NLRP3炎性小體及其在結腸炎相關性結直腸癌中作用研究進展

楚師成,高俊蘋,任 翔,耿 松

(濱州醫學院附屬醫院 1.結直腸疝外科,山東 濱州 256600;2.超聲科)

NLRP3炎性小體是天然免疫的重要組成部分,對白細胞介素(IL)-1β和IL-18的產生至關重要,其參與多種疾病的發生與演變,尤其在惡性疾病中可發揮雙重作用。本研究就NLRP3炎性小體及其在惡性疾病尤其是結腸炎相關性結直腸癌中的作用進行綜述。

1 NLRP3炎性小體

1.1天然免疫:天然免疫是宿主對微生物感染和危險相關內源性刺激的第一道防線,可以通過模式識別受體(PRRs)、巨噬細胞、樹突細胞(DC)和上皮細胞識別病原體相關分子模式(PAMPs),如核酸或微生物細胞壁成分和損傷相關分子模式(DAMPs),如受損宿主細胞釋放的結構部分[1]。PRRs由膜結合的Toll樣受體(TLRs)、C型凝集素受體和細胞質中Nod樣受體(NLRs)、RIG-I樣受體(維甲酸誘導基因Ⅰ)和黑素瘤缺乏因子2(AIM2)受體組成[2],其中根據體系結構不同,NLRs被細分為NLRP和NLRC。NLRP1(小鼠NLRP1b)、NLRP3和NLR家族凋亡抑制蛋白(NAIP)-NLRC4是公認的具有組裝炎性反應能力的NLRs[3]。炎性小體是細胞內的多蛋白復合體,是先天性免疫的重要組成部分。典型的炎性小體由傳感器、適配器和效應器組成,以分層的方式組裝,并發揮重要作用。

1.2NLRP3炎性小體的啟動與激活:NLRP3炎性小體是一種多聚體胞漿蛋白復合體,是天然免疫必不可少的部分,由細胞質模式識別受體NLRP3、適配蛋白、凋亡相關斑點樣蛋白(ASC)和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)組成,用于調節肥胖過程中的肥胖和胰島素敏感性[4]。基礎水平的NLRP3表達不足以使其活躍,因此需要兩個獨立的信號-啟動和激活來促進其組裝[5]。啟動是NLRP3激活的必要步驟,確保了NLRP3激活的可控性,分為轉錄途徑和非轉錄途徑[6]。轉錄啟動途徑涉及核因子(NF)-κB信號通路,可以識別PAMPs或DAMPS并上調NLRP3和IL-1β的轉錄。非轉錄途徑依賴于轉錄后修飾(PTM)和線粒體活性氧,通過磷酸化和泛素化的PTM可以大大縮短轉錄啟動的時間,為NLRP3提供快速啟動。轉錄或非轉錄途徑一旦啟動,將致力于激活NLRP3炎性小體。激活信號通常由多種PAMPs和DAMPs提供,包括細菌和病毒核酸、ATP、尿酸、β-淀粉樣蛋白、空氣污染物、膽固醇晶體和氧化磷脂(OxPLs)[7],它們刺激依賴NLRP3的炎性小體組裝和caspase-1的激活。然后,激活的caspase-1將Pro-IL-1β和Pro-IL-18以及潛在的致孔蛋白Gasdermin-D(GSDMD)切割成它們的生物活性形式,驅動炎性反應[8]。

1.3NLRP3炎性小體組裝后對細胞的影響:根據細胞類型和激活類型不同,NLRP3炎性小體激活后導致兩種不同的細胞命運,一種是誘導細胞焦亡(一種炎性細胞死亡的溶解形式)進而促進IL-1家族細胞因子的釋放,另外的一些炎性刺激,如oxPLs,可以在沒有細胞焦亡的情況下促進IL-1β以及IL-18的分泌[9]。如感染的DC、巨噬細胞和中性粒細胞可以在保持存活的同時分泌IL-1β和L-18,達到高度活躍狀態,使免疫刺激反應增強,因此這些細胞狀態被稱為“過度活躍”。

2 NLRP3炎性小體在惡性疾病中的作用

NLRP3炎性小體的異常激活與許多疾病有關,如肥胖、潰瘍性結腸炎、阿爾茨海默病、內毒素休克、痛風和動脈粥樣硬化等。NLRP3的作用取決于它對細菌或微生物觸發的反應,如在許多感染性疾病中,NLRP3炎性小體主要通過調節炎性小體效應細胞因子的釋放,對宿主具有保護作用[10]。然而,NLRP3與幾種炎性疾病直接相關,并在代謝性疾病和癌癥的發病機制中發揮雙重作用。

