NLRP3炎症小体在脑缺血再灌注损伤中的作用及靶向治疗进展

NLRP3炎症小体在脑缺血再灌注损伤中的作用及靶向治疗进展

潘彦瑾*1张玉慧1吴启光1白泽宇1王勇1’2△

（1.广西肿瘤免疫与微环境调控重点实验室，广西  桂林541199；2.桂林医学院生理学教研室，广西  桂林541199）

脑卒中因高发病率、高致残率和高死亡率已经成为威胁人类生命健康的第二大疾病。目前，急性缺血性脑卒中的首选治疗方式是通过溶栓治疗恢复血供，然而部分病人恢复血供后不但未能减轻中枢神经系统功能障碍，反而加重大脑损伤，即脑缺血再灌注损伤。炎症反应是引起缺血再灌注损伤的主要原因之一，特别是NLRP3炎症小体引起的炎症级联反应，NLRP3炎症小体是一种多蛋白复合物，在炎症过程中起着至关重要的作用。因此炎症小体可能是防治缺血性脑卒中的有效靶标。在当前的综述中，我们主要关注NLRP3炎症小体在脑缺血再灌注损伤中的作用，并讨论其在脑缺血再灌注损伤中的靶向治疗进展。

关键词：NLRP3；炎症小体；缺血再灌注损伤；炎症反应

脑卒中是因脑部血管突然破裂出血或脑部血管阻塞而导致脑组织损伤的一种急性脑血管疾病[1]。目前脑卒中是全球最常见的死亡和残疾原因之一，也是我国居民第一位致残及致死原因。由脑血管阻塞或狭窄引起的缺血性卒中是最常见的类型，占所有脑卒中患者的72%[2]。目前，缺血性脑卒中多采用溶栓药物或手术处理等方式及时恢复脑组织血流灌注。然而，当缺血时间过长（通常在4h以上），重新恢复脑血流灌注时，反而会加剧脑组织损伤，这一现象被称为脑缺血再灌注损伤（cerebral ischemia reperfusion injury, CIRI）。再灌注的过程中，氧化应激会产生大量的自由基，进一步损伤细胞膜、蛋白质和DNA。炎症反应也会被激活，导致促炎细胞因子的释放和炎性细胞的浸润。这些炎症细胞和细胞因子可以引发细胞焦亡和炎性损伤。最近的许多研究表明，NLRP3炎症小体在脑缺血再灌注损伤中发挥重要作用，可能成为未来缺血性脑卒中防治的潜在靶点。

一、NLRP3炎症小体的结构特征及功能

炎症小体（Inflammasome）是一种蛋白质复合物，由受体蛋白、接头蛋白ASC（Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD, 凋亡相关斑点样蛋白）以及下游的Caspase家族三部分组成，其在机体炎症反应过程中发挥重要作用。目前发现的炎症小体受体蛋白主要有NOD样受体（Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors, 核苷酸寡聚结合结构域样受体, NLRs），AIM2（Absent in melanoma 2，黑色素瘤缺乏因2）

#基金项目：国家自然科学基金地区科学基金项目（82260711）资助课题；

*作者简介：潘彦瑾，女，硕士研究生，主要从事脑卒中研究

△通讯作者：王勇，男，教授，主要从事脑卒中研究

和Pyrin等[3]。炎症小体NLRs家族的成员包括NLRP1、NLRP3和NLRC4等，其中近年来研究最广泛的是NLRP3。NLRP3受体蛋白含有PYD、NACHT和LRR三个结构域，接头蛋白ASC含有PYD和CARD结构域。NLRP3的PYD结构域和ASC的PYD结构域可结合形成同型PYD:PYD相互作用，而ASC中的CARD结构域可以和效应蛋白前半胱氨酸蛋白酶1（pro-caspase1）的CARD结构域结合形成CARD:CARD相互作用，通过ASC的桥梁作用组装成NLRP3-ASC-pro-caspase1复合体（NLRP3炎症小体）。在病原体相关分子模式（Pathogen-associated molecular patterns, PAMPs）或者损伤相关分子模式（Damage-associated molecular patterns, DAMPs）的作用下可激活NLRP3炎症小体。[4]NLRP3炎症小体介导的炎症级联反应大致分为两个步骤：第一步为启动步骤。主要由PAMPs和DAMPs两种不同的模式诱导核转录因子NF-κB激活[5]，随后转录翻译出NLRP3、白细胞介素-1β前体（Pro-IL-1β）和白细胞介素-18前体（Pro-IL-18）等，以及诱导NLRP3翻译后修饰[6]。第二步为激活步骤。多种上游信号通过激活NLRP3诱导炎症小体的形成。目前已被证实的上游信号主要有异常开放的离子通道（如K+外流[7]、Ca2+超载、Cl－外流以及Na+内流）[8]、受损线粒体释放的线粒体活性氧（Mitochondrial reactive oxygen species, mtROS）以及线粒体脱氧核糖核酸（Mitochondrial deoxyribo nucleic acid，mtDNA）[9]等。遭受各种刺激后，上游信号通路促进组装形成

