周 翠 張 璐 丁國華

細(xì)胞死亡是生物體重要的病理生理過程，在不同理化或生物因素的作用下細(xì)胞有不同的死亡方式。相較于傳統(tǒng)的細(xì)胞死亡方式，細(xì)胞焦亡是新近發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞死亡方式，其發(fā)生的具體機(jī)制尚不明確。細(xì)胞焦亡是一種依賴于半胱天冬氨酸蛋白酶caspase-1/4/5/11，由GSDMD(gasdermin D,GSDMD)介導(dǎo)并伴有炎性介質(zhì)釋放的程序性細(xì)胞死亡方式。研究表明NLRP3(NOD-like receptor with pyrin domain 3，NLRP3)炎性小體作為一種促進(jìn)炎性因子活化的平臺，能夠調(diào)節(jié)caspase-1前體活化并促使炎性因子活化及釋放，并由此調(diào)控細(xì)胞焦亡。在腎臟疾病中細(xì)胞焦亡介導(dǎo)的炎性反應(yīng)是無菌性炎性反應(yīng)。研究表明無菌性炎性反應(yīng)是許多腎臟疾病的臨床特征，在腎臟疾病的進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。因此研究NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡對進(jìn)一步揭示腎臟疾病的發(fā)病機(jī)制及研發(fā)藥物治療新靶點具有重要意義。

一、炎性小體

NLRP3炎性小體是Nod受體亞家族成員之一，是由模式識別受體(pattern recognition receptor, PRR)、凋亡相關(guān)微粒蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD,ASC)和caspase-1前體(pro-caspase-1)構(gòu)成的多蛋白復(fù)合體[1]。當(dāng)細(xì)胞受到內(nèi)源性或者外源性危險信號刺激時，細(xì)胞內(nèi)的模式識別受體通過識別病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular pattern，PAMP)和損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular pattern，DAMP)啟動系列信號級聯(lián)反應(yīng)并促進(jìn)大量炎性介質(zhì)的釋放，由此導(dǎo)致炎性反應(yīng)的發(fā)生[2]。NLRP3是目前研究最多的炎性小體，研究表明NLRP3炎性小體作為一種促進(jìn)炎性因子活化的平臺，能夠調(diào)節(jié)caspase-1前體活化并使pro-IL-1β和pro-IL-18轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒炀哂谢钚缘难仔苑磻?yīng)因子IL-1β和IL-18，由此啟動系列信號級聯(lián)反應(yīng)并促進(jìn)大量炎性介質(zhì)的釋放。研究發(fā)現(xiàn)活化的NLRP3炎性小體參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的炎性反應(yīng)、代謝及生存，在自身免疫性疾病、心血管疾病、急慢性腎臟疾病、代謝性疾病等發(fā)生、發(fā)展過程中起重要作用。

二、細(xì)胞焦亡

細(xì)胞焦亡同時具有壞死和凋亡的特征，表現(xiàn)為細(xì)胞不斷脹大致細(xì)胞膜破裂，染色體DNA片段化，細(xì)胞內(nèi)容物釋放進(jìn)而激活強(qiáng)烈的炎性反應(yīng)。細(xì)胞焦亡是一種由caspase-1/4/5/11介導(dǎo)的程序性細(xì)胞死亡，屬于一種重要的天然免疫反應(yīng)。細(xì)胞焦亡途徑包括caspase-1介導(dǎo)的經(jīng)典焦亡途徑和caspase-4/5/11介導(dǎo)的非經(jīng)典焦亡途徑。經(jīng)典焦亡途徑中，在內(nèi)源性或者外源性危險信號刺激下，炎性小體NLRP3使pro-caspase-1激活為活化的caspase-1,并介導(dǎo)IL-1β和IL-18的成熟及釋放，從而招募更多的炎性細(xì)胞，進(jìn)一步放大炎性反應(yīng)[3]。在非經(jīng)典焦亡途徑中，脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)可以直接激活caspase-4/5/11,從而導(dǎo)致細(xì)胞焦亡的發(fā)生。pro-caspase-1、ASC和NLRP3可參與非經(jīng)典焦亡途徑，但不是其必需的?；罨蟮腸aspase-1/4/5/11通過切割下游GSDMD使后者C端結(jié)構(gòu)域與N端結(jié)構(gòu)域分離，暴露N端結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域具有在膜上打孔的作用，導(dǎo)致細(xì)胞膜孔洞形成，細(xì)胞不斷膨脹直至破裂，細(xì)胞內(nèi)容物IL-1β和IL-18等釋放，從而激活并放大炎性反應(yīng)，引發(fā)細(xì)胞焦亡[4]。

