NLRP3炎症小体在慢性阻塞性肺疾病中的作用及中医药的干预

苏 进,沈俊希,李 文

贵州中医药大学(贵州 贵阳 550025)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种慢性炎症疾病,其持续性咳嗽、喘息和劳力性呼吸困难等症状,以及高昂的医疗费用,给COPD患者及其家庭带来了巨大的心理压力和沉重的经济负担。根据流行病学调查显示[1],近年来,在全球范围内罹患COPD的患者以及因其而死亡的例数不断上升,预计到2030年,COPD将成为全世界第3大死因,对人类生命健康造成极大威胁。该病的发病机制尚未阐明,目前认为与慢性炎症、氧化/抗氧化和蛋白酶/抗蛋白酶失衡等作用机制密切相关[2]。对症支持治疗是当前COPD的主要治疗方法,包括呼吸支持以及支气管舒张剂、糖皮质激素和抗生素类等药物治疗[3],但只能延缓COPD患者病情的发展,并不能彻底治愈,且存在疗程长、价格高昂、副作用大等局限。因此,寻找能够有效改善预后、副作用小的替代疗法是当下的首要问题。

近年来,国内外学者对COPD的病理生理及治疗进行了大量研究[4]发现NOD样受体蛋白结构域3(NLRP3)炎症小体促进COPD的发生发展,中医药可通过调控NLRP3炎症小体而有效治疗COPD,为COPD的临床治疗提供新方向。然而,目前尚未见中医药调控NLRP3炎症小体治疗COPD系统的综述。由此,本文通过整理归纳近年来中医药调节NLRP3炎症小体干预COPD的文献,以期为临床防治该病提供新靶点和新思路。

1 NLRP3炎症小体组成和激活

1.1NLRP3炎症小体组成NLRP3炎症小体是由NLRP3凋亡相关斑点样蛋白(ASC)、半胱天冬酶-1(Caspases-1)3个功能各异但结构相衔接的蛋白元件组成[5]。NLRP3是炎症小体的信号接收器,主要由3个部分构成[6]:首先是能够识别病原相关分子模式(PAMP)和危险相关分子模式(DAMP)的C端富含亮氨酸的重复序列(LRR),是NLRP3炎症小体组装启动按钮。其次是中间区域的核苷酸结合结构域(NACHT),起到承上接下的作用,是连接LRR与热蛋白结构域(PYD)的桥梁,且还能够水解ATP为GTP,为炎症小体的组装提供能源动力。最后是N端PYD,主要介导NLRP3与下游蛋白ASC之间相互作用。ASC作为一个双向连接蛋白,由PYD和募集结构域(CARD)构成,PYD连接上游NLRP3,CARD则作用于下游前体Caspases-1[7],当受到PAMP和DAMP刺激时,ASC从细胞核内迁移到细胞质中,与NLRP3和pro-Caspase-1共同形成炎症小体,同时激活pro-Caspase-1形成P20/P10,即活性的Caspase-1,进而切割前体白细胞介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-18(IL-18)成熟活化为IL-1β和IL-18[8],同时作用gasderminD蛋白(GSDMD)形成GSDMD-N,在胞膜上形成GSDMD孔道,促进IL-1β、IL-18的释放。

1.2NLRP3炎症小体的激活NLRP3炎症小体激活是一个极其复杂的过程,主要分为两个步骤:首先,位于细胞膜上的Toll样受体4(TLR4)识别PAMP或DAMP后,激活核因子κβ(NF-κβ),随后进入细胞核与DNA结合,启动NLRP3炎症小体相关基因转录,导致NLRP3、IL-1β前体和IL-18前体蛋白表达上调[9],为NLRP3炎症小体组装做准备。其次,在多因素的作用下,NLRP3、ASC、pro-caspase-1共同组装形成NLRP3炎症小体[10],促进下游炎症因子的活化和释放,导致炎症反应和适应性免疫的启动[11]。目前认为NLRP3炎症小体激活与活性氧、溶酶体破坏、自噬等密切相关。

1.2.1 活性氧 活性氧(ROS)是氧化应激的执行者,过量的ROS超过机体抗氧化清除能力时,ROS会对细胞蛋白质、脂质和DNA造成损伤,最终引起细胞坏死和凋亡[12]。ROS是其上下游蛋白在NLRP3炎症小体的活化过程中的中心环节。Sirtuin 3(SIRT3)是一种线粒体蛋白,能够调节炎症损伤,清除ROS和改善线粒体功能障碍[13]。ROS水平的减少能够明显下调NLRP3炎症小体相关蛋白的表达[14]。由此可知,Sirtuin 3可能通过ROS抑制NLRP3炎性小体的活化。硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)是ROS下游靶标,同时也是NLRP3的活性调节因子[15]。在正常条件下,TXNIP与硫氧还蛋白(TRX)结合,当细胞内ROS水平升高时导致TRX的自动氧化,NLRP3蛋白则与从TRX上解离下来的TXNIP结合,进而激活NLRP3炎症小体[16]。