研究表明,NLRP3可以促進腫瘤的發生,如NLRP3介導淋巴瘤細胞產生的IL-18可以減少地塞米松誘導的細胞凋亡,從而促進淋巴瘤細胞的增殖[11];在原位乳腺腫瘤模型中,NLRP3基因缺陷的小鼠肺轉移較少,具有驅動骨髓來源的抑制性細胞聚集作用的IL-1β(可促進原發和轉移性乳腺腫瘤)的產生減少[12];而在胃中過度表達IL-1β的轉基因小鼠中,在幽門螺桿菌定植后更容易患上胃癌[13]。此外,盡管NLRP3在頭頸部鱗狀細胞癌中的直接作用尚不清楚,但頭頸部鱗狀細胞癌患者外周血中IL-1β濃度升高[14]。但同時也有研究表明,在人肝癌組織中NLRP3炎性小體成分的表達顯著下調,甚至丟失。17β-雌二醇(E2)通過上調NLRP3來抑制肝癌細胞的生長[15],進一步表明NLRP3在肝癌中具有保護作用。其他間接證據也表明,NLRP3炎性小體在腫瘤發生過程中具有保護作用,如NLRP3可以抑制主要表達在髓系細胞中的離子通道蛋白-TRE176B,激活炎性小體,并使CD8+T細胞依賴的抗腫瘤免疫增強[16]。

3 NLRP3炎性小體在結腸炎相關性結直腸癌的作用

結直腸癌(CRC)是一種發病率和死亡率都很高的破壞性胃腸道腫瘤,是世界范圍內第三大常見的惡性腫瘤,在發達國家尤其流行,據世界衛生組織的GLOBOCAN數據庫報道每年全球大約有180多萬新發病例[17]。結腸炎相關性癌癥(CAC)是結直腸癌的一個重要亞型,通常與長期腸道炎癥有關,如炎性反應性腸病(IBD)。據統計,與健康人相比,IBD患者患CRC的可能性高達30倍[18],其導致的CAC是比散發性結直腸癌發病年齡更早的惡性腫瘤。

3.1NLRP3炎性小體抑制CAC進展:NLRP3缺陷小鼠對偶氮甲烷(AOM,一種DNA損傷劑)/葡聚糖硫酸鈉(DSS,一種致腸炎性改變的化學物質)誘導的CAC具有超敏反應[19]。AOM和DSS的結合加速了腫瘤的發展,用于研究炎性反應介導的CRC。與野生型小鼠相比,缺乏適配器ASC和caspase-1的小鼠腫瘤患病率增加。將重組IL-18注射到NLRP3缺陷小鼠體內,減少了對AOM和DSS的反應形成的腫瘤數量,進一步證明了NLRP3炎性小體對結直腸癌的保護作用[3]。此外,NLRP3介導的IL-18信號被發現在限制結腸癌肝轉移生長方面具有重要作用。IL-18的缺陷表達導致肝臟NK細胞的成熟受限、配體FasL的表面表達下降、對腫瘤的敏感性降低,最終導致腫瘤的轉移[20]。

3.2NLRP3炎性小體促進CAC發展:NLRP3的表達是結直腸癌細胞上皮向間充質轉化的先決條件,提示NLRP3在結直腸癌中具有促進細胞遷移和增殖的作用。有學者認為NLRP3過度表達與較短的壽命和較差的預后相關,一項遺傳學研究也支持該觀點,該研究表明NF-κB軸的基因改變影響結直腸癌患者的預后[21]。最近的研究表明,NLRP3抑制劑(MCC950、姜黃素、巴馬汀等)在改善結腸炎和CAC方面取得了成功[22],這提供了強有力的證據,表明NRLP3的過度激活不利于腸道內環境的穩定,加速癌癥的發展。

3.3影響CAC實驗結果的因素:只有在正常飲食的CAC和某些形式的肝癌的背景下,NLRP3的保護效果才能體現。有學者認為,小鼠腸道微生物的差異品系遺傳背景的差異,以及實驗技術的差異導致了NLRP3在實驗性結腸癌中的不同作用[23]。除這些因素外,營養和飲食也可能對實驗的結果產生影響[24]。高脂飲食產生的危險信號可以被NLRP3感應,并對炎性反應誘導的肥胖和胰島素抵抗產生促進作用。在高膽固醇和高脂飲食等營養因素的影響下,NLRP3炎性小體的激活可以促使全身產生低級別炎性反應,增加AOM-DSS誘導的CAC小鼠模型中的炎性反應和腫瘤負擔,從而促進CAC的發展。

綜上,NLRP3炎性小體是先天性免疫中必不可少的一部分,其激活與組裝受到嚴格控制。NLRP3信號在特定癌癥中的功能與多種因素相關,對腫瘤的發生和發展起著復雜的作用。因此,探索特定疾病中NLRP3炎性小體的特定功能及其激活的途徑和調控機制作用為充分理解其如何發揮促腫瘤和抗腫瘤功能提供了新的機遇和挑戰。