引用本文: 何子凡, 高岩, 王晓玲, 许西琳, 刘冬, 卢献灵. NLRP3 炎性小体在慢性阻塞性肺疾病患者机体炎症反应中作用的研究. 中国呼吸与危重监护杂志, 2018, 17(2): 119-123. doi: 10.7507/1671-6205.201707043 复制
慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)是以持续气流受限为特征的可以预防和治疗的疾病,其气流受限多呈进行性发展,通常与气道或肺组织对有害颗粒或气体的慢性炎症反应增强有关[1]。NLRP3 炎性小体是多分子复合物,其基本组分包括 NOD 样受体热蛋白结构域相关蛋白 3(Nod-like receptor,pyrin domain 3 containing,NLRP3)、凋亡相关点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD,ASC)和半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1(cysteine-requiring aspartate protease-1,caspase-1)。NLRP3 炎性小体活化是免疫反应的重要组成部分,机体中 NLRP3 炎性小体过度活化,合成、分泌大量白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)和白细胞介素-18(interleukin-18,IL-18),可能导致慢阻肺等慢性炎性疾病的发生[2]。本研究旨在研究 NLRP3 炎性小体及其下游炎症因子在慢阻肺患者和健康人之间表达的差异,揭示 NLRP3 炎性小体在慢阻肺发病机制中的作用。
1 资料与方法
1.1 临床资料
选择 2016 年 11 月至 2017 年 5 月在石河子大学第一附属医院住院的慢阻肺急性加重期患者 40 例纳入急性加重期组,经治疗进入稳定期后纳入稳定期组,选择同期健康体检者 40 例纳入对照组。急性加重期组和稳定期组纳入标准依据中华医学会呼吸病学分会慢性阻塞性肺疾病学组于 2013 年制定的《慢性阻塞性肺疾病诊治指南》。慢阻肺急性加重期组患者给予抗感染、祛痰止咳、解痉对症等处理,其咳嗽、咳痰、气喘等症状稳定或症状轻微,病情基本恢复到急性加重前的状态,判断为进入稳定期,纳入慢阻肺稳定期组。排除标准:患者有支气管哮喘、矽肺、肺结核、间质性肺疾病等慢性疾病;合并冠心病、动脉粥样硬化、2 型糖尿病、肝肾疾病、肿瘤及自身免疫性疾病的患者;纳入前 1 个月内使用过糖皮质激素的急性加重期慢阻肺患者;不能配合完成肺功能者。对照组为正常健康人群,依据随机原则与慢阻肺组在性别、年龄上进行匹配。血液标本及信息收集均获得患者的知情同意并通过石河子大学医学院第一附属医院伦理委员会批准。
1.2 方法
1.2.1 分离外周血单个核细胞(peripheral blood mononuclear cells,PBMCs)
使用 EDTA 抗凝管采集各组患者清晨外周静脉血,按照人外周血淋巴细胞分离液(北京索莱宝科技有限公司,中国)说明书,分离出 PBMCs,加入 1 ml Trizol 试剂(life-invitrogen 公司,美国)轻轻吹打混匀,–80 ℃ 冻存备用。
1.2.2 提取总 RNA 和逆转录
将加入 Trizol 的 PBMCs 从 –80 ℃ 恢复至室温,按照 Trizol 试剂说明书,提取总 RNA。采用紫外分光光度计(Thermo ScientificTM NanoDrop 2000)测量总 RNA 的浓度与纯度,当 260 nm/280 nm 在 1.8~2.0 时,取 5~10 μl 按 cDNA 合成试剂盒(Thermo-fermentas 公司,美国)说明书,建立 12 μl 的反转录体系,70 ℃ 5 min,4 ℃ 3 min,按说明书增至 20 μl 反应体系,42 ℃ 60 min,70 ℃ 5 min。
