黃莎莎 黃麗端 許秋鳳 陳淑珍

支氣管哮喘簡稱哮喘,是一種慢性疾病,表現(xiàn)為氣道高反應(yīng)性(airway hyperresponsiveness, AHR)、氣道重塑、黏液分泌增多、喉中發(fā)出轟鳴聲等[1]。哮喘是世界上僅次于癌癥的第二大致死和致殘疾病,嚴重危害人們的健康。哮喘發(fā)病過程有多種細胞參與,包括嗜酸性粒細胞(eosinophil, Eos)、中性粒細胞(neutrophil, Neu)、樹突細胞(dendritic cell, DC)、T 細胞、肥大細胞等。

根據(jù)氣道炎癥模式不同,可將哮喘分為 2 型高炎癥性哮喘和 2 型低炎癥性哮喘。根據(jù)發(fā)病時痰液中顯著增加的細胞不同,2 型高炎癥性哮喘可分為嗜酸性粒細胞性哮喘(eosinophilic asthma, EA)和混合性哮喘,2 型低炎癥性哮喘可分為中性粒細胞性哮喘(neutrophilic asthma, NA)和寡細胞性哮喘[1]。臨床患者中以 EA 或 NA 患者居多。既往研究表明,核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體家族含熱蛋白結(jié)構(gòu)域蛋白 3 (nucleotide-binding domain, leucine-rich-containing family, pyrin domain-containing-3, NLRP3)炎性小體貫穿于哮喘的各個時期,在其過度激活后,機體產(chǎn)生大量炎性細胞因子白細胞介素-1β (interleukin 1β, IL-1β)、IL-18 以及 IL-33,將導(dǎo)致機體出現(xiàn)氣道重塑等不良后果,在哮喘的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用。本文主要介紹 NLRP3 炎性小體及其下游細胞因子 IL-1β、IL-18、IL-33 在哮喘中的作用。

一、NLRP3 炎性小體

1.NLRP3炎性小體的結(jié)構(gòu): NLRP3是胞質(zhì)內(nèi)NOD樣受體(NOD-like receptor, NLR)中的一員,在固有免疫反應(yīng)中扮演重要角色。正常狀態(tài)下,NLRP3 蛋白處于無活性狀態(tài);當(dāng)與其配體結(jié)合時,中部結(jié)構(gòu)域發(fā)生變構(gòu),招募接頭蛋白ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD, ASC)并與其結(jié)合,進而共同招募半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶 1 (cysteinyl aspartate specific proteinase 1, caspase-1)前體pro-caspase-1,三者共同組成NLRP3 炎性小體[2]。

2.NLRP3炎性小體的激活機制: 目前認為激活 NLRP3炎性小體需要兩種模式受體配合完成,其激活過程需要兩個信號。首先,Toll樣受體等識別病原體相關(guān)分子模式,活化核因子κB,誘導(dǎo)NLRP3、pro-IL-1β、pro-IL-18、pro-IL-33蛋白表達,此為啟動信號;隨后,胞質(zhì)內(nèi)模式受體NLRP3 識別危險信號并與ASC、pro-caspase-1組裝成NLRP3炎性小體,使pro-caspase-1自切割為成熟的caspase-1。最后,pro-IL-1β、pro-IL-18、pro-IL-33被 caspase-1切割形成成熟的IL-1β、IL-18 和 IL-33,分泌至胞外,參與炎性反應(yīng),這是激活信號[2]。

NLRP3 炎性小體的激活信號錯綜復(fù)雜。研究顯示,溶酶體損傷、細胞內(nèi)外離子(如K+、Cl-、Ca2+等)濃度異常、活性氧激活、高爾基體解體以及高爾基體與線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜共同作用等狀況都可能引起 NLRP3 炎性小體激活[3]。

圖1 NLRP3 炎性小體激活信號通路

3.NLRP3炎性小體與哮喘: 作為固有免疫的重要組成部分,NLRP3 炎性小體是治療哮喘的一個關(guān)鍵靶點。哮喘急性發(fā)作的患兒經(jīng)布地奈德混懸液霧化吸入治療后,哮喘癥狀明顯緩解,這與IL-1β 水平、NLRP3 mRNA 的降低有關(guān)[4]。Ma等[5]研究發(fā)現(xiàn),哮喘小鼠肺泡巨噬細胞中的NLRP3、caspase-1 和 IL-1β 表達升高;敲除NLRP3基因(NLRP3-/-)小鼠肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid, BALF)中Eos和Neu數(shù)量減少、IgE濃度降低,AHR得到緩解。此外,NLRP3抑制劑RRx-001和MCC950,caspase-1抑制劑VX-765和 Ac-YVAD-CHO都能有效改善小鼠哮喘癥狀[5,6]。這些研究表明,NLRP3炎性小體及其下游產(chǎn)物caspase-1在哮喘的發(fā)病過程中發(fā)揮著巨大作用,但其作用機制仍有待于進一步研究。隨著研究的不斷深入,NLRP3 炎性小體下游細胞因子 IL-1β、IL-18 和 IL-33 也被證實與哮喘關(guān)系緊密,深入了解三者在哮喘中的作用,將為治療哮喘提供新思路。