三、細(xì)胞焦亡在腎病疾病中的作用

無菌性炎性反應(yīng)是許多腎臟疾病的臨床特征。NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡通過誘發(fā)及放大無菌性炎性反應(yīng)參與多種腎臟疾病的進(jìn)展，包括急性腎損傷、糖尿病腎病、腎結(jié)石和其他腎臟病，下面對其在腎臟疾病中的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1.急性腎損傷：急性腎損傷是各種病因引起的腎功能急劇下降而出現(xiàn)的臨床綜合征。研究表明，細(xì)胞焦亡在急性腎損傷中起重要作用。

缺血再灌注誘導(dǎo)急性腎損傷時焦亡相關(guān)蛋白caspase-1/11和 IL-1β表達(dá)水平明顯升高，即CHOP-caspase-11信號通路活化并導(dǎo)致腎小管細(xì)胞焦亡[5]。證明細(xì)胞焦亡參與缺血再灌注導(dǎo)致的急性腎損傷。在盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)(cecal ligation and puncture，CLP)膿毒血癥導(dǎo)致的急性腎損傷的動物模型中，腎組織中焦亡相關(guān)蛋白NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β和IL-18表達(dá)增加。敲除NLRP3導(dǎo)致ASC、caspase-1、IL-1β以及IL-18表達(dá)下降，可減輕CLP誘導(dǎo)的急性腎損傷小鼠中性粒細(xì)胞浸潤、血壓下降、腎功能損傷；相似的，使用焦亡相關(guān)蛋白caspase-1抑制劑可顯著改善CLP誘導(dǎo)的急性腎損傷[6]。實驗表明細(xì)胞焦亡加重膿毒血癥誘導(dǎo)的急性腎損傷的病理損害，并且抑制細(xì)胞焦亡能減輕其損傷。類似研究發(fā)現(xiàn)造影劑誘導(dǎo)的腎損傷動物模型中腎組織caspase-1、IL-1β、IL-18和NLRP3表達(dá)增加，用NLRP3-siRNA下調(diào)NLRP3表達(dá)可明顯緩解造影劑誘導(dǎo)的腎小管細(xì)胞損傷[7]。Komada等[8]注射甘油模擬橫紋肌溶解導(dǎo)致的急性腎損傷動物模型中發(fā)現(xiàn)腎臟NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β表達(dá)均上調(diào)，進(jìn)一步研究顯示，與對照組比較，分別敲除NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β的小鼠腎小管損害均顯著緩解。另外，研究發(fā)現(xiàn)山莨菪堿對橫紋肌溶解所致細(xì)胞損傷的保護(hù)作用與抑制TXNIP、NLRP3炎性小體的活化,進(jìn)而下調(diào)ASC、caspase-1、IL-1β、IL-18表達(dá)有關(guān)[9]。證明細(xì)胞焦亡參與多種病因誘導(dǎo)的急性腎損傷的病理損害。

上述研究均表明細(xì)胞焦亡加重急性腎損傷的病理損害，抑制細(xì)胞焦亡對急性腎損傷起保護(hù)作用。由此推測NLRP3-caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡是急性腎損傷的重要生物學(xué)事件，參與急性腎損傷的病理損害過程，并且可以通過下調(diào)細(xì)胞焦亡緩解急性腎功能損傷。急性腎損傷病死率高，但目前臨床上沒有特異性的治療方法，上述研究表明NLRP3-caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡有望成為治療急性腎損傷的新靶點。

