《眼科新进展》  2018年9期 892-897   出版日期：2018-09-05   ISSN:1003-5141   CN:41-1105/R

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核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NLRP3）炎症体在眼科疾病中的研究进展


        随着免疫学科和技术的不断进展，现已证实多种疾病与免疫异常引起的组织慢性低度炎症有关^［1］。作为固有免疫系统的重要组成部分，核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）炎性体的适度激活有助于机体清除致病原，但如发生失控性过度激活，则可能引发疾病。多项研究已证实NLRP3炎症体过度激活参与糖尿病、动脉粥样硬化、肿瘤及老年痴呆等多种疾病的发病机制；抑制其过度激活对上述疾病具有确切的治疗效果。目前，已陆续有研究证实NLRP3炎症体通过感知组织损伤、介导炎症反应等参与多种眼部疾病的发生发展，但具体作用机制尚未明确。本文就NLRP3炎症体的活化方式及其在不同眼科疾病中具体作用的研究进展进行综述，以期为进一步找到新的治疗方法提供线索。
1　NLRP3炎症体的概念及其病理生理作用
        固有免疫系统作为第一道免疫防线，具有区分“敌”（外来微生物等）、“我”（自体蛋白）的识别作用及识别后的清除作用。2001年Hoffman等^［2］发现NLRP3突变与某些遗传性自发炎症反应综合征有关。2002年Martinon等^［3］首次提出炎症体的概念，并指出炎症体作为固有免疫系统的一部分，是由胞浆内模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）参与组成的多蛋白复合物。它通常由nod样受体（nod-like receptors，NLRs）、凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）及caspase-1前体3部分构成^［4］。通常NLRs接收到相关的外源性或内源性信号后发生活化、诱发自身寡聚化，进而募集ASC和caspase-1前体蛋白，三者聚集并装配组合形成炎症体，为产生活化的caspase-1提供分子平台。Caspase-1活化后进一步切割IL-1β及IL-18的前体，产生活性IL-1β及IL-18，引发炎症反应，并诱发细胞焦亡。多种NLRs和PRRs均可形成炎症体，其中NLRP3炎症体目前研究最为深入。
        虽然NLRP3炎症体过度活化可导致多种疾病，但其在正常生理情况下也具有感知代谢紊乱、启动稳态调节程序的积极作用。其生理调节作用主要包括两大类：一是IL-1β依赖性作用，如促进胰腺β细胞增生、增加胰岛素分泌释放，以维持稳定的血糖水平^［5］；募集吞噬细胞、清除病原体等。二是IL-1β非依赖性作用，如调节三酰甘油等脂质代谢平衡^［6］；调节衰老、维持肠道微生态稳态以及辅助Th2细胞分化等。只有当刺激因素持续存在，NLRP3炎症体活化程度突破其稳态阈值时才会引发失控性过度炎症反应，并可引起细胞焦亡，其又称细胞炎性坏死，是近年来发现的一种新的细胞程序性死亡方式。与相对“安静”的细胞凋亡不同，焦亡并不是细胞固缩，而是表现为细胞不断膨胀，直至破裂死亡，其释放的细胞内容物会进一步激活更为强烈的炎症反应，导致组织损伤^［7］。
2　NLRP3炎症体的活化过程和调节途径
        NLRP3炎症体活化类型可按照是否依赖于caspase-1分为2类：一是依赖caspase-1的经典活化途径；二是不依赖于caspase-1而由caspase-11介导的非经典活化通路^［8］。
        经典活化途径通常需2级信号参与：1级为“启动”信号，由细胞表面的肿瘤坏死因子受体（tumor necrosis factor receptor，TNFR）、IL-1受体或Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）与其配体结合后产生，引起核转录因子κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB）入核、上调细胞因子前体及NLRP3等蛋白的转录水平；2级为“激活”信号，由细胞表面的P2X7受体、打孔毒素或尿酸等晶体物质刺激产生，可引起线粒体功能障碍及溶酶体失稳破坏，通过引起细胞内Ca²⁺流动和（或）K⁺外流等引发炎症体各组成成分的聚合、装配，构成并激活NLRP3炎症体，进一步产生活化的IL-1β、IL-18等炎症因子，诱发细胞焦亡（图1）。