NLRP3炎症小体在蛛网膜下腔出血后早期脑损伤中的作用研究进展

姜铜源，冀兵

1 山西医科大学第一临床医学院，太原 030000；2 山西医科大学第一医院急诊医学中心

蛛网膜下腔出血（SAH）是临床常见神经系统疾病，具有高死亡率及高致残率，幸存者也极有可能出现长期神经功能缺陷［1］。SAH 的不良预后与早期脑损伤（EBI）、脑水肿和迟发性脑血管痉挛相关。EBI是SAH 后72 h 内整个脑组织的直接损伤，目前被认为是SAH 患者死亡和迟发性神经功能缺损的主要原因之一［2］。造成EBI 可能的机制包括神经炎症反应、颅内压升高、脑血流减少、微血栓的形成、血脑屏障破坏（BBB）和脑水肿［3-4］。以促炎介质的释放以及小胶质细胞和星形胶质细胞激活为特征的神经炎症反应，加剧了SAH 后的EBI。核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NLRP3）炎症小体参与SAH 后神经炎症，在SAH 后24 h内NLRP3炎症小体表达水平上调并达高峰，同时炎症因子及IL-1β、IL-18水平升高［1-2］。应用NLRP3 炎症小体抑制剂可提高前循环自体血注射SAH 模型小鼠的生存率，改善其EBI 和神经功能缺损。这可能与NLRP3 炎症小体在SAH后具有强大的抗炎作用有关，在减轻水肿、保护紧密连接、改善微血栓形成、延迟脑血管痉挛和改善功能缺陷中发挥重要作用［5］。本文对NLRP3炎症小体在SAH中的作用进行综述。

1 NLRP3炎症小体

NLRP3 炎症小体是一种由NLRP3 蛋白、衔接蛋白（ACS）、半胱氨酸天冬氨酸酶-1 前体（pro-caspase-1）三部分组成的多蛋白聚合复合物。NLRP3 蛋白包含三部分：C 端的亮氨酸重复序列（LRR）、中段特征性的核苷酸寡聚化结构域和N 端的效应结构域（PYD）三部分；ASC蛋白包含1个PYD结构域和1个半胱天冬酶激活和募集结构域（CARD）；pro-caspase-1 也包含一个CARD 结构域［6］。NLRP3 蛋白可以与ACS 的PYD 结构域相结合，结合后的复合物通过ACS 的CARD 与pro-caspase-1 的CARD 相互结 合实现对pro-caspase-1 的募集，部分组装的ACS 结构域将效应蛋白pro-caspase-1 剪切为caspase-1，形成具有活性的NLRP3 炎症小体，caspase-1 可以剪切前IL-1β（pro-IL-1β）、前IL-18（pro-IL-18）、细胞焦亡效应蛋白（GSDMD），促进IL-1β、IL-18、活化型GSDMD（GSDMD-p30）的形成［6］。研究发现，有丝分裂基因A 相关表达的激酶7（NEK7）也是NLRP3 炎症小体的组成部分，可以在启动和激活间期与NLRP3 蛋白的LRR及NACHT结合［7］。在静息状态下，NLRP3蛋白的基础水平较低，不会与衔接蛋白ACS、效应蛋白前体pro-caspase-1进行［8］。

2 NLPR3炎症小体的激活

活性NLRP3 炎性小体的功能调节过程分为两步。首先需要非激活的“启动”刺激来启动关键炎症小体成分的表达，然后是炎症小体组装的第二信号“激活”刺激。启动由TLR/核因子-κ 轻链增强子（NF-κB）途径或活性氧自由基（ROS）通路诱导，使NLRP3 蛋白、pro-IL-1β、pro-IL-18 mRNA 表达上调。第二信号由K+外流、Ca2+内流、ROS 的形成、溶酶体破裂介导，激活NLRP3 蛋白，并与ASC 和caspase-1在级联反应中结合，形成具有活性的NLRP3 炎症小体。

Toll 样受体4（TLR4）可识别SAH 后损伤相关分子模式、肿瘤坏死因子等信号，随后通过激活NF-κB使NLRP3、pro-IL-1β、pro-IL-18 mRNA 表达上调［9］。NF-κB 通路使NLRP3 炎症小体启动的机制可能由p65核转位介导，增加了NLRP3蛋白的基因转录，这有助于NLRP3炎症小体的形成［10］。