1.2.3 引物设计
β-actin mRNA、NLRP3 mRNA 、caspase-1 mRNA 的 qPCR 引物由生工生物工程(上海)股份有限公司设计并合成。NLRP3 上游引物:5′-CATGAGTGCTGCTTCGACAT-3′,下游引物:5′-GCTTCAGTCCCACACACAGA-3′;caspase-1 上游引物:5′-ATCGCTTTCTGCTCTTCCAC-3′,下游引物:5′-TCCTCCACATCACAGGAACA-3′ ;β-actin上游引物:5′-TAGTTGCGTTACACCCTTTCTTG-3′,下游引物:5′-TCACCTTCACCGTTCCAGTTT-3′。
1.2.4 实时荧光定量聚合酶链反应(qPCR)
根据荧光定量 PCR 试剂盒(Qiagen 公司,德国)说明书建立总体积 20 μl 的反应体系,设立 3 个复孔,反应条件为:95 ℃ 2 min(1 个循环),95 ℃ 5 s,60 ℃ 30 s(40 个循环),循环结束得到扩增曲线;95 ℃ 15 s,60 ℃ 1 min,95 ℃ 30 s,60 ℃ 15 s 后得到溶解曲线。由 2–ΔΔCt表示目的基因 mRNA 表达水平的高低。
1.2.5 酶联免疫吸附检测
按照人 IL-1β 酶联免疫吸附测定试剂盒,人 IL-18 酶联免疫吸附测定试剂盒(武汉伊莱瑞特生物科技有限公司,中国)说明书,检测各组血浆 IL-1β、IL-18 的浓度(X-mark 酶标仪,美国 BIO-RAD 公司)。
1.3 统计学方法
用 SPSS 20.0 统计学软件进行数据处理,呈正态分布的计量资料以均数±标准差(
)表示,偏态分布的计量资料以中位数(四分位数间距)[M(P25,P75)]表示。计数资料的组间比较采用 χ2 检验。符合正态分布的计量资料采用 t 检验,配对的两组比较采用配对 t 检验,独立的两组比较采用两独立样本 t 检验。偏态分布的计量资料用 Wilcoxon 秩和检验。变量间相关性检验采用线性相关分析。P<0.05 为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 一般资料的比较
各组性别、年龄、体重指数(body mass index,BMI)比较,差异无统计学意义(P>0.05),慢阻肺组 FEV1%pred 和 FEV1/FVC 显著低于对照组(P<0.05)。结果见表 1。

2.2 NLRP3 mRNA、caspase-1 mRNA 表达量和血浆 IL-18、IL-1β 水平比较
急性加重期组慢阻肺患者的 NLRP3 mRNA、IL-18 和 IL-1β 水平均显著高于稳定期组和对照组(P<0.05),稳定期组 NLRP3 mRNA 的表达量及血浆 IL-18 和 IL-1β 水平显著高于对照组 (P<0.05)。结果见表 2。

2.3 相关性研究
急性加重期组 IL-18 水平与白细胞计数和中性粒细胞百分比呈正相关(r=0.372,P<0.05;r=0.386,P<0.05);急性加重期组 NLRP3 mRNA 表达量和稳定期组 NLRP3 mRNA 表达量均与 CAT 评分正相关(r=0.387,P<0.05;r=0.399,P<0.05)。结果见表 3、表 4、表 5。



3 讨论
近年来,人们逐渐认识到 NLRP3 炎性小体在慢阻肺发生发展中的作用。慢阻肺的发病机制复杂,慢阻肺患者机体中存在激活炎性小体的信号分子,这些信号分子的来源可能是感染引起的病原相关分子模式的信号刺激(如病毒和细菌[3-5])和氧化应激引起的损伤相关分子模式的信号刺激(如ATP 和线粒体 DNA[6])。当配体与 NLRP3 结合后促进 NLRP3 炎性小体的形成,使无活性的前体 caspase-1 分裂产生活化型的 caspase-1,caspase-1 使无活性的前体白细胞介素-1β 和前体白细胞介素-18 分裂,产生活化型的 IL-1β 和 IL-18,分泌到细胞外产生生物学效应[7]。
