NLRP3炎症小体在肌萎缩侧索硬化症中的作用.pdf

神经解剖学杂志2023,39(5):599 602Chinese Journal of NeuroanatomyNLRP3炎症小体在肌萎缩侧索硬化症中的作用范雯媛12，陶舒琪1-2，郑昊宁12，齐高秀”，郭章玉12*，周风华1.2（潍坊医学院：1.基础医学院临床病理系；2 山东省神经疾病与再生修复重点实验室；3临床医学院，潍坊2 6 10 53）【摘要肌萎缩侧索硬化症(ALS)是一种以运动神经元变性为特征的神经退行性疾病。其具体发病机制迄今尚未完全阐明,研究发现持续过度的炎症反应在ALS的发病机制中发挥重要作用。而作为中枢神经系统中最具特征的炎症小体,NLRP3炎性小体的激活是 ALS 发病的关键因素之一。因此,靶向 NLRP3 炎症小体可能为ALS的治疗开辟新的途径。关键词 肌萎缩侧索硬化症；NLRP3 炎症小体；治疗D0I:10.16557/ki.1000-7547.2023.05.017肌萎缩侧索硬化症（amyotrophiclateral sclerosis，A L S）是影响大脑皮质、脑干和脊髓上、下运动神经元的一种复杂的神经退行性疾病。研究表明,神经炎症是介导ALS 等神经退行性疾病发生发展的重要机制。NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白 3(NOD-like receptor thermal protein domain associ-atedprotein3，NL R P3）是新近发现的一种炎症小体信号通路,在 ALS 疾病进展中存在 NLRP3 炎症小体的激活。此外，NLRP3炎症小体的表达水平可作为一种生物标志物,用于ALS的诊断和预后2 。本文总结了NLRP3炎症小体的组成及激活机制及在ALS发生发展中的作用,尝试从一个新的角度揭示ALS的发病机制，为ALS的防治提供新的思路。1.NLRP3炎症小体的结构炎症小体是天然免疫系统的重要组成部分，参与先天免疫反应的启动和体内稳态的维持。炎症小体的本质是一种介导炎性半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶caspases激活的多聚体胞质蛋白复合物,在激活的免疫细胞中形成。在免疫应答和免疫防御中，巨噬细胞可通过模式识别受体（patternrecogni-tionreceptor,PRR）识别病原体相关分子模式（pathogen-asso-ciated molecular pattern,PAMP）和损伤相关分子模式（dam-age-associated-molecular-pattern,DAMP），进而介导机体的病原体清除、组织损伤修复和炎症级联反应3。NLRP3炎症小体由受体蛋白NLRP3、调亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein,ASC)以及 caspase-1前体蛋白pro-caspase-1构成。NLRP3含有3个结构域：用于信号识别的羧基末端富含亮氨酸重复序列（leucine rich re-peat,LRR）、位于中央有ATP(adenosine triphosphate,ATP）酶活性并介导核苷酸结合寡聚化结构域（nucleotide-binding基金项目：山东省自然科学基金（ZR2020MH149,ZR2019BH060）*通信作者：郭章玉电话：[phone]，E-mail：g u o z h y w f mc.e d u.c nand oligomerization domain，NO D 或NACHT）和氨基末端的吡啶结构域（pyrin-like domain，PYD)4。A SC具有两个蛋白质相互作用域：含有与NLRP3衔接的PYD域和与caspase-1衔接的胱天蛋白酶募集域（caspase recruitment domain，CARD）。NL R P3炎症小体缺乏 CARD结构域,所以需要通过PYD域与ASC结合。在受到PAMP或DAMP刺激时,NL-RP3蛋白取消自我抑制并自身寡聚。通过对 NLRP3进行翻译后修饰,ASC的PYD域与NLRP3端的PYD域相互作用后通过招募激活 pro-caspase-1,使之变为有活性的caspase-1,即cleaved caspase-15。Ca s p a s e-1 活化后会特异性裂解无活性的pro-IL-1和 pro-IL-18,使其成为有活性的 IL-1和IL-18,进而促发炎症级联反应。此外,活化的caspase-1还可促进gasdermin成孔蛋白D(gasdermin D,GSDMD）裂解，诱导细胞焦亡。