二、IL-1β、IL-18、IL-33 概述

1.IL-1β: IL-1β主要由骨髓細胞產(chǎn)生,其中,巨噬細胞是其最主要的來源。作為機體免疫的重要組成部分,巨噬細胞在過敏原等刺激下可以產(chǎn)生過量炎性細胞因子,引發(fā)或加重哮喘,給機體造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷[7]。caspase-1是使IL-1β切割成熟的關(guān)鍵酶,除了caspase-1,caspase-8、caspase-11以及組織蛋白酶 G等也可以切割pro-IL-1β并使其成熟,但效率遠不如caspase-1[8]。

2.IL-18: IL-18主要在骨髓細胞、上皮細胞中表達,其中 Neu是哮喘患者血液中主要表達IL-18的白細胞。Neu活化后釋放的炎性細胞因子、蛋白酶、氧自由基等物質(zhì)將誘導(dǎo)機體產(chǎn)生AHR、氣道重塑等不良癥狀[9]。IL-18與IL-1β同屬于IL-1家族,caspase-1、caspase-8、顆粒酶B、蛋白酶3等也能切割活化IL-18[8]。

3.IL-33: IL-33也是IL-1家族中的一員,主要在上皮細胞、DC中表達。上皮細胞與 DC 在哮喘的發(fā)展中發(fā)揮重要作用,其中上皮細胞與氣道重塑、AHR等有關(guān),而DC對于誘發(fā)、維持和抑制肺部變應(yīng)性炎癥至關(guān)重要[7,10]。研究普遍認為,成熟的caspase-1切割pro-IL-33使其成熟并分泌至胞外,發(fā)揮生理活性。然而,另有研究者提出IL-33的生成僅受NLRP3蛋白影響,而非NLRP3炎性小體;還有研究認為成熟的caspase-1導(dǎo)致IL-33失活,與上述經(jīng)典炎性小體激活途徑調(diào)控IL-33活化的理論大相徑庭[11,12]。同樣,除了caspase-1,研究顯示組織蛋白酶G等多種蛋白酶也能對IL-33進行切割活化[13]。

總之,盡管IL-1β、IL-18、IL-33可被多種酶切割成熟,但最主要的仍是通過經(jīng)典NLRP3炎性小體激活途徑,即caspase-1切割來完成。同時,表達三者的細胞,大多參與哮喘的發(fā)生、發(fā)展,并發(fā)揮著重要作用。深入研究NLRP3炎性小體下游細胞因子IL-1β、IL-18、IL-33將為治愈哮喘提供思路。

三、IL-1β、IL-18、IL-33與嗜酸性粒細胞性哮喘

EA屬于2型高炎癥性哮喘,是輔助性T淋巴細胞1 (T helper cell 1, Th1)/Th2細胞失衡而致的哮喘類型,初始CD4+T細胞傾向分化為Th2[1]。Th2可分泌多種Th2型細胞因子(如IL-4、IL-5、IL-13等),這些細胞因子皆在哮喘的誘發(fā)過程中發(fā)揮作用。在正常機體內(nèi),Eos只能生存2～5天;但在EA患者體內(nèi),Eos的壽命被Th2型細胞因子大大延長,使氣道被大量Eos浸潤,這是發(fā)生EA 的前提條件[14]。在哮喘患者中,EA患者占絕大多數(shù),NLRP3炎性小體下游細胞因子在其發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

1.IL-1β: IL-1β可以招募Eos到氣道中,通過增強Eos活性、抑制其凋亡并增加Th2型細胞因子分泌從而誘發(fā)哮喘[15,16]。IL-1受體拮抗劑(interleukin-1 receptor antagonist, IL-1Ra)是IL-1β的天然抑制劑,可與IL-1β結(jié)合,阻斷IL-1β的作用。研究顯示,IL-1Ra-/-小鼠AHR加重、炎性細胞因子分泌增加[17]。綜上所述,IL-1β可促進哮喘的發(fā)生、發(fā)展,治療靶點是治療哮喘的一個重要思路。

2.IL-18: IL-18可提高IgE水平,促進Eos趨化因子eotaxin的產(chǎn)生與分泌,增加炎癥部位Eos數(shù)量,且可以同時增強Th1、Th2型反應(yīng),產(chǎn)生對應(yīng)的下游因子,如干擾素-γ (interferon γ, IFN-γ)、IL-13等引發(fā)哮喘[18,19]。使用IL-18中和抗體治療后,小鼠的哮喘癥狀得到明顯緩和[19]。然而,Hofstra等[20]用IL-18和IL-12聯(lián)合治療哮喘小鼠,檢測治療前后血清中IgE、BALF中Eos數(shù)量以及AHR程度,發(fā)現(xiàn)治療后的小鼠各項體征都有所改善。研究指出,IL-18可與IL-12協(xié)同作用,共同促進Th1增殖與激活,誘導(dǎo)Th1介導(dǎo)的免疫反應(yīng),促進IFN-γ分泌,調(diào)節(jié)Th1/Th2細胞平衡,從而改善EA[20]。目前IL-18對EA的作用機制仍不完全清楚,無論是使其惡化或改善,都表明IL-18在EA中發(fā)揮著作用。

