炎癥小體在牙周炎中的研究進展

呂慧欣 杜留熠 王鷂 于維先 任靜宜 顧芯銘 周延民

1.吉林大學口腔醫院種植中心 長春 130021；

2.吉林省牙發育及頜骨重塑與再生省重點實驗室 長春 130021

炎癥小體（inflammasome）是由細胞質內模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）參與組裝的多蛋白質復合物，其分子質量大約為700 kDa。炎癥小體的概念最早由Martinon等[1]在2002年提出，其種類、結構、功能等得到廣泛研究。

牙周炎（periodontitis）是由牙周致病菌及其毒性成分所引起的細菌性炎性疾病，細胞外刺激信號結合細胞表面Toll樣受體（Toll-like receptor，TLR）或細胞內核苷酸結合寡聚化結構域樣受體（nucleotide-binding oligomerization domain-likereceptor，NLR）引發機體固有免疫反應（innate immunity），炎癥小體組分應答刺激信號而組裝，而后使半胱氨酸天冬氨酸酶1前體蛋白（procaspase-1）裂解為成熟的半胱氨酸天冬氨酸酶1（caspase-1）。caspase-1在細胞內誘導促炎因子（proinflammatory factor）白細胞介素（interleukin，IL）-1β等的活化，并且介導細胞焦亡。由炎癥小體途徑引發的固有免疫反應對炎癥的進展過程具有重要作用[2]。

1 炎癥小體的組成和分類

典型的炎癥小體是由NLR或肝再生增強因子（augmenter of liver regenration，ALR）、凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）以及提供核心的酶活性的pro-caspase-1組成的復合物。NLR是一種PRR，存在于細胞質，組成成分有3種：富含亮氨酸的重復序列（leucine rich repeat，LRR）、核苷酸結合寡聚化結構域NACHT以及半胱天冬酶招募結合域CARD或（和）熱蛋白結構域PYD。ALR包含2個特征性結構域（PYD和HIN-200）。

目前已知的炎癥小體包括NLRP1、NLRP2、NLRP3、NLRC4、NLRP6、NLRP12和AIM2等，這些炎癥小體所包含的受體蛋白不同。不同類型的刺激可以誘導組成不同種類的炎癥小體[3]。

關于NLRP2的研究較少，但目前認為其抑制了NLRP3-ASC的反應。NLRP6被核因子（nuclear factor，NF）-κB和caspase-1活化，被定義為促炎信號轉導的危險因素，且與自身平衡性或保護性分子信號有關[4]。NLRP1、NLRP3、NLRP4及AIM2在炎癥中的作用被較多描述。

1.1 炎癥小體NLRP1

炎癥小體NLRP1是最早被描述的炎癥小體，多數在淋巴器官中表達，但不在B淋巴細胞存在的區域表達。NLRP1的氨基端結構域為PYD，羧基端結構域由FIINDS和CARD結構域組成，LRR和NACHT結構域存在于中間位置。其中，CARD結構域可活化caspase-5，并可獨立完成與caspase-1的結合，不需要ASC介導[5]，最終會導致細胞死亡。Kaushal等[6]研究發現，在人類神經元中，炎癥小體NLRP1可調節由caspase-1介導的caspase-6活化，說明NLRP1還可存在于除免疫器官以外的組織細胞中。

1.2 炎癥小體NLRP3

炎癥小體NLRP3目前的研究較為深入，分布于未角化層狀鱗狀上皮、移行上皮細胞中[5]等，在微生物致病機制中具有特征性反應。上皮細胞可迅速對入侵的病原體的刺激產生應答，形成以NACHT結構域為中心的炎癥小體，引發固有免疫反應。外界刺激物或宿主內部成分作為病原相關分子模式（pathogen-associated molecular pattern）和損傷相關分子模式（damage-associated molecular pattern）作用于細胞，被細胞質中NLRP3的羧基端的LRR識別，并將信號傳遞給氨基端PYD結構域，從而向下游信號分子傳遞。

1.3 炎癥小體NLRC4

炎癥小體NLRC4的特征性結構域與NLRP3的不同之處在于氨基端的CARD結構域。Eibl等[7]的研究表明，NLRC4具有與其他類型炎癥小體相似的PYD結構域，但不與ASC結合。Jounai等[8]的研究發現，在正常生理條件和侵襲性細菌感染情況下，NLRC4受體可結合自噬基因Beclin 1的保守結構域。通過RNA干擾抑制NLRC4蛋白質的翻譯，上調細胞自噬表達程度，增強了細胞對A組鏈球菌的細胞自噬性殺菌作用。此外，NLRC4與C類液泡蛋白分選復合體（the class C vacuolar proteinsorting complex）結合后，將成為導致自噬過程表達下調的負性調節因子，對自噬小體及核內體活化作用減弱。