而大肠杆菌、枸橼酸杆菌等G^-细菌则可不依赖于caspase-1，而是通过其脂多糖成分诱导活化caspase-11激活NLRP3炎症体，进而将gasdermin D蛋白切割为N端结构域和C端结构域两部分^［8］。N端结构域可引起P2X7受体活化或通过pannexin-1在细胞表面打孔，从而导致细胞焦亡^［9］（图1）。Dostert等^［10］证实活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）为激活NLRP3炎症体的共同信号。此外，细胞内K⁺外流也是主要因素之一，经典和非经典的炎症体活化途径均可通过引起K⁺外流而激活NLRP3炎症体^［11-12］。



        生理状态下，人体内存在多种抑制NLRP3炎症体过度活化的机制，如自噬和cAMP信号等。其中自噬为核心机制，可在多个层面调节炎症体的活化过程。如自噬体可通过降解IL-1β前体、清除功能异常的线粒体^［13］及直接吞噬、降解NLRP3炎症体等机制抑制NLRP3炎症体的过度激活（图1）。张璐等^［14］详细阐述了细胞自噬在眼部疾病发生过程中的具体作用。
3　NLRP3炎症体在眼科相关疾病中的研究进展
3.1　年龄相关性黄斑变性　目前全球人口老龄化日趋显著，而年龄相关性黄斑变性（age-related macular degeneration，AMD）是发达国家65岁以上人群中致盲的最常见因素。现已证实无菌性炎症反应在AMD的发生发展中具有重要作用^［15］，AMD也是目前NLRP3炎症体研究相对较多的眼科疾病。
        炎症和氧化应激损伤是发生AMD的重要病理生理基础。2012年Tarallo等^［16］首先发现在干性AMD患者出现地图样萎缩的视网膜色素上皮（retinal pigment epithelium，RPE）细胞中，NLRP3炎症体组分、MyD88及IL-18水平均较对照组明显升高，提示AMD中有NLRP3炎症体的表达及活化，并发现缺乏DICER RNA酶或引入Alu RNA均可激活NLRP3炎症体，考虑可能与线粒体ROS增加有关。随后Wang等^［17］证实AMD患者的RPE中存在NLRP3炎症体的激活，且与线粒体损伤有关。而Doyle等^［18］发现NLRP3炎症体活化能延缓AMD进展，认为这种保护作用与炎症体活化后引起IL-18的分泌量增加有关。除炎症反应外，AMD患者RPE细胞变性的发病机制还涉及补体系统激活及氧化应激损伤，三者互相影响。Brandstetter等^［19］发现活化的补体C5a能够诱导NLRP3炎症体的募集和装配，当脂褐素介导的光氧化损伤使溶酶体膜通透性增加时，这一损伤信号即引起NLRP3炎症体活化；炎症体活化反过来又会提高RPE细胞对光氧化损伤的敏感性，并将细胞死亡类型由凋亡转变为焦亡^［20］。同时炎症体活化还可引起视网膜区免疫细胞聚集。如AMD患者的玻璃膜疣中的C1q补体或其他成分引起NLRP3炎症体活化后可引起局部外周髓系白细胞的聚集^［18］；炎症体活化释放的炎症因子会趋化小胶质细胞聚集^［21］，并可使聚集的巨噬细胞或小胶质细胞产生比RPE细胞更多的炎症因子，加重炎症反应^［22］。
        此外，许多与AMD发生发展相关的物质均被证实能够激活NLRP3炎症体。Kauppinen等^［23］通过体外实验证实，向ARPE-19细胞中加入4-羟基壬烯酸能够活化NLRP3炎症体，引起炎症因子IL-1β的大量释放。在AMD的动物模型中，变性的RPE细胞内血管内皮生长因子A（vescular endothelial growth factor-A，VEGF-A）水平升高，并激活NLRP3炎症体^［24］。pyridinium bisretinoid A2E 及AMD 患者眼底玻璃膜疣中所含有的羧乙基吡咯和β-淀粉样蛋白^［25］也能够激活NLRP3炎症体，其中羧乙基吡咯还可活化巨噬细胞^［26］。上述物质主要通过破坏溶酶体稳态^［27］或引起自噬功能障碍^［28］而导致炎症体过度激活。此外，纤维状的淀粉样物β1-40也可通过活化补体系统及诱导膜攻击复合体形成而激活NLRP3炎症体^［29］。