本研究中急性加重期组和稳定期组慢阻肺患者 PBMCs 中 NLRP3 mRNA 水平均显著高于对照组,这与 Faner 等[8]对肺组织的研究结果相一致。由此推测,急性加重期和稳定期慢阻肺患者 PBMCs 中的 NLRP3 炎性小体在接受信号刺激后,NLRP3 通过增加 mRNA 转录调节 NLRP3 炎性小体信号通路。本研究中急性加重期组慢阻肺患者 PBMCs 中 NLRP3 mRNA 水平显著高于稳定期组,这可能有两个原因:(1)慢阻肺急性加重期转归为慢阻肺稳定期过程中,患者机体炎性反应减弱导致 NLRP3 mRNA 水平降低;(2)治疗过程中的药物,如糖皮质激素类药物,可能对 NLRP3 水平有降低作用。治疗药物对 NLRP3 炎性小体的影响有待进一步研究。本研究还发现 caspase-1 mRNA 水平在慢阻肺急性加重期组、稳定期组和对照组之间无显著差异。Faner 等[8]发现稳定期慢阻肺患者肺组织内 caspase-1 在蛋白水平处于未活化状态。Di Stefano 等[9]发现慢阻肺稳定期 NLRP3 炎性小体处于未激活状态。PBMCs 中的 caspase-1 可能与肺组织中的 caspase-1 作用原理相同,在蛋白水平参与调节 NLRP3 炎性小体信号通路,所以 caspase-1 mRNA 在慢阻肺患者体内并无显著变化。
本研究中急性加重期组和稳定期组血浆 IL-18、IL-1β 水平均高于对照组,且急性加重期组高于稳定期组。这与很多研究的结果相一致,马强等[10]和鲍中未等[11]研究发现,慢阻肺急性加重期组和慢阻肺稳定期组血清 IL-18 显著高于对照组。孙世民等[12]研究发现,慢阻肺急性加重期与慢阻肺稳定期相比,血清 IL-1β 显著升高。Dima 等[13]研究表明,慢阻肺患者呼出气冷凝液,痰液和血清中 IL-18 和 IL-1β 均有不同程度的增高。由此证明促炎因子 IL-18 和 IL-1β 参与慢阻肺机体炎症反应,其升高有可能作为慢阻肺稳定期和急性加重期的临床辅助诊断指标,对慢阻肺的治疗具有一定的指导意义。Dima 等[13]还发现实验动物模型中 IL-18 过表达导致小鼠肺气肿病变,提示 IL-18 在鼠肺中诱导广泛的炎症反应和气道重塑,由此认为 IL-18 可以作为慢阻肺治疗的潜在靶标,以限制慢阻肺肺组织中发生的破坏性和重塑过程。慢阻肺患者机体 IL-18 的水平升高对慢阻肺的预后和并发症的影响有待进一步探究。
本研究发现急性加重期组 IL-18 水平和白细胞计数、中性粒细胞百分比呈正相关。有研究表明 IL-18 能够发挥中性粒细胞的趋化作用,通过气道吸入 IL-18 能够显著提高肺脏的中性粒细胞的浸润,从而造成肺组织通透性增加[14];还有研究表明小鼠中性粒细胞通过活化的 NLRP3 炎性小体分泌白细胞介素,其研究中检测到 IL-1β 的分泌增加,但未对 NLRP3 炎性小体的另一个下游炎症因子 IL-18 进行检测[15]。因此,IL-18 与中性粒细胞和其他白细胞的相互作用有待进一步研究。CAT 评分是测量慢阻肺患者健康状况的一种评估方法,包括了对临床症状、情绪状态、活动能力的评价。本研究中急性加重期组 NLRP3 mRNA 表达量和稳定期组 NLRP3 mRNA 表达量均与 CAT 评分正相关,提示 PBMCs 中 NLRP3 mRNA 水平在一定程度上可以反映慢阻肺患者机体的状态。
陈庆芸等[16]研究发现,IL-18 可能参与慢阻肺的气道炎症、全身炎症和营养不良的发生。在慢阻肺稳定期血清和诱导痰中 IL-18 和急性加重期血清 IL-18 与 BMI 呈负相关。而本研究中急性加重期组和稳定期组血浆 IL-18 水平与 BMI 并无相关性。其原因可能是影响机体营养状态的因素较多,IL-18 水平并不是其主要影响因素。
综上所述,NLRP3 炎性小体参与慢阻肺患者的机体炎症反应,PBMCs 中 NLRP3 mRNA 水平和血浆 IL-18、IL-1β 水平有望作为诊断慢阻肺和监测慢阻肺治疗效果的重要指标。目前还有学者认为炎性小体的过度激活可以推动慢阻肺的发展和恶化[17],因此阻断 NLRP3 炎性小体的活化可能成为治疗慢阻肺的一个研究方向。
慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)是以持续气流受限为特征的可以预防和治疗的疾病,其气流受限多呈进行性发展,通常与气道或肺组织对有害颗粒或气体的慢性炎症反应增强有关[1]。NLRP3 炎性小体是多分子复合物,其基本组分包括 NOD 样受体热蛋白结构域相关蛋白 3(Nod-like receptor,pyrin domain 3 containing,NLRP3)、凋亡相关点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD,ASC)和半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1(cysteine-requiring aspartate protease-1,caspase-1)。NLRP3 炎性小体活化是免疫反应的重要组成部分,机体中 NLRP3 炎性小体过度活化,合成、分泌大量白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)和白细胞介素-18(interleukin-18,IL-18),可能导致慢阻肺等慢性炎性疾病的发生[2]。本研究旨在研究 NLRP3 炎性小体及其下游炎症因子在慢阻肺患者和健康人之间表达的差异,揭示 NLRP3 炎性小体在慢阻肺发病机制中的作用。
1 资料与方法
1.1 临床资料
选择 2016 年 11 月至 2017 年 5 月在石河子大学第一附属医院住院的慢阻肺急性加重期患者 40 例纳入急性加重期组,经治疗进入稳定期后纳入稳定期组,选择同期健康体检者 40 例纳入对照组。急性加重期组和稳定期组纳入标准依据中华医学会呼吸病学分会慢性阻塞性肺疾病学组于 2013 年制定的《慢性阻塞性肺疾病诊治指南》。慢阻肺急性加重期组患者给予抗感染、祛痰止咳、解痉对症等处理,其咳嗽、咳痰、气喘等症状稳定或症状轻微,病情基本恢复到急性加重前的状态,判断为进入稳定期,纳入慢阻肺稳定期组。排除标准:患者有支气管哮喘、矽肺、肺结核、间质性肺疾病等慢性疾病;合并冠心病、动脉粥样硬化、2 型糖尿病、肝肾疾病、肿瘤及自身免疫性疾病的患者;纳入前 1 个月内使用过糖皮质激素的急性加重期慢阻肺患者;不能配合完成肺功能者。对照组为正常健康人群,依据随机原则与慢阻肺组在性别、年龄上进行匹配。血液标本及信息收集均获得患者的知情同意并通过石河子大学医学院第一附属医院伦理委员会批准。
1.2 方法
1.2.1 分离外周血单个核细胞(peripheral blood mononuclear cells,PBMCs)
使用 EDTA 抗凝管采集各组患者清晨外周静脉血,按照人外周血淋巴细胞分离液(北京索莱宝科技有限公司,中国)说明书,分离出 PBMCs,加入 1 ml Trizol 试剂(life-invitrogen 公司,美国)轻轻吹打混匀,–80 ℃ 冻存备用。
1.2.2 提取总 RNA 和逆转录
将加入 Trizol 的 PBMCs 从 –80 ℃ 恢复至室温,按照 Trizol 试剂说明书,提取总 RNA。采用紫外分光光度计(Thermo ScientificTM NanoDrop 2000)测量总 RNA 的浓度与纯度,当 260 nm/280 nm 在 1.8~2.0 时,取 5~10 μl 按 cDNA 合成试剂盒(Thermo-fermentas 公司,美国)说明书,建立 12 μl 的反转录体系,70 ℃ 5 min,4 ℃ 3 min,按说明书增至 20 μl 反应体系,42 ℃ 60 min,70 ℃ 5 min。
1.2.3 引物设计