3.IL-33: IL-33可與腫瘤發(fā)生抑制蛋白 2 (suppression of tumorigenicity 2, ST2)結(jié)合,激活Eos等細胞,促進Th2型細胞因子分泌,加重哮喘癥狀,參與氣道重塑,在哮喘、鼻炎等疾病過程中發(fā)揮重要作用[21,22]。An等[22]實驗發(fā)現(xiàn),ST2-/-小鼠明顯降低了OVA致敏引發(fā)的AHR、炎性細胞浸潤、肺組織中Th2型細胞因子、纖維化相關(guān)蛋白的表達以及血清總IgE 水平。馮凈凈等[21]研究發(fā)現(xiàn),哮喘小鼠IL-33、IgE水平升高,BALF中Eos比例、Th2型細胞因子升高;使用IL-33抗體阻斷后,IL-4、IL-13、IL-17的表達均下降。上述研究表明,調(diào)控IL-33水平有望成為治療哮喘的有效方法。

圖2 IL-1β、IL-18、IL-33在嗜酸性粒細胞性哮喘中的作用機制

四、IL-1β、IL-18、IL-33與中性粒細胞性哮喘

NA有別于傳統(tǒng)的EA,是較難治療的哮喘類型,氣道炎癥程度高于EA,且對激素治療效果不明顯。NA屬于2型低炎癥性哮喘,是由 Th17/調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cell, Treg)失衡誘導(dǎo)的,初始CD4+T細胞傾向分化為Th17[1,23]。Th17分泌的IL-17可以刺激巨噬細胞、氣道上皮細胞、成纖維細胞等產(chǎn)生IL-8、IL-1β等多種細胞因子,其中IL-8又被稱為中性粒細胞因子,可以激活和招募Neu,誘導(dǎo)AHR及促進氣道重塑[23]。因此,IL-17、Th17已成為治療NA的熱門靶點。與此同時,NLRP3炎性小體的下游細胞因子也在其中發(fā)揮著重要作用,值得進一步探究。

1.IL-1β: IL-1β能促進粒細胞集落刺激因子(granulocyte colony stimulating factor, G-CSF)分化Neu,能誘導(dǎo)IL-8合成,還能促進Th17分化進而影響IL-17產(chǎn)生,直接或間接誘發(fā)中性粒細胞性炎癥,導(dǎo)致NA的發(fā)生[8,15,24]。IL-1β需與IL-1受體(interleukin-1 receptor, IL-1R) 結(jié)合后才能進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo),發(fā)揮功能。研究顯示,IL-1R-/-哮喘小鼠的氣道炎癥能被有效緩解[15]。綜上所述,IL-1β貫穿NA發(fā)生、發(fā)展的過程,是影響NA的重要因子,深入研究IL-1β的作用將為治療NA提供新思路。

2.IL-18: IL-18可促進Neu增殖并將其招募至氣道,誘導(dǎo)NA發(fā)生[9]。IL-18還能單獨或協(xié)同IL-23、IL-12促使Th17分化和IL-17生成[25,26]。在難治性哮喘小鼠模型中,IL-18-/-小鼠的BALF中Neu減少,且AHR程度也有所降低,氣道狀態(tài)更好。另有實驗證明,在原代人類肺泡上皮細胞中,IL-18可以誘導(dǎo)IL-6、IL-8表達,促進Th17發(fā)育,招募Neu至炎癥部位[27]。綜上所述,IL-18可單獨或聯(lián)合IL-23、IL-12促進NA發(fā)生,減少或抑制IL-18可以緩解和治療哮喘。

3.IL-33: IL-33可直接作用于肥大細胞,促進IL-1β和IL-6產(chǎn)生,從而增強Th17分化,最終可能誘發(fā)Neu主導(dǎo)的氣道炎癥。IL-33還可通過促進DC成熟抑制Treg分化,誘導(dǎo)Th17生成,升高IL-17水平。Park等[28]研究顯示,在IL-33的刺激下,未成熟的DC (IM-DC)將轉(zhuǎn)化為成熟的DC (IL-33-MAT-DC)。IL-33-MAT-DC可以通過減少Treg轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子 Foxp3的表達來抑制Treg的分化。IL-33在NA中的作用機制尚不明確,基于其對Th17的調(diào)控作用,IL-33有待于成為哮喘治療的新靶點。

圖3 IL-1β、IL-18、IL-33在中性粒細胞性哮喘中的作用機制

五、展 望

哮喘作為僅次于癌癥的世界第二大致死和致殘疾病,給患者帶來了不可逆轉(zhuǎn)的傷害。NLRP3炎性小體及其下游細胞因子IL-1β、IL-18和IL-33是影響哮喘發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵。但目前為止,以其為治療靶點的臨床應(yīng)用實例較少,它們在哮喘中的作用也尚未完全研究透徹。深入研究 NLRP3 炎性小體及其下游細胞因子在哮喘中的作用及機制,以便有的放矢地進行藥物研究,為臨床緩解和治療哮喘提供思路。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。