何琴花 王一飞(通讯作者) 张明
（上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院痛风专科 上海 200437）
【摘要】 痛风作为一种代谢性疾病在我国发病率呈现逐年上升的趋势。目前，对痛风发病机制的研究进展有了很多新的认识和突破。NALP3炎性复合体与急性痛风性关节炎的关系日益受到重视和关注。单钠尿酸盐（monosodium urate，MSU）作为一个内源性危险信号，沉积于组织会激发强烈的炎症反应，并且能被模式识别受体识别，激活多个过程，最终导致NALP3炎性体的形成。NALP3炎性体作为一个多蛋白复合体，活化后可以介导半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（caspase-1）的激活，从而促进白细胞介素1β（IL-1β）前体转化为成熟的IL-1β，诱导痛风炎症的发生。现就有关NALP3炎性体的研究进展及其与MSU的相互作用在痛风发病过程中的机制进行综述。
【关键词】 痛风；炎性体；NALP3；单钠尿酸盐
【中图分类号】R593 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2015）31-0134-04
Nalp3 inflammasome with MSU crystals and their roles in Gout
He Qinhua，Wang Yifei，Zhang Ming
Gout Clinic,Yueyang Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine,Shanghai University of Traditional Chinese Medicine,Shanghai 200437,China
Corresponding author：Wang Yifei
【Abstract】As a kind of metabolic disease, incidence rate of Gout shows a trend of rising year by year in our country．At present, the research progress of the pathogenesis of gout has a lot of new understanding and breakthrough.The relationship between NALP3 Inflammasome with the acute gouty arthritis is becoming more and more attention and concern.Monosodium urate (MSU) as an endogenous danger signal, depositing on the organization can inspire intense inflammatory response, and can be recognized by pattern recognition receptors to activate multiple processes, the final result is the formation of the NALP3 Inflammasome. NALP3 Inflammasome as a multi-protein complex, can activate caspase-1 after activation , thus promoting the maturity of interleukin 1 beta (IL - 1 beta) ,inducing occurrence of gout inflammation. Now,we review the research progress of NALP3 inflammasome and its interaction with the MSU in the process of the pathogenesis of gout.
【key words】Gout；inflammasome；NALP3；MSU