β-actin mRNA、NLRP3 mRNA 、caspase-1 mRNA 的 qPCR 引物由生工生物工程(上海)股份有限公司设计并合成。NLRP3 上游引物:5′-CATGAGTGCTGCTTCGACAT-3′,下游引物:5′-GCTTCAGTCCCACACACAGA-3′;caspase-1 上游引物:5′-ATCGCTTTCTGCTCTTCCAC-3′,下游引物:5′-TCCTCCACATCACAGGAACA-3′ ;β-actin上游引物:5′-TAGTTGCGTTACACCCTTTCTTG-3′,下游引物:5′-TCACCTTCACCGTTCCAGTTT-3′。
1.2.4 实时荧光定量聚合酶链反应(qPCR)
根据荧光定量 PCR 试剂盒(Qiagen 公司,德国)说明书建立总体积 20 μl 的反应体系,设立 3 个复孔,反应条件为:95 ℃ 2 min(1 个循环),95 ℃ 5 s,60 ℃ 30 s(40 个循环),循环结束得到扩增曲线;95 ℃ 15 s,60 ℃ 1 min,95 ℃ 30 s,60 ℃ 15 s 后得到溶解曲线。由 2–ΔΔCt表示目的基因 mRNA 表达水平的高低。
1.2.5 酶联免疫吸附检测
按照人 IL-1β 酶联免疫吸附测定试剂盒,人 IL-18 酶联免疫吸附测定试剂盒(武汉伊莱瑞特生物科技有限公司,中国)说明书,检测各组血浆 IL-1β、IL-18 的浓度(X-mark 酶标仪,美国 BIO-RAD 公司)。
1.3 统计学方法
用 SPSS 20.0 统计学软件进行数据处理,呈正态分布的计量资料以均数±标准差(
)表示,偏态分布的计量资料以中位数(四分位数间距)[M(P25,P75)]表示。计数资料的组间比较采用 χ2 检验。符合正态分布的计量资料采用 t 检验,配对的两组比较采用配对 t 检验,独立的两组比较采用两独立样本 t 检验。偏态分布的计量资料用 Wilcoxon 秩和检验。变量间相关性检验采用线性相关分析。P<0.05 为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 一般资料的比较
各组性别、年龄、体重指数(body mass index,BMI)比较,差异无统计学意义(P>0.05),慢阻肺组 FEV1%pred 和 FEV1/FVC 显著低于对照组(P<0.05)。结果见表 1。

2.2 NLRP3 mRNA、caspase-1 mRNA 表达量和血浆 IL-18、IL-1β 水平比较
急性加重期组慢阻肺患者的 NLRP3 mRNA、IL-18 和 IL-1β 水平均显著高于稳定期组和对照组(P<0.05),稳定期组 NLRP3 mRNA 的表达量及血浆 IL-18 和 IL-1β 水平显著高于对照组 (P<0.05)。结果见表 2。

2.3 相关性研究
急性加重期组 IL-18 水平与白细胞计数和中性粒细胞百分比呈正相关(r=0.372,P<0.05;r=0.386,P<0.05);急性加重期组 NLRP3 mRNA 表达量和稳定期组 NLRP3 mRNA 表达量均与 CAT 评分正相关(r=0.387,P<0.05;r=0.399,P<0.05)。结果见表 3、表 4、表 5。



3 讨论
近年来,人们逐渐认识到 NLRP3 炎性小体在慢阻肺发生发展中的作用。慢阻肺的发病机制复杂,慢阻肺患者机体中存在激活炎性小体的信号分子,这些信号分子的来源可能是感染引起的病原相关分子模式的信号刺激(如病毒和细菌[3-5])和氧化应激引起的损伤相关分子模式的信号刺激(如ATP 和线粒体 DNA[6])。当配体与 NLRP3 结合后促进 NLRP3 炎性小体的形成,使无活性的前体 caspase-1 分裂产生活化型的 caspase-1,caspase-1 使无活性的前体白细胞介素-1β 和前体白细胞介素-18 分裂,产生活化型的 IL-1β 和 IL-18,分泌到细胞外产生生物学效应[7]。