1.2.2 溶酶体破坏 溶酶体内含有多种水解酶,广泛存在于真核细胞中,因其能够对细胞中内吞或自噬的大分子颗粒进行消化和降解,被誉为细胞的回收站[17]。过度吞噬会诱发溶酶体不稳定,最终导致溶酶体发生破裂。伴随溶酶体损坏,组织蛋白酶B释放入细胞质中,与NLRP3的LRR相结合,进而激活NLRP3炎症小体[18]。Chen等[19]在冠状动脉炎小鼠模型中使用溶酶体膜稳定剂能够有效的阻止NLRP3炎症小体的激活。Wang等[20]用组织蛋白酶B抑制剂能够降低内皮细胞中的caspase-1、IL-1β的表达。

1.2.3 自噬 自噬是真核细胞中高度保守的降解途径,通过将受损的细胞器和冗余的蛋白质等包裹形成自噬体,并将其转运至溶酶体中进行消化,从而有助于维持细胞稳态[21]。自噬在NLRP3炎小体活化和消除中发挥着重要的作用[22]。在LPS刺激的巨噬细胞中,自噬相关蛋白Atg16L1缺乏导致Caspase-1、IL-1β表达增加[23]。动物实验表明[24]自噬能够抑制NLRP3炎症小体减轻了急性肝损伤模型小鼠的症状。此外,自噬还可通过间接的方式抑制炎症小体的激活。在自噬缺陷的巨噬细胞,受损线粒体释放的ROS和线粒体DNA能够刺激NLRP3活化[25]。自噬可以通过清除线粒体ROS、炎症成分和细胞因子等炎症小体内源性激活物,抑制NLRP3炎症小体的活化[26]。

2 NLRP3炎症小体在COPD中的作用

NLRP3在肺上皮细胞、单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞中均有表达,且NLRP3的激活在各种肺部感染中具有积极的意义,然而,过度激活的NLRP3反而是不利于肺部疾病,其激活的下游细胞因子IL-1β、IL-18等引发一连串的炎症级联反应,破坏呼吸系统结构,损害肺功能,最终导致COPD的发生[4]。研究发现[27]用香烟烟雾(CS)提取物作用于A549肺泡上皮细胞发现NLRP3的表达上调。在NLRP3敲低的COPD模型小鼠发现IL-1β、IL-18、中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞水平比对照模型小鼠低,且NLRP3敲低的COPD小鼠的肺部炎症明显比对照组减轻[28]。在临床研究中进一步发现,COPD患者肺部增加的NLRP3、IL-1β、IL-18、IL-1a、IL-8的水平与气流受限的严重程度呈正相关[29]。

IL-1β和IL-18是NLRP3炎性小体激活的标志性细胞因子,同时也是COPD发病和发展的重要参与者。临床研究发现[30]COPD患者痰、肺泡灌洗液(BALF)、肺活检和血清中IL-1β mRNA和蛋白表达均高于正常对照组,且IL-1β的分泌增加,能够加重COPD的气道炎症和肺气肿病变[31]。而降低COPD患者中IL-1β的水平可以减轻炎症损伤和缓解患者的呼吸道症状[32]。基质金属蛋白酶9(MMP-9)的水平增加可导致COPD患者的气道损伤和气道重塑[33],检测COPD患者IL-18水平发现其与MMP-9的水平呈正相关,由此可知,IL-18可能通过调节MMP-9的活性来参与COPD患者的气道重塑[34]。此外,IL-18可以刺激分泌并释放多种细胞因子,使COPD患者的气道中聚集大量的炎性细胞或炎性因子,加剧肺部炎症反应,进而推动COPD的进展[35]。

综上可知,COPD中存在明显NLRP3炎症小体的活化,可能是导致其发病的重要原因之一。NLRP3炎症小体成分NLRP3、IL-1β、IL-18与COPD的病理表现和病情进展呈正相关,所以检测NLRP3、IL-1β、IL-18等炎症小体成分的变化对病情的严重程度和预后判断具有重要参考价值。抑制NLRP3炎症小体活化及其上下游因子,可能成为COPD治疗的新方向。

