NLRP3、AIM2 炎癥小體在創傷性腦損傷中作用的研究進展

陶丙巖，劉羽陽，張澤瀚，張軍

1 解放軍醫學院，北京 100853；2 解放軍總醫院第一醫學中心 神經外科，北京 100853

創傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)是指外力造成的腦部損傷，發生率很高，全世界每年有超過5 000 萬人發生TBI[1]。依據臨床發展過程，TBI 主要包括創傷導致的原發性腦損傷和繼發性腦損傷，其中繼發性腦損傷會引起一系列復雜事件的發生，如線粒體功能紊亂、活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成等，繼而導致神經炎癥的發生，其嚴重程度與患者的預后息息相關[2]。目前TBI 的救治時效性已經得到了明顯的提高，但治療效果有限，TBI 患者的預后仍較差，因此深入研究TBI 的病理生理機制，尋找新的治療靶點仍是當務之急。炎癥小體作為炎癥過程的重要組成部分，密切參與TBI 后繼發性腦損傷的發生、發展。本文總結了NLRP3、AIM2 炎癥小體在TBI中的作用機制及相關研究進展，以期為后續研究提供參考。

1 炎癥小體的結構

炎癥小體是主要由受體蛋白、凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speak-like protein containing CARD，ASC) 和胱天蛋白酶前體Procaspase-1 組成的蛋白酶復合物[3]。在功能上，炎癥小體通過活化Caspase-1，進而將白細胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β) 前 體(pro-interleukin-1β，Pro-IL-1β)、白細胞介素18 前體(pro-interleukin-18，Pro-IL-18)裂解為成熟的IL-1β 和IL-18，之后將其分泌出細胞外，引起一系列炎癥反應，活化的Caspase-1 也能裂解消皮素D(gasdermin D，GSDMD)，導致細胞焦亡的發生[4]。

炎癥小體的受體蛋白包括NOD 樣受體蛋白(NOD-like receptors，NLR) 和AIM2 樣受體蛋白(AIM2-like receptor，ALR)。其中NLR 主要包括NLRP3、NLRP4 和NLRC4，ALR 主要包括AIM2和IFI16。近年來研究較多的炎癥小體是NLRP3和AIM2，因此下文主要就NLRP3 和AIM2 炎癥小體在TBI 中的研究進展予以概述。

2 NLRP3 炎癥小體

目前，NLRP3 炎癥小體是研究最多的炎癥小體，它由NLRP3、ASC 和Pro-caspase-1 通過蛋白-蛋白相互作用偶合而成[5]。NLRP3 炎癥小體的經典激活途徑包括轉錄和寡聚兩個過程(圖1，Created with BioRender.com)。1) 轉錄：病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)或損傷相關分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs) 被細胞膜表面的Toll樣受體(toll-like receptor，TLR)感知，誘導NF-κB的活化，促使NLRP3 和Pro-IL-1β 的轉錄[6]。2)寡聚：在K+外流、ROS 生成、組織蛋白酶釋放和Ca2+內流等信號的刺激下，NLRP3 炎癥小體發生寡聚反應，NLRP3、ASC 和Pro-caspase-1 開始組裝并將Caspase-1 激活，進而將Pro-IL-1β、Pro-IL-18 切割加工為成熟的IL-1β 和IL-18，引起細胞焦亡和炎癥反應的發生[7-8]。不同于經典激活途徑，在NLRP3 的非經典激活途徑中，Caspase-11 直接識別并結合脂多糖LPS，形成脂多糖-Caspase-11 炎癥小體，進而切割GSDMD，生成GSDMD-C 端結構域和GSDMD-N 端結構域，其中GSDMD-N 可以導致細胞焦亡[9]。

此外，NLRP3 炎癥小體的活化也存在負性調節機制，使炎癥小體在未受到激活物質刺激時處于抑制狀態。細胞在未受到刺激時，ASC 位于胞核內，胞質內因缺少ASC 適配器，導致炎癥小體無法組裝激活，從而抑制細胞焦亡和IL-1β、IL-18的成熟分泌[10]。此外，在靜息巨噬細胞中，E3泛素連接酶可以與NLRP3 結合，使NLRP3 泛素化，從而抑制炎癥小體的激活和炎癥反應的發生[11]。

3 AIM2 炎癥小體

AIM2 炎癥小體也是研究較多的炎癥小體，它由AIM2、ASC 和Pro-caspase-1 組成。AIM2 炎癥小體的經典激活途徑類似于NLRP3 的經典激活途徑(圖2，Created with BioRender.com)，但不同于NLRP3 炎癥小體，AIM2 炎癥小體直接識別并結合的刺激物是胞質內的雙鏈DNA[12-13]。因此，AIM2 炎癥小體在宿主防御DNA 病毒或細菌感染時發揮著重要的保護作用。有研究報道，AIM2 炎癥小體還可以通過非經典激活途徑間接誘導NLRP3 炎癥小體的激活，進而誘導細胞焦亡的產生以及IL-1β、IL-18 的成熟和釋放[14]。

圖2 AIM2 炎癥小體的激活機制Fig.2 Activation mechanism of AIM2 inflammasome

此外，AIM2 炎癥小體的活化雖然能在機體受到DNA 病毒或細菌感染時發揮重要保護作用，但過度活化的炎癥小體也會對正常細胞造成傷害，因此，類似于NLRP3，機體也存在對AIM2 炎癥小體活化的負性調節機制，使細胞在未受刺激時維持靜息狀態[15-16]。