ROS 通路的关键步骤是ROS 的产生，其中线粒体功能障碍来源的ROS 是最早被认为激活炎症小体的主要因素之一。受体相互作用蛋白（RIP）是一个丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶家族，由四种异构体RIP1-4 组成。研究指出RIP1 和RIP3 的活性形式可以构成RIP1-RIP3 复合物，该复合物参与NLRP3 炎症小体的激活。在SAH 后肿瘤坏死因子刺激RIP1-RIP3 复合物的形成。线粒体功能障碍由动力相关蛋白1（DRP1）调节，DRP1 介导线粒体有丝分裂，促进内质网应激，增加ROS 的生成［11］。SAH 的发生会导 致RIP1、RIP3、磷酸化DRP1 和NLRP3 蛋 白、pro-IL-1β、ROS 类物质表达上调，且SAH 后NLRP3炎症小体激活可能是由RIP1-RIP3-DRP1-ROS 通路介导。同时向SAH 小鼠腹腔注射PIP1 激酶抑制剂（Nec-1）或线粒体分裂抑制剂（Mdivi-1），发现Nec-1降低了小鼠脑组织中的RIP1、RIP3、磷酸化DRP1和NLRP3 炎症小体表达；Mdivi-1 可抑制DRP1 蛋白表达，减轻线粒体损伤，减少ROS 的产生，抑制NLRP3炎症小体表达［12］。

综上所述，ROS 在NLRP3 炎症小体的启动与激活两个过程中都发挥了一定作用。然而，其启动及激活NLRP3 炎症小体的具体机制尚未阐明，ROS 作为启动信号可能的机制是NEK7识别ROS 信号并使下游蛋白质巯基氧化［7］，作为第二信号的机制可能与硫氧还蛋白相互作用蛋白（TXNIP）有关［13］。

两种激活通路在SAH 中并非单独出现，有研究证实，ROS 的产生可以激活TLR4-NF-κB 通路［9］。NLRP3 炎症小体经过上述通路并不能直接成为具有活性的多聚复合物，需要第二信号调控复合物的组装过程［14］。NLRP3 炎症小体第二信号主要包括K+外流、Ca2+内流、ROS的形成、溶酶体破裂［15］。其中K+外流作为第二信号对NLRP3 炎症小体的活化最为重要，其可能是通过影响NEK7 与NLRP3 蛋白的结合，促进NLRP3 炎症小体的组装［16］。溶酶体破裂释放的组织蛋白酶B 促进了NLRP3 炎性小体的激活［2］。目前国内外对于NLRP3炎症小体的激活及组装机制这一过程已经有初步研究，但是对于启动通路与第二信号之间以及第二信号在NLRP3 炎症小体组装过程中的作用机制仍需进一步研究。

3 NLRP3炎症小体在SAH后EBI中的作用

3.1 NLRP3 炎症小体在SAH 后EBI 中的作用机制

3.1.1 参与神经炎症级联反应 NLRP3 炎症小体在SAH后参与神经炎症级联反应，导致EBI的发生。caspase-1 可以将pro-IL-1β、pro-IL-18 转化为IL-1β、IL-18，促进炎症级联反应，加重SAH 后EBI［17］。IL-1是一种促炎症细胞因子，是炎症介导的神经元损伤的重要介质。IL-1 及其下游介质（尤其是IL-6）在正常环境下不具有神经毒性，但在SAH 神经病理学状态下具有显著毒性。IL-6可导致血管炎症及破坏内皮细胞屏障作用，还可充当中间体，诱导病变区域炎性细胞聚集，增加ROS 的释放，与肿瘤坏死因子-α（TNF-α）协同作用，促进脑血管痉挛及EBI［18］。动物实验表明，使用IL-1β 抗体中和IL-1 可抑制SAH 小鼠的血管痉挛、小胶质细胞激活及外周白细胞向神经系统浸润［19］。有学者提出，自噬是可以将老化或受损的细胞器、错误折叠或突变的蛋白质分离形成双层膜泡的自噬体，然后融合到溶酶体中将分离成分降解的一个过程，自噬可以清除IL-1、IL-18 及ROS 从而对炎症小体的激活起负性调节作用，组装的NLRP3 炎症小体也可通过自噬途径被清除，从而减轻SAH后EBI［20］。

3.1.2 参与小胶质细胞表型转变 小胶质细胞是参与中枢神经系统固有免疫的重要组成部分，其被激活后分为促炎表型（M1）和抗炎表型（M2）。M1型小胶质细胞分泌IL-1β、IL-6 和TNF-α 等促炎细胞因子；M2 型小胶质细胞分泌IL-10 和转化生长因子-β等抗炎细胞因子，发挥神经保护作用，并有助于神经元再生［21］。SAH 后早期M1 型小胶质细胞占主导地位，随后向M2 型转变；促进小胶质细胞向M2 型极化可以改善SAH 后神经炎症反应［22］。研究表明，抑制NLRP3 炎症小体活性可促使小胶质细胞由M1 型向M2 型转变，改善SAH 后神经功能缺损、脑水肿、氧化损伤、神经炎症和神经细胞焦亡［1］。因此，NLRP3 炎症小体或可成为小胶质细胞表型转变的治疗靶点，有希望改善患者的EBI。

