NLPR3炎症小体在心肌纤维化中的作用的研究

The Role and Progress of NLPR3 Inflammatory in Myocardial Fibrosis

摘要: NLRP3炎症小体是一种多蛋白寡聚体复合物，通过产生IL-1和IL-18来激活炎症反应。该复合物在创伤早期有助于愈合，但在持续激活后会导致不可逆的心室重构以及心肌纤维化。本文针对NLRP3炎症复合体在多种疾病所致心肌纤维化中所起的作用，以及目前发现可能存在的一些信号机制进行了综述。

Abstract: NLRP3 inflammatory is a multiprotein oligomer complex that activates inflammation by producing IL-1 receptors and IL-18, which not only contributes to wound healing, but also leads to irreversible ventricular remodeling and myocardial fibrosis after continuous activation. This article reviews the factors that cause the initiation and activation of NLRP3 inflammatory complex, and how the activated inflammatory complex promotes the fibrosis process and other pathophysiological processes of cardiovascular disease.

1. 引言

心肌纤维化以细胞外基质(extracellular matrix, ECM)在心肌间质过度沉积为特征，进一步导致心室重构与心血管瘢痕形成，是心血管损伤所引起的异常伤口愈合反应 [1]。纤维化可以发生在多种器官中，免疫系统的激活在其中起到至关重要的作用 [2] [3]。NLRP3炎症体复合体是由胞内固有免疫受体核苷酸结合寡聚化结构域样受体(NLP)家族成员NLRP3、接头蛋白凋亡相关斑点样蛋白(ASC)和效应器半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1 (caspase-1)作为核心组成的多蛋白复合物。在炎症状态下，NLRP3的激活导致ASC的招募，ASC随后招募pro-caspase-1靠近其自身催化的蛋白水解，以产生活性的caspase-1。caspase-1的激活发生在其组装后所激活的炎症体复合体内。在炎症体复合体内，caspase-1水解切割pro-IL-1β和pro-IL-18，然后产生各自的成熟促炎细胞因子IL-1β和IL-18。NLRP3、Asc和caspase-1、IL-1β和IL-18由损伤心肌表达和释放 [4] [5] [6]。这些炎性小体成分的早期激活可以促进伤口愈合。然而，这些成分的慢性激活最终将导致病理性的心肌纤维化 [7]。

2. NLRP3炎症小体与心肌纤维化

研究表明NLRP3炎症小体在心肌纤维化中发挥了至关重要的作用。

2.1. NLRP3炎症小体导致急性心肌梗死后心肌纤维化

在没有心肌损伤的情况下，NLRP3炎性小体成分在正常健康的心脏中以较低的基础水平表达，来维持心脏ECM的结构完整性和框架。而在急性心肌梗死(AMI)后反应的早期阶段，NLRP3炎性小体在心肌损伤继发的炎症反应中被激活 [8]，炎性小体的成分主要在浸润的白细胞和中性粒细胞以及肉芽组织内的内皮细胞和心肌成纤维细胞中被诱导表达 [9]。NLRP3抑制剂可以缓和心房结构的重塑 [10] [11]。NLRP3基因敲除的小鼠伤口中表达的IL-1β和TNF-α水平较低，这与中性粒细胞和巨噬细胞浸润减少有关 [12]。IL-1β和IL-18，在心肌梗死后表达逐渐增加，随着伤口自然愈合的进展而下降 [10]，其原理是可以通过刺激胶原蛋白的分泌以促进有效的伤口愈合 [10] [11] [12]。Weinheimer [13] 等人在探究NLRP3基因敲除小鼠的伤口愈合延迟和相关的炎症反应时在，发现NLRP3基因敲除小鼠的伤口愈合延迟，继而用重组IL-1β局部治疗切除的伤口可部分恢复基因敲除小鼠伤口中的肉芽组织形成，进一步证实了早期伤口愈合过程中依赖NLRP-3的IL-1β产生的重要性。NLRP3在心脏成纤维细胞中表达，并在转化生长因子-β1刺激下上调 [14]。NLRP3基因敲除的小鼠不受Ang-II诱导的心肌纤维化的影响，并且受刺激后心脏结构变化程度不大，I型胶原水平的降低，进一步强调了NLRP3在调节伤口愈合和促进纤维化的病理生理方面的关键作用 [15]。NLRP3炎症体复合体能够从受损心脏内浸润细胞中持续分泌促炎因子IL-1β和IL-18，从而导致异常的组织重塑和随后的纤维化进展。总之，这些研究强调，NLRP3炎症小体对于有效的伤口愈合、组织修复，以及AMI后心肌纤维化以及心室重构至关重要。

