NLRP3炎性小体及其下游细胞因子在哮喘中的作用研究进展.pdf

基 金 项 目:国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 科 学 基 金 资 助 项 目(31901008);福建省自然科学基金面上项目(2021J01343);福建省大学生创新创业训练计划项目(202112631015)作者单位:361023 厦门医学院药学系(黄莎莎、黄丽端、许秋凤);361023机能与临床转化福建省高校重点实验室、厦门医学院基础医学部(陈淑珍)通信作者:陈淑珍,博士,副教授,硕士生导师,电子信箱:NLRP3 炎性小体及其下游细胞因子在哮喘中的作用研究进展黄莎莎黄丽端许秋凤陈淑珍摘要哮喘作为一种常见慢性疾病,困扰着全球数亿患者。NLRP3 炎性小体是固有免疫的重要组成部分。大量研究表明,过度激活 NLRP3 炎性小体将增加气道炎性细胞浸润,进而导致气道高反应性,诱导气道重塑。NLRP3 炎性小体的激活将直接导致白细胞介素-1(interleukin-1,IL-1)、IL-18、IL-33 的成熟,随后三者被分泌至胞外,参与哮喘的发生、发展。本文将综述 NLRP3 炎性小体在哮喘中的作用,并着重阐述其下游细胞因子 IL-1、IL-18 以及 IL-33 在两种哮喘亚型中的作用,以期为临床治疗哮喘以及开发相关靶向药物提供研究思路。关键词NLRP3 炎性小体IL-1IL-18IL-33哮喘中图分类号R392文献标识码ADOI 10.11969/j.issn.1673-548X.2024.03.038支气管哮喘简称哮喘,是一种慢性疾病,表现为气道高反应性(airway hyperresponsiveness,AHR)、气道重塑、黏液分泌增多、喉中发出轰鸣声等1。哮喘是世界上仅次于癌症的第二大致死和致残疾病,严重危害人们的健康。哮喘发病过程有多种细胞参与,包括嗜酸性粒细胞(eosinophil,Eos)、中性粒细胞(neu-trophil,Neu)、树突细胞(dendritic cell,DC)、T 细胞、肥大细胞等。根据气道炎症模式不同,可将哮喘分为 2 型高炎症性哮喘和 2 型低炎症性哮喘。根据发病时痰液中显著增加的细胞不同,2 型高炎症性哮喘可分为嗜酸性粒细胞性哮喘(eosinophilic asthma,EA)和混合性哮喘,2 型低炎症性哮喘可分为中性粒细胞性哮喘(neutrophilic asthma,NA)和寡细胞性哮喘1。临床患者中以 EA 或 NA 患者居多。既往研究表明,核苷酸结合寡聚化结构域样受体家族含热蛋白结构域蛋白 3(nucleotide-binding domain,leucine-rich-containing family,pyrindomain-containing-3,NLRP3)炎性小体贯穿于哮喘的各个时期,在其过度激活后,机体产生大量炎性细胞因子白细胞介素-1(interleukin 1,IL-1)、IL-18 以及 IL-33,将导致机体出现气道重塑等不良后果,在哮喘的发生、发展中发挥重要作用。本文主要介绍 NLRP3 炎性小体及其下游细胞因子 IL-1、IL-18、IL-33 在哮喘中的作用。一、NLRP3 炎性小体1.NLRP3 炎性小体的 结构:NLRP3 是胞质内NOD 样受体(NOD-like receptor,NLR)中的一员,在固有免疫反应中扮演重要角色。正常状态下,NLRP3蛋白处于无活性状态;当与其配体结合时,中部结构域发生变构,招募接头蛋白 ASC(apoptosis-associat-ed speck-like protein containing a CARD,ASC)并与其结合,进而共同招募半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶1(cysteinyl aspartate specific proteinase 1,caspase-1)前体 pro-caspase-1,三者共同组成 NLRP3 炎性小体2。2.NLRP3 炎性小体的激活机制:目前认为激活NLRP3 炎性小体需要两种模式受体配合完成,其激活过程需要两个信号。