众多研究表明 NLRP3炎症小体与炎症、免疫疾病密切相关,在炎症性肠病6 、糖尿病7 、动脉粥样硬化8 、阿尔茨海默病9 、ALS等10 疾病中发挥重要作用。对炎症小体功能、激活及作用机制的深入研究，可更好的探究中枢神经系统疾病发病机制,对神经炎性疾病的预防和治疗具有重要的临床意义。2.NLRP3炎症小体的激活在静息状态下，细胞内基础表达的NLRP3水平较低。研究发现,NLRP3炎症小体通过启动和激活两个步骤，即双信号模型激活。启动步骤由可诱导核因子kB(nuclearfactor-kB,NF-kB)活化的炎症刺激所引起,通过活化NF-kB,上调炎症小体相关基因的转录,使 NLRP3和 pro-IL-1、p r o-IL-18蛋白表达增多。NLRP3炎症小体启动的潜在机制有很多,例如活性氧（reactive oxygen species，R O S）的产生参与NLRP3600炎症小体的启动激活,并且在激活过程中起着关键作用 。此外,细胞器的空间排列对 NLRP3炎性小体的激活也发挥着重要作用。炎症小体刺激可降低细胞内辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NA D）的水平，使沉默信息调节因子2（silent information regulator2，SIRT2）失活并促进微管蛋白（-tubulin）积聚，引起线粒体的动力蛋白依赖性转运。随后，线粒体上的ASC与内质网上的NLRP3在微管驱动蛋白作用下重新分布，从而激活NL-RP3 炎性小体12 。当受到外界刺激时,NLRP3 的 LRR 结构域发生寡聚化并与ASC的PYD结构域相互作用。同时ASC可通过CARD结构域招募pro-caspase-l。产生的caspase-1诱导促炎细胞因子IL-1和IL-18的成熟并分泌。NLRP3也可与核苷酸结合寡聚结构域蛋白质2（nucleotide-bindingoli-gomerization domain-containing protein 2，NO D 2）直接作用促进IL-1的分泌。此外，当NLRP3炎症小体受到PAMP和DAMP活化信号刺激时,会触发NLRP3的自体寡聚化,并与ASC 进行组装,招募 pro-caspase-1 形成炎症小体复合体,进而促发炎症级联反应13。随后活化的caspase-1加工修饰IL-1、I L-18 等促炎因子,同时激活诱导GSDMD裂解,致使其切割端与细胞膜结合形成孔隙促进炎性因子释放,诱导细胞焦亡。促使NLRP3炎症小体激活的PAMP信号因素有很多：包括金黄色葡萄球菌、B族链球菌和淋病奈瑟菌等。除此之外,细胞内 K+浓度的降低、Na*和 Cl-的外流、溶酶体膜的破坏也可以通过活化信号来激活功能性NLRP3炎症小体14,这表明诱导NLRP3炎症小体激活的机制不是单一途径驱动。3.NLRP3炎症小体在肌萎缩侧索硬化症发生发展中的作用迄今为止ALS的病理生理机制尚无定论，神经炎症在ALS疾病进展中发挥重要作用。众多研究显示NLRP3炎症小体活化介导的神经炎症与ALS 的病理学机制存在密不可分的联系。神经炎症伴随脑和脊髓内小胶质细胞和星形胶质细胞的激活,推动ALS疾病进展。脊髓星形胶质细胞被激活后，反式反应 DNA结合蛋白43(transactive response DNA bindingprotein of 43kDa，T D P-43）可诱导细胞内NLRP3炎症小体表达激活，释放促炎细胞因子15。先前有研究发现SOD1C3A转基因小鼠和 ALS 患者的小胶质细胞不表达 NLRP3,然而最新研究表明NLRP3在 SOD1C93A转基因小鼠小胶质细胞中表达上调，并诱导caspase-1激活，证实了NLRP3炎症小体在小胶质细胞的表达以及在ALS 发生发展中的作用。此外,在ALS患者和小鼠的星形胶质细胞中,也检测到NLRP3、A SC、I L-18和活化的caspase-1的水平升高，说明星形胶质细胞内NL-RP3 炎症小体被激活并且与 ALS 的神经炎症密切相关16 。近年来有研究发现在SODIC3A小鼠中NLRP3炎症小体相关蛋白表达水平增加17 。除此之外,丘脑的功能障碍在ALS患者认知障碍中发挥重要作用，有研究发现 SOD1C934转基因小鼠的背丘脑前核神经元内的NLRP3、A SC 和IL-1蛋白表达水平上调，说明NLRP3炎症小体激活在ALS认知功能障神经解学杂志，2 0 2 3年9 月第39 卷第5期碍中发挥重要作用18 。近年来，焦亡在多种神经退行性疾病中的研究愈发热烈。焦亡是一种不同于调亡的程序性细胞死亡过程，焦亡的过程主要由NLRP3炎性小体活化以及下游因子caspase-1的激活介导,caspase-1激活后将无活性的pro-IL-1和pro-IL-18切割成成熟的IL-1和IL-18。