本研究中急性加重期组和稳定期组慢阻肺患者 PBMCs 中 NLRP3 mRNA 水平均显著高于对照组,这与 Faner 等[8]对肺组织的研究结果相一致。由此推测,急性加重期和稳定期慢阻肺患者 PBMCs 中的 NLRP3 炎性小体在接受信号刺激后,NLRP3 通过增加 mRNA 转录调节 NLRP3 炎性小体信号通路。本研究中急性加重期组慢阻肺患者 PBMCs 中 NLRP3 mRNA 水平显著高于稳定期组,这可能有两个原因:(1)慢阻肺急性加重期转归为慢阻肺稳定期过程中,患者机体炎性反应减弱导致 NLRP3 mRNA 水平降低;(2)治疗过程中的药物,如糖皮质激素类药物,可能对 NLRP3 水平有降低作用。治疗药物对 NLRP3 炎性小体的影响有待进一步研究。本研究还发现 caspase-1 mRNA 水平在慢阻肺急性加重期组、稳定期组和对照组之间无显著差异。Faner 等[8]发现稳定期慢阻肺患者肺组织内 caspase-1 在蛋白水平处于未活化状态。Di Stefano 等[9]发现慢阻肺稳定期 NLRP3 炎性小体处于未激活状态。PBMCs 中的 caspase-1 可能与肺组织中的 caspase-1 作用原理相同,在蛋白水平参与调节 NLRP3 炎性小体信号通路,所以 caspase-1 mRNA 在慢阻肺患者体内并无显著变化。
本研究中急性加重期组和稳定期组血浆 IL-18、IL-1β 水平均高于对照组,且急性加重期组高于稳定期组。这与很多研究的结果相一致,马强等[10]和鲍中未等[11]研究发现,慢阻肺急性加重期组和慢阻肺稳定期组血清 IL-18 显著高于对照组。孙世民等[12]研究发现,慢阻肺急性加重期与慢阻肺稳定期相比,血清 IL-1β 显著升高。Dima 等[13]研究表明,慢阻肺患者呼出气冷凝液,痰液和血清中 IL-18 和 IL-1β 均有不同程度的增高。由此证明促炎因子 IL-18 和 IL-1β 参与慢阻肺机体炎症反应,其升高有可能作为慢阻肺稳定期和急性加重期的临床辅助诊断指标,对慢阻肺的治疗具有一定的指导意义。Dima 等[13]还发现实验动物模型中 IL-18 过表达导致小鼠肺气肿病变,提示 IL-18 在鼠肺中诱导广泛的炎症反应和气道重塑,由此认为 IL-18 可以作为慢阻肺治疗的潜在靶标,以限制慢阻肺肺组织中发生的破坏性和重塑过程。慢阻肺患者机体 IL-18 的水平升高对慢阻肺的预后和并发症的影响有待进一步探究。
本研究发现急性加重期组 IL-18 水平和白细胞计数、中性粒细胞百分比呈正相关。有研究表明 IL-18 能够发挥中性粒细胞的趋化作用,通过气道吸入 IL-18 能够显著提高肺脏的中性粒细胞的浸润,从而造成肺组织通透性增加[14];还有研究表明小鼠中性粒细胞通过活化的 NLRP3 炎性小体分泌白细胞介素,其研究中检测到 IL-1β 的分泌增加,但未对 NLRP3 炎性小体的另一个下游炎症因子 IL-18 进行检测[15]。因此,IL-18 与中性粒细胞和其他白细胞的相互作用有待进一步研究。CAT 评分是测量慢阻肺患者健康状况的一种评估方法,包括了对临床症状、情绪状态、活动能力的评价。本研究中急性加重期组 NLRP3 mRNA 表达量和稳定期组 NLRP3 mRNA 表达量均与 CAT 评分正相关,提示 PBMCs 中 NLRP3 mRNA 水平在一定程度上可以反映慢阻肺患者机体的状态。
陈庆芸等[16]研究发现,IL-18 可能参与慢阻肺的气道炎症、全身炎症和营养不良的发生。在慢阻肺稳定期血清和诱导痰中 IL-18 和急性加重期血清 IL-18 与 BMI 呈负相关。而本研究中急性加重期组和稳定期组血浆 IL-18 水平与 BMI 并无相关性。其原因可能是影响机体营养状态的因素较多,IL-18 水平并不是其主要影响因素。
综上所述,NLRP3 炎性小体参与慢阻肺患者的机体炎症反应,PBMCs 中 NLRP3 mRNA 水平和血浆 IL-18、IL-1β 水平有望作为诊断慢阻肺和监测慢阻肺治疗效果的重要指标。目前还有学者认为炎性小体的过度激活可以推动慢阻肺的发展和恶化[17],因此阻断 NLRP3 炎性小体的活化可能成为治疗慢阻肺的一个研究方向。