2.糖尿病腎?。禾悄虿∧I病是糖尿病的嚴(yán)重并發(fā)癥，持續(xù)性腎臟組織的無菌性炎性反應(yīng)是糖尿病腎病重要的病理生理基礎(chǔ)，是糖尿病腎病的重要特征，并且越來越多研究表明糖尿病腎病進(jìn)展與炎性因子活化有關(guān)。臨床研究發(fā)現(xiàn)，與無蛋白尿的糖尿病患者及非糖尿病患者比較，有蛋白尿的糖尿病患者IL-1β、NLRP3表達(dá)水平顯著升高，且血清IL-1β水平與蛋白尿水平呈正相關(guān)[10]。進(jìn)一步臨床試驗發(fā)現(xiàn)，抑制IL-1β可以緩解2型糖尿病[11]。NLRP3炎性小體能夠調(diào)節(jié)caspase-1前體活化并促使炎性因子活化及釋放，并由此調(diào)控細(xì)胞焦亡，因此有理由認(rèn)為NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在糖尿病腎病中具有極其重要的作用。實驗發(fā)現(xiàn)，STZ誘導(dǎo)的糖尿病腎病模型動物中NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β和IL-18表達(dá)均較同齡對照組上調(diào)，通過抑制NLRP3炎性小體的活化，下調(diào)caspase-1、IL-1β和IL-18表達(dá)可以減輕糖尿病腎病腎纖維化，緩解糖尿病腎病的進(jìn)展，對糖尿病腎病起保護(hù)作用[12，13]。該研究證明NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡參與糖尿病腎病的進(jìn)展，并且抑制細(xì)胞焦亡對糖尿病腎病起保護(hù)作用。臨床發(fā)現(xiàn)姜黃素具有保護(hù)腎臟，抗纖維化作用。Lu等[14]實驗證明，姜黃素通過抑制NLRP3炎性小體，下調(diào)caspase-1和IL-1β可改善糖尿病腎纖維化情況，對腎臟起保護(hù)作用，表明姜黃素對糖尿病腎病的保護(hù)作用于其抑制NLRP3介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡有關(guān)。Shahzad等[15]研究表明糖尿病腎病時焦亡相關(guān)蛋白caspase-1活化先于凋亡相關(guān)蛋白caspase-3活化，并且抑制caspase-1對糖尿病腎病具有顯著保護(hù)作用，而抑制caspase-3無明顯效果。表明細(xì)胞焦亡對糖尿病腎病的影響或許大于細(xì)胞凋亡對糖尿病腎病的影響，但該結(jié)論尚需進(jìn)一步驗證。上述研究表明，NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在糖尿病腎病中具有極其重要的作用，并且抑制NLRP3炎性小體活化介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡有望為治療糖尿病腎病，延緩糖尿病腎病的進(jìn)展提供新方向。

3.腎結(jié)石：腎結(jié)石的主要成分是草酸鹽結(jié)晶。研究發(fā)現(xiàn)草酸鹽結(jié)晶刺激腎組織NLRP3炎性小體活化，上調(diào)ASC、caspase-1 、IL-1β的表達(dá)[16]。證明細(xì)胞焦亡參與腎結(jié)石中腎組織病理改變。Knauf等[17]發(fā)現(xiàn)，過量可溶性草酸鹽飲食所致的腎結(jié)石模型動物腎組織中NLRP3炎性小體明顯活化，抑制NLRP3炎性小體活化可緩解腎功能進(jìn)行性損害并降低病死率。Ludwig-Portugall等[18]發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象,高嘌呤飲食誘導(dǎo)的腎結(jié)石動物模型腎組織中炎性小體活化，伴IL-1β和IL-18水平上調(diào)及腎纖維化，而早期使用NLRP3炎性小體特異性抑制劑可下調(diào)IL-1β和IL-18水平，并減輕結(jié)石導(dǎo)致的腎臟纖維化程度。表明NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡加重腎結(jié)石中腎組織的病理損害，抑制NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡能降低腎結(jié)石中腎組織腎損害程度，并對腎結(jié)石中腎組織起保護(hù)作用。但NLRP3炎性小體抑制劑對已發(fā)生纖維化的腎臟無逆轉(zhuǎn)作用。因此筆者有理由推斷，NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡加重腎結(jié)石導(dǎo)致的腎臟組織纖維化程度，并且早期抑制NLRP3介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡可能是治療或緩解腎纖維化的方法。