随后caspase-1裂解GSD-MD,这也是细胞焦亡的关键步骤19 。Van 等2 0 检测了ALS患者和转基因小鼠中小胶质细胞内炎症小体和焦亡效应蛋白的表达，发现在ALS运动皮层和脊髓的小胶质细胞中NL-RP3炎症小体、GSDMD和IL-18表达增多,这表明典型的炎症小体触发的焦亡途径被激活,进一步印证了 NLRP3炎症小体介导的细胞焦亡在ALS病理生理过程中发挥着重要作用。4.靶向NLRP3炎症小体的治疗策略近年来，利用NLRP3炎症小体激活的分子机制而开发有效的 NLRP3抑制剂或抑制途径,并以其为靶点用作治疗逐渐成为神经退行性疾病的研究热点。至今为止已报道众多 NLRP3炎症小体抑制剂,包括直接抑制或间接作用于 NL-RP3炎症小体的抑制剂,NLRP3炎症小体靶向干预在ALS 中的治疗价值逐渐显现。4.1NLRP3激活抑制剂MCC950是一种二芳基磺酰脲小分子化合物,是目前最有效、特异性最高的NLRP3抑制剂。Coll 等2 1 研究发现MCC950可抑制NLRP3炎症小体的激活从而抑制IL-1的成熟和释放。在低浓度下,MCC950可以特异性抑制NLRP3的激活,减少下游IL-1的产生。其主要是通过阻断 NLRP3 诱导的 ASC 寡聚化,抑制 ASC 来选择性抑制NLRP3炎症小体的活性。4.2NLRP3及其下游成分抑制剂4.2.1磺酰脲类化合物AMS-17是一种三级磺酰脲类化合物，可以抑制脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）诱导的小鼠脑内小胶质细胞激活,并使 NLRP3 及 caspase-1、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-,TNF-）、IL-1 的表达减少。这表明AMS-17通过抑制NLRP3活性抑制小胶质细胞的活化，不过其脑渗透、药代动力学和体内毒性有待更深人地研究(2 。4.2.2破伤风毒素C端片段破伤风毒素C端片段（tenta-nus toxinC fragment,TTC)具有无毒和神经保护特性,Moreno-Martinez 等2 3 的实验证明了TCC 治疗可以通过降低 IL-6 水平，调节NLRP3炎症小体的表达从而改善SODIC93A小鼠的后肢肌肉神经衰退，推迟症状出现的时间。不过后续还需要进一步的研究来证实 TTC 在 ALS 中的抗炎作用。4.3通过硝化作用抑制NLRP3 的药物Bellezza等2 4 研究表明,LPS通过激活NF-kB增加ROS和一氧化氮（nitric ox-ide,NO)水平,ROS和NO自发反应形成过氧亚硝酸盐，从而导致蛋白质硝化激活炎症小体。因此,抑制过氧亚硝酸盐的形成,降低其硝化蛋白水平，从而抑制NLRP3炎症小体的激活，可能成为ALS的潜在治疗靶点。4.3.1内源性环二肽Cyclo(His-Pro）是一种由下丘脑促范雯媛：NLRP3炎症小体在肌萎缩侧索硬化症中的作用甲状腺素释放激素裂解的内源性环二肽,研究发现其在神经退行性疾病中具有抵抗氧化应激和亚硝化应激的能力,具有神经保护作用2 5。Grotlli 等2 6 在SOD1C934转基因鼠的小胶质细胞中研究了 cyclo（H i s-Pr o）对 LPS诱导的 NLRP3炎症小体的影响,发现cyclo(His-Pro）可降低硝化蛋白水平，促进SOD1的正确折叠从而抑制NLRP3炎症小体激活。4.3.2二苯基二硒化物二苯基二硒化物(DPDS)是一种具有高谷胱甘肽过氧化物酶活性的简单有机硒化合物,具有抗炎、抗癌等多种药理特性2 7.2 8 。DPDS可以通过减少蛋白质硝化从而抑制NLRP3炎症小体的激活，抑制小胶质细胞中促炎因子的激活和释放并且抑制NF-kB通路。Zhang等2 9 发现DPDS通过抑制NF-kB通路和NLRP3炎性体激活，使小胶质细胞失活,从而在ALS模型中引起神经保护,这表明DPDS 可能是一种有希望的潜在治疗 ALS 的候选药物。4.4类固醇激素研究表明类固醇激素17-雌二醇（17-estradiol,E2）具有神经保护功能。E2治疗可以减轻ALS小鼠的脊髓损伤,并且降低星形胶质细胞和小胶质细胞中TNF-、IL-1 和 IL-18 的表达水平。Heizer 等30 的研究表明，低剂量E2治疗可以减轻雄性SOD1C93A小鼠的运动神经元损失,降低NLRP3炎症小体的激活并且能够改善小鼠的运动功能。综上，以上药物可通过抑制NLRP3炎症小体为治疗ALS提供新的思路。抑制NLRP3炎症小体可能是减缓 ALS神经炎症以及改善疾病进展的潜在治疗方法，因此开发有效的NLRP3抑制剂对ALS 有非常重要的治疗价值。5.