余電有,劉莉

(1.右江民族醫(yī)學院附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科,廣西百色 533000;2.右江民族醫(yī)學院研究生學院,廣西百色 533000)

擴張型心肌病(dilated cardiomyopathy,DCM)的特征是一個或兩個心室的擴張和收縮障礙引起的一種常見的致命性心血管系統(tǒng)疾病[1]。DCM的全球患病率高達40/10萬[2],其中歐美地區(qū)患病率約為36.5/10萬[3],我國的患病率約為19/10萬[4]。DCM可分為遺傳型、獲得型。遺傳型是由基因突變引起,目前超過40%的DCM病例被證實是家族遺傳的[5],已發(fā)現(xiàn)DCM的致病基因超過60個[6]。在非遺傳因素方面,證實了DCM與炎癥密切相關。NLRP3炎癥小體在炎癥、先天免疫反應、細胞凋亡和細胞焦亡的調(diào)節(jié)中起關鍵作用,活化的NLRP3介導了多種促炎途徑進而介導了心肌細胞壞死、心肌纖維化、心肌細胞骨架紊亂及心肌重構的病理生理過程[7-8]。

1 NLRP3炎癥小體的組成和激活

NLRP3炎癥小體由三種蛋白質(zhì)組成:NLRP3蛋白、半胱天冬酶募集結構域(ASC)和pro-caspase-1的銜接蛋白凋亡相關斑點樣蛋白[9]。NLRP3包含C端的富含亮氨酸的重復序列(LRR)、具有ATP酶活性的中央核苷酸結合和寡聚化結構域(NACHT),以及N端招募ASC的pyrin結構域(PYD)三個結構域[10]。ASC由一個C端半胱天冬酶募集結構域(CARD)和一個N端PYD組成。pro-caspase-1由一個CARD、一個p20和一個p10結構域組成[11]。NLRP3炎癥小體激活通常包括兩個過程:(1)模式識別受體(pattern-recognition receptors,PRRs)識別病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMP)以及危險相關分子模式(danger-associated molecular pattern,DAMP)并作用于Toll樣受體(toll-like receptor,TLR)促進核因子(nuclear factor-κB, NF-κB)入核,誘導NLRP3、pro-caspase-1和IL-1β(pro-IL-1β)轉(zhuǎn)錄及表達;(2)NACHT結構域和LRR之間的內(nèi)部相互作用被消除,導致NACHT結構域暴露,NLRP3寡聚并招募含有ASC、pro-caspase-1的凋亡相關斑點樣蛋白并完成組裝。這種組裝導致pro-caspase-1的自動切割,然后介導促炎細胞因子如IL-1β和IL-18的成熟和分泌,IL-1β是有效的促炎介質(zhì),具有招募炎性細胞、擴大炎癥反應的功能,對炎癥的起始及進展具有重要作用[12-15]。此外,caspase-1可以裂解gasdermin D(GSDMD)以產(chǎn)生N端裂解產(chǎn)物(GSDMD-NT),通過形成質(zhì)膜孔來誘導細胞焦亡[16](見圖1)。

圖1 NLRP3炎癥小體激活的信號通路

目前,NLRP3炎癥小體激活的機制仍然存在爭議,至少有三種模式被廣泛接受:(1)模型假設孔形成允許細胞外NLRP3激動劑進入細胞質(zhì)并直接激活NLRP3[17];(2)由溶酶體破裂介導[18];(3)NLRP3激動劑觸發(fā)ROS的產(chǎn)生并進一步激活NLRP3炎癥小體[19]。其中ROS介導的NLRP3炎癥小體激活在DCM的關系最為密切[20]。