2.2. NLRP3炎症小体导致糖尿病心肌病的心肌纤维化

糖尿病性心肌病(DCM)是糖尿病(DM)的并发症之一，也是心脏病的主要危险因素。DCM涵盖心脏的结构，形态，功能和代谢异常。DCM是一种特殊类型的心肌病，它会增加患者左心室功能不全和心力衰竭的发生率，独立于冠心病或高血压 [16]。舒张期左心室硬度过高是糖尿病患者心力衰竭的重要因素，DCM通过心肌胶原沉积和晚期糖基化终产物(AGEs)导致左心室硬度增加，与射血分数无关。DCM是由高血糖诱导的异常伤口愈合、慢性心肌炎症、氧化应激和代谢失调的累积效应引起的 [13]。这些因素影响胶原蛋白的重组和重塑，最终导致心肌纤维化。高血糖通过TGF-β1、Ang II和IL-1β激活心肌内促纤维化介质TGF-β受体、AT1R和IL-1R来诱导活性氧簇(ROS)的生成 [17]。新生大鼠心脏成纤维细胞在高糖处理下表现出NLRP3炎症小体的激活，这有助于增加胶原合成 [18]。而在糖尿病小鼠的心脏中，NLRP3炎症小体也被大量激活，这与促进IL-1β和IL-18的释放与受损糖尿病心脏中胶原的异常积聚相关。在人类糖尿病创面和经HG处理的巨噬细胞中，检测到NLPR3、caspase-1和IL-1β水平显著升高，这表明NLPR3炎性小体的激活有助于在未溶解的伤口愈合过程中加剧炎症 [19]。这些结果表明，DCM患者通过慢性激活的NLRP3炎症小体诱导TGF-β和IL-1β的增加，促进DCM心肌重构和纤维化。

2.3. NLRP3炎症小体导致高血压心脏病的心肌纤维化

高血压患者的心肌胶原蛋白体积分数(CVF)与血压正常者相比有所增加。此外，轻度左室肥大患者在高血压的早期就发现了纤维化的组织学证据，例如局部疤痕，心内膜或间质纤维化。NLRP3炎症小体与高血压的发生密切相关。Qi等人发现在用吡咯烷二硫代氨基甲酸酯(PDTC)抑制过高盐饮食诱导的高血压大鼠中，大鼠高血压显著降低，并降低了该脑区IL-1β和NLRP3炎症体活性 [16]。此外，在应用·选择性糖皮质激素诱导激酶抑制剂后，血管紧张素Ⅱ诱导的高血压小鼠的左室间质纤维化、左心室前壁厚度以及NLRP3和IL-1β的表达增加均明显减少 [20]。与此同时，另一项研究发现NLRP3基因敲除小鼠被不受Ang II诱导的血压升高和血管重构的影响NLRP3缺乏抑制了Ang II诱导的离体主动脉细胞增殖，表现为Ang II介导的细胞增殖标志物增殖细胞核抗原(PCNA)的增加减弱。这些结果表明，阻断在炎症和心脏重塑中起关键作用的SGK1可以通过抑制NLRP3炎症体/IL-1β轴来减轻Ang II诱导的心脏炎症和纤维化。而在继发性高血压中 [21]，Krishnan等人发现NLRP3炎症体在CVD诱导的纤维化和终末器官损伤中发现ASC基因敲除小鼠受到保护，不受盐诱导的高血压和相关的肾脏炎症和纤维化的影响。这种保护与减少巨噬细胞在肾脏中的聚集以及肾炎标志物(IL-6、IL-17A、肿瘤坏死因子、干扰素-γ、ICAM 1、VCAM-1、CCL2和CCL5)和间质肾纤维化有关。总之，尽管这些结果确实表明NLRP3炎症小体与高血压相关的血管损伤有关，但这些研究中没有一项专门研究心脏纤维化，因此NLRP3炎症小体在心脏纤维化和高血压重塑方面的有效性仍有待确定。