总结与展望位于中枢神经系统的 NLRP3 炎症小体介导的神经炎症在ALS等神经退行性疾病中发挥着重要作用。近年来ALS的治疗仍未有实质性突破,针对 NLRP3 炎症小体的靶向治疗可能是减缓ALS神经炎症以及改善疾病进展的潜在治疗方法。但这些抑制NLRP3炎症小体药物的具体调控机制如何,尚需进一步研究。目前,绝大部分试验仍在动物细胞水平上,特异性 NLRP3炎症小体抑制剂在ALS患者中的有效性和安全性尚待临床试验的验证。我们对 NLRP3炎症小体的研究仍需不断完善深人，进一步揭示NLRP3炎症小体在ALS发病中的具体机制,以及有效抑制NLRP3炎症小体的药物的开发,为ALS等神经退行性疾病带来新希望。参考文献1 Boillee S,Vande Velde C,Cleveland DW.ALS:A disease of mo-tor neurons and their nonneuronal neighbors J.Neuron,2006,52(1):39-59.D0I:10.1016/j.neuron.2006.09.018.2 Moreno-Garcia L,Miana-Mena FJ,Moreno-Martinez L,et al.In-flammasome in ALS skeletal muscle:NLRP3 as a potential biomar-kerJ.Int J Mol Sci,2021,22(5):2523.D0I:10.3390/ijms22052523.3 Rumpret M,von Richthofen HJ,Peperzak V,et al.Inhibitory pat-tern recognition receptors J.J Exp Med,2022,219(1):601e20211463.D0I:10.1084/jem.20211463.4 Franchi L,Warmer N,Viani K,et al.Function of Nod-like recep-tors in microbial recognition and host defense J.Immunol Rev,2009,227(1):106-128.D0I:10.1111/j.1600-065X.2008.00734.x.5 Fu J,Wu H.Structural mechanisms of NLRP3 inflammasome assem-bly and activationJ.Annu Rev Immunol,2023,41:301-316.D0I:10.1146/annurev-immunol-081022-021207.6 Wang SL,Zhang MM,Zhou H,et al.Inhibition of NLRP3 attenu-ates sodium dextran sulfate-induced inflammatory bowel diseasethrough gut microbiota regulationJ.Biomed J,2023,S2319-4170(23)00004-5.D0I:10.1016/j.bj.2023.01.004.7 Ding K,Song C,Hu H,et al.The role of NLRP3 inflammasome indiabetic cardiomyopathy and its therapeutic implications J.OxidMed Cell Longev,2022,2022:3790721.D0I:10.1155/2022/3790721.8 Tanase DM,Valasciuc E,Gosav EM,et al.Portrayal of NLRP3 in-flammasome in atherosclerosis:Current knowledge and therapeutictargetsJ.Int J Mol Sci,2023,24(9):8162.D0I:10.3390/ijms24098162.9 Liu P,Zhou Y,Shi J,et al.Myricetin improves pathological chan-ges in 3 Tg-AD mice by regulating the mitochondria-NLRP3 in-flammasome-microglia channel by targeting P38 MAPK signalingpathwayJ.Phytomedicine,2023,115:154801.D0I:10.1016/j.phymed.2023.154801.10 Deora V,Lee JD,Albornoz EA,et al.The