3.1.3 参与神经细胞焦亡过程 细胞焦亡是炎症小体所介导的一种特殊的程序性细胞死亡。在SAH后caspase-1可以切割GSDMD生成活化的GSDMD-p30［2］，后者在细胞膜上形成多聚化孔道，细胞内炎性分子细胞内IL-1β 和IL-18 等经该孔道释放，同时细胞肿胀破裂，导致神经细胞的焦亡。通过抑制GSDMD 蛋白的表达，可减轻神经元变性，改善SAH 后的EBI，减轻神经功能障碍［23］。目前关于SAH 后EBI 中神经元焦亡的知识有限，亟待进一步研究。

3.1.4 参与微血栓形成 SAH 患者尸检及动物模型中在大脑缺血区域均发现了大量微血栓。微血栓形成被认为是神经系统预后不良的主要原因［24］。SAH 后抑制NLRP3 炎症小体可以减少微血栓的形成，改善患者的EBI 和迟发性神经功能缺损［25］。有学者认为，微血栓形成的主要原因是炎症介导的血管内皮细胞凋亡及凝血功能障碍［26］。关于NLRP3炎症小体在微血栓形成中的机制研究较少，由其介导的炎症级联反应导致的微血栓形成，或其自身具有致微血栓形成的作用尚未明确，仍需进一步研究。

3.1.5 参与血脑屏障破坏 血脑屏障的破坏会引起血脑屏障的通透性增加、脑水肿、颅内压升高、继发神经元细胞焦亡等，其被认为是脑疝的主要原因，升高SAH 患者病死率。研究发现，NLRP3 炎症小体与血脑屏障的破坏相关，但其作用机制尚不明确。研究提出，NLRP3 炎症小体参与血脑屏障的破坏可能是IL-1 介导基质金属蛋白酶9 降解脑内皮细胞之间的紧密连接蛋白所致［27］。caspase-1-GSDMD 介导的细胞焦亡也参与血脑屏障的破坏，抑制NLPR3 炎症小体可以保护血脑屏障的完整性［28］。

3.2 NLRP3炎症小体在EBI治疗中的作用

上述证据表明，SAH 可以激活NLRP3 炎症小体，而炎症小体的激活通路中抑制其中任何一个靶点均可能减轻神经炎症和改善SAH 患者的预后，这些药物大致可以分为四类：作用于NF-κB 通路的药物、作用于ROS 通路的药物、NLRP3 炎症小体特异性抑制剂、其他特殊药物。

3.2.1 作用于NF-κB通路的药物 研究发现，SAH后用右美托咪定治疗可部分通过抑制TLR4/NF-κB通路来抑制NLRP3 炎症小体激活，改善神经系统评分，减轻脑水肿，降低血脑屏障的通透性，并上调紧密连接蛋白的表达，减轻SAH 诱导的EBI［29］。氟西汀是一种抗抑郁药物，其可以抑制抑郁症患者的NLRP3 小体的激活。氟西汀治疗SAH，其作用机制主要是减少M1 型小胶质细胞的数量和外周中性粒细胞浸润、下调TLR4 的表达、激活自噬作用等，减轻EBI［30］。富氢盐水在SAH 后发挥抗氧化和抗凋亡作用，其可部分通过Akt/GSK3β 途径减弱SAH 诱导的神经元凋亡，还可通过抑制NF-κB 通路和促进NLRP3 炎症小体的失活，抑制EBI 炎症，改善SAH后的神经行为［4］。二氢硫辛酸治疗通过SAH 后EBI中的LAMP1/CaMKII/TAK1通路减轻炎症并改善神经功能［31］。其主要机制是阻断TAK1，不仅可以抑制磷酸化NF-κB p65 表达和NLRP3 炎症小体激活，还能抑制ROS 的产生，并阻止促进自噬的溶酶体组织蛋白酶B 释放到细胞质中［2］。此外，Resolvin D1（RVD1）是一种从二十二碳六烯酸中提取的脂质介质，具有抗炎和神经保护特性。RVD1 的内源性受体是甲酰肽受体2，通过IκBα 途径上调脂多糖诱导培养的人内皮细胞中紧密连接蛋白的表达，降低血管通透性。甲酰肽受体2 通过上调TNF-α 诱导蛋白3 来抑制NF-κB 通路激活，阻断NLRP3 炎症小体的激活，从而起保护血脑屏障的作用［10］。