首先,Toll 样受体等识别病原体相关分子模式,活化核因子 B,诱导 NLRP3、pro-IL-1、pro-IL-18、pro-IL-33 蛋白表达,此为启动信号;随后,胞质内模式受体 NLRP3 识别危险信号并与 ASC、pro-caspase-1 组装成 NLRP3 炎性小体,使 pro-caspase-1 自切割为成熟的 caspase-1。最后,pro-IL-1、pro-IL-18、pro-IL-33 被caspase-1 切割形成成熟的 IL-1、IL-18 和 IL-33,分泌至胞外,参与炎性反应,这是激活信号2。981医学研究杂志 2024 年 3 月第 53 卷第 3 期综述与进展NLRP3 炎性小体的激活信号错综复杂。研究显示,溶酶体损伤、细胞内外离子(如 K+、Cl-、Ca2+等)浓度异常、活性氧激活、高尔基体解体以及高尔基体与线粒体相关内质网膜共同作用等状况都可能引起NLRP3 炎性小体激活3。图 1NLRP3 炎性小体激活信号通路 3.NLRP3 炎性小体与哮喘:作为固有免疫的重要组成部分,NLRP3 炎性小体是治疗哮喘的一个关键靶点。哮喘急性发作的患儿经布地奈德混悬液雾化吸入治疗后,哮喘症状明显缓解,这与 IL-1 水平、NLRP3 mRNA 的降低有关4。Ma 等5研究发现,哮喘小鼠肺泡巨噬细胞中的 NLRP3、caspase-1和 IL-1 表达升高;敲除 NLRP3 基因(NLRP3-/-)小鼠肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)中 Eos 和 Neu 数量减少、IgE 浓度降低,AHR 得到缓解。此 外,NLRP3 抑 制 剂 RRx-001 和 MCC950,caspase-1 抑制剂 VX-765 和 Ac-YVAD-CHO 都能有效改善小鼠哮喘症状5,6。这些研究表明,NL-RP3 炎性小体及其下游产物 caspase-1 在哮喘的发病过程中发挥着巨大作用,但其作用机制仍有待于进一步研究。随着研究的不断深入,NLRP3 炎性小体下游细胞因子 IL-1、IL-18 和 IL-33 也被证实与哮喘关系紧密,深入了解三者在哮喘中的作用,将为治疗哮喘提供新思路。二、IL-1、IL-18、IL-33 概述1.IL-1:IL-1 主要由骨髓细胞产生,其中,巨噬细胞是其最主要的来源。作为机体免疫的重要组成部分,巨噬细胞在过敏原等刺激下可以产生过量炎性细胞因子,引发或加重哮喘,给机体造成不可逆转的损伤7。caspase-1 是使 IL-1 切割成熟的关键酶,除了 caspase-1,caspase-8、caspase-11 以及组织蛋白酶 G 等也可以切割 pro-IL-1 并使其成熟,但效率远不如 caspase-18。2.IL-18:IL-18 主要在骨髓细胞、上皮细胞中表达,其中 Neu 是哮喘患者血液中主要表达 IL-18的白细胞。Neu 活化后释放的炎性细胞因子、蛋白酶、氧自由基等物质将诱导机体产生 AHR、气道重塑等不良症状9。IL-18 与 IL-1 同属于 IL-1 家族,caspase-1、caspase-8、颗粒酶 B、蛋白酶 3 等也能切割活化 IL-188。3.IL-33:IL-33 也是 IL-1 家族中的一员,主要在上皮细胞、DC 中表达。上皮细胞与 DC 在哮喘的发展中发挥重要作用,其中上皮细胞与气道重塑、AHR 等有关,而 DC 对于诱发、维持和抑制肺部变应性炎 症 至 关 重 要7,10。研 究 普 遍 认 为,成 熟 的caspase-1 切割 pro-IL-33 使其成熟并分泌至胞外,发挥生理活性。然而,另有研究者提出 IL-33 的生成仅受 NLRP3 蛋白影响,而非 NLRP3 炎性小体;还有研究认为成熟的 caspase-1 导致 IL-33 失活,与上述经典炎性小体激活途径调控 IL-33 活化的理论大相径庭11,12。同样,除了 caspase-1,研究显示组织蛋白酶 G 等多种蛋白酶也能对 IL-33 进行切割091综述与进展J Med Res,March 2024,Vol.53 No.3活化13。