2 NLRP3與線粒體損傷的關系

線粒體ROS(mitochondrial ROS,mtROS)是正常線粒體代謝和體內(nèi)平衡的副產(chǎn)物,被認為是激活NLRP3炎癥小體和誘發(fā)細胞凋亡的關鍵因素。它的釋放與短暫的線粒體通透性過渡孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)和內(nèi)膜陰離子通道(inner membrane anion channel,IMAC)活化引起線粒體內(nèi)和線粒體間氧化還原環(huán)境的變化有關[21]。當線粒體功能受損使得ROS的產(chǎn)生和清除失衡時,ROS堆積激活了NLRP3炎癥小體,并且可以引發(fā)一系列炎癥級聯(lián)反應[22]。盡管最近的數(shù)據(jù)表明NLRP3炎癥小體的激活與線粒體功能障礙有關,但NLRP3激活劑在引起線粒體損傷方面的功能仍然未知。有研究表明離子通量及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激誘導線粒體功能障礙,包括線粒體基質(zhì)內(nèi)Ca2+的過載可導致mtROS產(chǎn)生增加、線粒體膜電位崩潰和最終線粒體破裂,這被認為是NLRP3炎癥小體激活所必需的[23]。與此相反,也有研究指出陽離子運動和線粒體之間沒有必要相互作用,因為雖然mtROS產(chǎn)生和線粒體功能障礙發(fā)生在NLRP3炎癥小體激活期間,但它們的抑制并不能阻止NLRP3炎癥小體活化。相反,驅(qū)動NLRP3炎癥小體激活的關鍵事件可能是鉀外流,盡管其發(fā)生的確切機制尚不清楚[24]。

關于NLRP3激活和線粒體損傷之間的因果目前尚存在爭議。有的觀點認為,NLRP3的活化導致了線粒體的損傷[25]。王佳慧[26]的研究發(fā)現(xiàn),高糖等損傷誘導mtROS的釋放增加促進了NLRP3炎癥小體的產(chǎn)生,NLRP3炎癥小體的活化亦可能加重了線粒體氧化應激,抑制NLRP3炎癥小體活化可改善線粒體氧化應激,因此NLRP3和mtROS可能存在相互調(diào)控,但是具體的機制目前尚不完全清晰。

3 NLRP3與DCM

DCM的潛在機制非常復雜且很大程度尚不清楚,在本質(zhì)上,細胞死亡被認為是DCM期間心肌細胞的終末通路。在形態(tài)學上,細胞死亡可分為四種不同的形式:凋亡、自噬、壞死和細胞侵入性死亡,此外還有鐵死亡、溶酶體細胞死亡、Netotic細胞死亡等。不同類型的細胞死亡由不同但重疊的中央通路介導[27]。

細胞凋亡與DCM的進展密切相關,研究表明,Sirtuin 3的缺乏增加小鼠LDH的釋放,降低了ATP水平,線粒體能量缺乏,抑制了線粒體膜電位,導致小鼠細胞質(zhì)ROS、細胞色素c水平和caspase-3活性增加,caspase-3在細胞凋亡的執(zhí)行階段起核心作用[28]。ROS主要通過細胞色素c流入細胞質(zhì)并與NLRP3結合來激活NLRP3炎性小體,環(huán)孢菌素A是細胞色素c的抑制劑,通過抑制細胞色素c流入細胞質(zhì)導致了NLRP3炎性小體的活化受到抑制證實了這一點[20]。被激活的NLRP3、caspase-3共同促進了壞死性凋亡,小鼠心肌細胞肥大、纖維化和鈣化增加,最終加劇小鼠DCM[29]。