        目前领域内的专家一致认为NLRP3信号通路在干性和湿性AMD中均有重要作用^［30］。结合NLRP3炎症体的活化过程及其在AMD中的作用，推测针对性的潜在治疗靶点包括：（1）caspase-1：caspase-1的活化是炎症体经典活化途径中的限速步骤，抑制其活化可降低组织损害。（2）P2X7受体：Kerur等^［31］发现在Alu诱导的AMD模型中，P2X7受体可调节炎症体活化，降低P2X7或NF-κB的表达可减轻 Alu RNA引发的细胞损伤。（3）MyD88：抑制MyD88既能够降低NLRP3的表达，又可影响IL-18相关的信号传导，能够减轻Alu RNA引发的黄斑变性^［31］。
3.2　角膜炎　NLRP3在角膜上皮细胞中并非固定表达，需要在TLR活化后通过NF-κB诱导转录表达。烟曲霉菌可通过上述途径激活NLRP3炎症体、产生IL-1β。Karthikeyan等^［32］证实在真菌性角膜炎患者的角膜组织中，NLRP3及IL-1β的表达均增加。此外，某些可引起角膜炎的常见细菌也可通过活化TLR引起角膜组织中NLRP3炎症体活化，如肺炎链球菌和绿脓杆菌等^［33］。炎症体过度激活对角膜组织结构破坏及视力损害有重要作用。2015年Karmakar等^［34］进一步证实在急性感染肺炎链球菌的角膜组织中有中性粒细胞的聚集，并且中性粒细胞内有NLRP3炎症体的活化，并促使细胞分泌大量IL-1β。
        除细菌及真菌外，眼部1型单纯疱疹病毒（herpes simplex virus，HSV）感染也可引起角膜基质层的广泛炎症反应，导致基质性角膜炎，严重者可致盲。与细菌及真菌性角膜炎不同，Gimenez等^［35］发现，敲除NLRP3基因的大鼠眼部感染1型HSV后，其免疫反应发生得更早，炎症因子表达水平更高，基质性角膜炎表现更重，新生血管评分更高，因此该研究认为NLRP3炎症体对于HSV引起的基质性角膜炎具有保护作用，但其具体机制不明。以患HSV性角膜炎的BALB/c小鼠为模型，通过对其角膜组织及SV40人类角膜上皮细胞系的研究发现，感染1型HSV能够引起角膜中NLRP3炎症体的活化，同时伴有NLRP3自胞浆到胞核的位移。目前NLRP3炎症体激活是否对病毒引起的角膜炎具有保护作用及其是否与NLRP3的胞内位移有关仍有待于进一步研究证实。
3.3　葡萄膜炎　NLRP3炎症体在不同病因引起的葡萄膜炎中的作用不尽相同。小柳-原田病（Vogt-Koyanagi-Harada，VKH）是一种可能由感染后的异常反应所激发的自身免疫病，多好发于青壮年，临床表现复杂多样。本病的葡萄膜炎发生前约50%患者有前驱症状；有94%~100%的患者表现为双眼同时受累，并可引起多种并发症，是致盲的主要眼病之一。Liang等^［36］发现患有活动性葡萄膜炎的VKH患者的单核细胞源性的巨噬细胞（monocyte-derived macrophages，MDMs）中IL-1β、 IL-6、IL-8、TNF-α和ROS水平明显升高。下调NLRP3炎症体活化程度可显著降低IL-1β的水平，减轻病变。VKH患者MDMs中炎症体的活化及炎症因子的表达可能与TLR3/4信号通路的活化有关。此外，白塞病引起的葡萄膜炎患者MDMs 中IL-1β水平亦明显升高，且依赖于NLRP3炎症体的活化。本病可能与患者MDMs中TLR2/4表达增加、通过活化ROS-NLRP3通路引起IL-1β显著升高有关^［37］。与此不同的是，Gonzalez-Benitez等^［38］的早期研究发现内毒素诱发的眼内炎中存在NLRP3炎症体的活化，但Rosenzweig等^［39］进一步研究发现，在内毒素诱导的葡萄膜炎中，虽然球内注射脂多糖诱发葡萄膜炎的确会引起NLRP3炎症体的活化及IL-1β的水平升高，但敲除NLRP3或caspase-1并不能减轻内毒素诱导的葡萄膜炎。这说明在内毒素诱导的葡萄膜炎中存在NLRP3炎症体的活化，但它并不是该病发生发展的必要因素。
3.4　青光眼　Chi等^［40］研究表明，在急性青光眼眼压快速升高后6 h，缺血的视网膜组织中即出现高迁移率族蛋白1（high mobility group protein box 1，HMGB1）水平的升高。增多的HMGB1能够同时诱导NLRP3炎症体和caspase-8炎症体的活化，通过活化NF-κB途径，使得IL-1β等炎症因子表达增多、引发组织损伤。抑制HMGB1水平可以降低炎症体活化程度，减少视网膜神经节细胞的凋亡。其中，TLR4介导的炎症体活化能够引起caspase-8水平升高，而caspase-8能够通过非caspase-1依赖的NLRP1/NLRP3炎症体活化途径引发IL-1β的大量释放^［41］。这说明在急性青光眼中可能存在经典和非经典途径2种炎症体活化方式。