1.4 炎癥小體AIM2

炎癥小體AIM2是典型的非NLR蛋白家族炎癥小體，聚集了多個結合位點。AIM2的組成方式是其HIN結構域首先與細菌、病毒或宿主的細胞質雙鏈DNA（double-stranded，dsDNA）結合，而后組件成分聚集，活化下游信號產生促炎因子，誘導細胞死亡[9]。Adamczak等[10]選用胚胎大腦皮層神經元進行促炎反應實驗，首次證實了中樞神經系統中炎癥小體AIM2蛋白質的表達。其在細胞核中集聚形成蛋白質復合體，并首次確定細胞焦亡是神經元死亡的一種機制。

2 炎癥小體的活化和調控

炎癥小體的活化需要2種信號分子，第一信號由TLR接受細菌脂多糖（lipopolysaccharide）、mRNA等病原相關分子模式的刺激[11]，經髓樣分化因子（myeloid differentiation factor，MyD）88等銜接蛋白分子信號傳遞，使NF-κB核轉位，基因表達產生pro-caspase-1和IL-1β。第二信號由內源性三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、活性氧等損傷相關分子模式介導，促進炎癥小體各蛋白質成分的聚集。目前提出，由細胞膜上的P2X7通道蛋白等介導的活性氧產生可誘導炎癥小體NLRP3產生[12]。

炎癥進展期，炎癥小體的過度活化會導致促炎因子的持續表達。一方面，機體本身為維持免疫反應的平衡，將抑制炎癥小體成分的聚集。能夠與炎癥小體結構域成分結合的蛋白質分子可在炎癥小體組裝時競爭性結合相應成分，使信號中斷，從而抑制固有免疫反應的進行。有報道[13]顯示，在炎癥小體形成的第一信號通路中，NLRP10對NF-κB的抑制作用減少了IL mRNA的轉錄，使IL-1β水平大幅度減低。此外，干擾素及效應性、記憶性T細胞等也可以在轉錄和翻譯等不同水平上抑制炎癥小體活化或IL的產生[14-16]。另一方面，細菌、病毒等病原體也可對炎癥小體產生負調控。致病菌逃避炎癥小體的識別機制主要為病原相關分子模式表達水平下調。研究[17]證實，假結核耶爾森菌（Yersinia pseudotuberculosis）分泌的毒力因子可干擾炎癥小體對病原相關分子模式的識別作用，從而抑制炎癥小體的活化。

3 炎癥小體介導的細胞死亡模式

在炎癥小體的活化過程中，病原相關分子模式和損傷相關分子模式的來源可能是細胞死亡釋放出的細胞器及與其相關的生化成分等，說明炎癥小體與各種細胞死亡模式之間存在密切的關系。由炎癥小體引發的細胞死亡模式主要是細胞焦亡，這種方式主要依賴于炎癥小體所介導的caspase-1的活化作用而存在。即caspase-1不僅可以促進IL-1β、IL-18的成熟，也可以介導細胞的炎性壞死。具體表現為核酸酶水解DNA片段化，caspase-1介導鈣離子流入細胞，活化ATP釋放通道蛋白，形成細胞膜孔隙，細胞脹大，細胞膜破裂，細胞質外溢[10,18]。此外，也有研究[19-20]表明，NLRP3可通過ASC上調caspase-8介導的細胞凋亡作用，以及可促進人類成骨細胞中尿酸鹽結晶的細胞自噬作用等。

4 炎癥小體與牙周炎

4.1 炎癥小體與牙周組織損傷

牙周炎是由多種因素引起的牙周支持組織的慢性炎性破壞性疾病，最初牙齦受到侵犯產生牙齦炎，而后向深層蔓延至牙周膜、牙槽骨和牙骨質，發展為牙周炎。caspase-1活化后可導致細胞膜表面產生孔隙，細胞質流出，細胞焦亡。同時，促炎因子IL-1β等被切割成熟后釋放到細胞外產生致炎作用，主要包括誘導白細胞的驅化作用，產生對組織的雙重作用，增加基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）的產生，導致結締組織破壞，以及促進前列腺素（prostaglandin，PG）E2的產生，從而使破骨細胞增多，加重破骨性骨吸收等。Xue等[2]對比健康牙周組織、慢性牙周炎牙周組織及廣泛型侵襲性牙周炎組織標本中的炎癥小體表達水平后得出結論，NLRP1在牙周炎組織標本中幾乎不表達，NLRP3在牙周炎組織標本中的含量較在健康牙周組織中更高，AIM2在慢性牙周炎組織中的含量比在健康牙周組織和廣泛型侵襲性牙周炎組織中更高。Yamaguchi等[21]首次證實了NLRC5基因的多態性可能作為一種生物標志物存在于易罹患慢性牙周炎人群的遺傳物質之中。在不同程度和類型的牙周疾病組織中，細胞內的炎癥小體組成種類不同，提示不同炎癥小體的功能不同。

