环节,当内源性的危险因素如血脂、血糖、血管壁剪切力的变化造成血管内皮的损伤后,血管内皮细胞募集炎症细胞是动脉AS慢性血管炎症反应的重要特点。近期一项研究通过振荡剪切流模拟动脉血管内剪切力建立的AS内皮细胞损伤模型,发现振荡剪切流可以激活内皮细胞中的胆固醇调节元件结合蛋白2(SREBP2)和NLRP3炎症小体;同时发现高脂饮食的AS小鼠主动脉斑块中SREBP2和NLRP3表达均增高;进一步研究表明SREBP2通过调控NLRP3炎症小体活化加剧血管内皮炎症反应,进而促进AS进展[15]。另一项研究表明,当血管壁受到AS危险因素刺激后,血管内皮细胞中的溶酶体受到活化,进一步激活细胞内的NLRP3炎症小体并启动下游炎症因子IL-1β的释放,同时又以自分泌方式促进IL-6和IL-8的释放,进一步加剧AS病变发展[16]。此外,抑制NLRP3炎症小体活化可以对血管内皮发挥保护作用。非编码小分子RNA(miRNAs)参与调控与AS相关的血管壁炎性反应,一项研究显示miRNA-22可以通过抑制NLRP3炎症小体活化,进而抑制内皮细胞的调亡及损伤,参与AS的形成及进展[17]。Deng等研究发现,鸢尾素通过ROS/NLRP3通路依赖途径可有效抑制高糖诱导的内皮细胞损伤及炎症反应[18]。由此可见,NLRP3介导的炎症反应可能在AS早期内皮细胞功能障碍中发挥作用。


  单核巨噬细胞浸润及泡沫细胞形成是AS病变进展的重要特征。我们课题组既往研究发现冠心病患者外周血单核细胞NLRP3及下游casepase-1、IL-1β和IL-18表达明显高于正常对照组,并且在不稳定型心绞痛组患者中表达显著高于稳定型心绞痛组患者,且NLRP3的表达与反映冠脉病变严重程度的SYNTAX及Gensini积分成正相关[19,20];课题组采用不同脂蛋白成分,包括氧化低密度脂蛋白(ox-LDL),氧化高密度脂蛋白(ox-HDL)作用于单核细胞后可以促进NLRP3表达,并进一步活化NLRP3炎症小体下游的caspase-1,诱发IL-1β和IL-18的分泌,这种活化效应具有浓度依赖性;通过NLRP3 siRNA下调单核细胞内NLRP3的表达,能够明显抑制不同脂蛋白诱导的NLRP3炎症小体活化及其下游炎症因子的表达[21];进一步研究发现NLRP3炎症小体能够促进ox-LDL诱导的巨噬细胞迁移及泡沫化过程,干预或抑制NLRP3表达可以降低巨噬细胞对ox-LDL摄取能力,表明NLRP3炎症小体参与AS的机制超出其促炎作用,可能影响巨噬细胞的迁移能力及细胞泡沫化的敏感性[22]。此外,研究表明食用混合鱼油可以防治AS、减轻血管炎症反应,其作用机制是通过抑制巨噬细胞中NLRP3炎症小体活化诱发的炎症反应,同时激活巨噬细胞的自噬发挥作用[23]。日本研究人员发现,冠心病患者心外膜脂肪组织(EATV)中巨噬细胞数、细胞因子、脂肪因子的表达较正常人明显增高,且NLRP3、IL-1β的表达与心外膜脂肪组织指数(EATV/体表面积,cm3/m2)呈正相关,提示心外膜脂肪代谢失调及NLRP3炎症小体活化诱发的炎症反应与冠状AS疾病密切相关[24]。Lee等研究发现,与单纯2型糖尿病患者相比,2型糖尿病合并颈AS的患者外周血单核细胞中NLRP3炎症小体组分(除Caspase-1外)均显著增高,且与颈动脉内膜中层厚度(IMT)呈正比,表明NLRP3炎症小体在糖尿病患者AS病变进程中发挥重要的作用[25]。另一项研究发现颈AS患者外周血及颈动脉斑块中IL-27及其受体表达均显著升高,而IL-27可促进单核细胞中NLRP3炎症小体活化及IL-1β的成熟与释放,表明IL-27及其受体可能通过调节NLRP3炎症小体在AS中发挥作用[26]。