近年来，随着人们生活水平的提高，饮食结构的改变，痛风及高尿酸血症的发病率逐年增高，已成为威胁人类健康的严重代谢性疾病。痛风多发于40岁以上的男性，女性则多数于绝经期后发病，发病率随着年龄的增加而上升，但近来也逐渐呈现低龄化趋势[1]。最新的流行病学调查结果显示，每年男性痛风新发病率约为4‰，而女性也高达1.4‰[2]。NALP3炎性体是固有免疫系统的一类重要感受器，作为胞内的模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs），能够对病原体上的相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns,PAMPs）进行识别，而且也可以识别内源性的危险相关分子模式（danger-associated molecular patterns,DAMPs），从而引起相关的炎症反应。
1.NALP3的结构和分布
NOD样受体（NOD like receptors，NLRs）是PRRs的一种，首先在抗感染免疫中被发现和认识，它在固有免疫和炎症因子的产生以及信号传导通路中发挥着重要的作用。NALPs是一个炎症反应中出现的新的胞质蛋白家族，是NLRs蛋白家族中最大的亚族[3]。目前发现该蛋白家族有14个成员，依次命名为NALP1-14[4]。其中NALP3是NALP蛋白家族中的典型代表[5]，其编码基因位于染色体1q44[4]。NALP3主要表达于炎症细胞中，如巨噬细胞、中性粒细胞和一些免疫细胞的胞质及胞膜中，而这些细胞在体内主要分布于关节、眼、皮肤及部分消化道的黏膜[6-7]。
NALPs蛋白家族的基本结构有着共同的特点，即它们的基本框架由三部分组成，从NALPs分子的C端至N端分别为含亮氨酸的重复序列（Lecuine-rich repeat，LRR）、NACHT及热蛋白结构域（pyrin domain，PYD）。NALP3主要通过LRR结构域来识别危险信号进而产生炎症反应。
2.NALP3炎性体的组成及信号通路
NALPs与配体结合后发生结构变化，与凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein，ASC）和CARD-caspase共同形成NALPs炎性体[8]。炎性体是用来命名一些能够激活炎性半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（caspase）的活化和分泌细胞因子IL-1β的大分子蛋白物质。NALP3炎性体是NALPs炎性体的典型代表。ASC蛋白由N端的效应结构域和C端的半胱天冬酶活化寡聚结构域（CARD）组成，其效应结构域与NALPs分子的效应结构域相互作用，而CARD可以与CARD-caspase的CARD结构域相互作用。Caspase属于半胱氨酸蛋白酶家族（cysteine protease family），能裂解无活性的白细胞介素-1β前体（pro-IL-1β）使之成为有活性的IL-1β[9-10]。
NALP3信号通路是由NALP3蛋白组成的炎症复合体（inflammasome）作为载体来调控的。NALP3在合成的时候，其LRR处于无活性的自身抑制的状态，当能被NALP3识别的一些物质与LRR相结合时，位于NALP3分子中央的NACHT区域被显露，从而使NALP3形成蛋白寡聚体，然后由其热蛋白结构域与ASC的PYD区域结合，最后再与CARD-caspase-1寡聚共同形成炎性体。炎性体中的凋亡相关斑点样蛋白与半胱天冬酶的CARD互相作用可激活半胱天冬酶-1，其作为活化物可以直接诱导白细胞介素-1β的生成和分泌从而引起炎症反应[10]。上述的过程Martinon等[11]在痛风发病机制的研究中得到了证实。
3.NALP3炎性体在痛风发病中的作用
3.1炎性体参与炎症反应和调控的机制
NALP3炎性体可以广泛识别各类外源性和内源性的物质，比如微生物（细菌、真菌、病毒）、细菌毒素、以及一些晶体和微粒（包括尿酸钠晶体、胆固醇晶体、石棉、二氧化硅等）[12]。这些物质通过一系列复杂的过程激活NALP3炎性体，从而活化caspase-1。活化了的caspase-1可以进一步裂解IL-1β和IL-18的前体使其成为成熟形式。34KD的IL-1β的前体在炎性体的作用下，在116位天冬氨酸处分解，剪切产生17KD的有活性的IL-1β并释放到胞外。活化了的IL-1β通过激活IL-1β受体，启动适应性免疫应答，使趋化因子和其他炎症调节因子发挥炎症作用，也可将炎症细胞如中性粒细胞聚集到炎症部位，引起一系列炎症反应和组织损伤。在痛风炎症反应中，炎症因子和炎症细胞进入关节等尿酸盐沉积的地方，使机体产生发热反应，并可以激活破骨细胞并且还能作用于神经元，触发机体产生炎症性的疼痛。