3 中医药对COPD中NLRP3炎症小体的干预作用

中医中并无COPD之病名,根据患者的咳嗽、咳痰、呼吸困难等临床症状,可将其归属为“咳嗽”“肺胀”等范畴。COPD病位在肺,与脾肾等脏腑关系密切。本病日久迁延不愈,肺气虚弱,宣降失司,水津不布,停而成痰成饮,痰饮阻遏气机,血行失常,形成瘀血,痰瘀互结,无处不到,继则影响脾肾等脏腑气机升降出入,变生它证,如肺脾两虚、肺肾阴虚、痰瘀互结等。正所谓法随证立,因此针对COPD本虚标实的病机特点,当以祛邪扶正齐头并进,并根据患者的病情予以侧重,如邪重时当以祛痰化瘀为主;正气亏虚,邪不深则以补肾健脾益肺为主。中医药依靠其多靶点、多途径的特点,能够通过调节NLRP3炎症小体的活化对COPD起到调控作用。

3.1中药提取物黄芪性味甘微温,归肺脾两经;具有补中健脾,益气固表、托毒排脓等功效。赖琦[36]选用黄芪的主要化学成分黄芪甲苷,观察其对CS处理的RAW264.7细胞炎症模型相关炎症因子及自噬相关蛋白mRNA的影响,发现黄芪甲苷能下调RAW264.7细胞炎症模型中NLRP3、IL-1β、IL-18的mRNA的表达,促进自噬小体的形成和上调自噬基因ATG5、ATG7、LC3的mRNA的表达。

藏红花味甘、微酸,性温,归心肝经;具有活血化瘀、解郁安神、保肝利胆的功效。藏红花素是其主要化学成分。王海贺等[37]对藏红花素干预COPD急性加重期模型大鼠的实验表明,藏红花素能够降低模型大鼠NLRP3、IL-1β、MDA、LDH水平以及肺泡上皮细胞凋亡率,提高吸气峰流量(PIF)、呼气峰流量(PEF)以及0.3s用力呼气容积与用力肺活量比值(FEV0.3/FVC)等肺功能指标,改善呼吸系统症状。

甘草酸是甘草根部发挥治疗作用的主要化学物质。异甘草酸镁(MgIG)是一种甘草酸制剂,具有强大的抗炎、保护肝细胞膜及改善肝功能等作用[38]。Yang等[39]将MgIG作用COPD模型大鼠后发现,MgIG能降低血清中IL-6、TNF-α的水平,下调NLRP3和Caspase-1蛋白的表达量,减少BALF中的炎症细胞(中性粒细胞和淋巴细胞)的数量,改善肺部炎症和支气管粘液分泌等。

金丝桃苷是从刺五加中提取的黄酮类化合物;具有抗炎、抗氧化、抗凋亡等药理作用[40]。高云[41]研究表明,在PM2.5诱导COPD肺损伤加重模型中,金丝桃苷能够降低肺组织NF-κβ通路的关键蛋白p-Iκβα、Iκβ、p-p65以及NLRP3炎症小体中的NLRP3、ASC、cleaved-caspase-1、pro-IL-1β蛋白表达,抑制肺部炎症反应。

异佛司可林(ISOF)是从中国云南的毛喉鞘蕊花中提取的一种生物活性成分,对急性肺损伤动物模型具有抗炎作用。Xiao等[42]研究表明在AECOPD模型小鼠中发现,ISOF显着下调了Iκβ和NF-κβ p65的磷酸化水平以及NLRP3,ASC,caspase-1和IL-1β的蛋白质水平,导致肺组织中促炎细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6等降低,缓解了AECOPD模型小鼠的炎症反应。

综上可知,中药提取物对NLRP3炎症小体的干预具有独特的优势,其可能通过调节转录因子和自噬相关蛋白的表达,进而调节NLRP3炎症小体的活化,发挥对COPD的治疗作用。目前关于中药提取物调节NLRP3炎症小体防治COPD的研究较少。日后随着对COPD发病机制的深入研究和中药提取物应用领域的不断拓展,中药提取物靶向NLRP3炎症小体防治COPD将发挥巨大的作用。

3.2中药复方复方葶苈子汤由葶苈子,桃仁,红花,水蛭,川芎等组成,具有泻肺逐瘀、温肺化痰、止咳平喘的功效。刘敏等[43]研究发现,复方葶苈子汤干预COPD相关性肺动脉高压的大鼠后,能够明显降低NLRP3、Caspase-1、IL-1β、IL-18、GSDMD以及增殖细胞核抗原表达水平,减少肺小动脉胶原沉积面积,改善肺组织病理变化。