  AS斑块的稳定性是影响急性心、脑血管事件发生的病理基础,NLRP3炎症小体与AS斑块稳定性密切相关。我们课题组研究发现外周血单核细胞NLRP3及下游casepase-1、IL-1β和IL-18表达在心肌梗死发生即AS斑块破裂的急性期表达明显增加,提示NLRP3的表达可能促进冠脉病变进展及斑块的不稳定性增加[19];课题组采用血管多普勒超声计算斑块不稳定性危险积分(Modified plaque vulnerability risk score,MPVRS)评价颈动脉斑块的稳定性,并结合颈动脉斑块剥脱术后的组织病理学分析,发现NLRP3炎症小体在AS不稳定斑块内表达明显高于稳定斑块[27]。临床腘动脉标本检测结果显示,与正常无钙化的血管组织相比,血管钙化区域的NLRP3炎症小体组分的mRNA水平和caspase-1的活性显著增高,这表明NLRP3炎症小体介导的炎症反应与动脉血管钙化紧密相关[28]。AS斑块的不稳定性取决于泡沫细胞所构成的脂质池大小,以及斑块表面的纤维帽薄厚。Li等[29]用ATP刺激骨髓巨噬细胞,细胞内NLRP3炎症小体活化增强,导致Caspase-1的活化及IL-1β的生成增加;NLRP3炎症小体活化后显著增加巨噬细胞的迁移能力以及对脂质摄取的敏感性,促进并保留巨噬细胞进入动脉壁,形成泡沫细胞,最终导致AS形成和斑块不稳定性增加。Zheng F等[30]抑制NLRP3表达后AS斑块部位的巨噬细胞数量和脂质含量均减少,平滑肌细胞增殖及胶原蛋白表达增高,提示干预NLRP3炎症小体活化能够抑制AS斑块进展,增加AS斑块的稳定性。新近研究表明,磷酸钙微粒在动脉壁沉积可以活化NLRP3炎症小体进一步诱发炎症反应,参与动脉粥样斑块的纤维帽形成;同时磷酸钙通过脾络氨酸激酶浓度依赖的形式刺激血管平滑肌细胞外泌体的释放,进一步促进IL-1β的产生,促进AS中的炎症反应[31]。血管平滑肌细胞在AS进展中迁入内膜下转变为肌源性泡沫细胞,其与NLRP3炎症小体参与的炎症反应密切相关,对AS斑块稳定性、血管重建起到至关重要的作用。凋亡的血管平滑肌细胞可以诱导细胞NLRP3炎症小体激活,促进下游炎症因子大量释放,继而加剧血管炎症反应及AS进程[32]。NLRP3炎症小体的组蛋白激活发生乙酰化修饰和NF-κB通路的激活可以调控血管平滑肌细胞表型转换、增殖和血管重建[33]。在自发性高血压小鼠体内敲除NLRP3,可明显抑制血管紧张素II诱导的血管平滑肌细胞的增值、分化以及血管重建[34]。


3.NLRP3----防治AS的新靶点

  卡纳单抗是人IL-1β的单克隆抗体。Paul Ridker博士领导的CANTOS研究[12],入选来自39个国家的10061例合并超敏C反应蛋白(hs-CRP)升高(>2mg/L)的心肌梗死患者,所有患者在标准药物治疗基础上,随机分为4组:安慰剂组、卡纳单抗50mg、150mg或300mg组,卡纳单抗每3个月经皮下注射1次,中位随访时间3.7年。主要终点事件包括非致命性心肌梗死、非致命性中风或由心血管疾病引起的死亡,次要终点事件包括主要终点的任意一个或是需要住院治疗的心绞痛、全因死亡。相对于安慰剂组,卡纳单抗治疗组主要终点心血管事件的发生风险分别减少了7%、15%和14%;次要终点心血管事件的发生风险分别减少了10%、17%和17%。CANTOS研究首次直接证明干预IL-1β可以减少心血管疾病的进展,也为NLRP3炎症小体成为抗AS靶向药物的开发提供了有力的间接依据。


  目前虽尚无临床实验直接证明干预NLRP3炎症小体能够降低AS的发生及进展,但我们课题组既往研究发现他汀类药物及中药柴胡皂苷均能通过抑制NLRP3炎症小体活化而发挥抗炎及抗AS作用[35,36]。动物研究表明在Apo-E基因缺陷小鼠AS模型中,干预NLRP3表达可以明显减轻小鼠AS程度,并增加AS斑块稳定性。MCC950是目前发现的针对NLRP3的特异性小分子抑制剂,Thomas等通过腹腔注射每周3次给予Apo-E基因缺陷小鼠注射MCC950,持续4周,同时喂以高脂饮食,结果发现MCC950能够明显减轻小鼠AS斑块部位的巨噬细胞浸润,缩小AS斑块体积,减轻小鼠AS程度[37]。

 

  综上所述,NLRP3炎症小体在介导先天免疫炎症反应和AS间发挥重要作用,NLRP3炎症小体的深入研究丰富了我们对AS炎症反应学说的认识。目前尚缺乏NLRP3炎症小体用于防治AS的直接证据,NLRP3炎症小体能否成为防治AS的有效靶点仍需深入研究及论证。

 

参考文献:略


    2019/8/25 16:23:03     访问数:818
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