4.其他腎臟?。貉芯孔C實NLRP3炎性小體活化以及IL-1β和IL-18促炎性因子在多種慢性腎臟病中起重要作用，NLRP3炎性小體活化與慢性腎臟疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。

近年來研究發(fā)現(xiàn)NLRP3炎性小體的活化不僅存在于免疫細(xì)胞，還存在于腎固有細(xì)胞中，參與腎小球內(nèi)皮細(xì)胞和足細(xì)胞損傷，并最終導(dǎo)致慢性腎衰竭[19]。醛固酮在足細(xì)胞損傷中起重要作用。Bai等[20]發(fā)現(xiàn)醛固酮刺激足細(xì)胞NLRP3、caspase-1和IL-18的表達(dá)，時間劑量呈正相關(guān)，抑制或敲除NLRP3可以緩解醛固酮導(dǎo)致的足細(xì)胞損傷，這表明NLRP3介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡參與足細(xì)胞損傷。蛋白尿是慢性腎臟病進(jìn)展的獨立危險因素并且影響其預(yù)后。NLRP3表達(dá)水平與蛋白尿程度呈正相關(guān)，白蛋白可以直接刺激腎小管上皮細(xì)胞，通過活化NLRP3、caspase-1破壞腎小管細(xì)胞的緊密連接，導(dǎo)致近端小管功能缺陷[21]。用siRNA下調(diào)NLRP3表達(dá)可以減輕白蛋白導(dǎo)致腎小管細(xì)胞損傷，提示NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在腎小管細(xì)胞損傷中起重要作用[22]。NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡參與腎小管細(xì)胞損傷，并且抑制NLRP3介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡對腎小管細(xì)胞損傷起保護(hù)作用。

在5/6腎切除的腎纖維化模型的研究中腎臟NLRP3、caspase-1、IL-1β表達(dá)水平持續(xù)升高，NLRP3基因敲除可明顯下調(diào)IL-1β和IL-18水平，減少細(xì)胞外基質(zhì)沉積，改善腎小管間質(zhì)纖維化程度，維持腎小管細(xì)胞線粒體形態(tài)并減少蛋白尿[23]。反之，NLRP3的過表達(dá)會加重慢性腎臟病的腎損害程度。類似的，單側(cè)輸尿管結(jié)扎動物模型出現(xiàn)顯著的線粒體功能障礙及腎纖維化，腎組織中焦亡相關(guān)蛋白caspase-1/IL-1β表達(dá)水平增加，細(xì)胞焦亡活化且IL-1β、IL-18和NLRP3表達(dá)水平隨著時間增加，通過下調(diào)焦亡相關(guān)蛋白caspase-1/IL-1β或敲除NLRP3可改善線粒體功能及腎纖維化[24]。上述研究表明NLRP3介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡促進(jìn)慢性腎衰竭進(jìn)展，加重腎纖維化程度，并且抑制NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡延緩慢性腎衰竭的進(jìn)展，減輕腎纖維化程度，對慢性腎衰竭及腎纖維化起保護(hù)作用。

目前也存在與該結(jié)論不一致的研究，Pulskens 等[25]發(fā)現(xiàn)敲除NLRP3的單側(cè)輸尿管結(jié)扎小鼠早期腎損傷較野生型小鼠更明顯，并且與野生型小鼠組相比NLRP3基因敲除對腎纖維化以及炎性反應(yīng)無明顯影響，其機(jī)制與NLRP3炎性小體具有防止早期腎間質(zhì)水腫并維持血管完整性有關(guān)。因此抑制NLRP3炎性小體活化在單側(cè)輸尿管結(jié)扎動物模型中對腎纖維化的作用還存在爭議，還需更充分的實驗進(jìn)行驗證。