宽胸理肺汤合三子养亲汤由麻黄、杏仁、瓜蒌、薤白等组成,具有化痰宽胸、行气解瘀的功效。薛经纬等[44]经实验证实,宽胸理肺汤合三子养亲汤呈剂量依赖性升高COPD大鼠肺组织线粒体ATP合成量,抑制ROS生成,下调NLRP3、ASC、Caspase-1-p10、IL-1β、IL-18表达,明显减轻肺部炎症损伤。

益肺散结汤由黄芪、白术、防风、芥子、浙贝母等组成,具有补虚化痰除瘀的功效。Wu等[45]通过实验研究发现,益肺散结汤能够通过增加有益乳酸菌属和拟杆菌属,降低致病性红原体属和支原体属,调节肺菌群的丰度和多样性。还能上调SIgA表达,降低TGF-β1、NLRP3、Caspase-1、ASC的蛋白以及血清中IL-1β和IL-18水平,调节免疫炎症反应、减少胶原蛋白沉积、改善肺功能和通气功能障碍。

补肺健脾方由党参、黄芪、白术、地龙等组成,具有补肺健脾、化痰止咳、降气平喘的功效。Mao等[46]用补肺健脾方干预COPD大鼠后发现,肠道微生物群发生改变,如螺旋体和梭菌科等的丰度下降,芬氏菌的丰度和芬基氏菌与拟杆菌的比例增加,此外,还提高了短链脂肪酸水平以及肠道上皮细胞中游离脂肪酸受体GPR43的表达,降低了NLRP3、半胱天冬酶-1、IL-8和IL-1β的基因和蛋白表达,减少了肺部炎症,改善肺功能。

疏风解毒胶囊由虎杖、连翘、柴胡、芦根等组成,具有疏风止咳平喘、清热解毒的功效。Ji等[47]采用疏风解毒胶囊联合奥司他韦治疗甲型流感病毒诱导的COPD急性加重期模型小鼠的实验表明,疏风解毒胶囊联合奥司他韦能够显著降低血清和BALF中IL-1β、IL-18水平,下调肺组织匀浆中NLRP3相关成分的mRNA和蛋白水平,提高小鼠的存活率,增加体质量,降低病毒滴度,减轻呼吸道炎症反应、肺损伤和临床症状。

此外,清肺保元胶囊[48]、清肺化痰颗粒[49]、自拟调肺饮[50]和二陈汤加味[51]等中药复方同样具有调节COPD中NLRP3炎症小体的作用。以上证据表明,中药复方对NLRP3炎症小体的干预具有明显的优势,这可能与中药复方具有多靶点、多效应的作用特点有关,其可能通过调控NLRP3炎症小体途径,抑制炎症反应以及细胞焦亡等方面减轻肺损伤,改善肺功能,发挥对COPD的治疗作用。在查阅文献的过程中发现,干预COPD中NLRP3炎症小体的中药复方,其功效主要以补虚、化痰、除瘀等功效为主,这也正好与COPD虚、痰、瘀的基本发病机制相一致。

4 小结

炎症反应贯穿COPD病程始终,是促使COPD患者呼吸道症状持续性存在、进行性发展的重要因素。NLRP3炎症小体是参与炎症反应的重要蛋白,在炎症性疾病的发生发展中扮演着重要的角色。研究表明,COPD中存在明显的NLRP3炎症小体的活化,NLRP3炎症小体可能是治疗COPD的分子靶点。中医药是COPD诊疗中的主力军之一,以其靶点多,干预范围广,治疗效应多样等优势在COPD的防治中发挥着巨大的作用。中药提取物或复方可通过自噬、NF-κβ信号通路、肺部和肠道菌群等直接或间接的抑制NLRP3炎症小体激活,减少促炎因子释放,改善COPD患者的临床表现,对COPD的防治起到重要的作用。

目前关于NLRP3炎症小体活化和调控机制尚未完全明确,且中医药成分复杂,其治疗COPD的具体分子机制尚未阐明。因此,NLRP3炎症小体与COPD的关系以及中医药的干预作用,还需进一步的深入和完善,如在研究靶向NLRP3炎症小体治疗COPD时,需对NLRP3炎症小体活化和调控的各个步骤作进一步研究,此外,还可结合网络药理学、蛋白组学、转录组学等,从不同角度探究中医药对NLRP3炎症小体上下游通路及关键蛋白的影响,归纳分析其对COPD的作用机制,筛选有效靶点。从而为中医药防治COPD提供新靶点,为临床工作人员防治COPD提供更多的理论依据和治疗方法。