microglial NLRP3 in-flammasome is activated by amyotrophic lateral sclerosis proteinsJ.Glia,2020,68(2):407-421.D0I:10.1002/glia.23728.11 Zhou R,Yazdi AS,Menu P,et al.A role for mitochondria in NL-RP3 inflammasome activation J.Nature,2011,469(7329):221-225.D01:10.1038/nature09663.12 Misawa T,Takahama M,Kozaki T,et al.Microtubule-driven spa-tial arrangement of mitochondria promotes activation of the NLRP3inflammasomeJ.Nat Immunol,2013,14(5):454-460.D0I:10.1038/ni.2550.13 Xu J,Ninez G.The NLRP3 inflammasome:Activation and regula-tionJ.Trends Biochem Sci,2023,48(4):331-344.D0I:10.1016/j.tibs.2022.10.002.14 Kelley N,Jeltema D,Duan Y,et al.The NLRP3 inflammasome:An overview of mechanisms of activation and regulation J.Int JMol Sci,2019,20(13):3328.D0I:10.3390/ijms20133328.15 Zhao W,Beers DR,Bell S,et al.TDP43 activates microgliathrough NF-kB and NLRP3 inflammasomeJJ.Exp Neurol,2015,273:24-35.D0I:10.1016/j.expneurol.2015.07.019.16 Johann S,Heitzer M,Kanagaratnam M,et al.NLRP3 inflamma-some is expressed by astrocytes in the SOD1 mouse model of ALSand in human sporadic ALS patientsJ.Glia,2015,63(12):2260-2273.D0I:10.1002/glia.22891.17 Gugliandolo A,Giacoppo S,Bramanti P,et al.NLRP3 inflamma-some activation in a transgenic amyotrophic lateral sclerosis modelJ.Inflammation,2018,41(1):93-103.D0I:10.1007/s10753-0170667-5.60218 Debye B,Schmulling L,Zhou L,et al.Neurodegeneration andNLRP3 inflammasome expression in the anterior thalamus of SOD1(G93A)ALS miceJ.Brain Pathol,2018,28(1):14-27.D0I:10.1111/bpa.12467.19 Shi J,Zhao Y,Wang K,et al.Cleavage of GSDMD by inflammato-ry caspases determines pyroptotic cell death J.Nature,2015,526(7575):660-665.D0I:10.1038/nature15514.20 Van Schoor E,Ospitalieri S,Moonen S,et al.Increased pyroptosisactivation in white matter microglia is associated with neuronal lossin ALS motor cortexJ.Acta Neuropathol,2022,144(3):393-411.D0I:10.1007/s00401-022-02466-9.21 Coll RC,Robertson AA,Chae JJ,et al.A small-molecule inhibitorof the NLRP3 inflammasome for the treatment of