細胞焦亡是由caspase-1驅(qū)動的一種受調(diào)節(jié)的細胞死亡形式,caspase-1可以裂解GSDMD以產(chǎn)生N端裂解產(chǎn)物GSDMD-NT,GSDMD-NT除了形成gasdermin孔誘導線粒體外膜質(zhì)膜透化外,還通過影響線粒體內(nèi)膜促進線粒體DNA從基質(zhì)重新定位到細胞質(zhì),促進線粒體快速塌陷以及線粒體DNA在胞質(zhì)溶膠中的初始積累,然后在質(zhì)膜破裂時促進DNA從細胞中釋放,并促進線粒體DNA作為DAMP釋放[30]。ZENG等[7]的研究發(fā)現(xiàn),多柔比星(doxorubicin,Dox)通過激活動力相關蛋白1 (dynamin-related protein 1,Drp1)增強NOX1和NOX4的表達并誘導線粒體裂變,使得細胞內(nèi)ROS增加,通過caspase-1依賴性方式導致NLRP3炎性小體介導的心肌細胞焦亡。YAN等[31]研究發(fā)現(xiàn),棕櫚酸誘導的脂毒性會損害線粒體穩(wěn)態(tài),產(chǎn)生過多的mtROS,從而導致線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)發(fā)生氧化損傷,線粒體氧化損傷引起的cGAS-STING通路的激活和游離脂肪酸誘導的mtDNA逃逸以NLRP3炎癥小體依賴的方式促進心肌細胞的焦亡和促炎反應,從而促進DCM進程中的心肌肥厚。此外,研究還發(fā)現(xiàn),氯化物細胞內(nèi)通道(chloride intracellular channel,CLIC)蛋白CLIC1和CLIC4相關的氯化物外排可驅(qū)動NEK7-NLRP3活化,mtROS可以誘導心肌細胞中CLIC介導的氯化物外流質(zhì)膜易位,氯化物外排,最終導致NLRP3活化[32]。綜上,DCM的進展與NLRP3介導的細胞焦亡密切相關;mtROS激活NLRP3的途徑并不是唯一的,可能與反應底物、環(huán)境及細胞狀態(tài)等有關。

與細胞焦亡、凋亡有所不同,大多數(shù)研究證實細胞自噬通過減少ASC、磷酸化NLRP3和清除ROS來抑制NLRP3炎癥小體并減少細胞焦亡來減輕炎癥損傷[33],盡管也有研究認為自噬也促進酵母細胞中的NLRP3炎癥小體[34],特別是過度的自噬時可導致線粒體功能障礙并活化NLRP3炎癥小體加劇組織損傷[35]。這可能與細胞狀態(tài)有關,目前其機制尚不完全清晰。值得注意的是,相較于細胞凋亡引起的心肌細胞死亡,細胞焦亡可能比細胞凋亡在DCM進展中發(fā)揮更重要的作用,研究表明,焦亡心肌細胞的百分比顯著高于凋亡心肌細胞的百分比,且焦亡心肌細胞百分比與心功能不全呈正相關[7]。

圍繞NLRP3探索DCM治療的研究成果逐年遞增。應用廣泛的傳統(tǒng)抗糖尿病藥物二甲雙胍可以激活線粒體復合物I的AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK),從而通過抑制mTOR途徑改善自噬進而抑制NLRP3的活化,減輕DCM中的細胞焦亡[33]。最近還發(fā)現(xiàn)氫氣與二甲雙胍聯(lián)合應用在提高存活率、降低空腹血糖和減少細胞損傷等方面顯示出更強大的保護作用[36]。在表觀遺傳學水平,通過增加調(diào)控基因TINCR基因的m6A甲基化水平,可以下調(diào)lncRNA TINCR來抑制細胞焦亡和DCM,從而進一步降低關鍵細胞焦亡相關蛋白NLRP3的表達[37]。此外,使用mtROS抑制劑、氯離子通道阻滯劑、細胞色素c抑制劑、NLRP3炎癥小體抑制劑、NLRP3沉默等治療手段亦可減輕心臟炎癥、纖維化、細胞肥大和焦亡,并改善體內(nèi)心臟功能[20,32,38]。然而NLRP3的調(diào)控是一個極其龐大且復雜的網(wǎng)絡,各參與調(diào)控的信號通路間還可能存在串擾,導致了目前DCM的治療仍不能取得突破性進展。此外,細胞凋亡、壞死、壞死性凋亡、細胞焦亡、自噬或鐵死亡可能在DCM期間同時起作用,抑制一種細胞死亡可能會促進其他類型的細胞死亡并引起代償,最終增加DCM發(fā)病機制的復雜性和治療的難度[39]。

4 小結

NLRP3炎癥小體激活被證明參與了DCM與許多炎癥相關疾病的過程。對DCM的發(fā)生、發(fā)展過程至關重要的氧化應激、炎癥、線粒體損傷以各種方式涉及與NLRP3相關的途徑。這種廣泛的影響使炎癥小體成為進一步研究DCM有希望的對象和通過NLRP3炎癥小體治療DCM有希望的潛在目標。