NLRP3炎症小体，随后，炎症小体中的Pro-caspase1剪切激活转化为活性的Caspase-1。Caspase-1可剪切Gasdermin-D（GSDMD）蛋白导致GSDMD细胞膜孔的形成。Caspase-1还能剪切pro-IL-1β和pro-IL-18，形成IL-18和IL-1β，大量炎性因子等通过GSDMD细胞膜孔从细胞中释放出来，进一步加剧了细胞的炎性损伤。这一过程被称为细胞焦亡。细胞焦亡（Pyroptosis）[10]是近年来发现的一种可加剧炎症反应的程序性细胞死亡方式，因此又称细胞炎性坏死。与常见的细胞死亡途径(如坏死、凋亡和自噬)不同，细胞焦亡具有独特的表现模式和机制。形态学上，焦亡表现为坏死和凋亡的双重特征。形态学改变包括GSDMD膜孔形成、坏死样细胞膜破裂、细胞肿胀、促炎细胞内容物释放、核凝聚和脱氧核糖核酸断裂等[11]。与细胞凋亡相反，焦亡的特征是具有完整的线粒体和“球囊状”囊泡形成，有别于细胞凋亡中细胞色素c的释放[12]。目前越来越多的研究表明，脑缺血再灌注损伤与细胞焦亡关系密切。NLRP3炎症小体的激活可促进细胞焦亡过程，释放出的炎症因子加剧了局部脑组织炎症反应，导致大量神经细胞死亡、血脑屏障破坏和其他类型的继发性损伤[13]。因此，抑制NLRP3炎症小体的激活有望成为防治缺血性脑卒中的新策略。

二、NLRP3炎症小体与脑缺血再灌注损伤的关系

当脑缺血时，由于血液供应中断，脑细胞缺氧和能量供应不足，导致细胞内ATP（三磷酸腺苷）水平下降、细胞内酸化、钠离子和钙离子积聚等一系列的细胞损伤和代谢紊乱。当血液重新灌注到缺血区域时，虽然恢复了氧和营养物质供应，但也会引发细胞能量衰竭、氧化应激、炎症反应、细胞凋亡、细胞焦亡、血脑屏障破坏等病理生理过程[14]。NLRP3/caspase-1是细胞焦亡过程中主要的效应分子，Caspase-1能够将GSDMD剪切后释放N端，在质膜破坏后大量分泌促炎细胞因子和趋化因子。这些细胞因子和趋化因子驱动的迁移促使大量白细胞和其他免疫细胞进入梗死区域，加剧脑组织损伤并导致神经元死亡[15]。脑缺血再灌注的过程中会产生大量的活化氧（ROS）和腺苷三磷酸（ATP）等损伤因子[16]，活性氧（ROS）的产生可激活炎症反应和NLRP3炎症小体，触发神经细胞损伤、脑水肿和神经功能障碍。近来有研究表明，NLRP3炎症小体不仅在免疫器官和细胞中表达，在中枢神经系统中也有一定表达[17]，Alishahi等人的研究提出在神经炎症中起关键作用的IL-1β和IL-18细胞因子的成熟依赖于激活信号通路NLRP3/caspase-1[18]。同时Fann等[19]发现在体外和体内缺血条件下，小鼠原代皮质神经元中NLRP3、ASC、Caspase-1、IL-1β和IL-18水平升高，说明缺血情况下会激活NLRP3炎症小体，NLRP3通过激活Caspase-1片段诱导促炎细胞因子IL-1β和IL-18的成熟和分泌，并介导随后的免疫反应，刺激了缺血性损伤的炎症反应，促进细胞焦亡。有研究表明[20]，小胶质细胞在OGD/R后，ROS /NLRP3炎症小体信号通路被激活，导致mtROS生成增加，细胞中NLRP3、Caspase-1、IL-1β、IL-18表达升高，从而引发神经炎性反应和脑损伤。缺血性脑损伤后，神经元死亡在几分钟内发生。随着时间的延长，缺血区中心的神经元细胞和核膜破裂，细胞被裂解。而当抑制NLRP3炎症小体激活时，可明显改善CIRI模型的神经功能，减小其梗死面积及水肿程度。