总之,尽管 IL-1、IL-18、IL-33 可被多种酶切割成熟,但最主要的仍是通过经典 NLRP3 炎性小体激活途径,即 caspase-1 切割来完成。同时,表达三者的细胞,大多参与哮喘的发生、发展,并发挥着重要作用。深入研究 NLRP3 炎性小体下游细胞因子IL-1、IL-18、IL-33 将为治愈哮喘提供思路。三、IL-1、IL-18、IL-33 与嗜酸性粒细胞性哮喘EA 属于 2 型高炎症性哮喘,是辅助性 T 淋巴细胞 1(T helper cell 1,Th1)/Th2 细胞失衡而致的哮喘类型,初始 CD4+T 细胞倾向分化为 Th21。Th2可分泌多种 Th2 型细胞因子(如 IL-4、IL-5、IL-13等),这些细胞因子皆在哮喘的诱发过程中发挥作用。在正常机体内,Eos 只能生存 2 5 天;但在 EA患者体内,Eos 的寿命被 Th2 型细胞因子大大延长,使气 道 被 大 量 Eos 浸 润,这 是 发 生 EA 的 前 提 条件14。在哮喘患者中,EA 患者占绝大多数,NLRP3炎性小体下游细胞因子在其发生、发展中发挥重要作用。1.IL-1:IL-1 可以招募 Eos 到气道中,通过增强 Eos 活性、抑制其凋亡并增加 Th2 型细胞因子分泌从而诱发哮喘15,16。IL-1 受体拮抗剂(interleu-kin-1 receptor antagonist,IL-1Ra)是 IL-1 的天然抑制剂,可与 IL-1 结合,阻断 IL-1 的作用。研究显示,IL-1Ra-/-小鼠 AHR 加重、炎性细胞因子分泌增加17。综上所述,IL-1 可促进哮喘的发生、发展,治疗靶点是治疗哮喘的一个重要思路。2.IL-18:IL-18 可提高 IgE 水平,促进 Eos 趋化因子 eotaxin 的产生与分泌,增加炎症部位 Eos 数量,且可以同时增强 Th1、Th2 型反应,产生对应的下游因子,如干扰素-(interferon,IFN-)、IL-13等引发哮喘18,19。使用 IL-18 中和抗体治疗后,小鼠的哮喘症状得到明显缓和19。然而,Hofstra 等20用 IL-18 和 IL-12 联合治疗哮喘小鼠,检测治疗前后血清中 IgE、BALF 中 Eos 数量以及 AHR 程度,发现治疗后的小鼠各项体征都有所改善。研究指出,IL-18 可与 IL-12 协同作用,共同促进 Th1 增殖与激活,诱导 Th1 介导的免疫反应,促进 IFN-分泌,调节Th1/Th2 细胞平衡,从而改善 EA20。目前 IL-18 对EA 的作用机制仍不完全清楚,无论是使其恶化或改善,都表明 IL-18 在 EA 中发挥着作用。3.IL-33:IL-33 可与肿瘤发生抑制蛋白 2(suppression of tumorigenicity 2,ST2)结合,激活 Eos等细胞,促进 Th2 型细胞因子分泌,加重哮喘症状,参与气道重塑,在哮喘、鼻炎等疾病过程中发挥重要作用21,22。An 等22实验发现,ST2-/-小鼠明显降低了OVA 致敏引发的 AHR、炎性细胞浸润、肺组织中 Th2型细胞因子、纤维化相关蛋白的表达以及血清总 IgE水平。冯净净等21研究发现,哮喘小鼠 IL-33、IgE水平升高,BALF 中 Eos 比例、Th2 型细胞因子升高;使用 IL-33 抗体阻断后,IL-4、IL-13、IL-17 的表达均下降。上述研究表明,调控 IL-33 水平有望成为治疗哮喘的有效方法。图 2IL-1、IL-18、IL-33 在嗜酸性粒细胞性哮喘中的作用机制四、IL-1、IL-18、IL-33 与中性粒细胞性哮喘NA 有别于传统的 EA,是较难治疗的哮喘类型,气道炎症程度高于 EA,且对激素治疗效果不明显。NA 属于 2 型低炎症性哮喘,是由 Th17/调节性 T 细胞(regulatory T cell,Treg)失衡诱导的,初始 CD4+T细胞倾向分化为 Th171,23。Th17 分泌的IL-17 可以刺激巨噬细胞、气道上皮细胞、成纤维细胞等产生IL-8、IL-1 等多种细胞因子,其中 IL-8 又被称为中性粒细胞因子,可以激活和招募 Neu,诱导 AHR 及促进气道重塑23。因此,IL-17、Th17 已成为治疗NA 的热门靶点。