炎性体在固有免疫系统中发挥着重要的作用，但如果炎性体调控失去平衡，诱导过量的促炎因子的产生和释放，会导致多种炎症性疾病的发生和发展，对于机体是十分有害的[13]。因此，炎性复合体必须要进行严格的调控。一些蛋白质能够阻扰NALP3炎性复合体的形成及caspase-1的激活，称为负调控子，它们可以分为两大类：一类是存在CARD结构区域，与半胱天冬酶-1的CARD高度相似，包括有COP、INCA、拟白细胞介素转化酶和半胱天冬酶-12等[14]。它们通过CARD与ASC的CARD互相作用来进行负向调控，阻止caspase-1的寡聚和活化，进一步抑制白细胞介素-1β的产生；另一类是存在PYD结构区域，比如病毒热蛋白、POP和Pyrin。它们通过干扰ASC的PYD与NALPs的PYD的互相作用，从而阻碍炎性体的形成。
3.2炎性体的激活途径
虽然近些年对NALP3炎性体的研究有了很多的认识和结论，但是炎性体的激活机制还是没有被明确的阐明。NALP3在被激活之前是处于一种自身抑制的没有活性的状态，其C端的富亮氨酸区域通过和SGT-1与HSP90的结合来控制其活性，但可使其处于一种容易被激活的状态[15]。鉴于NALP3识别物质的多样性以及作为一个胞内识别受体，由此可以推测上述激活物质可能存在一个或多个相似的介质即内源性信号传递分子来介导NALP3的活化，但该内源性信号传导分子尚未明确[16]。并且NALP3炎性体激活的途径也没有明确的研究结果，但到目前为止，研究最多的可能途径有三种模式假说。
第一种模式是溶酶体破坏途径。一些晶体和微粒如尿酸钠、胆固醇和二氧化硅等被吞噬细胞吞噬进入细胞内，导致胞内的溶酶体遭到破坏，使溶酶体内的蛋白酶释放到胞浆中，通过某些直接或间接的方式诱导NALP3炎性体的活化。但也有实验[17]表明，单纯的溶酶体的破坏也可以导致NALP3炎性体的活化。第二种模式是ATP介导的钾离子外流模式。胞外ATP和细胞表面即ATP门控的阳离子通道受体家族亚族（P2X7R）相结合，可以使钾离子通道打开促进胞内钾离子向胞外移动，从而激活NALP3炎性体。同时，也有报道[18]P2X7R可与细胞膜上的Pannexin-1通道蛋白相结合，在胞膜上形成开放的小孔，从而胞外的激活剂进入胞浆中直接或间接地参与NALP3炎性体的活化。第三种模式是活性氧（reactive oxygen species，ROS）介导途径。当激活物质接触并被巨噬细胞和中性粒细胞吞噬时可产生大量的ROS，ROS通过其依赖途径可以诱导NALP3炎性体的组装形成[17]。研究发现[19]，线粒体来源的ROS是激活NALP3炎性体活化的关键信号，当线粒体功能失调时可产生大量的ROS以激活NALP3炎性体。也有报道[20]，减少ROS的生产少可以阻止NALP3炎性体的激活。
3.3 NALP3炎性体在MSU诱导下的痛风炎症反应
痛风是MSU沉积所致的相关性的关节病，与嘌呤代谢障碍和(或)尿酸排泄减少所致的高尿酸血症直接相关。痛风疾病主要包括急性关节炎、慢性关节炎、关节畸形、慢性间质性肾炎和尿酸性尿路结石，其中痛风性关节炎最常见。高尿酸血症是痛风发病的生化基础，并且血尿酸的浓度与痛风的发生紧密相关。MSU晶体沉积是痛风性关节炎急性发病的中心环节。血浆中尿酸盐浓度大于6.8mg/dL时可产生单钠尿酸盐[21]。在一些特异性事件[22]如轻度外伤、暴食高嘌呤的食物或过度饮酒、手术、疲劳、情绪紧张、内科急症(如感染，血管阻塞)等的诱发下，血清尿酸盐水平发生改变，关节周围沉积的MSU被释放产生炎症，导致痛风急性发作。但流行病学数据显示[11]，高尿酸血症患者中仅有不足10%的患者发生了痛风，这提示了存在其他与尿酸代谢无关的代谢途径参与了痛风关节炎的发生。急性痛风性关节炎是一种急性的无菌性炎症反应，其中，白细胞介素（IL-1β）的生成和释放在痛风急性发作中起着至关重要的作用。通过MSU的介导，NALP3炎性体参与了急性痛风性关节炎的炎症激活和启动，因此与急性痛风性关节炎的炎症反应有着密切的联系。