4.2 炎癥小體與牙周致病菌

菌斑生物膜是牙周炎的始動因素，主要包括牙齦卟啉單胞菌（Porphyromonas gingivalis）、伴放線放線桿菌（Actinobacillus actinomycetemcomitans）等十余種致病菌。菌斑侵襲牙周組織后引起機體的炎癥反應，此時IL-1β和IL-18等促炎因子表達。不同于齦上菌斑在引發組織產生IL的過程中的正相關性，齦下菌斑有雙重作用，當菌斑聚集程度較低時，IL的分泌增加；當聚菌斑集程度較高時，IL的分泌水平下降至對照組水平[22]。

4.2.1 牙齦卟啉單胞菌 牙齦卟啉單胞菌是牙周病最主要的致病菌之一，其菌體、脂多糖、菌毛、蛋白酶和牙齦素等均可引發炎癥的產生，并可同時伴隨多種相關系統性疾病的發生。多項研究表明，牙齦卟啉單胞菌具有調節固有免疫反應的雙重機制。Belibasakis等[23]研究了在牙周病組織中，齦下菌斑生物膜對牙齦纖維中的NLRP3和IL-1β的產生有下調作用，而牙齦卟啉單胞菌很可能是其中的關鍵細菌。這種下調作用可產生免疫逃逸，使得菌斑生物膜可以在牙周組織中存留。此后Zupin等[24]用動物實驗證明，牙齦卟啉單胞菌感染的NLRP3基因缺陷型鼠，其頜骨吸收程度和炎癥因子表達程度較野生型輕。由此得出結論，牙齦卟啉單胞菌通過NLRP3活化了固有免疫細胞。此項研究首次證明了牙齦卟啉單胞菌通過NLRP3促進牙周疾病的發展。

牙齦卟啉單胞菌在感染牙齦上皮細胞導致炎癥發生的機制中，由于病原體本身缺少第二信號傳遞的能力，阻滯了炎癥小體下游而非其本身成分的多重信號通路的傳導，抑制了IL-1β及IL-18的釋放。同時也可減弱具核梭桿菌（Fusobacterium nucleatum）的促細胞死亡作用[25]。因此，內生危險信號（如ATP等）通過ATP-/P2X7-信號對炎癥小體及caspase-1的活化是必不可少的。Morandini等[26]研究證明，在巨噬細胞中，牙齦卟啉單胞菌的菌毛蛋白可通過抑制P2X7受體下調ATP介導的IL-1β分泌水平。

4.2.2 伴放線放線桿菌 除牙齦卟啉單胞菌外，對其他致病菌在炎癥小體方面的研究較少。伴放線放線桿菌是侵襲性牙周炎的常見致病菌，不僅引發牙周組織產生炎癥，亦可造成其他系統性疾病的發生，如心內膜炎、動脈粥樣硬化斑塊、敗血癥、肺炎等。Belibasakis等[27]將伴放線放線桿菌D7SS野生型菌株同促白細胞毒素釋放基因、細胞致死性腫脹毒素基因敲除的變異菌株分別感染人類單核細胞，結果各組NLRP3、IL-1β和IL-18表達上調，而NLRP6表達下調，但NLRP1、NLRP2、AIM2、caspase-1表達水平不變。牙周致病菌可進入全身血液循環，可刺激內皮細胞釋放單核細胞趨化蛋白（monocyte chemoattractant protein，MCP）-1，調節單核細胞跨內皮遷移，并使其在內膜下分化為巨噬細胞。Okinaga等[28]在RAW264細胞中研究伴放線放線桿菌的刺激作用，發現其可使NLRP3表達上調，同時可通過活性氧和組織蛋白酶B引發IL-1β的表達，但此過程不經過NLRP3/caspase-1通道。

5 結束語

炎癥小體參與固有免疫反應，應答內外源信號活化后產生IL[29]，從而引發炎癥反應。炎癥小體在各種細胞中的表達類型及其在免疫監視、防御、清除機制中的作用不盡相同，在牙周疾病及與牙周炎相關的慢性系統性疾病中有重要作用。牙周組織被破壞后，致病菌及其毒性成分可隨外周血液循環到達各器官組織。由此猜想相關致病菌（如牙齦卟啉單胞菌等）可穿過血腦屏障引起神經細胞等的炎癥小體形成，從而引發神經系統退行性變類系統性疾病，造成人體器官的嚴重傷害。血紅素加氧酶-1是一種存在于細胞質內的酶，也是內生性細胞保護性酶，其產物具有抗氧化及抗炎作用。Li等[30]首次證實了血紅素加氧酶-1可抑制牙齦上皮細胞中脂質體對炎癥小體的活化作用，同時阻滯促炎NF-κB的核轉位。因此，競爭性抑制炎癥小體組分的形成和聚集，或阻滯炎癥小體活化通路中的信號傳遞，將有可能成為治療牙周炎及其相關疾病的新方向。