4 NLRP3、AIM2 炎癥小體的過度激活參與TBI的發生、發展

TBI 是一種常見的中樞神經系統損傷性疾病。越來越多證據表明，腦創傷會導致細胞損傷和組織損傷，并釋放多個DAMPs，進而激活各種炎癥小體參與繼發性損傷和炎癥反應。炎癥小體，特別是NLRP3 和AIM2 的活化在繼發性腦損傷和神經炎癥的發生、發展過程中發揮著重要作用[17-18]。

有研究發現，在TBI 大鼠的神經元和神經膠質細胞中，NLRP3 炎癥小體各組分及IL-1β、IL-18 表達均增加[19]。Chen 等[20]發現TBI 發生后NLRP3 的表達并非逐漸升高，而是隨時間具有波動性變化，NLRP3 mRNA 的表達在TBI 發生后6 h內開始升高，24 h 達到高峰，在這個峰值之后，NLRP3 表達下降，在TBI 發生后3 d 達到另一個峰值，在第7 天NLRP3 減少，但其表達總是高于對照組。Kerr 等[21]發現，TBI 發生后NLRP3 升高的現象不僅出現在動物實驗中，在TBI 患者的血清和腦脊液樣本中ASC、Caspase-1 和IL-18 的表達亦升高。另外，有研究表明在嚴重TBI 患兒腦脊液中NLRP3 含量明顯升高，且NLRP3 表達水平與TBI 患兒的預后呈顯著負相關[22]。除了NLRP3 炎癥小體，Ge 等[23]發現小鼠的AIM2 炎癥小體在TBI 發生后也被激活，并介導了腦微血管內皮細胞的焦亡，加重了顱腦損傷后血-腦脊液屏障的破壞。以上結果表明，NLRP3、AIM2、ASC、Caspase-1、IL-1β、IL-18 與TBI 密切相關，可能在評估TBI 患者的嚴重程度和預后等方面發揮重要作用。

近年來有很多學者發現應用某些炎癥小體抑制劑可減輕TBI 的組織損傷并促進神經功能恢復。Zheng 等[24]研究發現右美托嘧啶可以抑制NLRP3 炎癥小體活化，改善TBI 大鼠的認知功能；Zou 等[25]研究發現白藜蘆醇作為一種天然抗氧化劑，可以抑制ROS 的生成，干擾NLRP3炎癥小體的活化，減輕TBI 引起的損害；Xu等[26]研究表明MCC950 作為一種特定的小分子NLRP3 炎癥小體抑制劑，可以通過減少白細胞募集和IL-1β 等促炎細胞因子的生成來限制TBI 的進展，保護神經細胞。此外應用Caspase-1 抑制劑Ac-YVAD-cmk 也可以通過抑制NLRP3、AIM2 炎性小體的亞基Caspase-1 和關鍵的下游促炎細胞因子IL-1β、IL-18 的表達，以及阻礙GSDMD 的裂解和ASC 的寡聚來抑制TBI 后神經炎癥和腦微血管內皮細胞的焦亡，從而減輕TBI 誘導的緊密連接蛋白丟失、血-腦脊液屏障損壞和腦水腫等不良并發癥的程度[23]。上述研究均表明，炎癥小體抑制劑在預防和治療TBI 繼發性腦損傷中存在潛在的應用價值，進一步明確了炎癥小體的活化在TBI 發生、發展過程中起著重要作用。

另外，最近的研究發現敲除某些炎癥小體相關基因也能達到減輕TBI 后中樞神經系統炎癥的效果。Irrera 等[27]研究發現與野生型小鼠相比，在TBI 發生后24 h，NLRP3-/-小鼠的認知功能得到了明顯保護，腦損傷較輕，腦溶解物中的炎癥介質減少。有研究發現敲除NADPH 氧化酶2(NADPH oxidase 2，NOX2) 基因也可以通過減少ROS 的激活，抑制硫氧還蛋白相互作用蛋白與NLRP3 炎癥小體的結合，從而抑制炎癥小體的活化，降低IL-1β 等促炎細胞因子的表達，減輕TBI 后中樞神經系統炎癥[28]。此外，Liu 等[29]發現不論在體內還是體外敲除Caspase-1 均有助于抑制TBI 后的炎癥反應，改善TBI 小鼠預后。以上研究均表明，炎癥小體可能是誘導TBI 炎癥反應的關鍵因素，應用炎癥小體特異性抑制劑或抑制某些炎癥小體相關基因的表達可能對治療TBI 和抑制神經炎癥起關鍵作用。

在過去的幾年中，神經炎癥在神經退行性疾病發病機制中的作用越來越重要。由TBI 引起的神經炎癥過程往往被認為是其他神經退行性疾病如肌萎縮側索硬化癥、阿爾茨海默病和帕金森病的危險因素，目前已經對相關生物標志物和TBI 后各種神經退行性疾病的預后生物標志物進行了廣泛的研究，但結果不理想。越來越多的研究提示，NLRP3 和AIM2 炎癥小體及其激活后釋放的分子或許可被視為潛在的生物標志物和治療靶點，在TBI 及其并發癥的早期識別和患者預后的改善中發揮重要作用[30]。

5 結語

大量研究證實了NLRP3、AIM2 炎癥小體在TBI 后引起神經細胞死亡和炎癥反應中所起的核心作用。但目前對于NLRC4、Pyrin 等其他類型的炎癥小體在TBI 中的研究報道相對較少，有待進一步探尋。未來的研究方向應更多關注不同炎癥小體之間的交互作用以及經典激活途徑與非經典激活途徑之間的聯系，結合炎癥小體的分子結構和激活機制，進一步分析參與負性調控的相關因子和信號通路，這將有助于我們發現新的疾病干預靶點，研制出選擇性更好、特異性更高的靶向藥物，為TBI 后炎癥的防治提供新的方向和線索，更加深入地揭示疾病的內在機制，從根本上改善TBI 患者的預后。