MSU介导的痛风性炎症反应的相关机制可能与上述所提的三种模式假说有关，即MSU作为内源性危险信号被机体识别，被吞噬细胞吞噬后破坏溶酶体并释放相关蛋白酶，或者可以通过胞外ATP及细胞表面受体的结合引起钾离子的外流，以及MSU在被吞噬后可以产生大量的ROS，以上都可以导致NALP3炎性体的激活。NALP3炎性体通过NALP3热蛋白结构域PYD与斑点样蛋白ASC中的PYD结合，ASC与caspase-1的CARD相互作用形成活化的caspase-1，被活化的caspase-1作为一种蛋白酶，剪切IL-1β前体，分泌和释放成熟的IL-1β，IL-1β与IL-1R结合，招募大量的中性粒细胞等炎症细胞聚集到炎症部位，并且产生大量的炎症细胞因子和趋化因子，引起炎症级联放大效应和组织的损伤[23]。可以说，炎症细胞吞噬MSU晶体是诱发痛风炎症的第一步。
Martinon等[11]在研究了MSU诱导NALP3炎性体活化的基础上，为了更加明确的验证炎性复合体在白细胞介素-1β的成熟及分泌途径中的重要性，他们将尿酸盐注入在存在基因缺陷的小鼠腹腔中来以模拟痛风性炎症过程，实验发现形成炎性复合体的NALP3-/-、ASC-/-、caspase-1-/-的缺陷鼠比正常鼠产生IL-1β的浓度明显的下降，炎症细胞在腹腔中明显的减少，由此进一步证实了上述观点。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆也有实验[24]中发现，在基因M yD88-/-、TLR-2-/-、TLR-4-/-缺失的小鼠背部注射尿酸钠晶体造囊，模拟痛风急性炎症,在体内试验中发现这些基因敲除小鼠的囊腔中的中性粒细胞减少了，体外试验则发现尿酸钠晶体诱发的一些炎症因子，如 IL-1β、转化生长因子、TNFα的表达明显减少了。该实验则表明MSU结晶及NLRs在痛风急性炎症反应过程中都发挥了重要的作用。还有研究证实分泌到细胞外的白细胞介素-1β可以同白细胞介素-1受体相互结合，活化白细胞介素-1的信号创导通路，激活髓样分化因子依赖的NF-κB通路，从而进一步放大炎症反应应答[25]。
在痛风的治疗用药中也可以体现炎性体在痛风发病机制中的作用。Alexander等[26]通过小鼠实验证实，IL-1受体的阻断可以抑制鼠尿酸晶体导致的腹膜炎。他们还通过临床实验证实，用IL-1受体拮抗剂阿那白滞素（anakinra）治疗了10个用常规治疗方法或不能耐受常规药物不良反应的急性痛风的患者，用药后3天内患者临床症状明显改善，疼痛也大部分缓解。也有药理实验发现秋水仙碱在治疗痛风时，可以抑制MSU诱导的NALP3炎性体的活化[27]。
NALP3的多位点突变在近期的遗传学研究中发现与一些自身炎症性疾病有关，主要有家族性冷自发炎症综合征（FCAS），穆韦二氏综合征（MWs）和新生儿起病的多系统炎症综合征（NOMID）[28-30]。这三个疾病的NALP3的突变都与染色体1q44有关，且都聚集在保守的NACHT结构区域，该结构区域的突变可以使NALP3炎性复合体过度活化半胱天冬酶-1，从而引起白细胞介素-1β的成熟及释放增多[31]。这些疾病和痛风一样，也有发热、关节肿痛和IL-1β的升高。此外还发现，NALP3的基因多态性与炎症肠病，I型糖尿病，高血压，过敏性皮炎等多种自身免疫性疾病相关。由此可以推测，NALP3的功能性突变可能与痛风的发生发展有着密切的关系，但还是没有确切的发现来证明。
4.结论和展望
综上所述，在MSU晶体诱导下的NALP3炎性体介导的痛风性关节炎的发病机制已初步得到了验证。但是目前，痛风的高发病率及并发症严重影响着患者的生活质量，痛风的发病机制方面的研究还存在大量的空白，比如炎性体的形成和活化途径还存在着很大的争议，相关信号分子间的相互作用构成的复杂多变的信号网络也善未明确，临床治疗所需要的安全有效的药物也相对的匮乏，因此这些都迫使我们来对痛风这一疾病进行更加深入的探索。增强对NALP3和其信号创导通路与痛风炎症的关系的探讨，可能可以为痛风的预防及其诊断提供更多的想法，为痛风的治疗提供更多的靶点，为新药的研制和新的治疗方法提供更加有力的理论依据。其中中药用于治疗痛风性关节炎有着广阔的前景，在对痛风发病机制的研究中开发防治痛风的安全有效的中药必定具有深远的意义。
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基金项目：国家自然基金资助，（NO.81302972）；上海科学技术委员会科研计划项目资助，(NO.13401902000)
论文作者:何琴花,王一飞, 张明
论文发表刊物:《医药前沿》2015年11月第31期
论文发表时间:2016/4/28
标签：炎症论文; 痛风论文; 尿酸论文; 蛋白论文; 白细胞论文; 天冬论文; 受体论文; 《医药前沿》2015年11月第31期论文;