3. NLRP3炎症小体致心肌纤维化作用的信号通路机制

NLRP3炎症小体致心肌纤维化机制复杂，广泛参与心肌纤维化过程中多个环节，在细胞中的信号通路及生物学机制尚不清楚。

3.1. NLRP3炎症小体的表达与TGF/Smads信号通路有关

NLRP3炎症小体被证实可以通过调控转化生长因子-β1 (TGF-β1)及其下游信号丝苏氨酸激酶等通路促进心肌纤维化 [21]。其中TGF-β1不仅参与多种心血管疾病的发病机制，包括高血压，再狭窄，动脉粥样硬化，心脏肥大和心力衰竭，而且对心血管系统发挥多效作用，调节细胞生长，纤维化和炎症。TGF-β1是重要的细胞外基质调节剂，NLRP3受TGF-β1刺激而增加，与基质金属蛋白酶(MMP)的表达有关 [1]。TGF-β1诱导Nlrp3基因敲除小鼠的MMP-9均显着降低，进一步证实了Nlrp3在TGF-β1依赖性信号传导中起作用。由此可见，TGF-β1能够促进NLRP3炎症小体表达，激活其下游促纤维化相关通路。

3.2. NLRP3炎症小体的表达与TLR-4/NF-κβ信号通路有关

有研究表明，在新生大鼠心肌细胞中给予干预，TLR-4/NF-κβ级联通路受NLRP3炎症小体活性影响进而调控心肌纤维化过程 [1]，NLRP缺乏明显抑制了外源性因素引起的心脏肥大，炎症和纤维化。与野生型小鼠相比，NLRP基因敲除小鼠的MAPK激活减少。使用培养的新生小鼠心肌细胞进行的体外研究证实，NLRP缺乏可防止异丙肾上腺素(PE)诱导的心肌肥大。这种保护活性与MAPK的阻滞有关，并且也参与心肌纤维化过程。

3.3. NLRP3炎症小体的表达与cGMP-PKG信号通路有关

心钠肽(ANP)和脑钠肽(BNP)通过与利钠肽受体1 (NPR-1)结合，通过cGMP，刺激依赖cGMP的蛋白激酶1 (PKG-1)。通过抵消炎性体的激活，NPs可抑制IL-1β的分泌 [22]。NPs通过激活NPR-1/cGMP/PKG-1轴导致NLRP3磷酸化，并导致炎性小体分解。此外，通过增加细胞内cGMP水平并激活磷酸二酯酶，干扰Caspase的裂解，干扰了炎性体激活的非常规和替代途径。这些结果表明，ANP和BNP的抗炎和免疫调节作用可能涉及抑制NLRP3炎症小体活化的所有已知途径。因此，使用利钠肽来治疗NLRP3炎症相关疾病还有待于进一步深入研究。

4. 展望

尽管心肌纤维化是心脏功能障碍的关键因素，但目前对心血管疾病的治疗主要是对症状的控制，而不是针对进行性纤维化的缓解。NLRP3炎症小体是一种重要的炎性复合体，急性炎症时期通过促进肌成纤维细胞诱导伤口修复，但它的慢性激活通过持续产生IL-1β和IL-18会导致不利的心血管重构和纤维化。对现有药物的评估，以及研发针对性NLRP3炎症小体的干预药物，有希望成为治疗由纤维化引起的心血管疾病的新靶点。

NOTES

^*共同第一作者。