与此同时,NLRP3 炎性小体的下游细胞因子也在其 中发挥 着 重 要 作 用,值 得 进 一 步探究。1.IL-1:IL-1 能促进粒细胞集落刺激因子(granulocyte colony stimulating factor,G-CSF)分化Neu,能诱导 IL-8 合成,还能促进 Th17 分化进而影响 IL-17 产生,直接或间接诱发中性粒细胞性炎症,191医学研究杂志 2024 年 3 月第 53 卷第 3 期综述与进展导致 NA 的发生8,15,24。IL-1 需与 IL-1 受体(in-terleukin-1 receptor,IL-1R)结合后才能进行信号转导,发挥功能。研究显示,IL-1R-/-哮喘小鼠的气道炎症能被有效缓解15。综上所述,IL-1 贯穿NA 发生、发展的过程,是影响 NA 的重要因子,深入研究 IL-1 的作用将为治疗 NA 提供新思路。2.IL-18:IL-18 可促进 Neu 增殖并将其招募至气道,诱导 NA 发生9。IL-18 还能单独或协同IL-23、IL-12 促使 Th17 分化和 IL-17 生成25,26。在难治性哮喘小鼠模型中,IL-18-/-小鼠的 BALF中 Neu 减少,且 AHR 程度也有所降低,气道状态更好。另有实验证明,在原代人类肺泡上皮细胞中,IL-18 可以诱导 IL-6、IL-8 表达,促进 Th17 发育,招募 Neu 至炎症部位27。综上所述,IL-18 可单独或联合 IL-23、IL-12 促进 NA 发生,减少或抑制IL-18 可以缓解和治疗哮喘。3.IL-33:IL-33 可直接作用于肥大细胞,促进IL-1 和 IL-6 产生,从而增强 Th17 分化,最终可能诱发 Neu 主导的气道炎症。IL-33 还可通过促进DC 成熟抑制 Treg 分化,诱导 Th17 生成,升高 IL-17水平。Park 等28研究显示,在 IL-33 的刺激下,未成熟的 DC(IM-DC)将转化为成熟的 DC(IL-33-MAT-DC)。IL-33-MAT-DC 可以通过减少Treg 转录调节因子 Foxp3 的表达来抑制 Treg 的分化。IL-33 在 NA 中的作用机制尚不明确,基于其对Th17 的调控作用,IL-33 有待于成为哮喘治疗的新靶点。图 3IL-1、IL-18、IL-33 在中性粒细胞性哮喘中的作用机制五、展望哮喘作为仅次于癌症的世界第二大致死和致残疾病,给患者带来了不可逆转的伤害。NLRP3 炎性小体及其下游细胞因子 IL-1、IL-18 和 IL-33 是影响哮喘发生、发展的关键。但目前为止,以其为治疗靶点的临床应用实例较少,它们在哮喘中的作用也尚未完全研究透彻。深入研究 NLRP3 炎性小体及其下游细胞因子在哮喘中的作用及机制,以便有的放矢地进行药物研究,为临床缓解和治疗哮喘提供思路。利益冲突声明:所有作者均声明不存在利益冲突。参考文献1 Brusselle GG,Koppelman GH.Biologic therapies for severe asthmaJ.N Engl J Med,2022,386(2):157-1712 Blevins HM,Xu Y,Biby S,et al.The NLRP3 inflammasome path-way:a review of mechanisms and inhibitors for the treatment of in-flammatory diseases J.Front Aging Neurosci,2022,14:8790213 Jiang C,Xie S,Yang G,et al.Spotlight on NLRP3 inflammasome:role in pathogenesis and therapies of atherosclerosis J.J InflammRes,2021,14:7143-71724 杨滨滨,宋文涛.大剂量布地奈德混悬液雾化吸入治疗哮喘急性291综述与进展J Med Res,March 2024,Vol.53 No.3发作的临床效果及对患儿 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