三、抑制NLRP3炎症小体以改善脑缺血再灌注损伤的靶向治疗进展

目前，已发现通过靶向抑制NLRP3炎症小体上下游通路的天然药物在脑缺血再灌注损伤中发挥神经保护作用。NEK7被认为是NLRP3炎症小体的重要组成部分，NEK7和NLRP3之间的相互作用是NLRP3炎症小体组装的重要步骤。Li等人研究发现[21]，来源于传统草药甘草的主要成分甘草查尔酮B（Licochalcone B，LicoB）是NLRP3炎症小体的抑制剂。LicoB可直接结合NEK7，抑制NLRP3与NEK7的相互作用，从而抑制NLRP3炎症小体的激活，阻止炎症反应的进一步发展。在Ma等的研究中[22]证明清开灵(QKL)能够通过抑制NLRP3、Caspase 1和IL-1β的转录，从而抑制NLRP3炎症小体信号通路的激活，对实验性脑卒中模型大鼠发挥治疗作用。在大鼠脑缺血再灌注实验中，腹腔给药QKL可减轻脑卒中模型（MCAO)诱导后的神经功能缺损、脑梗死、血脑屏障通透性、脑水肿和脑细胞凋亡。QKL降低促炎因子TNF-α、IL-6、IL-1β，升高抗炎因子IL-4、IL-10。此外，文章提及，AMPK（Adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase腺苷酸活化蛋白激酶）是细胞能量平衡的主要传感器，也是细胞碳水化合物和脂肪代谢以及ATP保存和合成的基本调节器。AMPK可在调节NLRP3炎症小体激活中发挥作用，激活AMPK信号可通过改善自噬、减轻内质网应激、激活SIRT1和调节线粒体稳态来抑制NLRP3炎症小体。QKL可以通过激活磷酸化的AMPK，降低氧化应激，降低NLRP3炎症小体的激活，减轻脑缺血再灌注损伤。冬凌草素（Oridonin, Ori）为一种从草本植物唇形科植物冬凌草(Rabdosia rubenscens)中提取的天然生物活性产物，Jia等人研究表明

[23]， Ori预处理可通过抑制NLRP3、IL-1β和IL-18的水平，显著缓解了I/R小鼠的神经功能缺损、神经元损伤和小胶质细胞活化。实验结果表明， 缺血再灌注小鼠和OGD/R诱导的BV2小胶质细胞中，NLRP3和Caspase-1的表达显著增加，同时IL-1β和IL-18的释放也显著增多。给予Ori治疗后可以显著逆转这些变化，表明了Ori可以抑制脑缺血再灌注损伤后NLRP3炎症小体的激活。研究发现，转录因子NF-κB可以上调NLRP3的表达，进而导致炎症小体的启动。而Ori治疗显著抑制NF-κB信号传导，减少I -κB α的磷酸化和降解，同时也显著限制了p65从细胞质向细胞核的易位，表明Ori可能通过抑制NF-κB信号通路，抑制小胶质细胞中NLRP3炎性体的激活，减轻脑缺血再灌注损伤。黄芩苷是从黄芩干根中分离得到的黄酮类化合物的主要成分。Zheng WX等在对黄芩苷的药理学研究中[24]证明了黄芩苷可通过激活AMPK信号通路，降低NLRP3炎症小体的活性，从而抑制脑缺血再灌注损伤。

四、展望

NLRP3炎症小体是NLRs家族中最重要的炎症小体，对于脑缺血再灌注病程至关重要，抑制NLRP3炎症小体及下游炎性因子IL-1β和IL - 18的激活可以阻止脑缺血再灌注损伤的进一步发展。NLRP3炎症小体可被多种信号系统激活。然而，目前对于抑制NLRP3炎症小体的研究还需要在机制研究及新的临床应用方面做更深入的探讨。可以预测NLRP3炎症小体抑制剂将成为一种很有应用前景的防治缺血性脑卒中的靶向药物。

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