3.2.2 作用于ROS 通路的药物 白黎芦醇（RSV）与薯蓣皂苷均可通过血脑屏障，是SIRT1 的有效激活剂。SAH 后，SIRT1 通过抑制ROS 介导的NLRP3炎症小体激活来发挥神经保护作用。RSV还可促进小胶质细胞向M2 表型分化，这可能是抑制小胶质细胞激活及小胶质细胞浸润的原因［32］。芒果苷（MF）具有改善SAH后神经功能和组织水肿的功能；通过降低脂质过氧化、恢复内源性酶（超氧化物歧化酶和过氧化氢酶）和增加谷胱甘肽来减轻SAH 诱导的氧化应激；减少SAH 后神经细胞凋亡和脑组织线粒体凋亡途径的激活；在减轻SAH 后促炎细胞因子的局部释放的同时，MF 下调NLRP3、ASC 和切割的caspase-1的表达以及NF-κB的激活；MF还可以剂量相关的方式有效上调SAH大鼠大脑中核因子NF-E2相关因子（Nrf2）和血红素氧化酶1（HO-1）的表达。Nrf2/HO-1 级联可能是MF 发挥药理作用的主要途径。Nrf2/HO-1 级联促进线粒体相关凋亡蛋白如Bcl-2激活，激活的Bcl-2可以抑制细胞色素C 将procaspase-3 加工成活化的caspase-3。Nrf2/HO-1 级联也可抑制ROS 的产生，从而抑制NLRP3炎症小体的激活和组装［9］。apelin-13 可显著改善SAH 后神经功能，减轻脑水肿，并维持血脑屏障完整性；显著改善长期空间学习和记忆；抑制小胶质细胞激活，防止内质网应激过度激活，并降低TXNIP、NLRP3、裂解的caspase-1、IL-1β、TNF-α、髓过氧化物酶和ROS 的水平。其作用机制部分由ROS 通路的TXNIP 抑制NLRP3 炎症小体激活所介导［13］。银杏叶提取物已被广泛应用于各种心脑血管疾病的治疗，最近研究发现将银杏叶提取物用于治疗SAH 可改善EBI，其作用机制与TXNIP 的抑制有关［33］。坦螺旋霉素（17-AAG）是热休克蛋白90（HSP90）的特异性抑制剂。在SAH 后应用17-AAG 可减轻神经炎症反应、减少微血栓的形成。17-AAG 改善SAH 后的神经功能部分通过HSP90/RIP3/NLRP3 信号通路完成［25］。在此之前一项研究报道，抑制HSP90 可减轻NF-κB介导的炎症反应［34］。17-AGG 在SAH 后的作用机制仍存在争议，但其对于NLRP3 炎症小体激活的抑制作用得到了肯定。

3.2.3 NLRP3 炎症小体特异性抑制剂 MCC950作为NLRP3 炎症小体的选择性抑制剂，在治疗炎症性疾病时对NLRP3 炎症小体的抑制有效。在SAH后24 h，MCC950 通过抑制NLRP3 炎症小体减轻EBI。用MCC950 治疗大脑血管穿孔的SAH 模型小鼠EBI，神经功能缺损和脑水肿得到改善［5］。

3.2.4 其他药物 褪黑素（MLT）除是一种重要的昼夜节律分子外，还具有多种药理活性，包括抗氧化、抗炎和抗凋亡。通过自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤可以逆转MLT 对于NLRP3 炎症小体的抑制作用，MLT 对于炎症小体的激活主要由自噬介导［35］。研究发现，MLT的抗凋亡作用可以上调Bcl-2表达以及抑制NLRP3 炎症小体的激活，但其研究结果更倾向于抑制NLRP3 炎症小体是MLT 抗凋亡调节的主要原因［36］。最新研究结果与之相反，认为上调Bcl-2表达是MLT 抗凋亡调节的主要原因［3］。还有研究提出，氢气的吸入可以降低SAH 大鼠血管中炎症和凋亡标志物的表达，减轻脑水肿，抑制微血栓形成和血管痉挛。其分子机制可能与抑制ROS/NLRP3 轴的激活有关［37］。

越来越多的证据表明，NLRP3 炎症小体激活在SAH 后是一种常见现象。NLRP3 炎症小体参与了小胶质细胞的激活、促炎性因子的释放、神经炎症、血脑屏障的破坏、微血栓的形成以及神经细胞的焦亡。多类药物可以抑制NLRP3 炎症小体激活，改善SAH 患者预后，但是目前暂无上述药物对SAH 后的长期作用及对SAH 的不同严重程度收益的研究。NLRP3 炎症小体可能成为SAH 后的治疗靶点，进一步研究其在SAH 后EBI 中的病理机制、研究开发其靶向药物至关重要，可为改善SAH 后患者预后开辟新的治疗途径。