3.5　干眼症　Niu等^［42］通过对54例患有Sjgren综合征干眼症、50例非Sjgren综合征干眼症患者及46例健康对照者的研究证实，干眼症患者尤其是Sjgren综合征干眼症患者存在NLRP3炎症体的表达增加及下游IL-1β、IL-18和caspase-1水平的显著升高，提示NLRP3炎症体可能与干眼症有关，但其具体机制不明。由于干眼症与泪膜的高渗状态及局部的炎症严重程度有关，Zheng等^［43］从高渗应激诱导的局部炎症反应角度探讨了NLRP3炎症体在环境引发的干眼症中的作用机制。他们认为局部的高渗应激刺激会让角膜组织产生大量的ROS，从而激活NLRP3炎症体，通过ROS-NLRP3-IL-1β途径引起局部角膜上皮细胞发生炎症反应，从而产生干眼症状。
3.6　糖尿病视网膜病变　目前已有多项研究证实动脉粥样硬化等糖尿病大血管病变及糖尿病肾病等糖尿病微血管并发症的发生发展均与NLRP3炎症体介导的炎症反应有关。糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）是糖尿病最常见的微血管并发症之一，严重者可致盲。长期慢性高糖刺激可使视网膜Müller细胞内NLRP3炎症体活化，引发炎症、氧化应激反应及细胞凋亡，且上述反应可能与高糖刺激引起硫氧还蛋白相互作用蛋白（thioredoxin interaction protein，TXNIP）表达上调有关^［44］。因此NLRP3炎症体及TXNIP可能成为减轻DR致盲的潜在治疗靶点。Chen等^［45］已发现米诺环素可通过抑制上述TXNIP/NLRP3炎症体途径降低DR中的视网膜炎症反应，降低视网膜血管通透性及减少细胞凋亡。部分自噬增强剂及1，25（OH）2D3也可通过抑制ROS/TXNIP/NLRP3炎症体途径减轻DR病变^［46］。
3.7　视网膜缺血-再灌注损伤　目前已有多项研究证实，心肌、脑、肝脏及肾脏的视网膜缺血-再灌注（ischemia-reperfusion，I-R）中均存在ROS介导的NLRP3炎症体活化。抑制NLRP3炎症体活化程度能够减轻I-R造成的器官损伤。在视网膜的I-R方面，Qi等^［47］证实NLRP3炎症体活化启动的无菌性炎症反应参与视网膜I-R损伤的发生。在再灌注阶段，视网膜神经节细胞及胶质细胞高表达TLR4，损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）通过TLR4信号途径介导NLRP3炎症体活化，进而引起IL-1β及IL-18等炎症因子表达水平升高、产生无菌性炎症反应，诱导细胞凋亡，引发I-R。黄酮类化合物、白藜芦醇、大黄酚、黄芪甲苷、米诺环素等被证实能够减轻心肌、肝脏、脑等器官的I-R损伤，但其是否也能改善视网膜的I-R损伤尚未得到证实。
4　针对NLRP3炎症体的潜在治疗药物
        如前所述，NLRP3炎症体过度激活诱发的炎症反应参与多种眼病的发病机制，因此其可能成为一种新的药物治疗靶点。作为NLRP3炎症体的特异性抑制剂，Ⅰ型干扰素（包括IFN-α和IFN-β）已被用于治疗多发性硬化、风湿病、家族性地中海热等炎症体相关的自身免疫病和自发性炎性疾病，并被证实有效^［48］。其抑制炎症体活化的机制主要有两方面：一是使STAT1转录因子磷酸化抑制NLRP3炎症体活化；二是通过STAT3信号通路诱导产生IL-10，IL-10进一步通过自分泌模式减少IL-1α和IL-1β前体的生成^［49］。
        Coll等^［50］证实二芳基磺酰脲类化合物MCC950也能够特异性地抑制经典及非经典途径的NLRP3炎症体活化。此外，β羟基丁酸乙酯可通过抑制K⁺外流^［51］、白藜芦醇可通过诱导自噬、抑制巨噬细胞线粒体损伤^［52］、雷帕霉素等可通过增强自噬、穿心莲内酯^［53］可通过减轻线粒体损伤、microRNA-223可通过抑制炎症体相关蛋白表达等抑制NLRP3炎症体活化。
5　结论
        综上，随着免疫学相关研究的深入进展，人们对固有免疫系统在眼科疾病中的重要作用的认识也逐步提高。NLRP3炎症体作为固有免疫系统的重要组成部分，被证实参与AMD、角膜炎、葡萄膜炎、青光眼及干眼症等多种眼科常见疾病的发生发展，但其在不同眼病中的具体作用及相关机制仍有待进一步研究明确，以期为眼病的药物治疗提供新的靶点。