inflammatory disea-sesJ.Nat Med,2015,21(3):248-255.D0I:10.1038/nm.3806.22 Zhang C,Sajith AM,Xu X,et al.Targeting NLRP3 signaling by anovel-designed sulfonylurea compound for inhibition of microglialinflammationJ.Bioorg Med Chem,2022,58:116645.DOI:10.1016/j.bmc.2022.116645.23 Moreno-Martinez L,de La Torre M,Munoz MJ,et al.Neuroprotec-tive fragment C of tetanus toxin modulates IL-6 in an ALS mousemodelJ.Toxins(Basel),2020,12(5):330.D0I:10.3390/toxins12050330.24 Bellezza I,Grottelli S,Costanzi E,et al.Peroxynitrite activates theNLRP3 inflammasome cascade in SOD1(G93A)mouse model ofamyotrophic lateral sclerosisJ.Mol Neurobiol,2018,55(3):23502361.D01:10.1007/s12035-017-0502-x.神经解剖学杂志，2 0 2 3年9 月第39 卷第5期-016-0322-4.25 Grottelli S,Ferrari I,Pietrini G,et al.The role of cyclo(His-Pro)in neurodegenerationJ.Int J Mol Sci,2016,17(8):1332.D0I:10.3390/jms17081332.26 Grottelli S,Mezzasoma L,Scarpelli P,et al.Cyclo(His-Pro)in-hibits NLRP3 inflammasome cascade in ALS microglial cells J.Mol Cell Neurosci,2019,94:23-31.D0I:10.1016/j.mcn.2018.11.002.27 Leite MR,Cechella JL,Mantovani AC,et al.Swimming exerciseand diphenyl diselenide-supplemented diet affect the serum levels ofpro-and anti-inflammatory cytokines differently depending on theage of ratsJ.Cytokine,2015,71(1):119-123.DOI:10.1016/j.cyto.2014.09.006.28 Chen SY,Chiu CC,Hung CT,et al.Diphenyl disulfide potentiatesthe apoptosis of breast cancer cells through bax proteolytic activationwith accompanying autophagy J.Environ Toxicol,2023,38(8):2022-2030.DOI:10.1002/tox.23828.29 Zhang C,Wang H,Liang W,et al.Diphenyl diselenide protectsmotor neurons through inhibition of microglia-mediated inflammatoryinjury in amyotrophic lateral sclerosisJ.Pharmacol Res,2021,165:105457.D0I:10.1016/j.phrs.2021.105457.30 Heitzer M,Kaiser S,Kanagaratnam M,et al.Administration of17-estradiol improves motoneuron survival and down-regulates in-flammasome activation in male SOD1(G93A)ALS MiceJ.MolNeurobiol,2017,54(10):8429-8443.D0I:10.1007/s12035(收稿日期:2 0 2 3-0 6-18)