此外發(fā)現(xiàn)狼瘡性腎炎的動物模型肌酐升高及蛋白尿，伴NLRP3以及IL-1β表達(dá)水平上調(diào)，通過調(diào)節(jié)P2X7下調(diào)NLRP3的表達(dá)可以緩解狼瘡性腎炎蛋白尿及肌酐水平[26]。該研究提示NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡參與狼瘡性腎炎的進(jìn)展，臨床上可以通過抑制NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，從而減少炎性介質(zhì)的釋放來緩解狼瘡性腎炎的腎組織損害。腎組織活檢發(fā)現(xiàn)IgA腎病、微小病變型腎病、膜性腎病、局灶節(jié)段性硬化、高血壓性腎病腎組織中NLRP3水平均較正常腎組織顯著升高[21，26]。Muckle-Wells綜合征是一種比較罕見的自身免疫性疾病，由于NLRP3基因突變，導(dǎo)致過度的caspase-1活化以及IL-1β的釋放。隨著病情進(jìn)展高達(dá)25%的Muckle-Wells綜合征患者出現(xiàn)腎淀粉樣變性導(dǎo)致的蛋白尿以及腎衰竭，而炎性因子抑制劑的應(yīng)用對這類患者有明顯的療效[27]。在艾滋病相關(guān)性腎病的研究中發(fā)現(xiàn)，HIV轉(zhuǎn)基因小鼠(Tg26)表現(xiàn)為NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β蛋白以及mRNA的表達(dá)水平上升。人類免疫缺陷病毒導(dǎo)致足細(xì)胞焦亡是具有時間和量依賴的。使用caspase-1抑制劑會減少caspase-1和IL-1β的表達(dá)，減少足細(xì)胞焦亡，對艾滋病相關(guān)性腎病起保護(hù)作用[28]。研究提示細(xì)胞焦亡參與多種腎臟疾病的進(jìn)展，抑制細(xì)胞焦亡可緩解腎臟疾病的病理損害。

上述研究表明，NLRP3、caspase-1和IL-1β是許多腎臟疾病進(jìn)展的危險因素并影響腎臟疾病的預(yù)后。無菌性炎性反應(yīng)是許多腎臟疾病的臨床特征，在腎臟疾病的進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。NLPR3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡通過促進(jìn)炎性因子的成熟和釋放參與許多腎臟疾病的進(jìn)展。并且可以通過抑制NLRP3炎性小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，減少細(xì)胞焦亡誘發(fā)的炎性反應(yīng)對許多腎臟疾病起緩解作用。因此調(diào)控NLRP3-caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡有望為腎臟疾病的診治提供新方向。

四、展 望

腎臟疾病具有發(fā)生率高、病程長、療效不理想、治療藥物不良反應(yīng)多等特點。因此尋找腎臟疾病治療過程中的新的干預(yù)方式具有極其重要的意義。綜上所述，NLRP3-caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在諸多腎臟疾病的進(jìn)展中發(fā)揮著極其重要的角色。NLRP3、caspase-1、IL-18和IL-1β水平是許多腎臟疾病進(jìn)展的危險因素并影響腎臟疾病的預(yù)后。目前相關(guān)研究主要通過間接檢測方法反映焦亡水平，期待更為直接的檢測技術(shù)，為細(xì)胞焦亡在腎病疾病中的作用提供更確切的證據(jù)。焦亡與凋亡、自噬之間的關(guān)系、它們之間存在怎樣的相互作用以及是否相互轉(zhuǎn)換還有待進(jìn)一步闡明。細(xì)胞焦亡是否在腎臟疾病中具有雙刃作用，適度的細(xì)胞焦亡起保護(hù)作用，而過度細(xì)胞焦亡起損傷作用，仍有待于進(jìn)一步探索。深入研究NLRP3-caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在腎臟疾病發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸中的分子機(jī)制，有望為臨床治療腎臟疾病提供新思路。